DE2015878C3 - Rotationskolben-Kraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der DF.-PS 6 30 71b wird der Aufbau und das Funktionsprinzip eines als Verbrennungskraftmaschine arbeitenden Drehkolbenmotor beschrieben. Dieser besitzt drei benachbarte Zylindcrräume, in denen auf einer gemeinsamen Abtriebswelle jeweils ein exzentrischer Rotor gelagert ist, dessen Umfangsfläehe auf die Abtricbswelle bezogen /wci diametral gegenüberliegende Hebel zugeordnet sind. Jeder Hebel ist an seinem einen Ende in einem Schwenklager im Gehäuse gelagert und wirkt mit seiner Unterseite und einer Druckfäche an seinem freien Ende gegen die Oberfläche des Rotors. Am Rücken trägt jeder Hebel einen gekrümmten Führungsarm, der in einer besonders ausgebildeten Tasche des Gehäuses gleiten kann und den Hebel bei seiner Bewegung führt. Ferner sind im Gehäuse kugelförmige Verbrennungsräume ausgebildet, in die Zündkerzen ragen. Versetzt zu den Verbrennungsräumen sind kipphcbelbetäligte Atislaß-Tcllcrventile angeordnet. Der Rücken jedes Hebels bildet in seinem Erstreckungsbereich zwischen der Schwcnklagcru/ig und dem Führungsarm mit letzterem eine Ansaug- und Kompressionskammer, in weiche beim Einwärtsschwenken des Hebels ein Brennstoff-Luft-Gemisch angesaugt wird, welches beim Zurückschwenken des Hebels komprimiert und über ein Ventil- und Kanalsystem einer Verbrennungskammer eines benachbarten Rotors zugeführt wird, die in dieser Bewegungsphase durch den in seiner Außenstellung befindlichen Hebel verschlossen ist. Sobald in dem gefüllten Verbrennungsraum eine Zündung erfolgt, explodiert das Brennstoff-Luft-Gemisch und drängt den Hebel in Richtung auf die Abtriebswelle hin, so daß dessen freies Ende an einem Abschnitt der Umfangsfläehe des Rotors entlanggleitet und diesem einen Drehkraftimpuls erteilt. Durch die Roiordrehung wird gleichzeitig der nächste Hebel in seine Außenstellung gedrängt, wobei er zunächst eine neue Brennstoff-Luft-Gemisch-Charge komprimiert und die ihm zugehörige Verbrennungskammer verschließt. Beim Weiterdrehen des Rotors wird zum einen das vor dem Rotor befindliche Abgas durch das Auslaßventil ausgeschoben, während sich der hinter dem Rotor liegende Expansionsraum für das zuvor gezündete Brennstoff-Luft-Gemisch zunehmerd vergrößert, so daß das gezündete Gemisch expandieren kann und auch direkt auf die Umfangsfläehe des Rotors zur Einwirkung kommt. Da insgesamt drei nebeneinanderliegcnde Rotoren mit sechs Hebeln vorgesehen sind, wird die Zündfolge derart gewählt, daß sich die einzelnen Drehkraftimpulse aller Hebel überlappen.

Obwohl dieses Prinzip einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit Hebeln seit mehr als 44 Jahre bekannt war, konnnlen sich diese Motoren bisher nicht wesentlich durchsetzen. Ihr wesentlichster Nachteil war. genau wie bei den Hubkolben-Brcnnkraftmaschinen, ein schlechter Wirkungsgrad und eine enorme Abgasmenge. Die bekannte Maschine ist darüberhinaus durch große Masscnkräflc und erhebliche Flächenbelastungen nachteilig, die durch das schlagartige Expandieren des Brennstoff-Luft-Gemisches und der gleitenden Reibung zwischen den freien Schubhebelenden und insbesondere der Gleitreibung /wischen der Unterseile der Hebel und dem Umfang des Rotors vorliegen. Weiterhin ist das Kompressionsverhälinis durch die innneren Abmessungen nach oben hin verhältnismäßig stark begrenzt, so

Ί5 daß sich keine hohen Abgabclcislungen erzielen lassen. Die Füllung der Brennkammer wird durch eingeschlossene Abgase erschwert. Die verbrannten Abgase können konstruktionsbedmgt nicht vollständig ausgeschoben werden.

.50 Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Rotationskolben-Kraftmaschine eingangs genannter Art die Energieausbeute zu optimieren und somit die Abgase weitgehendsl von unverbrannl gebliebenen Verbrcnnungsbeslandleilen freizuhalten.

Die gestellte Aufgabe wird mit einer Rotationskolben-Kraftmaschine der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des llauplanspruehs angegebenen Merkmale gelöst.

Es ist zwar aus der DE-PS I 05 306 eine vergleichbare Rotations-Kraftmaschine in Verwendung als Expansionsmaschine mit externer Verbrennung bekannt, jedoch ist diese Kraftmaschine aufgrund ihrer Konstruktion und der Art der Steuerung in der Praxis nicht befriedigend verwendbar.

μ Aus der US-PS 32 89 652 ist weiterhin eine Rotationskolben-Kraftmaschine bekannt, bei der zweiarmige Hebel im Gehäuse drehschwingbeweglich gelagert sind, von denen der eine Arm eine Gchäuseöffnung

übersteuert. Allerdings sind diese zweiarmigen Hebel als bewegliche Trennwände zwischen den einzelnen Arbeitskammern der Kraftmaschine eingesetzt und arbeiten nicht als Verschlußorgane für cie Gehäuseöffnungen.

Die Leistungskapazität des extern komprimierten Druckmittels läßt sich mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad ausnutzen, als dies mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch in einem internen Explusionspi ozeß möglich ·Μ. Durch eine grundlegende, konstruktive Umgestaltung der Kraftmaschine und die Verwendung des extern komprimierten Druckmittels fallen schlag- oder stoßartige Belastungen weg und werden die einzelnen Maschinen-Elemente wesentlich gleichmäßiger und wirkungsvoller zur Arbeitsabgabe nutzbar. Die Einlaß- und Auslaßsteuerung kann grundlegend vereinfacht werden. Es ergibt sich eine überraschend hohe Leistungsabgabe bereits bei verhältnismäßig geringen Drehzahlen, was ein ungeahnt großes A lwendungsfeld ergibt. Derart ausgebildete und eingesetzte Rotationskolben-Kraflmaschinen sind entfernt mit Gas- oder Dampfturbinen vergleichbar, die jedoch infolge ihrer außerordentlich hohen Betriebsdrehzahlen dann in der Praxis nicht verwendbar sind, wenn eine konstante Leistungsabgabe bei verhältnismäßig niedriger Betriebsdrehzahl erforderlich ist. Da in der Kraftmaschine selbst keine Verbrennung stattfindet, bleibt sowohl der Betricbsgeräuschpegel als auch der Abgaspegel erfreulich niedrig. Trotz eines hohen Wirkungsgrades baut die Rotationskolben-Kraftmaschine bei geringem Gewicht relaiv klein, so daß sie platzsparend und universell cingestzt werden kann. Die Kraftmaschine kann energiesparend im Verbund betrieben werden, d. h. das Arbeitsmedium wird in den Hochdruck-Kammern und den Niederdruck-Kammern /ur Arbeitsabgabe herangezogen, wobei die Hebel einfach für die Slrömungssleuerung und Auslaßsteucrung sorgen.

Damit wurde eine Antriebsquclle, /. B. auch für Fahrzeuge, gefunden, die in der Leisiungsausbeutc, dem Betriebsgeräusch und dem Abgasverhalten deutlich günstiger ist als herkömmliche Brennkraftmaschinen oder Gas- bzw. Dampfturbinen in bestimmten Einsatzgebieten. Da die erfindungsgemäße Kraftmaschine mit verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen bereits hohe und konstante Leistungen abzugeben vermag, können die Einzelteile sehr robust und relativ grob bearbeitet bzw. ausgewuchtet sein. Die niedrigen Drehzahlen ergeben ferner günstige Massenkräfte und einen vibrationsarmen Lauf. Die Höhe der abgegebenen Leistung läßt sich einfach und in einem großen Bereich regulieren, wobei besonders vorteilhaft ist, daß der Gesamtwirkungsgrad über den Regelbereich verhältnismäßig konstant auf seinem hohen Wert bleibt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Anmeldungsgcger.standes gibt Anspruch 2 an.

Ausführungsformen des Anmcldungsgcgenstandes werden anhand der Zeichnung nachstehend beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt !•'"'■h eine Rotationskolben- ι Kraftmaschine mit einflügeligem Rotor, in einer Ebene 3-3in Fig.2,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Kraftmaschine nach Fig. 1 in einer parallel zur Abtriebwelle verlaufenden Ebene, ι

F i g. 3 ein Betriebsschema für Verbundbetrieb,

Fig.4 ein Schema des Druckmittel-Kreislaufs in der Kraftmaschine gemäß Fig. I -3,

F i g. f» ein Betriebsschema für Einfach- und Verbundbetrieb,

Fig.6 ein Schema eines zwischen Einfach- und Verbundbetrieb umsteuerbaren Sieuerungssystems,

Fig. 7 einen Querschnitt einer Doppelrotor-Kraftmaschinen-Einheit,

Fig. 8 einen Längsschnitt in der Linie 10-10 in Fig. 7,

Fi g. 9 ein Steuerungs- und Leitungischema zu der in Fig. 7 und 8 dargestellten Kraftmaschine bei Verbundbetrieb,

Fig. 10 ein Schema zu der in Fig. 7 und 8 dargestellten Kraftmaschine bei Einfachbetrieb,

F i g. 11 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer umsteuerbaren Kraftmaschine mit sechs Hebeln,

Fig. 12 einen Längsschnitt in der Ebene 17 — 17 in Fig. 11.

Fig. 13 ein Detail der Ausführungsform gemäß Fig. 11 und 12, und

Fig. Hein weiteres Detail, basierend auf Fig. 13.

Die dargestellten Ausführungsformen sind Rankine Rotationskolben-Kraftmaschinen mit einem geschlossenen System, in welchem ein Arbeitsmedium durch Wärmezufuhr von außen Energie erhält, das bevorzugt überhitzter Wasserdampf ist. Es könnte auch Quecksil berdampf oder verdampfte organische Verbindungen verwendet werden.

In F i g. 1 bis 4 ist eine für Verbundbetrieb ausgeführte Kraftmaschine für extern komprimiertes Arbeitsmedium mit einem einflügeligen Rotor dargestellt. Jede Füllung expandiert in der Maschine zweimal. Da dem Rotor zweimal ein Drehimpuls erteilt wird, ist der Verbrauch gering. Bei Betrieb mit überhitztem Dampf verringert die Verbundexpansion die Kondensation des Dampfes in der Kraftmaschine.

Kine Rotationskolben-Kraftmaschine 100 mit einem Gehäuse 120 enthält einen einflügeligen oxzentrivh umlaufenden Rotor 150 und drei urn 120' vcrsct/te, schwenkbare, an letzteren anlegbare bogenförmige Hebel 1404, 140S. 14Of. Die Hebel 1404-Csind auf Zapfen 1414 -C gelagert. Der Rotor 150 ist auf einer Antriebswelle 130 befestigt. [Die Lagerungen der Hebel 1404 -('und des Kolbens 150 weisen Verzahnungen. Keile od. dgl. auf, welche zur Zentrierung eine freie schwimmende Bewegung in seillicher Richtung zulassen. Das Gehäuse 120 und die inneren Flächen der Hebel 1404 — Cbegrenzen eine allgemein kreisförmige oder zylindrische Kammer für den Rotor 150.

Nach Fig. 2 ist das Gehäuse 120 durch eine Schwungradgehäusewand als .Seilenteil 160 und eine Steucrungsgehäusewand als Seitenteil 170 abgeschlossen. Die Seitenteile 160, 170 enthalten Hauptlager 161, 171 und Abschlußplatten 162, 172. Die Flatten 162, 172 bzw. die Seitenteile 160, 170 tragen die Schwenkzapfen 1414-C(Fig. I), für die Hebel 1404 -C. Im Seitenteil 160 sitzt ein auf der Abtriebswelle verkeiltes, mit Gegengewichten versehenes Schwungrad 163 und Zahnräder und Ritzel 164, 165 zum Antrieb von Hilfseinrichtungen, wie einer Ölpumpe. Außerdem sind durch abnehmbare Deckel 167, 168 verschlossene Schauöffnungen vorhanden.

Der Rotor 150 und die Hebel 140A-C sind etwa gleich breit. Der Rotor 150 und die Hebel 1404-Csind gegenüber den Abschlußplatten 162, 172 mittels Labyrinthnuten 142,152 abdichtbar, die dem Profil jedes Hebels bzw. des Rotors folgen.

Gemäß Fig. 1 und 4 hat jeder Hebel 1404-Can seinem freien Ende eine Abschrägung 143 zum Anlegen

an den Rotor 150 und an seiner inneren Fläche einen Vorsprung 146, der das Anliegen des Rotors 150 an einem dem Schwenkzapfen 141 benachbarten Punkt des Hebels verhindert. Dadurch berührt der Rotor 150 die Hebel 1404—C mit langem Hebelarm zwischen der Abschrägung 143 und dem Vorsprung 146. Die Hebel 1404 -Cbesitzen ferner eine Ausnehmung 147, welche den freien Durchgang des Rotorscheitels 153 unter dem Hebel 140 gewährleistet. Im Gehäuse 120 sind Dichtstreifen 144 für die Hebel 140 angeordnet.

Der eine Arm jedes Hebels 1404-C bildet ein Absperrglied 1454 - Czum Öfffnen und Schließen einer Auslaßöffnung 1904-C. Die Auslaßöffnungen 1904—C sind über Auslaßsammler 192 mit einem Kondensator od. dgl. verbunden. Ausnehmungen 125 nehmen die Absperrglieder 1454—C auf. Die Dichtstreifen 144 verhindern einen Druckaufbau in den Ausnehmungen 125. Zusätzlich können die Ausnehmungen 125 mittels geeigneter Einrichtungen mit der Atmosphäre verbunden sein.

Gemäß F i g. 1 verschließt das Absperrglied 145 bei in seiner äußersten Stellung befindlichem Hebel 140 die zugeordnete Auslaßöffnung 190. Bei einer Bewegung des Hebels 140 nach einwärts geben die Absperrglieder 1454 - Cdie zugeordnete Auslaßöffnung 190 frei.

Die Hebel 1404 -C weisen eine auswärts vorstehende keilförmige Nase 148 auf. Die Nasen sind nahe dem freien Ende der Hebel 140 angeordnet und enden in einer im wesentlichen flachen Auflagefläche 149.

Das Gehäuse 120 hat entsprechend geformte Ausnehmungen 128 für die Nasen 148. Wie bei dem Hebel 140Cin Fig. 1 ersichtlich ist. sind die Nasen 148 und Ausnehmungen 128 bogenförmig, so daß jede Nase 148 bei der Einwärtsbewegung des Hebels 1404—C dichtend am Gehäuse 120 streift. Die Keilform verhindert die Entstehung eines Unterdrucks in den Ausnehmungen 128.

Da die Länge der Nasen 148 größer ist als die bei der Einwärtsbewegung der Hebel 140 zurückgelegte Strekke, bleiben die Nasen fortwährend abdichtend in Anlage am Gehäuse 120. Dadurch bilden die Räume hinter den Hebeln 140 mit den Ausnehmungen 128 und zugeordneten Einlaßkammern 122 abgeschlossene Hochdruck-Kammern HPa. HPb. HPi. welchen beim Betrieb das Arbeitsmedium unter hohem Druck zugeleitet wird.

Weiterhin sind auch Niederdruck-Kammern LPa. LPb. LPi vorgesehen, denen eine Füllung jeweils von einer der Hochdruckkammern HPa -(zugeleitet wird. Das Volumen der Niederdruck-Kammern LPa-ι entspricht etwa dem 1.5- bis 2.5-fachen des Volumens der Hochdruckkammern HP_ä(.

Zur Versorgung der Niederdruck-Kammern sind Leitungen 129 vorgesehen, deren eines Ende mit der Auflagefläche 149 des benachbarten Hebels 140 und deren anderes Ende mit einer Einlaßkammer 173 in Strömungsverbindung steht. Wie bei 1404 in F i g. 1 und 4 ersichtlich ist. begrenzen der Kolben 150 und die anliegenden Hebel einen abgedichteten Expansionsraum, welcher mit der Leitung 129 in Strömungsverbindung steht. Die Niederdruck-Kammern LPaMPb, LP₁ sind jeweils durch den benachbarten Hebel 1404-C und den Kolben 150 gegenüber dem Gehäuse und durch die benachbarte Hebelnase 148 gegenüber der nächsten Hochdruck-Kammer HPa-c abgedichtet. Darüber befinden sich die Niederdruck-Kammern LPa-c jeweils bei einer der Auslaßöffnungen 1904 — C.

Zur Strömungssteuerung enthält das Seitenteil 170 Druckmitlelkästen 1744 - C(F i g. 1 und 4), die über je eine Hochdruck-Verteilerleitung 176 (Fig.3) und eine Einlaßkammer 122 in Verbindung mil den Hochdruck-Kammern ΗΡ_Λ .(Stehen. Zuleitungen 175 verbinden die Verteilerleitungen 176 mit einer nicht dargestellten Druckquelle.

Die Einlaßzeiten und -mengen werden mit Tellerventilen 177 gesteuert, die die Kästen 1744 —Cgegenüber den Verteilerleitungen 176 abdichten. Der Hub der Ventile 177 wird durch auf der Abtriebswelle 130 angeordnete Nocken 178 und eine Steuervorrichtung 179 bestimmt. Eine Abdeckplatte 180 schützt das Steuerungs- und Leitungssystem vor Beschädigung.

Gemäß Fig. 3 und 4 weist das das Seitenteil 170 bildende Gehäuse 17 Leitungen 1944, 194ß, 194C zur Verbindung der Hochdruck-Kammern /-/Peines Hebels 140 mit den Niederdruck-Kammern LPdes benachbarten Hebels auf. Die einer Hochdruck Kammer zugeleitete Füllung tritt auch in die Verbindungsleitung ein. Im weiteren Verlauf steuern die Bewegungen des Rotors 150 und der Hebel 1404 -Cdie Strömung der Füllung von den Hochdruck-Kammern zu den Niederdruck-Kammern und den Ausstoß.

Beim Betrieb mit Dampf sind die Druckkammern HPa- (Und LPa c, die Verbindungsleitungen 1944—C, der Rotor 150 und die Hebel so aufeinander abgestimmt, daß die Volumenänderungen der Niederdruck-Kammern LP synchron mit der Volumenänderung der zugeordneten Hochdruckkammern stattfindet. Die Überleitung des Arbeitsmediums erfordert keine Energie. Es tritt dadurch kein nennenswerter Energieverlust ein. Falls erforderlich, könnte das Arbeitsmedium vor dem Überleiten in die Niederdruck-Kammer LP ein nicht dargestelltes Nacherhitzungssystem od. dgl. durchlaufen.

Der Rotor 150 steuert die Bewegung der Hebel 1404—C einander überlappend und nahezu harmonisch.

Dazu weist der Rotor 150 einen Scheitel 153 auf, welcher die Hebel 140 über eine bestimmte Zeit in der äußeren Endstellung hält (140ß in Fig. 1). Bei der Einwärlsbewegung der Hebel 140 liegen diese an einer Ablaufflanke 154 an (1404 in Fig. 3). Die Ablaufflanke 154 läuft in einer Nase 155 aus, an der jeder Hebel gegen Ende seiner Einwärtsbewegung abgebremst wird. An die Nase 155 schließ; sich ein Grundkreissegment 156 des Rotors 150 an, das die innere Begrenzung der Bewegung der Hebel 140 definiert. Die Ablaufflanke 154 erstreckt sich um etwas weniger als 120°, beispielsweise 110" des Rotorumfangs und bewirkt eine ruckfreie Abbremsung der Hebel und einen kurzen Stillstand in Anlage an dem Grundkreissegment 156 vor der Bowegungsumkehr. Danach folgt eine Aufiauifianke 157, die die Auswärtsbewegung der Hebel 140 während einem Kolbendrehwinkel von 70° bewirkt. Die Auflaufflanke 157 und die Ablaufflanke 154 sind für die Bewegung einander benachbarter Hebel zur Überleitung des Arbeistmediums von der Hochdruck-Kammer in die Niederdruck-Kammer des anderen Schubhebels verantwortlich. Dazu leitet die Auflaufflanke 157 die Auswärtsbewegung der Hebel 140 jeweils unmittelbar nach einer Rotordrehung um 120° ein. Da nach einer Rotordrehung um 120° die Einwärlsbewegung des folgenden Hebels 140 beginnt treten nahezu gleichzeitige gegenläufige Bewegungen benachbarter Hebel auf, womit die Volumenänderungen der Hochdruck- und Niederdruck-Kammern HP. LP ebenfalls gleichzeitig abläuft, d. h. daß das Volumen der Hochdruckkammern HP ebenso schnell bzw. im gleichen Maße abnimmt, wie

das Volumen der Niederdruckkammer LP anwächst. Den Restumfang des Rotors 150 zwischen der Auflaufflanke 157 und dem Scheitel 153 bildet ein Grundkreissegment 158, das die Hebel 140 während etwa 170° in der äußeren Endstellung hält. Bei einer 360°-Drehung des Rotors erteilen die Hebel 1404 -C diesen überlappende Drehkraftimpulse.

Zur Inbetriebnahme erfolgt eine Füllung einer Hochdruck-Kammer, beispielsweise über den Kasten 174/1 zur Hochdruck-Kammer HPa.

Die Steuervorrichung 179 für den Kasten 1744 ist so einstellbar, daß sie die Zufuhr nach einer Drehung des Rotors 150 um wenige Winkelgrade absperrt oder sie über 120" Rotordrehung geöffnet hält. Die Betätigung der Steuervorrichtung 179 ist zeitlich auf den Durchgang des Scheitels 153 unter dem freien Ende des Hebels 140/4 eingestellt. Die Füllung expandiert in der Hochdruck-Kammer ΗΡ_Λ gegen den Schubhebel 140a und treibt diesen einwärts und treibt den Rotor 150 im Uhrzeigersinn. Die Füllung dringt auch in die Verbindungsleitung 194Λ (F i g. 3) ein, kann jedoch wegen des außenstehenden Hebels 1405 nicht in die Niederdruck-Kammer LPb eindringen. Die Einwärtsbewegung des Hebels 140/4 setzt während einer Drehung des Rotors 150 um etwa 110° fort, der an der Nase 155 abgebremst wird. Der Hebel verbleibt dann bis 120° an dem Grundkreissegment 156, worauf ihn die Auflaufflanke 157 auswärts bewegt. Gleichzeitig läuft der Scheitel 153 am freien Ende des folgenden Hebels 1405 vorbei, so daß dieser sich gleichzeitig mit dem Beginn der J0 Auswärtsbewegung des Hebels 140/4 einwärts zu bewegen beginnt. Die Niederdruck-Kammer LPb vergrößert sich gleichlaufend mit der Verkleinerung der Hochdruck-Kammer HP*. Die Steuervorrichtung 179 leitet der Kammer HPb über den Kasten 1745 eine Füllung zu. sobald der Hebel 140ßfreigegeben ist. Dabei verdrängt der Hebel 140/4 die in der Hochdruck-Kammer HP* expandierte Füllung durch die Verbindungsleitung 194A(F ig. 3) in die Niederdruck-Kammer LPb des Hebels 1405. Das Arbeitsmedium expandiert zunächst in der Hochdruck-Kammer HP* unter hohem Druck und darauf in der Niederdruck-Kammer unter geringerem Druck. Bei der zweiten Expansion beaufschlagt es die Auflagefläche 149 des Hebels 1405und verstärkt die durch Expansion in der Hochdruck-Kammer HPb ^⁵ abgegebene Kraft.

Danach gibt die Steuervorrichtung 179 eine Dampffüllung in die durch den Hebel 140C begrenzte Hochdruck-Kammer HPc frei, die den Hebel 140C einwärts führt (Fig. 1),sobald der Scheitel 153 das freie so Ende des Hebels 140C passiert hat. Nach einer anfänglichen Einwärtsbewegung des Hebeis i4öCüber eine Rotordrehung von 10° bis 15° wird die zugeordnete Auslaßöffnung 190C geöffnet. Die Verzögerung des Öffnungsvorganges bewirkt, daß der durch den Hebel 140C erteilte Drehimpuls den durch den Hebel 1405 erteilten zeitlich überlappt. Gemäß Fig.4 tritt die in der Niederdruck-Kammer LPb expandierte Füllung nun über die Auslaßöffnung 190C aus und wird z. B. einem Kondensator od. dgl. zugeleitet. &ⁿ

Die Bewegung der Hebel zeigt Fig.4. Der Hebel 140Λ beginnt unter der zugeleiteten waagrecht schraffierten Hochdruck-Füllung in HPa. seine Einwärtsbewegung. Er öffnet die Auslaßöffnung 190/4 und gestattet der schrägschraffierten Füllung der Niederdruck-Kammer LPc den Austritt. Bei der Auswärtsbewegung des Hebels 140Cgelangt eine Füllung von HPc nach LP_A (schrägschraffiert). Ein Rest einer senkrecht schraffierten Füllung des vorausgegangenen Zyklus strömt aus der Auslaßöffnung 190C der Niederdruck-Kammer LPa.

Kenngrößen für die Verbund-Kraftmaschine 100 mit einer Gehäusebreite von 10 cm und einem Innendurchmesser von 19 cm wurden einem Computer zur Berechnung eingegeben. Die Hochdruck-Dampffüllungen hatten einen Druck von 14,1 bar; die Zufuhr wurde jeweils nach 110° Kolbendrehung abgesperrt. In den Hochdruck-Kammern expandierte der Hochdruckdampf über eine Rotordrehung von 120° und hatte dann einen Druck von 13,5 bar. Bei der Rotorweiterdrehung bis 210° wurden die Füllungen in die zugeordneten Niederdruck-Kammern LPac übergeleitet. In diesen expandierte der Dampf dann weiter, bis der Rotor 255" erreichte. Dann öffnen die Auslaßöffnungen 190/4-C. Der Dampfdruck in den Niederdruck-Kammern betrug zum Auslaßzeitpunkt 6,7 bar. Es ergab sich ein mittleres Ausgangsdrehmoment von 42,9 Nm und eine indizierte Leistung von 53 KW bei 1200 U/min.

Bei einem anderen Rechenbeispiel wurde der Einlaß nach einer Rotordrehung von 55° abgesperrt. Der Dampf expandierte in Hochdruck-Kammern über 120° Rotordrehung und hatte dann noch 9,4 bar. Während der Rotor in die 210°-Stellung weiterdrehte, expandierte der Dampf bis 255° in der Niederdruck-Kammer und trat mit 4,5 bar aus. Es ergab sich ein mittleres Ausgangsdrehmoment von 36,1 Nm und eine indizierte Leistung von annähernd 45.5 KW bei 1200 U/min.

Die Berechnungen zeigen, daß die Leistung direkt proportional zur Rotorbreite und -drehzahl und zum Druck des Arbeitsmediums sind.

In F i g. 5 und 6 ist eine Kraftmaschine 200 gezeigt, die zwischen Einfach- und Verbundbetrieb jmsteuerbar ist. Da die Kraftmaschine umsteuerbar ist, kann bei Einfach-Betrieb ein großes Drehmoment bei geringer Drehzahl abgeben, z. B. beim Beschleunigen oder bei Bergauf-Fahrt eines Fahrzeuges. Anderersetis kann die Kraftmaschine 200 im Verbundbetrieb mit hoher Drehzahl bei geringem Kraftstoffverbrauch betrieben werden, z. B. wenn das Fahrzeug mit Autobahn-Geschwindigkeit fährt.

Der Aufbau der Kraftmaschine 200 ist der Verbundkraftmaschine 100 annähernd gleich. Der Unterschied zwischen den Kraftmaschinen 200 und 100 besteht darin, daß eine geänderte Steuervorrichtung 170' vorgesehen ist, die zusätzliche Verbindungs- oder Übergangsleitungen und Absperr- bzw. Steuerorgane enthält, die das Umsteuern von Einfach- auf Verbundbetrieb ermöglichen.

Die Steuervorrichtung 170' enthält zusätzlich »EinfaL-h«-Verbindung:>!eiiungen ,iur Verbindung der Hochdruck-Kammern HPa-c mit der demselben Hebel 140/4 — Czugeordneten Niederdruckkammer LPa-ο

Ferner sind herkömmliche Dreiwegeschieber 204/4—Cjeder Niederdruck-Kammer LpA-c zugeordnet, die jeweils mit den Verbindungsleitungen 194Λ — C für Verbundbetrieb und mit den Einfach-Verbindungsleitungen 202,4-C in Verbindung stehen. Sie sind von Hand oder automatisch betätigbar. In einer ersten Stellung der Schieber 204/4 — Cstehen die Niederdruck-Kammern LPa-c nur mit den Verbindungsleitungen 194/4—C für Verbundbetrieb in Verbindung. Eine Umstellung der Schieber 204/4—C in eine zweite Stellung verbindet die Niederdruck-Kammern mit den »Einfach«-Verbindungsleitungen 202/4—C Der Arbeitszyklus der Kraftmaschine 200 als Verbundkraflmaschine ist gleich wie bei der Verbundkraftmaschine 100

(Fig. 1 —4) beschrieben.

In Fig.6 ist die Kraftmaschine 200 bei Einfach-Expansionsbetrieb schematisiert dargestellt. Die Schieber 204/4 — C sperren die Verbindungsleitunen 194A — C zu den Niederdruck-Kammern LPa-c ab und verbinden diese mit den »Einfachw-Verbindungsleitungen 2024 -C. Die Leitungen 202/4-C verbinden die Niederdruck-Kammern LPa-c direkt mit der jeweils dem gleichen Hebel zugeordneten Hochdruck-Kammer HPa-o Damit wird die über das Ventil 177 zugeleitete Füllung gleichzeitig in die einem Hebel 140/4 zugeordnete Hoch- und Niederdruck-Kammer eingelassen. So gelangt beispielsweise die Füllung über den Dampfkasten 174/4 in die Hochdruck-Kammer HPa und über die Verbindungsleitung 202a auch in die Niederdruck-Kammer LPa. Die Nase 148 des Hebels 140/4 dichtet die Niederdruck-Kammer LPa gegenüber der Hochdruck-Kammer HPa ab. Es expandiert die Füllung in beiden Kammern, wobei der in der Kammer LP_A expandierende Anteil die Auflagefläche 149 des Hebels 140/4 und der in der Kammer HPa expandierende Anteil des Hebels 140/4 und die Nase 148 beaufschlagt. Es wird eine sehr große Fläche des Hebels 140/4 beaufschlagt und dem Rotor 150 ein großer Kraftimpuls erteilt. Die anderen Schieber 204S und 204C wirken versetzt in gleicher Weise. Zum Ausschieben der expandierten Füllungen wird der in der Hochdruck-Kammer HP_A-c enthaltende Dampf durch Auswärtsbewegung des entsprechenden Hebels 140/4— C zunächst über 202Λ — C in die betreffende Niederdruck-Kammer LPa (-und anschließend durch die Auslaßöffnung 190 getrieben.

Fig.6 zeigt die Kraftmaschine 200 im Einfach-Expansionsbetrieb. Eine waagrecht schraffierte Hochdruck-Füllung expandiert gleichzeitig in den Kammern HPa und LPa. Der zweite Hebel 140S hat seinen Arbeitszyklus beendet und wird in der äußeren Endlage gehalten, während sich der vorausgehende Hebel 140/4 einwärts bewegt. Ein senkrecht schraffierter Rest der expandierten Dampffüllung entweicht durch die Auslaß-Öffnung 190Caus der Kammer LPb. Inzwischen hat der dritte Hebel 140Cseine Einwärtsbewegung beendet und die Auswärtsbewegung eingeleitet. Der schräg schraffierte, expandierte Dampf in den Kammern HPc und LPc wird durch die Auslaßöffnung 190/4 ausgestoßen. Dazu wird der in der Kammer HPc befindliche Dampf durch Auswärtsbewegung des Hebels 140C in die Kammer LPc getrieben und bei weiterer Drehung des Rotors 150 über die Auslaßöffnung 190/4 ausgestoßen.

Das Betriebsverhalten der Kraftmaschine 200 im Einfach-Expansionsbetrieb ist nachfolgend bei einer Gehäusebereite «on 10 cm und 19 cm Innendurchmesser berechnet worden. Der Dampfdruck betrug 14,1 bar. Die Unterbrechung der Dampfzufuhr erfolgte jeweils nach einer Rotordrehung um 110°. Die Expansion des Dampfes wurde bis zu einer Rotordrehung auf 130" fortgesetzt, um eine Überschneidung der Antriebsschübe zu erzielen. Dabei sank der Druck des Dampfes während der Rotordrehung um 130° auf 13,9 bar ab. Das errechnete mittlere Ausgangsdrehmoment der Maschine betrug 73,7 Nm und die indizierte Leistung 91 KW bei 1200 U/min.

Bei einem zweiten gerechneten Beispiel im Einfach-Expansionsbetrieb wurde die Dampfzufuhr nach 55° Rotordrehung abgesperrt. Die Expansion erfolgte bis zu einer Rotorstellung von 130°. Der Dampf wurde dann mit einem Druck von 6,2 bar ausgeschoben. Es ergab sich ein mittleres Ausgangsdrehmoment von 62,5 Nm und eine indizierte Leistung von 77,6 KW bei 1200 U/ min.

F i g. 7 bis 10 zeigen eine geänderte Ausführungsform einer Kraftmaschine 300, die von Einfach- auf Verbundbetrieb wahlweise umschaltbar ist. Es handelt sich um eine Zwillingsmaschine aus zwei Einheiten 300/4 und 300ß, die auf eine gemeinsame Abtriebswelle 310 arbeiten. Die Gehäuse 320A — B sind auf der Abtriebswelle 310 um 45° gegeneinander verdreht (F i g. 7). Jede Einheit 300/4 — B enthält vier auf Zapfen 341 gelagerte Hebel 340/4 -D bzw. 340E-H. Die Rotoren 350Λ, B sind zweiflügelig und um 90° gegeneinander verdreht. Die Kolben 350.4 und B sowie die Hebel 340 enthalten Keile 351 od. dgl., zur schwimmenden Lagerung und Selbstzentrierung.

Die Gehäuse 320/4, ßsind durch Steuervorrichtungen 370/4, B abgeschlossen (F i g. 8), die ein Hauptlager 371 für die Abtriebswelle 310 und eine Abschlußplatte 372 enthalten. Letztere nehmen die Zapfen 341 auf. Eine Abdeckplatte 380 dichtet die Steuervorrichtung 370 nach außen ab.

Die Steuervorrichtungen 370/4, B bestehen aus Leitungs- 374, 375, 376 und Steuerungssystemen 377, 378, 379 zur Steuerung des Arbeitsmediums enthalten.

Die Rotorgehäuse 320/4, ßsind an ihren Innenseiten mit einer Steuerplatte 360 verbunden, die ein Lager 361 für die Welle 310 aufweist und Abschlußplatten 362 bildet. Die Rotoren und Hebel sind gegenüber den Abschlußplatten 362, 372 durch Labyrinthnuten 352, 342 abgedichtet. Vorzugsweise weisen die Hebel 340, die Rotoren 350 und die Gehäuse 320 im wesentlichen gleiche Ausdehnungskoeffizienten auf. Jeder Hebel 340/4 - H hat eine schräge Fläche 343 und einen inneren Vorsprung 346. Jeder Hebel 340 hat eine Keilförmige Nase 348, die gegenüber dem freien Ende etwas zurückgesetzt ist, so daß eine Fläche 344 von beträchtlicher Ausdehnung entsteht. Die Vorderseiten 349 der Nasen 348 verlaufen in einer zum Zapfen 341 konzentrischen Krümmung weiter nach außen, als der bei der Einwärtsbewegung der Hebel zurückgelegte Hub. Ausnehmungen 328 in den Gehäusen 320/4, B dienen zur Aufnahme der Nasen 348. Eine bogenförmige Wand 329 der Ausnehmung 328 dichtet bei Einwärtsbewegung des Hebels 340 mit der Krümmung der Seite 349 gegen den Rotor 350 hin ab und bildet mit einem Einlaßverteiler 376 verbundene Hochdruck-Kammern HPa - π- Neben den Flächen 344 befinden sich Niederdruck-Kammern LPa-ii- Wie aus Fig. 7 erkennbar ist, dienen die Nasen 348 zur Trennung der Hochdruck-Kammern HP gegenüber den Niederdruck-Kammern LP.

Die Steuerplatte 350 enthält »Verbund«-Leitungen 364 zur Verbindung jeweils einer Hochdruck-Kammer HP einer Einheit 300A oder B mit einer Niederdruck-Kammer LP der anderen Einheit (Fig. 9). Weiterhin enthält die Steuerplatte 360 »Einfachw-Verbindungsleitungen 302 (F i g. 10), die jede Hochdruck-Kammer HP, beispielsweise die Kammer HPa, direkt mit der Niederdruck-Kammer, hier also LP_A, desselben Hebels

bo34OA-H verbinden. Die Steuerplatte 360 enthält weiterhin Dreiwege-Steuerschieber 304. Jeder Schieber 304 steht in Verbindung mit jeweils einer Niederdruck-Kammer LPa-h und mit den dieser zugeordneten »Verbund«- und »Einfach«-Verbindungsleitungen 364

b5 bzw. 302.

Die zweiflügeligen Rotoren 350/4 und B weisen große Verweil- bzw. Grundkreissegmente 354 auf, die in F i g. 7 die Hebel 340/4 und 340C über 30° bis 40°

Rotordrehung in ihrer äußerern Endstellung halten. Weiterhin ist eine Ablaufflanke 356 anschließend an die Grundkreissegemente 354 vorhanden, die so geformt ist, daß sie die Hebel 340 in annähernd harmonischer Bewegung bei ihrer Einwärtsbewegung während etwa 60° bis 70° Rotordrehung führen.

Danach folgen kleine Grundkreissegmente 357, die die einwärtsbewegten Hebel zum Verlangsamen ihrer Bewegung in Vorbereitung der Bewegungsumkehr über etwa 5° bis 10° Rotordrehung aufnehmen. (Fig. 7). Dann folgen Auflaufflanken 358, die während der Rotordrehung um etwa 70' bis 90° die Hebel 340 in einer harmonischen Bewegung in die äußere Endlage führen.

Da die Rotoren 350 symmetrisch sind, vollführt jeder Hebel 340 seine Bewegung von einem kleinen Grundkreissegment 357 zum anderen über eine Kolbendrehung von 180°, d. h. jeder Hebel 340 führt bei einem vollen Umlauf der Kolben 350 zwei vollständige Bewegungszyklen aus. Die verdrehte Anordnung der Einheiten 3004, B bewirkt, daß die Bewegungszyklen der Hebel 3404 -D die der Hebel 340F- H je 45ⁿ Rotordrehung zeitlich überlappen.

Die Volumenänderung der miteinander verbundenen Hochdruck- und Niederdruck-Kammern HP bzw. LP serfolgt im wesentlichen synchron, so daß die Füllungen ohne nennenswerte Arbeitsaufnahme überströmen. Das Volumen der Niederdruck-Kammern LP beträgt vorzugsweise das 1,5- bis 2-fache der Hochdruck-Kammern HP. Dieses Verhältnis ist jedoch durch Änderung der Form der Hebel 340 und der Rotoren 3504, Bin weitem Bereich veränderbar.

Die Kraftmaschine 300 enthält Auslaßöffnungen 3904 -H. Die Steuerplatte 360 enthält einen Auslaßsammler 391 zur Verbindung jeder Auslaßöffnung 3904 - Hmit einem Auslaßsystem, das das Arbeitsmedium erneut in Umlauf setzt oder in die Atmosphäre austreten läßt. Die Auslaßöffnungen 3904 -H sind in den Abschlußplatten 362 angeordnet, so daß jeweils eine Auslaßöffnung einem Hebel 3404 - H zugeordnet liegt, beispielsweise die Auslaßöffnung 3904 nächst dem Hebel 3404 usw.

Gemäß F i g. 7 sind die Auslaßöffnungen 390 derart in den Maschineneinheiten 3004, B angeordnet, daß sie — abgeändert zu den vorbeschriebenen Ausführungen — von den Rotoren 350 unmittelbar verschlossen werden, wenn die Hebel 3404 -H ihre Einwärtsbewegung durchführen; beispielsweise wird der Auslaß 3904 vom Rotor 3504 geschlossen gehalten, während der Hebel 3404 seine Einwärtsbewegung vollführt, usw. Die Rotoren 3504, B geben die Auslaßöffnungen 3904 - H frei, kurz bevor die entsprechenden Hebel 3404 - H an den Auflaufflanken 358 zur Anlage kommen. Damit werden die Auslaßöffnungen 390 geöffnet, bevor die Abwärtsbewegung des betreffenden Hebels 340 beginnt. Die weitere Drehung des Rotors 350 treibt das expandierte Arbeitsmedium über den Auslaßsammler 391 aus.

Zum Einfach-Expansions-Betrieb sperren die Schieber 304 (Fig.8) die Verbundleitungen 364 /u den Niederdruck-Kammern LPa. n ab und sie veibinden diese mit den Einfach- Verbindungsleitungen 302. Jede Niederdruck-Kammer LP steht dann in Strömungsverbindung mit der demselben Hebel 3404 - H zugeordneten Hochdruck-Kammer HP. Daher expandiert eine Füllung gleichzeitig in den miteinander verbundenen Hochdruck- und Niederdruck-Kammern.

Während des Betriebs sind die Steuervorrichtungen 379 in einem Bereich zwischen wenigen Graden und 90° Rotordrehung verstellbar, und so eingerichtet, daß sie eine Füllung gleichzeitig an zwei diametral angeordnete Hebel 340 freigeben, wenn das große Grundkreissegment 354 die Hebel 340 freigibt. Es werden die Hebel 3404 und C, 34OiS und D, 340Fund G, und 340Fund H jeweils paarweise gleichzeitig wirksam, um dem betreffenden Rotor 350 bei jeder Umdrehung je zwei Antriebsschübe zu erteilen.

ίο Die Druckschübe des Hebelpaares, beispielsweise 3404 und C, erstrecken sich über eine Rotordrehung von etwa 60° bis 70°. Dann kommen die Hebel 340 an den kleinen Grundkreissegmenten 357 zur Anlage und ändern ihre Bewegungsrichtung. Nach einer Rotordrehung um 90° führen die Auflaufflanken 358 die Hebel in die äußere Endlage zurück. Gleichzeitig werden die folgenden Hebel, in diesem Fall 340ß und D, einwärts gelrieben. Die Auswärtsbewegung der Hebel 340 überführt die expandierte Füllung über die Leitungen 302 in die Niederdruck-Kammern LP. Anschließend wird die expandierte Füllung über die inzwischen freigegebenen Auslaßöffnungen 390 ausgeführt

Beim Einfach-Expansions-Betrieb wird ein großes Drehmoment erzeugt, da die beiden Rotoren 350 je Umdrehung der Welle 310 sechzehn Antriebsschübe erzeugen.

Eine Leislungsberechnung der Zwillingskraftmaschine 300 mit 19 cm Innendurchmesser und 10 cm Gehäusebreite mit überhitztem Dampf mit 14,1 bar Druck wurde angestellt. Bei Sperrung der Dampfzufuhr nach 90° Rotordrehung ergibt sich ein Auslaßdruck von 13,8 bar. Erzielt wurde ein mittleres Ausgangsdrehmoment von 293,3 Nm und eine indizierte Leistung von 362 KW bei 1200 U/min. Bei Unterbrechung der Dampfzufuhr nach 45 Kolbendrehung ergab sich ein Auslaßdruck von 5,2 bar, das mittlere Ausgangsdrehmoment betrug 243,1 Nm und die indizierte Leistu.ig 350 KW bei 1200 U/min.

Zum Verbundbetrieb werden die Schieber 304 (Fig.8) zur Verbindung der Niederdruck-Kammern LP^ n mit den Verbundleitungen 364 verstellt. Es expandieren die den Hochdruck-Kammern HP* n zugeleiteten Füllungen zunächst in diesen und werden dann in die zugeordneten Niederdruck-Kammern LPa ti der anderen Einheit übergeleitet.

Die Zufuhr ist zeitlich über die Steuervorrichtung 379

so einstellbar, daß in jeder Einheit 3004 und BFüllungen jeweils gleichzeitig den Hochdruck-Kammern HP zugeleitet werden, beispielsweise den Hochdruck-Kammern der Hebel 3404 und Coder 340ßund D.

Bei der Drehung des Rotors 350 kommt das einwärts bewegte Hebelpaar an den kleinen Grundkreissegmenten 357 und anschließend an den Auflaufflanken 358 zur Anlage. Daher werden die Hebel 340ß und D auswärts geführt, wobei das Volumen der betreffenden Hochdruck-Kammern sich verringert. Gleichzeitig kommen die Ablaufflanken 356 des Rotors 350 der anderen Einheit 300 zur Anlage an den Hebeln 340£ und C, weiche mit den Hebeln 3404 und C über die Verbundleitungen 364 gekoppelt sind. Die Auswärtsbewegung der Hebel 340 in einer Einheit leitet die Füllung von den Hochdruck-Kammern HP durch die Verbundleitungen 364 in die Niederdruck-Kammern der anderen Einheit über. Nach der Überleitung expandieren die Füllungen in den Niederdruck-Kammern LPein zweites Mal, während in den den Hebeln zugeordneten Hochdruck-Kammern HP frische Füllungen expandieren. Die Weiterdrehung der Rotoren 350 gibt dann die

.1

Ausiaßöffnungen 390 fur das expandierte Arbeitsmedium frei.

Der Leistungsberechnung wurde wieder ein Innendurchmesser von 19 cm und eine Breite von 10 cm zugrundegelegt- Der Dampfeingangsdruck betrug 14,1 bar. Bei einer Unterbrechung der Dampfzufuhr nach 90° Kolbendrehung ergibt sich ein Auslaßdruck, von 6.8 bar; als mittleres Ausgangsdrehmoment ergab sich 153 Nm und als indizierte Leistung 188,8 KW bei 1200 U/min. Im Falle der Unterbrechung der Dampfzufuhr nach 45° Rotordrehung betrugen der Auslaßdruck 6,4 bar, das mittlere Drehmoment 126Nm und die indizierte Leistung bei 1200 U/min 155,9 KW.

Fig. U bis 14 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Einzel-Kraftmaschine 500 mit einem zweiflügel-Rotor 550 und sechs Hebeln 540/4 — F. Sie ist zwischen Einfach- und Verbund-Expansionsbetrieb umsteuerbar. Der Rotor 550 ist auf einer Abtriebswelle 530 in einem Gehäuse 520 gelagert. Die Hebel 540A-F sind auf Zapfen 541 gelagert. Der Kolben 550 und die Hebel 540 sind durch Wellenkeile 551 od. dgl. gesichert, die eine schwimmende Selbstzentrierung gestatten.

Das Gehäuse 520 ist von einer Auslaßgehäusewand als Seitenteil 560 und einer Steuerungsgehäusewand als Seitenteil 570 verschlossen (Fig. 12). Die Gehäusewände 560, 570 tragen Hauptlager 561, 571 und Einrichtungen zur Lagerung der Zapfen 541. An den Innenseiten der Seitenteile 560,570 sitzen AbschluBplatten 562,572. Labyrinthdichtungsnuten 552 bzw. 542 dienen zur Abdichtung des Rotors 550 bzw. der Hebel 540.

Die Hebel 540/4 — F weisen eine Abschrägung 543 und einen Vorsprung 546 auf. Eine Ausnehmung 547 gestattet den freien Durchgang des Rotors 550. Jeder Hebel 540 bildet ein Absperrglied 545, welches in der Aus'aßgehäusewand 560 angeordnete Auslaßöffnungen 590.4 - Fübersteuert. Im Gehäuse 520 sind Ausnehmungen 525 zur Aufnahme der Absperrglieder ausgebildet. Jeder Hebel 540 weist eine keilförmige Nase 548 auf, die eine Kontaktfläche 544 von beträchtlicher Größe freiläßt. Die Vorderseite 549 der Nase 548 verläuft gekrümmt. Ausnehmungen 528 im Gehäuse 520 nehmen die Nasen 548 auf. Eine gekrümmte Wand 529 der Ausnehmung 528 bildet mit der gekrümmten Seite 549 eine Abdichtung. Die Ausnehmungen 528 sind Hochdruck-Kammern HPa-f. Im Bereich der Steuervorrichtung 570 angeordnete Einlaßöffnungen 523 verbinden jede Hochdruck-Kammer HPa-f mit einer Druckquelle. Zusätzlich sind gegenüber den Kontaktflächen 544 der Hebel 540,4 -F Niederdruck-Kammern LPa-rangeordnet. Einlasse 524 im Steuerungsg^häuse 570 münden in die Niederdruck-Kammern LPa - f-

Der Umfang des Rotors 550 weist große Verweiloder Grundkreissegmente 554 auf, die die Hebel 540 in der äußeren Endstellung halten. Daran schließen sich Ablaufflanken 556 an, an denen die Hebel 540 einwärts geführt werden. Die Ablaufflanken 556 erstrecken sich über 55° bis 60° einer Rotordrehung. Danach folgen über 10° — \5" kleine Grundkreissegmente 557. an welchen die Hebel eines Paares anliegen. Da die Hebel in Abständen von 60° angeordnet sind, ergibt sich eine ω Überschneidung der Hebelbewegung um 10° bis 15° Kolbendrehung. Während dieser Überschneidung erteilen zwei Paare einander gegenüberstehender Hebel, beispielsweise 540/\ und D sowie 540C und F, dem Rotor 550 gleichzeitige Drehkraftimpulse. Es folgen dann Auflaufflanken 558, die die Schubhebel in ihre äußere Endstellung zurückführen. Sie sind derart angeordnet, daß die Auswärtsbewegung der Hebel 540 nicht früher einsetzt, als das folgende Hebelpaar die Einwärtsbewegung entlang der Ablaufflanken 556 begonnen hat Dies bewirkt, daß das folgende Hebelpaar in diesem Fall A und D die Ausiaßöffnungen 590 freigibt

Weiterhin sind zur Füllung und zur Umsteuerung zwischen Einfach- und Verbund-Expansionsbetrieb Steuerungseinrichtungen 600 vorgesehen. Diese (Fig. 12) enthalten eine Steuerplatte 620 und einen Steuerkranz 640, der einen ringförmigen Dampfkasten 641 bildet, welcher mit einer Druckquelle verbunden ist Der Steuerkranz 640 weist sechs bogenförmige Einlasse 643 auf, die bis zur Steuerplatte 620 hin reichen. Die Steuereinlässe 643 dienen der Zuleitung aus dem Dampfkasten 641. Ferner sind sechs Paare von Einlassen 644, 645 neben den Zapfen 541 vorgesehen, die zur Oberleitung des Arbeitsmediums dienen. Es weist die Steuerplatte 620 sechs in gleichen Abständen angeordnete L-förmige Einlaßkanäle 621 auf, welche über eine bestimmte Strecke konzentrisch zur Welle 530 und dann radial auswärts verlaufen. Es verbinden die Kanäle 621 die Einlasse 643 mit den benachbarten Einlassen 644 (Fig. !2 und 13). Weiterhin enthält die Steuerplatte 620 sechs L-förmige Hochdruckkanäle 622. Eine Seite jedes Kanals 622 steht in Verbindung mit dem benachbarten Einlaß 645 des Steuerkranzes 640 und mündet an der anderen Seite in eine Öffnung 623. Die Öffnungen 623 liegen in axialer Verlängerung der Einlasse 523 im Steuerungsgehäuse 570. Sie sind mit diesem verbunden und führen zu den Hochdruck-Kammern HP. Wenn die Lücke zwischen den Einlassen 644 und 645 überbrückt wird, sind die Kanäle 621 und 622 miteinander verbunden und stellen eine Strömungsverbindung der Einlasse 643 über die Einlasse 523 mit den Hochdruck-Kammern HP her. Ferner enthält die Steuerplatte 620 sechs Niederdruck-Kanäle 624 (Fig. 13) zur Zuleitung des Arbeitsmediums vom Dampfkaslen 641 in die Niederdruck-Kammern LP. Die Kanäle 624 sind L-förmig und münden an einer Seite in einer Öffnung 529 neben dem betreffenden Kanal 622 und an der anderen Seite in einer öffnung 625. Die Öffnungen 625 durchsetzen die Steuerplatte 620 in axialer Verlängerung der Einlasse 524 der Niederdruck-Kammern /.Pirn Steuergehäuse 570(F ι £·. 11). Wenn die Lücke zwischen den Kanälen 622 und 624 der Steuerplatte 620 überbrückt wird, stehen die Einlasse 643 über die Kanäle 621 und 624 in Verbindung mit den Niederdruck-Kammern LP. Zur Verbindung der Kanäle 622 und 624 miteinander ist nahe der Ötfnung 629 eine Verbindungsöffnung 627 angeordnet. Bei gleichzeitiger Verbindung der Kanäle 621, 622 und 624 miteinander wird im Einfach-Expansionsbetrieb eine Füllung aus dem Dampfkasten 641 gleichzeitig den Hoch- und Niederdruck-Kammern Wund Z-Pzugeleitet.

Die Steuerplalte 620 hat ferner sechs Überleitungskanäle 626, die bei Verbundbetrieb zum Überleiten der Füllung aus einer Hochdruck-Kammer HP in die dem nachfolgenden Hebel zugeordnet Niederdruck-Kammer LP. Eine Seie jedes Überleilungskanals 626 mündel in einer der Öffnung 627 des Kanals 622 benachbarten öffnung 628. Das andere Ende des Kanals 626 ist dem Niederdruck-Kanal 624 de5 folgenden Schubhebels 540 benachbart angeordnet. Die öffnungen 627, 628 und damit die Kanäle 626, 624 können für Verbundbetrieb zur Verbindung der Hochdruck- und Niederdruck-Kammern HP und LP einander benachbarter Schubhebel, beispielsweise also HPa und LPb wahlweise verbunden werden.

Die Steuerungseinrichtungen 600 enthalten Umsteuerungseinrichtungen 630 für Einfach- und Verbundbetrieb, die einen in der Steuervorrichtung 570 angeordneten Kranz 631 enthalten. Dessen Innenfläche weist eine mit einem Ritzel 632 im Eingriff stehende Verzahnung auf. Eine Betätigungsachse 633 am Ritzel 632 läßt eine Verdrehung des Kranzes 631 zu. Am Kranz 631 sind sechs kreisbogenförmige Führungskanäle 634 befestigt, welche durch Verdrehung des Kranzes 631 verschoben werden. Die Führungskanäle 634 werden von einer Wellenfeder 635 gleitend an der Steuerplatte 620 gehalten. Die Kanäle 634 liegen in radialer Ausrichtung gegenüber den öffnungen 627,628 und 629 und können zur wahlweisen Verbindung der öffnungen 627 mit den Öffnungen 629 oder 628 verschoben werden. Durch Verbindung der Öffnugnen 627 und 629 miteinander sind die Kanäle 634 für den Einfach-Expansionsbetrieb verantwortlich. Bei Verbindung der Öffnungen 627 und 628 miteinander bestimmen die Kanäle 634 den Verbundbetrieb. Die Führungskanäle 634 sind so ausgebildet, daß sie bei Verbindung mit der Öffnung 628 die öffnung 629 geschlossen halten und umgekehrt

Die Absperrung der Zufuhr wird mit einem Steuerring 660 gesteuert, der sechs Absperr-Öffnungen 661 aufweist, weiche in axialer Verlängerung der Einlasse 643 angeordnet sind (F i g. 12). Die Innenfläche des Ringes 660 hat eine Verzahnung, mit welcher ein Ritzel 662 im Eingriff steht, so daß eine Drehung der Welle 663 das Ritzel 662 den Ring 660 verdreht Fig. 14 zeigt, daß eine Drehung des Ringes 660 im Uhrzeigersinn ein früheres Schließen der Öffnungen 661 durch die Platten 651 bewirkt, und umgekehrt.

F i g. 12 und 14 zeigen sechs Absperrorgane 650,4 — F, die als Schieber ausgebildet und an den Zapfen 541 befestigt sind. Sie bewegen sich gleitend gegenüber dem Steuerkranz 640, wenn der zugeordnete Hebel 540 schwenkt.

Eine Seite jedes Absperrorgans 650 bildet eine Absperrpiaute 641, die mit dem zugeordneten Hebel 540 schwenkbar ist und über die Einlaßöffnung 661 gleitet. Wie in F i g. 14 dargestellt ist, gestatten die Absperrplatten 651 den Zustrom des Arbeitsmediums über die Einlasse 661. wenn die Hebel 540/4 und Din der äußeren Endlage sind. Es schließen die Absperrplatten 651 die Einlasse 661, wenn die Hebel 540Cund Fin der inneren Endstellung sind. Dabei sperrt jede Absperrplatte 651 die zugeordnete Hochdruck-Kammer HP ab. Die andere Seite jedes Absperrorgans 650 enthält ein Paar paralleler Überbrückungsleitungen 652 und 653. Die erste Überbrückungsleitung 652 dient der Verbindung einander benachbart angeordneter Öffnungen 644 und 645 bei in äußerer Endstellung befindlichem Hebel 540. Es steuern die Überbrückungsleitungen 652 die Verbindung zwischen dem Einlaß 621 und dem Hochdruckkanal 622 des vorausgehenden Hebels. So steuert beispielsweise das dem Hebel 54OÖzugeordnete Absperrorgan 6505 die Verbindung 621-622 des Schubhebels 540A Die zweite Überbrückungsleitung 653 verbindet in gleicher Weise den Niederdruckkanal 624 des vorausgehenden Hebels 540 mit dem benachbart angeordneten Überleitungskanal 626, wenn das vorausgehende Hebelpaar 540A und D sich in der äußeren Endstellung befindet.

Zum Betrieb wird z. B. überhitzter Hochdruck-Dampf dem Dampfkasten 641 zugeleitet. Dann wird der Ring 660 zum Einstellen des gewünschten Unterbrechungs-Zeitpunktes bzw. der Zuführmenge durch Verstellen der Absperröffnungen 661 in eine bestimmte Stellung zu den Absperrorganen 650 verdreht Die Absperrorgane 650 steuern den Zeitpunkt der Zufuhrunterbrechung und gleichzeitig die Dampfzufuhr in die Druckkammern des unmittelbar vorausgehenden Hebels 540, beispielsweise steuert das Absperrorgan 650B die Zufuhr für die Kammern LP_A und HPa usw. Der Zeitpunkt der Zufuhrunterbrechung für die einander gegenüber angeordneten Hebel 540Λ und D wird durch die mit diesen verbundenen Absperrorgane 650Λ und D gesteuert Der Dampf tritt nur solange in die Absperröffnungen 661 ein, als diese durch die Absperrplatten 651 freigegeben sind. Der Dampf strömt jedoch solange nicht in die Druckkammern LPa, d sowie HPa, α bis die Hebel 540 des vorausgehenden Paares noch nicht in der äußeren Endlage sind. Dann verbinden die Überbrückungsleitungen 652 und 653 der nachfolgenden Absperrorgane 650ßund E den Kanal 621 mit dem Kanal 622 und den Kanal 624 mit dem Kanal 626.
Für Einfach-Expansionsbetrieb werden die Öffnungen 627 und 629 miteinander verbunden, und durch die sechs Kanäle 634 die öffnung 628 geschlossen. Beim Einfach-Expansionsbetrieb treten die Füllungen in die Absperröffnungen 661 und in die Kanäle 621 ein. Von dort strömt der Dampf über die Einlasse 644 und die

Überbrückungsleitungen 652 der Absperrorgane 650ß und D in die öffnungen 645 und die Hochdruckkanäle

622. Von dort strömt das Druckmittel durch die Einlasse

623, 523 in die Hochdruckkammern HPa, d der Hebel 540AD. Der dem Kanal 622 zugeleitete Dampf strömt

gleichzeitig durch die Öffnungen 627 in die Umsteuerungskanäle 634 (F i g. 12) und durch die Öffnungen 629, dann in die Niederdruckleitungen 624 und von dort in die Niederdruck-Kammern LPa.d- Da die Umsteuerungskanäle 634 die Öffnungen 628 beim »Einfach«-Betrieb schließen, kann der aus den Kanälen 624 durch die Überbrückungen 653 ausströmende Dampf nicht entweichen. Es bewirkt bei Einfach-Betrieb die Steuerung 600 die gleichzeitige Zufuhr des Druckmittels in die einem Paar gegenüberliegender Hebel 540A D zugeordneten Hochdruck- und Niederdruck-Kammern.

Der Dampfzustrom in die Hoch- und Niederdruck-Kammern HPa. d und LPa. d hält an, bis die Absperrplatten 651 der Absperrorgane 650A D die öffnungen 661 verschließen (F i g. 14) und die Hebel 540A D sich den kleinen Grundkreissegmenten 557 nähern. Anschließend werden die Hebel 540A D von den Auflaufflanken 558 auswärts getrieben, so daß sich das Volumen der Hochdruck-Kammern HPa. d verringert. Gleichzeitig wird das nächste Hebelpaar 540ß, E durch in den Kammern HPb. r und LPb. ε expandierenden Dampf einwärts getrieben, der über die durch die Absperrorgane 650B, E freigegebenen Absperröffnungen 661 zugeströmt ist. Von den öffnungen 661 gelangte der Dampf über die Kanäle 621 durch die Überbrückungsleitung 652 an den Absperrorganen 650C Fzu den Kanälen 622 und aus diesen über die Einlasse 623 in die Hochdruck-Kammern HPb. r und über die Öffnungen 627,629 und die Umsteuerungskanäle 634 in die Kanäle 624 und die damit verbundenen Niederdruck-Kammern LPb. F,

Es erteilen die Hebel 540 dem Kolben 550 bei jeder vollen Umdrehung sechs doppelte oder zwölf einfache Drehkraftimpulse.
Zum Verbundbetrieb werden die Umsteuerungskanä-

Ie 634 zur Verbindung der öffnungen 627 und 628 und Schließen der Öffnungen 629 verschoben.

Es strömt dann der Dampf über die Kanäle 621 und die Überbrückungsleitungen 652 der dem jeweils

vorausgehenden Hebel 540 zugeordneten Absperrorgane 650, z. B. 6505 und E, in die Kanäle 622 und die Hochdruck-Kammem HPa, d- Gleichzeitig strömt der Dampf durch die öffnungen 627, 628 und die Umsteuerungskanäle 634 und füllt die den vorausgehenden Hebeln 540B, E zugeordneten Oberführungskanäle 626, die zunächst durch die Absperrorgane 650C, F gesperrt sind. Daher expandiert der Dampf einstweilen in den einem ersten Hebelpaar 54QA. D zugeordneten Hochdruck-Kammern HPa, d- Anschließend treibt die Auswärtsbewegung des ersten Hebelpaares 540A, D den Dampf in die Überleitungskanäle 626. An diesem Punkt der Rotordrehung halten die großen Grundkreis

segmente 554 des Rotors 550 das nächste Hebelpaar 540C, F in der äußeren Endstellung, so daß die Überbrückungsleitungen 653 der zugeordneten Absperrorgane 650C, F mit den Überleitungskanälen 626

in Verbindung stehen. Dadurch sind die Hochdruck-Kammern HPa. d mit den Niederdruck-Kammern LP_B, ε des nächsten Hebelpaares verbunden und es wird die Füllung der Hochdruck-Kammern für eine weitere Expansion gegen das nächste Hebelpaar in die diesem

ίο zugeordneten Niederdruck-Kammern LP übergeleitet Aus den Niederdruck-Kammern LPwird der expandierte Dampf in der erläuterten Weise durch die Auslässe 590 ausgestoßen.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Rotationskolben-Kraftmaschine mit einem exzentrisch umlaufenden, achsferne Zonenaufweisenden Rotor innerhalb eines aus einem Gehäusemantel und Seitenteilen bestehenden Gehäuses, in welchem in gleichen Abständen mindestens drei drehschwingbeweglich gelagerte, jeweils als Absperr- und Leistungsteil wirksame, in Ausnehmungen im Gehäusemantel geführte bogenförmige Hebel vorgesehen sind, die mittels Druck des durch ventilgesteuerte Einlaßöffnungen im Gehäüsemantel einströmenden Arbeitsmediums in dichtender Anlage an den Rotor gehalten sind, welcher seine Drehkraftimpulse durch die Hebel und durch das Arbeitsmedium direkt erhält, gekennzeichnet in Verwendung als druckmittelbetätigte Expansionsmaschine durch folgende Merkmale:

a) Der bogenförmige Hebel (140A-C; 340A -D; 540/4 -F) ist jeweils in beiden Seitenteilen (160, 170; 370/4, ß, 360; 560, 570) mittels Zapien (14M-C; 341, 541) gelagert, derart, daß der Hebel zwei Arme aufweist, wovon der längere Arm den Drehkraftimpuls auf den Rotor ausübt und der kürzere, im Gehäusemantcl geführte Arm die jeweilige Auslaßöffnung (190/\-C, 545) übersteuert;

b) der längere Arm des Hebels bildet jeweils mit dem Gchäusemanicl eine Hochdruck-Kammer (HP,\ ii. c) und mit dem Gehäusemantel sowie dem Rotor (150, 350, 550) eine mit der Auslaßöffnung verbindbare Niederdruck-Kammer f/.P,_v ac);

c) die Hochdruck-Kammer (HP.\.n₍) ist mit einer anderen Niederdruck-Kammer (LPn, m) verbindbar.

2. Rotationskolben-Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die von einem Hebel (140, 340, 540) gelrennten Hochdruck- (ΗΡ_Λιιι) und Niederdruck-Kammern (LP.ym) miteinander in Verbindung stehen.