DE19935243A1

DE19935243A1 - Mittels eines Druckfluides angetriebene Maschine

Info

Publication number: DE19935243A1
Application number: DE1999135243
Authority: DE
Inventors: Ewald Wilhelm Simmerlein
Original assignee: Ewald Wilhelm Simmerlein
Current assignee: SIMMERLEIN, EWALD WILHELM, 91257 PEGNITZ, DE
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2001-02-01

Abstract

Es wird eine Maschine (10) mit einem Rotor (12) beschrieben, der in einem Gehäuse (14) drehbar gelagert ist. Der Rotor (12) ist scheibenförmig mit Prallabschnitten (18) und mit an die Prallabschnitte (18) anschließenden Ausströmabschnitten (20) ausgebildet. Die Prallabschnitte (18) und die zugehörigen Ausströmabschnitte (20) sind durch Rückenflächen (30) verbunden, die mit der Gehäuseinnenfläche jeweils einen im Vergleich zum Volumen des scheibenförmigen Rotors (12) kleinen Freiraum (32) festlegen. Zwischen dem Rotor (12) und der stromabwärtigen Gehäusestirnfläche (36) des Gehäuses ist ein Pufferraum (38) vorhanden. Die Auslaßeinrichtung (40) weist mindestens eine aus dem Pufferraum (38) ausmündende Auslaßöffnung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor, wobei am Gehäuse mindestens eine Einlaßdüse zur Beaufschlagung des Rotors mit einem Druckfluid und eine Auslaßeinrichtung für das Druckfluid vorgesehen sind, der Rotor mit nach innen gewölbten Prallabschnitten für das durch die mindestens eine Düse annähernd tangential zur Bahnkurve der Prallabschnitte gerichtete Druckfluid ausgebildet ist, die Prallabschnitte von der Rotorachse radial gleich weit entfernt und mindestens annähernd tangential in die gleiche Umfangsrichtung orientiert sind, und an jeden Prallabschnitt ein mindestens annähernd achsparallel verlaufender Ausströmabschnitt anschließt.

Aus der DE 39 18 713 C2 ist eine der oben genannten Maschine ähnliche Maschine bekannt, die als Brennkraftmaschine mit einem Rotorgehäuse ausgebildet ist, in dessen Innenraum ein Rotor mit einer Rotorwelle drehbar gelagert ist, wobei am Rotorgehäuse mindestens eine eine Düse aufweisende Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines den Rotor antreibenden Explosionsgemisches vorgesehen ist. Das mit einem Auslaß versehene Rotorgehäuse weist eine zylindrische Innenmantelfläche auf. Der Rotor ist mit konkav eingedellten Prallabschnitten für das durch die Düse annähernd tangential zur Bahnkurve der Prallabschnitte gerichtete Verbrennungs- bzw. Explosionsgemisch ausgebildet. Die Prallabschnitte sind von der Rotorwelle gleich weit beabstandet und weisen alle in die gleiche Drehrichtung. Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine ist der Rotor als Flügelrad mit von der Rotorwelle radial wegstehenden Flügelelementen ausgebildet, wobei jedes Flügelelement mit einem der Prallabschnitte und einem daran anschließenden Ausströmabschnitt ausgebildet ist, der annähernd achsparallel verläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt, wobei der Druck des die Maschine antreibenden Druckfluids an der Auslaßeinrichtung erhalten bleibt, um mit der Maschine auch peripher kombinierte Gerätschaften wirksam antreiben zu können.

Diese Aufgabe wird bei einer Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor scheibenförmig mit die Prallabschnitte und die zugehörigen Ausströmabschnitte verbindenden Rückenflächen ausgebildet ist, die mit der Gehäuseinnenfläche jeweils einen im Vergleich zum Volumen des scheibenförmigen Rotors kleinen Freiraum festlegen, daß die axiale Länge des scheibenförmigen Rotors kleiner ist als die axiale Länge des Gehäuses, so daß zwischen der rückseitigen Stirnfläche des Rotors, an der die Ausströmabschnitte ausmünden und der dieser gegenüberliegenden Innenfläche einer stromabwärtigen Gehäusestirnfläche des Gehäuses ein Pufferraum vorhanden ist, und daß die Auslaßeinrichtung mindestens eine aus dem Pufferraum ausmündende Auslaßöffnung aufweist.

Bei dem Druckfluid zur Beaufschlagung des Rotors der erfindungsgemäßen Maschine kann es sich um ein Flüssigkeit oder um ein Gas handeln. Bei dem Gas kann es sich bspw. um Druckluft handeln.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine kann der jeweilige Ausströmabschnitt ausgehend vom zugehörigen Prallabschnitt eine konstant bleibende radiale Tiefe aufweisen, bevorzugt ist es jedoch, wenn der jeweilige Ausströmabschnitt ausgehend vom zugehörigen Prallabschnitt eine allmählich größer werdende radiale Tiefe aufweist. Durch eine solche Ausbildung der zuletzt genannten Art ergeben sich optimale Strömungsverhältnisse, wobei der an den Rotor anschließende Pufferraum dafür sorgt, daß der Druck des die Maschine beaufschlagenden Druckfluides quasi erhalten bleibt, d. h. an der Auslaßeinrichtung mit der mindestens einen aus dem Pufferraum ausmündenden Auslaßöffnung zur Verfügung steht.

Die Auslaßeinrichtung kann eine Anzahl Auslaßöffnungen aufweisen, die an der stromabwärtigen Gehäusestirnfläche des Gehäuses der erfindungsgemäßen Maschine vorgesehen sein können. Die Auslaßöffnungen können zur Rotorachse konzentrisch äquidistant vorgesehen sein. Das Druckfluid wird dann optimal ausgenutzt, wenn am Gehäuse eine Anzahl Einlaßdüsen vorgesehen sind, so daß eine entsprechende Anzahl Prallabschnitte des Rotors der erfindungsgemäßen Maschine gleichzeitig mit dem Druckfluid beaufschlagt werden. Als zweckmäßig hat es sich hierbei erwiesen, wenn die Anzahl Einlaßdüsen größer ist als die Anzahl der am Rotor ausgebildeten Prallabschnitte mit zugehörigen Ausströmabschnitten.

Zur weiteren Verbesserung der Energieumsetzung, d. h. zur Optimierung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Maschine ist es zweckmäßig, wenn an der Rotorachse mindestens eine Schwungmasse angebracht ist. Bei dieser Schwungmasse kann es sich um ein variables, d. h. radial verstellbares Masseschwungrad handeln, das bspw. an der Frontseite und/oder an der Rückseite des Gehäuses der Maschine an deren Rotorachse vorgesehen sein kann.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Maschine als Generator zur Stromerzeugung auszubilden. Hierbei kann der Rotor mit einer geeigneten Rotorwicklung und das Gehäuse der Maschine als Stator ausgebildet sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in das Gehäuse der erfindungsgemäßen Maschine einen elektrischen Generator zu integrieren, d. h. an den Rotor der Maschine einen Rotor eines Generators anzukoppeln, der sich in einem Stator dreht.

Wird die erfindungsgemäße Maschine mit einem hochgespannten Fluiddampf angetrieben, so kann die mindestens eine Einlaßdüse mit einer Partikel- bzw. Kondensationsmittel-Zuführung kombiniert sein. Desgleichen ist es möglich, die mindestens eine Einlaßdüse aufweisende Fluidzuführeinrichtung mit einer Bypaßleitung zu kombinieren, um das jeweilige Druckfluid optimal einsetzen zu können.

Nachdem das Druckfluid erfindungsgemäß mit hohem Wirkungsgrad genutzt wird, ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine Anzahl erfindungsgemäße Maschinen in Reihe zusammenzuschalten. Dabei kann sich mindestens eine erfindungsgemäße Maschine in einem Temperaturbereich, vorzugsweise im Fluidtemperaturbereich, befinden. Desgleichen ist es möglich, daß sich mindestens eine Maschine in einem Druckbereich, vorzugsweise im Fluiddruckbereich, befindet. Aus dem zuletzt Gesagten ergibt sich, daß es auch möglich ist, daß sich mindestens eine erfindungsgemäße Maschine in einem Druck- und Temperaturbereich, vorzugsweise im Fluiddruck- und Temperaturbereich befindet. Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Maschine kann auch mit einer geeigneten Kühleinrichtung versehen sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Maschine sowie von Reihenschaltungen erfindungsgemäßer Maschinen bzw. von erfindungsgemäßen Maschinen, die mit einem elektrischen Generator kombiniert sind oder in die ein elektrischer Generator integriert ist. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Ansicht der Maschine in Blickrichtung von vorne,

Fig. 2 eine perspektivische schematische Ansicht der Maschine in Blickrichtung von vorne,

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Maschine in Blickrichtung von hinten,

Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht der Maschine in Blickrichtung von hinten,

Fig. 5 schematisch eine Schnittdarstellung der Maschine gemäß den Fig. 1 bis 4,

Fig. 6 eine Hintereinanderschaltung von Maschinen gemäß den Fig. 1 bis 5,

Fig. 7 eine Zusammenschaltung von Maschinen, die sich in einem Temperaturbereich, vorzugsweise im Fluidtemperaturbereich, befinden,

Fig. 8 eine Zusammenschaltung zweier Maschinen, wobei ein möglicher Druckverlust ausgleichbar ist,

Fig. 9 schematisch eine Kombination einer Maschine mit einem elektrischen Generator, und

Fig. 10 in einer der Fig. 9 ähnlichen Darstellung einer Ausbildung der Maschine, in die ein elektrischer Generator integriert ist.

Fig. 1 zeigt schematisch in einer Ansicht von vorne eine Ausbildung der Maschine 10 mit einem Rotor 12, der in einem Gehäuse 14 um eine zentrale Rotorachse 16 drehbar gelagert ist. Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist der Rotor 12 mit nach innen gewölbten Prallabschnitten 18 ausgebildet, die mindestens annähernd tangential in die gleiche Umfangsrichtung orientiert sind. Bei dem in den Fig. 1 bis 4 gezeichneten Ausführungsbeispiel der Maschine 10 sind die Prallabschnitte 18 tangential zur Umfangsrichtung orientiert. An jeden Prallabschnitt 18 schließt ein mindestens annähernd achsparallel verlaufender Ausströmabschnitt 20 an. Die Fig. 1 bis 4 verdeutlichen außerdem, daß der jeweilige Ausströmabschnitt 20 ausgehend vom zugehörigen Prallabschnitt 18 eine allmählich größer werdende radiale Tiefe aufweist. Der jeweilige Prallabschnitt 18 ist an seiner dem zugehörigen Ausströmabschnitt 20 abgewandten Vorderseite durch eine schneidenförmige Kante 22 begrenzt. Die schneidenförmigen Kanten 22 sind an der vorderseitigen Stirnfläche 24 des Rotors 12 ausgebildet. Die Ausströmabschnitte 20 münden aus der der vorderseitigen Stirnfläche 24 gegenüberliegenden rückseitigen Stirnfläche 26 des Rotors 12 aus.

Am Gehäuse 14 der Maschine 10 sind eine Anzahl Einlaßdüsen 28 vorgesehen, die zur Beaufschlagung des Rotors 12 mit einem Druckfluid dienen. Bei dem Druckfluid kann es sich um eine Flüssigkeit oder um ein Gas handeln.

Der Rotor 12 ist scheibenförmig mit die Prallabschnitte 18 und die zugehörigen Ausströmabschnitte 20 verbindenden Rückenflächen 30 ausgebildet. Durch die Rückenflächen 30 des scheibenförmigen Rotors 12 wird im Bezug zum Gehäuse 14 jeweils ein Freiraum 32 festgelegt, dessen Volumen im Vergleich zum Volumen des scheibenförmigen Rotors 12 klein ist. Die Freiräume 32 und die Durchflußmengen des jeweiligen Fluides durch die Einlaßdüsen 28 stehen zueinander in einer geeigneten Relation, um den scheibenförmigen Rotor 12 optimal anzutreiben.

Wie beispielsweise aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist die axiale Länge des scheibenförmigen Rotors 12 zwischen seiner vorderseitigen Stirnfläche 24 und seiner rückseitigen Stirnfläche 26 kleiner als die axiale Länge des Gehäuses 14 der Maschine 10 zwischen ihrer vorderseitigen Gehäusestirnfläche 34 und ihrer stromabwärtigen Gehäusestirnfläche 36, so daß zwischen der rückseitigen Stirnfläche 26 des scheibenförmigen Rotors 12 und der stromabwärtigen Gehäusestirnfläche 36 des Gehäuses 14 der Maschine 10 ein Pufferraum 38 vorhanden ist.

Die Maschine 10 weist außer den Einlaßdüsen 28 auch eine Auslaßeinrichtung 40 für das Druckfluid auf, wobei der Druck des Druckfluids an der Auslaßeinrichtung 40 dem Druck des Druckfluids an den Einlaßdüsen 28 entspricht. Die Auslaßeinrichtung 40 weist eine Anzahl Auslaßöffnungen 42 auf, die aus dem Pufferraum 38 ausmünden. Beispielsweise sind die Auslaßöffnungen 42 an der stromabwärtigen Gehäusestirnfläche 36 des Gehäuses 14 der Maschine 10 vorgesehen. Die Fig. 3 verdeutlicht, daß die Auslaßöffnungen 42 zur Rotorachse 16 konzentrisch und voneinander gleichmäßig beabstandet vorgesehen sind.

Die Anzahl Einlaßdüsen 28 und die Anzahl Auslaßöffnungen 42 können einander entsprechen, so daß es möglich ist, eine Anzahl Maschinen 10 in Reihe hintereinanderzuschalten, wie in Fig. 6 schematisch verdeutlicht ist. Die strömungstechnische Verbindung der voneinander getrennten Maschinen 10 erfolgt mit Hilfe von Rohrleitungen 44. Dabei ist die stromaufwärts erste Maschine 10 mit einer Druckfluidzuführung 46 strömungstechnisch verbunden.

Gleiche Einzelheiten sind in den Fig. 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, so daß es sich erübrigt, in Verbindung mit all diesen Figuren alle Einzelheiten jeweils detailliert zu beschreiben.

Fig. 7 verdeutlicht schematisch eine Reihenschaltung einer Anzahl Maschinen 10, wobei sich einige der Maschinen 10 in einem bestimmten Temperaturbereich befinden, der durch einen Block 48 angedeutet ist. Die restlichen Maschinen 10 befinden sich in einem an den Temperaturbereich 48 anschließenden Abkühlbereich 50. Der Temperaturbereich 48 weist einen Dampf- oder sonstigen Druckerzeuger 52 auf. Zwischen dem Abkühlbereich 50 und dem Dampf- oder sonstigen Druckerzeuger 52 befindet sich eine Kondensationseinrichtung 54 mit Wärmerückgewinnung. Bei einer solchen Anlage kann im Abkühlbereich 50 zusätzlich eine Partikelzuführung mit nachfolgender Filterung, Trocknung und Wiederzuführung vorgesehen sein.

Fig. 8 zeigt schematisch zwei Maschinen 10 mit einem gegebenenfalls erforderlichen Druckverlustausgleich, um in jeder Maschine 10 eine gleichmäßige Strömung zu erzielen. Bei dieser Anordnung ist zwischen den beiden Maschinen 10 eine Einrichtung 56 mit einer Verschlußklappe 58 vorgesehen, die bei einem Ventilimpuls schließt und danach sofort wieder öffnet. Mit der Bezugsziffer 60 ist ein entsprechendes Impulsventil bezeichnet, das in eine Rohrleitung 62 eingeschaltet ist, die mit einem nicht dargestellten Druckbehälter bzw. Druckerzeuger strömungstechnisch verbunden ist. Gleiche Einzelheiten sind auch in Fig. 8 mit denselben Bezugsziffern wie in den Fig. 1 bis 7 bezeichnet, so daß es sich erübrigt in Verbindung mit Fig. 8 alle diese Einzelheiten noch einmal detailliert zu beschreiben.

Fig. 9 verdeutlicht schematisch eine Maschine 10 mit einem scheibenförmigen Rotor 12, an dessen Achse 16 der Rotor 64 eines elektrischen Generators fixiert ist. Der Rotor 64 ist in einem Stator 66 des mit der Maschine 10 kombinierten Generators 68 angeordnet. Demgegenüber verdeutlicht die Fig. 10 schematisch eine Ausbildung, bei welcher der Rotor 12 der Maschine 10 direkt und unmittelbar gleichzeitig den Rotor 64 eines elektrischen Generators 68 bildet. Mit der Bezugsziffer 66 ist auch in Fig. 10 der Stator des Generators 68 bezeichnet.

Gleiche Einzelheiten sind in den Fig. 9 und 10 mit denselben Bezugsziffern wie in den Fig. 1 bis 8 bezeichnet, so daß es sich erübrigt in Verbindung mit den Fig. 9 und 10 alle Einzelheiten noch einmal detailliert zu beschreiben.

Bezugsziffernliste

10

Maschine

12

Rotor (von

10

)

14

Gehäuse (von

10

)

16

Rotorachse (von

12

)

18

Prallabschnitte (an

12

)

20

Ausströmabschnitte (an

12

)

22

schneidenförmige Kante (von

18

)

24

vorderseitige Stirnfläche (von

12

)

26

rückseitige Stirnfläche (von

12

)

28

Einlaßdüsen (an

14

)

30

Rückenflächen (von

12

)

32

Freiraum (zwischen

14

und

30

)

34

vorderseitige Gehäusestirnfläche (von

14

)

36

stromabwärtige Gehäusestirnfläche (von

14

)

38

Pufferraum (zwischen

26

und

36

)

40

Auslaßeinrichtung (an

14

)

42

Auslaßöffnungen (von

40

)

44

Rohrleitungen

46

Druckfluidzufuhr

48

Block (= Temperaturbereich)

50

Abkühlbereich

52

Dampf- oder sonstiger Druckerzeuger

54

Kondensationseinrichtung

56

Einrichtung

58

Verschlußklappe (von

56

)

60

Impulsventil

62

Rohrleitung

64

Rotor (von

68

)

66

Stator (von

68

)

68

elektrischer Generator

Claims

1. Maschine mit einem in einem Gehäuse (14) drehbar gelagerten Rotor (12), wobei am Gehäuse (14) mindestens eine Einlaßdüse (28) zur Beaufschlagung des Rotors (12) mit einem Druckfluid und eine Auslaßeinrichtung (40) für das Druckfluid vorgesehen sind, der Rotor (12) mit nach innen gewölbten Prallabschnitten (18) für das durch die mindestens eine Düse (28) annähernd tangential zur Bahnkurve der Prallabschnitte (18) gerichtete Druckfluid ausgebildet ist, die Prallabschnitte (18) von der Rotorachse (16) radial gleich weit entfernt und mindestens annähernd tangential in die gleiche Umfangsrichtung orientiert sind, und an jeden Prallabschnitt (18) ein mindestens annähernd achsparallel verlaufender Ausströmabschnitt (20) anschließt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (14) scheibenförmig mit die Prallabschnitte (18) und die zugehörigen Ausströmabschnitte (12) verbindenden Rückenflächen (30) ausgebildet ist, die mit der Gehäuseinnenfläche jeweils einen im Vergleich zum Volumen des scheibenförmigen Rotors (12) kleinen Freiraum (32) festlegen,
daß die axiale Länge des scheibenförmigen Rotors (12) kleiner ist als die axiale Länge des Gehäuses (14), so daß zwischen der rückseitigen Stirnfläche (26) des Rotors (12), an der die Ausströmabschnitte (20) ausmünden und der dieser gegenüberliegenden Innenfläche einer stromabwärtigen Gehäusestirnfläche (36) des Gehäuses (14) ein Pufferraum (38) vorhanden ist, und
daß die Auslaßeinrichtung (40) mindestens eine aus dem Pufferraum (38) ausmündende Auslaßöffnung (42) aufweist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Ausströmabschnitt (20) eine ausgehend vom Prallabschnitt (18) allmählich größer werdende radiale Tiefe aufweist.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtung (40) eine Anzahl Auslaßöffnungen (42) aufweist, die an der stromabwärtigen Gehäusestirnfläche (36) vorgesehen sind.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (42) zur Rotorachse (16) konzentrisch äquidistant vorgesehen sind.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (14) eine Anzahl Einlaßdüsen (28) vorgesehen sind.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl Einlaßdüsen (28) größer ist als die Anzahl der am Rotor (12) ausgebildeten Prallabschnitte (18) mit zugehörigen Ausströmabschnitten (20).

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rotorachse (16) eine Schwungmasse angebracht ist.