DE2722030A1

DE2722030A1 - Rotationsmaschine fuer fluids

Info

Publication number: DE2722030A1
Application number: DE19772722030
Authority: DE
Inventors: Eugeniusz M Rylewski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-05-17
Filing date: 1977-05-16
Publication date: 1977-12-15
Also published as: CA1102179A; GB1583885A; US4274814A; FR2352182B1; FR2352182A1; IT1085891B; JPS537813A

Description

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£._Rylcwski^, 4J bis Ave du Gal Leclerc, F 784 7ο St. Remy les CheVreuse

Rotationsmaschine für Fluids

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine für Fluids, d.h. antreibende oder getriebene Maschinen, die zwei Baugruppen aufweisen, die sich gegeneinander drehen, nämlich einen Stator und einen Rotor. Die Antriebs- oder angetriebene Wirkung wird durch Zirkulation des Fluids in Leitungen erhalten, die die allgemeine Form von Spiralen aufweisen und einen Einlass mit einem Auslass miteinander verbinden. Die Leitungen besitzen eine Wandung, die in Bezug zu den anderen Wandungen bewegt wird, und führen Schaufeln von Rädern, die durch die Baugruppe getragen werden, die die bewegliche Wandung aufweist. Die Schaufeln laufen in den Leitungen in Quei richtung um.

Die Leitungen werden gewöhnlich durch Kanäle oder Nuten in der ersten Baugruppe gebildet, während die Schaufelräder durch die zweite Baugruppe getragen werden und in Rotation transversal zur Achse der relativen Rotation der beiden Baugruppen gebracht werden, wobei die erste Achse nicht durch die letztere verläuft.

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Im nachfolgenden wird angenommen, daß die Kanäle oder Nuten in einem feststehenden Bauteil oder Stator angeordnet ist, während die Schaufelräder von dem sich drehenden Bauteil oder Rotor getragen werden. Jedoch umfasst die Erfindung auch Maschinen, bei denen die Kanäle in der beweglichen Baugruppe angeordnet sind, während die Schaufelräder von der feststehenden Baugruppe getragen werden.

Bei derartigen Maschinen ist jede Schaufel eines Schaufelrades symmetrisch um einen Radius des Rades angeordnet. Beispielsweise besitzt sie zwei Seitenflächen, die mit Seitenflächen der Kanäle oder Nuten zusammenarbeiten, und eine Vorderseite, die mit dem Boden der Nuten zusammenarbeitet. In derartigen Maschinen sind die Kanäle in Bezug auf die Strömung des Fluids auf den Abschnitten wirksam, die mit den Abschnitten der Schaufel zusammenarbeiten, die symmetrisch um den Radius angeordnet sind, beispielsweise mit den beiden Seitenflächen der Schaufel. Eine direkte Verbindung, die zwischen der Leitung und dem Einlass oder dem Auslass des Kanals auf der Seitenfläche der Schaufel besteht, verlässt die Wandung des Kanals, mit dem sie zusammenarbeitet.

Gegenstand der Erfindung ist eine Rotationsmaschine für kompressible oder nicht kompressible Fluids mit Kanälen oder Nuten und damit zusammenarbeitenden Schaufeln, die Teil eines Schaufelrades sind, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Leitung, die durch die Nut und zusammen arbeitende Flächen des Rotors und Stators begrenzt ist, mit der Schaufel außerhalb des Abschnitts der Nut zusammenarbeitet, der dem Zusammenwirken der Nut mit den Abschnitten der Schaufel entspricht, die symmetrisch um ihren Hauptradius angeordnet sind, beispielsweise mit den Seitenflächen der Schaufel. Die Schaufel

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arbeitet dann mit einer ihrer Seitenflächen mit einer Seitenwand der Nut und mit ihrer Frontseite oder mit einem Abschnitt ihrer Frontseite mit dem Boden der Nut zusammen. Der Querschnitt der Leitung ist daher im wesentlichen dreieckig und seine Oberfläche ist entsprechend der Abnahme oder Zunahme des Abschnittes der Frontseite der Schaufel, die mit der Nut zusammenarbeitet, schnell zu- oder abnehmend.

Nicht nur die Kanäle eines Stators werden besser genutzt, d.h. ihre Länge, die wirksam wird, wird vergrößert, sondern es wird auch die relativ schnelle Änderung des Querschnittes der Endbereiche der Leitung vorteilhaft genutzt, um den Effekt der Kompression oder Expansion zu vergrößern.

Ferner reduziert das gleitende Zusammenarbeiten einer Schaufel mit der Oberfläche einer Nut auf nur einem Teil ihrer Kante oder Seitenfläche die Reibung.

Ferner ist es möglich, Maschinen mit einer kleineren Anzahl von Nuten, etwa 2, mit einer kleinen Anzahl von Schaufelrädern und einer kleinen Anzahl von Schaufeln für jedes Schaufelrad herzustellen.

Die vergrößerte wirksame Länge jeder Nut ermöglicht es, die Nut für verschiedene Funktionen mit besonderem Vorteil zu verwenden, wenn die Maschine als Wärmepumpe oder Gasturbine verwendet wird.

Die Erfindung schlägt eine Konstruktion vor, bei der der Rotor, dessen Räder eine kleine Anzahl von Schaufeln aufweist, durch zwei Statoren mit einer kleinen Anzahl vpn Nuten umgeben ist, die zu einer positiven Verbindung zwischen dem

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Rotor und den Statoren beitragen. Ein Schaufelrad arbeitet entweder über eine Schaufel mit einem Stator oder über zwoi Schaufeln mit dem ersten und dem zweiten Stator zusammen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den beigefügt ^n Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch eine Frontansicht eines Stators. Figur 2 zeigt eine Ansicht eines Schaufelrades.

Figur 3 zeigt schematisch einen Teil der Maschine im Axialschnitt.

Figur 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie 4-4 von Figur 1.

Figur 5 zeigt eine Frontansicht einer weiteren Ausführungsform eines Stators.

Figur 6 zeigt schematisch eine Maschine mit zwei Statoren, die mit einem Rotor zusammenarbeiten, wobei der Rotor nicht dargestellt ist, während der vom Betrachter abgewandte Stator gestrichelt dargestellt ist.

Figur 7 zeigt einen Schnitt längs der Linie T+-1 von Figur 6, wobei jedoch der Rotor dargestellt ist.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform umfasst der Stator einen Körper 11, der zwei Rippen 12.. , 12_? besitzt, die spiralförmig ausgebildet sind. Die inneren Enden 13..,

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dor Hippen 12., 12„ liegen sich diametral gegenüber ebenso wie (He äußeren linden 14. und 14„.

Jede Rippe umfasst eine innere Seitenfläche 1S₁ bzw. 15 und eine «Innere Seitenfläche 16.. bzw. 16~. Ein Kanal oder (^ine Nut 19b ist durch eine innere Seitenfläche einer Rippe, beispielsweise 15~, durch eine äunere Seitenfläche einer anderen Rippe, in diesem Fall 16.., und einen Boden 18b begrenzt. Der äußere Kanal 19a ist durch die innere Seitenfläche 15.. der Rippe 12. und die äußere Seitenfläche 16_ der Rippe 12» begrenzt. In einem Kanal 19a oder 19b dreht sich eine Schaufel 21 eines Schaufelrades 22 (Figur 2). Letzteres umfasst bei dieser Ausführungsform drei Schaufeln ₆... 21, 21', 21", von denen jedes durch eine kreisförmige Stirnseite 23 und zwei radiale Seitenflächen 24 und 25 begrenzt ist. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sch«iufeln ist klein.

Die Schaufelräder 22 werden von einem Rotor 31 getragen, dessen Stirnfläche 32 dem Stator 11 zugekehrt ist. Diese Stirnfläche, von der sich Schaufeln 21 erstrecken, ist eben und arbeitet gleitend mit den oberen Kanten 33.. und 33_ der Rippen 12.. und 12₂, die entsprechend eben sind, zusammen, um die Leitungen für das Hindurchströmen des Fluids zu bilden.

Figur 1 zeigt durch strichpunktierte Linien 34 und 35 den Teil des Kanals 19b, in dem eine Schaufel 21 gleichzeitig mit ihren Seitenflächen 24 und 25 und mit ihrer Stirnseite 23 entsprechend mit der inneren Seitenfläche 15_ der Rippe

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12₂, der äußeren Seitenfläche 16- der Rippe 12. und dem Boden 18b zusammenarbeitet.

Wenn sich der Rotor 31 beispielsweise in der durch den Pfeil f dargestellten Richtung dreht, ist eine Seite 25 der Schaufel 21 vor Erreichen dieses Bereiches frei, d.h. nicht in Kontakt mit der äußeren Seitenfläche 16- der Rippe 12.. Diese Schaufel arbeitet mit ihrer Stirnseite 23 mit dem Abschnitt 36b des Bodens 18b, der in seiner Form torusartig ausgebildet ist mit einem Querschnitt, der mit dem Querschnitt der Stirnseite 23 konjugiert, und mit der inneren Seitenfläche 15. der Rippe 12- zusammen.

In dem Abschnitt 36b des Bodens 18b ist am Anfang des letzteren eine öffnung für das Fluid 37b vorgesehen.

Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Schaufelrad nicht in einer Radialebene des Rotors angeordnet und die Oberfläche des Stators, mit der es zusammenarbeitet, nicht torusförmig, jedoch eine Rotationsfläche.

Die Schaufel 21 wird aufgrund des Zusammenwirkens der zunehmenden Länge ihrer Stirnseite 23 während der Drehung des Rotors wirksam. Dies geschieht solange, bis die Schaufel die Grenzstellung 34 erreicht, von der an ihre Seitenfläche 25 ebenfalls wirksam wird. Wenn sich die Schaufel in dem Kanal 19b zwischen den radialen Grenzebenen 34 und 35 dreht, ist sie sowohl mit ihrer Stirnseite als auch mit ihren Seitenflächen wirksam.

Wenn die Schaufel die radiale Grenzebene 35 passiert, wird die Seitenfläche 24 unwirksam, während jedoch die Schaufel

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nicht nur durch ihre gegenüberliegende Seitenfläche 25, die mit der äußeren Seitenfläche 16.. der Rippe 12.. zusammenarbeitet, sondern auch mit ihrer Stirnseite 23 wirksam ist, die mit dem torusartigen Boden 19b zusammenarbeitet. Das letztere Zusammenwirken findet auf einer abnehmenden Länge und bis zu der Austrittsöffnung 38b statt, die in dem Abschnitt 39b des Bodens 19b angeordnet ist, wo der Raum für das Fluid relativ klein ist.

In entsprechender Weise besitzt der Kanal 18a an jeder Seite eine Fluidöffnung 37a bzw. 38a.

Die Erfindung umfasst ebenfalls Maschinen, bei denen die Schaufeln eine Kontur aufweisen, die von einem Ende zum anderen gekrümmt ist, beispielsweise in Form eines Kreisbogens, die es nicht ermöglicht, eine vordere und eine hintere Seitenfläche zu unterscheiden.

Bei der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform besitzt der Kanal 41a an seinem mittleren Ende, das sich benachbart der Achse 42 der relativen Drehung von Stator und Rotor befindet, eine erste öffnung 43a. Der Kanal besitzt im mittleren Bereich seiner Länge eine zweite öffnung 44a und eine dritte öffnung 44a von der ein Abschnitt radial mit einem Abschnitt der zweiten öffnung 44a ausgerichtet ist. Der Kanal 41a besitzt an seinem äußeren Ende eine öffnung 46a. In gleicher Weise besitzt der zweite Kanal 41b vier Fluidöffnungen 43b, 44b, 45b bzw. 46b.

Kine Maschine mit einem derartigen Stator, der mit einem Rotor zusammenarbeitet, der Schaufelräder trägt, wird Vorzugs-

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weise in οι nor Gast nrbi nciianordming verwendet, nie öffnungen 4 3a und 4 3b werden zum Einführen von heißen Gasen Verwender, die unt-or Druck von ei nor Verbrennungskammer kommen. Die öffnungen 44a und 44b erlauben das Abführen der Gase nach der Expansion. Die Luft wird unter leichtem Druck d\irch die öffnungen 45 eingelassen. Dier.e Luft ist dazu bestimmt·, durch Schaufeln der Schaufel r<1dt;r während des zweiten Teil:? ihres Bewegungsablaufs in dem Kanälen zusammengedrückt zu werden. Sie wird gleichzeitig zum Abführen der Gase verwendet, die expandiert sind. Die Wirkung der Zentrifugalkraft kann ebenfalls /um Abführen beitragen. Die Luft, die unter Druck in den /.weiten Teil der Kanäle eingeführt wird, wird durch öffnungen 4G zur Verbrennungskammer abgeführt.

In der in Figur 5 dargestellten Aunführunusforin wird eine Schaufel eines Schaufelrades, wie durch die gestrichelte Linie 47 sichtbar ist, auf ihrem Abschnitt, der in dem Kanal 41a eingeschlossen ist, dem Schub der unter Druck befindlichen Gase ausgesetzt, wie durch den Pfeil t. dargestellt ist. Durch den Abschnitt, der in dem Kanal 41b eingeschlossen ist, diückt sie die Luft zusammen, wie durch den Pfeil f dargestellt ist. Daher ist es vom Standpunkt des Gleichgewichtes der auf das Rad ausgeübten Schübe zweckmäßig, die Anbringung des Schaufelrades in dem Schlitz des Rotors in Betracht zu ziehen.

K ine ahn Ii ehe Anordnung wird für den Aufbau einer Wärmepumpe vorgeschlagen.

Die in den Figuren 6 und 7 dargestellte Maschine umfasst zwei Statoren, wie vorstehend beschrieben. Der. Boden des

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Stators benachbart dem Betrachter ist für Darstellungszwecke durchsichtig angenommen. Die Statoren sind auf beiden Seiten eines hier >icht dargestellten Rotors angeordnet. Von beiden gegenüberliegenden Flächen des Rotors erstrecken sich Schaufelräder, die auf der einen Seite mit den Kanälen des ersten Stators und auf der anderen Seite mit den Kanälen des zweiten Stators zusammenarbeiten. Letzterer ist in Bezug auf die Kanäle des ersten Stators derart in Umfangsrichtung versetzt, daß er der Anordnung der Schaufelräder und der Schaufeln eines Schaufelrades entspricht. Auf diese Weise kann ein Schaufelrad gleichzeitig mit zwei Statoren zusammenarbeiten.

In einer Ausführungsform, bei der ein Schaufelrad über eine seiner Schaufeln mit einem Rotor und über eine andere Schaufel mit dem anderen Rotor zusammenarbeitet, ist der auf ein Schaufelrad ausgeübte Schub gleich der Differenz der Schübe, die sich aus der Expansion und der Kompression ergeben.

Die Erfindung ist ferner auf Maschinen für Fluids anwendbar, bei denen der Stator und der Rotor zusammenwirkende Flächen aufweisen, die nicht eben sind und aufeinander gleiten.

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Claims

Patentansprüche

1. Rotationsmaschine für Fluids mit einer Scheibe oder einem Stator mit spiralförmigen Rippen, die Kanäle zwischen einem Einlass und einem Auslass für das Fluid begrenzen und zur Rotation in Bezug auf die Scheibe angeordnet sind, wahrend ein Rotor mit der Scheibe derart gleitend zusammenarbeitet, daß mit den Kanälen Leitungen für das Hindurchströmen eines Fluids gebildet werden, und Schaufeln von Schaufelrädern ein Profil entsprechend dem Profil der Kanäle aufweisen und mit letzteren in Eingriff stehen sowie zur Rotation in dem Rotor angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle derart verlängert sind, daß die Leitungen für das Fluid mit einer Schaufel in den Teilen der Kanäle wirksam sind, wo die Kanäle mit einer Rippe zusammenarbeiten.

2. Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur einer Schaufel Seitenflächen und eine Stirnfläche aufweist, während die Kanäle derart verlängert sind, daß die Leitungen solange wirksam sind, wie die Seitenfläche einer Schaufel mit einer Seitenfläche des Kanals zusammenarbeitet.

3. Rotationsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle über wenigstens einen Abschnitt ihrer Länge einen Querschnitt aufweisen, der nur zwei Seiten aufweist.

4. Rotationsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Abschnitte der Kanäle außerhalb des

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mittleren Bereichs, wo sie drei Seiten aufweist, zwei Seiten besitzen.

5. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid durch öffnungen im Boden der Kanäle in die Maschine eintritt und aus ihr heraustritt.

6. Rotationsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung in einem Teil des Kanals angeordnet ist, in dem der radiale Querschnitt zwei Seitnn aufweist.

7. Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator drei Kanäle aufweist, die in Umfangsrichtung um die Achse der relativen Rotation von Stator und Rotor regelmäßig verteilt sind und durch schmale Rippen begrenzt sind.

8. Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator zwei Kanäle aufweist, die symmetrisch zueinander um den Mittelpunkt des Stators angeordnet sind, wobei die Kanäle durch schmale Rippen begrenzt sind.

9. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Abschnitt der Länge eines Kanals die Maschine mit Expansion des Fluids und über einen anderen Teil der Länge des Kanals mit Kompression des Fluids arbeitet.

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10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Kanäle an einem Ende eine öffnung für den Durchgang des Fluids, am anderen Ende eine öffnung für den Durchgang des Fluids und in einem mittleren Teil eine dritte öffnung für den Durchgang des Fluids aufweist.

11. Rotationsmaschine nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Kanals in einem mittleren Teil zwei öffnungen für den Durchgang des Fluids aufweist.

12. Rotationsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei öffnungen für den Durchgang des Fluids radial ausgerichtete Abschnitte aufweisen.

13. Rotationsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Rotor mit Schaufelrädern aufweist, der von zwei Statoren umgeben ist, wobei die Schaufeln eines Schaufelrades gleichzeitig mit den Kanälen des einen und des anderen Stators zusammenarbeitet.

14. Gasturbinenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Maschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13 umfasst.

15. Wärmepumpenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Maschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13 umfasst,

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