DE102009008213A1

DE102009008213A1 - Drehkolbenmaschinenanordnung

Info

Publication number: DE102009008213A1
Application number: DE102009008213A
Authority: DE
Inventors: Rolf Hollmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2009-10-01
Also published as: DE202009001639U1

Abstract

Eine Drehkolbenmaschinenanordnung nach der Erfindung besteht aus mindestens einem Drehkolbenaggregat, welches zwei Hohlwellen 6 und 7 aufweist, an denen die Zylinderhälften 6a bzw. 7a mit Flügelkolben 6b bzw. 7b und die Getriebeteile 8a bzw. 9a befestigt sind, und die um eine stationär angeordnete Hohlachse 1 rotieren können. Beide Zylinderhälften 6a und 7a werden mittels Druckfederelement 16 gegeneinandergedrückt gehalten, um den Arbeitsraum 5 nach außen abzudichten und um die Abdichtung zwischen benachbarten Hubräumen, die nur durch die Flügelkolben selber voneinander getrennt sind, zu gewährleisten. Die Fluidsteuerung selber erfolgt nur mittels der "Basisflächen" der Flügelkolben, die an der Hohlachse 1 anliegen. Die Drehkolbenaggregate können entweder nur als Verdichter arbeiten oder nur als Entspanner, im Rahmen einer Dampf- oder Gasturbine oder in Kombination als Verdichter zusammen mit einer Gasturbine unter Anwendung des Gasturbinenprozesses mit innerer oder externer Verbrennung, wobei bei jeder Art der Verwendung vorzugsweise jeweils mindestens zwei Aggregate zur Anwendung kommen sollten, um im Zusammenwirken einen möglichst optimalen Ausgleich des unruhigen Massengangs einer jeden Drehkolbenaggregathälfte zu ermöglichen. Bei Anwendung als Turbine mit innerer Verbrennung sind die Wirbelkammer und der Brennraum unmittelbar vor den Einlassöffnungen in der Hohlwelle 1 im Bereich des Arbeitsraumes angeordnet. Das Arbeitsfluid wird dem Drehkolbenaggregat nur über ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschinenanordnung, die aus einem oder mehreren Aggregaten aufgebaut sein kann, die entweder alle nur als Kompressor (Verdichter) zur Verdichtung von Gasen oder alle nur als Entspanner (Turbine) im Rahmen einer geschlossenen Dampfturbinenanlage bzw. Kältemaschine oder in Kombination zum Teil als Verdichter und zum Teil als Entspanner in einem Gasturbinenprozess mit interner oder externer Verbrennung arbeiten.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 000002518554 A1 ist bekannt, dass man separate Drehkolbenaggregate verwenden kann, um eine Drehkraft zu erzeugen, wobei ein Aggregat als Verdichter und ein zweites als Entspanner arbeitet. Bei dieser Lösung werden die Drehkolben in eine oszillierende und nicht in eine rotierende Bewegung versetzt. Die Zu- und Ableitung des Arbeitsmediums erfolgt nicht über die Drehachse der oszillierenden Schwingkolben. Die kontinuierliche Verbrennung findet hier in einem Brenner außerhalb der Maschine statt. Die Brennkammer liefert das Heißgas in ringförmige Sammelräume, die am Umfang der Maschine zu beiden Seiten der Kolbentragscheiben des Expanders angeordnet sind. Diese Ringkammern müssen aufwendig thermisch isoliert sein. Die Heißgase haben einen relativ weiten Weg bis zu den Einschiebeschlitzen und können auf diesem Weg, trotz Isolierung, an Temperatur verlieren, die für die Wirkleistung der Maschine natürlich verloren ist.
Der Lösungsansatz der Offenlegungsschrift DE 000003937359 A1 weist ebenso getrennte Aggregate für die Verdichtung und Entspannung (Verbrennungsabschnitt) auf. Bei dieser Lösung wird die Luft axial angesaugt und radial abgegeben. Je Halbwelle ist nur ein Drehkolben vorhanden, und mindestens ein Drehkolben ist mit „Zungenventilen” ausgestattet, die sicher eine potentielle Störanfälligkeit darstellen. Aus der Offenlegungsschrift DE 000010223145 A1 geht hervor, dass die Zuluft der Drehkolbenmaschine axial zugeführt wird und auch, dass das Abgas von der Maschine axial abgeführt werden kann. Bei der hier vorgeschlagenen Lösung wird die Fluidsteuerung mittels einer separaten Steuerungsbüchse durch einen elektrisch betriebenen Sonder-Schrittmotor gesteuert und nicht automatisch durch die Flügelkolben selber. Bei dieser Lösung gibt es einen Innenzylinder mit nur einem Kolben, der um die Steuerbüchse rotiert. Die Verbrennung findet nach dem Dieselprinzip statt, welches gerade für Drehflügelkolben nicht so geeignet erscheint wegen den extrem hohen Druckspitzen zum Zeitpunkt der Selbstzündung.
Gleiches gilt für die Lösung nach der Offenlegungsschrift DE 000003937359 A1 . Wegen der Tatsache, dass sich bei den letzten beiden Lösungsvorschlägen jeweils nur ein Drehkolben je Innen- bzw. Außenzylinder bzw. je Arbeitswelle befindet, kann erwartet werden, dass die asymmetrisch auf die Innen- und Außenzylinder wirkenden Druckkräfte zum Zeitpunkt der Verbrennung sich nachteilig auf die Lagerung und Schmierung derselben auswirken. Bei keinem der Offenlegungsschriften kann man erkennen, wie ein unruhiger Massengang, insbesondere bei den Lösungen mit insgesamt nur zwei Kolben je Zylinder, kompensiert werden soll. Alle drei aufgeführten Lösungen weisen ein feststehendes Außengehäuse auf, welches die rotierenden Elemente, wie Drehkolben bzw. Außenzylinder umschließt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen diesen Elementen ist hoch und damit auch die zu erwartenden Reibungsverluste.
Die eigentliche Verbrennung des Kraftstoffes erfolgt entweder in dem Hubraum, begrenzt von zwei Flügelkolben, oder wie bei der Schwingkolbenlösung nach DE 000002518554 A1 in einer Brennkammer außerhalb der Maschine.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, allgemein anwendbare „Drehkolbenaggregatmodule” mit möglichst einfacher Bauweise zu gestalten, mittels derer ganze Drehkolbenmaschinenanordnungen, bestehend aus einer Mehrzahl dieser Module, aufgebaut werden können und mittels derer ein ruhiger Massengang ermöglicht wird. Diese Module sollen beliebig kombiniert werden können, um sowohl als reine Kompressoren für Gase oder als reine Turbinen im Rahmen einer Dampf- oder Gasturbine oder eben in Kombination mit Kompressor und Entspanner in einem Gasturbinenprozess mit innerer oder äußerer Verbrennung Verwendung zu finden, wobei auch je Funktion eine Mehrzahl von Stufen vorteilhaft eingesetzt werden kann. Außerdem ist es Aufgabe, die Dichtgrenzen der sich relativ zueinander bewegenden Teile im Verhältnis zur Baugröße so klein wie möglich zu halten, für gute Schmierung der Reibflächen, für gute Kühlung der Bauteile die es notwendig haben, und nicht zuletzt für eine gute und einfache Abdichtung der Arbeitsräume zu sorgen.
Lösung
An Hand von 1 soll das Grundprinzip eines Drehkolbenaggregates beschrieben werden, welches geeignet ist, um als Gasturbine mit innerer Verbrennung betrieben zu werden. Ein Kompressoraggregat, welches für den Turbinenprozess ebenfalls erforderlich ist, um die Frischluft mit dem gewünschten Arbeitsdruck zu liefern, ist vom Prinzip her ähnlich gestaltet, weist aber natürlich keinen Brennerteil im Zentrum des Drehkolbenaggregates auf, und die „Trennwand” zwischen Kammer 3 und der „Abgasseite” in der Hohlachse 1 ist verschlossen.
Eine stationär angeordnete Hohlachse 1, die in drei Segmente 1a, 1b und 1c unterteilt sein kann, hat das Segment 1a aus einem abgastemperaturbeständigen Werkstoff hergestellt und führt in seinem Inneren ein Frischluftrohr 2 aus gleichem metallischem Werkstoff. Des Segment 1b der Hohlachse, welches direkt nach dem Segment 1a im Inneren des Aggregates angeordnet ist, sollte vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein, da es dem heißen Verbrennungsprozess direkt ausgesetzt ist. (Bei einer Bauweise der Hohlachse nach 3a, kann auch die ganze Hohlachse aus einem Stück gefertigt sein). Des Segment 1b weist eine außermittig des Arbeitsraumes 5 angeordnete Trennwand 3b (Brennkammertrennwand) auf, die im Zentrum eine Bohrung zur Aufnahme des Frischluftrohres 2 hat, welches die verdichtete Luft 2a vom Kompressor zur Brennkammer 3 führt, hat. Das Frischluftrohr 2 hat an seinem Ende im Bereich der Brennkammer einen größeren Außendurchmesser, um eine Abdichtung zwischen diesem Rohr und der Brennkammertrennwand im Segment 1b zu ermöglichen. (Segment 1a und 1b könnten alternativ auch aus einem Stück hergestellt sein.) Des Segment 1c der Hohlachse formt mit seinem inneren Ende einen Luftspalt zu dem Ende des Frischluftrohres 2. Über eine zentrisch angeordnete Bohrung im Segment 1c wird der Brennstoff 15 von außen zum Luftspalt geführt. Im und vor dem Luftspalt kann sich der Treibstoff mit der Frischluft vermischen, um denn mittels einer Zündelektrode 4 am Ende des Luftspaltes durch einen Funken zwischen dieser Elektrode und dem metallischen Ende des Frischluftrohres 2 entzündet zu werden, um dann in der Brennkammer 3 zu verbrennen. Da es sich um einen Turbinenprozess handelt, sollte eine 1-mal Zündung ausreichen, um die Verbrennung in Gang zu halten. (Die Maschine muss sich dabei logischerweise drehen.) Die Zündelektrode 4 muss natürlich, von Masse isoliert und abgedichtet, in dem Segment 1c eingebaut sein.
Das Segment 1b weist auf der Brennkammerseite vier symmetrisch verteilte Einlassschlitze zum Arbeitsraum 5 des Drehkolbenaggregates auf (Siehe auch 2b). Auf der Auslassseite weist das Segment 1b ebenfalls vier Schlitze (Auslassschlitze) auf, die tangential versetzt zu den Einlassschlitzen angeordnet sind. Das Abgas strömt damit nach dem Gegenstromprinzip an dem Frischluftrohr 2 entlang nach draußen und kann damit einen Teil seiner Wärme bereits vor Austritt aus der Maschine an die Frischluft 2a über das Rohr 2 abgeben. Eine leicht abgewandelte Bauweise der Hohlachse 1, ist auf 3a dargestellt. Hier ist die Hohlachse aus einem Stück (vorzugsweise keramischer Werkstoff) hergestellt. Das Abgasrohr 1d bildet zusammen mit dem Frischluftrohr 2 eine Einheit, wobei ein verbesserter Wärmeübergang zwischen beiden erreicht werden soll. Das Frischluftrohr 2 mündet in eine Wirbelkammer 3a, wo die Frischluft mit dem Treibstoff optimal vermischt wird. Die ringförmig die Wirbelkammer umschließende Zündelektrode weist einen Abstand zum Ende des Frischluftrohres 2 auf, der noch gut vom Zündfunken an beliebiger Stelle übersprungen werden kann, um selbst eine Dauerzündung mit langen Standzeiten aushalten zu können. Zündimpulsleitung und Brennstoffzufuhr erfolgt über Brennkammerabschlussstück 1f. Das Abgasrohr 1d weist einen Spalt zur Hohlachse 1 auf, um den Wärmeübergang zwischen beiden zu minimieren. Der große Vorteil der Lösung, die Brennkammer innerhalb der Hohlachse unmittelbar vor den Einlassöffnungen anzuordnen ist, dass die Heißgase praktisch ohne Temperaturverlust in die Arbeitsräume einströmen können, um ein Maximum an Arbeit verrichten zu können. Der vorhandene Temperaturverlust bleibt zum großen Teil innerhalb der Maschine und kommt dem Prozess sogar teilweise zugute. Es wird keine extra aufwendige Isolierung innerhalb der Maschine benötigt.
Der Arbeitsraum 5 wird zur Aggregatmitte hin von dem Hohlachsensegment 1b mit den zugehörigen Einlass- und Auslassschlitzen begrenzt. Die Begrenzung des Arbeitraumes zur Umgebungsluft erfolgt direkt mittels der beiden kegelstumpfförmigen Zylinderhälften 6a und 7a, an denen auch jeweils vier dreiecksförmige Flügelkolben 6b und 7b angebracht sind (2a und 2b). Die Dicke der Flügelkolben an der Basis, welche am Segment 1b anliegen, ist so, dass die Einlassschlitze und auch die Auslassschlitze im Segment 1b jeweils separat in einer anderen Stellung der Flügelkolben abgedeckt bzw. verschlossen werden (2b). Die Fluidsteuerung durch die Hohlachse und die acht sich ergebenden Hubräume zwischen den Zylinderhälften 6a und 7a und deren Flügelkolben 6b und 7b, wird damit durch die Flügelkolben selbst gesteuert, indem sie mal die Einlassschlitze freigeben, während die Auslassschlitze gerade abgedeckt sind für die betroffenen Arbeitsräume und umgekehrt. Es gibt hier also keine separate aufwendig gesteuerte Büchse. Der Arbeitstakt und der Takt zum Ausstoß der entspannten Rauchgase findet immer gleichzeitig in jeweils vier, durch die Flügelkolben von einander getrennten Hubräumen statt. Die Gasdruckkräfte wirken damit immer in vier Richtungen symmetrisch verteilt auf die Zylinderwände und ergeben damit keine asymmetrische „resultierende Kraft” auf Lager und Hohlachse.
Jede der beiden Zylinderhälften 6a und 7a ist mittels einer eigenen Hohlwelle 6 bzw. 7, an der auch jeweils ein Malteserkreuz 8a bzw. 9a der Malteserkreuzgetriebe 8 bzw. 9 befestigt ist, mittels eines geeigneten Lagers 10 bzw. 11 an den zugehörigen Lagerschildern 12 bzw. 13 gelagert. In dem dargestellten Beispiel sind Kegelrollenlager angedacht, die sowohl radiale als auch axiale Belastungen aufnehmen können. Eines der Lager 11 ist als Festlager eingebaut. Das andere Lager 10 wird mittels eines geeigneten Federelements 16 mit definierter Kraft gegen die zugehörige Hohlwelle 6 angedrückt, welche wiederum dafür sorgt, dass sowohl die beiden Zylinderhälften 6a und 7a als auch alle acht Flügelkolben 6b und 7b mit ihrem über die Mittellinie hinausragenden Schenkel sauber an der jeweils gegenüberliegenden Zylinderwand anliegen. Jedes der beiden Lager ist so abgedichtet eingebaut, dass Schmier- und Kühlöl über eine in der Lagerabdeckung vorgesehene Bohrung 17 eingebracht werden kann. Dieses Öl kann nun zunächst die Lager schmieren, um dann weiter zwischen Hohlachse 1 und Hohlwelle 6 bzw. 7 durch eine für jeden Flügelkolben vorgesehene Bohrung 19 in jeder der Hohlwellen zu fließen, bevor es durch eine Bohrung 19 (2a, 2b) in der Basis eines jeden Flügelkolbens weiterfließen kann. Am Ende mündet die Bohrung in eine Nut 20 in jedem der abstehenden Schenkel der Flügelkolben. Das Öl kann nun in der Nut der Kolben zwischen Kolben und Zylinderwand des gegenüberliegenden Zylinders, durch die Fliehkraft unterstützt, Weiterfließen. Damit wird die Reibung und die Erwärmung der Kolben minimiert. An der Stoßfuge, wo beide Zylinderhälften gegeneinander gedrückt werden, und durch geeignete Bohrungen in den Zylinderhälften kann das Öl entweichen. In einer die Zylinder umgebenden und stationär angeordneten Ölauffanghaube 18 wird das Öl wieder aufgefangen. Nach Kühlung in einem geeigneten Kühler und Filterung kann das Öl dem Kreislauf wieder zugeführt werden. Falls erforderlich, können zu beiden Seiten der Öl führenden Nuten der Flügelkolben noch Ölabstreifleisten eingebaut sein, die zum einen durch die Fliehkraft an die jeweils gegenüberliegende Zylinderwand gepresst werden und, falls dieses nicht ausreichend sein sollte, mittels zusätzlicher geeigneter Federelemente. Ideal wäre, einen keramischen Werkstoff, wie für das Segment 1b der Hohlwelle, für die Drehflügelkolben zu verwenden. Dieses gilt nur bei Verwendung des Drehkolbenaggregates als Gasturbine, bei extrem hohen Verbrennungstemperaturen.
In einem von den Malteserkreuzgetrieben 8 und 9 bestimmten Abstand zur Hohlachse 1 befindet sich die Hauptantriebswelle 14, die ebenfalls wie die Hohlwellen 6 und 7 an denselben Lagerschilden 12 und 13 gelagert ist. An dieser Welle 14 sind nun auch die beiden Kurbelräder 8b und 9b der Malteserkreuzgetriebe 8 und 9 befestigt, die die zugehörigen Zylinderhälften 6a bzw. 7a antreiben. Die Kurbeln der beiden Kurbelräder 8b und 9b sind mit der Einbaulage der Kurbeln um 45 Grad zueinander versetzt angeordnet, um so jeweils unterschiedliche Momentangeschwindigkeiten in den zugehörigen Malteserkreuzen 8a und 9a und damit in den jeweils zugehörigen Hohlwellen, Zylindern und Kolben zu bewirken.
Um nun den ungleichförmigen Massengang solch einer Maschine zu kompensieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten:

1. Es werden zwei Hauptantriebswellen 14 und 14.1 verwendet, die über Zahnräder miteinander gekoppelt sind, so dass sich beide Wellen gegenläufig drehen. Jede dieser Hauptantriebswelle ist nun wiederum mit mindestens einem ähnlichen Drehkolbenaggregat über eigene Malteserkreuzgetriebe im Eingriff. Die Aggregate der beiden Wellen müssen ihre Ablauftakte nun jeweils zum gleichen Zeitpunkt ausführen. Damit ergibt sich eine vollkommene Kompensation des ungleichförmigen Massengangs. (8)
2. Es werden mit einer Hauptantriebswelle 14 mehrere Drehkolbenaggregate DKM, die hintereinander in einer Reihe angeordnet sind, jeweils über zwei eigene Malteserkreuzgetriebe 8, 9 oder einer Zahnradkombination nach 9, angetrieben, wobei ein Taktversatz der Ablauftakte der Aggregate zueinander vorhanden sein muss. Bei zwei Aggregaten muss der Winkelversatz der Kurbeln zwischen den Aggregaten 45°/2 = 22,5° und bei drei Aggregaten 45°/3 = 15° usw. betragen. Je mehr Aggregate hier verwendet werden, desto besser wird der Massengang kompensiert (Analog zu der Zylinderanordnung bekannter Hubkolbenreihenmotoren 6). Der Taktversatz bei Anwendung von Getriebe nach 9 ist 90°/2 = 45° bei 2 Aggregaten bzw. 90°/3 = 30° bei 3 Aggregaten.
3. Nun gibt es auch noch die Möglichkeit, zwei oder drei Drehkolbenaggregate V-förmig bzw. Sternförmig um die Hauptantriebswelle 14 anzuordnen und diese mittels denselben Kurbelrädern der Hauptantriebswelle 14 anzutreiben, wobei Gleiches, bezüglich des Versatzes der Ablauftakte der Aggregate zueinander, wie unter 2. beschrieben, gilt (7a bzw. 7b).
4. Die Lösung nach 3. kann nun auch noch mit der Lösung nach 2. und/oder 1. kombiniert werden.

Das oben beschriebene Drehkolbenaggregat lässt sich natürlich auch mit einer anderen Getriebeart 21, wie z. B. mit einer Kombination aus außermittigem 21b und elliptischem Zahnrad 21a nach 9, anstelle von Malteserkreuzgetriebe, aufbauen, wobei das elliptische Zahnrad, wenn es an Stelle des Malteserkreuzes auf der Hohlwelle montiert ist, im Mittel nur halb so schnell umläuft wie das außermittig angeordnete runde Zahnrad auf der Hauptantriebswelle 14 des Drehkolbenaggregates. Da es hier je Umdrehung des elliptischen Zahnrades zwei Arbeitstakte gibt, müssen auch nur zwei Drehkolben an jeder Zylinderhälfte montiert, nur zwei Einlassöffnungen und auch nur zwei Auslassöffnungen an dem Hohlachsensegment 1b angeordnet sein. Die Welle 14 dreht im Mittel dann auch doppelt so schnell wie jede der Hohlwellen mit ihren Zylinderhälften samt Drehflügelkolben. Diese Lösungsmöglichkeit bietet einen größeren Freiheitsgrad bei den Abmessungen des Drehkolbenaggregates bei gewünschtem Abstand zwischen Welle 14 und Achse 1. Anstelle der außermittig angeordneten Rundräder auf der Welle könnten auch hier gleichgroße Ellipsenräder wie für die Hohlwellen eingesetzt werden. Damit gäbe es dann natürlich keine Drehzahlübersetzung ins Schnellere.
Wenn das beschriebene Drehkolbenaggregat als Turbine mit externer Verbrennung arbeiten soll, entfällt das Frischluftrohr 2, und die Bohrung in der „Brennkammertrennwand” 3b im Segment 1b bleibt verschlossen. Das Segment 1c kann ganz ähnlich gestaltet sein wie das Segment 1a, da sowohl die Zündelektrode 4 als auch die Brennstoffzuleitung entfällt. Die heißen Verbrennungsgase vom externen Brenner müssen nun von dieser Seite in die Hohlachse hineinströmen, in der auch die Brennkammer dargestellt ist. Die ganze Hohlachse kann bei dieser Lösung aus einem Stück gefertigt sein.
Gleiche Bauweise gilt dann auch für ein Aggregat, welches als Kompressor arbeitet. Das Arbeitsmedium, beispielsweise Luft, wird hier von der „Abgasseite” angesaugt und mit höherem Druck auf der anderen Seite freigegeben, wobei die quasi gleiche Maschine dann eine entgegengesetzte Drehrichtung aufweist wie die Maschine, die als Turbine arbeitet bei gleicher Anordnung der Ein- und Auslassöffnungen.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Drehkolbenmaschine ist, dass man sowohl für die als Kompressor arbeitenden Aggregate als auch für die als Turbine arbeitenden Aggregate mehrere Stufen verwendet. D. h. der Druckaufbau der Frischluft erfolgt mittels mehrerer Drehkolbenaggregate, wobei dann insgesamt ein viel höherer Arbeitsdruck aufgebaut werden kann. Bei Implementierung von Kühlern zwischen den Stufen kann die insgesamt benötigte Kompressorleistung minimiert werden. Bei den als Turbine arbeitenden Aggregaten bietet die Aufteilung der Gesamtleistung auf mehrere parallel arbeitenden Aggregate den Vorteil, das Massenträgheitsmoment jeder Zylinderhälfte samt Kolben und zugehörigem Getriebeelement so klein wie möglich zu halten, um die Maschine mit möglichst hoher Drehzahl betreiben zu können. Alle Aggregate sind gleich, und die Verrohrung der Abgasableitungen gestaltet sich einfacher.
4 zeigt nun noch der Vollständigkeit halber ein Ablaufdiagramm zweier benachbarter Flügelkolben. Die Hubraumgröße von 60° je Kammer und die Kolbenstärke von 15° ist nur näherungsweise, für eine Maschine mit Malteserkreuzgetriebe, angegeben. 5, zeigt wie sich einer von acht Hubräumen über einen Drehwinkel von 90° in der Größe verändert. Während einer Umdrehung der Antriebswelle 14 wird in dem Arbeitszylinder das 5,5-fache des Gesamtvolumens des Arbeitsraumes 5 verdrängt.
Auf den 10–13 sind noch einige wenige Anwendungsbeispiele dargestellt, wie die vorgeschlagenen Drehkolbenaggregate eingesetzt bzw. miteinander kombiniert werden können.
10 zeigt eine Drehkolbenmaschinenanordnung, bestehend aus einer Kombination eines Drehkolbenaggregates, welches als Kompressor arbeitet in Zusammenarbeit mit einem Aggregat, welches als Turbine mit innerer Verbrennung innerhalb der Hohlachse 1 arbeitet. Die Abgaswärme wird hier noch genutzt, um die verdichtete Verbrennungsluft aufzuheizen. Diese Lösung kann nun auch noch dahingehend erweitert werden, dass sowohl für den Kompressor als auch für den Entspanner mehrere Aggregate eingesetzt werden, die den Arbeitsdruck stufenweise auf- bzw. abbauen.
11 zeigt praktisch eine ähnliche Anordnung wie 10. Bei dieser Lösung findet eine externe Verbrennung unter atmosphärischem Druck mit der noch heißen Frischluft, die bereits die Turbinenstufe(n) durchströmt hat, statt. Die gesamte thermische Leistung der Maschinenanordnung muss nun mittels des Wärmetauschers auf die komprimierte Frischluft, die vom Kompressor geliefert wird, übertragen werden. Für den Wärmetauscher müssten idealerweise hochtemperaturfeste Werkstoffe zum Einsatz kommen. Für diese Lösung gilt Gleiches (wie zu 10 beschrieben), bezüglich der Anwendungsmöglichkeit von jeweils mehrer Stufen für Druckaufbau bzw. Druckabbau.
12 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines Drehkolbenaggregates in einem geschlossenen Dampfturbinenprozess, der für sich alleine eingesetzt werden könnte oder welches einer der Maschinenanordnungen nach 10, 11 oder gar 13, falls noch lohnend bzw. wirtschaftlich, nachgeschaltet sein könnte. Die Dampfturbine 25 könnte auch hier mit mehren Stufen ausgeführt sein, um die hohen Arbeitsdrücke dann noch beherrschen zu können. Ein offener Dampfturbinenprozess, bei dem die Restwärme des Dampfes für Heizzwecke genutzt wird, ist selbstverständlicherweise auch möglich.
13 zeigt noch eine komplexe Drehkolbenmaschinenanordnung, bestehend aus sechs Stück Drehkolbenaggregaten, die als Kompressor arbeiten, unter Anwendung von nur zwei Baugrößen und ebenfalls sechs Stück Drehkolbenaggregaten, die als Entspanner in einem geschlossenen Turbinenprozess arbeiten. Zwischen den insgesamt vier Kompressorstufen sind Kühler angeordnet, um die benötigte Kompressorleistung zu minimieren. Das verdichtete Fluid wird dann in einem ersten Wärmetauscher, der von dem noch sehr heißen Fluid der letzten Turbinenstufe durchströmt wird, vorgewärmt, um dann durch einen zweiten Wärmetauscher mit externer Verbrennung auf Betriebstemperatur gebracht zu werden. Die Entspannung erfolgt über zwei Stufen, bevor das Fluid abermals mittels eines dritten Wärmetauschers und eines zweiten externen Brenners abermals auf Betriebstemperatur gebracht wird. In den letzten beiden Turbinenstufen wird das Fluid bis auf Ausgangsdruck entspannt, um dann dem Prozess der Verdichtung wieder zur Verfügung zu stehen. Die Verbrennungsfrischluft wird mittels Gebläse über Wärmetauscher angesaugt, bevor sie den beiden atmosphärischen Brennern zugeführt wird. Die noch zu heißen Abgase, die die beiden Wärmetauscher vor und zwischen den Turbinenstufen verlassen, haben noch so viel Energie, die zum Großteil mittels des Wärmetauschers über den die Frischluft angesaugt wird, an diese abgegeben werden kann. Die Brenner brauchen die Temperatur dieser vorgeheizten Frischluft daher nur noch um ein Minimum weiter anzuheben. Die Abgaswärme könnte dann noch bei größeren Anlagen anderweitig sinnvoll genutzt werden (Dampfturbine). Dieses Anwendungsbeispiel lässt sich natürlich dem neuesten Stand der Technik anpassen.
Man sieht also, dass den Anwendungsmöglichkeiten für eine erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine keine Grenzen gesetzt werden können.
Zu den genannten Anwendungsbeispielen kommt noch das Problem, wie die einzelnen Aggregate, die für eine Anlage benötigt werden, am wirtschaftlichsten physikalisch zueinander angeordnet bzw. montiert werden können. Durch die vorgeschlagene Modulbauweise gibt es für jeden Prozess, der realisiert werden soll, daher ganz viele Möglichkeiten. Es kann also nicht Aufgabe des Erfinders sein, hier eine bestmögliche Lösung bzw. Anordnung vorzuschlagen.
Liste der verwendeten Bezugszeichen

1: Hohlachse mit den Segmenten 1a, 1b und 1c, Abgasrohr 1d und Brennkammer-Abschlussstück 1f
2: Frischluftrohr, 2a Frischluft und 2b Abgas
3: Brennkammer, 3a Wirbelkammer
4: Zündelektrode
5: Arbeitsraum mit den Hubräumen zwischen benachbarten Drehkolben
6: Hohlwelle 1, 6a Zylinderhälfte, 6b Flügelkolben
7: Hohlwelle 2, 7a Zylinderhälfte, 7b Flügelkolben
8: Malteserkreuzgetriebe 1, bestehend aus Malteserkreuz 8a und Kurbelrad 8b
9: Malteserkreuzgetriebe 2, bestehend aus Malteserkreuz 9a und Kurbelrad 9b
10: Lager von Hohlwelle 1
11: Lager von Hohlwelle 2
12: Lagerschild 1
13: Lagerschild 2
14: Hauptantriebswelle
15: Brennstoff
16: Federelement
17: Bohrung für Schmier- und Kühlöl in Lagergehäuse
18: Ölauffanghaube
19: Bohrung für Kühl- und Schmieröl in Hohlwelle 6 bzw. 7 und in Kolben 6b bzw. 7b
20: Nut in Schenkel von Flügelkolben 6b bzw. 7b für Kühl- und Schmieröl
21: Getriebe, bestehend aus außermittigem Zahnrad 21b und elliptischem Zahnrad 21a
22: Wärmetauscher
23: Kompressor
24: Entspanner
25: Dampfturbine
26: Kondensator
27: Kühlmedium
28: Dampfüberhitzer
29: Verdampfer
30: Ansauggebläse (Lüfter)

Liste der Darstellungen
1 Schnitt durch Drehkolbenaggregat mit Malteserkreuzgetriebe und mit in der Hohlachse angeordneter Brennkammer, zur Anwendung als Gasturbine.
2a Schnitt durch kegelstumpfförmige Zylinderhälfte mit dreieckigsförmigen Flügelkolben.
2b Draufsicht auf Zylinderhälfte nach 2a mit Hohlachsenabschnitt 1b, mit Darstellung der Einlassöffnungen.
3a Schnitt durch Hohlachse 1 (Alternativlösung zu dem Vorschlag nach 1) zur Verwendung bei innenliegender Brennkammer.
3b Schnitt durch Hohlachse 1 im Bereich von Frischlufteintritt bzw. Abgasaustritt.
4 Diagramm vom Bewegungsverlauf zweier benachbarter Flügelkolben während einer 90° Drehung der Arbeitswelle, bei Anwendung von Malteserkreuzgetriebe.
5 Darstellung von dem sich zwischen benachbarten Flügelkolben ergebenden Hubraum nach 4.
6 Reihenanordnung von mindestens 2 Drehkolbenmaschinen (DKM) mit gemeinsamer Welle 14
7a Zwei Drehkolbenmaschinen (DKM) in V-Anordnung und mit für beide gemeinsamen Kurbelrädern.
7b Drei Drehkolbenmaschinen (DKM) in Stern-Anordnung und mit für alle drei gemeinsamen Kurbelrädern.
8 Gegenläufig drehende Kurbelradwellen mit im Gleichtakt laufenden Drehkolbenmaschinen (DKM)
9 Getriebe 21 mit elliptischem Zahnrad 21a und außermittig gelagertem runden Zahnrad 21b
10 Drehkolbenmaschinenanordnung mit Kompressor und Entspanner, mit interner Verbrennung innerhalb der Hohlachse 1 und mit Abgaswärme-Rückgewinnung
11 Drehkolbenmaschinenanordnung mit Kompressor und Entspanner, mit externer Verbrennung und mit Abgaswärme-Rückgewinnung.
12 Drehkolbenaggregat als Dampfturbine, in einem geschlossenen Kreis für das Arbeitsfluid arbeitend.
13 Komplexe Drehkolbenmaschinenanordnung mit sechs Aggregaten, als Kompressor mit Zwischenkühlung arbeitend, und mit sechs Aggregaten als Entspanner mit Zwischenerhitzung, in einem geschlossenen Turbinenprozess mit externer Verbrennung und mit Abgaswärme-Rückgewinnung arbeitend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 000002518554 A1 [0002, 0005]
- DE 000003937359 A1 [0003, 0004]
- DE 000010223145 A1 [0003]

Claims

Drehkolbenmaschinenanordnung zur Verdichtung von Gasen oder zur Erzeugung von Drehkraft im Rahmen einer Turbinenanlage als Dampf- oder Gasturbine mit innerer oder externer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drehkolbenaggregat, aus dem die Maschinenanordnung besteht, folgendes aufweist: a) zwei gleichartige, „spiegelsymmetrisch” hintereinander auf einer gemeinsamen fest stehenden Hohlachse 1 (1a + 1b + 1c) angeordnete „Außenläufer-Hohlwellen” 6 und 7, die sich um selbige drehen können, und an denen, an den sich gegenüberliegenden Enden, jeweils eine Zylinderhälfte 6a bzw. 7a befestigt ist, die sich mit der zugehörigen Hohlwelle mitdreht. Beide Zylinderhälften 6a und 7a bilden damit gemeinsam den Arbeitsraum 5 und schließen ihn nach außen ab. b) mindestens zwei Flügelkolben 6b bzw. 7b, die an jeder der Zylinderhälften 6a bzw. 6b symmetrisch am Umfang verteilt im Bereich des Arbeitsraumes 5 befestigt sind, sich mit diesen mitdrehen können, und eine der Querschnittsform des Hubraumes 5 angepasste Form aufweisen, wobei die zur Achsmitte zeigenden Flächen der Flügelkolben möglichst dicht an der Hohlachse 1 im Bereich des Arbeitsraumes 5 anliegen, um jeweils die beiden Hubräume, die von jedem Flügelkolben separiert sind, möglichst gut an dieser Stelle gegeneinander abzudichten. Die an jeweils gegenüberliegenden Zylinderhälften angrenzenden Flächen der Flügelkolben dichten benachbarte Hubräume an diesen Flächen ebenso möglichst gut gegeneinander ab. c) ein Getriebeelement 8a bzw. 9a, auf jeder Seite von dem Arbeitsraum 5 angeordnet, welches an einer eigenen Hohlwelle 6 bzw. 7 starr befestigt ist, um jede Außenläufer-Hohlwelle samt zugehöriger Zylinderhälfte nebst Flügelkolben mittels einer, parallel zur Hohlachse 1 angeordneten Hauptantriebswelle 14, an welcher Getriebeelemente 8b bzw. 9b fest angebracht sind, um die beiden Hohlwellen in eine voneinander abweichende Relativposition während einer Umdrehung mittels dieser Getriebeelemente zu versetzen, so dass die einzelnen Hubräume, die sich jeweils zwischen zwei Drehflügelkolben von sich gegenüberliegenden Zylinderhälften befinden, zwischen einem Minimum-Volumen nahe Null und einem Maximum-Volumen, abhängig von der Baugröße und der Anzahl Flügelkolben, variieren können. d) mindestens ein Kraft (Druck) ausübendes Element 16, auf einer oder auf beiden Seiten des Aggregates angeordnet und an den äußeren Enden der Hohlwellen 6 und 7 auf die Wellen selbst einwirkend, um beide Zylinderhälften 6a und 7a samt zugehörige Flügelkolben gegeneinander mit definierter Kraft zu drücken, um den Arbeitsraum 5 nach außen hin jederzeit abgedichtet zu halten, und um auch die Abdichtung zwischen benachbarten Hubräumen, die nur durch die Flügelkolben selber voneinander getrennt sind, zu gewährleisten. Dieses Element 16 ist damit auch in der Lage, den Verschleiß (Abrieb) an den Gleitflächen und auftretende Längenausdehnungen in Hohlwellen, Zylinderhälften und Flügelkolben, bedingt durch Temperaturänderungen speziell bei Anwendung als Gasturbine, auszugleichen. e) gleich viele Einlass- als auch Auslassöffnungen, wie Drehflügelkolben, an jeder Zylinderhälfte vorhanden, die axial voneinander getrennt im mittleren Bereich der Hohlwelle 1 (1b) innerhalb des Arbeitsraumes 5 und symmetrisch am Umfang zueinander verteilt angeordnet sind und damit die Fluidsteuerung durch den Arbeitsraum 5 mittels der Flügelkolben selber bewerkstelligen, wobei das Arbeitsfluid im allgemeinen bei dem einen äußeren Ende der Hohlwelle 1 dem Aggregat selber zugeführt wird, um es aus dem anderen Ende der Hohlwelle 1 wieder zu verlassen. Die Einlass- und Auslassöffnungen können jeweils komplett von den Flügelkolben selber in einer anderen Position verschlossen werden. Im Inneren der Hohlwelle ist eine „Trennwand” im Bereich zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen vorgesehen, damit, im allgemeinen gesprochen, das Arbeitsfluid immer gezwungen ist, den Weg nur über die Einlass- und Auslassöffnungen und über den Arbeitsraum 5 zu nehmen. f) ein Hauptlager 10 bzw. 11 für die Lagerung einer jeden Hohlwelle 6 bzw. 7 an dem von dem Arbeitsraum 5 entgegengesetzten Ende, welches sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufnehmen kann, um diese Hohlwellen stabil zwischen den zwei Lagerschildern gelagert halten zu können.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung der bzw. des Drehkolbenaggregate(s) als Turbine mit interner oder externer Verbrennung zur Erzeugung von Drehkraft, aber auch bei Anwendung als Kompressor, Kühl- und Schmieröl über Bohrungen 17 in jedem der beiden Gehäuse der Lager 10 und 11 eingebracht wird um jede Hohlwelle 6 und 7, zugehöriges Getriebeelement 8a und 9a, Zylinderhälften 6a und 7a mit zugehörigen Flügelkolben 6b und 7b zu kühlen bzw. zu schmieren, wobei für das Öl erforderliche Freiräume und Bohrungen in den Hohlwellen und Flügelkolben als auch Nuten in den Dichtflächen der Flügelkolben vorgesehen sind so dass das Öl mit Unterstützung der Fliehkraft nach außerhalb der Zylinderhälften befördert wird
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung des bzw. der Drehkolbenaggregate als Kompressor oder als Dampfturbine, bei nicht so hohen Temperaturen, kein Kühl- und Schmieröl für die Kühlung bzw. Schmierung der Hohlwellen 6 und 7, Getriebeelemente 8a und 9a und Zylinderhälften 6a und 7a mit zugehörigen Flügelkolben 6b und 7b nach Anspruch 2 verwendet wird, sondern dass an den Reib- und Dichtflächen Gleitmaterialien auf Basis von Teflon, Carbon oder Bronze oder ähnlichem in Form von Leisten, Flachringen o. ä. zur Anwendung kommen und dass damit das Arbeitsfluid ölfrei gehalten werden kann.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Arbeitraumes 5, der von jeder der Zylinderhälften 6a und 7a gebildet bzw. umschlossen wird, vorzugsweise eine kegelstumpfförmige Arbeitsraumhälfte bildet und das die Flügelkolben 6b und 7b einen entsprechend dem ganzen Arbeitsraumquerschnitt angepassten dreiecksförmigen Längsschnitt aufweisen um damit eine bestmögliche Abdichtung der einzelnen Hubräume nach außen bzw. untereinander zu ermöglichen. Alternativ kann der Arbeitsraum, der durch jede der Zylinderhälften gebildet wird, auch hohlzylinder- oder gar kugelschichtförmig gestaltet sein, wobei dann die Flügelkolben ebenso einen dem jeweiligen ganzen Arbeitsraumquerschnitt angepassten Längsschnitt aufweisen.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, und 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Hohlwellen 6 und 7 eines jeden Drehkolbenaggregates entweder mittels Malteserkreuzgetriebe 8 bzw. 9 von einer Hauptantriebswelle 14 oder mittels Getriebe 21, bestehend aus einem, zentriert auf jeder Hohlwelle 6 und 7 angeordneten elliptischen Zahnrades 21a, an Stelle der Malteserkreuze, und einem jeweils außermittig auf der Welle 14 befestigten runden Zahnrad 21b oder eben auch mittels Getriebe bestehend jeweils aus zwei gleich großen elliptischen Zahnrädern, angetrieben werden.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer 3, bei Anwendung des Drehkolbenaggregates als Turbine mit innerer Verbrennung, sich innerhalb der Hohlachse 1 im Segment 1b unmittelbar vor den Einlassöffnungen zum Arbeitsraum 5 befindet und dass sowohl die Verbrennungsfrischluft 2a, als auch die Abgase von ein und derselben Seite dem Drehkolbenaggregat im Gegenstromverfahren zu- bzw. abgeführt werden können, wobei die Brennstoffzufuhr als auch die Einführung der elektrisch leitenden Verbindung zur Zündelektrode am Rande der Wirbelkammer 3a vorzugsweise von der anderen Seite der Hohlachse erfolgt. Der Zündfunke muss zwischen der isoliert eingebauten Elektrode 4 und dem Ende des elektrisch leitenden Frischluftrohres 2 überspringen können.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkammer 3 und eine Wirbelkammer 3a im inneren der Hohlwelle 1 im Bereich des Arbeitsraumes 5, unmittelbar vor den Einlassöffnungen, bei Anwendung als Turbine mit innerer Verbrennung angeordnet ist, wobei die Frischluft dem Verbrennungsprozess von derselben Seite der Hohlwelle zugeführt werden kann, aus der auch die Abgase entweichen können, aber alternativ auch von der anderen Seite. Die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer erfolgt entweder von der Abgasseite, wenn eine Vorwärmung des Brennstoffes erwünscht ist, sonst aber im allgemeinen von der anderen Seite aus. Die Zündimpulsleitung ist in der Regel von der Seite in dem Brennkammerabschlussstück in der Hohlwelle eingeführt, die nicht mit den Auspuffgasen in Berührung steht.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Drehkolbenaggregate um eine Hauptantriebswelle 14 entweder V-förmig (7a) oder Stern-förmig (7b) angeordnet sind und alle von denselben Getriebeelementen jeweils bestehend aus Kurbelrad 8b und 9b oder außermittig befestigten runden Zahnrädern 21b oder Ellipsenräder, angetrieben werden, um so den ungleichförmigem Massengang jeder einzelnen Zylinderhälfte eines jeden Aggregates zu kompensieren.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Drehkolbenaggregate in Reihenanordnung (6) direkt hintereinander auf einer oder auf separaten Hohlachsen angeordnet sind, wobei jedes nachfolgende Aggregat über eigene Getriebeelemente 8b und 9b auf einer gemeinsamen Welle 14 für alle Aggregate montiert, angetrieben werden und dass ein Phasenversatz der Ablauftakte zwischen den Aggregaten untereinander so gewählt ist, dass es zu einem, für die Anzahl vorhandener Aggregate, bestmöglichen Massenausgleich für die Maschinenanordnung kommt. Der genaue Versatz ist abhängig von der Taktzahl je Umdrehung (Getriebeart) und von der Anzahl der Aggregate, die vorhanden sind.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Antriebswellen (14 und 14.1 nach 8) gibt, die so miteinander über ein Getriebe verbunden sind, dass sich beide Wellen gegenläufig drehen, und welche jeweils mit mehreren Drehkolbenaggregaten nach Anspruch 9 oder nach Anspruch 10 oder nach Anspruch 9 und 10 kombiniert, in Eingriff stehen, und welche beliebig als Kompressor oder als Turbine oder beide Arten miteinander kombiniert, ausgeführt sein können.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Drehkolbenaggregate bezüglich der Fluidströmung so hintereinander angeschlossen sind, dass der Arbeitsdruck von Aggregat zu Aggregat stufenweise aufgebaut wird (gilt für Kompressoren) bzw. abgebaut wird (gilt für Gas- und Dampfturbinen). D. h., dass die Arbeitsräume der einzelnen Aggregate, die strömungstechnisch hintereinander geschaltet sind, sukzessiv kleiner bzw. größer sind.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass es für mindestens ein Drehkolbenaggregat nach zwei Seiten hin zwei sich diametral gegenüberliegende Antriebswellen 14 gibt, die gleichzeitig mit ihren Getriebeelementen auf die selben Getriebeelemente der Hohlwellen 6 und 7 einwirken, um höhere Arbeitdrehzahlen bei gleichzeitiger Reduzierung der Radiallasten auf die Getriebe 10 und 11, bei gegebener Baugröße, zu ermöglichen, wobei diese Wellen nicht zwangsweise über ein eigenes Getriebeelement (Zahnriemen o. ä.) verbunden sein müssen, sondern, dass eine der Wellen, die Beschleunigung bzw. die Verzögerung der Außenläufer Hohlwellen mit ihren Zylinderhälften, nur mittels der in den Schwungmassen der Kurbel- oder Zahnrädern gespeicherten Energie, unterstützt.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylinderhälften 6a und 7a mittels eines Kühlmediums von außen gekühlt werden, welches mit mindestens einem Strahl aus mindestens einer Düse, welche auf die Zylinderhälften gerichtet ist, oder aber durch ein Kühlmedium, welches sich in einer Wanne unterhalb der Zylinderhälften befindet und in welches die Zylinderhälften zum Teil eingetaucht sind, wobei diese Wanne eine Abdeckung aufweisen kann, die verhindert, dass das Kühlmedium nach außen austreten kann, oder mittels einer Anordnung aus beiden aufgeführten Varianten.