DE202009016273U1

DE202009016273U1 - Drehkolbenmaschinenanordnung

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Publication number: DE202009016273U1
Application number: DE200920016273
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2019-12-01

Abstract

Drehkolbenmaschinenanordnung zur Verdichtung von Gasen oder zur Erzeugung von Drehkraft im Rahmen einer Turbinenanlage als Dampf- oder Gasturbine mit innerer oder externer Verbrennung bzw. im Rahmen eines Verbrennungsmotors nach dem Otto- oder Dieselverfahren, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Drehkolbenaggregat, aus dem die Maschinenanordnung besteht, je nach Bauweise folgendes aufweist bzw. folgende Funktionen ermöglicht:
a) eine äußere, zur Bedienseite (BS) bzw. zum Zylinderkopf 1 hin offene Zylinder-Flansch-Welle 6 bzw., nur Flansch-Welle 6a oder Nabenwelle und eine innere Nabenwelle 7a, die co-axial zu der äußeren Welle angeordnet ist, an denen im Zylinder- bzw. Arbeitsraum 5 auf BS jeweils vier Flügelkolben 6b und 7b symmetrisch verteilt angeordnet sind und an deren antriebseitigem (AS) Wellenende jeweils ein Malteser-Kreuz Getriebeelement 8a und 9a ebenfalls befestigt ist, wobei beide Malteser-Kreuze mit einem gemeinsamen Kurbelrad 8b/9b auf einer Antriebswelle 14 befindlich, mit für jede der beiden Wellen 6a, 7a zueinander versetzt angeordneten Kurbeln (Laufrollen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschinenanordnung, die aus einem oder mehreren Aggregaten aufgebaut sein kann, die als Kompressor zur Verdichtung von Gasen oder als Entspanner (Turbine) im Rahmen einer geschlossenen Dampfturbinenanlage bzw. Kältemaschine oder in Kombination zum Teil als Verdichter und zum Teil als Entspanner in einem Verbrennungsmotorprozess (Gasturbine, Otto, Diesel) mit interner oder externer Verbrennung arbeiten.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE000002518554A1 ist bekannt, dass man separate Drehkolbenaggregate verwenden kann, um eine Drehkraft zu erzeugen, wobei ein Aggregat als Verdichter und ein zweites als Entspanner arbeitet. Bei dieser Lösung werden die Drehkolben in eine oszillierende und nicht in eine rotierende Bewegung versetzt. Die Zu- und Ableitung des Arbeitsmediums erfolgt nicht über die Drehachse der oszillierenden Schwingkolben. Die kontinuierliche Verbrennung findet hier in einem Brenner außerhalb der Maschine statt. Die Brennkammer liefert das Heißgas in ringförmige Sammelräume, die am Umfang der Maschine zu beiden Seiten der Kolbentragscheiben des Expanders angeordnet sind. Diese Ringkammern müssen aufwendig thermisch isoliert sein. Die Heißgase haben einen relativ weiten Weg bis zu den Einschiebeschlitzen und können auf diesem Weg, trotz Isolierung, an Temperatur verlieren, die für die Wirkleistung der Maschine natürlich verloren ist.
Der Lösungsansatz der Offenlegungsschrift DE000003937359A1 weist ebenso getrennte Aggregate für die Verdichtung und Entspannung (Verbrennungsabschnitt) auf. Bei dieser Lösung wird die Luft axial angesaugt und radial abgegeben. Je Halbwelle ist nur ein Drehkolben vorhanden, und mindestens ein Drehkolben ist mit „Zungenventilen” ausgestattet, die sicher eine potentielle Störanfälligkeit darstellen. Aus der Offenlegungsschrift DE000010223145A1 geht hervor, dass die Zuluft der Drehkolbenmaschine axial zugeführt wird und auch, dass das Abgas von der Maschine axial abgeführt werden kann. Bei der hier vorgeschlagenen Lösung wird die Fluidsteuerung mittels einer separaten Steuerungsbüchse durch einen elektrisch betriebenen Sonder-Schrittmotor gesteuert und nicht automatisch durch die Flügelkolben selber. Bei dieser Lösung gibt es einen Innenzylinder mit nur einem Kolben, der um die Steuerbüchse rotiert. Die Verbrennung findet nach dem Dieselprinzip statt, welches gerade für Drehflügelkolben nicht so geeignet erscheint wegen den extrem hohen Druckspitzen zum Zeitpunkt der Selbstzündung.
Gleiches gilt für die Lösung nach der Offenlegungsschrift DE000003937359A1 . Wegen der Tatsache, dass sich bei den letzten beiden Lösungsvorschlägen jeweils nur ein Drehkolben je Innen- bzw. Außenzylinder bzw. je Arbeitswelle befindet, kann erwartet werden, dass die asymmetrisch auf die Innen- und Außenzylinder wirkenden Druckkräfte zum Zeitpunkt der Verbrennung sich nachteilig auf die Lagerung und Schmierung derselben auswirken. Bei keinem der Offenlegungsschriften kann man erkennen, wie ein unruhiger Massengang, insbesondere bei den Lösungen mit insgesamt nur zwei Kolben je Zylinder, kompensiert werden soll. Alle drei aufgeführten Lösungen weisen ein feststehendes Außengehäuse auf, welches die rotierenden Elemente, wie Drehkolben bzw. Außenzylinder umschließt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen diesen Elementen ist hoch und damit auch die zu erwartenden Reibungsverluste.
Die eigentliche Verbrennung des Kraftstoffes erfolgt entweder in dem Hubraum, begrenzt von zwei Flügelkolben, oder wie bei der Schwingkolbenlösung nach DE000002518554A1 in einer Brennkammer außerhalb der Maschine.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 008 213 A1 ist bekannt, dass man Drehkolbenmaschinen auch als Außenläufermaschinen mit rotierenden Zylinderhälften ausführen kann, die mittels Malteser-Kreuz-Getriebe gesteuert werden. Diese Bauweise erfordert einen zu großen Platzbedarf, und die Gaswege zwischen den verschiedenen Aggregaten, die zusammenarbeiten, sind immer noch zu lang. Eine Neugestaltung dieser Maschinentype bietet weitere und günstigere Realisierungs- und Anwendungsmöglichkeiten.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die von der Offenlegungsschrift DE 10 2009 008 213 A1 her bekannte Maschinenbauweise so umzugestalten, dass weitere neue Anwendungsmöglichkeiten als auch eine Reduzierung der Herstellungskosten ermöglicht werden. Außerdem soll die Bauweise dieses Maschinentyps kompakter und einfacher in der Herstellung sein. Es werden Lösungen vorgeschlagen, wie bereits mit einem oder zwei Aggregaten eine Verbrennungskraftmaschine mit sehr hohem Wirkungsgrad realisierbar ist. Ausgehend von Beispielrechnungen wird dargelegt, wie höhere thermische Wirkungsgrade als nach Witz oder Carnot für bekannte Motorprozesse berechnet, realisiert werden können, weil der Arbeitsdruck der Arbeitsgase voll genutzt werden kann. Es soll also der Vorteil der Gleichraumverbrennung (wie beim Ottomotor) zusammen mit dem Vorteil der Restdruckausnutzung, wie von dem Turbinenprozess her bekannt, kombiniert werden.
Lösung
Ausgehend von einer Drehkolbenmaschine 1, bei der die zwei Maschinenwellen 6a und 7a, an denen auch die Flügelkolben 6b und 7b befestigt sind, über Malteser-Kreuz-Getriebe 8 und 9 mit einer Hauptwelle 14 in Eingriff stehen, wird vorgeschlagen, die vier vorhandenen Arbeitsquadranten Q1, Q2, Q3, und Q4 nach 2a bzw. 2b als separate Hubräume zu betrachten mit jeweils eigenen Ein-(E) und Auslassöffnungen (A). Man lässt nun beispielsweise nach 4 (Variante 1) den Hubraum aus einem der vier Quadranten (Q1) als Verdichter für die Luft oder für Luft plus Brennstoff arbeiten. Das so verdichtete Arbeitsmedium wird nun außerhalb des Arbeitsraumes 5 in eine Brennkammer 3 im Zylinderkopf 1 gelenkt und unmittelbar wieder zurück zu den drei oder auch nur zu zwei anderen Quadranten (Q2, Q3, und Q4), die ihrerseits als Entspanner arbeiten. Bei der Lösung, bei der nur die Luft verdichtet wird, muss der Treibstoff in die Brennkammer mit dem erforderlichen Druck eingespritzt und, falls erforderlich, nach dem Stand der Technik zusätzlich gezündet werden. Bei der Lösung, bei der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet wurde, muss nur gezündet werden. Der Vorteil dieser Lösung gegenüber bekannten Hubkolbenmotoren ist, dass ein viel größeres Volumen für die Arbeit verwendet wird als das, was für die Verdichtung eingesetzt wird. Der Druck nach Abschluss der Verdichtung kann in der Regel viel geringer sein als der tatsächliche Arbeitsdruck (wie beim Ottomotor). Damit lassen sich die theoretisch maximal möglichen Prozesswirkungsgrade erreichen. Bei Anwendung von sehr hohen Prozesstemperaturen kann hier natürlich auch nur mit zwei Quadranten als Entspanner gearbeitet werden, wobei zwischen den Entspannern noch ein reiner Leerlauf- bzw. Kühltakt eingeführt werden kann. Wenn man dafür sorgt, dass die Verdichterstufe(n) nur ein Teil, z. B. 50% (25%) ihres Hubvermögens ansaugt (bzw. ansaugen) und verdichtet, kann das Verhältnis zwischen Ansaugvolumen und Arbeitsvolumen in sehr großen Bereichen angepasst werden. Das Brennkammervolumen außerhalb des eigentlichen Hubraumes sollte dabei in einem bestimmten Verhältnis zum tatsächlichen Ansaugvolumen und in einem anderen viel größeren Verhältnis zum Arbeitsraumvolumen stehen. Um kurze Gaswege zwischen Verdichterquadrant und Entspannerquadrant sicherzustellen, ist es vorteilhaft, möglichst beide Quadranten als benachbarte Quadranten auszuwählen. Man nimmt also vorteilhafterweise immer abwechselnd einen Verdichterquadrant und einen Entspannerquadrant. Man hat dann also zwei Brennkammern, die im Gleichtakt zünden bzw. gezündet werden. (zwei Zündvorrichtungen). Die Einlassöffnungen E werden entsprechend groß gehalten, um nur einen Bruchteil des max. möglichen Volumens anzusaugen.

Zahlenbeispiel: Ansaugvolumen: 0,857 pu (pu = per unit); Brennkammervolumen: 0,286 pu; Verdichtungsverhältnis = (0,857 + 0,286)/0,286 = 4:1.
Entspannungsverhältnis bei Verwendung von 2 Quadranten als Entspanner und einem Leerlauf- bzw. Kühlquadranten bzw. einem weiteren Verdichterquadranten: Brennkammervolumen 0,286 pu; Entspannungsvolumen: 2 pu + 0,286 pu = 2,286; Entspannungsverhältnis: 2,286 pu/0,286 pu = 1:8. Frischlufttemperatur (300 K angenommen) nach Verdichtung auf p2 = 6,96 bar ist 6,96^0,286 × 300 K = 522 K.
Erwärmung auf 1378 K (1105°C) im Brennraum erhöht den Gasdruck auf (1378 K/522 K) × 6,96 bar = 18,4 bar. Gastemperatur nach Entspannung: 1378 K/18,4^0,286 = 599 K (326°C). Thermischer Wirkungsgrad: Tzu = 1378 K – 522 K = 856 K; Tab = 599 K – 300 K = 299 K; η_th = (856 K – 299 K)/856 K = 0,65 = 65%.
Wirkungsgrad nach Carnot η_c = 1 – (599 K/1378 K) = 0,565 = 56,5%.
Wirkungsgrad nach Witz η_Witz = 1 – (1/8)^1,4-1 = 0,565

Das Zahlenbeispiel zeigt, wie erwartet, eine deutliche Wirkungsgradverbesserung gegenüber dem Carnot-Prozess oder auch nach dem Gleichraumprozess nach Witz für bekannte Verfahren z. B. dem Ottomotor.
Aus dem p-V-Diagramm 7 ist der Gewinn bzw. Nutzen gegenüber dem Diagramm nach Witz schraffiert dargestellt.
Ein noch höherer prozentualer Gewinn gegenüber dem Witz-Prozess für Ottomotoren, ergibt sich bei geringeren Drücken und Temperaturen. Bei Anwendung eines Verdichtungsverhältnisses von 2:1 und eines Entspannungsverhältnisses von 1:4 ergeben sich mit T1 = 300 K, folgende Werte:
T2 = 396 K; T3 = 1046 K und T4 = 600 K; P2 = 2,64 bar nach Verdichtung; P3 = 6,97 bar nach Zündung; η_th = (650 K – 300 K)/650 K = 0,538 = 53,8%.
Nach Carnot beträgt der Wirkungsgrad η_c = 1 – (600 K/1046 K) = 0,426 = 42,6%.
Nach Witz beträgt der Wirkungsgrad η_Witz = 1 – (1/4)^1,4-1 = 42,6%.
Man kann also deutlich erkennen, dass der Wirkungsgrad für das neue Maschinenkonzept aus dem Grunde um einiges besser ist als der Witz-Wirkungsgrad für eine Maschine, bei der das Ansaug- und Entspannungsvolumen gleich ist, weil dieser neue Prozess die Vorteile des Gleichraumprozesses für die Verbrennung zusammen mit dem Vorteil der vollständigen Ausnutzung des Drucks der Verbrennungsgase wie beim Turbinenprozess kombiniert. Man erreicht also schon sehr gute Wirkungsgrade mit deutlich niedrigeren Verbrennungstemperaturen und Arbeitsdrücken wie bei den bekannten Verfahren nach Otto und Diesel.
Rein theoretisch ergibt sich ein thermischer Wirkungsgrad von 73,3% unter der Annahme folgender Bedingungen: T1 = 300 K, T2 = 690 K, T3 = 1836 K T4 = 603 K, p2 = 18,4 bar, p3 = 48,5 bar, p1 = p4 = 1 bar, ε_V = 8:1; ε_E = 1:16.
Generell kann gesagt werden, dass bei dem angewendeten Prozess der thermische Wirkungsgrad mit kleiner werdendem Verdichtungsverhältnis bei gleich bleibendem Entspannungsverhältnis kleiner wird, die erforderliche Brennraumtemperatur und das Leistungsvermögen werden jedoch gesteigert. Umgekehrt wird bei sich annähernden Verhältnissen zwischen Verdichtung und Entspannung der Wirkungsgrad immer höher. Dieser Vorteil hat jedoch den Nachteil, dass das Arbeistvermögen immer weiter zurück bis zu null geht. D. h. die Maschine muss also für eine bestimmte Leistung immer größer werden. Es geht hier also darum, abzuwägen, was unter dem Strich am günstigsten ist. Die Variante 2 nach 5 macht Gebrauch von zwei separaten Aggregaten, die spiegelbildlich zueinander angeordnet sind und zwischen denen sich ein gemeinsamer Zylinderkopf 1 mit Brennkammer 3 befindet. Beide Aggregate werden von separaten Kurbelrädern an derselben Welle angeordnet, angetrieben. Damit kann ein Zeitversatz im Arbeitstakt beider Aggregate zueinander bewerkstelligt werden, falls vorteilhaft für die Optimierung der Verbrennungsabläufe. Man hat jetzt die Möglichkeit, den Hubraum beider Aggregate den Erfordernissen anzupassen und Kühlquadranten, die nicht am Arbeitsprozess beteiligt sind, vorzusehen. Es müssen also nicht alle vier Quadranten 2Q1–2Q4 parallel geschaltet sein wie dargestellt, sondern es können auch nur drei wie nach 4 oder gar nur zwei sein. Die leerlaufenden Quadranten dienen dann nur zur inneren Kühlung der Kolben und der Innenwände des Arbeitraumes. Das Aggregat zur Verdichtung der Luft bzw. des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird in der Regel kleiner ausgelegt werden als das zweite Aggregat, welches die Arbeit verrichtet. Bei dem Aggregat zur Verdichtung 19 kann nun optional, wie dargestellt, ein Arbeitsquadrant 1Q1 dazu herangezogen werden, um bei Verwendung von Gas als Treibstoff das Gas separat von der Luft zu verdichten, um Rückzündungen vom Luft-Gas-Gemisch bzw. zu frühes Zünden wegen zu hohen Temperaturen beim Verdichten auszuschließen bzw. zu hohe Verbrennungsdruckspitzen zu vermeiden (Dieselprozess). Gas steht ja auch nicht immer mit dem erforderlichen Druck zur Verfügung. Bei dieser Variante sind ähnliche thermische Wirkungsgrade oder sogar noch höhere, wie für die erste Variante aufgeführt, möglich, da ein noch größerer Spielraum für Variationsmöglichkeiten gegeben ist.
Die Variante 3 nach 6 arbeitet ebenso wie Variante 2 mit zwei Aggregaten nach Variante 1 auch mit einem gemeinsamen Zylinderkopf 1.
Ein erster Quadrant 2Q1 des Aggregates 2 wird als Kühlquadrant für dieses Aggregat genutzt und bewirkt eine innere Abkühlung der Arbeitsräume und Kolben. Die Quadranten 1Q1 und 1Q2 des Aggregates 1 stellen die erste Verdichterstufe dar. Die verdichtete Luft wird über einen Verteiler 1b dem Quadranten 1Q3 zugeführt, der das Arbeitsmedium weiter verdichtet und dann die Gase in die Brennkammer 3 leitet. Nach der Zündung steigt der Druck und die Temperatur in der Brennkammer. Diese werden in einer ersten Entspannerstufe mittels Quadranten 1Q4 des Aggregates 1 z. T. abgebaut und dann weiter zur zweiten Entspannerstufe 2Q2 vom Aggregat 2 geleitet. Dieser Quadrant baut den Arbeitsdruck und die Verbrennungstemperatur weiter ab, bevor die Heißgase dann an die beiden parallel arbeitenden Quadranten 2Q3 und 2Q4 des Aggregates 2 weiter geleitet werden. Mittels letzterer wird der nutzbare Druck der Rauchgase quasi „restlos” ausgenutzt, bevor sie ausgestoßen werden. Die Restwärme der Abgase kann natürlich, falls möglich, noch mittels eines Wärmetauschers nutzbar gemacht werden. Mit dieser Anordnung lassen sich die Arbeitsdrücke sehr gut beherrschen und die Arbeitsräume relativ kühl gehalten werden. Beide Aggregate sind am Entspannungsprozess beteiligt. Wegen der Stufen spielt die Dichtigkeit nicht mehr ganz die große Rolle. Die Auslassöffnung A vom Quadranten 1Q3 ist gleich der Einlassöffnung E vom Quadranten 1Q4 (wie für Q1 und Q2 auf 2b dargestellt). Außer diesen drei Grundvarianten sind noch viele weitere Varianten denkbar mit der Variierung der Stufenzahl und Zuordnung der Fuktionen. Der Variationsmöglichkeiten sind also quasi beliebig viele.
An Hand von 1 soll nun das Grundprinzip eines Drehkolbenaggregates beschrieben werden, welches prinzipiell geeignet ist, um o. a. Anwendungen realisieren zu können. Der Arbeitsraum 5 wird nach außen von dem Hohlzylinder 6 begrenzt, der zur Antriebsseite hin fest mit einer hohlen Flanschwelle 6b verbunden sein kann oder optional mit dem Zylinderkopf 3. Der Zylinder 6 dreht also mit der Flanschwelle 6b mit oder ist stationär angeordnet. An der Flanschwelle 6a ist auch das Malteser-Kreuz 8a vom Getriebe 8 befestigt. Diese Welle ist mittels eines Lagers 10 am Lagerschild 12 gelagert. Vier Flügelkolben 6b sind an der Innenseite des Hohlzylinders 6 und/oder am Flansch der Flanschwelle 6a befestigt (je nach Bauart). Der Zylinder 6 und bei Bedarf der Seitenflansch 6a können gerippt ausgebildet sein, um ausreichend von der Umgebungsluft gekühlt werden zu können. Ein stationär angeordneter Zylinder 6 kann auch wassergekühlt ausgeführt sein. Die Begrenzung des Arbeitsraumes zur Achsmitte des Zylinders hin erfolgt direkt mittels der Welle 7a, an der auch jeweils vier Flügelkolben 7b im Bereich des Arbeitsraumes 5 angeordnet und befestigt sind und außerdem ebenfalls ein Malteser-Kreuz 9a vom Getriebe 9 in Nähe des Wellenendes. Das hintere Ende dieser Welle 7a ist mittels eines Lagers 11 am Lagerschild 13 gelagert. Die beiden Wellen 6a und 7a sind gegeneinander über Gleitlager mit Ölschmierung gelagert. Das Schmieröl kann über den ”Zylinderkopf” 3 und über eine Bohrung in der Welle 7a der Maschine zugeführt werden. Mittels dieses Öles kann auch die innere Welle 7a gekühlt werden.
Der „Zylinderkopf” 3 ist nun, je nach Anwendungsfall (Beispiele 4, 5 und 6, ganz unterschiedlich gestaltet, um die Gasführung von und zu den einzelnen (4) Arbeitsquadranten und über die Brennkammer 3 zu ermöglichen. Dieser „Zylinderkopf” 1 muss auch bei Bedarf gut mittels eines geeigneten Kühlmittels gekühlt werden können. In diesem Zylinderkopf befindet sich dann auch je nach thermodynamischem Prozess eine Zünd- oder Glühkerze. Bei Anwendung von zweier dieser Aggregate wird das zweite Aggregat spiegelbildlich ebenfalls an diesen dann gemeinsamen Zylinderkopf von der anderen Seite her angedockt. Bei solch einer Lösung wird der Zylinderkopf zu einem Verbindungsstück zwischen zwei Aggregaten und muss von daher wieder ganz anders gestaltet werden. Die meisten Zu- und Ableitungen erfolgen in diesem Fall nur radial. Bei Anwendung nur eines Aggregates wird der Zylinderkopf mittels einer geeigneten Halterung an dem Lagerschild 12 befestigt und mit einem definierten Druck gegen die Wellen 6 (6a) und 7a und deren Kolben angedrückt. Für geeignete Gleitschmierung an den erforderlichen Stellen muss natürlich gesorgt werden. Die Flügelkolben 6b und 7b sind vorzugsweise sehr passgenau mit den zugehörigen Wellen verbunden und sind im Idealfall von der Zylinderkopfseite her zugänglich (Ein- und Ausbau). Die Arbeitsgase strömen bei dieser Lösung in axialer Richtung in die Arbeitsquadranten hinein und aus den Arbeitsquadranten und über den Zylinderkopf 3 wieder heraus. Die Fluidsteuerung erfolgt wie bei den meisten Maschinen dieser Gattung über die Seiten- bzw. Außenflächen der Kolben selber. Die Hauptwelle 14, an der auch die Kurbelräder 8b und 9b befestigt sind, ist auch an den Lagerschilden 12 und 13 gelagert. Bei Anwendung von zwei Drehkolbenaggregaten können die Arbeitstakte der beiden Aggregate zueinander versetzt oder synchron erfolgen. Schmier- und Kühlöl für die Gleitlagerung und bei Bedarf auch für die Lager der beiden Koaxialwellen kann von der Seite des Zylinderkopfes über entsprechende Bohrungen zu den erforderlichen Stellen geleitet werden.
Bei größeren Maschinen kann es sich als günstiger erweisen, die Flanschwelle 6a, ähnlich wie die Welle 7a, als Nabenwelle auszuführen, wobei dann nur die halbe Nabenlänge für die Verankerung der Flügelkolben von jeder Welle zur Verfügung steht. Bei dieser Lösung ist der Flansch 6a nach 1 mit dem Zylinder 6 verbunden, der auch mit dem Zylinderkopf 1 verbunden ist. Die Dichtstelle zur Arbeitsraumabdichtung zwischen der äußeren Welle und dem Flansch 6a verlagert sich damit vorteilhafter weise zur Achsmitte hin, wo die Umlaufgeschwindigkeit der Welle geringer und eine Abdichtung damit eventuell auch unproblematischer ist. Bei der vorgeschlagenen Lösung steht für die Befestigung der Kolben an der Welle 7a die volle Nabenlänge zur Verfügung und für die Flanschwelle 6a der volle Arbeitsraumteilradius (Kolbenhöhe) am Flansch und gegebenenfalls auch noch der umlaufende Zylinder 6 in voller Länge. Das oben beschriebene Drehkolbenaggregat lässt sich natürlich auch mit einer anderen Getriebeart, wie z. B. einer Kombination aus außermittigem und elliptischem Zahnrad anstelle von Malteserkreuzgetriebe, aufbauen, wobei das elliptische Zahnrad, wenn es an Stelle des Malteserkreuzes auf der Hohlwelle montiert ist, im Mittel nur halb so schnell umläuft wie das außermittig angeordnete runde Zahnrad auf der Hauptantriebswelle 14 des Drehkolbenaggregates. Da es hier je Umdrehung des elliptischen Zahnrades zwei Arbeitstakte gibt, müssen auch nur zwei Drehkolben an jeder Zylinderhälfte montiert, nur zwei Einlassöffnungen und auch nur zwei Auslassöffnungen an dem Zylinderkopf angeordnet sein. Die Welle 14 dreht im Mittel dann auch doppelt so schnell wie jede der Wellen 6 und 7 mit ihren Drehflügelkolben. Diese Lösungsmöglichkeit bietet nur dann einen guten Wirkungsgrad, wenn zwei Aggregate mit verschieden großen Hubvolumina verwendet werden. Anstelle der außermittig angeordneten Rundräder auf der Welle könnten auch hier gleichgroße Ellipsenräder wie für die Hohlwellen eingesetzt werden. Damit gäbe es dann natürlich keine Drehzahlübersetzung ins Schnellere.
3 zeigt nun der Vollständigkeit halber noch ein Ablaufdiagramm zweier um 15° X₅ taktversetzt arbeitenden und sich gegenüber liegenden Aggregate mit gemeinsamem Zylinderkopf 1. Der Entspannerquadrant 18 hat hier beispielsweise ein Arbeitsvolumen X₂, welches ca. drei mal so groß ist wie das Arbeitsvolumen X₁ vom Verdichterquadranten 19. X₃ zeigt das Volumen der Brennkammer 3 zwischen beiden Aggregaten, X₆ stellt das Kompressionsvolumen dar, und X₄ zeigt die Wegstrecke in Grad, in welcher die Verbrennung quasi in einem Gleichraum stattfinden kann.
Diese so angeordneten Aggregate könnten jeweils beide zwei leerlaufende, diagonal gegenüberliegende Kühlquadranten und ebenfalls zwei diagonal gegenüberliegende Arbeitsquadranten aufweisen. Damit werden beide Aggregate gut gekühlt. Die Auslassöffnungen A der beiden Verdichterquadranten sollten nun so angeordnet sein, dass sie genau gegenüber den Einlassöffnungen E der gegenüberliegenden Entspannerquadranten zu liegen kommen. Damit werden kurze und direkte Gaswege zwischen beiden Aggregaten ermöglicht. Generell betrachtet, können natürlich die Einlassöffnungen E und/oder die Auslassöffnungen A als auch die Brennkammer 3 mit Zündvorrichtung 4, bei der Lösung mit feststehendem Zylinder 6, auch am Zylinderumfang angeordnet sein.

1: Zylinderkopf mit Brennkammer und Verteilerkanälen
2: Frischluft, 2a Frischluftverteiler, 2b Abgassammler, 2c Abgas-Auslass
3: Brennkammer
4: Zündvorrichtung (Zündkerze oder Glühkerze)
5: Arbeitsraum mit den Hubräumen zwischen benachbarten Drehkolben
6: Außenzylinder mit Flanschwelle 6a und Flügelkolben 6b
7: Innenwelle 7a mit Flügelkolben 7b
8: Malteserkreuzgetriebe, bestehend aus Malteserkreuz 8a, Kurbelrad 8b und 4 Stck. Kurbeln bzw. Laufrollen 8c
9: Malteserkreuzgetriebe, bestehend aus Malteserkreuz 9a, Kurbelrad 9b und 4 Stck. Kurbeln bzw. Laufrollen 9c
10: Lager von Welle 6a
11: Lager von Welle 7a
12 13: Lagerschilde
14: Hauptantriebswelle
15: Brennstoffzufuhr
16: Halterung von Zylinderkopf 1
17: Bohrungen für Schmier- und Kühlöl
18: Entspanner
19: Kompressor
X₁: Hubraum von Verdichterquadrant, X₂ Hubraum von Entspannerquadrant,
X₃: Brennkammervolumen, X₄ Bereich für Gleichraumverbrennung,
X₅: Arbeitstaktversatz zwischen Verdichter und Entspanner,
X₆: Kompressionsvolumen.

Liste der Darstellungen
1 Schnitt durch Drehkolbenaggregat mit Malteserkreuzgetriebe und mit angeflanschtem Zylinderkopf 1 (ohne Schnitt)
2a Zylinderkopfseitige Ansicht auf Drehkolben mit Arbeitsquadranten Q1–Q4
2b Draufsicht auf Zylinderkopf Drehkolbenseite mit Darstellung der Einlass-(E) und Auslassöffnungen (A) von den Quadranten Q1–Q4
3 Ablaufdiagramm von zwei um 15° taktversetzt, arbeitenden Aggregate
4 Schema Gasführung Variante 1
5 Schema Gasführung Variante 2
6 Schema Gasführung Variante 3
7a p-V-Diagramm von Gleichraumprozess (nach der Erfindung)
7b p-V-Diagramm von Gleichdruckprozess (nach der Erfindung)
7c p-V-Diagramm von Seiligerprozess (nach der Erfindung)
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

- DE 000002518554 A1 [0002, 0005]
- DE 000003937359 A1 [0003, 0004]
- DE 000010223145 A1 [0003]
- DE 102009008213 A1 [0006, 0007]

Claims

Drehkolbenmaschinenanordnung zur Verdichtung von Gasen oder zur Erzeugung von Drehkraft im Rahmen einer Turbinenanlage als Dampf- oder Gasturbine mit innerer oder externer Verbrennung bzw. im Rahmen eines Verbrennungsmotors nach dem Otto- oder Dieselverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drehkolbenaggregat, aus dem die Maschinenanordnung besteht, je nach Bauweise folgendes aufweist bzw. folgende Funktionen ermöglicht: a) eine äußere, zur Bedienseite (BS) bzw. zum Zylinderkopf 1 hin offene Zylinder-Flansch-Welle 6 bzw., nur Flansch-Welle 6a oder Nabenwelle und eine innere Nabenwelle 7a, die co-axial zu der äußeren Welle angeordnet ist, an denen im Zylinder- bzw. Arbeitsraum 5 auf BS jeweils vier Flügelkolben 6b und 7b symmetrisch verteilt angeordnet sind und an deren antriebseitigem (AS) Wellenende jeweils ein Malteser-Kreuz Getriebeelement 8a und 9a ebenfalls befestigt ist, wobei beide Malteser-Kreuze mit einem gemeinsamen Kurbelrad 8b/9b auf einer Antriebswelle 14 befindlich, mit für jede der beiden Wellen 6a, 7a zueinander versetzt angeordneten Kurbeln (Laufrollen 8c, 9c) in Eingriff stehen. b) ein abnehmbarer Zylinderkopf 1, wahlweise mit angebautem, den Arbeitsraum 5 umschließenden Zylinder 6 mit oder ohne Flansch 6a, der, bzw. die luft- oder wassergekühlt sein können, der auf der BS der Maschine angeordnet ist und in dem alle erforderlichen Gasführungskanäle, Verteilerkammern, Brennkammer, Abgassammlerkammer, Zündvorrichtung, Schmierölkanäle, Kühlmedium-Kanäle usw. raumsparend untergebracht sind, um die jeweils gewünschte Funktion des Aggregates zu ermöglichen, wobei jedes der vier Arbeitsquadranten Q1–Q4 eines jeden Aggregates praktisch als separater Hubraum betrachtet wird, wobei alle die gleiche oder aber jeder eine vom anderen ganz unterschiedliche Funktion erfüllt: verdichten, entspannen oder auch nur kühlen (siehe Beispiel 4). c) einen Kreisprozess als Verbrennungsmotor nach 7a (Gleichraumprozess) oder nach 7b (Gleichdruckprozess) oder nach 7c (Seiligerprozess), bei dem der Arbeitsdruck der Heißgase in der Maschine praktisch bis auf atmosphärischen Druck abgebaut wird um so einen maximalen thermischen Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwei Aggregate 1 spiegelbildlich zueinander angeordnet sind und nun einen gemeinsamen Zylinderkopf 1 aufweisen, gegebenenfalls mit angebauten Zylindern 6, der alle erforderlichen Elemente, wie Gasführungskanäle, Zündvorrichtung usw. enthält, die für das optimale Zusammenspiel beider Aggregate erforderlich sind und deren Malteser-Kreuz-Getriebe mit derselben Antriebswelle 14 in Eingriff stehen und entweder taktversetzt oder synchron im selben Takt zueinander arbeiten können und mittels denen die verschiedensten Arbeitsprozesse mit den unterschiedlichsten Gasleitungskanälen innerhalb des gemeinsamen Zylinderkopfes 1, ausgeführt sein können (siehe Beispiele 5 und 6).
Drehkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer 3 sich vorzugsweise immer unmittelbar vor einer Auslassöffnung der letzten Verdichterstufe und vor einer Einlassöffnung der ersten Entspannerstufe benachbarter Arbeitsquadranten oder aber genau zwischen den Auslass- und Einlassöffnungen von sich gegenüberliegenden Arbeitsquadranten von verschiedenen Aggregaten, befindet. Bei Anordnung der Einlassöffnungen der Entspanner-Quadranten am Zylinderumfang kann die Brennkammer nebst Zündvorrichtung auch unmittelbar vor diesen im Zylinder 6 angeordnet sein.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, und 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Aggregate nach Anspruch 1 bzw. Aggregatkombinationen nach Anspruch 2 und 3 beliebig mit ein und derselben Antriebswelle 14 oder auch mit verschiedenen Wellen 14 in Eingriff stehen, wobei jedes Aggregat bzw. Aggregatkombination über seinen eigenen Zylinderkopf 1 verfügt und welche nun ihrerseits direkt über Verbindungsrohre oder über Wärmetauscher miteinander in Verbindung stehen, um weitere beliebige strömungstechnische Konfigurationen bzw. neue Arbeitsprozesse zu ermöglichen.