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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von in einem Fluid enthaltener Energie mit einem Gehäuse, das einen Arbeitsraum, eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweist, wenigstens zwei im Gehäuse drehbar gelagerten Rotoren, die jeweils wenigstens zwei Flügel aufweisen, wobei die Drehachsen der Rotoren achsparallel zueinander angeordnet sind, und wobei die Rotoren gegenläufig und mit gleicher Drehzahl betreibbar sind. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung einer derartigen Vorrichtung als Turbine.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen mit einem Gehäuse, das einen Arbeitsraum, eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweist, mit wenigstens zwei im Gehäuse drehbar gelagerten Rotoren, die jeweils wenigstens zwei Flügel aufweisen, wobei die Drehachsen der Rotoren achsparallel zueinander angeordnet sind, und wobei die Rotoren gegenläufig und mit gleicher Drehzahl betreibbar sind, bekannt. Derartige Vorrichtungen werden üblicherweise als Pumpen zur Förderung von Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt und sind auch unter den Bezeichnungen „Drehkolbenpumpe” oder „Drehkolbengebläse” bekannt. Eine typische Drehkolbenmaschine ist beispielsweise aus der
DE 100 37 966 C1 bekannt.
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Bekannte Drehkolbenmaschinen eignen sich üblicherweise gut zur Förderung von Gasen oder Flüssigkeiten. Hierzu werden Drehkolbenmaschinen häufig von einem Motor angetrieben. Sie nehmen also Energie auf bzw. „verbrauchen” Energie. Vorteile von Drehkolbenmaschinen sind beispielsweise ihre hohe Fördermenge und – im Gegensatz zu Hubkolbenmaschinen – ihr vibrationsarmer Betrieb. Nachteilig an Drehkolbenmaschinen ist jedoch, dass sie regelmäßig nur eine sehr geringe Druckdifferenz zwischen Fluideintritt und Fluidaustritt erreichen können. Als Folge der geringen Druckdifferenzen entstehen in Drehkolbenmaschinen regelmäßig auch keine hohen Temperaturdifferenzen. Drehkolbenmaschinen eignen sich daher zwar zur Förderung von Fluiden, jedoch weniger zur Kompression bzw. Dekompression von Fluiden.
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Ebenso wenig eignen sich bekannte Drehkolbenmaschinen als Strömungsmaschinen, die nicht zur Förderung von Fluiden eingesetzt werden, sondern die einem strömenden Fluid Energie entziehen sollen, um sie in mechanische und/oder elektrische Energie umzuwandeln. Mit anderen Worten werden Drehkolbenmaschinen bisher zwar als Energie aufnehmende Pumpe, nicht jedoch als Energie abgebende Turbine eingesetzt. Dies liegt vor allem daran, dass beim Betrieb von Turbinen aus thermodynamischen Gründen eine hohe Temperatur- und/oder Druckdifferenz zwischen Eintritt und Austritt erforderlich ist, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Wie bereits zuvor erwähnt, sind bekannte Drehkolbenmaschinen jedoch gerade nicht auf hohe Druck- und Temperaturunterschiede ausgelegt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene und zuvor näher dargestellte Vorrichtung derart auszugestalten und weiterzubilden, dass sie sich als Strömungsmaschine zur Energiegewinnung, insbesondere als Turbine, eignet.
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Bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Rotoren derart in dem Gehäuse gelagert sind, dass an den Stirnflächen der Flügel der Rotoren ein Axialspiel von wenigstens 0,01 mm, insbesondere von wenigstens 0,05 mm, eingehalten wird.
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Allgemein wird in Drehkolbenmaschinen zur Förderung von Fluiden ein äußerst geringes Spiel zwischen den Flügeln der Rotoren und dem Gehäuse angestrebt, um einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad und eine hohe spezifische Liefermenge (Nm3 je kWh) zu erzielen. Die geringen Freiräume haben jedoch den Nachteil, dass es bei einer thermischen Ausdehnung des Rotors zu einem Schleifen und sogar Blockieren des Rotors kommen kann. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass die Rotoren derart in dem Gehäuse gelagert sind, dass an den Stirnflächen der Flügel der Rotoren ein Axialspiel von wenigstens 0,01 mm, insbesondere von wenigstens 0,05 mm, eingehalten wird. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Axialspiel im Bereich zwischen 0,01 mm und 0,5 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,2 mm herausgestellt. Um ein derartiges Axialspiel zu erreichen, kann es erforderlich sein, die Flügel der Rotoren entsprechend zu kürzen. Das Axialspiel kann je nach Art der Lagerung lediglich einseitig vorhanden sein oder sich etwa gleichmäßig auf beide Stirnflächen verteilen. Als Axialspiel wird der geringste Freiraum in axialer Richtung zwischen der Stirnfläche des Flügels und dem Gehäusestirnteil bezeichnet. Durch diesen erfindungsgemäß recht großen axialen Freiraum an den Stirnflächen der Flügel wird erreicht, dass die Rotoren auch bei sehr starker thermisch bedingter Ausdehnung nicht am Gehäuse schleifen und auch nicht blockieren. Eine erfindungsgemäß angepasste Vorrichtung kann daher auch große Druck- und/oder Temperaturdifferenzen bewältigen und ist daher überraschender Weise sogar als Turbine einsetzbar.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotoren derart in dem Gehäuse gelagert sind, dass zwischen den Flügeln der Rotoren und der Innenwand des Arbeitsraumes ein Radialspiel von wenigstens 0,01 mm, insbesondere von wenigstens 0,05 mm, eingehalten wird. Wie bereits zuvor für das Axialspiel beschrieben wurde, hat auch ein erhöhtes Radialspiel den Vorteil, dass der Rotor sich bei hohen Temperaturen ausdehnen kann, ohne am Gehäuse zu schleifen oder zu blockieren. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Radialspiel im Bereich zwischen 0,01 mm und 0,2 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,1 mm herausgestellt. Als Radialspiel wird der geringste Freiraum zwischen dem Rotor und der Innenwand des Arbeitsraumes in radialer Richtung bezeichnet. Dies kann der Abstand zwischen dem Flügel und der Innenwand oder – wenn die Flügel Dichtleisten aufweisen – der Abstand zwischen den Dichtleisten und der Innenwand sein.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die beiden Rotoren durch Zahnräder, insbesondere durch Stirnräder mit Geradeverzahnung, synchronisiert sind. Die Synchronisation durch Stirnräder hat den Vorteil, dass ein sehr präziser Gleichlauf der Rotoren erreichbar ist, wodurch die Flügel der Rotoren sehr exakt ineinander greifen können. Zudem wird durch Zahnräder automatische eine Drehrichtungsumkehr erreicht. Durch die Geradeverzahnung werden Axialkräfte vermieden, so dass beispielsweise auch der Einsatz von Zylinderrollenlagern zur Lagerung der Rotoren möglich ist. Bevorzugt sind die Zahnräder aus einem hochwertigen Metall hergestellt, dass bei etwa 180°C bis 250°C angelassen wurde. Dies erhöht die Temperaturfestigkeit der Zahnräder und verbessert die Eignung der Vorrichtung für große Druck- und/oder Temperaturdifferenzen, wie sie beim Einsatz als Turbine auftreten. Die Zahnräder können beispielsweise aus dem Material 18CrNiMo7-6 hergestellt sein, einsatzgehärtet sein und eine geschliffene Verzahnung aufweisen. Diese Legierung kann bevorzugt bei etwa 230° angelassen werden und weist eine Härte von etwa 55 HRC auf. Sie hat sich bei Einsatztemperaturen bis zu 210°C bewährt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zahnräder mit einem Drehmoment von 75 Nm bis 90 Nm, insbesondere von 80 Nm bis 85 Nm, angezogen sind. Durch das hohe Anzugsmoment werden die Zahnräder besonders fest mit den Rotoren verbunden. Auch dies verbessert die Eignung der Vorrichtung für besonders hohe Belastungen wie sie beim Betrieb als Turbine auftreten können. Als vorteilhaft hat sich der Einsatz von hochfesten Schrauben der Festigkeitsklasse 12.9 (Nennzugfestigkeit von 1200 N/mm2) zur Befestigung der Zahnräder erwiesen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse mehrteilig ausgebildet ist und eine Trennebene oder einen Gehäuseflansch aufweist, und dass die Teile des Gehäuses im Bereich der Trennebene oder des Gehäuseflansches miteinander verschraubt und/oder verklebt sind. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse durch eine dünne Flachdichtung abgedichtet sein. Bei der geometrischen Gestaltung der Flachdichtung ist darauf zu achten, dass die Schraubenkräfte und die zugehörigen Drehmomente klein bleiben. Eine Vorrichtung mit einem mehrteiligen Gehäuse kann besonders einfach montiert und demontiert werden, da der Zugriff in das Innere des Gehäuses erleichtert ist. Durch eine Verschraubung kann eine besonders zuverlässige Verbindung zwischen den Gehäuseteilen erreicht werden. Zusätzlich können die Gehäuseteile verklebt werden, wodurch neben einer weiteren Verbesserung der Verbindung auch eine bessere Abdichtung der Trennstelle erreicht werden kann. Als geeignet haben sich Schrauben aus dem Material ADW7 X49CrMoV12-1 für die höheren Betriebsdrücke erwiesen (Nennzugfestigkeit Rm von 800 bis 950 N/mm2).
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Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse mehrere Ölräume aufweist. Hierzu wird weiter vorgeschlagen, dass zwischen dem Arbeitsraum und den Ölräumen Dichtungen angeordnet sind. Ölräume dienen der Aufnahme von Mitteln zur Schmierung der Lager sowie der Zahnräder wie beispielsweise Öl. Durch Dichtungen kann eine Trennung zwischen dem Arbeitsraum und den Ölräumen erreicht werden, so dass das durch die Vorrichtung strömende Fluid nicht mit dem Schmiermittel in Kontakt kommt und frei von Verunreinigungen bleiben kann. Bei den Dichtungen kann es sich um Radialwellendichtringe mit integrierten Labyrinthöffnungen handeln. Der Radialwellendichtring kann in ein Dichtringgehäuse eingesetzt sein. Zudem können Laufbuchsen vorgesehen sein.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse ein Schauglas, insbesondere ein Schauglas aus Borosilikatglas, aufweist. Durch ein Schauglas kann der Ölstand im Gehäuse, insbesondere in den Ölräumen des Gehäuses, bequem kontrolliert werden, ohne dass hierzu das gesamte Gehäuse geöffnet werden muss. Borosilikatglas zeichnet sich durch seine hohe Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit aus.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen Ölbefüllstutzen mit einer Entlüftungsschraube aufweist. Durch einen Ölbefüllstutzen sowie eine Entlüftungsschraube kann das Gehäuse in einfacher Weise mit Öl befüllt und entlüftet werden, ohne dass hierzu das gesamte Gehäuse geöffnet werden muss.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, dass das Gehäuse eine Öffnung zur Durchführung einer Antriebswelle aufweist. Hierzu wird weiter vorgeschlagen, dass die Öffnung durch eine Dichtung, insbesondere eine abgedichtet ist. Durch die Öffnung wird eine Schnittstelle zur Leistungsübertragung, etwa durch eine Antriebswelle, zwischen der Vorrichtung und einem Motor oder Generator bereitgestellt. Durch eine Dichtung kann das Austreten von Schmiermittel und das Eintreten von Verunreinigungen verhindert werden. Bei der Dichtung kann es sich um einen Radialwellendichtring handeln. Der Radialwellendichtring kann mit einem Haltering an das Gehäuse angebunden sein. Zur Abfuhr der Wrasen aus dem Wellenzwischenraum kann ein Anschluss für einen Drainageschlauch vorgesehen sein.
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Die zuvor beschriebene Vorrichtung sowie ihre vorteilhaften Weiterbildungen sind besonders dazu geeignet, als Turbine und insbesondere zum Antrieb eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet zu werden. Aufgrund der zuvor detailliert beschriebenen strukturellen Merkmale der Vorrichtung eignet sie sich für hohe Druck- und Temperaturdifferenzen und somit für einen Einsatz als Turbine. Idealerweise wird die mechanische Energie der drehenden Rotoren durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Beispielhaft kann die Vorrichtung zur Energiegewinnung bei Dampf- oder Gasnetzen eingesetzt werden, da derartige Netze meist ohnehin unterschiedliche Druckstufen aufweisen und daher an einigen Stellen eine Reduzierung des Druckes erfolgen muss. An genau diesen Stellen kann das Fluid durch die zuvor beschriebene Vorrichtung geleitet werden und die vorgenommene Absenkung des Druckes zur Energiegewinnung genutzt werden. Dementsprechend kann die Vorrichtung als Entspannungsvorrichtung betrieben werden, welche dazu eingerichtet sind, einen Druck eines in die Eintrittöffnung der zuvor beschriebenen Vorrichtung einströmenden Fluids, welches beispielsweise ein gasförmiges Arbeitsmittels darstellen kann, zu reduzieren und hierbei zumindest einen Teil der bei der Druckreduzierung freigesetzten Energie durch Entspannung des Fluids in mechanische Energie umzuwandeln.
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Bei dieser Verwendung kann als Arbeitsmedium sowohl Wasser (insbesondere in Gestalt von Wasserdampf), als auch organische Medien eingesetzt werden. Beim Einsatz von Wasser als Medium haben sich Druckdifferenzen von bis zu 8 bar und Temperaturen von etwa 200°C als geeignet erwiesen. Bei organischen Medien wurden mit Druckdifferenzen von bis zu 5 bar und Temperaturen von etwa 160°C gute Ergebnisse erzielt. Der Einsatz von organischen Medien kann beispielsweise im Rahmen von OCR-Prozessen („Organic Rankine Cycle”) erfolgen.
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Die zuvor beschriebene Vorrichtung kann beispielsweise als Drehkolbenmaschine zur Entspannung des Fluids verwendet werden, wobei sich die Drehkolbenmaschine, welche auch als Wälzkolbengebläse oder Rootsgebläse bezeichnet werden kann, nach dem Prinzip der äußeren Verdichtung arbeitet, so dass das Fluid keine Entspannung durch Volumenänderung in der geschlossenen Arbeitskammer der Drehkolbenmaschine erfährt, sondern gegen den Anlagengegendruck ausgeschoben wird. Die Entspannung des Arbeitsmittels erfolgt daher beim Drehkolbengebläse beispielsweise durch den Austritt des Fluids an der Austrittsöffnung der Vorrichtung.
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Die zuvor beschriebene Vorrichtung und ihre vorteilhaften Weiterbildungen können bei hohen Druckdifferenzen eingesetzt werden. Zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung der Vorrichtung kann eine Druckdifferenz von wenigstens 5 bar, insbesondere von wenigstens 10 bar vorhanden sein. Auch bei Druckdifferenzen von 15 bar hat die beschriebene Vorrichtung zuverlässig gearbeitet.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht die Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung in einem der folgenden Netze vor: Dampfnetz, Kohlensäurenetz, Druckluftnetz, und Erdgasnetz.
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Dementsprechend kann das Fluid beispielsweise Wasserdampf, Kohlensäure, Druckluft oder Erdgas darstellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung von in einem Fluid enthaltener Energie in einer perspektivischen Ansicht,
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2 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus 1 in geschnitten Darstellung entlang der in 1 eingezeichneten Schnittebene II-II, und
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3 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwandlung von in einem Fluid enthaltener Energie.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Umwandlung von in einem Fluid enthaltener Energie in einer perspektivischen Ansicht. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 2 auf, von dem in 1 nur eine Hälfte dargestellt ist. Das Gehäuse 2 kann entlang einer vertikal verlaufenden Trennebene 3 in zwei Teile geteilt werden. Die Trennebene 3 weist mehrere Durchgangslöcher 4 auf, über die die beiden Hälften des Gehäuses 2 – etwa durch Schrauben – miteinander verbunden werden können. Zusätzlich können die beiden Teile des Gehäuses 2 miteinander verklebt werden, um die Dichtigkeit des Gehäuses 2 im Bereich der Trennebene 3 zu erhöhen. Das Gehäuse 2 weist an seiner Oberseite eine Eintrittsöffnung 5 und an seiner Unterseite eine Austrittsöffnung 6 (in 1 verdeckt) zum Ein- bzw. Ausströmen eines Fluids auf. Im seinem Inneren weist das Gehäuse 2 einen Arbeitsraum 7 auf, der im Querschnitt die Form von zwei sich überlagernden Kreisen hat. In dem Arbeitsraum 7 sind zwei Rotoren 8 angeordnet, deren Drehachsen 9 achsparallel zueinander verlaufen. Jeder der in 1 dargestellten und insoweit bevorzugten Rotoren 8 weist drei Flügel 10 auf. Jeder der Flügel 10 ist an seinem radial außen liegenden Bereich mit einer Dichtleiste 11 ausgerüstet. Die Dichtleiste 11 berührt bei einer Rotation der Rotoren 8 die Innenwand des Arbeitsraumes 7 bzw. die Oberfläche des jeweils anderen Rotors 8.
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In 1 ist erkennbar, dass einer der beiden Rotoren 8 an einem seiner Enden eine Antriebswelle 12 aufweist. Die Antriebswelle 12 kann durch eine in 1 nicht dargestellte Öffnung aus dem Gehäuse 2 herausgeführt werden, um dort einen – in 1 nicht dargestellten – Generator anzutreiben. Die Verbindung zu dem Generator kann über eine Nut-Feder-Verbindung erzeugt werden, wozu die Antriebswelle 12 eine Nut 13 aufweist. Die Rotoren 8 weisen an beiden Enden angrenzend an die Flügel 10 zylindrische Bereiche 14 auf. Die Flügel 10 der Rotoren 8 weisen Stirnflächen 15 auf, bei denen es sich um ebene Flächen handelt, die senkrecht zur Drehachse 9 des jeweiligen Rotors 8 verlaufen. Die zylindrischen Bereiche 14 dienen der Lagerung der Rotoren 8 in dem Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 weist zudem einen Öleinfüllstutzen 16 mit einer Entlüftungsschraube 17 sowie ein Schauglas 18 zur Kontrolle des Ölstands auf (nur in 2 dargestellt).
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2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 aus 1 in geschnitten Darstellung entlang der in 1 eingezeichneten Schnittebene II-II. 2 erlaubt also einen Blick von oben in das Gehäuse 2 hinein. Die bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Merkmale der Vorrichtung 1 sind in 2 mit identischen Bezugszeichen versehen. Das Gehäuse 2 ist in. 2 vierteilig ausgebildet und umfasst die beiden an der Trennebene 3 verbundenen Teile 2.1 und 2.2 sowie die beiden stirnseitig montierten Teile 2.3 und 2.4. Beide Rotoren 8 sind nebeneinander in dem Gehäuse 2 gelagert, wobei die Drehachsen 9 der beiden Rotoren 8 achsparallel angeordnet sind. Die Rotoren 8 sind über Lager 19 drehbar in dem Gehäuse 2 gelagert. Die Lager 19 sind auf beiden Seiten der Flügel 10 auf den zylindrischen Bereichen 14 der Rotoren 8 angeordnet und werden am Gehäuse 2 abgestützt. Neben den Lagern 19 sind Dichtungen 20 angeordnet. Durch die Dichtungen 20 entsteht im Gehäuse 2 auf beiden Seiten des Arbeitsraumes 7 ein Ölraum 21, der zur Schmierung der Lager 19 Öl enthält. Die Dichtungen 20 verhindern, dass Öl aus einem der Ölräume 21 in den Arbeitsraum 7 gelangt. Zwischen den Stirnflächen 15 der Rotoren und den unmittelbar benachbarten Bauteilen, in diesem Fall den neben den Dichtungen 20 angeordneten Gehäusestirnseiten, ist ein Axialspiel 22 ausgebildet. In entsprechender Weise ist zwischen den Flügeln 10 der Rotoren 8 und der Innenwand des Arbeitsraums 7 ein Radialspiel 23 ausgebildet.
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Die Antriebswelle 12 des in 2 oben dargestellten Rotors 8 wird durch eine Öffnung 24 aus dem Gehäuse herausgeführt. Im Bereich dieser Öffnung 24 ist eine Dichtung 25 angeordnet, die das Gehäuse 2 gegenüber der drehbar gelagerten Antriebswelle 12 abdichtet. An dem der Antriebswelle 12 gegenüberliegenden Ende weist jeder Rotor 8 ein Zahnrad 26 auf. Die beiden Zahnräder 26 sind identisch gebaut und greifen ineinander, so dass beide Rotoren 8 mit der gleichen Drehzahl und gegenläufiger Drehrichtung betrieben werden. Durch die Zahnräder 26 werden also beide Rotoren 8 synchronisiert.
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3 zeigt schließlich eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Umwandlung von in einem Fluid enthaltener Energie. Auch hier sind Merkmale der Vorrichtung 1, die bereits im Zusammenhang mit 1 und/oder 2 beschrieben wurden, mit identischen Bezugszeichen versehen. Im Betrieb drehen sich die Rotoren 8 der Vorrichtung 1 wie durch die Pfeile in 3 dargestellt. Ein Fluid, also ein Gas, ein Dampf oder eine Flüssigkeit, wird aufgrund eines Druckunterschieds durch die Eintrittsöffnung 5 in das Gehäuse 2 gepresst und versetzt die Rotoren 8 in eine Drehung. Im weiteren Verlauf wird das Fluid zwischen zwei benachbarten Flügeln 10 des Rotors 8 eingeschlossen weiter durch das Gehäuse 2 gepresst. Schließlich wird das Fluid durch die Austrittsöffnung 6 aus dem Gehäuse 2 ausgeschoben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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