DE102010020681A1

DE102010020681A1 - Schraubenkraftmaschine mit vier Nebenrotoren, mittels Arbeitsdruck gesteuerter Verdichterstufe und mittels Rückkopplung zum Auspuffraum optimal gesteuerter Brennkammer

Info

Publication number: DE102010020681A1
Application number: DE102010020681A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-15
Filing date: 2010-05-15
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-05-16
Also published as: DE102010020681B4

Abstract

Die Erfindung betrieft eine Schraubenkraftmaschine mit einer Verdichterstufe (8), einer Expansionsstufe, einer Brennkammer (24) und einem Synchronisierungsgetriebe (12), wobei die Verdichterstufe (8) und Expansionsstufe im wesentlichen identisch aufgebaut ist und jeweils aus miteinander in der Zahnverbindung stehenden Schraubenläufer bestehen, die mit Synchronisierungsgetriebe (12) geführt sind, wobei sie vier Nebenläufer (43) hat und aus einer Verdichterstufe (8), einer Expansions- (18) und einer Entspannungsstufe (15), einer hinausgetragenen Brennkammer (24), einem zweiteilig (22), (25) gebautem Brennrohr und einem Einlassrohr (38) mit elektrischen-Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) sowie einem Leistungsgetriebe (26) besteht, wobei Anordnung der Stufen (8), (15), (18) miteinander und zum Brennkammer (24) ist dem Grundsatz unterstellt, dass von Verdichterstufe (8) eingesaugten und komprimierten Luft vor dem Eintreffen in die Brennkammer (24) durch die hohlen axialen Innenräume allen Läufer fließt, die Läufer dabei kühlt und Abwärme zurück in die Brennkammer überträgt, wobei bei Drucksteuerkante (51) der Verdichterstufe eine Steuereinrichtung (6) für Drucksteuerung nach Arbeitsdruck in der Brennkammer (24) vorgesehen ist, wobei ein Einlassrohr (38) mit flüssigem Kühlmittel und Versorgungsleitungen (39) durch die hohlen Hauptläufer (7) verlegt ist und in die Brennkammer (24) mündet, wobei die Brennkammer (24) alle übliche für vollständige Verbrennung des Kraftstoffs Einrichtungen hat, wobei das zweiteilige Brennrohr (22), (25) die Lufteintrittöffnungen (44) und Luftzufuhrleitungen (45) für die komprimierten Luft, einen Druckgasraum und vier Gasleitungen (23), sowie einen mit einer Dehnbüchse (29) verbündeten Auslassdruckklappe (32) als Element der Rückkopplung zum Auspuffraum aufweist, wobei die Expansionsstufe (18) einen vergrößerten in bezug auf ein für die Schraubenpaaren übliches Kaltspiel der Läufer (miteinander und zum Gehäuse) für Ausschluss des Kontakts bei Wärmeausdehnung aufweist, wobei die Entspannungsstufe (15) wie eine Art der Verlängerung der Expansionsstufe (18) dient und einige strengeren Auflagen für das Kaltspiel der Läufer aufweist, es eine zusätzliche Stirnwand (16) für Lagerung der Läuferwellen zu anordnen lässt, wobei eine Flüssigkeitskühlsystem für Kühlung der Gleitlager, des Einlassrohrs, Brennrohrs (22), (25) und Gehäuses angewendet ist, indem die Kühlleistung des Systems mit der Leistung der Kraftmaschine abgestimmt ist.

Description

Obwohl herkömmliche Hubkolbenmaschinen und Turbinen nach wie vor eine breite Verwendung in der Antriebstechnik finden, neuerlich wächst eine Tendenz zur Entwicklung der Kraftmaschinen, die arbeiten auf Rotationskolben-Prinzip. Die Maschinen mit diesem Arbeitsprinzip fesseln die Aufmerksamkeit dadurch, das sie zum Unterschied von Hubkolbenmaschinen kontinuierliche Arbeitsprozess mit gezügelten Massenkräften haben. Dadurch entsteht der Anspruch auf größere Drehzahlen und relativ kleineren Gewicht der Maschine. Sie können die Leistungsvolumen K_L im Vergleich zum Kolbenmaschinen (K_L bis 350 KW/m³) auf eine Reihenfolge übertreffen und können sich sogar, wenigstens theoretisch, bei diesem Kennzeichen den Turbinen (K_L bis 9000 KW/m³) wettmachen. Zur Ergänzung sind die Rotationskolbenkraftmaschinen billiger als Turbinen bei Herstellung, darüber hinaus haben sie, wenigstens theoretisch, als Kolbenmotoren, kleineren Brennstoffverbrauch und Schadstoffemission.
Existieren zahlreiche Einsätze auf Basis von Rotationskolbenkraftmaschinen. Beispielhaft seien hier die DE 2009 732 A , die DE 197 11 084 A1 , US 3 203 406 A , DE 10 2006 038 957 A1 und DE 10 2009 005 107.4-15 .
Da ist noch einen weiteren Typ von Verbrennungskraftmaschinen aus der Klasse der Kolbenmotoren, der mit fließendem Arbeitsverfahren und dadurch hohen Drehzahlen arbeiten können; die Idee ist in DT 2500816 A1 , G 9111849.2 ; G 9401804.9 , WO 009/77363 A1 , WO 00/77364 A1 patentiert. Dieser Typ erweist sich als eine Kombination von Schraubenverdichter und Schraubenexpansionsmotor, der eine Verbrennung des Kraftstoffs in einer Brennkammer vor dem Schrauben-Expansionsmotor vorsieht. Als Hauptelemente für beide Stufen dienen einige Schraubenpaare mit Kompressions- oder Expansionswirkung. Der Arbeitsprozess ist ähnlich dem der herkömmlichen Kolbenmotoren, nur werden hier die Räume durch Drehung der verzahnten Schraubpaare verkleinert und/oder vergrößert, was zu Verdichtung oder Entspannung führt. Der Verdichtungs- oder Expansions- bzw. Entspannungsprozess ist kontinuierlich und kann somit mit großen Drehzahlen laufen.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass die Läufer nicht miteinander im Kontakt stehen und dadurch nicht verschleißen.
Die Schraubenverdichter sind sich längst in Verdichter-Kälte- und Fördertechnik bewährt. Im Internet findet man ganze Palette von Schraubenkompressoren, Förderpumpen oder Kältetechnikmaschinen mit Schraubenverdichter als Bestandteil. Die Einsatzgebiete für meinst verwendeten einstufigen Verdichter liegen in den Bereichen: die Förderströme betragen 1–750 m³/min, Druckverhältnisse sind bis 22 bei Öleinspritzung möglich, die Läufer erhalten Durchmesser bis 650 mm bei Umfangsgeschwindigkeit von 50 bis 150 m/s und die Drehzahlen sind, wegen der Lager begrenzt, bis zu 25 000 min^–1 möglich. Der Verschleiß der Läufer ist gering, freie Massenkräfte sind nicht vorhanden, und verschmutzte Medien (Luft) sind zulässig. Aber Wirkungsgrade sind relativ klein, und die Herstellung muss sehr genau sein. Hier helfen neuentwickelten verbesserten Walzverfahren.
Also, ein Schraubenverdichter verbindet die Vorteile der rein rotierenden Turbomaschine (ihre Schnellläufigkeit, das Fehlen von Massenkräften) mit der stabilen Fördercharakteristik der Kolbenmaschinen. In Anbetracht seiner Eigenschaften ist es sinnvoll diesen Konstruktionstyp in einer umgekehrten Rolle zu verwenden, nämlich als Expansionsmotor. Im Zusammenwirken mit einer separaten Brennkammer und noch einem Schraubenkompressor für die Luftzufuhr könnte ein Aggregat dieser Art als Kraftmaschine in verschiedenen Anwendungen dienen.
Die Kraftmaschine von diesem Art wurde noch nicht gebaut, obschon die Patente schon lange Existieren. Der Grund könnte im Nichtvorhandensein eines Konstruktiven Schemas liegen, der die Wärme und Verdichtungs- als auch Expansionsprozesse den Arbeitsräumen (Kanälen) regeln. Die thermische Ausdehnung und Gefahr der Verzehrung der Schraubenpaare bei konstruktiv nicht sichergestellten Wärmebedingungen können ein Haupthindernis stellen. Die fortwährende Weiterentwicklung im Maschinenbau und Materialwesen geben zusätzliche Perspektive für eine ordentlich konstruierte Schraubenkraftmaschine.
Eine solche Schraubenkraftmaschine, mit neuen erfinderischen Eigenschaften (Merkmalen) gekennzeichnet, ist in den folgenden Bildern dargestellt und mit folgenden Texten erläutert.
Bild 1 zeigt den Zusammenbauplan, Schnitte und Ansichte der erfindungsgemäßen Schraubenkraftmaschine mit vier Nebenrotoren, mittels Arbeitsdruck gesteuerter Verdichterstufe und mittels Rückkopplung zum Auspuffraum optimal gesteuerter Brennkammer.
Bild 8 zeigt räumliches Schema der Schraubenkraftmaschine mit Schnitt durch den Haupt- und einen von Nebenläufer, auf der den Arbeitsvorgang und Übergänge von Medien zu sehen sind.
Bild 1 darstellt eine fünfwellige Schraubenkraftmaschine, die aus Verdichterstufe (8), Expansions- (15) und Entspannungsstufe (18) besteht und weist ein Hauptläufer (7) (Malerotor genannt) und vier Nebenläufer (43) (Femalerotoren) auf, die in der Zahnverbindung mit Hauptläufer (7) stehen. Weiter einige Sperrscheiben (51) bei Drucksteuerkanten der Verdichterstufe (8) mit Lenkungseinrichtungen (6), ein Einlassrohr (38) mit elektrischen-Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) eine Brennkammer (24) mit Auslassdruckklappe (32) und mit ihr verbundener Rückkopplungseinrichtung mit Dehnbüchse (29), ein zweiteilig ausgebautes Brennrohr (22, 25), ein Synchronisierungsgetriebe (12) und ein Leistungswellegetriebe (26) im Bild 1 zu sehen sind.
Konstruktiv besteht die Schraubenkraftmaschine aus folgenden Einheiten, die mit schnell zerlegbaren Kopplungen miteinander verbunden sind:

– Vorderdeckel (1) mit Kugelrollenlager (2) für Lagerung der Hauptläuferwelle (37),
– Vordereinheit (3) mit Kugelrollenlager (41) für Lagerung den Nebenläuferwellen (42),
– hintere Stirnwand (4) der Verdichterstufe (8) mit Gleitlager (5) für Lagerung den allen Läuferwellen, Sperrscheiben (50) bei Drucksteuerkanten (51) (s. Schnitt A-A) und ihren Steuereinrichtungen (6),
– Verdichterstufe (8),
– vordere Stirnwand (11) der Verdichterstufe (8) mit Gleitlager, Saugstutzen (9) und Luftfilter (10),
– hintere Stirnwand (14) der Entspannungsstufe (15) mit Auslassöffnungen bei Auslassteuerkanten und Auspuffstutzen (13) der Entspannungsstufe (15) wie auch Synchronisierungsgetriebe (12),
– Entspannungsstufe (15),
– vordere Stirnwand (16) der Entspannungsstufe (15) mit Gleitlager und Gasleitungen (17),
– Expansionsstufe (18),
– hintere Stirnwand (19) der Expansionsstufe (18) mit Gleitlager und Gasleitungen (20),
– vordere Stirnwand (19) der Expansionsstufe (18) mit Gleitlager und Gasleitungen,
– Hinterteil (21), der eine Brennkammer (24) und zweiteilig ausgebauten Brennrohr (22, 25) mit Lufteintrittöffnungen (44), Luftzufuhrleitungen (45) [s. Schnitt (N-N)], Auslassdrückklappe (32), Rückkopplungseinrichtung mit Dehnbüchse (29) und Gasleitung (30) hat, so wie Leistungswellegetriebe (26) mit Kugellager (46),
– Hinterdeckel (27) mit Kegelrollenlager (28) für Lagerung der Leistungswelle (47).

Im Bild 8 ist zu sehen, dass angesaugten bei vier Saugstutzen (9) Luft wird von Verdichterstufe (8) komprimiert und fliest von den gesteuerten Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe zum Druckluftraum (49). Hier teilt sie sich in fünf Richtungen: Ein Hauptstrom geht zum Brennkammer durch die Hauptrotorwelle (37) und kühlt unterwegs Hauptläufer (7) von innen und Einlassrohr (38) mit Versorgungsleitungen (39) von außen. Vier restliche Strome gehen durch die Nebenrotorwellen (42), kühlen unterwegs die Nebenläufer (43) von innen und gelingen in die Brennkammer (24) durch die Luftzufuhrleitungen (45).
Aus der Brennkammer (24) fliest hochgeladenes Gas durch die Auslassdruckklappe (32) und Gasleitungen (23) im Brennrohr (22, 25) in die vier Richtungen zu den Einlassöffnungen bei den Druckkanten der Expansionsstufe (18). In der Expansionsstufe (18) verrichtet Gas die Expansions- und ein Teil der Entspannungsarbeit und fliest weiter zu der Entspannungsstufe (15). Hier verrichtet Gas den restlichen Teil der Entspannungsarbeit und wurde danach durch die vier Auslassstutzen (13) in die Entsorgungseinrichtung ausgeschoben.
Die Einzelheiten der ergänzenden Merkmale der Schraubenkraftmaschine sind im Folgenden näher erläutert und in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
Bild 2 die vergrößerte Darstellung der Einheiten (1), (3), (4), (8) und des Schnitts A-A durch die Steuereinrichtungen (6) mit Sperrscheiben (51) und Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) wie auch die erklärenden Graphiken,
Bild 5 die vergrößerte Darstellung der Verdichterstufe (8) mit dem Schnitt B-B wie auch die erklärenden Graphiken,
Bild 7 die vergrößerte Darstellung des Hintereinheit (21) mit der Brennkammer (24) und zweiteilig ausgebauten Brennrohr (22, 25), Auslassdrückklappe (32), Rückkopplungseinrichtung mit Dehnbüchse (29) und Leistungswellegetriebe (26) mit Kugellager (46) wie auch die vergrößerte Darstellung des Schnitts D-D bei Kopplung der Stirnwand (19) mit Drucksteuerkanten (53) der Expansionsstufe (18) und des Schnitts E-E durch die Luftzufuhrleitungen (45) im Brennrohr (22, 25).
Es folgen die Erläuterungen und Beschreibungen dargestellter Konstruktion.
Bild 5 zeigt die vergrößerte Darstellung der Verdichterstufe (8) im Verbindung mit Einheiten (1), (3), (4) und (11). Hier ist auch der Schnitt B-B durch Verdichterstufe mit Konfiguration Läufer zu sehen. Die Konfiguration den Läufer ist identisch für alle drei Stufen, also könnte man bei weiterem vertretend über Verdichterläufer erläutern.
Alle Läufer: ein Haupt (7) – und vier Nebenläufer (43) – sind durch ein Gleichlauf-Zahnradgetriebe (12) synchronisiert, so dass zwischen den Läufern stets ein kleiner Spalt eingehalten wird. Die alle Läufer berühren sich also nicht. Die Rotoren laufen radial mit einem Spiel gleichen Größenordnung gegen die Gehäusewand. Durch die Axiallager (2, 41) (s. Bild 1) werden die Rotoren so geführt, das auch an den Stirnwänden ein kleines Laufspiel gewährleistet ist. Im ganzen Arbeitsraum tritt also keine metallische Berührung auf. Ein Verschleiß findet nicht statt, und eine Schmierung grundsätzlich erübrigt sich, obwohl eine Öl/Wasser-Einspritzung wird für Kühlung und Abdichtung bei Laufspiele zwischen Läufern und Gehäuse bei hohen Druckgefällen eingesetzt.
Wegen der reinen Rotation der Läufer entstehen kaum freie Kräfte etwa durch oszillierende Massen. Die Schraubenläufer laufen nahezu erschütterungsfrei, wodurch besondere Fundamente weitgehend überflüssig werden.
Der Hauptläufer (7) hat im Stirnschnitt konvex gestaltete, schraubenförmig verlaufende Zähne (s. Bild 6). In den Nebenläufern (43) sind dazu passende Zahnlücken eingearbeitet. Bei Drehung der Rotoren werden die Zahnlückenräume infolge ihrer Schraubenform verändert und zwar so, dass sie auf der einer Seite jeder Schraubenpaare vergrößert und auf anderer Seite verkleinert werden. Das Vergrößern der Zahnlückenräume bedeutet Ansaugen, das Verkleinern heißt Verdichten und schließlich völlige Ausschieben. Einen schädlichen Raum ist nicht vorhanden.
Die Effizienz des Verdichters hängt sowohl vom Druckverhältnis als auch von Druckdifferenz ab. Die besten Werte wurden bei größten Drehzahlen erreichbar.
Bei kleineren Drehzahlen und damit Umfanggeschwindigkeiten wird um Liefergrade λ schlechter bestellt, und inneren Leckmengen wachsen relativ an. Der Liefergrad λ ist ein Maß für die Größe der Spaltweiten und damit der inneren Leckmengen des Verdichters. Das bereits verdichtete Gas ist heiß und heizt die frisch angesaugte Menge auf, so dass die Verdichtungstemperaturen mit fallender Drehzahl ansteigen. Damit nimmt auch die Wärmeausdehnung der Rotoren zu. Bei einer bestimmten Temperatur und einem vorgegebenen Kaltspiel der Läufer (F/D 0,006 für Trockenläufer) würde Kontakt auftreten.
Die Temperaturgrenzen können durch Einspritzkühlung weitgehend ausgeschaltet werden. Das Einspritzmittel dient zur Kühlung, zur Waschung und Spülung und verbessert außerdem den Liefergrad λ.
Neben Wasser wird auch Öl zur Einspritzung verwendet. Bei der Öleinspritzung bildet sich zwischen den Rotorflanken immer ein ausreichender Ölfilm, der eine metallische Berührung verhindert. Das Geräusch wird zudem gesenkt.
Bei Trockenlauf Arbeit, also ohne Öleinspritzung in den Saugstutzen (9), sind die Druckverhältnisse bis φ = 5 erreichbar; für weitere Erhöhung der Druckverhältnisse (biss φ = 22, wie es bei der Schraubenkraftmaschine für manche Anwendungen erforderlich ist) verwendet man mehr oder wenig intensive Öleinspritzung. Wahrscheinlich könnte man dafür auch Öl/Treibstoffgemisch einzusetzen. Ölnebel gelingt nach Luftkomprimierung mit Einspeiseluft in die Brennkammer (24) und wird zusammen mit Kraftstoff verbrannt. Der angesaugte Volumenstrom ist abhängig vom Druckverhältnis und ändert sich direkt proportional zur Drehzahlen n bei jedem konstanten Wert des Druckverhältnisses.
Wie es bei manchen modernen Schraubenverdichtern der Fall ist, ist der Hauptläufer (7) mit 5 Zähnen und Nebenrotor (43) mit 6 Zehnen versehrt. Das Zähnezahlverhältnis 5:6 wird heute schon für Drucke bis 60 bar eingesetzt.
Diese Paarung ist ein ausgewogenes Optimum an Steifigkeit und Hubvolumen je Rotorumdrehung.
Um die gemeinsame Arbeit der vier Nebenläufer bei einem Hauptläufer sicherzustellen, nämlich um Ansaug- und Auslassöffnungen bei Steuerkanten (51, 52) unterzubringen, sind die Verschraubung. (Umschlingungswinkel der Profilteile) von Haupt- und Nebenrotoren reduziert auf mehr als ein Drittel des Wertes bei bekannten Verdichtern. Nämlich auf etwa 120°. Das beeinträchtigt kaum die Effizienz des Verdichters, denn dabei eine Kontaktliniekürzung ist vorhanden. Dadurch reduziert sich das Verhältnis Kontaktlinielänge zu Zahnlückenvolumen, wodurch die innere Abdichtung zwischen den Rotoren und dem Umfangsgehäuse die bessere Qualität aufweist.
Neben der Einspritzkühlung wird einer unsymmetrischen Profilform verwendet. Bei diesem modernen Profil wird Verbesserung des Wirkungsgrades im trockenlaufenden Betriebsart insbesondere bei niedrigen Umfanggeschwindigkeiten erreichbar. Neben dem Wirkungsgrad verbessert sich auch der Liefergrad λ.
Das Verhältnis Außendurchmesser/Lande des Läufers beträgt L/D = 1...2. Diese geringen Werte ergeben kleine Durchbiegungen, um bei minimalen relativen Spielen F/D ein Fressen zu verhindern.
Die Thermodynamik beschreibt den Arbeitsprozess für die ganze Klasse der Kolbenmaschinen. Die individuellen Eigenschaften der Kraftmaschine sind von seiner Konstruktion definiert. Maßgebend sind hier die Volumina und der spezifischen Förderstrom, der seinerseits auch von den Drehzahlen prädestiniert ist.
Mit den Zahnlückenquerschnitten A_1S und A_2s im Stirnschnitt (s. Bild 6) sowie der Läuferlänge L, beträgt das Hubvolumen V ._H = α(A_1S + A_2S)L (1)
Der Faktor α berücksichtigt das Verhältnis des tatsächlichen zum theoretischen Zahnlückenvolumen und ist bei Verschraubung bis 250° nahezu eins.
Der spezifische Förderstrom V ._F beträgt bei Drehzahl n mit Gleichung (1) V ._F = λ_Lα(A_1S + A_2S)Ln (2)
Der Liefergrad ist λ_L = 0,7...0,95. Seine Grenzen bestimmen das Druckverhältnis (bei dessen Steigerung er abfällt) wie auch die oben beschriebenen weiteren Verhältnisse.
Bei der Berechnung des gesamten Förderstroms müssen das vier Hubvolumen des Nebenläufers berücksichtigt sein. Dabei zum Volumen des jeweiligen Nebenläufers addiert das 1/4 Hubvolumen des Hauptläufers.
Bei einer ganzen Umdrehung des Hauptläufers beteiligen am Gesamtvolumen fünf Zahnlückenvolumen des Hauptläufers und nur fünf (nicht sechs) Zahnlückenvolumen den vier Nebenläufer (die Nebenläufer drehen sich langsamer als der Hauptläufer) Der gesamte Förderstrom V_F beträgt: V_F = 4( 1 / 2 + 1 / 21 / 4)5 V_f = 12,5 V_f (3)
Bei der Annahme, dass D_H = 1,2 D_N, A_1S = A_2S, d_H = 0,62 D_H und L_V = 1,5 D_H, ist der Querschnitt A_1S + A_2S ≈ ¼ der Ringsfläche zwischen D_H und d_H.
Hier n min^–1 die höchste Drehzahl des Hauptläufers.
Bei der Annahme, dass λ_L = 0,83 und α = 1 wird der Durchmesser des Hauptläufers
Diese Gleichungen gelten sowohl für den Raum der Verdichterstufe als auch für gemeinsamen Expansionsraum. Die Umrechnung der Länge der Stufen auf einen gemeinsamer Durchmesser erfolgt mit den Gleichungen (4), (5)
V_F ist bei Verdichterstufe die Menge der eingesaugten Luft bei atmosphärischem Druck V_V und bei gesamtem Expansionsraum – die Menge des Mediums beim Auspuffdruck im Abgassystem V_E.
Weitere thermodynamische Betrachtungen den Arbeitsprozessen der Kraftmaschine erlauben es, die Parameter der Arbeitsprozesse, darunter V_V und V_E exakt zu definieren und daraus Abmessungen und Baumasse der Schraubenkraftmaschine zu bestimmen.
Bei thermodynamischen Betrachtungen ist einen unstöchiometrischen (das heißt bei Luftüberfluss ω = V_v/N_min > 2) isobarischen Verbrennungsprozess in der Brennkammer vorgesehen und die Parameter des Arbeitsmediums bei Bedingungen, dass Drucke und Temperaturen im bestimmten Bereich liegen, definiert.
Der Temperaturbereich auserkoren gilt als verträglichen für Materialen, aber mit Vorbehalt, dass je höher Arbeitstemperaturen und Drucke, desto höher liegt Wert des thermodynamischen Wirkungsgrades η_V.
Berechnungsvorgang, Analyse der resultierenden Daten, Auswahl der besten Ausführungsvariante mit einem Berechnungsbeispiel ist ausführlich in dem Gebrauchmuster DE 20 2006 008 158 U1 vorgeführt. Bei Eingabe der gewünschten Leistung, Drehzahlen und Werten verschiedener Konstanten liefert ein Works-Computerprogramm Berechnungsdaten über die Parameter beliebigen Varianten der Drehkolbenkraftmaschine, darunter Abmessungen, Temperaturfelder, Wirkungsgrade und Verbrauch, Abwärme, etc.
Da, die benötigte für vollständige Ausdehnung des Gases Expansionsraum fast zweimal übersteigt den Verdichterraum, ist es sinnvoll den gesamten Expansionsraum auf zwei Expansionsstufen zu verteilen: auf eine größere Expansionsstufe (18) und kleinere Entspannungsstufe (15). Eine zusätzliche Stützwand, nämlich Stirnwand (16), für Lagerung der Rotorwellen zwischen Stufen ermöglicht das zu errechen und dadurch die Arbeitsbedingungen zu verbessern.
Außerdem, in der Expansionsstufe (18), die bei sehr hohen thermischen Belastungen arbeiten müssen, kann man das Kaltspiel der Läufer F/D beträchtlich vergrößern, um den Kontakt des Läufers von Wärmeausdehnung der Rotoren zu vermeiden.
In der Entspannungsstufe (15) dagegen kann man die strengeren Anforderungen zum Qualität der Abdichtung auflegen, sogar vielleicht die Wassereinspritzug zu einsetzen, denn nach der Ausdehnung in der Expansionsstufe (18) und Abkühlung durch die Kühlsysteme der Schraubenmaschine (s. dafür weitere Erläutungen) ist das Arbeitsgas hier schon mit niedrigerer Temperatur dasteht.
In den Bild 2 ist die Konfiguration den vorderen Teil mit Einheiten (1), (3), (4), (8) dargestellt. Bei der Ausbildung der Druckseite der Verdichterstufe (8) könnte man aus drei Varianten ausgehen:
In dem Bild 3 gargestellten Variante sind fest eingebaute Auslasskanten (51) (s. Bild 2) an der druckseitigen Stirnwand (11) ähnlich ausgebildet wie Saugkante (52) bei Saugseite und haben keine Sperrscheiben. Sie münden unmittelbar in den Druckluftraum (49).
Die Volumenverkleinerung und damit die Verdichtung innerhalb der Maschine finden nicht statt. Also, die Verdichtung der angesaugten Luft erfolgt nicht. Maßgebend ist hier der Netzdruck (Leitungsdruck) – der laufende Arbeitsdruck der Schraubenkraftmaschine. Der Netzdruck schließt sich dem Ausschubsvorgang unmittelbar an, und die Maschine müsste von Anfang an gegen den vollen Netzdruck zu arbeiten. Die Mehrarbeit (Arbeitsaufwand und entsprechend, Kraftstoffverbrauch) für Luftverdichtung (die sind ohnehin fast gleicher als Wellenleistung) gegenüber einem idealen Verdichtungsvorgang ist zweimal höher. Der Vorzug ist eine Einfachheit der Konstruktion. Aber Nachteil ist groß. Das ist erste Variante.
Bei zweiten Variante mit festeingebauten Steuerkanten und stabiler Fördercharakteristik wird eingesaugten Luft stetig auf ein konstantes Druckverhältnis komprimiert, unabhängig von Arbeitsdruck in der Brennkammer. Festeingebaute Steuerkanten an der saug- und druckseitigen Gehäusestirnwand bestimmen die Volumenverkleinerung und damit die Höhe der Verdichtung innerhalb der Maschine.
Bei einer niedrigen Leistung der Kraftmaschine ist auch der Druck des Dieselprozesses niedrig. Dadurch, entsteht die Mehrarbeit entweder für unnötigen höheren Druck als Netzdruck, oder, auch wie im ersten Fall, wegen Arbeit gegen höheren Netzdruck.
Auf Bild 4 ist das p, V-Diagramm für den Fall bei festeingebauten Steuerkanten mit dem Auslegungspunkt ½ dargestellt (Netzdruck/höchsten Förderdruck = ½).
Wenn der Netzdruck die gleiche Höhe hat, schließt sich der Ausschubsvorgang unmittelbar an. Weiter muss die Maschine gegen Drücke arbeiten.
Also, wenn Arbeitsdruck dem eingebauten Druckverhältnis nicht entsprechen, so findet nach Erreichen der Auslasssteuerkanten entweder eine Expansion auf den niedrigen Netzdruck mit anschließendem Ausschieben bei diesem Druck statt (mit Balance: Mehrarbeit für die unnötige Verdichtung + Ausschiebensarbeit – Expansionsarbeit) oder eine Volldruckverdichtung auf den höher liegenden Netzdruck mit ebenfalls anschließendem Ausschieben gegen höherliegenden Netzdruck.
Die schraffierten Dreiecke geben die Mehrarbeit an, die gegenüber einem idealen Verdichtungsvorgang in diesem Fall geleistet werden muss. Sie führen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Um zum idealen Verdichtungsvorgang zu nähern braucht man eine Steuerung des Druckkanten des Verdichters. Ein Beispiel der konstruktiven Ausführung der Steuereinrichtungen (6) mit Sperrscheiben (50) bei Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) ist im Bild 2 zu sehen. Mit Drehen der Sperrscheiben (50) wird die Drucksteuerkanten (51) verändert und Ausschiebensdruck nach Netzdruck reguliert. Dabei die Verschiebung den Kolben (54) unter der Netzdruckwirkung ist durch die Feder (55) austariert. Die Sperrscheiben (50) sind leichtbeweglich, denn schweben sie sich im Druckluftraum (49) frei. Aus dem Druckluftraum (49) fliest komprimierter Luft in fünf Richtungen zum Vorderenden den allen fünf Rotorwellen und durch Kanäle in den Wellen und durch Lufteintrittöffnungen (44) und Luftzufuhrleitungen (45) gelingt in die Brennkammer (24). Unterwegs kühlt die Speiseluft die Läufer von innen und überträgt die Abwärme in die Brennkammer.
Erhaltung der Wärme trägt der Effizienz der Kraftmaschine als Wärmemaschine bei. Die Wirkungsgrade lassen sich dadurch steigern.
Die Kraftrichtung des Netzdrucks wirkt der Gasdruck an den Läufer entgegen. Damit axial wirkende Kräfte auf die Lager sind durch Netzdruck weitestgehend kompensiert, und ist die Axiallagerung unproblematisch.
Auf den Bildern 1, 7, ist die Brennkammer (24) und das Brennrohr (22, 25) dargestellt. Die Brennkammer (24) ist fest mit dem Einlassrohr (38) verbunden und wie Brennrohr (22, 25) auf der Stirnwand (19) fixiert. Das Einlassrohr (38) ist mit flüssigem Kühlmittel, der von Zufuhrkollektor (40) eintritt, gekühlt. Nach Kühlung des Brennrohrs ist das Kühlmittel durch die Leitungen (33) in den Abflusskollektor (48) abgeführt. Durch das Einlassrohr (38) sind elektrische, Kraftstoff- und Druckluftleitungen verlegen.
Die Brennkammer (24) ist wie bei Gasturbinen ausgelegt. Sie gewährleistet eine ordentliche Verstaubung, Zündung und vollständige Verbrennung des Kraftstoffes mit geringer Erzeugung den Schadstoffen.
Brennrohr (22, 25) ist aus Montagebedingungen zweiteilig ausgebildet. Vorderen Teil (22) ist mit Bolzen auf der Stirnwand (19) montiert und mit hinterem Teil (25) fest verbunden ist. Er hat Einlassöffnungen (44) für komprimierte Luft, der durch Hauptläufer (7) einfliest, wie auch Luftzufuhröffnungen (45) für die Luft, der durch die Nebenläufer (43) und der Verbindungsflansche des beiden Brennrohrteilens (22, 25) zugestellt ist. Das zweite Teil des Brennrohrs mit Auslassdruckklappe (32), Rückkopplungseinrichtung mit Dehnbüchse (29) und Gasleitungen (30) ausgestattet ist und mit flüssigem Kühlmittel gekühlt. Dafür hat er auch Einlass-Auslassstutzen und Kanäle für Kühlmittel.
Die Dehnbüchse (29) ist mit Auspuffraum durch eine Gasleitung (30) verbunden. Der Gasdruckraum der Brennkammer (22, 25) ist von dem Gehäuseraum durch Labyrinthdichtung (31) um den Verbindungsstock von Klappe (32) zur Dehnbüchse (29) abgedichtet.
Der Arbeitsprozess in der Brennkammer ist das Diesel-Prozess, bei dem eine stabile Verbrennung des Kraftstoffs bei ständigem Druck stattfindet. Dafür strömt nur eine bestimmte Menge des Gases bei ständigem Druck durch die Rückkopplung gesteuerten Auslassdruckklappe (32) im hinteren Teil (25) des Brennrohrs und fier Gasleitungen (23) zu den Einlasssteuerkanten (52) der Expansionsstufe (18). Dabei korrigiert der Gasdruck aus Auspuffraum mit seiner Gegenwirkung bei der Dehnbüchse (29) die Lage der Auslassdruckklappe (32). In den Arbeitsräumen der Expansionsstufe (18) verrichtet das einströmende Gas die Arbeit anfänglich mit konstantem Druck des Diesel-Prozesses. Nachdem der Gaseintritt unterbrochen wird, verrichtet das eingelassene Gas dann die Entspannungsarbeit bis zum Ausstoß des Gases in die Entspannungsstufe (15). Dort wird die entgültige Ausdehnungsarbeit verrichtet.
Grundsätzlich ist das Gasgeben für Steuerung der Leistung maßgebend. Dabei gerade die Rückkopplungseinrichtung ermöglicht es eine beinahe vollständige Ausdehnungsarbeit des Gases zu beibehalten und Kraftstoffzufuhr (Verbrauch) dem Leistungsbedarf anzupassen und dadurch effizient zu regeln.
Drehkolbenkraftmaschine nach ihrer Art und Arbeitsweise ist eine Maschine mit hohem Wert den Leistungsvolumen K_L. = P_w,o/V_Σ kW/m³ Sie hat mit Verbrennungsgasen mit hohen Temperaturen und Drucke zu tun. Im Betrieb durch die heftigen Steuerungen und durch die äußeren Einwirkungen entstehen die Übergangsprozesse von einen, sich schon eingerichteten Diesel-Prozess zum anderen. Die ohnehin hohe Druck- und Temperaturbelastung könnte dadurch weiter erhöht werden.
Die Gefahr des Ausbruchs den Druck und Temperatur entsteht zum Beispiel bei starken Gasgeben für eine Beschleunigung. Unter erhöhter Treibstoffzufuhr (und Präsenz der Luftüberfluss λ) erhöhen sich Temperatur und Druck des Gases. Diesel-Prozess anstellt sich an die größere Ausgabe des Gases aus Brennraum, die Drehzahlen n und damit die Leistung P_W wachsen.
Weitere Ursache für Druck- und Temperaturerhöhung stellt eine Erhöhung der Gegendrehmomente M_W auf der Leistungswelle (47) (etwa durch äußere Einwirkung). Das schon in der Brennkammer (24) sich eingerichteten Diesel-Prozess entstellt sich, die Drehzahlen n fallen und mit ihnen fällt sowohl der Verbrauch des Gases aus der Brennkammer (24) als auch der Luftzufuhr von Verdichtungsstufe (8). Es folgen die Druck- und Temperaturerhöhung. Damit einrichtet sich Diesel-Prozess auf einem neuen erhöhten Druck-Temperaturebene um das Gegendrehmoment M_W zu bezwingen. Wenn gleichzeitig erhöhte Kraftstoffzufuhr ist präsent, steigen die Drehzahlen n, Luftzufuhr und Leistung P_W (um so mehr bei Präsenz den erhöhten Druck des Diesel-Prozesses).
Folglich, der Übergang zur größeren Leistung wie mit Erhöhung der Drehzahlen n als auch mit Erhöhung des Drehmomentes M_W, oder unter Wirkung der beiden Faktoren möglich ist, denn die Leistung auf der Welle P_W = 2πnM_W. Dabei der Druck des Diesel-Prozesses für die Drehmomenterhöhung relevant ist.
Also, bei erhöhten Temperaturen und Drucke in Brennkammer (24), besonders bei Arbeit der Maschine mit Maximalleistung, kann die Belastung bei Grenze der Festigkeit sogar der wärmebeständigen Materialen liegen, wodurch besteht Gefahr des Hitzeverzehrung und Leistungsverlustes.
Zur Bekämpfung der hohen Temperaturbelastungen und Sicherstellung den Beschleunigungsprozessen ist die Kraftmaschine so ausgelegt, dass im Brennraum ständig das Luftüberfluss λ = m_L/m_BL_min > 2 herrscht (das Verhältnis der Luftmasse, die Verdichterstufe stellt, zu der Minimalmasse, die benötigt wird für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs). Das Luftüberfluss nötig ist sowohl für Übergängen zum anderen erhöhten Diesel-Prozessen als auch für eine Beibehalten des Läufers und Einlassrohrs bei zulässigen Temperaturen.
Abschließend, auf dem Bild 1 ist die Leistungswelle (47) mit Lagerung in den Kugellader (28) wie auch das Leistungswellegetriebe (26) vereinfacht dargestellt.
Alle Einheiten der Schraubenkraftmaschine sind mit schnell zerlegbaren Kopplungen miteinander verbunden und auf ein Rahmen (35) montiert.
Die Abkühlung mit flüssigem Mittel ist bei Kühlung des allen Gleitlagers (5) und Wellenzapfen, Einlassrohrs (38), beiden Teilen des Brennrohrs (22, 25) und Gehäuse eingesetzt. Flüssigkeit fließt aus äußerem Zufuhrkollektor (40) durch die Röhre und Kühlkanäle im Gehäuse, Kanäle (36) in den Stirnwänden, durch das Einlassrohr (38) und Kanäle (33) im Brennrohr und wird nach der Abkühlarbeit zurück in den Abflusskollektor (48) ausgestoßen. Für Abdichtung bei den Gleitlagern (5) verwendet man die Kohleringabdichtungen (hier sind nicht gezeigt). Für Abdichtung den Kühlräumen des Gehäuses gegenüber den Arbeitsräumen der Maschine und ihm Entsprechen zu den Wärmebedingungen die hitzebeständigen Hülsen (34) allerorts angewendet sind.
Die Auslegung des Flüssigkeitskühlsystems (die Verteilung und Durchgangsschnitte den Kanälen, als auch die Förderströme der Kühlmittel) müssen von einer Seite dem Bedarf von Kühleffizienz bei verschiedenen Werten der Leistung entsprechen, und die Effizienz der Kraftmaschine als Wärmemaschine möglich weniger beeinträchtigen von anderen Seite. Denn unnötiger Abfuhr der Wärme bedeutet eine Senkung den Wirkungsgraden und erhöhte Kraftstoffverbrauch.
Bezugszeichenliste

1: Vorderdeckel
2: Kugelrollenlager
3: Vordereinheit
4: hintere Stirnwand
5: Gleitlager
6: Steuereinrichtung
7: Hauptläufer
8: Verdichterstufe
9: Saugstutzen
10: Luftfilter
11: vordere Stirnwand
12: Synchronisierungsgetriebe
13: Auspuffstutzen
14: hintere Stirnwand
15: Entspannungsstufe
16: vordere Stirnwand
17: Gasleitung
18: Expansionsstufe
19: vordere Stirnwand
20: Gasleitung
21: Hinterteil
22: vorderes Teil des Brennrohrs
23: Gasleitung
24: Brennkammer
25: hinters Teil des Brennrohrs
26: Leistungswellegetriebe
27: Hinterdeckel
28: Kegelrollenlager
29: Dehnbüchse
30: Gasleitung
31: Labyrinthdichtung
32: Auslassdruckklappe
33: Kanal
34: Hülse
35: Rahmen
36: Kanal
37: Hauptläuferwelle
38: Einlassrohr
39: Elektrische-Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen
40: Zufuhrkollektor
41: Kugelrollenlager
42: Nebenläuferwelle
43: Nebenläufer
44: Lufteintrittöffnung
45: Luftzufuhrleitung
46: Kugelrollenlager
47: Leistungswelle
48: Abflusskollektor
49: Druckluftraum
50: Sperrscheiben
51: Drucksteuerkante
52: Saugkante
53: Drucksteuerkante
54: Kolben
55: Feder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2009732 A [0002]
DE 19711084 A1 [0002]
US 3203406 A [0002]
DE 102006038957 A1 [0002]
DE 102009005107 [0002]
DT 2500816 A1 [0003]
DE 9111849 U [0003]
DE 9401804 U [0003]
WO 009/77363 A1 [0003]
WO 00/77364 A1 [0003]
DE 202006008158 U1 [0049]

Claims

Schraubenkraftmaschine mit einer Verdichterstufe (8), einer Expansionsstufe, einer Brennkammer (24) und einem Synchronisierungsgetriebe (12), wobei die Verdichterstufe (8) und Expansionsstufe im wesentlichen identisch aufgebaut ist und jeweils aus zwei miteinander in der Zahnverbindung stehenden Schraubenläufer bestehen, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und mit seinen Wellenzapfen in Gleit- (5) und Kugellager (2), (41) gelagert und mit Synchronisierungsgetriebe (12) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie vier Nebenläufer (43) hat, die mit einem Hauptläufer (8) mit seinen Schraubenzähnen verbunden und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist und aus einer Verdichterstufe (8), einer Expansions- (18) und einer Entspannungsstufe (15), einer hinausgetragenen Brennkammer (24), einem zweiteilig (22), (25) gebautem Brennrohr und einem Einlassrohr (38) mit elektrischen-Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) sowie einem Leistungsgetriebe (26) und Leistungswelle (47) besteht, wobei Anordnung der Stufen (8), (15), (18) miteinander und zum Brennkammer (24) ist dem Grundsatz unterstellt, dass von Verdichterstufe (8) eingesaugten und komprimierten Luft vor dem Eintreffen in die Brennkammer (24) durch die hohlen axialen Innenräume allen Läufer fließt, die Läufer dabei kühlt und Abwärme zurück in die Brennkammer überträgt, wobei bei Drucksteuerkante (51) der Verdichterstufe eine Steuereinrichtung (6) für Drucksteuerung nach Arbeitsdruck in der Brennkammer (24), einen gemeinsamen Druckluftraum (49) und Luftleitungen zu vorderen Enden aller Läufer eingerichtet sind, wobei alle Läufer die hohlen axialen Innenleitungen durch die ganze Länge für Luftüberführung zur Brennkammer (24) und zugleichen Kühlung des Läufers aufweisen, wobei ein Einlassrohr (38) mit flüssigem Kühlmittel und Elektrischen-Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) durch die hohlen Hauptläufer (7) verlegt ist und in die Brennkammer (24) mündet, wobei die Brennkammer (24) fest in einem zweiteiligen Brennrohr (22), (25) eingebaut ist und alle üblichen für vollständige Verbrennung des Kraftstoffs Einrichtungen hat, wobei das zweiteilige Brennrohr (22), (25) die Lufteintrittöffnungen (44) und Luftzufuhrleitungen (45) für die komprimierte Luft, einen Druckgasraum und vier Gasleitungen (23), sowie einen mit einer Dehnbüchse (29) verbunden Auslassdruckklappe (32) als Element der Rückkopplung zum Auspuffraum aufweist und fest an der Stirnwand (16) der Expansionsstufe (18) angebaut ist, wobei die Expansionsstufe (18) ein vergrößerten in bezug auf ein übliches für die Schraubenpaaren Kaltspiel der Läufer (miteinander und zum Gehäuse) für Ausschluss des Kontakts bei Wärmeausdehnung aufweist, wobei die Entspannungsstufe (15) wie eine art der Verlängerung der Expansionsstufe (18) dient und einige strengeren Auflagen für das Kaltspiel der Läufer aufweist, indem sie eine zusätzliche Stirnwand (16) für Lagerung der Läuferwellen zu anordnen lässt, wobei eine Flüssigkeitskühlsystem für Kühlung der Gleitlager (5), des Einlassrohrs (38) Brennrohrs (22), (25) und Gehäuses angewendet ist, indem die Kühlleistung des Systems mit der Leistung der Kraftmaschine abgestimmt ist.
Schraubenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Steuereinrichtungen (6) mit jeweils zwei Sperrscheiben (50) bei Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) als auch mit Lenkungseinrichtungen mit Kolben (54) und (52) Federn (55) ausgestattet sind, wobei mit Drehen der Sperrscheiben (50) unter Wirkung der Lenkungseinrichtungen werden die Drucksteuerkanten (51) verändert und Ausschiebensdruck nach Netzdruck reguliert, dabei die Verschiebung den Kolben (54) unter der Netzdruckwirkung ist durch die Feder (55) austariert.
Schraubenkraftmaschine nach einem der Anspruche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungseinrichtung einen Gasleitung (30) von Auspuffraum zum Dehnbüchse (29) sowie eine Labyrinthdichtung (31) um den Verbindungsstock von den Auslassdruckklappe (32) zur Dehnbüchse (29) aufweist.