DE19720048A1 - Drehkolbenmaschine als heißer Expander und als sprühwassergekühlter isothermer Kompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kämmeingriffsmaschine mit drei Innenläufer­ drehkolben, vier Außenläuferarbeitsräumen, sowie acht Profilschneidkan­ ten, mit Gehäuse, Läufern und Exzenterlagerböcken aus gekühltem 36%- Nickelstahl und im Betrieb durch thermische Dehnung sich auf Minimal­ spalt einschleifenden Drehkolben aus bearbeitbarer Keramik.

Sie schließt an die Schriften DE 44 39 942 A1, DE 195 17 879 A1 und 196 24 618.0 über Drehkolbenmotoren mit zwei in drei Außenläuferarbeits­ räume eingreifenden Drehkolben an, geht aber zum geschilderten Ver­ drängertypen nach DE 37 02 558 A1 über, weil dieser sich für das Selbst­ einschaben der Dichtspalte besonders eignet und außerdem dank kleinerer Exzentrizität und steiferem Innenläufer eine wesentlich höhere Schnell­ läufigkeit und spezifische Leistung der Maschine erlaubt. Seine Schneid­ kanten können mit harten Schneidwerkstoffen als scharfe Schneiden ausge­ bildet werden, gegen die sich gemäß der Vorerfindungen die bearbeitbaren Profile der Drehkolben im Startbetrieb in hunderttausend Schabschritten mit winzigem Vorschub vordehnen. Beim Erreichen der Betriebstemperatur hört der Dehnvorschub auf, und die Schneiden werden zu Dichtkanten über leicht erzeugten, aber anders nicht herstellbaren, kleinsten Dichtspalten, welche selbst bei überkritischem Druckverhältnis und Schalldurchströmung nur minimale Leckverluste zulassen. Die Vorfertigung der Läufer darf dabei mit großer Toleranz erfolgen. Der Einlauf geschieht unter normaler Betriebsbelastung.

Wegen des extrem niedrigen Brennstoffbedarfs (Dieselöl), der ohne Kata­ lysator und besonders auch bezüglich der Stickoxide absolut schadstoff­ armen Abgase, sowie der niedrigen Herstellkosten obigen Motors bleiben sein Kompressor und sein Expander die vorrangigen Erfindungsziele. Bei letzterem gestattet der Wechsel des Kämmeingriffstypen die vollständige Keramik-Schutzkachelung der gekühlten, tragenden Metallkerne von Außen- und Innenläufer. Es bietet sich aber an, den Innenläufer nicht mehr aus Invarstahl, sondern aus hochfestem, legiertem Baustahl zu produzieren, um die Motorleistung weiter zu steigern. Dafür ist das Netz der internen Kühlölkanäle unter der Keramikverkleidung zu verdichten.

Das Prinzip der Engspalterzeugung im Dehnvorschub führt die Kämmein­ griffsmaschine aber auch in die höchste Konkurrenz zum Schrauben- und zum Vielzellenverdichter, da sie mit Öl nicht kontaminiertes Druckgas mit hohem Stufendruckverhältnis, gutem Wirkungsgrad und kleiner Maschi­ nengröße fördern wird. Von besonderem Leistungs- und Wirkungsgradvorteil erweist sich der isotherme Verdichter, den die Konkurrenz durch Kühlung und gleichzeitige Dichtung mittels eines Ölnebels verifiziert. Bei der vorgeschlagenen Kämmeingriffsmaschine zeigt es sich aber als äußerst günstig, daß sie ölfreie Arbeitsräume besitzt, und man die Kompressions­ wärme in ihr mit Hilfe eines Wassernebels aus dem Druckgas herausziehen kann. Wasser hat sowohl eine größere Wärmekapazität als auch eine nie­ drigere Zähigkeit als Schmieröl. Es wird in erheblich kleinerer Menge benötigt, die sich feiner zerstäuben und verteilen und leichter wieder abscheiden läßt, die Wärme besser übernimmt und weniger Reibung erzeugt. Wie die Ölfilme beteiligen sich auch die Wasserfilme an der Kolbendich­ tung, wenn diese auch dank der Minimalspaltherstellung an sich schon gut ist.

Obwohl das Sprühwasser in konventioneller Weise in den Saugkanal des Verdichters eingesprüht werden kann, wird seine Zufuhr durch den Innen­ läufer hindurch bevorzugt, weil sie eine bessere Verteilung und effekti­ vere Zerstäubung sichert. Für die letztere drückt das Arbeitsgas das Wasser unter den Schneiddichtkanten hindurch von der Druck- auf die Niederdruckseite der Drehkolben und verdüst es dabei. Bei absoluten Engspalten kann das nur mangelhaft ablaufen, da das Wasser mehr zusam­ mengerollt als zersprüht würde. Wird der Spalt etwas höher gemacht, strömt teilweise auch Leckluft mit Schallgeschwindigkeit durch ihn aus, beschleunigt den Wasserfilm und zerreißt ihn in optimaler Luftstrom­ zerstäubung in allerfeinste Tröpfchen, die sich mit riesiger Oberfläche über das Luftvolumen verteilen und ihm Wärme entziehen. Bei zu großem Spalt werden die Leckverluste zu hoch.

Das System erlaubt es, die optimale Spaltweite mikrometergenau herzu­ stellen, indem beim ersten Start die Aufheiztemperatur des Innenläufers entsprechend überzogen wird; denn, da der isotherme Verdichter sich nicht erwärmt, muß bei ihm der Innenläufer mit dem durchgeleiteten Schmieröl aufgeheizt anstatt gekühlt werden. 70 bis 80°C heißes Öl reicht aus, das, wenn es den Invar-Außenläufer durchströmt, bei diesem noch keine nennenswerte Dehnung hervorruft. Mit einem nachgeschalteten Tröpfchenabscheider ergibt sich ein ausgezeichneter isothermer Kompres­ sor für sauberes, wasserdampfgesättigtes Druckgas, das jedoch auch ge­ trocknet werden kann.

Die Erfindungsaufgabe besteht aus zwei Teilen:

• 1. Entwerfe eine Kämmeingriffsmaschine mit drei Drehkolben am Innen- und vier Arbeitsräumen im Außenläufer als Heißgasexpander mit selbst­ tätiger Minimalspalterzeugung!
• 2. Gestalte eine analoge Maschine als wassernebelgekühlten isothermen Kompressor!

Der Grundaufbau beider Maschinen ist gleich. Sie unterscheiden sich dadurch, daß der Expander am Außen- und Innenläufer und im Gehäuse im Arbeitsteil wärmedämmende Keramikschichten trägt, und daß der Kompressor statt dessen nur eine schabbare Kunststoffbeschichtung und nur auf dem Innenläufer besitzt, daß in diesem die gleichen Kühlölkanäle mit glei­ cher Öltemperatur jetzt als Wärmespender arbeiten, und daß er zusätz­ lich eine Sprühwassereinspeisung mit Wasserverteilungskanälen und auf die Drehkolbenoberfläche spritzenden Düsen aufweist.

Der Außenläufer und das Gehäuse bestehen nach wie vor aus gekühltem 36%-Nickelstahl und dehnen sich im Betrieb nur wenig. Für den massiven einteiligen Innenläufer wird jedoch hochfester Vergütungsstahl einge­ setzt, und nahe seiner Kolbenoberfläche werden die Kühlölkanäle so eng beieinander angeordnet, daß der Kern die Öltemperatur annimmt und sich ihr entsprechend dehnt. Im Expander sind in das Material außerhalb des Kühlkanalkäfigs eventuell Kleinstnuten einzuschneiden, damit es sich dehnen kann, ohne den Läufer zu verformen. Im Expander stellen einge­ lassene HPSN-leisten, und im Kompressor aufgedampftes Titannitrid die Schneidkanten im Außenläufer standfest dar. Die Kontur des Innenläufers muß frei mit der ISA-Toleranz 6 bis 7 im Außenläufer laufend gefertigt werden, damit sie sich bei 70°C Kühl- bzw. Wärmöltemperatur auf Null­ spalt einschabt. Beim Kompressor wird mit einer mäßig höheren Öltemperatur im ersten Lauf der für die Wasserzerstäubung und den Wirkungsgrad schätzungsweise optimale Freispalt von 7 bis 12 Mikrometern erzielt.

Beide Läufer der Maschinen rotieren sowohl durch deren Hoch- als auch Niedertemperaturbereich, die es zwar nicht bei isothermer Kompression, aber bei adiabater Kompression und bei der Expansion gibt. Die Keramik­ verkleidung nimmt dabei eine mittlere Oberflächentemperatur von z. B. 180 bzw. 700°C an. Während innen im Außenläufer Keramikkalotten, die auch die Steuerschlitze enthalten, aus Al₂TiO₅ oder Cordierit als Wär­ medämmung in die Arbeitsräume eingebaut werden, lassen sich außen auf ihm, sowie auf den Drehkolben des Innenläufers relativ dünne, durch Beschaben bearbeitbare Längskacheln aus diesen Werkstoffen oder aus RBSN in Schwalbenschwanznuten installieren. Für die Fliehkraftbelastung, die periodisch hochfrequent von den Druckkräften gesenkt wird, reicht selbst die niedrige Zug- und Biegefestigkeit von Aluminiumtitanat noch mit großer Sicherheit aus. Um das Biege- und Verdrehwiderstandsmoment des Innenläuferkerns, und damit die spezifische Leistung der Maschine, so groß wie möglich zu halten, muß die Kacheldicke möglichst dünn ge­ staltet werden. Sie richtet sich nach der Stabilität, dem zulässigen Temperaturgradienten des Materials und der Kühlkapazität.

Der Innenläufer hat eine starke seitliche Druckbelastung und ein hohes Drehmoment zu tragen, während der Außenläufer nur schwach belastet ist. Dessen Drehsynchronisation wird über ein externes Doppelzahnrad und einen Außenzahnkranz bewerkstelligt, damit innen Raum für starke Exzen­ terlagerböcke bleibt. Sie gestatten den einteiligen Innenläufer in ro­ busten, langlebigen Rollenlagern aufzunehmen, während der zweiteilige, mit vier Zugankern zusammengeschraubte Außenläufer große, raumsparend in ihn selbst eingearbeitete Vierflächengleitlager erhält. Beide Lage­ rungen sind spielarm und höchst präzise, so daß sich dank der Werkstoffe und der Kühlung 20 bis 40 Mikrometer hohe Laufspalte zwischen den beiden Läufern und dem Gehäuse halten lassen.

Die Lager werden in die Kühlölströme der Läufer einbezogen und haben antriebsseitig jeweils größere Durchmesser als auf der anderen Seite, wodurch der Ölstrom angetrieben wird. Da eine Laufspaltabdichtung mittels gegenläufiger Ölfördergewinde und Druckschwelle eine zu hohe Reibleistung verlangt, werden beim Expander einfache Rückfördergewinde vorgesehen, die verhindern, daß Schmieröl in die Spalte eindringt. Der Druck in den Ölströmen wird niedrig gehalten, so daß auch von seiten der Förder­ gewinde dünnes Öl gewählt werden darf, das gut kühlt und weniger Lager­ reibung bringt. Die engen und im Vergleich zu ihrer Höhe enorm tiefen Laufspalte weisen hohe Widerstände für laminar durchströmendes Leckgas auf und werden bewußt als Leckgasquelle akzeptiert, da nur 1 bis 2 Pro­ zent des Arbeitsgases durch sie hindurch in das Schmieröl abfließen. Beim Austritt aus dem Getriebegehäuse wird das Leckgas entölt. Zum Ab­ schluß der Laufspalte bei Maschinenstillstand werden auf die Läufer mitrotierende Wellendichtringe montiert, deren ringfederangepreßte E­ lastomerdichtlippen bei Rotation zentrifugal abheben und nicht verschlei­ ßen. Beim isothermen, Sprühwassergekühlten Kompressor werden an den Arbeitsraumenden der Laufspalte zusätzlich sehr sehr flache Wasserrück­ fördergewinde in die Läufer geschnitten. Sie erzeugen zwar dem mittleren Umfangsdruck entsprechend Reibung, vermeiden dafür aber den Leckgasver­ ins Öl hinein. Bei den hohen Umfangsgeschwindigkeiten erzeugen relativ kurze Fördergewinde auch mit Wasser bereits genügend Druck.

Bei dem isothermen Kompressor soll das Sprühwasser gezielt filmartig auf die Oberfläche der Drehkolben aufgebracht werden, so daß es optimal für die Verdüsung an den Schneiddichtkanten ansteht. Es wird am Nicht­ antriebsende, wie das heiße Schmieröl, in die Innenläuferwelle einge­ speist. Während das Öl durch das Rollenlager strömt, bevor es mit schrä­ gen Bohrungen in den koaxialen Zentralkanal der Welle geleitet wird, tritt das Wasser, mit einem Rückfördergewinde und einem Stillstandswel­ lendichtring abgedichtet, aus dem Speiserohr in ein koaxial in Zentral­ kanal liegendes Kunststoffrohr ein. Der schlecht wärmeleitende Kunststoff läßt wenig Wärme aus dem Öl in das Wasser übergehen. Auf Drehkolbenhöhe verteilen zunächst radiale Bohrkanäle das Öl auf den Heizkanalkäfig, um es am anderen Kolbenende ebenso in den Zentralkanal zurückzuleiten. Danach gehen vom Wasserohr aus sechs wärmegedämmte radiale Stichleitungen zu drei Längskanälen nahe den Füßen der Drehkolben ab. Aus diesen wird das Sprühwasser in zahlreichen dünnen Strahlen tangential in Laufrich­ tung fußnah auf die Kolbenoberfläche gespritzt. Unter Fliehkraftbe­ schleunigung breitet es sich filmartig über diese aus, während die Schneiddichtkanten mit der gewählten optimalen Spalthöhe in Gegenrich­ tung über den Film hinwegstreichen. Der Tröpfchennebel verteilt sich über das Gasvolumen und benetzt und kühlt auch die Arbeitsraumwände im Außenläufer, um dann infolge der Fliehkraft durch die Steuerschlitze aus diesem herausgeschleudert zu werden. Im Aus-, aber auch im Einlaß­ kanal wird es abgeschieden, obgleich es aus dem letzteren heraus auch mit dem angesaugten Frischgas zum Teil auch wieder eingeblasen wird. Die Kompressionsendtemperatur und mit ihr der Verdichterwirkungsgrad hängen von der Zerstäubungsgüte und der Nebelverteilung ab. Bessere Qualitäten brauchen weniger Wasser für die gleiche Endtemperatur. Des­ halb zahlt sich die sorgfältige Wasserzufuhr und -filmbildung aus. In den radialen Stichkanälen erzeugt die Zentrifugalbeschleunigung genügend Wasserdruck für die Einspritzung mit Überwindung des Gasdruckes. Das Sprühwasser darf mit niedrigem Vordruck, der sich leicht abdichten läßt, angeliefert werden.

Die Erfindung ist in den Fig. 1 bis 6 dargestellt. Im einzelnen zeigen die

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen isothermen Kompressor entlang der der Linie I-I in Fig. 2, die

Fig. 2 einen Längsschnitt durch diesen Kompressor entlang der Linien II-II in den Fig. 1, 3 und 4, die

Fig. 3 eine Queransicht dieses Kompressors von der Linie III-III in Fig. 2 aus, die

Fig. 4 einen Querschnitt durch diesen Kompressor entlang der Linie IV-IV in Fig. 2, die

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen mitrotierenden Wellendichtring mit zentrifugal abhebender Dichtlippe und integriertem Ölrück­ fördergewinde, und die

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen dem isothermen Kompressor analo­ gen Heißgasexpander.

Bei dem leichten Wellendichtring ist das Elastomer um die metallene Ringfeder herumgezogen, damit nicht nur seine sondern auch ihre Flieh­ kraft an der Dichtlippe zieht. Bei Abhebung um einen halben Millimeter legt das Elastomer sich außen an. Ansonsten genügt zusätzlich zur vorauf­ gegangenen Beschreibung die Aufstellung einer Bauteil- und Merkmalliste:
Bauteilliste: 1 Schneidkanten im Kompressoraußenläufer, z. B. mit Titan­ nitridschicht, 2 Keramikschneidleisten im Expanderaußenläufer, z. B. aus gepreßtem Siliziumnitrid HPSN, 3 Kompressoraußenläufer, 4 Kompres­ sorinnenläufer, 5 Oberflächenschicht aus bearbeitbarer Keramik, z. B. Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅), Cordierit oder RBSN (Si₃N₄), 6 beschabbare Oberflächenbeschichtung, z. B. mit gefülltem Epoxydharz, 7 Expanderdreh­ kolben, 8 Kompressordrehkolben, 9 oberflächennahe Kühlkanäle, 10 ober­ flächennahe Heizkanäle, 11 Schwalbenschwanznuten, 12 Längskacheln von (5), 13 Arbeitsraumkalotte aus Aluminiumtitanat oder Cordierit, 14 Steu­ erschlitz, 15 Schwalbenschwanznuten, 16 keramische Längskacheln, 17 Expanderaußenläufer, 18 Außenläuferhälfte mit eingesenkten Arbeitsräumen (70) sowie Zentrierrand, 19 Außenläuferhälfte, 20 Zuganker, 21 eingear­ beitetes Vierflächengleitlager, 22 Führungsaxialgleitlager, 23 Expander­ innenläufer, 24 Rollenlager, 25 Axialführung an (24), 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 Kühl-(bzw. Wärm-)ölkanäle, 35, 36, 37 Laufspalte zwischen den Läufern sowie diesen und dem Gehäuse, 38 Ölrückfördergewinde, 39 zentri­ fugal abhebender Stillstandswellendichtring, 40 Wasserrückfördergewinde, 41 Wasserzuführrohr, 42 wärmedämmendes zentrales Kunststoffrohr, 43 wärmegedämmter radialer Stichkanal, 44 Längsverteilungskanal, 45 Wasser­ aufspritzdüsen, 46 Wasserrückhaltegewinde, 47 Wellendichtring, 48 Kom­ pressor-, bzw. Expandergehäuse aus 36%-Nickelstahl, 49 Blechmantel, 50 Kühlwasserraum, 51 Gehäuseflansch, 52 hinterer Exzenterlagerbock aus 36%-Nickelstahl mit Gehäuseboden, 53 vorderer Exzenterlagerbock aus 36%-Ni-stahl, 54 Lagerbuchse aus Gleitlagerwerkstoff, 55 kerbver­ zahnt angeschraubter vorderer Gehäuseboden aus 36%-Ni-stahl, 56 Durch­ bruch in (55) für das Außenläufertreibrad (62), 57 Außenläuferaußen­ zahnkranz, 58 Innenläuferwelle, 59 Kompressorantriebszahnrad, 60 Synchro­ nisierzahnrad, 61, 62, 63 externes Doppelzahnrad, in (60) und (57) ein­ greifend, 64 Doppelradachse, 65 Kompressoreinlaß, 66 Einlaßmündung, 67 Kompressorauslaß, 68 Auslaßdiffusor, 69 Auslaßmündung, 70 Arbeits­ raum, 71 Drehkolbendichtspalt, 72 Zerstäubungsnebel, 73 Kühl- und Schmierölzufuhr, 74 Elastomerdichtlippe, 75 Spiralringfeder, 76 umschlie­ ßendes Elastomer, 77 Brennkammer, 78 Expandereinlaßkanal, 79 Expander­ auslaßmündung, 80 keramische Gehäuseauskleidung aus Al₂TiO₅ oder Cordi­ erit, 81 keramische Kanalauskleidung.

Claims (7)

1. Kämmeingriffsmaschine mit drei Innenläuferdrehkolben, vier Außenläu­ ferarbeitsräumen, sowie acht Profilschneidkanten, mit Gehäuse, Läu­ fern und Exzenterlagerböcken aus gekühltem 36%-Nickelstahl und im Betrieb durch thermische Dehnung sich auf Minimalspalt einschlei­ fenden Drehkolben aus bearbeitbarer Keramik, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneidkanten (1, 2) des Außenläu­ fers (3, 17) aus Schneidwerkstoff, z. B. Titannitrid, TiN, oder HPSN, Si₃N₄, bestehen, und daß der Innenläufer (4, 23) einteilig aus hoch­ festem Stahl gefertigt und nahe der mit schabbarem Werkstoff be­ schichteten Oberfläche (5, 6) der Drehkolben (7, 8) dicht mit internen Kühlölkanälen (9), bzw. Wärmölkanälen (10), versehen ist.

2. Kämmeingriffsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (5) der Drehkolben (7) von in Schwalben­ schwanznuten (11) eingesetzten und -geklebten Längskacheln (12) aus Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅), Cordierit oder raktionsgebundenem Siliziumnitrid, RBSN, gebildet wird.

3. Kämmeingriffsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (6) der Drehkolben (8) aus anhaftendem Kunst­ stoff, z. B. gefülltem Epoxydharz, besteht.

4. Kämmeingriffsmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Außenläufer (17) Arbeitsraumkalotten (13) aus Al₂TiO₅, Cordierit oder RBSN, Steuerschlitze (14) enthaltend, eingesetzt sind, und daß er außen in Schwalbenschwanznuten (15) eingesetzte keramische Längskacheln (16) aus derartigem Werkstoff trägt.

5. Kämmeingriffsmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenläufer (3, 17) zweigeteilt (18, 19), von Zugankern (20) zusammengehalten, ausgeführt ist, sowie beidseitig Vierflächengleit­ lager (21) und axiale Führungslager (22) eingearbeitet hat, während der Innenläufer (4, 23) auf beiden Seiten in Rollenlagern (24) mit mit Axialführung (25) läuft.

6. Kämmeingriffsmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (21, 22, 24, 25) durch Bohrkanäle (26, 27) in die Kühlöl­ systeme (28, 29, 30, 31, 9, 10, 32, 33, 34) einbezogen sind, und daß die Laufspalte (35, 36, 37) mit Ölrückfördergewinden (38) und zentrifugal abhebenden Stillstandswellendichtringen (39) abgesperrt sind.

7. Kämmeingriffsmaschine nach Anspruch 1, 3, 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ihr Außen- und ihr Innenläufer (3, 23) an den arbeits­ raumseitigen Enden der Laufspalte (35, 36, 37) Wasserrückfördergewinde (40) tragen, und daß sie ein Wassereinspeisungssystem durch den Innenläufer hindurch mit Zuführrohr (41), wärmedämmendem Zentralrohr (42) aus Kunststoff, wärmegedämmten radialen Stichkanälen (43), oberflächennahen Längsverteilungskanälen (44), tangential auf die Drehkolben (8) spritzenden Düsen (45), Wasserrückhaltegewinde (46) und Wellendichtring (47) hat.