DE112009002301T5

DE112009002301T5 - Rotationsmaschine mit ausgerichtetem Motor

Info

Publication number: DE112009002301T5
Application number: DE112009002301T
Authority: DE
Inventors: Glenn L. Havskjold; Mark David Horn; Khin C. Phui
Original assignee: Pratt and Whitney Rocketdyne Inc
Current assignee: Aerojet Rocketdyne of DE Inc
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2012-01-19
Also published as: CN102177325A; WO2010042693A2; US20110174261A1; WO2010042693A3

Abstract

Eine Welle für eine Rotationsmaschine definiert eine Rotationsachse, wobei eine erste exzentrische Nocke axial von einer zweiten exzentrischen Nocke entlang der Rotationsachse versetzt ist, wobei die erste exzentrische Nocke zu der zweiten exzentrischen Nocke ausgerichtet ist.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung beansprucht Priorität der vorläufigen Patentanmeldung US No. 61/103682 , angemeldet am 8. Oktober 2008, und bezieht diese unter Bezugnahme ein.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Rotationsmaschine/Rotationskolbenmaschine.
Maschinentechnologie stellt eine Vielzahl von Kompromissen zwischen Leistungsdichte und Kraftstoffverbrauch bereit.
Gasturbinenmaschinentechnologie bietet angemessen hohe Leistungsdichten, aber bei relativ geringen Größen ist der Kraftstoffverbrauch relativ hoch und die Effizienz relativ gering. Kleine Dieselkolbenmaschinen und -motoren haben einen angemessenen Kraftstoffverbrauch, können aber relativ schwer sein, mit Leistungsdichten typischerweise unter ungefähr 0.5 hp/lb, während Viertaktmaschinen und -motoren gleicher Größe Leistungsdichten aufweisen, die typischerweise unter ungefähr 0,8 hp/lb liegen. Zweitaktmaschinen und -motoren haben größere Leistungsdichten als vergleichbar große Vertaktmotoren, haben aber einen relativ höheren Kraftstoffverbrauch.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine Vielzahl von Merkmalen wird für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung der offenbarten, nicht beschränkenden Ausführungsform ersichtlich werden. Die Zeichnungen, die der detaillierten Beschreibung beiliegen, können kurz wie folgt beschrieben werden:
1 ist eine schematische Blockdiagrammansicht einer exemplarischen Rotationsmaschine;
2 ist eine Teilphantomansicht einer exemplarischen Rotationsmaschine;
3 ist eine teilweise zusammengebaute Ansicht der exemplarischen Rotationsmaschine aus 1, wobei der erste Rotorabschnitt dargestellt wird;
4 ist eine teilweise zusammengebaute Ansicht der exemplarischen Rotationsmaschine aus 1, wobei der zweite Rotorabschnitt dargestellt wird;
5 ist eine Explosionsansicht der Rotationsmaschine;
6 ist eine Längsschnittansicht der Rotationsmaschinenwellenanordnung;
7 ist eine perspektivische Ansicht einer Welle für die Rotationsmaschine;
8 ist eine perspektivische Ansicht der Welle mit einem ersten Rotor und einem zweiten Rotor, die in der ausgerichteten Spitzen-/Kuppen-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung daran angebracht sind; und
9 ist eine graphische Darstellung der ersten und zweiten Rotor-Vorlaufwinkelbeziehung bezogen auf die Netzleistung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 stellt schematisch eine Rotationsmaschine 20 dar, die einen ersten Rotorbereich 22 und einen zweiten Rotorbereich 24 aufweist. Die Rotationsmaschine 20 basiert auf einem Rotations- bzw. Wankeltypmotor. Ein Einlassanschluss 26 leitet Umgebungsluft an den ersten Rotorbereich 22 und ein Auslassanschluss 28 leitet Ausstoßprodukte aus diesem hinaus. Ein erstes Übertragungsrohr 30 und ein zweites Übertragungsrohr 32 kommunizieren zwischen dem ersten Rotorbereich 22 und dem zweiten Rotorbereich 24. Ein Kraftstoffsystem 36 zur Verwendung mit einem schweren Kraftstoff, wie JP-8, JP-4, natürliches Gas, Wasserstoff, Diesel und anderen, steht mit dem zweiten Rotorbereich 24 der Maschine 20 in Verbindung. Die Maschine 20 bietet gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte und einen geringen Kraftstofverbrauch für Vielseitige kommerzielle, industrielle, kompakt tragbare Leistungserzeugung und Luftfahrtanwendungen.
Mit Bezug auf 2 beinhaltet die Rotationsmaschine 20 wenigstens eine Welle 38, die um eine Rotationsachse A rotiert. Die Welle 38 beinhaltet ausgerichtete exzentrische Nocken 40, 42 (3 und 4), die einen jeweiligen ersten Rotor 44 und einen zweiten Rotor 46 antreiben, die auf eine abgestimmte Weise durch die gleiche Welle 38 angetrieben werden. Der erste Rotor 44 und der zweite Rotor 46 sind jeweils in den Volumen 48, 50, die durch ein stationäres erstes Rotorgehäuse 52 und ein stationäres zweites Rotorgehäuse 54 (3 und 4) gebildet sind, rotierbar. Das Kraftstoffsystem 36 beinhaltet, in einer nicht beschränkenden Ausführungsform, einen oder mehr Kraftstoffinjektoren, wobei zwei Kraftstoffinjektoren 36A, 36B in Verbindung mit dem zweiten Rotorvolumen 50 gezeigt sind, die im Wesentlichen der Seite des Rotorvolumens 50 gegenüberliegen, an der die Übertragungsrohre 30, 32, in einer nicht beschränkenden Ausführungsform, angeordnet sind. Es sollte verstanden werden, dass eine andere Kraftstoffinjektorenanordnung, andere Kraftstoffinjektorenorte und eine andere Anzahl von Kraft stoffinjektoren alternativ oder zusätzlich bereitgestellt werden können. Das Kraftstoffsystem 36 liefert Kraftstoff in das zweite Rotorvolumen 50. Das erste Rotorvolumen 48 stellt, in einer nicht beschränkenden Ausführungsform, ein größeres Volumen als das zweite Rotorvolumen 50 dar. Es sollte verstanden werden, dass verschiedene Formen und Anordnungen von Gehäusekonfigurationen alternativ oder zusätzlich bereitgestellt werden können (5).
Der erste Rotor 44 und der zweite Rotor 46 weisen umfangsmäßige Oberflächen auf, die drei in Umfangsrichtung beabstandete Spitze/Kuppen 44A, 46A beinhalten. Jede Spitze/Kuppe 44A, 46A beinhaltet eine Spitzen-/Kuppendichtung 44B, 46B, die in einem Gleitdichtungseingriff mit einer Umfangsfläche 48P, 50P des jeweiligen Volumens 48, 50 stehen. Die Flächen der Volumen 48, 50 sind, in Ebenen, die normal zu der Rotationsachse A stehen, im Wesentlichen die eines zweibäuchigen Epitrochoids, während die Flächen der Rotoren 44, 46, in den gleichen Ebenen, im Wesentlichen die der dreibäuchigen inneren Hülle des zweibäuchigen Epitrochoids sind.
Mit Bezug auf 6 sind die Rotoren 44, 46 an ein jeweiliges externes Zahnrad 56, 58 angebracht, wobei die Zahnräder 56, 58 in Eingriff mit komplementären rotations-stationären Zahnrädern 60, 62 stehen, die um die Achse A angebracht sind, um eine abgestimmte Rotation bereitzustellen. Das erste rotations-stationäre Zahnrad 60 kann zwischen einem ersten Endbereich 38A der Welle 38 und der Rotornocke 40 angeordnet sein. Das zweite rotations-stationäre Zahnrad 62 kann zwischen einem zweiten Endbereich 38B der Welle 38 und der zweiten Rotornocke 42 angeordnet sein. Die erste Rotornocke 40 treibt den ersten Rotor 44 an, wenn das erste rotations-stationäre Zahnrad 60 im Eingriff mit dem ersten externen Rotorzahnrad 56 ist, während die zweite Rotornocke 42 den zweiten Rotor 46 antreibt, wenn das zweite rotations-stationäre Zahnrad 62 im Eingriff mit dem zweiten externen Rotorzahnrad 58 ist, so dass der erste Rotor 44 und der zweite Rotor 46 in dem gleichen Winkelsinn und mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit laufen.
Im Betrieb tritt Luft durch den Einlassanschluss 26 (1) in die Maschine 20 ein. Der erste Rotor 44 stellt eine erste Kompressionsphase bereit und das erste Übertragungsrohr 30 leitet die verdichtete Luft von dem ersten Rotorvolumen 48 an das zweite Rotorvolumen 50 (2 und 3). Der zweite Rotor 46 stelle eine zweite Verdichtungsphase, Verbrennung und eine erste Expansionsphase bereit, wobei dann das zweite Übertragungsrohr 32 die Ausstoßgase von dem zweiten Rotorvolumen 50 an das erste Rotorvolumen 48 leitet (2 und 4). Der erste Rotor 44 sorgt für eine zweite Expansionsphase der Ausstoßgase, und die entspannten Ausstoßgase werden durch den Ausstoßanschluss 28 (1 und 2) ausgestoßen. Die Welle 38 vollzieht eine Umdrehung für jeden Zyklus, sodass es drei (3) Kurbelumdrehungen für jede vollendete Rotorumdrehung gibt. Da jede Rotorfläche einen Zyklus bei jeder Umdrehung vollzieht und es zwei Rotoren mit insgesamt sechs Flächen gibt, produziert die Maschine bemerkenswerte Leistung innerhalb eines relativ geringen Hubraums.
Die Welle 38 kann axial trennbare Bereiche aufweisen, die, in einer nicht beschränkenden Ausführungsform, trennbar zwischen den Nocken 40, 42 sind, um den Zusammenbau zu erleichtern. Alternativ oder zusätzlich können die erste Rotornocke 40 und die zweite Rotornocke 42 ebenfalls trennbare Bereiche sein. Die trennbaren Bereiche der Welle 38 können durch eine Verbindungsstange oder eine andere Befestigungsanordnung zusammengebaut werden, um den Zusammenbau gemäß dem Zusammenbau der rotations-stationären Zahnräder 60, 62 zu vereinfachen.
Die Welle 38 kann auch Lager 60B, Hülsen 62B oder andere Vorrichtungen mit geringer Reibung abstützen, um vergrößerte Schaftbereiche 38C aufnehmen. Die vergrößerten Schaftbereiche 38C erlauben es Lagern mit einem relativ großen Durchmesser, Hülsen oder anderen Vorrichtungen mit geringer Reibung, eine robuste und verlässliche Verbindung bereitzustellen, welche die strukturelle Festigkeit erhöht und Schmieranforderungen reduziert.
Bezogen auf 7 sind die erste Rotornocke 40 und die zweite Rotornocke 42 derart ausgerichtet, dass der erste Rotor 44 und der zweite Rotor 46 in einer ausgerichteten Spitzen-/Kuppenanordnung (8) arbeiten. Das heißt, dass jede Spitze/Kuppe 44A des ersten Rotors 44 mit einer jeweiligen Spitze/Kuppe 46A des zweiten Rotors 46 ausgerichtet ist und die jeweiligen exzentrischen Nocken 40, 42 ausgerichtet sind. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist jede Spitze/Kuppe 44A des ersten Rotors 44 innerhalb von zwanzig (20) Grad zu einer jeweiligen Spitze/Kuppe 46A des zweiten Rotors 46 angeordnet und die Exzentrität der zugehörigen Nocken 40, 42 ist innerhalb sechzig (60) Grad zueinander. In anderen Beispielen stehen die jeweiligen Spitzen/Kuppen 44A, 46A innerhalb fünfzehn Grad zueinander oder innerhalb 10 Grad zueinander. Die erste Rotornocke 40 kann eine andere Größe aufweisen als die zweite Rotornocke 42.
Mit Bezug auf 9 liefert die ausgerichtete Spitzen-/Kuppen-Anordnung Nutzleistungsausgabeeffekte, die mit einer Vorlaufwinkelanordnung verglichen werden können, in welcher die Nocken 40, 42 nichtausgerichtet sind. In einer nicht ausgerichteten Anordnung ist die Leistung relativ gering. in gleicher Weise steigt die Leistung, wenn die Nocken 40, 42 ausgerichtet werden. Die ausgerichtete Spitzen-/Kuppen-Anordnung minimiert die Länge und die daraus folgenden Volumen des ersten und zweiten Übertragungsrohrs 30, 32, was im Wesentlichen die Leistung, die Effizienz und die strukturelle Festigkeit erhöht, die Maschinenmasse und die Packungs-/Unterbringungsüberlegungen jedoch reduziert. Die ausgerichtete Rotoranordnung erleichtert auch ein Übertragungsanschlusstiming, welches die Leistung und Effizienz, durch das Maximieren der Massenübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor 44, 46, sowohl in der Verdichtungs- als auch in der Entspannungsphase des Zyklus, noch weiter erhöht.
Es ist anzunehmen, dass gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen zugehörige oder gleiche Elemente bezeichnen. Es ist ebenfalls anzunehmen, dass obwohl eine bestimmte Komponentenanordnung in der dargestellten Ausführungsform offenbart ist, andere Ausführungsformen davon profitieren werden.
Obwohl bestimmte Schrittabfolgen beschrieben und beansprucht sind, ist es zu verstehen, dass die Schritte in jeder Reihenfolge, getrennt oder kombiniert, ausgeführt wenden können, wenn es nicht anders angezeigt ist, und dennoch von der vorliegenden Offenbarung profitieren werden.
Die vorangehende Beschreibung ist exemplarisch und nicht durch die enthaltenen Beschränkung definiert. Eine Vielzahl von nicht beschränkenden Ausführungsformen sind hierin offenbart, jedoch würde ein Fachmann erkennen, dass eine Vielzahl von Modifikationen und Variationen hinsichtlich der oben beschriebenen Lehre in den Rahmen der angehängten Ansprüche fallen. Es ist daher zu verstehen, dass, innerhalb des Rahmens der anhängigen Ansprüche, die Offenbarung anders als im einzelnen beschrieben ausgeführt werden kann. Aus diesem Grund sollten die anhängigen Ansprüche studiert werden, um den wahren Umfang und Inhalt zu ermitteln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 61/103682 [0001]

Claims

Rotationsmaschine umfassend: eine Welle, die eine erste Nocke und eine zweite Nocke aufweist, wobei die erste Nocke axial versetzt von und ausgerichtet mit der zweiten Nocke ist.
Rotationsmaschine nach Anspruch 1, wobei die erste Nocke innerhalb von sechzig (60) Grad zu der zweiten Nocke ausgerichtet ist.
Rotationsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Nocke einen Durchmesser aufweist, der verschieden von einem Durchmesser der zweiten Nocke ist.
Rotationsmaschine einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Welle zwischen der ersten Nocke und der zweiten Nocke teilbar ist.
Rotationsmaschine umfassend: eine Welle, die eine erste Nocke und eine zweite Nocke beinhaltet, wobei die erste Nocke axial versetzt von der zweiten Nocke ist; einen ersten Rotor, der wenigstens teilweise um die erste Nocke angebracht ist, wobei der Rotor einen Rotorspitzenbereich aufweist; und einen zweiten Rotor, der wenigstens teilweise um die zweite Nocke angebracht ist, wobei der zweite Rotor einen Rotorspitzenbereich aufweist, wobei der Rotorspitzenbereich der ersten Nocke zu dem Rotorspitzenbereich der zweiten Nocke ausgerichtet ist.
Rotationsmaschine nach Anspruch 5, wobei die erste Nocke innerhalb von sechzig (60) Grad zu der zweiten Nocke ausgerichtet ist.
Rotationsmaschine nach Anspruch 5 oder 6, wobei die jeweiligen Rotorspitzenbereiche innerhalb von zwanzig (20) Grad zueinander ausgerichtet sind.
Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die erste Nocke innerhalb von neunzig (90) Grad zu der zweiten Nocke ausgerichtet ist.
Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die jeweiligen Rotorspitzenbereiche innerhalb von dreißig (30) Grad zueinander ausgerichtet sind.
Rotationsmaschine umfassend: einen ersten Rotor, der eine erste Verdichtungsphase bereitstellt; und einen zweiten Rotor, der in Verbindung mit dem ersten Rotor steht, um eine zweite Verdichtungsphase, eine Verbrennung und eine erste Expansionsphase bereitzustellen, wobei der zweite Rotor in Verbindung mit dem ersten Rotor steht, um eine zweite Expansionsphase bereitzustellen, wobei der erste Rotor und der zweite Rotor durch eine einzige Welle derart rotiert werden, dass jeweilige Spitzen/Kuppen des zugehörigen ersten Rotors und des zweiten Rotors ausgerichtet sind.
Rotationsmaschine nach Anspruch 10, wobei jeweilige Spitzen/Kuppen des entsprechenden ersten Rotors und des zweiten Rotors innerhalb von dreißig (30) Grad zueinander ausgerichtet sind.
Rotationsmaschine nach Anspruch 10 oder 11, wobei der erste Rotor einen Rotarumfang aufweist, der großer ist als der zweite Rotor.
Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der erste Rotor wenigstens teilweise um eine erste exzentrische Nocke der Welle angebracht ist und der zweite Rotor wenigstens teilweise um eine zweite exzentrische Nocke der Welle angebracht ist.
Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der erste Rotor drei in Umfangsrichtung beabstandete erste Rotorspitzen definiert und der zweite Rotor drei in Umfangsrichtung beabstandete zweite Rotorspitzen definiert.
Rotationsmaschine nach Anspruch 14, wobei jeweilige Spitzen/Kuppen des zugehörigen ersten Rotors und zweiten Rotors zueinander innerhalb von sechzig (60) Grad ausgerichtet sind.