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Leckarme Mehrflügel-Umlaufexpansionsmaschine Die Erfindung bezieht
sich allgemein auf umlaufende Antriebsmaschinen und insbesondere auf Mehrflügel-Umlaufexpansionsmaschinen
(rotary expanders).
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In der Vergangenheit wurde bei den meisten mehrflügeligen Umlaufexpansionsmaschinen
(nachfolgend als Expansionsmaschinen bezeichnet) ein komprimiertes Gas, wie Luft
niedriger Temperatur, als Antriebsfluid benutzt. Hierzu wird beispielsweise auf
Machine Design, September 14, 1972, Seite 218, verwiesen, und in diesem Artikel
ist ausgeführt, daß bei einer solchen Expansionsmaschine bestimmte Beschränkungen
bezüglich des Erreichens eines vergrößerten Drehmoments bestehen.
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Wenn als Antriebs fluid eine unter hoher Temperatur und großem Druck
stehende verdampfte Flüssigkeit wie Wasser oder Kohlenwasserstofffluids benutzt
werden, kann zwar die mögliche Leistung einer Expansionsmaschine von bestimmter
Größe gesteigert werden, doch ergeben sich wegen der hiermit verbundenen Temperatur-
und Druckvergrößerunt gen besondere Probleme. Ein solches Problem ist die innere
Leckerscheinung bzw. das Abströmen des Dampfes. Im Idealfall wird der
Dampf,
wenn er zwischen angrenzenden Flügeln eingeführt wird, in diesem Raum durch den
Rotor, vom Expansionsmaschinenmantel und von den Stirnwandungen eingeschlossen.
In der Praxis entweicht jedoch der Dampf aus dem Raum zwischen den Flügeln, wenn
er kurz nach dem oberen Totpunkt zugeführt wird, zum Niederdruckbereich vor dem
unteren Totpunkt. Der unter Druck gesetzte Dampf neigt dazu, den nachfolgenden Flügel
in den Schlitz einzudrücken und an ihm vorbei zur Auslaßöffnung zu strömen. Wenn
dann der nachfolgende Flügel die Dampfeinlaßöffnung erreicht, wird er abrupt nach
außen gedrückt, so daß er gegen den Expansionsmaschinenmantel stößt, wodurch ein
Flügelbruch und eine Zerstörung des Mantels begründet werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer
verbesserten Mehrflügel-Umlaufexpansionsmaschine, bei der die genannten Nachteile
nicht auftreten.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
einen minimalen Spielraum bildende Spalt eines mit zahlreichen Flügeln oder Schaufeln
versehenen Drehexpanders über einen Bogen verlängert, indem der Mantel im Bereich
dieses Bogens kreisförmig und konzentrisch zum Rotor ausgebildet ist. Der übrige
Teil des Mantelprofils kann ein exzentrischer Kreisbogen oder entsprechend zugeschnitten
sein, um das erwünschte Expansionsverhältnis zu erhalten. An der Oberfläche des
Rotors sind Labyrinthdichtungen vorgesehen, und die Flügel werden innerhalb des
Minimumspalts von unter Druck gesetztem Dampf nach außen gedrückt, Wenn ein im Querschnitt
kreisförmiger Mantel einen kreisförmigen Rotor umgibt, tritt ein Minimumabstand
nur an einer Stelle auf. Erfindungsgemäß wird dieser Minimumabstand zu einem sich
über einen Bogen erstreckenden Minimumspalt erweitert. Der Bogen wird ausreichend
groß gemacht, so daß sich zu jeder Zeit zumindest ein Flügel im Minimumspalt befindet.
hierdurch wird die Leckerscheinung von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung vermindert.
Durch Ausbilden der Labyrinthdichtung an der Oberfläche des Rotors und durch das
nach außen erfolgende Drücken der Flügel innerhalb des Minimumspalts mittels unter
Druck gesetztem Dampf führt zu weiteren Verminderungen der Leckerscheinung.
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Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - den Rotor und den Laufmantel einer erfindungsgemäßen
Expansionsmaschine im Querschnitt, Figur 2 - den Rotor aus Figur 1 in Vorderansicht
und Figur 3 - den Rotor in einem vergrößerten bzw. detaillierten Teilschnitt.
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Verkleidung,eines Gemäß Figur 1 ist ein Rotor lo innerhalb einer
bzw5\ Kolbenlaufmantels 12 angebracht und enthält eine Anzahl von sich axial erstreckenden
Schlitzen 14 mit jeweils einem Flügel bzw. einer Schaufel1tder bzw. die beim Drehen
des Rotors lo in diesen hinein und aus ihm heraus bewegbar ist. Die Anzahl der Flügel
kann sich entsprechend der Größe der Expansionsmaschine (expander), des Expansionsverhältnisses
usw. verändern. Das verdampfte Antriebs fluid wird über eine Einlaßöffnung 18 zugeführt,
und der expandierte Dampf wird über eine Vielzahl von Auslaßöffnungen 20 ausgestoßen.
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Wenn jeder Flügel 16 an der Einlaßöffnung 18 vorbeiläuft, wird der
von den Oberflächen des Rotors lo, des Kolbenlaufmantels 12, des genannten Flügels
wie auch des folgenden Flügels und der Stirnwandungen begrenzte Raum mit dem unter
Druck gesetzten Dampf gefüllt. Wenn der folgende Flügel 16A das Ende der Einlaßöffnung
18 erreicht, so daß kein weiterer Dampf zugeführt werden kann, stellt das im Raum
22 enthaltene Volumen das Füllungsvolumen dar. Der gegen den Flügel 16B (dessen
freiliegender Oberflächenbereich größer als derjenige des Flügels 16A ist) wirkende
Druck begründet eine Drehung des Rotors lo. Der Dampf expandiert bei der Vergrößerung
des Volumens bis zum Maximum im Bereich des unteren Totpunktes.
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Wenn dann das Volumen abzunehmen beginnt, wird der expandierte Dampf
über unverschlossene Ablaßöffnungen 20 eher ausgestoßen als wieder neu komprimiert.
Hierdurch soll sichergestellt werden, daß kein kondensierter Dampf oder Schmieröl
und damit inkompressible Flüssigkeiten in den Minimumraum bzw. -spalt gelangen,
wo hierdurch eine Zerstörung vorgerufen werden könnte. Stattdessen erfolgt ein vorheriges
Ausstoßen.
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Wenn sowohl der Rotor 10 als auch der Kolbenlaufmantel 12 im Querschnitt
in üblicher Weise kreisförmig wären, würde nur am oberen Totpunkt minimaler Spielraum
entstehen. Nach der vorliegenden Er-Erfindung erfolgt eine Erweiterung auf einen
sich über einen Bogen 24 erstreckenden Spalt konstanten Minimumabstandes. Hierdurch
wird die Neigung des an der Einlaßöffnung 18 zugeführten Hochdruckdampfes vermindert,
im Gegenuhrzeigersinn zu den Niederdruck-Auslaßöffnungen zurück- bzw. auszuströmen.
Der Bogen 24 muß lang genug sein, damit sich jederzeit zumindest ein Flügel im Spalt
befindet. Oder anders ausgedrückt beträgt die minimale Bogenlänge des Spaltes 36o0/N,
wobei N die Anzahl der Flügel bzw. Lamellen oder Schieber im Rotor ist.
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Ein Weg zum Erweitern bzw. Verlängern des Minimumspaltes ist in Figur
1 dargestellt. Der Mantel ist im Bereich des Spaltes konzentrisch zum Rotor ausgebildet,
während er im übrigen Teil exzentrisch ist. Der beschriebene Zweibogenmantel führt
auch zu einem größeren Expansionsverhältnis, als es im Fall eines kreisförmigen
Mantels möglich ist. Noch größere Expansionsverhältnisse können erreicht werden,
wenn dem Mantel ein zugeschnittenes bzw. angepaßtes (tailored) Querschnittsprofil
gegeben wird. Eine Beschränkung bezüglich des zugeschnittenen Profils besteht darin,
daß die Richtungsänderung im Profil nicht so abrupt sein sollte, daß die Flügel
den Kontakt mit dem Mantel verlieren, da sie nicht ausreichend schnell beschleunigt
werden können. Ein annehmbares Profil ist ein solches, das eine lineare Flügelgeschwindigkeit
erzeugt oder bei dem die Flügelverlagerung als Funktion des Rotorwinkels parabolisch
verläuft. (Ein solches Profil wird gewöhnlich bei Ventilöffnungsnocken in Innenverbrennungsmaschinen
benutzt).
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Obwohl die Verlängerung des Minimumspaltes zu einer Verminderung der
Leckerscheinungen führt, stellen diese nach wie vor besonders dann ein Problem dar,
wenn der Druck des Dampfes größer wird. Dieser Druck neigt dazu, den nachfolgenden
Flügel nach unten in * litz zqdrückenJ um einen Leckpfad über den Minimumspalt zu
bilden. Zur Überwindung dieses Problems wird Dampf mit demselben Druck wie derjenige
des Dampfes an der Einlaßöffnung 18 durch beide Stirnwandungen
in
einem bogenförmigen Druckschlitz 26 und damit zu einem verdickten Teil der Flügelschlitze
14 geleitet. Es ist festzustellen, daß sich der Flügel 16C tief genug in seinem
Flügelschlitz befindet, um jegliches Austreten dieses Dampfes zu verhindern. Jedoch
haben sich der Flügel 16A und die vor ihm liegenden Flügel ausreichend weit nach
außen bewegt, um die Flügelöffnungen 28 (siehe auch Figur 2) freizugeben. Dieser
öffnungsvorgang erfolgt unmittelbar bevor der Flügel 16A den Absperrpunkt erreicht.
Hierdurch wird ein Druckausgleich zwischen dem vergrößerten unteren Abschnitt des
Schlitzes und dem der Einlaßdampföffnung ausgesetzten Raum ermöglicht. Wenn dieser
Ausgleich nicht auftritt und der Dampf im Absperraum expandiert sowie im Druck vermindert
wird, würde sich ein übermäßig großer Druck gegen den Boden des Flügels ergeben.
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Um die Abdichtung weiter zu verbessern, wird durch öffnungen 28 in
den Stirnwandungen unter den Flügeln Ö1 eingespritzt, bevor diese den Minimumspalt
erreichen. Dieses flüssige öl verbessert die Abdichtung und sorgt gleichzeitig für
eine Flügelschmierung. Zusätzlich zum Vermindern der Leckerscheinungen durch Verlängern
des Minimumspalts kann eine verbesserte Leistungsfähigkeit durch Ausbilden einer
Labyrinthdichtung erzielt werden. In Figur 3 ist der Rotor lo so dargestellt, daß
er eine Vielzahl von sich axial erstrekkenden und in seine Oberfläche eingearbeiteten
Nuten 30 aufweist.
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Jede Nute begründet eine Druckverminderung vom Hochdruck an der Dampföffnung
zum Niederdruck hinter dem nachfolgenden Flügel. Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten
Rotor hatten die Nuten der Labyrinthdichtung eine Tiefe von etwa 1,47 mm und eine
Breite von etwa 1,52 mm. Die Labyrinthdichtung löst auch in Verbindung mit dem verlängerten
Minimumspalt das Problem, daß ein nachfolgender Flügel vom Hochdruckleckdampf in
den Schlitz gedrückt wird und dann kräftig gegen den Mantel stößt, wenn sich der
Flügel zur Einlaßöffnung bewegt.
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- Patentansprüche -