DE102010020681B4 - Schraubenkraftmaschine mit vier Nebenrotoren, mittels Arbeitsdruck gesteuerter Verdichterstufe und mittels Rückkopplung zum Auspuffraum optimal gesteuerter Brennkammer - Google Patents

Abstract

Schraubenkraftmaschine mit einer Verdichterstufe (8), einer Expansionsstufe (18), einer Brennkammer (24) und einem Synchronisierungsgetriebe (12),wobei die Verdichterstufe (8) und die Expansionsstufe (18) im wesentlichen identisch aufgebaut sind und jeweils aus zu zweien miteinander in Zahnverbindung stehenden, Schraubenzähne aufweisenden Läufern (7, 43) bestehen, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und mit Wellenzapfen in Gleit- (5) und Kugelrollenlagern (2, 41) gelagert und mit dem Synchronisierungsgetriebe (12) geführt sind,dadurch gekennzeichnet, dassdie Schraubenkraftmaschine vier Nebenläufer (43) hat, die mit einem Hauptläufer (7) mit seinen Schraubenzähnen verbunden und in dem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, und aus der Verdichterstufe (8), der Expansionsstufe (18) und einer Entspannungsstufe (15), der Brennkammer (24), einem zweiteilig (22, 25) gebauten Brennrohr und einem Einlassrohr (38) mit Elektro-, Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) sowie einem Leistungswellengetriebe (26) und einer Leistungswelle (47) besteht,wobei eine Anordnung der Stufen (8, 15, 18) miteinander und zur Brennkammer (24) dem Grundsatz unterstellt ist, dass von der Verdichterstufe (8) eingesaugte und komprimierte Luft vor Eintreffen in die Brennkammer (24) durch hohle axiale Innenräume aller Läufer (7, 43) fließt, die Läufer (7, 43) dabei kühlt und Abwärme zurück in die Brennkammer (24) überträgt,wobei bei Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) eine Steuereinrichtung (6) zur Drucksteuerung nach Arbeitsdruck in der Brennkammer (24), ein gemeinsamer Druckluftraum (49) und Luftleitungen zu vorderen Enden aller Läufer (7, 43) eingerichtet sind,wobei alle Läufer (7, 43) hohle axiale Innenleitungen durch eine ganze Länge zur Luftüberführung zur Brennkammer (24) und zugleich zur Kühlung des Läufers (7, 43) aufweisen,wobei das Einlassrohr (38) mit flüssigem Kühlmittel und Elektro-, Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) durch den hohlen Hauptläufer (7) verlegt ist und in die Brennkammer (24) mündet,wobei die Brennkammer (24) fest in dem zweiteiligen Brennrohr (22, 25) eingebaut ist und Einrichtungen für vollständige Verbrennung von Kraftstoff hat,wobei das zweiteilige Brennrohr (22, 25) Lufteintrittsöffnungen (44) und Luftzufuhrleitungen (45) für komprimierte Luft, einen Druckgasraum und vier Gasleitungen (23) sowie eine mit einer Dehnbüchse (29) verbundene Auslassdruckklappe (32) als Element einer Rückkopplungseinrichtung zu einem Auspuffraum aufweist und fest an einer Stirnwand (19) der Expansionsstufe (18) angebaut ist,wobei die Expansionsstufe (18) ein vergrößertes, in bezug auf ein für Schraubenpaare übliches Kaltspiel der Läufer (7, 43) miteinander und zum Gehäuse zum Auschluss von Kontakt bei Wärmeausdehnung aufweist,wobei die Entspannungsstufe (15) wie eine Verlängerung der Expansionsstufe (18) dient und strengere Auflagen für das Kaltspiel der Läufer (7, 43) aufweist, indem sie eine zusätzliche Stirnwand (16) zur Lagerung von Läuferwellen anordnen lässt, undwobei ein Flüssigkeitskühlsystem zur Kühlung von Gleitlagern (5), des Einlassrohrs (38), Brennrohrs (22, 25) und Gehäuses angewendet ist, indem eine Kühlleistung des Flüssigkeitskühlsystems mit einer Leistung der Schraubenkraftmaschine abgestimmt ist.

Description

• Obwohl herkömmliche Hubkolbenmaschinen und Turbinen nach wie vor breite Verwendung in der Antriebstechnik finden, wächst neuerlich eine Tendenz zur Entwicklung von Kraftmaschinen, die nach dem Rotationskolbenprinzip arbeiten. Maschinen nach diesem Arbeitsprinzip fesseln die Aufmerksamkeit dadurch, dass sie im Unterschied zu Hubkolbenmaschinen einen kontinuierlichen Arbeitsprozess mit gezügelten Massenkräften aufweisen. Dadurch entsteht der Anspruch auf größere Drehzahlen und ein relativ kleineres Gewicht der Maschinen. Sie können die Leistungsvolumen K_L der Kolbenmaschinen (K_L bis 350 kW/m³) übertreffen und können sogar, wenigstens theoretisch, bei diesem Kennzeichen mit den Turbinen (K_L bis 9000 kW/m³) wetteifern. Ergänzend sind die Rotationskolbenkraftmaschinen billiger als Turbinen bei der Herstellung und haben, wenigstens theoretisch, kleineren Brennstoffverbrauch und kleinere Schadstoffemission als Kolbenmotoren.
• Es existieren zahlreiche Einsätze von Rotationskolbenkraftmaschinen. Beispielhaft seien hier die DE 20 09 732 A , die DE 197 11 084 A1 , US 3 203 406 A , DE 10 2006 038 957 B3 und DE 10 2009 005 107 B3 genannt.
• Da ist noch ein weiterer Typ von Verbrennungskraftmaschinen aus der Klasse der Kolbenmotoren, der mit fließendem Arbeitsverfahren und dadurch hohen Drehzahlen arbeiten kann; die Idee ist in DE 25 00 816 A1 , DE 91 11 849 U1 , DE 94 01 804 U1 , WO 00 / 77 363 A1 , WO 00 / 77 364 A1 patentiert. Dieser Typ erweist sich als eine Kombination von Schraubenverdichter und Schraubenexpansionsmotor, der eine Verbrennung des Kraftstoffs in einer Brennkammer vor dem Schraubenexpansionsmotor vorsieht. Als Hauptelemente für beide Stufen dienen einige Schraubenpaare mit Kompressions- oder Expansionswirkung. Der Arbeitsprozess ist ähnlich dem der herkömmlichen
• Materialwesen bieten zusätzliche Perspektiven für eine ordentlich konstruierte Schraubenkraftmaschine.
• Eine solche Schraubenkraftmaschine, durch neue erfinderische Eigenschaften (Merkmale) gekennzeichnet, ist in den folgenden Figuren dargestellt und mit folgenden Texten erläutert.
• Bild 1 zeigt den Zusammenbauplan, Schnitte und Ansichten einer erfindungsgemäßen Schraubenkraftmaschine mit vier Nebenläufern, mittels Arbeitsdruck gesteuerter Verdichterstufe und mittels Rückkopplung zu einem Auspuffraum optimal gesteuerter Brennkammer.
• Bild 8 zeigt ein räumliches Schema der Schraubenkraftmaschine mit Schnitt durch den Haupt- und einen der Nebenläufer, auf dem der Arbeitsvorgang und Übergänge von Medien zu sehen sind.
• Bild 1 stellt eine fünfwellige Schraubenkraftmaschine dar, die aus einer Verdichterstufe (8), einer Expansionsstufe (18) und einer Entspannungsstufe (15) besteht sowie einen Hauptläufer (7) (male rotor) und vier Nebenläufer (43) (female rotors) aufweist, die in Zahnverbindung mit dem Hauptläufer (7) stehen. Weiter sind einige Sperrscheiben (50) bei Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) mit Steuereinrichtungen (6), ein Einlassrohr (38) mit Elektro-, Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39), eine Brennkammer (24) mit einer Auslassdruckklappe (32) und einer mit ihr verbundenen Rückkopplungseinrichtung mit einer Dehnbüchse (29), ein zweiteilig ausgebautes Brennrohr (22, 25), ein Synchronisierungsgetriebe (12) und ein Leistungswellengetriebe (26) in Bild 1 zu sehen.
• Konstruktiv besteht die Schraubenkraftmaschine aus folgenden Einheiten, die mit schnell zerlegbaren Kopplungen miteinander verbunden sind:
• - einem Vorderdeckel (1) mit Kugelrollenlager (2) zur Lagerung einer Hauptläuferwelle (37),
• - einer Vordereinheit (3) mit Kugelrollenlager (41) zur Lagerung von Nebenläuferwellen (42),
• - einer hinteren Stirnwand (4) der Verdichterstufe (8) mit Gleitlagern (5) zur Lagerung aller Läuferwellen (37, 42), den Sperrscheiben (50) bei den Drucksteuerkanten (51) (s. Schnitt A-A) und ihren Steuereinrichtungen (6),
• - der Verdichterstufe (8),
• - einer vorderen Stirnwand (11) der Verdichterstufe (8) mit Gleitlager, Saugstutzen (9) und Luftfilter (10),
• - einer hinteren Stirnwand (14) der Entspannungsstufe (15) mit Auslassöffnungen bei Auslassteuerkanten und Auspuffstutzen (13) der Entspannungsstufe (15) wie auch dem Synchronisierungsgetriebe (12),
• - der Entspannungsstufe (15),
• - einer vorderen Stirnwand (16) der Entspannungsstufe (15) mit Gleitlager und Gasleitungen (17),
• - der Expansionsstufe (18),
• - einer vorderen Stirnwand (19) der Expansionsstufe (18) mit Gleitlager und Gasleitungen (20),
• - einer Hintereinheit (21), welche die Brennkammer (24) und das zweiteilig ausgebaute Brennrohr (22, 25) mit Lufteintrittsöffnungen (44), Luftzufuhrleitungen (45) [s. Schnitt (N-N)], die Auslassdruckklappe (32), die Rückkopplungseinrichtung mit der Dehnbüchse (29) und eine Gasleitung (30) aufweist, sowie ein Leistungswellengetriebe (26) mit einem Kugellager (46), und
• - einem Hinterdeckel (27) mit einem Kegelrollenlager (28) zur Lagerung einer Leistungswelle (47).
• In Bild 8 ist zu sehen, dass die bei den vier Saugstutzen (9) angesaugte Luft von der Verdichterstufe (8) komprimiert wird und von den gesteuerten Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) zu einem Druckluftraum (49) fließt. Hier teilt sie sich in fünf Richtungen: Ein Hauptstrom geht zur Brennkammer (24) durch die Hauptläuferwelle (37) und kühlt unterwegs den Hauptläufer (7) von innen und das Einlassrohr (38) mit den Elektro-, Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) von außen. Vier restliche Ströme gehen durch die Nebenläuferwellen (42), kühlen unterwegs die Nebenläufer (43) von innen und gelangen in die Brennkammer (24) durch die Luftzufuhrleitungen (45).
• Aus der Brennkammer (24) fließt hochgeladenes Gas durch die Auslassdruckklappe (32) und Gasleitungen (23) im Brennrohr (22, 25) in vier Richtungen zu Einlassöffnungen bei Druckkanten der Expansionsstufe (18). In der Expansionsstufe (18) verrichtet das Gas die Expansions- und einen Teil der Entspannungsarbeit und fließt weiter zu der Entspannungsstufe (15). Hier verrichtet das Gas den restlichen Teil der Entspannungsarbeit und wird danach durch die vier Auspuffstutzen (13) in eine Entsorgungseinrichtung ausgeschoben.
• Die Einzelheiten der ergänzenden Merkmale der Schraubenkraftmaschine sind im Folgenden näher erläutert und in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
• Bild 2 eine vergrößerte Darstellung der Einheiten (1), (3), (4), (8) und eines Schnitts A-A durch die Steuereinrichtungen (6) mit den Sperrscheiben (50) und den Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) wie auch erklärende Graphiken,
• Bild 5 eine vergrößerte Darstellung der Verdichterstufe (8) mit einem Schnitt B-B wie auch erklärende Graphiken und
• Bild 7 eine vergrößerte Darstellung der Hintereinheit (21) mit der Brennkammer (24) und dem zweiteilig ausgebautem Brennrohr (22, 25), die Auslassdruckklappe (32), die Rückkopplungseinrichtung mit der Dehnbüchse (29) und das Leistungswellengetriebe (26) mit dem Kugellager (46) wie auch eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts D-D bei einer Kopplung der Stirnwand (19) mit Drucksteuerkanten (53) der Expansionsstufe (18) und eines Schnitts E-E durch die Luftzufuhrleitungen (45) im Brennrohr (22, 25).
• Es folgen Erläuterungen und Beschreibungen der dargestellten Konstruktion.
• Bild 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Verdichterstufe (8) in Verbindung mit den Einheiten (1), (3), (4) und (11). Hier ist auch ein Schnitt B-B durch die Verdichterstufe (8) mit der Konfiguration der Läufer zu sehen. Die Konfiguration der Läufer ist identisch für alle drei Stufen, so dass im weiteren stellvertretend der Verdichterläufer erläutert werden soll.
• Alle Läufer - ein Haupt- (7) und vier Nebenläufer (43) - sind durch das Synchronisierungsgetriebe (12) synchronisiert, so dass zwischen den Läufern stets ein kleiner Spalt eingehalten wird. Die Läufer berühren sich also nicht. Die Läufer laufen radial mit einem Spiel gleicher Größenordnung gegenüber der Gehäusewand. Durch die Kugelrollenlager (2, 41) (s. Bild 1) werden die Läufer so geführt, dass 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 erübrigt sich im Grundsatz, obgleich eine Öl/Wasser-Einspritzung zur Kühlung und Abdichtung des Laufspiels zwischen Läufern und Gehäuse bei hohen Druckgefällen eingesetzt wird.
• 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 Läufer werden die Zahnlückenräume infolge ihrer Schraubenform verändert, und zwar so, dass sie auf der einer Seite jedes Schraubenpaars vergrößert und auf anderer Seite verkleinert werden. Das Vergrößern der Zahnlückenräume bedeutet Ansaugen, das Verkleinern heißt Verdichten und schließlich völliges Ausschieben. Ein schädlicher Raum ist nicht vorhanden.
• Die Effizienz des Verdichters hängt sowohl vom Druckverhältnis als auch von der Druckdifferenz ab. Die besten Werte sind bei den größten Drehzahlen erreichbar. Bei kleineren Drehzahlen und damit Umfangsgeschwindigkeiten ist es um den Liefergrad λ schlechter bestellt, und die 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 Läufer zu. Bei einer bestimmten Temperatur und einem vorgegebenen Kaltspiel der Läufer (ε / 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 Läuferflanken immer ein ausreichender Ölfilm, der eine metallische Berührung verhindert. Das Geräusch wird zudem gesenkt.
• Bei Trockenlaufarbeit, also ohne Öleinspritzung in den Saugstutzen (9), sind Druckverhältnisse bis φ = 5 erreichbar; zur weiteren Erhöhung der Druckverhältnisse (bis φ = 22, wie es bei einer Schraubenkraftmaschine für manche Anwendungen erforderlich ist) verwendet man mehr oder weniger intensive Öleinspritzung. Wahrscheinlich könnte man dafür auch ein Öl-Treibstoff-Gemisch einsetzen. Ölnebel gelangt 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 Drehzahl n bei jedem konstanten Wert des Druckverhältnisses.
• Wie es bei manchen modernen Schraubenverdichtern der Fall ist, ist der Hauptläufer (7) mit fünf Zähnen und der Nebenläufer (43) mit sechs Zähnen versehen. Das Zähnezahlverhältnis 5:6 wird heute schon für Drucke bis 60 bar eingesetzt. Diese Paarung ist ein ausgewogenes Optimum an Steifigkeit und Hubvolumen je Läuferumdrehung.
• Um die gemeinsame Arbeit der vier Nebenläufer bei einem Hauptläufer sicherzustellen, nämlich um Ansaug- und Auslassöffnungen bei Steuerkanten (51, 52) unterzubringen, ist die Verschraubung (der Umschlingungswinkel der Profilteile) von Haupt- und Nebenläufern reduziert auf mehr als ein Drittel derjenigen bei bekannten Verdichtern, nämlich auf etwa 120°. Das beeinträchtigt kaum die Effizienz des Verdichters, denn dabei tritt eine Kontaktlinienkürzung auf, derentwegen sich das Verhältnis Kontaktlinienlänge zu Zahnlückenvolumen reduziert, wodurch die innere Abdichtung zwischen den Läufern und dem Umfangsgehäuse eine bessere Qualität aufweist.
• Neben der Einspritzkühlung wird eine unsymmetrische Profilform verwendet. Bei diesem modernen Profil wird Verbesserung des Wirkungsgrades in der 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 minimalem relativem Spiel ε / D Einfressen zu verhindern.
• Die Thermodynamik beschreibt den Arbeitsprozess für die ganze Klasse der Kolbenmaschinen. Die individuellen Eigenschaften der Kraftmaschine sind durch ihre Konstruktion definiert. Maßgebend sind hier die Volumina und der spezifische Förderstrom, der seinerseits auch von den Drehzahlen vorbestimmt ist. Mit den Zahnlückenquerschnitten A_1S und A_2S im Stirnschnitt (s. Bild 6) sowie der Läuferlänge L beträgt das Hubvolumen $${\text{V}}_{\text{H}}=\mathrm{\alpha }\left({\text{A}}_{\text{1S}}+{\text{A}}_{\text{2S}}\right)\text{ L}$$

  
• Der Faktor α berücksichtigt das Verhältnis des tatsächlichen zum theoretischen Zahnlückenvolumen und ist bei Verschraubung bis 250° nahezu eins. Der spezifische Förderstrom V̇_f beträgt bei Drehzahl n mit Gleichung (1) $${\dot{V}}_f={\mathrm{\lambda }}_{\text{L}}\mathrm{\alpha }\left({\text{A}}_{\text{1S}}+{\text{A}}_{\text{2S}}\right)\text{ L n}$$

  
• 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 die vier Hubvolumen der Nebenläufer berücksichtigt sein. Dabei addiert man zum Volumen des jeweiligen Nebenläufers 1/4 des Hubvolumens des Hauptläufers. Bei einer ganzen Umdrehung des Hauptläufers beteiligen sich am Gesamtvolumen fünf Zahnlückenvolumen des Hauptläufers und nur fünf (nicht sechs) Zahnlückenvolumen der vier Nebenläufer. (Die Nebenläufer drehen sich langsamer als der Hauptläufer.) Der gesamte Förderstrom V_F beträgt: $${\text{V}}_{\text{F}}=4\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\frac{1}{4}\right){\text{ 5 V}}_{\text{f}}=\mathrm{12,5}{\text{ V}}_{\text{f}}$$

  
• Bei 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, ist der Querschnitt A_1S+ A_2S ≈ ¼ der Ringfläche zwischen D_H und d_H. $${\text{V}}_{\text{F}}=\mathrm{12,5}{\mathrm{\lambda }}_{\text{L}}\mathrm{\alpha }\frac{\mathrm{\pi }\left[{\text{D}}^2-\left(\mathrm{0,62}{\text{D}}^2\right)\right]}{4\cdot 4}\mathrm{1,5}{\text{D}}_{\text{H}}\frac{\text{n}}{60}$$

  
• Hier ist n, min^-1, die höchste Drehzahl des Hauptläufers.
• Bei Annahme, dass λ_L = 0,83 und α = 1 ist, wird der Durchmesser des Hauptläufers $${\text{D}}_{\text{H}}=\mathrm{3,173}\sqrt[3]{\frac{{\text{V}}_{\text{F}}}{\text{n}}}$$

  
• Diese Gleichungen gelten sowohl für den Raum der Verdichterstufe als auch für den gemeinsamen Expansionsraum. Die Umrechnung der Länge der Stufen auf einen gemeinsamer Durchmesser erfolgt mit den Gleichungen (4), (5) wie folgt. $${\text{L}}_{\text{V}}=\mathrm{47,92}\frac{{\text{V}}_{\text{F}}}{{\text{D}}^{\text{2}}\text{n}}$$

  
• V_F ist bei der Verdichterstufe die Menge der eingesaugten Luft bei atmosphärischem Druck V_V und bei dem gesamten Expansionsraum die Menge des Mediums beim Auspuffdruck im Abgassystem V_E.
• Weitere thermodynamische Betrachtungen der Arbeitsprozesse 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. Der Berechnungsvorgang, die Analyse der resultierenden Daten und die Auswahl der besten Ausführungsvariante werden mit einem Berechnungsbeispiel ausführlich in dem Gebrauchsmuster 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 beliebiger Varianten der Drehkolbenkraftmaschine, darunter Abmessungen, Temperaturfelder, Wirkungsgrade und Verbrauch, Abwärme, etc.
• Da der für vollständige Ausdehnung des Gases benötigte Expansionsraum fast zweimal den Verdichterraum übersteigt, ist es sinnvoll, den gesamten Expansionsraum auf zwei Expansionsstufen zu verteilen: auf eine größere Expansionsstufe (18) und eine kleinere Entspannungsstufe (15). Das ermöglicht, eine zusätzliche Stützwand für die Lagerung der Läuferwellen zwischen den Stufen zu errichten, nämlich Stirnwand (16), und dadurch die Arbeitsbedingungen zu verbessern.
• Außerdem kann man in der Expansionsstufe (18), die bei sehr hohen thermischen Belastungen arbeiten muss, das Kaltspiel der Läufer ε / D beträchtlich vergrößern, um den Kontakt eines Läufers infolge von Wärmeausdehnung der Läufer zu vermeiden. In der Entspannungsstufe (15) dagegen kann man strengere Anforderungen an die Qualität der Abdichtung anlegen, sogar vielleicht Wassereinspritzung einsetzen, denn nach der Ausdehnung in der Expansionsstufe (18) und Abkühlung durch die Kühlsysteme der Schraubenmaschine (s. dafür weitere Erläuterungen) ist das Arbeitsgas hier schon auf niedrigerer Temperatur.
• In Bild 2 ist die Konfiguration des vorderen Teils mit den Einheiten (1), (3), (4), (8) dargestellt. Bei der Ausbildung der Druckseite der Verdichterstufe (8) könnte man von drei Varianten ausgehen: Bei der in Bild 3 dargestellten Variante sind fest eingebaute Drucksteuerkanten (51) (s. Bild 2) an der druckseitigen Stirnwand (11) ähnlich ausgebildet wie eine Saugkante (52) bei einer Saugseite und haben keine Sperrscheiben. Sie münden unmittelbar in den Druckluftraum (49).
• Eine Volumenverkleinerung und damit Verdichtung innerhalb der Maschine finden nicht statt. Das heißt, die Verdichtung der angesaugten Luft erfolgt nicht. Maßgebend ist hier der Netzdruck (Leitungsdruck) - der laufende Arbeitsdruck der Schraubenkraftmaschine. Der Netzdruck schließt sich dem Ausschubvorgang unmittelbar an, und die Maschine müsste von Anfang an gegen den vollen Netzdruck arbeiten. Die Mehrarbeit (Arbeitsaufwand und entsprechend Kraftstoffverbrauch) für Luftverdichtung (ohnehin fast gleich der Wellenleistung) ist zweimal höher gegenüber einem idealen Verdichtungsvorgang. Der Vorzug ist die Einfachheit der Konstruktion. Aber der Nachteil ist groß. Das ist die erste Variante.
• Bei einer zweiten Variante mit festeingebauten Steuerkanten und stabiler Fördercharakteristik wird eingesaugte Luft stetig auf ein konstantes Druckverhältnis komprimiert, unabhängig vom 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, wie auch 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 / höchster Förderdruck = ½). Wenn der Netzdruck die gleiche Höhe hat, schließt sich der Ausschubvorgang unmittelbar an. Weiter muss die Maschine gegen Drücke arbeiten.
• Entspricht also der Arbeitsdruck dem eingebauten Druckverhältnis nicht, so findet nach Erreichen der Auslasssteuerkanten entweder eine Expansion auf den niedrigen Netzdruck mit anschließendem Ausschieben bei diesem Druck (mit der Balance: Mehrarbeit für die unnötige Verdichtung + Ausschiebearbeit - Expansionsarbeit) oder eine Volldruckverdichtung auf den höher liegenden Netzdruck mit ebenfalls anschließendem Ausschieben gegen höherliegenden Netzdruck statt.
• 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 sich dem idealen Verdichtungsvorgang zu nähern, braucht man eine Steuerung der Druckkanten des Verdichters. Ein Beispiel der konstruktiven Ausführung der Steuereinrichtungen (6) mit Sperrscheiben (50) bei den Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) ist in Bild 2 zu sehen. Mit Drehen der Sperrscheiben (50) werden die Drucksteuerkanten (51) verändert und der Ausschiebedruck nach einem Netzdruck reguliert. Dabei wird eine Verschiebung von Kolben (54) unter der Netzdruckwirkung durch eine Feder (55) austariert. Die Sperrscheiben (50) sind leichtbeweglich, denn sie schweben im Druckluftraum (49) frei. Aus dem Druckluftraum (49) fließt komprimierte Luft in fünf Richtungen zum Vorderende aller fünf Läuferwellen und gelangt durch Kanäle in den Wellen und durch die Lufteintrittsöffnungen (44) und die Luftzufuhrleitungen (45) in die Brennkammer (24). Unterwegs kühlt die Speiseluft die Läufer von innen und überträgt die Abwärme in die Brennkammer (24). Erhaltung der Wärme trägt zur Effizienz der Kraftmaschine als Wärmemaschine bei. Die Wirkungsgrade lassen sich dadurch steigern.
• Der Kraftrichtung des Netzdrucks wirkt der Gasdruck an den Läufern entgegen. Damit sind axial wirkende Kräfte auf die Lager durch den Netzdruck weitestgehend kompensiert, und die Axiallagerung ist unproblematisch.
• Auf Bild 1 und 7 sind die Brennkammer (24) und das Brennrohr (22, 25) dargestellt. Die Brennkammer (24) ist fest mit dem Einlassrohr (38) verbunden und wie das Brennrohr (22, 25) auf der Stirnwand (19) fixiert. Das Einlassrohr (38) ist mit flüssigem Kühlmittel, das von einem Zufuhrkollektor (40) eintritt, gekühlt. Nach Kühlung des Brennrohrs wird das Kühlmittel durch Kanäle (33) in einen Abflusskollektor (48) abgeführt. Durch das Einlassrohr (38) sind elektrische Leitungen sowie Kraftstoff- und Druckluftleitungen verlegt.
• Die Brennkammer (24) ist wie bei Gasturbinen ausgelegt. Sie gewährleistet eine ordentliche Zerstäubung, Zündung und vollständige Verbrennung des Kraftstoffes mit geringer Erzeugung an Schadstoffen.
• Das Brennrohr (22, 25) ist mit Montagebedingungen zweiteilig ausgebildet. Ein vorderer Teil (22) ist mit Bolzen auf der Stirnwand (19) montiert und mit einem hinteren Teil (25) fest verbunden. Er hat die Lufteintrittsöffnungen (44) für komprimierte Luft, die durch den Hauptläufer (7) einfließt, wie auch die Luftzufuhrleitungen (45) für die Luft, die durch die Nebenläufer (43) und Verbindungsflansche der beiden Brennrohrteile (22, 25) zugestellt wird. Der zweite Teil des Brennrohrs ist mit der Auslassdruckklappe (32), der Rückkopplungseinrichtung mit der Dehnbüchse (29) und Gasleitungen (30) ausgestattet sowie mit flüssigem Kühlmittel gekühlt. Dafür hat er auch Einlass- und Auslassstutzen und Kanäle für Kühlmittel.
• Die Dehnbüchse (29) ist mit dem Auspuffraum durch eine Gasleitung (30) verbunden. Der Gasdruckraum der Brennkammer (22, 25) ist von dem Gehäuseraum durch eine Labyrinthdichtung (31) um einen Verbindungsstock von der Auslassdruckklappe (32) zur Dehnbüchse (29) abgedichtet.
• Der Arbeitsprozess in der Brennkammer ist ein Diesel-Prozess (einfacher Joule-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 rückkopplungsgesteuerte Auslassdruckklappe (32) im hinteren Teil (25) des Brennrohrs und vier Gasleitungen (23) zu den Saugkanten (52) der Expansionsstufe (18). Dabei korrigiert der Gasdruck aus dem 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 dem konstanten Druck des Diesel-Prozesses. Nachdem der Gaseintritt unterbrochen worden ist, verrichtet das eingelassene Gas dann die Entspannungsarbeit bis zum Ausstoß des Gases in die Entspannungsstufe (15). Dort wird die endgültige Ausdehnungsarbeit verrichtet. Grundsätzlich ist Gasgeben für die Steuerung der Leistung maßgebend. Dabei ermöglicht es gerade die Rückkopplungseinrichtung, eine beinahe vollständige Ausdehnungsarbeit des Gases zu beizubehalten und die Kraftstoffzufuhr (den Verbrauch) dem Leistungsbedarf anzupassen und dadurch effizient zu regeln.
• Eine Drehkolbenkraftmaschine ist nach ihrer Art und Arbeitsweise eine Maschine mit hohem Wert des Leistungsvolumens K_L. Sie hat mit Verbrennungsgasen mit hohen Temperaturen und Drucken zu tun. Im Betrieb entstehen durch die heftigen Steuerungen und durch die äußeren Einwirkungen Übergangsprozesse von einem schon eingerichteten Diesel-Prozess zum anderen. Die ohnehin hohe Druck- und Temperaturbelastung könnte dadurch weiter erhöht werden.
• Die Gefahr des Ausbruchs von Druck und Temperatur entsteht zum Beispiel bei starkem Gasgeben für eine Beschleunigung. Unter erhöhter Treibstoffzufuhr (und Präsenz von Luftüberfluss λ) erhöhen sich Temperatur und Druck des Gases. Der Diesel-Prozess stellt sich auf eine größere Ausgabe des Gases aus dem Brennraum ein, die Drehzahlen n und damit die Leistung P_W wachsen.
• Eine weitere Ursache für Druck- und Temperaturerhöhung stellt eine Erhöhung der Gegendrehmomente M_W auf der Leistungswelle (47) dar (etwa durch äußere Einwirkung). Der schon in der Brennkammer (24) eingerichtete 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 der Verdichtungsstufe (8). Es folgen die Druck- und Temperaturerhöhung. Damit richtet sich ein Diesel-Prozess auf einer neuen erhöhten Druck-Temperatur-Ebene ein, um das Gegendrehmoment M_W zu bezwingen. Wenn gleichzeitig eine erhöhte Kraftstoffzufuhr präsent ist, steigen die Drehzahlen n, Luftzufuhr und Leistung P_W (um so mehr bei Präsenz des erhöhten Drucks des Diesel-Prozesses).
• Folglich ist der Übergang zur größeren Leistung sowohl mit Erhöhung der Drehzahlen n als auch mit Erhöhung des Drehmomentes M_W, oder unter Wirkung beider Faktoren möglich, denn es ist die Leistung auf der Welle P_W = 2π n M_W. Dabei ist der Druck des Diesel-Prozesses für die Drehmomenterhöhung verantwortlich.
• Somit kann bei erhöhten Temperaturen und Drucken in der Brennkammer (24), besonders bei Arbeit der Maschine mit Maximalleistung, die Belastung an der Grenze der Festigkeit sogar der wärmebeständigen Materialien liegen, wodurch Gefahr der Hitzeverzerrung und des Leistungsverlustes besteht.
• Zur Bekämpfung der hohen Temperaturbelastungen und Sicherstellung von Beschleunigungsprozessen ist die Kraftmaschine so ausgelegt, dass im Brennraum ständig Luftüberfluss mit λ = m_L/m_B L_min ≥ 2 (Verhältnis der Luftmasse, die die Verdichterstufe stellt, zu der Minimalmasse, die benötigt wird für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs) herrscht. Der Luftüberfluss ist sowohl für Übergänge zu anderen erhöhten Diesel-Prozessen als auch zum Erhalten des Läufers und Einlassrohrs nötig.
• Abschließend sind auf Bild 1 die Leistungswelle (47) mit der Lagerung im Kegelrollenlager (28) wie auch das Leistungswellengetriebe (26) vereinfacht dargestellt. Alle Einheiten der Schraubenkraftmaschine sind mit schnell zerlegbaren Kopplungen miteinander verbunden und auf einen Rahmen (35) montiert.
• Die Abkühlung mit flüssigem Mittel ist bei der Kühlung aller Gleitlager (5) und Wellenzapfen, des Einlassrohrs (38), beider Teile des Brennrohrs (22, 25) und des Gehäuses eingesetzt. Flüssigkeit fließt aus dem äußeren Zufuhrkollektor (40) durch die Röhren und Kühlkanäle im Gehäuse, durch 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. Zur Abdichtung bei den Gleitlagern (5) verwendet man Kohleringabdichtungen (hier nicht gezeigt). Zur Abdichtung der Kühlräume des Gehäuses gegenüber den Arbeitsräumen der Maschine sind entsprechend den Wärmebedingungen hitzebeständige Hülsen (34) allerorts angewendet.
• Die Auslegung des Flüssigkeitskühlsystems (sowohl die Verteilung und Durchgangsquerschnitte der Kanäle als auch die Förderströme der Kühlmittel) muss auf der einen Seite dem Bedarf an Kühleffizienz bei verschiedenen Werten der Leistung entsprechen und auf der anderen Seite die Effizienz der Kraftmaschine als Wärmemaschine möglich wenig beeinträchtigen. Denn unnötige Abfuhr der Wärme bedeutet eine Senkung des Wirkungsgrads und einen erhöhten 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

Hintereinheit

22

vorderes Teil des Brennrohrs

23

Gasleitung

24

Brennkammer

25

hinteres Teil des Brennrohrs

26

Leistungswellengetriebe

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

Elektro-, Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen

40

Zufuhrkollektor

41

Kugelrollenlager

42

Nebenläuferwelle

43

Nebenläufer

44

Lufteintrittsöffnung

45

Luftzufuhrleitung

46

Kugellager

47

Leistungswelle

48

Abflusskollektor

49

Druckluftraum

50

Sperrscheiben

51

Drucksteuerkante

52

Saugkante

53

Drucksteuerkante

54

Kolben

55

Feder

Claims (3)

1. Schraubenkraftmaschine mit einer Verdichterstufe (8), einer Expansionsstufe (18), einer Brennkammer (24) und einem Synchronisierungsgetriebe (12), wobei die Verdichterstufe (8) und die Expansionsstufe (18) im wesentlichen identisch aufgebaut sind und jeweils aus zu zweien miteinander in Zahnverbindung stehenden, Schraubenzähne aufweisenden Läufern (7, 43) bestehen, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und mit Wellenzapfen in Gleit- (5) und Kugelrollenlagern (2, 41) gelagert und mit dem Synchronisierungsgetriebe (12) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenkraftmaschine vier Nebenläufer (43) hat, die mit einem Hauptläufer (7) mit seinen Schraubenzähnen verbunden und in dem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, und aus der Verdichterstufe (8), der Expansionsstufe (18) und einer Entspannungsstufe (15), der Brennkammer (24), einem zweiteilig (22, 25) gebauten Brennrohr und einem Einlassrohr (38) mit Elektro-, Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) sowie einem Leistungswellengetriebe (26) und einer Leistungswelle (47) besteht, wobei eine Anordnung der Stufen (8, 15, 18) miteinander und zur Brennkammer (24) dem Grundsatz unterstellt ist, dass von der Verdichterstufe (8) eingesaugte und komprimierte Luft vor Eintreffen in die Brennkammer (24) durch hohle axiale Innenräume aller Läufer (7, 43) fließt, die Läufer (7, 43) dabei kühlt und Abwärme zurück in die Brennkammer (24) überträgt, wobei bei Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) eine Steuereinrichtung (6) zur Drucksteuerung nach Arbeitsdruck in der Brennkammer (24), ein gemeinsamer Druckluftraum (49) und Luftleitungen zu vorderen Enden aller Läufer (7, 43) eingerichtet sind, wobei alle Läufer (7, 43) hohle axiale Innenleitungen durch eine ganze Länge zur Luftüberführung zur Brennkammer (24) und zugleich zur Kühlung des Läufers (7, 43) aufweisen, wobei das Einlassrohr (38) mit flüssigem Kühlmittel und Elektro-, Kraftstoff- und Anlasslüftleitungen (39) durch den hohlen Hauptläufer (7) verlegt ist und in die Brennkammer (24) mündet, wobei die Brennkammer (24) fest in dem zweiteiligen Brennrohr (22, 25) eingebaut ist und Einrichtungen für vollständige Verbrennung von Kraftstoff hat, wobei das zweiteilige Brennrohr (22, 25) Lufteintrittsöffnungen (44) und Luftzufuhrleitungen (45) für komprimierte Luft, einen Druckgasraum und vier Gasleitungen (23) sowie eine mit einer Dehnbüchse (29) verbundene Auslassdruckklappe (32) als Element einer Rückkopplungseinrichtung zu einem Auspuffraum aufweist und fest an einer Stirnwand (19) der Expansionsstufe (18) angebaut ist, wobei die Expansionsstufe (18) ein vergrößertes, in bezug auf ein für Schraubenpaare übliches Kaltspiel der Läufer (7, 43) miteinander und zum Gehäuse zum Auschluss von Kontakt bei Wärmeausdehnung aufweist, wobei die Entspannungsstufe (15) wie eine Verlängerung der Expansionsstufe (18) dient und strengere Auflagen für das Kaltspiel der Läufer (7, 43) aufweist, indem sie eine zusätzliche Stirnwand (16) zur Lagerung von Läuferwellen anordnen lässt, und wobei ein Flüssigkeitskühlsystem zur Kühlung von Gleitlagern (5), des Einlassrohrs (38), Brennrohrs (22, 25) und Gehäuses angewendet ist, indem eine Kühlleistung des Flüssigkeitskühlsystems mit einer Leistung der Schraubenkraftmaschine abgestimmt ist.
2. Schraubenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Steuereinrichtungen (6) sowohl mit jeweils zwei Sperrscheiben (50) bei den Drucksteuerkanten (51) der Verdichterstufe (8) als auch mit Lenkungseinrichtungen mit Kolben (54) und Federn (55) ausgestattet sind, wobei mit Drehen der Sperrscheiben (50) unter Wirkung der Lenkungseinrichtungen die Drucksteuerkanten (51) verändert werden und ein Ausschiebedruck nach einem Netzdruck reguliert wird, wobei eine Verschiebung der Kolben (54) unter Wirkung des Netzdrucks durch die Federn (55) austariert wird.
3. Schraubenkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungseinrichtung eine Gasleitung (30) vom Auspuffraum zur Dehnbüchse (29) sowie eine Labyrinthdichtung (31) um einen Verbindungsstock von der Auslassdruckklappe (32) zur Dehnbüchse (29) aufweist.

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