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Drehkolben-Kraft- oder Arbeitsmaschine Die Erfindung betrifft eine
Drehkölben-Hraft - oder Arbeitsmaschine mit einem konzentrisch zur Welle angeordneten,
mit Einlnß- und Ausläßöflnurigen versehenen Ringkanal, in dein mindestens ein uni
seine Achse drehbarer, relativ zum kinglzänal bewegbärer und sich gegen die Wände
des Ringkanals anlegender Flügelkolben einen veränderbaren Arbeitsraum abgrenzt.
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Bekanntlich sind Kolbenmaschinen in den Bereichen vori kleineren Leistungen,
geringeren Pürdermengen und höheren Drücken den rotierenden Strö= rnungsmaschinen,
z. B. Turbinen, dem Wirkungsgrad nach überlegen. Bei Maschinen mit hin- und hergehenden
Kolben muß jedoch der 'Nachteil von Erschütterungen, geringerer Drehzahl und Verutrreinigung
des Arbeitsmediums, z. B , des Dampfes, durch Schmieröl in Kauf genommen werden.
Deshalb wurde schon seit etwa der Jahrhundertwende ein Weg gesucht, um diese Nachteile
durch Verwendung eines in einem Ringkanal kreisenden und sich um seine Achse drehenden
Flügelkolbens an Stelle hin- und hergehender Kolben zu überwinden. Eine größe Anzahl
von Maschinen dieser Art sind in der Literatur und in Patentschriften beschrieben.
Es ist jedoch bis heute keine solche Maschine in der Praxis bekanntgeworden, welche
die oben angegebene Aufgabe erfüllt hätte.
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Bei einer ersten Gruppe von Maschinen der eingangs geschilderten Gattung
werden die Flügelkolben mit Hilfe von Kulissenführungen öder von Anschlagflächen
vor dem Passieren einer Engstelle im Ringkanal um ihre Achse gedreht. Die Flügelkolben
werden dabei jedoch durch die schlagartige Steuerung erschüttert und können deshalb
gerade im wichtigsten Leitpunkt ihre Dichtaufgabe nicht erfüllen. Darüber hinaus
setzt unstetige Steuerung der Flügelkolben enge Grenzen für die mögliche Drehgeschwindigkeit
der Maschine, wobei die Gestaltung der Engstellen ebenfalls Schwierigkeiten bereitet.
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Bei einer anderen Gruppe von Maschinen der eingangs geschilderten
Gattung hat man die Flügelkolben zu einer stetigen Rotation um ihre Achse gebracht,
indein diese mit einem Zahnrad versehen war, das sich auf einem stillstehendenGegenradabwälzte.DieFlügelkolben
sind dabei in einem Falle in einem hohlen Rotor angeordnet, der ihre kreisende Bewegung
im Ringkanal mitmacht. Zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßkanal ragt ein aus zwei
parallelen, ebenen Wänden. bestehender, -am Stätor befestigter Dichteinsatz in den
Hohlraum des Rotors, und zwar dergestalt, daß jeder Flügelkolben an dieser Stelle
zwischen den Wänden des Dichteinsatzes durchgeführt werden soll. Nachdem jedoch
der Dichteinsatz eine bestimmte Länge aufweisen muß, kann ein Plügelkolben diese
Engstelle nur passieren, wenn entweder solange die Rotation des Flügelkolbens verhindert
wird oder die lichte Weite der Engstelle größer ist als die Dicke des Flügelkolbens.
In: ersten Falle würde die Steuerung der Flügelkolben wieder unstetig werden und
im zweiten Falle könnte die Engstelle durch die Flügelkolben nicht abgedichtet werden.
Solange ein Flügelkolben vor dem Dichteinsatz ist, wird die Engstelle durch einen
massiven Kranz abgedichtet, der im Rotor angebracht ist. Es liegt auf der Hand,
daß diese Maschine nicht brauchbar ist.
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Endlich muß noch auf eine andere Maschine mit stetig rotierenden Flügelkolben
hingewiesen werden. Eine Seitenwand des Ringkanals ist dort jeweils an einer Engstelle
im Axialschnitt V-förmig gestaltet, wobei die V-Wurzel mit einer kurzen ebenen Fläche
versehen ist. Die gegenüberliegende Seitenwand dagegen verläuft in einer leichten
Wölbung, wobei der Scheitel derselben der ebenen Fläche der anderen Seitenwand gegenüberliegt.
Der Flügelkolben ist im Querschnitt spindelförmig gestaltet, damit er die Engstelle
trotz der stetigen Rotation passieren kann. Allerdings riiuß dabei hingenommen werden,
daß die Engstelle infolge der erwähnten ebenen Flächen nicht voll abgedichtet werden
kann. Mit den Flügelkolben läuft im Ringkanal ein Dichtkranz um, dessen Dicke mit
der lichten Weite der Engstelle übereinstimmt, Der Dichtkranz ist nicht voll, sondern
mit Radialschlitzen versehen, die zum Druckausgleich im Arbeitsraum dienen sollen.
Der Auslaß (bei der Verwendung als Pumpe) ist in einet Seitenwand des Ringkanals,
so daß das verdichtete Medium zum Teil durch die Schlitze des Dichtkranzes zum Auslaß
strömen kann. Jedoch wird durch die Schlitze eine hohe Leistung verhindert, weil
das verdichtete Medium in ihnen auf die Einlaßseite (im Falle der Pumpe) gelangen
und dort expandieren kann. Auch kann infolge der Schlitze eine einwandfreie Abdichtung
der Engstelle nicht erzielt werden. Weiterhin ist bei dieser Maschine die Abdichtung
der Arbeitsräume zum Antrieb hin schwierig. Jeder Flügelkolben ist auf einer Kugelkalotte
angebracht, deren ebene Fläche als Zahnrad
ausgebildet ist. Nachdem
jedoch z. B. bei zwei Flügelkolben zwischen deren Kugelkalotten ein Zwischenraum
vorhanden sein muß, kann das Medium während des Verdichtungsvorganges eine gewisse
Zeit lang durch den Getrieberaum strömen. Die Verluste dieser Maschine sind also
so groß, daß sie wegen geringer Leistung abgelehnt werden würde.
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Gemäß der Erfindung werden alle Schwierigkeiten bei einer Maschine
der eingangs geschilderten Gattung dadurch überwunden, daß die seitlichen Begrenzungswände
des Ringkanals Zykloidenform oder eine zvkloidenähnliche Form aufweisen und jedem
Flügelkolben eine als Ringsektor ausgebildete, in ihrer Dicke etwa dem engsten Querschnitt
des Ringkanals entsprechende, mit dem Flügelkolben gemeinsam relativ zum Ringkanal
bewegbare Dichtflosse derart zugeordnet ist, daß Flügelkolben, Dichtflosse und Begrenzungswände
des Ringkanals einen abgeschlossenen Arbeitsraum begrenzen. Die Zykloidenform der
Seitenwände des Ringkanals ermöglichen eine Abdichtung des Arbeitsraumes in jedem
Zeitpunkt, also auch dann, wenn der Flügelkolben kurz vor dem Passieren der Engstelle
ist. Dies ist für eine hohe Leistung von wesentlicher Bedeutung. Der Arbeitsraum
wird so bis zu seinem kleinsten Volumen durch den Flügelkolben und die Dichtflosse
im Zusammenwirken mit den Begrenzungswänden des Ringkanals sicher abgedichtet.
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Der Ringkanal kann feststehend ausgebildet sein, während die Dichtflosse
oder die Dichtflossen und der oder die Flügelkolben mit der Welle umlaufen und die
Rotationsachse des Flügelkolbens in an sich bekannter Weise ein sich auf einem feststehenden
Zahnrad abwälzendes Gegenzahnrad trägt. Es ist auch möglich, daß der Ringkanal mit
der Welle umläuft und die Dichtflosse oder Dichtflossen sowie der oder die um ihre
Achse rotierenden Flügelkolben stillstehen. Dazu kann auf der Rotationsachse jedes
Flügelkolbens ein Zahnrad befestigt sein, das mit einem mit der Welle umlaufenden
Zahnrad im Eingriff steht.
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Eine vorteilhafte Steuerung der Maschine ergibt sich durch längsquerschnittveränderliche
Einlaß- und Auslaßorgane nach Art der bekannten Schieber zur Veränderung der Expansions-
und Kompressionsverhältnisse auch während des Betriebes.
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Ausführungsheispiele der Erfindung sind in der "Zeichnung dargestellt.
Dabei zeigt Abb. 1 die Maschine mit stillstehendem Ringkanal schematisch in Seitenansicht,
wobei die Seitenwand weggebrochen ist, Abb.2 die Maschine mit umlaufendem Ringkanal
ebenfalls in Seitenansicht, Abb.3 die Maschine nach Abb. 1 in perspektivischer Darstellung
in verschiedenen Betriebsstellungen, Abb. 4 eine Abwicklung des sich verengenden
Ringkanals mit dem Drehkolben in den einzelnen Stellungen und Abb. 5 ein über den
wirtschaftlichen Bereich der Maschine Aufschluß gebendes Diagramm.
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Die Maschine weist eine Hauptwelle und einen konzentrisch zu dieser
Welle angeordneten, geschlossenen Ringkanal auf, der sich im Querschnitt stetig
ändert, indem er seitlich durch zykloidenähnlich verlaufende Seitenwände 5a und
5b begrenzt ist (s. beispielsweise Abb.3 und 4). Die Seitenwände 5a und 5 b nähern
sich also und bilden auf diese Weise eine oder mehrere Errgstellen 4. Es darf jedoch
hervorgehoben werden, daß die Seitenwände 5 a und 5 b in radialer Richtung nicht
unbedingt eben bzw. gerade zu sein brauchen. In diesem Ringkanal ist eine als Ringsektor
ausgebildete, je nach der Zahl der Engstellen kürzer oder länger gehaltene Dichtflosse
2 angeordnet, deren Dicke etwa dem engsten Querschnitt des Ringkanals entspricht.
Die Dichtflosse 2 kann entweder die Seitenwände 5 a und 5 b der Engstelle
4 berühren oder durch sehr feine Spalte von ihnen getrennt sein.
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Außerdem befindet sich im Ringkanal ein um seine Achse rotierender
und als Platte ausgebildeter Flügelkolben 1, der von den beiden Seitenwänden 5 a
und 5 b durch einen einstellbaren, engen Spalt getrennt ist oder diese Seitenwände
berührt. Der Flügelkolben 1 erfährt seine Drehung durch Zahnräder (in den Abb. 1
und 2 schematisch mit A bezeichnet) von der Hauptwelle aus dergestalt, daß der Kolben
den veränderlichen Ringkanal in jeder Stellung auf seinem ganzen Umfange abschließt
bzw. abdichtet, jedoch auch leicht durch die Engstelle 4 hindurchgeht.
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Die Dichtflosse 2 und der Flügelkolben 1 bewegen sich also gemeinsam
relativ zum Ringkanal und bilden zusammen im Laufe der Drehung der Maschine immer
wieder einen abgeschlossenen Arbeitsraurn, der einerseits durch die Seitenwände
5 a und 5 b, andererseits durch die Dichtflosse 2 in der Engstelle 4, weiterhin
durch die obere und untere Begrenzungsfläche 3 b bzw. 3 a des Ringkanals und endlich
durch den mit seinen Flächen an den seitlichen und oberen und unteren Begrenzungsflächen
des Ringkanals abdichtenden Flügelkolben 1 begrenzt ist.
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Abb.1 zeigt eine erste Ausführungsform einer solchen Maschine, bei
welcher der Ringkanal feststehend ausgebildet ist, während die Dichtflosse 2 und
der Flügelkolben 1 mit der Hauptwelle umlaufen und die Rotationsachse des Flügelkolbens
1 ein sich auf einem feststehenden Zahnrad abwälzendes Gegenzahnrad trägt. Das gleiche
Beispiel findet sich auch in der Abb. 3. Dabei ist die Abdichtung zwischen dem durch
die Wände 3 b, 5 a und 5 b gebildeten Außengehäuse zur Hauptwelle in der Abb.3 durch
»Dichtung« bezeichnet. Der Boden 3 a ist mit der Welle fest zusammengebaut und trägt
die Lagerung für den Flügelkolben 1 und die Dichtflosse 2.
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In Abb.2 ist eine zweite Ausführung der neuen Maschine dargestellt,
die sich von der ersten insofern unterscheidet, als dort der Ringkanal mit der Welle
umläuft und die Dichtflosse sowie der uni seine Achse rotierende Flügelkolben stillstehen.
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Bei diesem Beispiel ist die Dichtung an der Stelle zwischen der feststehenden
oberen Begrenzungswand 3 b und den beiden mit der Welle rotierenden Seitenwänden
5 a und 5 b angebracht. Die Dichtflosse 2 ist mit der oberen Begrenzungswand 3 b
fest verbunden, ebenso trägt auch die Begrenzungswand 3 b die Lagerung des Flügelkolbens
1, dessen Antrieb in Abb. 2 wiederum schematisch angedeutet ist. Die Begrenzungswände
5 a, 5 b und 3 a mit der Engstelle 4 sind in fester Verbindung mit der Hauptwelle.
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Die zweite Ausführung hat insofern einen Vorteil, als dort der Flügelkolben
1 und seine Lagerung keinen zusätzlichen Kreiselkräften unterworfen sind. Außerdem
überträgt dort jede geformte Seitenwand 5a und 5 b des Ringkanals die Kraft und
Leistung, während nach dem ersten Beispiel der Flügelkolben 1 als Kraft- und Leistungsüberträger
an die Hauptwelle dient.
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In der Nähe der Engstelle 4 befindet sich je nach der Art der Maschine
(Kraft- oder Arbeitsmaschine) vor oder hinter derselben in geeigneten Abständen
das Einlaß- bzw. Auslaßorgan bzw. mehrere solche Organe, welche das die Leistung
liefernde oder aufnehmende
gasförmige oder flüssige Medium einschleusen,
j e nachdem ob es sich um eine Kraft- oder Arbeitsmaschine handelt. Die Auslaß-
bzw. Einlaßorgane sind je nach dem gewünschten Grad der Expansion oder Kompression
mehr oder weniger weit von der Engstelle 4 aus in oder gegen die Drehrichtung gesehen
angebracht. Die Ein- und Auslaßorgane lassen sich verschiebbar bzw. änderbar anbringen,
wobei auch während des Betriebes das Expansions-und/oder das Kompressionsverhältnis
geändert bzw. abgestimmt werden kann.
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Soweit die neue Maschine als Kraftmaschine arbeitet, wird die Engstelle
4 stets zuerst von dem Flügelkolben 1 passiert und dann von der Dichtflosse 2 verschlossen.
Soll jedoch die neue Maschine zur Leistung von Arbeit dienen, so läuft stets die
Dichtflosse 2 voraus, und dann erst folgt der Flügelkolben 1 beim Passieren jeder
Engstelle 4.
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In den gezeichneten Beispielen ist der Einfachheit halber nur eine
Engstelle dargestellt. Es ist jedoch möglich, daß der Ringkanal auch mehrere Engstellen
4 sowie mehrere Flügelkolben 1 und eine entsprechende Anzahl Dichtflossen 2 haben
kann. Auch ist es in manchen Fällen günstig, mehrere Ringkanäle konzentrisch gerade
und/oder schräg seitlich übereinander oder nebeneinander anzuordnen, wobei alle
auf dieselbe oder mehrere getrennte achsfluchtenden Wellen arbeiten. Dabei können
die Ringkanäle als Kraft-und/oder Arbeitsmaschinen oder gemischt verwendet werden.
Die zuletzt genannte Möglichkeit kommt z. B. bei Verwendung von Maschinen als Brennkraftmaschinen
in Frage, wobei neben-, über- oder hintereinandergelegene Ringkanäle abwechselnd
oder in Gruppen als Kraft- oder Arbeitsmaschine (Verdichter) arbeiten (da ohne weiteres
vorstellbar, nicht gezeichnet).
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Es wurden Untersuchungen angestellt, in welchen Bereichen die neue
Maschine besonders wirtschaftlich arbeitet. Das Ergebnis wurde in dem in Abb. 5
dargestellten Diagramm zusammengefaßt. Dabei ergibt sich, daß bei einem Verhältnis
v : c (d. h. Schleudergeschwindigkeit v des Flügelkolbens zu Rotationsgeschwindigkeit
c des Flügelkolbens) gleich oder größer als 8 hervorragende wirtschaftliche Konstruktionen
möglich sind.
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Ob nun die neue Maschine als Kraft- oder als Arbeitsmaschine dient,
ist bezüglich der wirtschaftlich günstigsten Lösung der Ausbildung insofern gleichgültig,
als es in jedem Falle offensichtlich vorteilhaft ist, einen Ringkanal mit mehreren
Engstellen 4 und einem oder mehreren Flügelkolben 1 und einer oder mehreren Dichtflossen
2 anzuordnen oder noch besser die Nebeneinanderaufstellung von Ringkanälen, ebenfalls
je mit einer oder mehreren Engstellen 4 und einem oder mehreren Flügelkolben 1 und
einer oder mehreren Dichtflossen 2 vorzusehen.
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Wenn man mit zwei oder mehreren entsprechend gestellten Flügelkolben
1 und Dichtflossen 2 arbeitet, so kann man auch bei einem Ringkanal mit nur einer
einzigen Engstelle und natürlich auch mit solchen mit mehreren Engstellen Kraft-
und Arbeitsmaschinen direkt hintereinanderschalten, z. B. beim Dieselverfahren,
die Kompression direkt vor die Leistungserzeugung setzen. Entsprechende Versetzungen
von Kraft- und Arbeitsmaschinen sind ebenfalls möglich.
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Man kann ferner bei den verschiedenen Konstruktionsmöglichkeiten ohne
Schwierigkeit einstufig oder mehrstufig arbeitsleistend expandieren oder leistungsverbrauchend
komprimieren bzw. bei Bedarf auch gemischt verfahren. So kann z. B. eine in der
neuen Art ausgebildete dampfangetriebene Maschine auf mehrere Gegendrücke mit oder
ohne Kondensation arbeiten, wobei die einzelnen Expansionsverhältnisse, wie schon
beschrieben, veränderlich gemacht werden können. Ähnliches gilt sinngemäß auch für
die Verwendung der neuen Maschine als Arbeitsmaschine.
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Aus Abb. 5 ist, abgesehen von der wirtschaftlichen Zone, auch noch
zu entnehmen, wie die Maschine günstig zu gestalten ist. Im Diagramm bedeutet dabei:
c die Umfangsgeschwindigkeit durch Eigendrehung des Flügelkolbens 1; v die Relativgeschwindigkeit
der Flügelkolbenachse zum Ringkanal; F den Gesamtarbeitsraum; F"h, den schädlichen
Raum; x die Expansions- bzw. Kompressionsstrecke; y die Projektion vom Flügelkolben
1 senkrecht zur Drehrichtung; a die Dicke der Dichtflosse; b die Länge
des Gesamtarbeitsraumes.