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Rotationswärmekraftmas chine Die Erfindung bezieht sich auf Wärmekraftmaschinen
im allgemeinen, d.h. auf Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische
Energie. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Maschine, die mechanische
Arbeit mit hohem Wirkungsgrad liefert, wenn sie mit einem Gas unter erhöhtem Druck
und unter erhöhter Temperatur gespeist wird. Der Carnot-Wirkungsgrad einer Maschine
gemäß der vorliegenden Erfindung überschreitet weit den Wirkungsgrad anderer bisher
entwickelter Wärmekraftmaschinen und sogar klar denjenigen von üblichen Brennkraftmaschinen
oder Dampfmaschinen.
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Es gibt bereits eine Vielzahl von Wärmekraftmaschinen, wie sie beispielsweise
in den USA-Patentschriften 511 964, 710 261, 712 119, 744 542, 756 606, 1 053 627,
1 869 102 und 2 036 018, die zum Stand der Technik genannt werden, beschrieben sind.
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Diese Patentschriften lassen ein zylindrisches Gehäuse mit einem Kopf
an jedem Ende erkennen, von denen der eine eine Gaseinführung und der andere Gasableitungseinrichtungen
enthält.
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Ferner ist ein Rotor auf einer Welle angeordnet, die drehbar in Lagern
in den Gehäueelcöpien montiert wird. Jede dieser Maschine nen weist Gaswege auf,
die durch Elemente auf der Außenoberfläche des Rotors zusammen mit den Gehäuseinnenwandungen
oder einer Hülse oder dergl. begrenzt sind. Einige dieser Maschinen verwenden eine
äußere, spiralenförmige Gasbahn auf der Rotoroberfläche mit verschiedenen Verengungen,
die in solche Bahnen hineinragen, um die Gustrdmung durch diese Bahnen zu steuern.
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Die allgelaeine Schwierigkeit bei den bekannten Maschinen besteht
darin, daß sie offenbar nicht den Wirkungsgrad zu ersielen gestatten, wie er bei
ueblichen Gasturbinen oder Brennkraftmaschinen erreichbar ist.
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Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Wärmekraftmaeohine mit einem Carnot-Wirkungsgrad zu schafen, der
über den Wirkungsgraden üblicher Wärmekraitmaschinen liegt und auch praktisch erreichbar
ist.
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Die erfindungsgenäße Maschine weist ein im allgemeinen zylindrisches
Hohlgehäuse auf, das an jedem Ende geöfinet und dort durch Köpfe verschlossen ist,
von denen der eine die Haupteinströmeinrichtungen und der andere die Guausströmeinrichtungen
aufweist. Ferner ist ein Rotor auf einer in den Köpfen gelagerten Welle montiert,
der neuartige und ungewöhnliche Gasströmungebahnen durch die inneren Teile des Rotors
zur wirksamen Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Energie aufweist.
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Allgemein umfaßt die vorliegende Erfindung eine Rotationswärmekraftmaschine
sur wirkungsvollen Umwandlung der thermischen Energie eines Gases in mechanische
Energie in Form einer Abtriebsleistung und enthält ein Gehäuse mit einem hohlen
Hauptteil und daran befestigten Abschlußköpfen, von denen der eine mit Einströmvorrichtungen
und der andere mit iusströmvorrichtungen versehen ist, sowie einen im allgemeinen
zylindrischen
Rotor, der auf einer von Lagern in den Abschlußköpfen
getragenen Welle montiert ist und eine Vielzahl innerer, spiraliger Gaskammern aufweist,
die jeweils den gleichen Richtungssinn und die gleiche Steigung besitzen. Jede der
Kammern definiert eine Vielzahl aufeinanderfolgender DUsen- und Ruheteile, wobei
die Eisenteile veränderlichen Querschnitt aufweisen, während die Ruheteile konstanten
Querschnitt besitzen, um derart die Umwandlung der thermischen Energie in mechanische
Energie beim Durchströmen eines unter hohem Druck stehenden und auf hoher Temperatur
befindlichen Gases durch die Rotorkammern bis zum trömende auf ein Maximum zu bringen.
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Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gezeichnete
Seitenansieht einer beispielsweisen Ausführungform einer Rotationswärmekraftmaschine
gemäß der vorliegenden Erfndung; Fig. 2 einen Schnitt längs der Ebene II-II der
Fig. 1; Fig. 3 eine auseinandargezogene, perspektivische Darstellung einer beiepielswe:ssn
Ausführungsform der Rotationskraftmaschine nach Xig. 1; Fig. 4 einen Schnitt längs
einer halbzylindrischen Ebene durch einer der inneren, spiralförmigen Kammern des
Rotors zur Wiedergabe der einzelnen Bereiche dieser Kammer; Fig. 5 einen Schnitt
längs der Ebene V-V der Fig. 4; Fig. 6 einen anderen Schnitt längs der Ebene VI-VI
der Fig.4; und in Fig. 7 eine schematische Darstellung der in Fig. 4 wiedergegebenen
Kammer, jedoch in Abwicklung.
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In den Fig. 1 bis 3 ist eine beispielsweise Ausführungsform einer
Rotationswärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergegeben. Sie
enthält ein allgemein mit 20 bezeichnetes Gehäuse und einen allgemein mit 40 bezeichneten
zylindrischen Rotor.
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Das Gehäuse 20 besteht aue einem zylindrischen Hauptgehäuseteil 21,
der in geeigneter Weise auf einer stationären Plattform, auf einem Fahrzeug oder
dergl. befestigt werden kann. Der Zylinder 21 ist mit einem Einströmkopf 22 am einen
Ende des zylindrischen Hauptteile mit Hilfe der Gewindezüge 22' auf der Außenoberfläche
des Kopfes und auf der Innenoberfläche des Gehäuses befestigt. Außerdem ist ein
Ausströmkopf 23 vorgesehen, der in ähnlicher Weise mit dem Gehäuse 21 über die Gewindezüge
24 verbunden ist.
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Der Einströmkopf 22 des Gehäuses enthält Einströmvorrichtungen, die
im wiedergeebenen Ausführungsbeispiel aus einer Verteilerleitung bestehen, der unter
hohem Druck und unter hoher Temperatur befindliches Medium durch eine Hauptleitung
25 und huber eine Vielzahl von einzelnen Versorgungsleitungen zugeführt wird, die
bei 26 angedeutet sind. Jede der Zufiihrungsleitungen ist am äußeren Endteil des
Kopfes 22 fixiert, so daß eine Vielzahl von im Umfangs abstand angeordneten Einlässen
auf einem Kreis entsteht. Der Kopf 22 weist eine Vielzahl von Einlaßkanälen auf,
die in Verbindung mit den einzelnen Leitungen 26 stehen.
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Ein solcher Einlaßkanal ist bei 27 in Fig. 1 angedeutet, und man erkennt,
daß dieser Einlaßkanal winklig bezüglich der inneren Abschlußfläche steht. Es ist
ferner erkennbar, daß das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Medium
in das Gehäuse 21 an verschiedenen Stellen eingeführt wird, von denen jede an ihrem
Auslaß mit dem Einlaß einer Kammer im Rotor fluchtet, wie aus der nachfolgenden
Beschreibung noch näher hervorgeht.
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Der busetrömkopf 23 enthält eine Ausströnikammer 28, die im wesentlichen
Ringform aufweist. Die kusströmkanäle sind in der zylindrischen Wandung des Kopfes
23 vorgesehen, von denen einer bei 29 erkennbar ist. Jeder Ausltrömkanal ist mit
einem Ausströmrohr 30 verbunden.
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Bei der wiedergegebenen Ausführungsform weist jeder Kopf 22 und 23
Lager für die drehbare Montage einer Welle auf. Diese Lager sind bei 31 und 32 angedeutet,
während die Welle das 3ezugszeichen 33 trägt. Man erkennt, daß das hintere Ende
der Welle nach außen durch den Ausströmkopf 23 hindurchragt und damit die Abtriebswelle
der Rotationsmaschine bildet.
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Der Rotor 40 ist beim wiedergegebenen Ausfürrungsbeispiel auf der
Welle 33 derart montiert, daß er sich innerhalb des Gehäuses 21 drehen kann. Wie
später noch näher erläutert werden wird, enthält der Rotor 40 mehrere axiale Abschnitte,
die in geeigneter Weise aneinander befestigt sind, um die Herstellung des Rotors
2;u vereinfachen und praktisch durchftihrbar zu machen.
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Der Rotor 40 weist eine Vielzahl innerer, spiralig angeordneter Fluikammern
auf, die jeweils die gleiche Richtung und Steigung besitzen. Bi der wiedergegebenen
Ausführungsform sind die Fludkammern in drei konzentrischen Ringen angeordnet, obwohl
selbstverständlich weniger oder mehr Ringe neerwendet werden können.
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Die drei konzentrischen Ringe sind allgemein mit 41, 42 und 43 bezeichnet.
Im Ring 41 sind vier im Umfangsabstand angeordnete Fludkammern vorgesehen, die sich
jeweils über die axiale Länge des Rotors erstrecken. Im Ring 42 sind zwei zusätzliche
Bludkammern vorgesehen, so daß er insgesamt sechs Kammern enthält.
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Im äußersten Ring 43 sind zwei zusätzliche Ringe vorgesehen, so daß
hier acht Ringe vorhanden sind. Bei dieser besonderen Ausführungsform mit drei konzentrischen
Klingen mit 4, 6 und 8 Fludkammern enthalten die Einlaßkanäle im Einlaßkopf 23 zwei,
drei und vier Einlaßöffnungen auf konzentrischen Ringen des gleichen Durchmessers
wie demjenigen der Ringe im Rotor und im gleichen Winkelabstand.
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Wie man aus Fig. 1 erkennt, weist jede der Fludkammern in den konzentrischen
Ringen einen Steigungswinkel von im wesentlichen 150 auf und verläuft mit Rechtsdrehung,
wie rom Einlaßende der Maschine her erkennbar ist, und erstreckt sich über die axiale
Länge
des Rotors. In dieser Figur ist der Ring 44 gestrichelt gezeichnet, um den Weg des
Ringes im ersten konzentrischen Kreis 41 anzudeuten. Eine zweite Kammer 45 ist ebenfalls
gestrichelt wiedergegebn und zeigt eine der sechs Kammern im zweiten konzentrischen
Ring 42. Schließlich ist eine dritte Fluidkammer 47 gestrichelt angedeutet und erstreckt
sich, wie die Zeichnung erkennen läßt, über die Gesamtlänge des Rotors, wobei sie
eine der acht Kammern im äußeren konzentrischen Ring 43 darstellt. Eine ähnliche
Wiedergabe in jeder der Kammern ist durch eine einzige gestrichelte Linie in Fig.
3 angedeutet.
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Man erlcennt, daß die Einlaßteile am Kopf 22 ebenfalls unter einem
Winkel von 150 bezüglich der inneren Kopfoberfläche angeordnet sind, eo daß sie
periodisch in axiale Flucht mit der Fludkammer gelangen.
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Bine der wichtigeten Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ist
die innere Konstruktion jeder Fluidkammer im Rotor 40. In den Fig. 4 bis 6 ist eine
dieser Kammern bei 50 angedoutet.
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Diese gleiche Kammer ist abgewickelt in Fig. 7 wiedergegeben, um die
Erläuterung der Ausgestaltung der Fludkammern zu unterstützen. Die Kammer 50 enthält
eine Vielzahl aufeinanderfolgender, konvergierender, divergierender und konstanter
Flächenquerschnitte, welche ein allgemein bei 51 angedeutetes Kammersegment umfassen.
Ein ganzes Segment hat eine länge "d" nach Fig. 7. Das Segment 51 enthält einen
konvergierendenAbschnitt 52, gefolgt von einem divergierenden Abschnitt 53 und einem
konstanten oder Ruheabschnitt 54. Wie man aus Fig. 7 erkennt, weist der konvergierende
Abschnitt eine Länge was auf, die annähernd gleich der Hälfte der Länge "b" des
divergierenden Abschnitts 53 ist. Die Abschnitte 52 und 53 mit veränderlichem Querschnitt
besitzen eine kombinierte Länge im wesentlichen gleich der Länge "cw des Ruheabschnitts
54 mit konstanten Querschnitt.
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Man erkennt, daß das auf hoher Temperatur beiindliche und unter
hohem
Druck stehende Medium beim Durchgang durch die spiraligen oder wendelförmigen Pludkammern
abwechselnd durch Bereiche mit veränderlichem und konstantem Querschnitt strömt,
wobei das Medium zusammengepreßt und expandiert wird und unter konstanten Druckbedingungen
strömen kann. Die Fludkammern beginnen an der vorderen Abschlußoberfläche des Rotors,
so daß im ersten konzentrischen Ring 41 zwei diametral gegenüberliegende Kammern
mit dem konvergierenden Abschnitt des Segments sich befinden und die beiden anderen
Kammern an dieser Stelle über die Axiallänge der Kammer beginnen, welche die Kammer
wiedergibt. wenn @@ Rotor über 90 gedreht ist. Im zweiten und dritten konzent: Rchen
Ring beginnen in ähnlicher Weise Paare diametral gegenüberliegender Klammern an
der gleichen Stelle im Kammersegment und benachbarte Paare beginnen in einer Stellung,
die die Kammer aufweist, wenn der Rotor um einen Winkel von annishernd 360° dividiert
durch die Anzahl der Kammern in diesem Ring vorgerückt ist.
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Wenn das auf hoher Temperatur befindliche und unter hohem Druck stehende
Medium durch die Fluikammeral im Betrieb ßtribmt, dann wird die Wärme energie des
Mediums in mechanische Energie an der Abtriebswelle umgewande Man erkennt, daß die
Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung keinen schädlichen, belästigenden
oder in anderer Weise nachteiligen Gasausstoß erzeugt und extrem ruhig arbeitet.
Die Maschine ist außerdem sehr einfach mit nur wenigen Lagern und erfordert unähnlich
Turbinen keine sehr engen Herstellungstoleranzen oder schwierige Bearbeitungsvorgänge.
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Wie bereits angedeutet, kann der Rotor des wiedergegebenen Ausführungsbeispiels
der Wärmekraftmaschine aus einer Vielzahl verbundener, axialer Segmente konstruiert
werden, die jeweils einzeln hergestellt werden können, so daß man die veränderlichen
Kammern in die Rotorsegmente einfräsen oder in anderer Weise einarbeiten kann. Diese
veränderlichen Fludkamltern werden
dann zur Ausbildung des Rotors
zusammengesetzt, was nach anderen Techniken nicht eo ohne weiteres möglich ist.
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Bei der bevorzugten, wied.rgegebonen Ausführngsform arbeitet die Maschine
mit rekompressiblon Gasen. Die Maschine verwendet offenbar Eigenschaften solcher
Gase, die man bisher nicht voll erkannt hat.
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Andere Abänderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung ergeben
sich ohne Schwierigkeiten aus der vorhergehenden Beschreibung eines Ausfünungsbeispiels.
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Patent ansprüche s