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Die Erfindung betrifft einen Druckluftmotor mit
einem Rotor, an dem mindestens eine tangential gerichtete Stromröhre angeordnet
ist und mit einem Stator, der mit einer Vielzahl von tangentialen Öffnungen
versehen ist. Zwischen dem Rotor und dem Stator wirkt eine tangential
gerichtete Kraft, deren vektorielle Größe durch den Luftdruck in der
Stromröhre und
der Luftmenge pro Zeiteinheit bestimmt wird.
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Druckluftmotoren sind seit vielen
hundert Jahren in den verschiedensten Ausführungsformen allgemein bekannt,
so daß es
diesbezüglich
keines besonderen druckschriftlichen Nachweises bedarf. Für bestimmte
Anwendungsgebiete sind die bekannten Druckluftmotoren jedoch wegen
ihrer Nachteile nicht geeignet.
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Es gehört zum Stand der Technik, daß die bekannten
Druckluftmotoren, wie zum Beispiel Sternmotoren, Kulissenmotoren,
Lamellenmotoren oder Zahnradmotoren, mit großer Reibung zwischen den rotierenden
Teilen und den stationären
Teilen belastet sind. Ferner werden die bekannten Druckluftmotoren
mit niedrigen Luftdruck betrieben, infolgedessen deren Leistung
stark begrenzt ist. Zum Beispiel bei Sternmotoren beträgt der maximale
Betriebsdruck 10 bar und deren Leistung liegt zwischen 1,5 bis 30
kW. Bei Lamellenmotoren ist der maximale Betriebsdruck 8 bar und
deren Leistung liegt zwischen 0,1 bis 18 kW. Ferner gehört der Turbinenmotor
zum Stand der Technik, dessen Rotor mittels strömender Luft axial, radial,
tangential oder durch Freistrahl ange trieben wird. Diese Motorbauart
hat einen großen
Nachteil und zwar die hohe Umlaufgeschwindigkeit des Rotors. Deshalb
ist es schwierig, ihn auf praktikable Drehzahlen herunterzubringen.
Im allgemeinen werden alle Druckluftmotoren, die zum Stand der Technik gehören, mit
niedrigem Luftdruck betrieben und deshalb beträgt ihre maximale Leistung ca.
30 kW. Sie haben einen niedrigen Wirkungsgrad und infolgedessen
eine begrenzte Nutzung in der modernen Industrie. Ferner sind das
Verhältnis
zwischen Leistung , Drehzahl, Drehmoment und Luftverbrauch Parameter,
die die Nutzung dieser Druckluftmotoren stark begrenzen. Ohne Schmierung
kann man die bekannten Druckluftmotoren nicht betreiben. Ferner
ist es technisch kompliziert, die Schmierung durch die Arbeitsluft
an die kritische Reibungsstelle zu bringen und effektiv zu schmieren.
Die Drehmomentschwankung, welche zwischen 10% bis 60% des mittleren
Wertes liegt, ist ein zusätzlicher
Nachteil der bekannten Druckluftmotoren. Durch eine schlechte Dichtung zwischen
den Lamellen und dem Gehäuse
ist der spezifische Luftverbrauch bei bekannten Lamellenmotoren
ungünstig
und man erhält
dennoch eine unbefriedigende Leistung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Druckluftmotor zu erschaffen, dessen Leistung zwischen 1 kW
und 250 kW liegt, der mit Druckluft zwischen 5 bar und 80 bar betrieben
wird, der ohne Reibung zwischen Rotor und Stator und deshalb ohne
Schmierung betrieben wird und dessen spezifischer Luftverbrauch
sehr günstig
ist. Diese Aufgabe ist mit einem Druckluftmotor der eingangs genannten Art
nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches
angeführten
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteran sprüchen. Mit
diesem erfindungsgemäßen Druckluftmotor
kann man die kinetische Energie der strömenden Luft in mechanische
Energie umwandeln, mit der unter anderem ein elektrischer Generator
betrieben werden kann. Eine solche Anwendung ist in der Veröffentlichung
EP 0 943 789 A2 sowie
in der
DE-OS 198 11
800 A1 beschrieben. Gemäß der genannten
Schriften handelt es sich um ein Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung
von Niedertemperaturwärme
in elektrische Energie. Entsprechend dem genannten Verfahren kann
man Wärme
mit einer Temperatur von ca. 70°C
in elektrische Energie umwandeln und das mit einem Wirkungsgrad
von ca. 50%. Für
das genannte Verfahren ist ein effektiver neuartiger Druckluftmotor
erforderlich.
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Der hier beschriebene neuartige Druckluftmotor
wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es zeigt schematisch
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1 einen
Querschnitt durch den Druckluftmotor mit Rotor, mit Stator und dem
Gehäuse.
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2 in
Seitenansicht das Konstruktionsprinzip, das dem erfindungsgemäßen Druckluftmotor zugrunde
liegt und
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3 im
Querschnitt ein Teil des Rotors und ein Teil des Stators, der mit
tangential gerichteten Öffnungen
versehen ist.
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Das Grundprinzip des hier beschriebenen Druckluftmotors
ist in 1 verdeutlicht.
Dieser Druckluftmotor besteht aus einer in tangentiale Richtung
gebogenen Stromröhre 1 und
auf Grund der Symmetrie, aus einer ähnlichen Stromröhre z. Beide Stromröhren 1, 2 sind
an Welle 3 befestigt. Stromröhren 1, 2 und
Welle 3 stellen die Bauteile des Rotors dar. 2 veranschaulicht, daß Welle 3 in
einem Teil als Lufteinlaß 3 ausgebildet
und im zweiten Teil als Stange 4 dargestellt ist. Stromröhre 1, 2 ist
am Ende offen und die Öffnung
ist tangential gegen Stator 5 gerichtet. Stator 5 ist
mit einer Vielzahl von tangentialen Öffnungen (6) versehen.
Luftanschluß 7 ist
mittels Dichtung 8 an Welle 3 angeordnet. Zwischen dem
Motorgehäuse 9 und
Stator 5 sind Stutzen 10 angebracht. Gehäuse 9 ist
mit Öffnungen 11 für den Luftauslaß versehen.
Spalt 12 zwischen Stromröhre 1, 2 und
Stator 5 ermöglicht
den reibungslosen Betrieb des Druckluftmotors. 3 zeigt einen Teil des Rotors und einen
Teil des Stators. Pfeil 13 symbolisiert ein Segment des
Stators, das mit tangentialen Öffnungen 6 versehen
ist. Pfeil 14 zeigt ein zweites Segment des Stators 5 ohne
tangentiale Öffnungen. Gemäß dieser
Regel ist ein Viertel des Stators, d.h., 90° des Umfangs, mit tangentialen Öffnungen
versehen und das zweite Viertel bleibt ohne tangentiale Öffnungen.
Dann folgt das dritte Viertel, das wieder mit Öffnungen 6 versehen
ist und das letzte Viertel bleibt abermals ohne tangentiale Öffnungen.
Die tangentialen Öffnungen 6 sind
im Querschnitt rund, oval oder rektangulär.
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Technisch ist es leicht, diesen neuartigen Druckluftmotor
zu betreiben. Die Leistung des Druckluftmotors wird durch den Betriebsdruck
und durch die Einstellung der Luftmenge geregelt. Der Druckregler
und das gesamte Steuersystem sowie die Zuluftdrossel sind bekannt
und am Luftanschluß 7 angeschlossen.
Das Drehmoment und die Drehzahl des Rotors sind mit dem Betriebsdruck
in bekannter Art und Weise einstellbar. Der Betriebsdruck bei diesem
neuartigen Druckluftmotor ist zwischen 5 bar und 80 bar regulierbar.
Bei einer so breiten Wahl ist es einfach, für die gewünschte Anwendung den passenden
Motor zu konzipieren.
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Die in unter dem Druck strömenden Luft
enthaltene Energie wird in kinetische Energie des Rotors umgewandelt.
An Rotorwelle 4 ist ein kinetischer Energieverbraucher
angeschlossen. In Stromröhre 1, 2 ist
ein Fließdruck,
der gegen Stator 5 als tangential gerichtete Kraft wirkt.
In den Öffnungen 6 befindet sich
expandierte Luft, die unter Fließdruck steht. Für eine solche
kompressible Strömung
gilt die verallgemeinerte Bernoullische Gleichung, in der die Druckfunktion
für die
adiabatische Zustandsänderung
gilt.
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Die genannte Bernoullische Gleichung
wird als Energiegleichung bezeichnet und hat für den neuartigen Druckluftmotor
perfekte Gültigkeit.
Für jede Stelle
der Stromröhre 1, 2 und
für die
tangentialen Öffnungen 6 muß die pro
Zeiteinheit hindurchfließende
Luftmasse gleich groß sein.
Von dieser Regel ist der kleine Spalt 12 zwischen Rotor
und Stator als unbedeutsam ausgenommen.
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Um die adiabatische Komponente noch
zu verbessern, ist ein pulsierender Fließdruck notwendig. 3 zeigt, daß der Stator 5 nicht
im ganzen Umfang mit tangentialen Öffnungen 6 versehen
ist. Wenn sich Stromröhre 1, 2 in
der Position befindet, in der keine tangentialen Öffnungen 6 vorhanden
sind, dann bildet sich in Röhre 1, 2 für kurze
Zeit ein Staudruck. Dieser zusätzliche
Druck expandiert dann adiabatisch, wenn die Stromröhre 1, 2 bei
den tangentialen Öffnungen 6 positioniert
ist. Eine solche Lösung verbessert
den Wirkungsgrad des neuartigen Druckluftmotors.
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1 und 2 zeigen die einfachste Ausführung des
Druckluftmotors. Es ist selbstverständlich, daß eine Mehrzahl von Stromröhren die
Leistung des Druckluftmotors vergrößert. Dieselbe Regel gilt für eine Vervielfachung
der Stromröhre 1, 2 in
axiale Richtung, was in 2 veranschaulicht
dargestellt ist.
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Der hier beschriebene neuartige Druckluftmotor
weist gegenüber
Motoren, die zum Stand der Technik gehören, mehrere technische und
wirtschaftliche Vorteile auf. Die Leistung bekannter Druckluftmotoren
ist stark begrenzt und nur selten größer als 30 kW. Im Gegensatz
dazu kann man den hier beschriebenen neuartigen Druckluftmotor leicht
bei 250 kW betreiben und das ohne Reibung und ohne Schmierung. Der
Wirkungsgrad des neuartigen Druckluftmotors ist wesentlich besser
als bei den bekannten Druckluftmotoren.
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Die breite Nutzung von Druckluftmotoren
ist in der Praxis allgemein bekannt. Der hier beschriebene neuartige
Druckluftmotor ist überall
dort einsetzbar, wo bekannte Druckluftmotoren in Betrieb sind. Zusätzlich und
wie oben erwähnt,
ist der neuartige Druckluftmotor bei dem Verfahren zur Umwandlung von
Niedertemperaturwärme
in elektrische Energie erfolgreich einsetzbar. Eine derartige neue
Technologie ist in der Wirtschaft von großer Bedeutung.