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Ringkolbenmotor Gegenstend der Erfindung ist ein Ringkolbenmotor
für den Antrieb von Fahrzeugen, stationären Maschinen oder ähnl., welcher über einen
das Druckmedium verdichtenden Kompresser mit Steueraggregat beaufschlagt ist.
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Kraftmaschinen in Gestalt von Turbinen gehören seit Jahren zum allgemeinen
Stand der Technik. Bei einer Wasserturbine z.B. handelt es sich um eine sogenannte
Strömungsmaschine, die dem durchfließenden Medium mechanische Energie entzieht und
diese Energie iin eine Welle und Ober eine Kupplung an die anzutreibende Maschine
od. dgl. abgibt. Di. an die Kupplung abgegebene Leistung ist um die Verluste (Strömungs-
u.
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Reibungaverluete) klainar als die dur Strömung zntzogcna Leistung.
Je nach der Größe der zu verarbeitenden Fallhöhe und das Volumenstrome können die
Turbinen auch mehrstufig und mehrflutig sein.
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Nach.der
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unterscheidet man zwischen
Radial- und Axialturbinen.
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Auch Kraftmaschinen, in denen hochgespannts Dämpfe oder unter Explosionsdruck
stehende Gese auf die Schaufeln eines Rotors wirken und dieaen in Bewegung setzen,
sind als Dampfturbinen bekannt und gehören zum Stand der Technik.
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Im Bereich des Dampfturbinenbaus ist es z.B. bekanntgeworden, ein
einkränziges Laufrad vom gleichen Dampfstrom in wiederholten Durchgängen bei gleichbleibendem
Druck beaufschlagen zu lassen. Dabei handelt as sich um Gleichdruckstufen, bei denen
die Dampfgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse etwa das Vier- bis Sechs- oder
Mehrfache der Umfangsgeschwindigkeit beträgt. Eine solche Bauart ist unter dem Waren
Eloktroturbine bekannt. Nach dem ersten Durchgang wird hier der Dampf von rückwärts
her wieder durch den Laufkrenz geleitet, um im dritten Durchgang des Laufrad abermals
von vorh zu beaufschlagen bis die kinetische Energie des Dampfes aufgearbeitet ist.
Der mit einer solchen Turbine erzielbare Wirkungsgrad ist sehr mllaig infolge der
durch die hohe Dampfgeschwindigkeit bedingten großen Reibunge- und Umlenkungsverluste,
ternar wegen der starken Aufsplitterung des Dampfstrahles und weil wegen der gegensätzlichen
Durchströmrichtung bei den aufeinanderfolgenden Durchgängen die Laufschautelung
nicht so ausgebildet werden kann, wie es zur Erzislung eines guten Wirkungsgrades
notwendig wärs.
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Nechteilig bei dsm aufgezeigten Stand der Technik ist, daß der thermische
Ausnutzungsgrad der Brennstoffenergie durch die Turbine trotz hervorragender konstruktiver
Großleistungen die Aufwendungen lediglich #th - 0,27 beträgt. Die sogenannt kritische
Geschwindigkeit ist bei dun Sukinntun als weiterer Nachteil anzusehen.
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Des weiteren sind Kraftmaschinen, bei denen zwischen Antriebsmedium
und Abgangewelle ein frei bewegliches, abdichtendes übertrsgungsglied, z.B. Kolben,
geschaltet ist, zum Stand der Technik gehörend bekannt.
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Die bekannten sogenannten Kreiskolbenmaschinen arbeiten mit einer
geringeren Drehzahl als Turbinen und sind als Pumpe, Verdichter oder Motor verwendbar.
Sie weisen einen aur der Antriebs- bzw. Abtriebswelle befestigten Nebenteil auf,
von welchem mindestens zwei Kolben zentrisch gehalten wurden, die gleitend außerhalb
des Nabenteils beweglich geführt sind, wobei dii Kanten der Kolben dichtend entlang
der inneren Wände eines feststehenden Gehäuses gleiten, dessen zylindrische Lauffläche
im Querschnitt aus mindestens zwei kreisbogenförmigen und in bezug auf die Drehachse
symetrischen Abschnitten und ggr. aus diese verbindenden, nicht unbedingt kreisförmigen
Abschnitten besteht.
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Bei Maschinen der vorgeschriebenen Art weisen die Kolben eine kreisbogenförmige
Rückseite auf, welche entweder in entsprechenentsprechenden
Ausnehmungen
des Nebenteils gleiten oder Ober in diesem gelagerte Rollen abgestützt sind. Dis
Betriebsaicherheit ist hier aber in beiden Fällen gering, und zwar einmal wegen
der relativ schwachen Abstützung, welche die durch die Arbeitsmedien auf dsn Kolben
wirkenden Kippmomente stark zur Wirkung kommen läßt und zum anderen durch die Schwierigkeit,
die aufeinandergleitenden Flächen einwandfrei ZU schmieren sowie die Kolben wirkungsvoll
zu kühlen, was besonders bei Verwendung ein Verbrennungsmotor von Bedeutung ist.
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Zum Stand der Technik wird noch die deutsche Patentschrift 518 582
benannt; diese Druckschrift beinhaltet eine Drehkolbenpumpe mit in einem radialen
Schlitz einer auf der Triebwelle festsitzenden Scheibe verschiebbar geführtem Schieber-kolban,
der mittels zweier paralleler Kurven zwangsläufig zum Arbeitsraum hinein- und herausbewegt
wird, wobei die den Schieberkolben steuernde äußere KurventlUche zugleich das Widerlager
bildet.
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Bei der Ausführung nach dem DBGM 1 942 549 ist eine Kraftmaschine
unter Schutz gestellt, bei welcher der Verbrennungereum durch sägezahnartige Freiräume
gebildet wird, die sowohl auf der Innenfläche des Statorgehäuses als auch auf der
Außenfläche des Rotors angebracht sind. Beide Arbeitsräume sind annähernd von gleicher
Größe und stehen während das Umlaufs in
gegenseitigem Arbeitsspiel.
Der Rotor selbst hat eine trommelförmige Gestalt, wobei seine sägezahnartigen Ausnehmungen
in den Außenumfang der Rotortrommel eingearbeitet sind. Da die Trommelumfangwand
aufgrund der konstruktiven Gestaltung nur eine bestimmte beschränkte Wanddicke aufweisen
kann, ist auch die Tiefe der zahnartigen Ausnehmung nicht beliebig groß wählbar.
Der durch die Ausnehmung gebildete, als Arbeitsraum für das Antriebsmedium dienende
Freiraum ist deshalb verhältnismäßig klein, so daß die mit dieser Kraftmaschine
zu verwirklichende Leistung als eingeschränkt anzusehen ist. Eine Vergrößerung dieses
Arbeitsraumes ohne wesentliche (etwa proportionale) Vergrößerung der äußeren Maße
der Kraftmaschine ist als eine erfinde -rische Leistung zu bewerten.
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Der Erfinder hat sich demzufolge die Aufgabe gestellt, das aufgezeigte
Gebiet der zum Stand der Technik gehörenden Kraftmaschinen und Motoren um eine weitere
als wesentliche Verbesserul9 anzusprechende Ausführungsform zu bereichern.
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Diese Ausführungafurm kann sowohl bei der Heimselbstversorgung als
auch für einen Fahrzeugantrieb Verwendung finden.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein in sich
geschlossenes, aus zwei Halbschalen bestehendes Ringgehäuse mit im Innern angeordneter
Ringkolbenführung für den ringförmig ausgeführten Stufenkolben, bestehend aus mehreren
Druckkammern bildenden, konisch gestalteten aneinandergereihten, jedoch eine kreisförmige
Einheit bildenden Ringabechnitten, wobei der Übergang von der Ringkolbenführung
zu den Druckkammern stufenförmig verläuft.
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In das Ringgehäuse ist für jede 2. Druckkammer mantelseitig je eine
in Drehrichtung tangential angeordnete Strahldüse als Anschlußstutzen für eine Rohrleitung,
welche das das Drehmoment erzeugende Druckmedium führt, eingebaut*-Um eine gewisse
Bogenlänge hierzu/versetzt, befindet sich jeweils ein radialer Auslaßstutzen mit
erweitertem Querschnitt.
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Innerhalb des Ringgehäuses ist der in den Ringkolhenführungen geführte
Ringkolben umlaufend angeordnet, wobei der Ringkolben als eine der Ringkolbenführung
angepaßte, gekrümmte Zylinderform und zur Realisierung der Druckkammern als eine
ringförmige, gekrümmte Kegelform ausgebildet ist und der Übergang von der gekrümmten
Zylinderform zur Kegelform sich in einer stetig verlaufenden Krümmung erstreckt.
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Schließlich weist die in Richtung zur Drehachse gelegene Wandung der
Ringkolbenführungen ringsumlaufend in gleichmäßiger Breite einen Führungsschlitz
auf, in welchem eine mit dem Ringkolben fest verbundene Ringscheibe, die zentrisch
einen
fest angeordneten Abtriebsflansch aufweist, rotierend geführt
ist, derart, daß durch die statische Druckenergie des Treibmittels und die in der
Einströmdüse srzeugte kinetische Strömungsenergie der Ringkolben im Bereich der
Druckkammern im Ringgehäuse beaufachlagt und in Rotation versetzt wird, während
er jeweils durch die radialen Auslaßstutzen an der Ringkolbenführung vom Druck entlastet
wird.
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Die Ringkolbenführung und Druckkammern sowie die Strahldüsen und Auslaßstutzen
sind gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Zu jeder Strahldüse gehört ein Auslaßstutzen, der in Drehrichtung,
um einen der Bogenlänge des kegligen Freiraumes entsprechenden Entfernung versetzt
angeordnet ist.
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Von Bedeutung für die Erfindung ist, daß die in Drehrichtuhg des Ringkolbens
tangential durch das Ringgehäuse einmündenden Strahldüsen als solche zur Erhöhung
der Einströmgeschuindigkeit für das Druckmedium entsprechend und die AuslaBstutzen
mit großem Auslaßquerschnitt ausgebildet sind.
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Nach der Erfindung weist das RinggEhäusstit den innenliegenden Ringkolbenführungen
und Druckkammern einen kreisförmigen, ovalen, quadratischen od. rechteckigen Querschnitt
auf. Der Querschnitt des Ringkolbena im zylindrischen Teil entspricht dem der Ringkolhenführungen.
Damit die Ringkolbenführungen beim Umlauf des Ringkolbens keine Hinderung darstellen,
it der Übergang von der Zylinderform zur Kegelform stetig verlaufend ausgebildet.
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Das Ringgehäuse weist im Bereich des ringsumlaufenden Führungsschlitzes
und der Ringkolbenführung mantelseitig eine-ringsumlaufende Lippendichtung od. dgl.
auf, wobei dieselbe das Ringgehäussinnere und damit auch dessen Druckkammern abdichtext.
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Die mit dem Ringkolben fest verbundene Ringscheibe ist vollwandig
oder mit Ausnehmungen versehen ausgebildet.
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Letztlich soll noch erwähnt wsrden, daß das zweiteilig radial-teilbar
ausgebildete Ringgehäuse mit Ringkolbenführungen, der Ringkolben und die Ringscheibe
aus Stahl, Leichtmetall oder Messing hergestellt sind.
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Die nachstehende Beschreibung dient der Erläuterung des erfindungsgemäßen
Gegenstandes, von dem ein Ausführungsbeispeil in der Zeichnung dargestellt ist.
Hierbei zeigen: Fig. 1 den Ringkolbenmotor in Seitenansicht und teilweise im Schnitt
und Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II - II in Fig. 1 Bei dem Ringkolbenmotor gemäß
dem Ausführungsbeispiel kann es sich um einen stationären oder verfahrbaren handeln.
Das ringförmige Gehäuse 1 des motors besteht aus zwei Halbschalen 1', 1 ". Die Halbschalen
1', 1 " sind in der radialen Drehebene des Ringkolbenmotors fest und abdichtend
aneinanderliegend durch Haltemittel bekannter Art fest miteinander verbunden.
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Der Innendurchmesser des Ringgehäuses 1 ist als Ringkolbenführung
2 ausgestattet, wobei diese Ringkolbenführung 2 ggf.
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so ausgebildet sein kann, daß sie eine Verstärkung der Wandung des
Ringgehäuses 1 darstellt. Innerhalb der Ringkolbenführung 2 befinden sich acht Druckkammern
3, die durch die Freiräume zwischen dem rotierenden Ringkolben 5 und dem Ringgehäuse
1 gebildet werden. Das Ringgehäuse 1 weist entsprechend der halben Anzahl der Druckkammern
3 mantelseitig angeordnete Strahldüsen 4 als Anschlußstutzen für die das die Drehbewegung
erzeugende, von außen gesteuerte Druckmedium führende Rohrleitungen auf.
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Die Anschlußstutzen 4 sind in Drehrichtung tangential in das Ringgehäuse
1 einmündend und dasselbe 1 durchdringend angeordnet und zur Umsetzung von statischer
Druckenergie des Druckmediums in kinetische Strömungsenergie als Strahldüsen ausgebildet.
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Mittig zwischen zwei aufeinanderfolgendEn ,tangential einmündende
Strahldüsen 4, und zwar jeweils etwa im Abstan entsprechend der bogenlänge der gekrümmten
Kegelform 5'' des Hingkolbens 5 sind radial verlaufende Auslaßstutzen 10 angeorrinet.
Um ein ungehemmtes Abströmen des entspannten Druckmedium zu ermöglichen, sind diese
Auslaßstutzen 10 mit hinreichend großem Abströmquerschnitt ausgeführt. Ihre Anzahl
entspricht der Anzahl der Strahldüsen 4, nämlich entsprechen@ der halben Anzahl
der Druckkammern 3.
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In dem Ringgehäuse 1 ist in bekannter Weise ein Ringkolben 5 angeordnet.
DiesEr Ringkolben 5 selbst setzt sicn aus zvlindrischen 5' und kegligen 5'' Teilabschnitten
zusammen. In seiner Gesamtheit ist der Ringkolben 5 mit gekrümmter, seinem Laufdurchmesser
angeglichener Umfangsachse ausgeführt, vgl.
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Fig. 1, wobei der Ringkolben 5 im Bereich seiner zylindrischen Teilabschnitte
5'mit einer zentrisch im Ringgehäuse 1 liegenden Ringscheibe 7 fest verbunden ist.
Diese Ringscheibe 7 besitzt einen mittig angeordneten Abtriebsflansch 8 und taucht
über einen Rincschlitz 6 des Ringgehäuse 1 vom Abtriebsflansch 5 cus in des Innere
desselben 1 ein. Für die Abdichtung des Spaltes zuischen Ringschlitz 6 und Ringscheibe
7 ist eine umlaufend angeordnete Lippendichtung 9 vorgesehen.
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Der Ringkolben 5, wie erwähnt, ist segmentartig unterteilt, und zwar
in der Weise, daß derselbe über den gesamten Bereich der Ringführung 2 in Zylinderform
5' ausgehildet ist, während der Teil, welcher sich über den Bereich der Druckkammern
3 erstreckt, eie gekrümmte Kegelform 5'8 ausgebildet ist. Der Querschnitt des Ringkolbens
5 in seiner Gesamtheit ist beim Ausführungsbeispiel ein kreisförmiger. Der Übergang
von dem kegligen zu zylindrischen Teil ist in Drehrichtung des Ringkolbens 5 gesehen
für eine wirkungsvolle Beaufschlagung desselben rechtwinklig gehalten und bildet
einen stufenförmigen Absatz.
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Der Arbeitsablauf beim Gegenstand der Erfindung ist wie folgt: Unter
Verwendung der vier Anschlußstutzen 4, ausgebildet als Strahldüsen, wird den betreffenden
Druckkammern 3 über Rohrleitungen ein flüssiges, gasförmiges oder ähnliches Medium
unter Druck zugeleitet, wobei in die Kammern 3 das Medium unter seinem statischen
Druck einströmt. Dieser in den Kammern herrschende Druck kann beispielsweise bei
ca. 1o bis 12 atü liegen. Infolge der tangentialen Anordnung der Strahidüsen 4 wirkt
zusätzlich zu dem statischen Druck die dem Druckmedium innewohnende kinetische,
durch die Strahldüsen 4 ausgelöste Druckenergie sich ebenfalls und vornehmlich als
Antrtebskraft auf die radial verlaufende Kreisringfläche an der sprungertigen Übergangsstelle
zwischen kegel- und zylinderförmigen Teil des Ringkolbens 5 aus, so daß als Wirkdruck,
der durch die dynamische DruckenergiE erhöhte Gesamtdruck zur Wirkung kommt.
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Dadurch rotiert der Ringkolben 5 in Pfeilrichtung in dem Ringgehäuss
1. Gleichzeitig mit dem Ringkolben 5 erfährt die mit demselben 5 verbundene Ringscheibe
7 und deren Abtriebsflanach 8 eine Drehbewegung. Infolgedessen kann über den Abtriebaflanach
8 Leistung entnommen werden. Durch die sich einstellenden Reibungsverluste im Ringgehäuse
1 und dadurch, daß eins gewisse, wenn auch minimale Menge des
Druckmediums
über den abgedichteten Führungsschlitz 6 entweicht, wird eine Überwachung des Druckes
in den Kammern 3, um einen kostanten Druck beizubehalten, erforderlich. Die Steuerung
hinsichtlich der Zuführung und Drucküberwechung der flüssigen, gasförmigen od. dgl.
Medien erfolgt von außen her, und zwar im Bereich des Aggregates, durch welches
das die Antriebekraft erzeugende Druckmedium über die entsprechenden Rohrleitungen
und Strahldüsen 4 in die Druckkammern 3 eingespeist wird.
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Der Gegenstand der Erfindung erlaubt gewisse Varianten, ohne daß dadurch
der Rahmen der Erfindur:g verlassen wird.
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So können die tangentialen Aschlußstutzen in Gestalt der Strahldüse;
@ sämtlich an einen, d.h. der, gleichen, ihnen vorgeschalteter, gemeinsamen - nicht
dargestellten -Druckraum angeschlossen sein.
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Ebenso können die radialen Auslaßstutzen in einem rachgeschalteten,
gemeinsamen - nicht dargestellter - Auspuffraum einmündend angeordnet sein.