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Technischer Hintergrund
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Besteht eine Möglichkeit die wohltuende Mitwirkung der konstruktiven Auslegungen Gattung Drehkolbenkraftmaschinen mit kontinuierlichem Arbeitsprozess auf solch spezifische Technikbereich wie ein Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk für die Mobilitätsindustrie oder Wärme-Kraftwerke, darunter Gas-oder Kernenergieerzeuger auszubreiten. Somit gibt es eine Möglichkeit operativ auf eine Herausforderung der Zeit zu antworten, und zwar ein Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk zu anbieten.
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Die Wissenschaft und Entwicklungszentren bemühen sich, alternative Triebwerke und Fahrzeuge in der Mobilitätsindustrie zu entwickeln, um die ökologischen und ökonomischen Mängel bei ihnen zu reduzieren. Doch nach manchen umstrittenen Versuchen, mit einer Elektrifizierung des Transports alle ökologischen und ökonomischen Probleme zu lösen, sind Experten zur Überzeugung gekommen, dass nur Wasserstoff-Sauerstoff-Technologie endgültigen Erfolg garantiert. Die Ökonomen und Regierungen der technologisch führenden Länder, vor allem der USA und ihres Herausforderers China betreiben prophetisch einen breiten umfassenden Aufbau von Kryo-Wasserstoff-Sauerstoff-Fabriken in der Erwartung der sehr erwarteten und baldmöglichst entwickelten Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerke.
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Die schon vor 2013 vorgeschlagene „Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess‟ nach der
DE 10 2013 016 274 B4 ist fast ohne ökologische und ökonomische Mängel, weil sie ein neuartiges kontinuierliches Arbeitsverfahren hat und für sie verschiedene Arten von Kraftstoff passen, besonders erfolgversprechend Druckerdgas. In der
DE 10 2013 016 274 B4 und
DE 10 2012 011 068 B4 ist deklariert, dass auch Kryo-Wasserstoff-Sauerstoff verwendet werden könne, jedoch ohne Konkretheit. Jetzt kann man einsehen, dass eine konkrete Lösung darin besteht, dass auf die Hauptleitung mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff die für den Kryo-Kraftstoff Wasserstoff nötige Isolierung angewendet sein muss. Ein Kryo-Kraftstoff Sauerstoff, der komplizierte und teure Behandlung erforderte, ist in diesem Fall nicht nötig, denn die Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess hat eine Luft-Kompressionsstufe, also ist mit eingesaugter Luft eigener Sauerstoff anwesend. Ein Vorteil dieser Lösung besteht auch darin, dass die Drehkolbenkraftmaschine ein System der Gastemperatursteuerung hat, welches ermöglicht, eine schnelle Marktreife zu erreichen. Insofern solch ein konkret dargestelltes Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk kraft der Weltkonjunktur jetzt auf den vorderen Plan aufgetreten ist, gewährt die Entwicklung eines Drehkolben-Expanders die baldmöglichste konkrete Lösung.
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Im allgemeinem entsteht ein Konstruktionsschema eines Autotriebwerks mit Kryo-Wasserstoff-Sauerstoff aus einer Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, wenn nur der Drehkolben-Expander und zwei wärmeisolierte zuführende Hauptleitungen und ein Brennkopf für Kryo-Wasserstoff-Sauerstoff vorgesehen werden. Die Kryo-Treibstoffe müssen mittels eines Steuerautomaten zugeführt werden, und zwar mit einem Druck, der den Druck der Arbeitsregime in der Brennkammer (d. h. im Bereich 5-22 at.) übertrifft und zwar in der Proportion, die für die Gestattung einer Verbrennung geeignet ist. Dabei ist es notwendig, einen neutralen Stoff, z.B. kryogenen Stickstoff, als Arbeitskörper in die Kryo-Treibstoffe zu mischen, um eine Überhitzung der Konstruktionsteile abzuwenden. Dabei verwendet der Steuerautomat den neutralen Stoff als Steuerungsmittel, der es ermöglicht, die Temperatur des Brennprozesses zu regulieren. Es entsteht ein System der Gastemperatursteuerung, welches ermöglicht, eine schnelle Marktreife des Drehkolben-Expanders als erwartetes Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk zu erreichen.
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Somit umfasst eine auf Grundlage der „Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess“ gemäß der
DE 10 2013 016 274 B4 und
DE 10 2012 011 068 B4 jetzt speziell für Sauerstoff-Wasserstoff-Kraftstoffe entwickelte Modifikation „Drehkolben-Expander“ nur die Motorstufe von der „Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess“, weil die Luft-Kompressor-Stufe dieser bei Anwendung der Sauerstoff-Wasserstoff-Kraftstoffe nicht gebraucht ist. Mit solchen Ausrüstung ist ein Antrieb selber zwei Mal einfacher und kleiner geworden.
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Es ist notwendig noch einmal zu unterstreichen, dass Sauerstoff-Wasserstoff- Kraftstoffe nicht ein einzelnes Allheilmittel für eine Rückkehr zum ökologisch- ökonomischen Transport sind. Die „Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess“ nach der
DE 10 2013 016 274 B4 und
DE 10 2012 011 068 B4 , die mit allen Arten flüssigen und gasförmigen Kraftstoffs, aber bevorzugt mit Rohrgas arbeiten kann, ist auch fast ganz ein ökologisch-ökonomischer Antrieb. Sein Betrieb ist ökonomisch bedeutend billiger als bei von Sauerstoff-Wasserstoff- Kraftstoffen angetriebenen Antrieben, grundsätzlich dadurch, dass Herstellung, Aufbewahrung und Handhabung der Sauerstoff-Wasserstoff-Kraftstoffe viel teuer sind, als Förderung und Zulieferung des Rohrgases.
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Die jetzt in einer intensiven Entwicklungsphase stehende Technologie der Brennstoffelemente und deren technische Realisation würde viel teuer, als gerade für einen Brennprozess benutzter Sauerstoff-Wasserstoff-Kraftstoff. Dazu treten noch nicht bekannte Schwierigkeiten, die ähnlich wie bei der Entwicklung des elektrischen Antriebes die Ingenieure erwarten könnten. Damit ist die Haupttendenz der Zeit, welche die Richtung des technischen Fortschritts bezeichnet, ein vorteilhafter Verbrennungsmotor mit kontinuierlichem Brennen. Erst danach, ökonomisch gesehen, folgt ein Antrieb mit Sauerstoff-Wasserstoff-Kraftstoffen. Andere annehmbare Lösungen der ökonomischen und ökologischen Probleme des heutigen Tages gibt es nicht.
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Bezüglich der Wärme- und Kernenergiekraftwerke kann man sagen, dass sie sind die meist verbreitenden Stromenergieerzeuger, zwar ökologisch umstritten. Sie existieren sowohl als stationäre Kraftwerke als auch mobilen Energiequelle bei mobilen Industrieobjekten wie Atom-U-Boote, Atomeisbrecher, mobilen Kernkraftwerke und verschiedenen industriellen und militärischen Atomschiffe. Gibt es schon einzelne experimentelle mit Kernenergie bewegten Objekte in dem Luftfahrt- und kosmischen Technik
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In allen diesen Objekten, außer wahrscheinlich aus kosmischen Technik, verwendet man die Dampf- oder Gasturbinen für Umwandlung der Verbrennungs- oder Kernspaltungswärme in die andere Energie-Arten, darunter mechanischen oder Düsentrieb. Gerade in diesen Fällen ist die Verwendung Drehkolben-Expander als Kraftmaschine sehr vorzugversprechend. Der Drehkolben- Expander verspricht ungefähr dreimal größeren effektiven Gütergrad als Dampf-oder Gasturbine (dank Kolbenprozess) sowie ökonomischer Vorteil, bezüglich Preise, Gewichte und Platzanspruche. Es gilt sowohl für Verbrennungs- als auch für Kernkraftwerke. Zum Beispiel bei Kernenergietriebwerk es bedeutet, dass bei vorhandener Kernspaltungswärme eines Kern-Dampferzeugers das Triebwerk erzeugt dreimal größere Düsen-oder Welle-Triebkraft. Oder umgekehrt, als Energiequelle genügt Kern-Dampferzeuger mit dreimal kleineren Leistung (bezüglich Kernspaltungswärme) und damit kleineren ökologischen Schutzansprüchen.
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Damit erhält man Triebwerk auf Basis Kern-Dampferzeuger und Drehkolben-Expander mit mehr ökologischer Verträglichkeit, als herkömmliche für große Bereiche stationären sowie Kernkraftwerke für See- und Unterwasserfahrt. Die Auswahl des Beispiels mit Atom-U-Boot durch viele Begründungen gefallen ist:
- - Die Bedeutung der Objekte der Kernenergie hat Tendenz zum rasanten Wachstum wegen ökologischen und ökonomischen Vorteile und wachsenden Erfahrung und Wissen bezüglich des Strahlung-Schutzproblems.
- - Die Kerndampferzeugung zusammen mit Elektro-Turbogeneration ist die meist verwendete Technologie der Kernkraftwerke.
- - Atom-U-Boot ist typischer Beispiel der autonomen mit Atomenergie beweglichen Objekte.
- - Jede innovative Technologie ist streng geschütztes intellektuelles Eigentum, darum gibt es kaum zugängliche technische Information in öffentlichen Raum.
- - Gibt es die einzelne Publikation mit gemeinen Information, z.B. über russischen Atom-U-Boots Programm, die kann man zusätzlich mit eigenen Vermutungen zu ergänzen. Nichtsdestoweniger die vorhandene Information erlaubt es die Umgebung und die nötigen Verbindungen zu erstellen.
- - Von erfinderischer Seite ist es genug die neue erfinderische Idee verständlich für Fachmann möglich näher zum miteingesetzten Technik auszulegen.
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Interessant ist auch ein Triebwerk mit Kern-Dampferzeuger und Drehkolben-Expander als verträgliche Mittel für ein spezielles Flugzeug für Dauerflug (Reede) im Höhen-Bereich 15-30 km.
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Um die oben genannte Drehkolben-Expander als Ausführungsform der Kraftmaschine zu ermöglichen, benötigt man die folgenden Aufgaben zu lösen:
- Nach Aufgabe 1 ist es notwendig der Drehkolben-Expander, der als Teil der Dreistufigen Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Arbeitsprozess erfunden wurden, als selbständig existierende Maschine auszulegen, die als Kraftmaschine die Funktion eines Wasserstoff-Sauerstoff-Drehkolben-Expanders, oder bzw. einer Dampf- bzw. Gasturbine ausführen können.
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Nach Aufgabe 2 sind in dem als Beispiel erkorenen Bereich der Anwendung die notwendigen Verbindungen des Drehkolben-Expanders mit Wasserstoff-Sauerstoff-Drehkolben-Expander, oder bzw. Kern-Dampferzeuger für Antrieb der Hauptwelle des Atom-U-Boots, zu finden und dadurch entstehende vorteilhafte Möglichkeiten zu konzipieren.
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Offenbarung der Erfindung bezüglich der Aufgabe I.
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Um die Aufgabe 1 zu lösen, braucht man aus Patent
DE 10 2013 016 274 „Dreistufige Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess“ die konstruktive Ausführung der beiden Stufen des Expanders auszusondern, diese Stufen von nicht nötigen für Erfüllung der neuen Aufgaben Vorrichtungen befreien und mit neuen nötigen Vorrichtungen zu ergänzen.
- Auf 1 eine Äußere des Drehkolben-Expanders als selbständiges für Markt vorausgesehenes Erzeugnis dargestellt ist.
- 2 zeigt Längsschnitt durch der Drehkolben-Expander für allgemeine Bestimmung, darunter für Kern-Dampferzeuger.
- 3 - 9 zeigen Elemente, die in die Beschreibung der Aufbau, Wirkungsweise, Betriebsverhalten genannt sind. Dabei alle Elemente erhalten die Nummerierung, die sie in der Bezugszeichenliste des Patents DE 10 2013 016 274 bekommen.
- 4 zeigt das Äußere des Drehkolben-Expanders mit Kryo-Kraftstoffen.
- 5 zeigt den Drehkolben-Expander mit Wasserstoff und Sauerstoff als Kraftstoffe.
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Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Drehkolben-Expanders.
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Vor der Beschreibung der Konstruktion, die auf 2 vorgestellt ist, ist es nötig einen Vorbehalt zu machen, dass hier eine Variante vorgestellt ist, die drei Nebenrotoren vorgesehen, wenn auch die Varianten mit zwei oder vier Nebenrotoren möglich sind. Außerdem die Variante mit vergrößertem Durchmesser der Arbeitskammern bei derselben Verhältnis der Läuferdurchmessers, die hier in der Verhältnis 1:2 zueinander stehen, auch möglich sind. Jede Abweichung von den angenommenen Variante könnte zu einem Vorteil bei einigen Parameter (z. B. bei Leistung) führen, aber dabei es kann zu Nachteilen kommen wie z. B. zu vergrößerten Durchmessern der Lager und Verdichtungen sowie verschlechterten Arbeitsbedingungen bei ihnen, oder vergrößerten Linearen- und Winkelgeschwindigkeiten, Temperaturen, usw.
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Hauptgliederungsteile
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Der Drehkolben-Expander besteht funktionell aus zwei Stufen - Expansionsvorstufe (7) und Expansionsendstufe (46) - sowie aus einem feststehenden Rohr (19), das durch ein Verbindungsrohr (53) unbeweglich auf dem Gehäuse befestigt ist und sich durch beide zwei Stufen erstreckt. Ein Vorder- (1) und ein Rückdeckel (9) mit eingebauten Steuerorganen, Lagern, Getrieben und einer Leistungswelle ergänzen die Gestalt der Drehkolben-Expander.
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Diese vier Einheiten bilden die Hauptgliederungsteile der Drehkolben-Expander. Ein verzweigtes Flüssigkeits- und Luftkühlsystem regulieren das Wärmeregime des Drehkolben-Expanders.
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Rotierende Teile
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Durch beide Stufen erstreckt sich ein Hauptläufer (11) und mit ihm durch äußere längliche Verzahnung (56) (s. 7) gebundene drei Nebenläufer (4) Alle Nebenläufer haben längliche Vorsprünge - Verdrängungskämme (43), die als rotierende Kolben dienen. In jeder Stufe überstreichen die Kolben bei Drehung die von Stirn- und Seitenwänden der Stufen gebildete Arbeitskammer. Der Durchmesser jeder Arbeitskammer ist doppelt so groß wie der Durchmesser des zylindrischen Körpers des Nebenläufers. Der Hauptläufer erhält in jeder Stufe drei längliche Vertiefungen (23), (40), die einen Eingriff der Kämme (43) in den Hauptläufer und eine gemeinsame Drehung des Hauptläufers mit den Nebenläufern ermöglichen. Der Hauptläufer stellt seine Innenräume (42) für die Speicherung des DruckMediums frei (d.h. für die Produkte der Verbrennung der Kraftstoffe in der Brennkammer, oder Druckdampf von einem Kern-Dampferzeuger, der mittels Verbindungsrohr (53) unbeweglich auf dem Gehäuse installiert ist).
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Der Hauptläufer dient auch als Verbindungs- und Synchronisationsstück für die Nebenläufer. Die gemeinsame Drehung der Rotoren und der optimale Dichtkontakt zwischen Hauptläufer und Nebenläufern sind durch das Durchmesserverhältnis 3:1 und eine Übersetzung der länglichen Zahnverbindung des Hauptläufers mit den Nebenläufern von 3:1 erreicht. Dabei rotiert jeder Nebenläufer mit der dreifachen Drehzahl gegenüber dem Hauptläufer. Die längliche äußere Zahnverbindung (56) der Läufer verhindert klebenbleibende Mediumsreste sowie Körner an den Kontaktlinien der Läufer und erübrigt das spezielle gemeinsame Synchronisierungsgetriebe für alle Läufer. Die Wellen beider Läufer sind mit Schlitzkupplungen verbunden.
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Spezifische Profile
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Die Längsvertiefungen (23) im Hauptläufer sowie die Kämme (43) der beiden Stufen weisen spezifische Profile auf, die durch die gemeinsame Bewegung der Läufer und Kämme definiert sind. Die Verdrängungskämme der Expansionsteilstufen können einige Abweichungen von den Konturen haben, allerdings nur in Richtung nach innen. Die spezifischen Profile der Längsvertiefungen des Hauptläufers und die Verdrängungskämme des Nebenläufers zeigt 3. Die grafische Studie zeigt die Bildungslinien der Profile als Spuren der Vektorenspitzen, die beide Läufer bei ihrer gemeinsamen Bewegung imitieren. Die grafische Simulation der Lage des Verdrängungskamms (Vektor 2r) bei seiner Drehung mit 6° und des Hauptläufers (Vektor 3r) mit 2° zeigt die mit fließender Linie verbundenen Punkte einer Annäherung der Profilvertiefung und des Kamms. Die Drehungen um 6° und 2° entsprechen dem Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten des Läufers. Die Grafik dient als Anschauungsmaterial.
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Theoretische Profile mit beliebiger Annäherung definiert man mit Computerberechnungen unter Anwendung der mathematischen Methode der Vektoralgebra. Praktisch kann die in folgender 6 dargestellte Methode angewendet werden. Gezeigt ist das prinzipielle Schema einer Vorrichtung. Schablonen können für die Kontrolle der spezifischen Profile der Verdrängungskämme der Nebenrotoren und der Vertiefungen des Hauptrotors verwendet werden.
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Förderstrom
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In einer Ausführungsform fließt aus dem Verbindungsrohr (53) und aus den Speicherräumen (42) des gleichmäßig rotierenden Hauptläufers permanent verdichtetes Medium in das bewegliche Rohr (35) und wird vom ihm durch die längliche Öffnungen (17) (s. 2) in den Arbeitsräumen der Expansionsvorstufe verteilt. Dort versetzt das Medium durch die Verdrängungskämme bei seiner Expansion die Nebenläufer in Drehung. Nach der Expansion in der Expansionsvorstufe fließt das Medium durch die äußeren Mediumleitungen (60) in die Expansionsendstufe und wird hier endgültig abgearbeitet. In den Expansionsteilstufen erfüllen die Kämme Expansionsarbeit des Mediums und treiben unmittelbar die eigenen Läufer sowie durch ein gemeinsames Getriebe (34, 47) die Leistungswelle (24) an. Die Expansionsendstufe (46) hat drei Auslassöffnungen mit Austrittskanälen (59) und Auspuffflanschen (62) (s. 7), durch die das abgearbeitete Medium von den rotierenden Verdrängungskämmen bei ihrer Drehung ständig in das Abgas- bzw. Abdampfsystem ausgestoßen wird.
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In einer Ausführungsform entsteht der Förderstrom in der Brennkammer (21), wo aus dem Brennkopf (133) die Kryostoffe mit Neutralstoff mit Zufuhrdruck aus den Brenndüsen gespritzt werden. Von einem Flammengitter (134) vermischt und gewirbelt, wird der Förderstrom von einer Zündelektrode (132) (bei Bedarf) gezündet und durch eine lonisationselektrode (131) kontrolliert. Die Gasmedien strömen mit hoher Temperatur durch Öffnungen mit Schirmtaschen aus der Brennkammer (21) in das Innere des Hauptläufers (11) und weiter durch eine längliche Einlassöffnung (16) in den Vertiefungen (23) in die Arbeitskammern der Expansionsvorstufe (7). Hier bewegt der Förderstrom die Verdrängungskämme (43) und damit die Nebenläufer (4) der Expansionsvorstufe (7). Nach der Expansion in der Expansionsvorstufe (7) fließt das Medium durch den Auslasskanal (59) und äußere Mediumleitungen (60) in die Expansionsendstufe (46) und wird hier endgültig abgearbeitet. In den Expansionsteilstufen erfüllen die Kämme Expansionsarbeit des Mediums und treiben unmittelbar die eigenen Läufer sowie durch ein gemeinsames Getriebe (Ritzel (47), Großrad (34)) die Leistungswelle an. Die Expansionsendstufe (46) hat drei Auslassöffnungen mit Austrittskanälen (61) und Auspuffflanschen (62) (s. Schnitt F-F), durch die das abgearbeitete Medium von den rotierenden Verdrängungskämmen bei ihrer Drehung ständig in das Abgas- bzw. Abdampfsystem ausgestoßen wird.
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Dichtungen
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Der Eingriff der Kämme in die Vertiefungen des Hauptläufers in Expansionsendstufe ergibt eine lückenlose Verdichtungslinie, denn die Dichtung der Arbeitsräume in dieser Stufe und in den Vertiefungen des Hauptläufers ist durch die länglichen Dichtleisten (13) sowie die Stirndichtleisten (81) der Verdrängungsgskämme gesichert. Dichtleisten sind an den Spitzen und Stirnseiten der Kämme angebracht und durch die Feder (55) zu den Seitenwänden der Arbeitskammern bei Drehung angepresst. Die Dichtleisten sind von der Öl-Einspritzung geschmiert. Das Öl fließt aus den Öl-Kanälen in den Kämmen zu den Spielen der Dichtleisten.
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Bei erhöhten Drehzahlen reduzieren die Gegengewichte (27), die in den Körpern der Nebenläufer eingerichtet und mit Dichtleisten (13) durch die Verbindungsstocke (54) verbunden sind, die Anpresskraft der Feder. Bei großen Drehzahlen werden die Dichtleisten trotz Wirkung der Feder durch Gegengewichte zurück in die Kämme eingezogen, um einen starken Bremseffekt durch Reibung abzuwenden. Die Mediumverluste bei großen Drehzahlen sind relativ geringer als bei kleinen Drehzahlen. Um einem Bremseffekt durch Druckgefälle bei der Arbeit der Kraftmaschine mit kleinen Leistungen vorzubeugen (in diesem Fall übersteigt der verfügbare Ausdehnungsraum den notwendigen), sind in den Verdrängungskämmen (43) der Expansionsendstufe (46) die Ausgleichklappen (38) zum Auspuffraum eingerichtet
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Expansionsteilstufen
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Expansionsvor- (7) und Expansionsendstufe (46) sind Teile des gemeinsamen Expansionsraums. Diese Teilung spielt eine wichtige Rolle. Die Expansionsvorstufe hat eine hitzebeständige Abdeckung (45) aller mit heißem Medium in Berührung stehenden Flächen und keine Dichtungen an den laufenden Kämmen - das durch das Laufspiel entweichende Medium wird in der folgenden Stufe abgearbeitet. Die Expansionsendstufe hat Dichtungen, die einen Mediumdruckverlust verhindern. Diese Stufe arbeitet mit Medium, dessen Temperatur nach der Expansion in der Vorstufe gesunken ist. Durch diese Verteilung hält die Maschine den hohen Temperaturbelastungen stand.
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Der zweite Vorteil besteht darin, dass mit dieser Teilung die vom Mediumarbeitsdruck ausgehenden Belastungen auf die Körper und Lager der Läuferhälften halbiert werden. Ein dritter Vorteil ergibt sich daraus, dass diese Teilung einem gleichmäßigen Verlauf des Drehmoments auf der Leistungswelle dient: Die Drehmomente beider Expansionsteilstufen folgen nacheinander und überdecken einander. Deshalb fällt das gemeinsame Drehmoment niemals bedeutend, erst recht nicht bis auf null.
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In den Seitenwänden und der hinteren Stirnwand der Expansionsendstufe (46) (s. 8) sind die Sperrventile (64) bei den Zufuhrkanälen (61) eingerichtet sowie die separaten Getriebe (65, 66) (s. 2) im Rückdeckelraum zur synchronen Drehung der Sperrventilwalzen (64) mit den Nebenläufern (4) angebracht. Die Sperrventile (64) unterbinden den Verlust des Arbeitsmediums aus den Arbeitsräumen der Expansionsvorstufe (7) und der äußeren Mediumleitungen (60) für die Zeit, in der die Arbeitsräume der Expansionsendstufe (46) mit dem Auspuffraum verbunden sind, also bis zu dem Moment, wenn die Verdrängungskämme (43) nach Vorbeigehen an den Auslasskanälen (59) erneut in Stellung bei den Einlasskanälen (61) kommen.
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Einlassklappen
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In den Verdrängungskämen der Expansionsendstufe (46) sind die Einlassdruckklappen (38) als biegeweiche längliche Lamellen angebracht (s. 7). Die Lamellen sind in den Schächten untergebracht, die zwecks Abdichtung der Klappe in gesperrtem Zustand die Angüsse mit Konturensesseln für die Lamelle hat. Die Ausgleichsklappen (38) bei den Verdrängungskämmen in beiden Expansionsteilstufen, sind ähnlich gebildet.
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Feststehendes Rohr
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Das feststehende Rohr (19) ist zweiteilig aus einem unbeweglichen (19) und einem beweglichen Teil (35) aufgebaut, die zusammen mit dem feststehendem Rohr die steuerbaren Auslassöffnungen (17) bilden (s. 2). Ein Stellgetriebe aus Zahnradsegment (36) und Zahnradgetriebe (37) (s. 2) regulieren durch Verstellung des beweglichen Teils des Rohrs (35) bezüglich des Rohrteils (19) die Auslassöffnungen (17) und steuert damit die Ausgabe des Mediums in die Expansionsendstufe.
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Verbindungsrohr
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Das Verbindungsrohr (53) und die Hauptrotorwelle (71) sind mit zwei METAX-Gleitringdichtungen Typ B (124) vom Raum des Vorderdeckels isoliert und mit dem flüssigen Kühlmittel zwischen beiden Ringen gekühlt. Damit wird der Raum des Vordeckels mit Lager und Dichtungen von Wärme und Druck aus dem Druckraum des Hauptrotors geschützt.
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Dichtung des Mediumraums
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Die Abdichtung des Medienraums von der übrigen Konstruktion erfordert spezielle Maßnahmen (s. 2). Am hinteren Ende des unbeweglichen Teils des feststehendes Rohrs (19) ist eine METAX-Metallfaltenbalg-Gleitringdichtung Typ MU angewendet, die den Raum zwischen dem Hauptläufer (11) und dem unbeweglichen Teil des feststehendes Rohrs (19) abdichtet und damit den Raums des Rückdeckels vom Arbeitsdruckraum isoliert. Die METAX-Gleitringdichtungen Typ B haben folgende Einsatzgrenzen: Druck bis 50 bar, Temperatur -80 bis +315 °C, Gleitgeschwindigkeit bis 25 m/s. Die METAX-Metallfaltenbalg-Gleitringdichtung Typ MU haben abweichende Einsatzgrenzen: Druck bis 25 bar, Temperatur -50 bis +400 °C, Gleitgeschwindigkeit bis 50 m/s. In beiden Fällen müssen zupassen diese Dichtungen zu den Parametern und Arbeitsbedingungen an ihren Einsatzstellen (bei Mitberechnung der Kühlung des Einsatzraums). Die Hochleistungs-GFT-Radialdichtungen vom Typ 103 dichten den Raum zwischen den feststehendes Rohrs (19) und zwischen dem beweglichen Rohr (35) und der Druckmediumleitung (112) ab. Auch bei den Sperrventilen (64) kommen Rillenkugellager und GFT-Radialdichtungen des Typs 103 zur Anwendung. Diese Dichtungen haben folgende Einsatzgrenzen: Druck bis 500 bar, Temperatur -250 bis +316 °C, Gleitgeschwindigkeit bis 5 m/s, sind für ihre vorgesehenen Einsatzstellen also geeignet.
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Kompensation der Wärmeausdehnungen
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Zur Kompensation der Wärmeausdehnungen des Gehäuses, des Verbindungsrohrs (53) und unbeweglicher Teil des feststehenden Rohr (19) ist eine Vorrichtung im Rückdeckel (9) eingerichtet (s. 2). Dort gewährleisten die Federn zur Kompensation der Wärmeausdehnungen (104), die in einem Ansatz zur Stirnwand (121) angebracht sind, das Anpressen des feststehenden Rohr (19) an das Verbindungsrohr (53). So werden die O-Ringe (127) aus Sintermetall zwischen Verbindungsrohr (53), Gleitringdichtungen Typ B, und feststehenden Rohr (19) mit dem Arbeitsdruck angepresst.
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Druckschutzklappe
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Eine in der Leistungswelle (24) platzierte Druckschutzklappe (52) beugt der Gefahr des Überdrucks in den Arbeitsräumen vor, indem ein Teil des Mediums durch eine Gasleitung (112) in die Atmosphäre ausgelassen wird. Bei Ansprechen der Druckschutzklappe (52) (s. 2) gelangt das Überdruckgas durch die Bohrungen in der Leistungswelle in die Mediumabfasshaube (107) und wird mit dann geringem Druck in das Auspuffsystem abgeführt.
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Lagerung
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Alle Läufer drehen sich in den Nadellagern mit Borden und Innenringen (3), die in den Zwischenwänden der Stufen eingerichtet sind. Sie sind durch die Öl-Kanäle mit Schmieröl versehen und mit GFT-Dichtungen (103) abgedichtet (s. 2).
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Die Anwendung der FINDLING-Nadellager und GFT-Dichtungen ist bei Rotorwellen in beiden Stufen durch extreme Arbeitsbedingungen und hohe Anforderungen definiert, hier Drücke bis 70 bar, Temperaturen (bei Kühlung mit flüssigem Mittel) bis 300 °C, Drehzahlen am Nebenläufer bis 15 000 1/min, am Hauptläufer bis 5555 1/min, dynamische Tragwerte bei Schmierung bis 35 000 N). Diese Limitierungen für die Standfestigkeit der Nadellager mit Borden und Innenringen in der Kombination mit Dichtungen aus federelastischem PTFE-Stoff mit Edelstahl können die Firmen FINDLING und GFT wahrscheinlich einhalten.
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Die Flüssigkeitskühl- und Schmierölsysteme müssen die oben genannten Temperaturbegrenzungen ebenfalls gewährleisten. Bei Vorder- und Rückdeckeln sind die Läufer mit Rillenkugellagern (32) versehen, die die Nadellager von Axialkräften entlasten.
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Schmierölsystem
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Es deckt den erforderlichen Ölbedarf sowohl für die Schmierung und Kühlung aller Lager der Drehkolbenkraftmaschine als auch denjenigen in den Vorrichtungen, die für die Steuerung und Regelung dienen. Zentrale Ölversorgung liefert das Hochdruck-Schmier-Kühlöl für die Traglager beider Stufen, flüssigen Kühlmittel zwischen beiden Ringen Gleitringdichtungen und zur Dichtlatten Expansionsendstufe. Das Hochdruck-Kraftöl wird auch für gegebenenfalls ferngesteuerten hydraulischen Stellorgane, das Niederdruck-Schmieröl für alle in den Vorder- und Hinterdeckel angewendete Rillenkugellager geliefert.
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Kühlsysteme
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Für alle Nadellager mit Dichtungen, Verbindungsrohr und Teile des Hauptrotors sowie die inneren Wände der Arbeitskammer der Expansionsteilstufen existiert ein gemeinsames Kühlsystem mit flüssigem Medium. Die Stirnwände beider Stufen sind dafür zweiteilig aufgebaut: die Stirnwände selbst (101) und die Auflage-Teile (102) mit Labyrinth-Kanälen (30) für das flüssige Kühlmittel (s. 2 und 9). Entsprechend sind die Einlass- (51) und Auslassstutzen (49) für flüssige Mittel eingerichtet. Die Seitenwände sind ebenfalls zweiteilig aufgebaut: die Seitenwand selbst (101) (s. 2) mit länglichen Kanälen und eine Hülse (86) mit der gehärteten Innenfläche, die von den Verdrängungskämmen bei ihrer Drehung überstrichen wird. Dabei sind die Seitenwände mit Zwischenwänden verstärkt und robusten dreieckigen Gestellen vereinigt, die die Stufengehäuse bilden. Die verdickten seitlichen Wände ermöglichen es, die länglichen Zufuhr- (61) (s. 7) und Auslasskanäle (59) sowie die Sperrventile (64) der Expansionsendstufe für Luft oder Medium einzurichten (s. 8). Nach außen bilden die Stufen die Plattformen für äußeren Mediumleitungen (60) und Auspuffflansche (62) (s. 7). Das Innere der Nebenrotoren wird mit Luft gekühlt, die durch die Kühlluftstutzen (68) den Wellen der Nebenläufer zugeführt wird.
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Arbeitsprozess
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Bei dem Drehkolben-Expander verrichten die Stufen und Haupteinheiten folgende Funktionen:
- Durch Verbindungsrohr (53) ständig tritt Druckmedium in die Expansionsvorstufe (7) ein. Darin tritt das Druckmedium durch Öffnungen des unbeweglichen Teils des Mediumsrohrs (19) in die Expansionsvorstufe (7). Hier passiert seine isobare Expansion durch ganzen Arbeitsraum der Expansionsvorstufe (7) und ohne Unterbrechungen erfolgt Expansion durch diese Stufe bei weiteren Drehungen solange die Medium eintritt mit ständigem Druck des installierten Arbeitsregimes. Die Beständigkeit des Drucks ist durch die Speicherräume (42) stabilisiert. Damit wird mittels Verdrängungskämme (43) ständig das Drehmoment auf dem Nebenläufer der Expansionsvorstufe (7) produziert.
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Dabei ein Teil des Mediums, der durch Laufspiel der Verdrängungskämme (43) durchgebrochen ist, ständig tritt durch längliche Öffnung und Austrittskanal (59) (ein Teil des Textes ist ausgeschnitten) mit einer polytropischen Ausdehnung in die Mediumleitungen (60) und akkumuliert sich hier bis die Sperrventile (64) bei den Zufuhrkanälen (61) (s. 7) öffnen Zutritt des Mediums in die Expansionsendstufe (46). Nach teilweiser Ausdehnung des Mediums in der Expansionsendstufe (46), die dauert bis die Verdrängungskämme (43) dieser Stufe die längliche Öffnung und Abfurkanäle (59) erlangen, wird Medium mit Restdruck in die Abfuhrsystem ausgestoßen.
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Unter Wirkung des expandierten Mediums drehen die Verdrängungskämme der beiden Expansionsteilstufen die eigenen Läufer. Weil alle Läufer des Drehkolben-Expanders mittels äußerer Verzahnung verbunden sind, treiben die Läuferwellen der Expansionsteilstufen durch ein gemeinsames Getriebe (47) und (34) die Leistungswelle (24) an.
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Der Arbeitsdruck des Mediums ändert sich bei angeforderter Leistungsänderung des Mediumerzeugers oder bei Änderung des Gegenmoments auf der Welle. Dabei Druck kann wachsen bis das Gegenmoment überwunden wurde. Der Arbeitsdruck ist dabei durch eine Druckschutzklappe (52) begrenzt, die das Überdruckmedium bei Ansprechen der Druckschutzklappe in das Auspuffsystem überführt (s. 2)
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Da die Expansionsvorstufe keine Dichtungen hat, wird ein Teil des Mediums durch das Laufspiel der Kämme durchbrochen, geht aber nicht verloren, sondern wird in der folgenden Expansionsendstufe ausgenutzt. Das teilweise in der Expansionsvorstufe abgearbeitete Medium mit schon reduzierter Temperatur strömt durch die äußeren Mediumleitungen (60) zur Expansionsendstufe (46), wo das gesamte Medium der ersten und zweiten Teilstufen, Mediumleitungen anschließend, endgültig abgearbeitet und in das Abgassystem ausgestoßen wird.
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Die erste Stufe des Drehkolben-Expanders hört in keinem Augenblick auf das Drehmoment zu produzieren, denn das gesamte Arbeitsmedium dreht die Verdrängungskamme dieser Stufe durch Auslassöffnungen (59) ununterbrochen. Das Druckmedium eintritt auch aus Speicherraum in die zweite Teilstufe durch steuerbare Öffnung (17) des feststehenden Rohrs (19) (s. 2). In der Expansionsendstufe gewährleisten die Dichtleisten (13) (81) an den Verdichtungskämmen (43) die verlustlose Abarbeitung des Medium.
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Ein Stellgetriebe aus Zahnradsegment (36) und Zahnradgetriebe (37) (s. 2) regulieren durch Verstellung des beweglichen Teils des Rohrs (35) bezüglich des Rohrteils (19) die Auslassöffnungen (17) und steuert damit die Ausgabe des Mediums in die Expansionsendstufe. Diese steuerbare Verteilung des Druckmediums zwischen beiden Stufen des Drehkolben-Expanders ermöglicht die präzise Steuerung auf kleinen Regimen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorderdeckel
- 3
- Nadellager
- 4
- Nebenläufer
- 7
- Expansionsvorstufe
- 8
- Ausgleichkanäle
- 9
- Rückdeckel
- 10
- kalibrierte Auslassöffnung
- 11
- Hauptläufer
- 13
- Längliche Dichtleeoste
- 16
- Längsöffnung
- 17
- Auslassöffnung des Mediumsrohrs
- 19
- Mediumsrohr
- 20
- unbewegliches Teil des Mediumsrohrs
- 21
- Brennkammer
- 23
- Längsvertiefung
- 24
- Einlassöffnung
- 26
- Ausgleichgewicht
- 30
- Labyrinthkanäle
- 31
- Kryo-Wasserstoff-Sauerstoff
- 32
- Rillenkugellager
- 33
- Stutzen
- 34
- Großrat der Getriebe
- 35
- bewegliche Teile des Mediumsrohrs
- 36
- Zahnradsegment
- 37
- Zahngetriebe
- 38
- Ausgleichklappe
- 40
- Längsvertiefung
- 42
- Innenraum des Hauptläufers
- 43
- Verdrängungskamm
- 46
- Expansionsendstufe
- 47
- Ritzel
- 49
- Auslassstutzen
- 51
- Einlassstutzen
- 52
- Druckschutzklappe
- 53
- Verbindungsrohr
- 54
- Verbindungsstock
- 55
- Feder
- 56
- äußere längliche Verzahnung
- 59
- Austrittskanal
- 60
- Äußere Mediumsleitung
- 61
- Zufuhrkanal
- 62
- Auspuffflansch
- 63
- Thermoisolation
- 64
- Sperrventil
- 65
- Triebrad des Sperrventils
- 67
- Kühllufteinlassstutzen
- 68
- Kühlluftauslassstutzen
- 69
- Auslassventil
- 71
- Hauptrotorwelle
- 78
- Nadellager mit Borden und Innenring
- 85
- Ventilbuchse
- 86
- Hülse
- 94
- Stützwalze
- 101
- Stirnwand
- 102
- Auflage-Teil mit Labyrinth
- 103
- GFT-Dichtung
- 104
- Feder zur Kompensation der Temperaturausdehnungen
- 105
- Paket aus Rillenkugellager und GET-Radialdichtungen Typ 103
- 107
- Mediumauffasshaube
- 108
- Rahmen
- 111
- Regelkappe
- 112
- Druckmediumleitung
- 116
- Regelklemme
- 118
- Schmierölkanal
- 119
- Paket der Rillenkugellager
- 120
- Rillenkugellager
- 121
- Ansatz zur Stirnwand
- 124
- METAX-Gleitringdichtung Typ U
- 125
- METAX- Metallbalg-Gleitringdichtung Typ MUA
- 127
- O-Ring
- 128
- GFT-Radialdichtung Typ 103
- 129
- Nadelkranz
- 131
- Leitung zur lonisationselektrode
- 132
- Leitung zur Zündelektrode
- 133
- Brennkopf
- 134
- Mediumleitgitter
- 135
- Düse
- 136
- Abdampf
- 200,201
- Drehkolbenexpander
- 900
- U-Boot
- 901
- Strahlungsschutzschicht
- 902
- Kernreaktor
- 903
- Steuerstab
- 904
- Dampf
- 905
- Wassertrennungsblock
- 906
- Elektrogenerator
- 907
- Hauptturbine
- 908
- Untersetzungsgetriebe
- 909
- Kupplung
- 910
- Brennstoff für Kernreaktor
- 911
- Kühlwasser (Hauptkreislauf)
- 912
- Förderpumpe
- 913
- Wärmetauscher
- 914
- Wasserversorgungsbehälter
- 915
- Behälter mit Wasser
- 916
- Hauptkondensator
- 917
- Bootsschraube
- 920
- Kondensator für Turbogenerator
- 921
- Elektromotor
- 922
- Akkumulatorbatterie
- 923
- Druckkompensator
- 924
- Kern-Dampferzeuger
- 925
- Kernenergietriebwerk
- 926
- Turbine für Elektrogenerator
-
Offenbarung der Erfindung bezüglich der Aufgabe II
-
Weil die Drehkolbenkraftmaschine wegen Ursachen von nichttechnischem Charakter bisher nicht gebaut wurde, verbleiben auch die experimentellen Untersuchungen aller thermodynamischen Prozesse. Für konkrete konstruktive Auslegungen braucht man die folgenden Daten:
- Von Seiten des Drehkolben-Expanders gibt es keine klare Vorstellungen, in welchen Grenzen man die Leistung und damit die Ausmaße und das Gewicht des Drehkolben-Expanders nach dem Maßstab-Prinzips ohne bedeutende Einbußen auslegen kann. Bezüglich Kerndampferzeuger: Um Entscheidungen für Aufgabe 2 möglich verlässlich zu treffen ist es notwendig sowohl die spezifischen Information von Charakteristiken des Kerndampferzeugers von einer Seite als auch die Information über Charakteristiken des Triebwerks des Atom-U-Boots zu verfügen. Darum unten sind die in dem Taschenbuch für Maschinenbau Dubbel gefundenen Daten, die wenigstes hilfreich werden können, aufgeführt:
- - Der Dampfzustand vor Turbine charakterisiert ist durch Temperatur 284,5°C und Druck 66,8 bar für Druckwasser- und 238° C und 67 bar für Siedewasserreaktor.
- - Für Fortgeschrittener gasgekühlter (AGR)- und Hochtemperaturreaktor(HTR) diese Daten sind entsprechend 533°C/162 bar und 530°C/181 bar.
-
Um die Umgebungsbedingungen für der erfindungsgemäßen Drehkolben-Expander bei Anwendung in den Atom-U-Boote nachzubilden, eine Publikation in dem Internet über russischen Atom-U-Boote ausgenutzt werden. Auf 10 die Triebwerksraum sowie auf 11 das Blockschema des Kraftwerks des konventionellen Atom-U-Boots dargestellt. In der Publikation sind auch Materiale veröffentlicht, die Weiterentwicklung der modernen russischen Atom-U-Boote darstellen. Die Materiale, die unten aufgeführt sind, zusätzlich zum dargestellten auf 10, für die möglichen Bereiche der Anwendung des erfindungsgemäßen Drehkolben-Expanders als Orientierungsziele dienen können:
- - Die russischen Atom-U-Boote Projektes 945 letzten Serie OK-650 A über die Kraftanlagen mit Leistung je 43000 und 45000 PS, gezweiten Heck für zwei Wellen und Schiffs- sowie die Manövrierschrauben verfügen. Die Überwasser- und Unterwassergeschwindigkeit der Atom-U-Boote beträgt 18, bzw. 35 Knoten (61 km/h) .
- - Der größte russischen Atom-U-Boot „Akula“ (Projekt 941) mit in zwei Bord- Staffeln angeordneten Turbine mit Leistung 50 000 PS, gezweiten Heck für zwei Wellen und Schiffsschrauben je 5,55 m Durchmesser, die mit Drehgeschwindigkeit 230 Umdrehungen per Minute angetrieben sind, ausgerüstet ist. Daraufhin Atom-U-Boot „Akula“ mit vier Atom-Dampfturbinen mit Leistung je 3200 kW, zwei Reserveelektrischen Triebwerken je 260 kW und zwei Rudereinrichtungen mit kehrbaren Schrauben und elektrischen Antrieben je 750 kW komplettiert ist.
- - Der jetzt in der Modernisierung stehende Atom-U-Boot „Belgorod“ dient für Superlative. Er soll als einen Unterwasser-Flugzeugträger unerkannt in der Tiefe mehr als 300 m. die dauernden Reeden führen. Angetrieben von zwei OK-650 V Reaktoren mit einer Leistung100 000 PS, mit gezweiten Rumpf-Heckteil für zwei Leistungswellen und Schrauben, Atom-U-Boot „Belgorod“ sollst 33 Knoten Geschwindigkeit unter Wasser haben.
-
Diese Daten zeigen, wie groß die Ersparungen bei Leistung, Platzansprüchen und Kosten bei allen hier eingesetzten Turbinenanlagen werden können, wenn man anstatt dieser Turboanlagen die bis dreifach mehr als Turbinen effektiven Drehkolben-Expandern einsetzt. Die Vorteile entstehen nicht nur durch oben genannten Einsparungen. Die nicht wenige Vorteile bringen mit sich die Möglichkeiten die mehrere parallel eingeschalteten relativ kleinen Drehkolben-Expander differenzial unmittelbar zu Leistungswellen an- und auszuschalten und damit die große operative Freihat zu erlangen, besonders weil der Drehkolben-Expander hat keine bedeutende Trägheit.
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Es wäre angebracht zu erinnern, dass bei Gasturbinen, möglich auch bei Dampfturbinen, das Anlassen der Turbine erfolgt nur wenn sie auf eine Mindestdrehzahl gebracht wird. Drehzahl-Regelbereich zwischen Leerlauf und Volllast beträgt in der Regel nur etwa 40%. Die Leistungskurve verläuft bei Turbinen wie etwa bei Logarithmen-Funktion - bei Drehzahlen 90% werden nur ca. 50% der Leistung erlangt. Die 100% Leistung werden schließlich bei 100% Drehzahl bereitgestellt. Neben dauerten Anlassen haben die Turbinen auch dauerten Ausschalten (Hinauslaufen der Rotoren) der großen Trägheit wegen.
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Damit kann man ohne Energie-Zwischenverwandlungen für Ausführung der operativen Aufgaben auskommen. Für konkrete konstruktive Auslegungen braucht man die folgenden Daten:
- - Von Seite des Atom- Dampferzeugers braucht man der Dampf-Mengenstrom vor Turbine.
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Die erfinderische Tätigkeit begrenzt ist deshalb auf virtuelle Vorstellungen und thermodynamische Begründungen. Deswegen möglich sind nur allgemeine Schlussfolgerungen und Darstellungen.
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Auf 12 ist das Blockschema des Kraftwerks (Kernenergietriebwerk (925)) mit zwei Drehkolben-Expandern (200, 201) für konventionelle Atom-U-Boots dargestellt. Ein Haupt-Drehkolbenexpander (200) an Stelle der Hauptturbine des Hauptantriebes gezeichnet ist, in einem als Fragment A bezeichneten Bereich von 12, der dem Darstellungsumfang nach 2 entspricht. Er betreibt nach Reduktion (in einem Untersetzungsgetriebe (908)) einer Drehzahl seiner Leistungswelle (24) die Schiffsschrauben (917). Der zweite Drehkolbenexpander (201), der z. B. baugleich mit dem Haupt-Drehkolbenexpander (200) ausgeführt sein kann, betreibt Elektrogenerator (906), der liefert Elektroenergie in das Netz und für Laden des Akkus Batterie (922). Der Abdampf von beiden Drehkolbenexpander (200, 201) regeneriert sich zur Wasser in den Kondensatorsanlagen (916, 920) und läuft erneut zum Dampferzeuger (924).
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Die Liste Figuren auf vorgestellten Zeichnungen:
- 1 Äußeres eines Drehkolben-Expanders
- 2 Längsschnitt durch den Drehkolben-Expander
- 3 Die spezifischen Profile der Längsvertiefungen des Hauptläufers und der Verdrängungskämme des Nebenläufers
- 4 Äußeres eines Drehkolben-Expanders mit Kryo-Kraftstoffen
- 5 Drehkolben-Expander mit Wasserstoff und Sauerstoff als Kraftstoffe (Längsschnitt)
- 6 Die Schablonen der spezifischen Profile der Verdrängungskämme und Vertiefungen
- 7 Schnitt F-F durch den Drehkolben-Expander
- 8 Schnitt G-G und M-M durch den Drehkolben-Expander
- 9 Querschnitte U-U, Y-Y und V-V durch Zwischenwand mit Labyrinthenkanälen
- 10 Triebwerksraum des Atom-U-Boots
- 11 Blockschema des Kraftwerks des Atom-U-Boots
- 12 Blockschema des Kraftwerks mit zwei Drehkolbenexpandern des Atom-U-Boots
- 13 Schnitt D-D durch den Drehkolben-Expander
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013016274 B4 [0003, 0005, 0006]
- DE 102012011068 B4 [0003, 0005, 0006]
- DE 102013016274 [0014]
