DE2363066A1

DE2363066A1 - Eine rotationskolbenmaschine mit axialsymmetrisch drehenden und beruehrungslos dichtenden kolben im kreisprozess eines heissluftmotors mit kontinuierlicher energiezufuhr

Info

Publication number: DE2363066A1
Application number: DE2363066A
Authority: DE
Inventors: Herwig Dr Labus
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1973-12-19
Filing date: 1973-12-19
Publication date: 1975-07-03
Also published as: JPS50100415A; JPS50100416A; US3945777A; US3963390A

Description

Zusatzanmeldung zu P 23 309 92.4

Eine Rotationskolbenmaschine mit axialsymmetrisch drehenden und berührungslos dichtenden Kolben im Kreisprozess eines Heißluftmotors mit kontinuierlicher Energiezufuhr.

Diese Zusatzmeldung gibt Anweisung für die Lösung einiger technischer Probleme, welche sich beim Bau eines Motors gemäß Hauptanmeldung P 23 30992.4 ergeben, der als Kombinationserfindung klassifiziert werden kann, da überwiegend bekannte Elemente des Maschinenbaus zu einem System vereinigt werden welche nur in dieser Kombination die erwünschte Wirkung(siehe P 23 30992.4 ergeben) .Dj.e verwendeten bekannten Elemente werden jedoch besonderen Betriebsbedingungen unterworfen, die spezielle technische Modifikationen erforderlich

■ machen. Im Folgenden wird insbesondere eingegangen auf die Energiezufuhr, auf die Teillastregelung und auf die konstruktive Gestaltung der Kompressions- und Expansionskammern soweit diese nicht bereits in der Hauptanmeldung berücksichtigt wurden.

1. · Die kontinuierliche Energiezufuhr:

1.1 Die kontinuierliche innere Verbrennung in der Brennkammer:

Die Brennkammer von Gasturbinen wird durch einen, stetigen Gasstrom be- und entladen, so daß in ihr bei festgehaltener Drehzahl konstanter Druck und konstante Strömungsgeschwindigkeit herrschen. Beide Bedingungen müssen erfüllt sein,, um kleinstmögliche Schadstoffemission zu erhalten. Demgegenüber wird bei den im P 23 30992.4 beschriebenen Motor mit Kompressoren und Expandern nach Abb.3 der Hauptanmeldung die Brennkammer diskonti-

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I.

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nuierlich be- und entladen. Man kann Kompressor und Expander jedoch so synchronisieren daß sich Be- und Entladung der Brennkammer zeitlich genau überdecken, so daß in der Brennkammer konstanter Druck herrscht. Die Strömungsgeschwindigkeit ändert sich dann bei jeder Umdrehung von 0 bis zu einem gewissen Maximalwert ^uak während des Ausschiebe- bzw. Entnahmevorgangs. Bei kontinuierlicher Kraft stoffzu-

'fuhr wird daher in jeder Strömungspause, also pro Umdrehung einmal, die Verbrennung unterbrochen, wodurch die gewünschte Abgasreinheit nicht realisierbar ist. Diese Schwierigkeit kann durch verschiedene Maßnahmen überwunden werden:

1.1.1 überlagerung einer kontinuierlichen Kreisströmung:

Die Verbrennung erfolgt wie bei Gasturbinen mit einem extrem hohen Luftuberschuß (ca. 5 bis 10-fach), mit dessen Hilfe die Flamme auch in den Strömungspausen durch Überlagerung einer kontinuierlichen Strömung gemäß Abb. 1 aufrechterhalten werden kann.

K = Einströmung vom Kompressor, E = Ausströmung zur Expansionskammer, B = Brennkammer, G = Gebläse P = Kraftstoffpumpe, F = Brenner mit Stauscheiben, D = Einspritzdüse.

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Das Gebläse G erzeugt, unabhängig von der diskontinuierlichen Ein- und Ausströmungsgeschwindigkeit, in der Brennkammer einen kontinuierlich.'zirkulierenden Luftstrom, der in "Verbindung mit der Einspritzpumpe P im Brenner P für kontinuierliche Verbrennung sorgt. Das Gebläse G muß den Brennkammertemperaturen standhalten. Es kann z.B. die Turbine eines konventionellen Turboladers sein, dessen Antrieb durch die Motorwelle oder durch einen getrennt regelbaren Gleichstrommotor erfolgt. ·

si

1.1.2 Drossel als "Tiefpassfilter" für die pulsierende Gasgeschwindigkeit

Eine prinzipiell andere Lösung des Problems mit geringstem technischem Aufwand ist denkbar durch die Aufteilung der Brennkammer in zwei Speicherhälften V und V zwischen de-, nen sich eine Drossel D befindet, welche⁷ der eigentliche Brenner F nachgeschaltet ist, wie Abb. 2 zeigt.

Abb. 2

Bei geeigneter Dimensionierung der Speichervolumina von V₁ und V₂ sowie des Drosselwiderstandes wird die pulsierende Einströmung von K und Ausströmung nach E hinter der Drossel so weit geglättet, daß der Brenner eine kontinuierliche Flamme erzeugt.

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1.1.3 Parallelschaltung phasenversetzter Kompressoren:

Eine dritte Lösung bieter die Parallelschaltung mehrerer identischer Kompressoren und Expander nach Abb. 3 der Hauptanmeldung die derart versetzt öffnen und schließen, daß die Brennkammer kontinuierlich durchströmt wird.

1.1.4 Die Zufuhr flüssiger Kraftstoffe bei innerer. Verbrennung in Brennkammern kleiner Leistung:

Entsprechend dem weiten Leistungsbereich in dem Fahrzeugmotoren zuverlässig arbeiten müssen, muß sich auch die pro Zeiteinheit zugeführte Kraftstoffmenge um mindestens eine Größenordnung kontinuierlich verstellen lassen. Einspritzdüsen wie sie z.B. in konventionellen ölbrennern zum Einsatz kommen gestatten durch Druckvariation der Kraftstoffpumpe maximal einen Faktor 3 an Durchsatzveränderung, so daß sie in Fahrzeugbrennkammern nicht verwendbar sind. Zusätzliche Schwierigkeiten bereiten die äußerst kleinen absoluten Einspritzmengen bis herab zu einigen 0,1 cn /sec welche extrem enge Bohrungen der Einspritzdüsen verlangen, die daher gegen Verstopfung äußerst anfällig sind. . Sowohl geringste Absolutmengen als" auch extreme Durchsatzänderungen bei der kontinuierlichen Zufuhr flüssiger Brennstoffe in Brennkammern in Verbindung mit einer innigen Durchmischung von Kraftstoff und Luft, kann nur mit Zerstäubern (wie bei Farb-Spritzpistolen) realisiert werden. Abb.3 zeigt eine mögliche Ausführungsform:

ABB.3

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E.in geringer Prozentsatz des vom Hauptkompressor K₁ auf den Druck p. komprimierten Gases wird mit einem kleinen Hilfskompressor K_ (Membranpumpe, Gebläse, Kolbenpumpe o.a.) auf den Druck Pp)· p. weiter verdichtet, wobei ρ - ρ y 0,5 ata betragen soll. Der Kompressor K₂ wird von der Motorwelle angetrieben; er kann jedoch auch mit einem batteriegetriebenen Elektromotor mit konstanter Leistung unabhängig vom Betriebszustand des Motors arbeiten; die Zerstäuberdüse Z erzeugt in diesem Fall einen Gasstrom konstanter Geschwindigkeit der in der Lage ist Flüssigkeitsmengen zwischen 0 und einem konstruktiv bedingten Maximalfluss zu zerstäuben. Der Kraftstoff-Fluß wird durch eine geeignete Förderpumpe ^p (ζ·Β. Zahn-

radpumpe) der Zerstäuberdüse Z in solcher M^nge zugeführt daß die Brennkammerabgase bei allen Betriebsbedingungen konstante Temperatur erhalten (siehe Anspruch h der Hauptanmeldung) .

1.2 Die kontinuierliche äußere Verbrennung:

Von allen Verbrennungsverfahren liefert die kontinuierliche äußere Verbrennung die saubersten Abgase wie sich am Beispiel des Sterlingmotors oder von Dampfmaschinen gezeigt hat; sie hat darüber hinaus den Vorteil, nicht ausschließlich an die Verbrennung gasförmiger oder flüssiger Kraftstoffe gebunden zu sein; auch feste Brennstoffe (Kohle) können verwertet werden. Nachteile entstehen durch lange Wartezeiten vor dem Anfahren und durch große Trägheit gegenüber Leistungsänderungen.

Der in der Hauptanmeldung in Schema 1 beschriebene Motor läßt sich in einfacher Weise für äußere Verbrennung umrüsten. Ersetzt man die Brennkammer B durch einen zweiten Wärmetauscher, so arbeitet die Maschine mit externen Wärmequellen aller Art.

Ersetzt man die Brennkammer B durch einen Dampferzeuger, so entsteht unter Fortfall des Kompress.or3 K und Auswechseln der Wärmetauscher T gegen einen Kondensor eine Dampfmaschine.

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Die Regelung des Drehmoments

Eine Herabsetzung des Drehmoments bei festgehaltener Drehzahl (Betrieb in Teillastbereich) kann nur durch eine Verminderung des Maximaldruck in der Maschine (p_ in Abb.4 der Hauptanmeldung.bewirkt werden. Bei allen Ottomotoren geschieht dies durch Reduzierung der Kraftstoffzufuhr mit gleichzeitiger Drosselung der Ansaugluft, wobei die Drosselverluste den Teillastwirkungsgrad herabsetzen. Beim Dieselmotor wird im wesentlichen nur der Füllgrad herabgesetzt was wiederum die Höchsttemperatur und damit den idealen Wirkungsgrad im Teillastbereich verschlechtert.

Bei dem hier beschriebenen Motor existiert neben Drosselung oder Temperaturminderung eine weitere Möglichkeit der Teillaststeuerung, die bei den Standard-Kölbenmaschinen technisch nur äußerst schwer zu realisieren wäre, nämlich eine relativ einfache Veränderung der inneren Verdichtungs- und Expansionsverhältnisse der Maschine. Dies:kann wie Abb. 4 zeigt durch eine Vorrichtung bewirkt werden, durch welche die Öffnung (6) des inneren Zylinders (H) (siehe Abb. 3a, b der Hauptanmeldung) variiert werden kann.

Abb. 4
Ein.Steuerzylinder (3) ist drehbar im inneren Zylinder

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gela.gert, so daß die Breite der öffnung (6) und damit die Kompression £ . in weiten Grenzen verstellt werden kann. Die Lagerung des Steuerzylinders (3) im inneren Zylinder (JJ) geschieht einfach an den nicht vom Schlitz durchbrochenen Enden des inneren Zylinders (¹I). Seine Bedienung kann prinzipiell von beiden Seiten erfolgen; auf der Brennkammerseite muß die Drehvorrichtung jedoch temperaturfest sein; auf der Seite der Steuerräder (22) muß die Welle des Steuerkolbens (5) und der Lagerzapfen (HO) des inneren Zylinders durchbohrt werden.

Der große Vorteil einer derart durchgeführten "Kompressionsregelung" ergibt sich beim Teillast-Wirkungsgrad. Hält man die Brennkammertemperatur auch im Teillastbereich konstant so ergibt sich bei reduzierter Kompression(gemäß Gl. 3«7)ein höherer idealer Wirkungsgrad als im Grundlastbereich. Nachdem die notwendige.. Austauschleistung im Wärmetauscher bei Teillast kleiner als bei Grundlast ist wird auch dessen Wirkungsgrad bei Teillast besser. Nachdem weiterhin keine Drosselverluste auftreten muß der Gesamtwirkungsgrad der Maschine bei Teillast besser sein als bei Grundlast, im Unterschied zu allen bekannten Verbrennungsmotoren. Ein weiteres Argument stützt die^Behäuptung: Bei allen Kolbenmaschinen mit Gleitdichtung ist die pro Umdrehung aufzuwendende Reibungsarbeit in allen Lastbereichen gleich; mit kleiner werdender Nutzarbeit im Teillastbereich muß daher der Wirkungsgrad stark absinken. Die Lässigkeit der Spaltdichtungenyin der Haupt anmeldung beschriebenen quasi reibungsfrei drehenden Maschine ist dagegen proportional zur™ Druckdifferenz. Die Spaltverluste sinken deshalb proportional mit abnehmender Kompression im Teillastbereich. Nachdem die Nutzarbeit gemäß Abb. 5 der Hauptanmeldung im Verdichtungsbereich £. = 1 bis £, = 3 ebenfalls in grober Näherung linear mit der Verdichtung abfällt, sollte der Wirkungsgrad unter dem 2influß der Spaltlässigkeit bei allen Lasten in etwa konstant sein, im Gegensatz zu dem ungünstigen Verhalten von konventionellen Maschinen bei Berücksichtigung ihrer Reibungsverluste.

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3. Konstruktive Gestaltung einiger Maschinenelemente

3.1. Die Verbindung zwischen den Lagerschalen bzw. Wellen und den heißen Drehkolben bzw. Gehäusen:

Bei der Verbindung insbesondere der heißen Drehkolben der Expansionskammer (ca. 550° C) mit ihren extern kühlbaren Lagerhalterungen (max. 120° C) müssen mehrere ' Bedingungen gleichzeitig erfüllt werden. Die Verbindung muß sowohl absolut starr, als auch extrem wärmeisolierend, als auch sehr platzsparend sein. Sie muß darüberhinaus trotz Wärmedehnung der heißen Kolben phasenstarr bleiben und die Zentrierung aufrecht erhalten, ohne cillzu großen technischen Aufwand zu verursachen. Die Wärmedehnung der heißen Teile muß außerdem quasi spannungsfrei statt-'""■ finden können um Verwerfungen zu vermeiden. Abb. 5 zeigt ein Konstruktionsprinzip, welches die genannten Bedingungen erfüllt.

ABB. 5

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Als Beispiel wird in Abb. 5 die Verbindung zwischen unterem Drehkolben (1) (siehe auch Abb. 3, Teil (17) der Hauptanmeldung) mit der zugehörigen Welle (2) dargestellt. Die Drehmomentübertragung zwischen Drehkolben (1) und Welle (2) erfolgt durch mehrere schräggestellte kurze Hohlzylinder (3), welche aus hochwarnrfestem, hartem und schlecht wärmeleitendem Material bestehen (z. B. Quarzglas) und in gegenüberliegenden zylindrischen Vertiefungen von Kolben (1) und Welle (2) eingebettet sind, derart daß zwischen Kolben und Welle ein Luftspalt (6) von einigen mm Dicke entsteht. Die Kopplung zwischen Welle (2) und Kolben (1) erfolgt durch Andruckfedern (4), welche über wärmeisolierende Körper (5) die Welle gegen den Kolben pressen. Bei Wärmedehnung des Kolbens kann sich die Welle dadurch immer soweit axial verlagern, daß exakter Kraftschluß und Zentrierung aufrechterhalten bleiben. Der große Luftraum (6) sowie die geringe Wandstärke der verbindenden Hohlzylinder (3) ergibt optimale Wärmeisolation. Die Herstellung der Verbindung ist bei Beachtung folgender Schritte einfach. Die Welle wird zylindrisch in den Kolben eingepaßt und durch trennbare Verklebung fixiert. Dann werden die schrägen Bohrungen vom Durchmesser der Hohlzylinder (3) ausgeführt, welche die zylindrische Berührungsfläche zwischen-Kolben und Welle wie in Schema 5 gezeigt durchdringen. Danach wird die Verklebung gelöst und die Ausdrehung des isolierenden Luftraums (6) vorgenommen. Lediglich der Durchmesser der Schrägbohrungen muß sehr genau mit dem Durchmesser der Hohlzylinder (3) übereinstimmen um genaue Zentrierung der Welle zu gewährleisten. Sämtliche anderen Maße sind unkritisch.

Die-in Abb. 5 in Originalgröße gezeigte Verbindung zwischen Welle (120° C) und Kolben (550° C) transportiert eine Wärmeleistung von ca. 11 Watt über den Luftraum und ca. 29 Watt über die 4 Hohlzylinder aus Quarzglas. Einen etwa gleich

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großen Betrag ergeben die Andruckfedern, so daß die abzuführende Wärme bei diesem Lager max. 80 Watt betragen wird. Die Kühlung kann daher mit 20 mm /see Wasser erreicht werden, welches sich beim Durchströmen der Lagerschale um 10° C erwärmt.

3.2. Die Gestaltung der Lager:

Viele Vorteile des in der Hauptanmeldung behandelten Motorprinzips kommen erst bei hohen Drehzahlen voll zum Tragen. Insbesondere nehmen Baugröße und damit Gewicht und Herstellungskosten, sowie die relativen Spaltverluste proportional zur Drehzahl ab. Die durch Strömungsverluste bedingte obere Drehzahlgrenze liegt wie die Rechnungen ergeben haben in der Gegend von 25 000 Udr/min. Derart hohe Drehzahlen bei Lagerdurchmessern von ca. 80 mm, wie sie über dem inneren Zylinder auftreten, verursachen erhebliche Schwierigkeiten, da Bahngeschwindigkeiten bis ca. 100 m/sec auftreten, die Standard-Wälzlager nicht erreichen können.

3.2.1 Die Abdichtung der Lager:

Konventionelle Dichtelemente können unter sonst optimalen Bedingungen nur bis ca. 30 m/sec Bahngeschwindigkeit betrieben werden. Daher wird eine Konstruktion der Abdichtungen gemäß Abb. 6 vorgeschlagen. Es bedeuten: (1) Gehäuse, (2) Außenring, (3) Abdeckring, (4) Käfig, (5) Schmieröl, (6) Dichtlippe, (7) Innenring, (8) Welle (9) Wälzkörper (Nadeln oder Kugeln).

AB B.

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Die im Innenring (7) eingebetteten Dichtlippen (6) haben nur im Ruhezustand und bei kleinen Drehzahlen Kontakt mit den Dichtflächen der Abdeckungen (3)· Bei höheren Drehzahlen wird dieser Kontakt durch Fliehkrafteinwirkung auf die elastischen Dichtlippen gelöst, so daß kein Verschleiß auftreten kann. Das Schmieröl (5) wird ebenfalls durch Fliehkraft nach außen zu den Lagergleitflächen hin verdrängt Und kann deshalb nicht auslaufen. Bei Reduzierung der hohen Drehzahlen schließt die Lagerabdichtung automatisch. Auch eine Öl-Umlaufschmierung läßt -sich leicht bei einem Lageraufbau gemäß Abb. 6 realisieren. Dazu muß die ölzufuhr durch die Abdeckringe (3) unmittelbar über den Dichtlippen (6) erfolgen, der Öl-Ablauf durch Bohrungen im Außenring (2). Bei kleinen Durchflußmengen wird die Förderwirkung der Fliehkräfte ausreichen und eine ölpumpe zu entbehren sein.

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3.2.2 Die Arbeitsweise der Lager:

Es werden Lager mit sehr hoher Umfangsgeschwindigkeit ( ^> 100 m/sec) und gleichzeitig geringstem Platzbedarf benötigt. Demgegenüber ist die Anforderung an die Lagerbelastbarkeit (Wechsellast von 0 kp bis ca. 90 kp) verhältnismäßig gering. Außerdem wird nicht extrem kleines Spiel von einigen ;um gefordert wie bei Werkzeugmaschinen. Ein Lagerspiel von einigen 1/100 mm ist ausreichend. Es muß lediglich kleiner sein, als die Weiten von 0,1 bis 0,2 mm der Dichtspalte. Aus diesen Gründen sind spezielle kombinierte Mehrflächen-Gleitwälzlager gemäß Abb. 7 besonders für die herrschenden Betriebsverhältnisse geeignet

ABB. 7

Abb. 7

Es bedeuten: (1) Außenring, (2) äußerer Keilspalt, (3) innerer Keilspalt, (4) Käfig, (5) Wälzkörper, (6) Innenring. Die Wirkungsweise ist folgendermaßen: Der Käfig (M) besitzt nur wenige (z. B. um jeweils 60° versetzte) Durchbrüche für die Aufnahme von Wälzkörpern (Kugeln oder Nadeln),

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Diese wenigen Wälzkörper (5) reichen aus um beim Anfahren die Kräfte aufzunehmen, das Lager zu zentrieren und die Keilspalte der Gleitflächen (2), (3) vor Trockenlauf zu schützen. Zwischen den Wälzkörpern (5) ist der Käfig (4) so ausgebildet, daß am Außen- (1) und Innenring (6) einander gegenüberliegende Keilspaltflochen entstehen. Wie bei normalen Mehrflächen-Gleitlagern wird bei hohen Drehzahlen durch hydrodynamische Schmierung in den Keilspalten eine selbstzentrierende Wirkung erzielt. Dabei übernehmen die großen Keilspaltflächen die Kraftübertragung. Die Wälzkörper werden entlastet und beginnen selbst zu gleiten. Die in Abb. 7 einander gegenüberliegenden Keilspalte bringen bei höchsten Drehzahlen besondere Vorteile gegenüber einfach wirkenden konventionellen Konstruktionen. Der Käfig (4) wird durch die Tangentialkräfte, welche die innere Flüssigkeitsreibung erzeugt, in Richtung der Welle mitgedreht. Bei■ entsprechender Krümmung der Keilspaltflächen kann erreicht werden, daß der Käfig mit der halben Wellendrehzahl umläuft. Die Gleitgeschwindigkeiten sind dann nur halb so groß, wie in einfach wirkenden Gleitlagern, d. h. es können bei gleichem Kühlaufwand die doppelten Drehzahlen gefa.hren werden. Die Wälzkörper (5) werden als Kugeln ausgebildet, welche der Flüssigkeitsströmung im Gleitzustand des Lagers nur geringen Widerstand bieten.

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3·3 Der Gesamtaufbau einer Kompressions- oder Expansionskammer gemäß Abb. 3a der Hauptanmeldung unter Berücksichtigung der bisher behandelten-Einzelelemente:

■ Die Abschätzung der gaskinetischen Strömungsverluste in Abschnitt 4.7.der Hauptanmeldung hat ergeben, daß bei der ursprünglich gewählten Dimensionierung die Verluste im oberen Drehzahlbereich.zu groß werden. Als dominierende Verlustquelle erwies sich dabei der zu geringe Querschnitt des inneren Zylinders der Expansionskammer, in dem ca. 6-faoh höhere Strömungsgeschwindigkeiten auftraten als im eigentlichen Expansionsraum. Eine Vergrößerung des inneren 'Zylinders, die daraufhin diskutiert wurde, schafft rasche Abhilfe. Sie geht jedoch unter Beibehaltung des gewählten Konstruktionsprinzips zu Lasten des spezifischen Gewichts und Volumen des Motors; das Raumangebot für die Unterbringung der Lager wird ebenfalls verschlechtert.

Diese Nachteile können umgangen werden, falls es gelingt den Gesamtaufbau der Kammer so zu ändern, daß die Gasströne den inneren Zylinder nicht nur vort- einer Seite (wie in>Abb. 3b der Hauptanmeldung) sondern von beiden Stirnseiten verlassen bzw. erreichen kann. Ein derartiger Aufbau würde den Querschnitt des inneren Zylinders effektiv verdoppeln (unter Beibehaltung des Arbeitsvolumen und der sonstigen Abmessungen), so daß die kinetischen Verluste ca. 4 mal

kleiner wurden, also noch kleiner als durch die in der - _

Hauptanmeldung diskutierte Querschnittmodifikation.

Bei einem beidseitig geöffnetem inneren Zylinder müssen die einander gegenüberliegenden Abdeckplatten der Kammer zueinander spiegelsymmetrisch sein. Aus dieser Tatsache ergeben sich weitere Vorteile. Die Vielzahl verschiedener Einzelteile, die beim Aufbau einer einseitig offenen Kammer benötigt werden, wird wesentlich (ca. 50 %) reduziert. Durch die beidseitige Einströmung der heißen Brennkammerabgase erfolgt der Aufheiz-

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prozeß beim Anfahren schneller und gleichmäßiger, wodurch kleinere Spaltweiten realisierbar werden, als bei einseitiger Einströmung.

Abb. -8 zeigt schematisch den Aufbau einer Kammerhälfte mit beiseitig offenem innerem Zylinder in Originalgröße. Die zuvor beschriebene Verbindungstechnik zwischen heißen und kalten Teilen, sowie die speziellen Lagerbauformen sind in Abb. 8 verwertet; es bedeutet:

(1) Gehäuse des Steuerkolbens

(2) Einfassungsring des Steuerkolbens j

(3) schräggestellte Hohlzylinder aus hochbelastbarem Isoliermaterial (SiOp) i

(4) Labyrinthverzahnung

(5) Schraube für elastische Zugverbindung zwischen heißen und kalten Körpern

(6) Lagerzapfen des Steuerkolbens

(7) Steuerkolben

(8) innerer Zylinder

(9) unterer Rotationskolben

(10) Abdeckplatte vom unteren Gehäuse

(11) Lagerschale des unteren Rotationskolbens

(12) Kombiniertes Schrägkugel-Rollen-Lager mit axialer Verstellmöglichkeit

(13) Lagerzapfen des unteren Rotationskolbens (I¹O Federkörper

(15) Gehäuse des unteren Rotationskolbens -~

(16) Lagerschale des Steuerkolbens

(17) Außenring vom Steuerkolben-Lager

(18) Abdeckung vom Steuerkolben-Lager

(19) Käfig vom Steuerkolben-Lager

(21) Innenring vom Steuerkolben-Lager

(22) Dichtring vom Steuerkolben-Lager

(20) Schrägverzahntes Führungsrad des Steuerkolbens

(23) Führungsring aus hochbelastbarem Isolierstoff für radiale Positionierung des inneren Zylinders

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(24) Wärmeisolierender Luftraum, der bei gegeneinander bewegten Begrenzungsflächen zur Vermeidung von Konvektion mit geeigneten Isolierstoffen (z. B. Triton-Kaowool) gefüllt werden muß.

(25) Verbindungsteil zu Wärmetauscher bzw. Brennkammer

(26) SC)hrägver zahnt es Führungsrad des unteren Rotationsk'olbens mit axialer Verstellmöglichkeit '

(27) An- bzw. Abtriebswelle

Einige Hinweise sind zu beachten:

a) Beim Zusammenbau der Kammer wird folgendermaßen verfahren: Zuerst werden Steuerkolben (7) und unterer Rotationskolben (9) in ihren Gehäusen (1) bzw. (15) mittels der entsprechenden Vorrichtungen gelagert. Dabei wird der untere Rotationskolben (9) mit Hilfe des Lagers (12) nicht nur radial sondern auch axial in seinem Gehäuse (15) möglichst exakt positioniert, so daß an beiden Kolbenenden gleich große Spaltweifcen entstehen. Anschließend werden obere und untere Kammerhälfte zusammengefügt, wobei das schrägverzahnte Führungsrad (26) des unteren Kolbens (9) so auf der Welle (27) axial fixiert wird, daß beim Kämmen zwischen dem Zahn des unteren Kolbens und dem Einfassungsring (2) des Steuerkolbens (7) an beiden Enden gleiche Spaltweiten entstehen. Die Schrägverzahnung der Führungsräder (20), (26) bewirkt allein die axiale Positionierung des Steuerkolbens (7), der daher in seinem. Gehäuse (1) nur radial geführt werden muß.

b) Der Winkel zwischen den Drehachsen der Kolben und den schräggestellten Hohlzylindern (3) muß mit zunehmendem Abstand von der Drehachse so vergrößert werden, daß sich bei Wärmedehnung der heißen Teile alle kalten -Teile um den gleichen Betrag axial verlagern können.

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c)"In der Mitte eines beidseitig offenen inneren Zylinders ist die Strömungsgeschwindigkeit in erster Näherung immer Null. Man kann den inneren Zylinder daher unbeschadet durch eine Trennwand (senkrecht zur Zylinderachse) in zwei Hälften aufteilen. Sie beeinflußt das Betriebsverhalten nicht, erhöht jedoch seinen Verformungs-widerstand gegenüber den auftretenden Druckschwankungen ganz erheblich.

Claims

Ansprüche der Zusatzanmeldung zu Γ 23 309 92.4 ^ Q^ Eine Rotationskolbenmaschine mit axialsymmetrisch drehenden und berührungslos dichtenden Kolben im Kreisprozess eines Heißluftmotors mit kontinuierlicher Energiezufuhr.

1.)j Schadstoffarme kontinuierliche Kraftstoffverbrennung in -^ diskontinuierlich durchströmten Brennräumen bei Verbrennungsprozessen mit hohem Luftüberschuß, gekennzeichnet dadurch, daß der pulsierenden Hauptströmung eine kontinuierliche Zirkulationsströmung mit Hilfe eines Gebläses überlagert wird, durch welche die Flamme unabhängig vom Mom«; nt anzustand der Hauptströmung kontinuierlich angefacht wird.

2.) Schadstoffarme kontinuierliche Kraftstoffverbrennung in pulsierend durchströmten Brennräumen gekennzeichnet dadurch, daß der Brennraum in zwei Hälften aufgeteilt ist, von denen jede eine wesentlich größere Gasmenge speichern kann als pro Impuls der Hauptströmung zugeführt bzw. entnommen wird, und zwischen denen sich eine Drosselstelle mit nachgeschalte'tem Brenner befindet, so daß der pulsierende Hauptstrom durch die Filterwirkung dieser Anordnung die Drosselstelle stark geglättet passiert und den Brenner kontinuierlich anbläst.

3.) Zufuhr flüssiger Kraftstoffe zu Brennkammern mit in weiten Grenzen regelbarem Leistungsbereich und,oder besonders kleiner Maximalleistung gekennzeichnet dadurch, daß mit Hilfe eines externen Überdruckgenerators in den Brennkammern eine Zerstäuberdüse betrieben wird, welche die von einer Kraftstoff-Forderpumpe angelieferte Kraftstoffmenge im Bereich von Null bis zu einem konstruktiv bedingten Maximalfluss zerstäubt.

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4. !Compressions- bzw. Expansionskammer gemäß Abb. 3a, b der Hauptanmeldung mit regelbarer innerer Verdichtung bzw. Entspannung gekennzeichnet dadurch, daß im mit

. dem Gehäuse fest verbundenen inneren Zylinder ein weiterer Zylinder so von außen verdreht werden kann, daß sich die Breite der Schlitzöffnung des inneren Zylinders in weiten Grenzen verstellen läßt.

5. Kraftschlüssige und extrem wärmeisolierende Verbindung zwischen heißen und kalten Körpern, insbesondere zwischen schnell rotierenden Drehteilen, gekennzeichnet dadurch, daß die Kraftübertragung durch schräggestellte Verbindungskörper z. B. kleine Hohlzylinder aus hochbelastbarem Isolierstoffen (z. B. Glas) erfolgt, deren Längsachsen auf einer Kegelfläche liegen und die in gegenüberliegenden Vertiefungen der zu verbindenden Teile teilweise eingebettet sind derart, daß zwischen den heißen und kalten Körpern Luftspalte entstehen,-welche den Wärmefluß besonders wirksam unterbinden, und derart, daß bei Wärmedehnung . des heißen Bauteils das kalte Teil mit Hilfe von Andruckvorrichtungen axial immer so weit verlagert wird, daß bei allen Betriebsbedingungen Kraftschluß gewährleistet ist.

6. Lagerabdichtung für extrem hohe Bahngeschwindigkeiten gekennzeichnet durch Dichtelemente, die so am rotierenden "Teil befestigt werden, daß bei hohen Drehzahlen durch Fliehkrafteinwirkung der Schleifkontakt; zwischen Dichtelement und Dichtfläche unterbrochen wird.

7. Kombiniertes Mehrflächen-Gleit und Wälzlager mit geringem Platzbedarf für extrem hohe Bahngeschwindigkeiten bei kleinen bis mittleren Belastungen gekennzeichnet dadurch, daß der Käfig im Unterschied zu konventionellen Wälzlagernnur wenige (ca. U bis 8) Kammern für die Führung von Wälzkörpern besitzt, die ausreichen um bei kleinen Drehzahlen die Kräfte aufzunehmen und der zwischen den Kammern

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so geformte Außen- und Innenflächen besitzt, daß zwischen seiner Außenfläche und dem Außenring einerseits sowie seiner Innenfläche und dem Innenring andererseits gegenüberliegende Keilspaltflächen entstehen, die bei hohen Drehzahlen durch hydrodynamische Schmierung die Kräfte von den Walzkörpern übernehmen, wobei der Käfig bei geeigneter Dimensionierung veranlaßt wird mit der halben Wellendrehzahl umzulaufen, so daß gegenüber'einfach wirkenden Gleitlagern bei gleicher Drehzahl die Gleitgeschwindigkeiten halbiert werden.

(8) Kompressions- bzw. Expansionskammer gemäß Abb, 3 a der Hauptanmeldung mit verbesserten Strömungsverhältnissen

gekennzeichnet durch einen inneren Zylinder durch den die

Gase aus beiden Zylinderenden gleichzeitig aus- bzw. einströmen können.

(9) Kompressions- bzw. Expansionskammer gemäß Abb. 3 a der Hauptanmeldung und Anspruch (8) dieser Zusatzanmeldung mit besonders vorteilhafter axialer Positioniermöglichkeit der Drehkolben, gekennzeichnet durch schrägverzahnte Führungsräder (siehe (20), (26) von Abb. 8) die an beiden Enden jedes Kolbens sitzen und nicht nur das berührungslose Kämmen der Kolben steuern, sondern auch die axiale Führung des Steuerkolbens übernehmen, wenn nur der untere

: Drehkolben in seinem Gehäuse axial gelagert ist, so daß der Steuerkolben selbst keine axial wirkenden-Lager benötigt.

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