-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbine zum
Erzeugen von Energie an einer Abtriebswelle unter Verwendung des
Tornadoprinzips (Tornadoturbine), insbesondere zur Anwendung als
Motor.
-
[Stand der Technik]
-
Turbinen
in denen künstlich
Luftwirbel erzeugt werden, die den Wirbelstürmen ähneln, werden als Tornadoturbinen
(Joseph T. Hamrick, mechanical engeneering 4/03/03, „From Gas
Turbines to Tornadoes" und
WO 1997/045630 A1) bezeichnet. Der Aufbau einer Turbine auf die
sich das Herstellungsverfahren bezieht ist beispielsweise in der
deutschen Patentanmeldung
DE 2005 056 182 A1 beschrieben.
-
Die
Fertigung einer solchen Turbine nach den bekannten Verfahren, bei
denen jedes Teil gesondert hergestellt und dann die Maschine zusammengesetzt
wird, ist hinsichtlich der Einhaltung der notwendigen Toleranzen
relativ aufwendig.
-
[Aufgabe der Erfindung]
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Tornadoturbine
zu schaffen, mit dem äußerst einfach
die Fertigung einer Turbine mit genauen und reproduzierbaren und
aufeinander abgestimmten Toleranzen möglich ist, ohne das für jedes
Teil im einzelnen die Einhaltung hoher Toleranzen erforderlich ist.
-
Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die
Erfindung stellt ein neuartiges Fertigungsverfahren für eine Tornadoturbine
gemäß der deutschen
Patentanmeldung 10 2005 056 182.9 vor, die für die Erzeugung von Energie
an einer Abtriebswelle neben der klassischen Expansion (Verbrennungsmotor)
das Tornadoprinzip nutzt.
-
Eine
solche Tornadoturbine besteht aus einem Grundgehäuse auf dem ein Rotationsgehäuse, dem
eine Abtriebswelle zugeordnet ist, drehbar angeordnet ist.
-
Das
Rotationsgehäuse
ist aus einem inneren und äußeren Rotationsgehäuseteil
zusammengesetzt, die über
eine Scheibe verbunden sind. Die beiden Gehäuseteile sind zueinander koaxial
ausgerichtet, wobei sowohl das innere als auch das äußere Rotationsgehäuseteil
eine entgegen ihrer Drehrichtung spiralförmige Öffnung besitzt.
-
Durch
diese Anordnung wird zwischen dem inneren und dem äußeren Rotationsgehäuseteil
ein Aktionsraum gebildet, in dem eine Vielzahl von Rotationsblättern angeordnet
sind, die den Aktionsraum in eine Vielzahl von Arbeitskammern unterteilen.
-
Das
innere Gehäuseteil
besitzt zur Ansaugung von Luft einen axialen Hohlraum in den die
spiralförmige Öffnung des
inneren Gehäuseteils
mündet.
Durch diesen axialen Hohlraum wird durch die Drehung des Rotationsgehäuses, dem
Temperaturunterschied zwischen der im Hohlraum angesaugten Luft
und den Verbrennungsgasen im Aktionsraum sowie den entstehenden
Druckunterschieden ein tornadoähnlichen
Wirbel gebildet, der zusätzlich
für eine Vorverdichtung
und Verstärkung
der Rotation sorgt.
-
Die
Rotationsblätter
sind an Rotationsblattwellen befestigt, die abhängig drehbar im Grundgehäuse befestigt
sind.
-
Sowohl
das innere als auch das äußere Rotationsgehäuseteil
besitzt zur Seite des Aktionsraumes hin ein Profil, das durch die
Drehung der Rotationsblätter
derart bestimmt ist, dass die Arbeitskammern bei jeder Stellung
der Rotationsblätter
ausreichend gegeneinander abgedichtet sind.
-
An
einer Stelle der größten Verengung
besitzt der Aktionsraum eine in die jeweilige Arbeitskammer gerichtete
Einspritzdüse
für brennbare
Gase.
-
Die
Stelle der größten Verengung
ist gleichzeitig die einzige Stelle, an der sich zwei Rotationsblätter derart
nähern,
dass die Krümmung
eines Rotationsblattes stetig auf die Krümmung des nachfolgenden Rotationsblattes übergeht.
-
Die
Rotationsblätter
drehen sich ortsfest zwischen dem inneren und dem äußeren Rotationsgehäuseteil
in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis (z.
B. 2:1) zum Rotationsgehäuse.
Die Drehrichtung ist dabei entgegengesetzt. Dadurch rotieren quasi
eine Vielzahl von Arbeitskammern innerhalb des zwischen dem inneren
und dem äußeren Rotationsgehäuseteil
gebildeten Aktionsraum, wobei durch die Geometrie der Rotationsblätter, dem
Profil des inneren und des äußeren Rotationsgehäuseteils,
zusammen mit den entgegen der Drehrichtung der Rotationsgehäuseteile
angeordneten äußeren und
inneren spiralförmigen Öffnungen
Luftwirbel erzeugt werden, die durch Verbrennungsexpansion in den
Arbeitskammern eine Drehbewegung erzeugen, die zusätzlich durch
Ausnutzung eines Rückstoßes im Bereich
der äußeren spiralförmigen Öffnung verstärkt wird.
-
Die
tangential ausströmenden
Gase verstärken
den Tornadoeffekt der angesaugten Gase und dienen gleichzeitig der
Verdichtung. Durch die Größe der äußeren spiralförmigen Öffnung ist
dieser Effekt steuerbar.
-
Die
Fertigung einer solchen Turbine erfolgt erfindungsgemäß aus der
Bewegung heraus in den nachfolgend beschriebenen Schritten, wobei
die Rotationsblätter
und das Rotationsgehäuse
nacheinander oder auch gleichzeitig auf einer Werkzeugmaschine hergestellt
werden können:
-
1. Fertigung
der Rotationsblätter
-
Vor
der Fertigung der Rotationsblätter
wird zunächst
ein kreisförmiges
Grundgehäuse
mit dem notwendigen Getriebe, welches die Rotationsblätter in
Drehung versetzt, montiert.
-
Das
in dem Grundgehäuse
angeordnete Getriebe besteht aus einer zentralen Hohlwelle mit einem
zentralen Zahnrad und vorzugsweise acht kreisförmig um die zentrale Hohlwelle
angeordneten Rotationsblattwellen mit Planetenzahnrädern.
-
Das
Grundgehäuse
ist mit einer Grundplatte abgeschlossen, durch die die zentrale
Hohlwelle und die Rotationsblattwellen ragen.
-
Die
zentrale Hohlwelle wird zur Fertigung der Rotationsblätter in
der Werkzeugmaschine fixiert. Dann werden die vorzugsweise vorgefertigten
Rotationsblattrohlinge auf die Rotationsblattwellen aufgesetzt und
aus der Bewegung, die sie auch in der fertigen Tornadoturbine ausüben, gefertigt.
Durch das Getriebe drehen sich die zu fertigenden Rotationsblätter zwangsgesteuert.
-
Eine
Vorfertigung der Rotationsblattwellen ist deshalb zweckmäßig, da
sich beim Fräsen
aus einem vollen Zylinder beim gleichzeitigen Einsatz von acht Zylindern
eine teilweise Überschneidung
der Mantelflächen
ergeben würde,
so dass in diesem Falle zunächst
nur vier Rotationsblätter
und in einem weiteren Arbeitsgang die übrigen vier Rotationsblätter gefertigt
werden müssten.
-
Zur
Bearbeitung der Rotationsblätter
werden, unter gleichzeitigem Drehen der Grundplatte durch die Werkzeugmaschine,
an die Rotationsblattrohlinge ein Paar Fräser angesetzt, so dass eine
Fertigung aus der Bewegung entsteht, wobei die beiden Fräser axial
drehend und radial zueinander ausgerichtet an einer Stelle angesetzt
werden, wo später,
in dem anschließend
zu fertigenden Rotationsgehäuse, sich
die Stelle der größte Verengung
befindet.
-
Beim
Durchlauf der Rohlinge durch die Fräser wird durch das Getriebe
die gleiche Rotation der Rotationsblätter erzeugt, wie beim späteren Betrieb der
Turbine.
-
Die
Form der Rotationsblätter
entsteht so aus der Bewegung heraus. Die Fräser werden beim Durchlauf aller
Rotationsblätter
nacheinander langsam gegeneinander bewegt und so mit mehren Durchläufen durch
die Fräser
die Rotationsblätter schrittweise
geformt.
-
2. Fertigung
des Rotationsgehäuses
-
Das
Rotationsgehäuse
wird ebenfalls aus einem Gehäuserohling
gefertigt, welches aus einem inneren und einem äußeren Gehäuseteil besteht, die über eine
Grundplatte miteinander verbunden sind. Das so doppelt topfförmig ausgebildete
Rotationsgehäuse
wird nach seiner Fertigung passfähig über die Rotationsblätter gestülpt und
mit der Grundplatte des Grundgehäuses
verbunden.
-
Der
Gehäuserohling
wird axial in die Werkzeugmaschine eingespannt und mit zwei gegenläufig arbeitenden
Fräsern
bearbeitet.
-
Die
zwei Fräser
werden in dem Gehäuserohling
so angesetzt, dass die beiden Fräser
die peripheren Flanken eines Rotationsblattes darstellen und aus
der relativen Bewegung von Fräser
und Gehäuserohling
die Gehäuseteile
bis auf ein geringes Untermaß eingeschliffen
werden.
-
Die
Fräser
werden dazu mit der gleichen Bewegung geführt wie die Rotationsblätter.
-
Anschließend werden
die notwendigen spiralförmigen Öffnungen
in das äußere und
das innere Gehäuseteil
eingefräst.
-
Den
Feinschliff erhält
das Rotationsgehäuse beim
Einführen
der vorgefertigten Rotationsblätter
in das Gehäuse,
wobei der Werkstoff der Rotationsblätter härter sein muss als der Werkstoff
des Gehäuses.
-
Damit
sind die Rotationsblätter
exakt innerhalb des Rotationsgehäuses
ausgerichtet. Besondere zusätzliche
Dichtungen, wie beispielsweise beim Wankelmotor sind aufgrund dieses
Fertigungsverfahrens und der Arbeitsweise der Tornadoturbine nicht erforderlich.
-
Für die Fertigung
ist es in einer Ausführung des
Verfahrens von Vorteil, wenn die Rotationsblätter und das Rotationsgehäuse auf
einer Werkzeugmaschine mit zwei verschiebbaren, axial zueinander ausgerichteten
Halterungen und Frässeinrichtungen, die
nach beiden Seiten arbeiten, hergestellt werden.
-
[Beispiele]
-
An
Hand von Zeichnungen werden der Aufbau und die Wirkungsweise der
Tornadoturbine und das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 die
Ansicht einer Tornadoturbine im Querschnitt,
-
2 die
Darstellung der Arbeitsweise der Tornadoturbine,
-
2a die
Arbeitsweise der Tornadoturbine bei Verdichtung,
-
2b die
Arbeitsweise der Tornadoturbine bei Expansion,
-
2c die
Arbeitsweise der Tornadoturbine beim Auslassrückstoss,
-
3 ein
Grundgehäuse
mit den Wellen für das
Rotationsgehäuse
und den Rotationsblättern,
-
4 das
Grundgehäuse
nach 3 mit den aufgesetzten Rotationsblättern,
-
5 ein
Rotationsgehäuse
mit innerem und äußerem Rotationsgehäuseteil,
-
6 eine
Scheibe zur Verbindung des inneren und des äußeren Rotationsgehäuseteils,
-
7 die
Fertigung der Rotationsblätter,
-
8 die
Bewegung der Rotationsblätter beim
Fräsen
durch die Fräser,
-
9 das
Fräsen
der Konturen im Rotationsgehäuse
und
-
10 das
Aufsetzen des Rotationsgehäuses
auf die Rotationsblätter
für den
Feinschliff.
-
1 bis 6 zeigen
zum Verständnis
des Herstellungsverfahrens den Aufbau und die Wirkungsweise der
zu fertigenden Tornadoturbine.
-
Die
Tornadoturbine besteht aus zwei Gehäusen, einem feststehenden Grundgehäuse 1,
zu sehen in 3 und 4, und einem
Rotationsgehäuse 3,
das als Bauteil in 5 dargestellt ist. Das Rotationsgehäuse 3 besitzt
ein inneres Rotationsgehäuseteil 5 und
ein äußeres Rotationsgehäuseteil 6.
Das Rotationsgehäuse 3 ist
mit einer Hohlzentralwelle 2, die die Abtriebswelle ist,
fest verbunden und in dem Grundgehäuse 1 gelagert.
-
Zwischen
dem inneren 5 und dem äußeren Rotationsgehäuseteil 6 ist
so, wie in 1 dargestellt, ein Aktionsraum 9 gebildet.
In dem Aktionsraum 9 des Rotationsgehäuses 3 befinden sich, kreisförmig angeordnet,
vorzugsweise acht gebogene Rotationsblätter 10, die auf Rotationsblattwellen 11 (3)
gelagert sind.
-
Der
Aktionsraum 9 des Rotationsgehäuses 3 ist zum Grundgehäuse 1 durch
eine Grundplatte 4 (4) abgeschlossen,
die mit dem Gehäuse 1 fest verbunden
ist. Die andere Seite des Aktionsraumes 9 ist durch eine
Scheibe 7 abgedichtet, die gleichzeitig die Verbindung
zwischen dem inneren 5 und dem äußeren Rotations gehäuseteil 6 herstellt.
Das Rotationsgehäuse 3 dreht
sich abgedichtet auf der Grundplatte 4 des Gehäuses 1.
-
Am
Ende der Hohlzentralwelle 2 des Rotationsgehäuses 3 steht
in dem feststehenden Gehäuse 1 vorzugsweise
ein Zentralzahnrad 15 im Verhältnis 2:1 (Drehrichtungsumkehr)
mit Zahnrädern 16 der Rotationsblätter 10 im
Eingriff. Diese sind am Ende der Rotationsblattwellen 11 angebracht.
Alle Wellen 2, 11 sind in dem feststehenden Gehäuse 1 gelagert und
durch die Grundplatte 4 geführt, die das feststehende Gehäuse 1 (4)
gegenüber
dem Aktionsraum 9 abschließt.
-
Am
Ende der Hohlzentralwelle 2 und mit dieser fest verbunden
ist die in 6 dargestellte Scheibe 7,
die das Rotationsgehäuse 3 als
Deckplatte topfförmig
abschließt,
zur festen Verbindung des inneren 5 mit dem äußeren Rotationsgehäuseteil 6 angebracht.
-
Wenn
das Rotationsgehäuse 3 in
Bewegung gesetzt wird, drehen sich die Rotationsblätter 10 doppelt
so schnell rückwärts wie
das Rotationsgehäuse 3 vorwärts. Die
Luft wird über
eine spiralförmige Öffnung 8 und
dem Tornadogang im inneren des Rotationsgehäuseteils 5 in eine
sich schließende
Arbeitskammer des Aktionsraumes 9 gefördert. Dann wird sie in dichten
folgenden Kammern (2a) verdichtet.
Von dort aus strömt
sie in die Brennkammer (2b). Hier
wird sie mit Kraftstoffnebel aus einer Einspritzdüse 14 vermischt.
Die Zündung
erfolgt beispielsweise nur einmal mit einem Feuerstoß durch den
Tornadogang. Ist der Kraftstoffnebel in der Brennkammer gezündet, brennt
sie kontinuierlich weiter. Das ist die erste Energiequelle im geschlossenem
Aktionsraum 9 der Tornadoturbine. Der Restexpansionsdruck
wird beim Öffnen
der Arbeitskammern (2c) radial zur
Hohlzentralwelle 2 aus dem Rotationsgehäuse 3 tangential mit
hoher Geschwindigkeit aus einer äußeren spiralförmigen Öffnung 8 entlassen.
Der dabei entstehende Rückstoß ist die
zweite Energiequelle der Tornadoturbine. Wird ein Teil der extrem
schnellen Gase wieder in den Verdichtungsgang (2a)
geleitet, entsteht ein extremer Vordruck.
-
In 3 ist
das Grundgehäuse 1 mit
der zentralen Hohlwelle 2 für das Rotationsgehäuse 3 und den
ringförmig
um die zentrale Hohlwelle 2 angeordneten Rotationsblattwellen 11 für die Rotationsblätter 10 dargestellt.
Die zentrale Hohlwelle 2 und die Rotationsblattwellen 11 sind über ein
Getriebe verbunden, das aus einem Zentralzahnrad 15 für die zentrale Hohlwelle 2 und
planetenförmig
angeordneten Rotationsblattzahnrädern 16 für die Rotationsblätter 10 besteht.
-
4 zeigt
das Grundgehäuse 1 nach 3 mit
der das Getriebe 15, 16 abdeckenden Grundplatte 4 und
den auf die Rotationsblattwellen 11 aufgesetzten Rotationsblättern 10.
-
Die
Fertigung der Rotationsblätter 10 ist
in 7 und 8 dargestellt.
-
Auf
dem Grundgehäuse 1 sind
die zentrale Hohlwelle 2 und die Rotationsblattwellen 11 angeordnet.
Die Grundplatte 4 ist in 7 entfernt.
-
Die
zentrale Hohlwelle 2 wird zur Fertigung der Rotationsblätter 10 in
einer Werkzeugmaschine fixiert. Dann werden die zu fertigenden Rotationsblätter 10,
vorzugsweise vorgefertigte Rotationsblattrohlinge 18, auf
die Rotationsblattwellen 11 aufgesetzt und aus der Bewegung,
die sie auch in der fertigen Tornadoturbine ausüben, gefertigt. Durch das Getriebe 15, 16 drehen
sich die zu fertigenden Rotationsblätter 10 bzw. Rohlinge 18 zwangsgesteuert.
-
Zur
Bearbeitung der Rotationsblätter 10 werden
an die Rotationsblattrohlinge 18 ein Paar Fräser 17 angesetzt
unter gleichzeitigem Drehen der Grundplatte 4 bzw. des
Grundgehäuses 1 durch
die Werkzeugmaschine, so dass eine Fertigung aus der Bewegung entsteht,
wobei die beiden Fräser 17 axial drehend
und radial zueinander ausgerichtet an einer Stelle angesetzt werden,
wo später,
in dem anschließend
zu fertigenden Rotationsgehäuse 3,
sich die Stelle der größten Verengung 13 befindet.
-
Beim
Durchlauf der Rohlinge 18 durch die Fräser 17 wird durch
das Getriebe 15, 16 die gleiche Rotation der Rotationsblattrohlinge 18 erzeugt,
wie beim späteren
Betrieb der Rotationsblätter 10 in
der Turbine.
-
In 8 ist
noch einmal verdeutlicht, wie die Form der Rotationsblätter 10 aus
der Bewegung entsteht. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Grundplatte 4 mit
nur vier Rotationsblattrohlingen 18 abgebildet.
-
Die
Fräser 17 werden
beim Durchlauf aller Rotationsblätter 10 nacheinander
langsam gegeneinander bewegt und so mit mehren Durchläufen durch die
Fräser 17 die
Rotationsblätter 10 schrittweise
geformt.
-
Die
Fertigung des Rotationsgehäuses 3 ist
in 9 dargestellt. Es wird ebenfalls aus einem Gehäuserohling 19 gefertigt,
welches aus einem inneren 5 und einem äußeren 6 vorgefertigten
Gehäuseteil
besteht, die über
eine Scheibe 7 doppelt topfförmig miteinander verbunden
sind. In der schematischen Darstellung nach 9 sind die
Konturen des Gehäuserohlings 19 mit
dem inneren 5 und einem äußeren Gehäuseteil 6 nicht dargestellt,
sondern zur besseren Übersichtlichkeit
nur die Wege, die Fräser 20 zum
Ausfräsen
der Konturen nehmen.
-
Der
Gehäuserohling 19 wird
axial in die Werkzeugmaschine eingespannt und mit den zwei Fräsern 20,
die gegenläufig
arbeiten, bearbeitet.
-
Die
zwei Fräser 20 werden
in dem Gehäuserohling 19 so
angesetzt, dass sie die peripheren Flanken eines Rotationsblattes 10 darstellen,
dessen Bewegung durch den Gehäuserohling 19 die
Konturen des Rotationsgehäuses 3 formt.
So werden aus der relativen Bewegung der Fräser 20 und des Gehäuserohlings 19 die
Rotationsgehäuseteile 5 und 6 bis
auf ein geringes Untermaß eingeschliffen.
-
Anschließend werden
noch die notwendigen spiralförmigen Öffnungen 8 in
das äußere 6 und
das innere Rotationsgehäuseteil 5 eingefräst, wobei
zuvor in das innere Gehäuseteil 5 eine
axiale Bohrung, zur Ansaugung von Luft und zur Bildung des Tornadowirbels,
eingebracht wurde.
-
Den
Feinschliff erhält
das Rotationsgehäuse 3,
wie in 10 dargestellt, beim Einführen der
vorgefertigten Rotationsblätter 10 in
das Rotationsgehäuse 3,
wobei der Werkstoff der Rotationsblätter 10 härter sein
muss als der Werkstoff des Rotationsgehäuses 3.
-
Damit
sind die Rotationsblätter 10 exakt
innerhalb des Rotationsgehäuses 3 ausgerichtet.
Besondere zusätzliche
Dichtungen, wie beispielsweise beim Wankelmotor sind aufgrund dieses
Fertigungsverfahrens und der Arbeitsweise der Tornadoturbine nicht
erforderlich.
-
- 1
- Grundgehäuse
- 2
- Abtriebswelle,
zentrale Hohlwelle
- 3
- Rotationsgehäuse
- 4
- Grundplatte
- 5
- inneres
Rotationsgehäuseteil
- 6
- äußeres Rotationsgehäuseteil
- 7
- Scheibe
zur Verbindung des äußeren mit
dem inneren Rotationsgehäuseteil
- 8
- spiralförmige Öffnung
- 9
- Aktionsraum
- 10
- Rotationsblätter
- 11
- Rotationsblattwellen
- 12
- Gehäuseprofil
- 13
- Verengung
- 14
- Einspritzdüse
- 15
- Zentralzahnrad
- 16
- Rotationsblattzahnräder
- 17
- Fräser zur
Herstellung der Rotationsblätter
- 18
- Rotationsblattrohlinge
- 19
- Rotationsgehäuserohling
- 20
- Fräser zur
Herstellung des Rotationsgehäuses