DE2913216C2

DE2913216C2 - Mittelachsige Rotationskolbenmaschine als Verbundmaschine

Info

Publication number: DE2913216C2
Application number: DE19792913216
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dipl.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Kayser
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-04-03
Filing date: 1979-04-03
Publication date: 1983-09-15
Also published as: DE2913216A1

Description

a) die Arbeitskammern (9, 10, 11, 12) sind stirnseitig durch in dem Gehäusemantel (1) umlaufende Steuerscheiben (4) begrenzt, die mit einer der Anzahl der Kolben je Kolbensatz gleiches Anzahl gleichmäßig verteilter Steuerschlitze (17) die stirnseitig vorgesehenen Einlaßöffnungen (5) und Niederdruck-Einlaßöffnungen (8) ansteuern,

b) die Verdichtungsauslaßöffnung (13) weist ein synchron mit der Grunddrehzahl der Maschine gesteuertes Absperrorgan (7) auf, und

c) die Einlaßöffnung (5) des Expansionsteils (11, 12) ist eine Hochdruckeinlaßöffnung.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan ein trommeiförmiger Drehschieb· t (7) mit mindestens einem Steuerschlitz (16) ist, der mit der 2 · ζκ/zjachen Grunddrehzahl der Masclv e rotiert, wobei ζκ die Anzahl der Kolben (2;3) je Kolbensatz und Zsdie Anzahl der Steuerschlitze (16) des Drehschiebers (7) ist.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheiben (4) innerhalb des Gehäusemantels (1) getrennt von den Kolben (2; 3) in Kolbendrehrichtung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit umlaufen, die doppelt so hoch ist wie die mittlere Kolbengeschwindigkeit.

Die Erfindung betrifft eine mittelachsige Rotationskolbenmaschine als Verbundmaschine, mit zwei Kolbensätzen, die jeweils mit einer Welle drehfest verbunden sind und mit periodisch sich ändernden Geschwindigkeiten innerhalb eines stationären kreisringförmigen Gehäusemantels umlaufen, der Arbeitskammern begrenzt und mindestens einen Expansionsteil mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung sowie mindestens einen gegenüber dem Expansionsteil in Umfangsrichtung versetzten Verdichterteil mit einer Niederdruck-Einlaßöffnung und einer Verdichtungsausläßöffnung äüfweisl.

Bei einer bekannten Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art (US-PS 33 96 632) sind in einem zylindrischen Gehäusemantel zwei Kolbensätze angeordnet, deren stirnseitigen Kolbenenden Arbeitskammern begrenzen. Die Kolbensätze bewegen sich mit periodisch veränderlichen Geschwindigkeiten derart, daß sich die Volumen der Arbeitskammern abwechselnd und gegensinnig vergrößern und verkleinern. In der Umfangswand des Gehäusemantels befinden sich in Laufrichtung der Kolben hintereinander eine Auslaßöffnung, eine Niederdruck-Einlaßöffnung, eine Verdichtungsauslaßöffnung und eine Ansaugöffnung, infolge der Anordnung und des gegenseitigen Abstandes der Öffnungen durchlaufen die Arbeitskammern nacheinander in zyklischer Wiederholung einen Expansionsteil und einen VerdichterteiL

Die bekannte Maschine wird somit als Verbundmaschine, d. h. als Expansionsmaschine und als Verdichter gleichzeitig betrieben. Dies hat den Vorteil, daß zur Verdichtung eines Gases nicht ein von einem separaten Motor angetriebener Verdichter benötigt wird, sondern daß Motor und Verdichter in einer einzigen Maschine integriert sind. Nachteilig ist bei der bekannten Verbundmaschine allerdings, daß die Kolben funktionsbedingt eine erhebliche Umfangserstreckung haben, weil sie jeweils rwei Öffnungen über eine gewisse Zeit ihrer Umfangsbewegung gleichzeitig geschlossen halten müssen. Wegen der großen Umfangserstreckung der Kolben haben die Arbeitskammern selbst bei maximaler Ausdehnung eine nur relativ geringe Umfangserstrekkung, so daß die Relation (Leistung : Gewicht) bei der bekannten Verbundmaschine relativ niedrig ist.

In einem zürn Stand der Technik gehörenden, nicht vorveröffentlichten Vorschlag (DE-OS 28 51 989) ist eine Rotationskolbenmaschine mit stirnseitig in dem Gehäusemantel umlaufenden Steuerscheiben beschrieben. Die Steuerscheiben laufen innerhalb des Gehäusemantels getrennt von den Kolbensätzen in Kolbendrehrichtung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit um, die doppelt so hoch ist wie die mittlere Kolbengeschwindigkeit Diese Maschine arbeitet jedoch entweder als Expansionsmaschine oder als Verdichter, nicht aber als Verbundmaschine. Sie weist ein synchron mit der Grunddrehzahl gesteuertes Absperrorgan nicht auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine mittelachsige Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art die spezifische Leistung zu vergrößern. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß durch die folgenden Merkmale:

a) die Arbeitskammern sind stirnseitig durch in dem Gehäusemantel umlaufende Steuerscheiben begrenzt, die mit einer der Anzahl der Kolben je Kolbensatz gleichen Anzahl gleichmäßig verteilter Steuerschlitze die stirnseitig vorgesehenen Einlaßöffnungen und Niederdruck-Einlaßöffnungen ansteuern,

b) die Verdichtungsauslaßöffnung weist ein synchron mit der Grunddrehzahl der Maschine gesteuertes Absperrorgan auf, und

c) die Einlaßöffnung des Expansionsteils ist eine Hochdruckeinlaßöffnung.

Durch die Steuerscheiben wird erreicht, daß die Kolben eine geringere Umfangserstreckung haben können, so daß die Arbeitskammern entsprechend vergrößert werden. Die Verdichtungsauslaßöffnung benötigt hierbei jedoch ein gesondertes Absperrorgan, das einer zusätzlichen Steuerung bedarf und in Abhängigkeit von der Grunddrohzahl der Maschine gesteuert is«. Die Grunddrehzahl bezeichnet diejenige Drehzahl, die der mittleren Kolbengeschwindigkeit entspricht. Die beiden Kolbensä'ize bewegen sich mit zeitlich veränderlichen Drehgeschwindigkeiten, wobei der eine Kolbensatz zunächst voreilt, dann aber von

dem anderen Kolbensatz eingeholt wird usw. Die mittlere Kolbengeschwindigkeit bezeichnet die Durchschnittsgeschwindigkeit eines Kolbensatzes und bildet den Mittelwert zwischen der maximalen und der minimalen Geschwindigkeit dieses Kolbensatzes.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Absperrorgan ein trommelförmiger Drehschieber mit mindestens einem Steuerschlitz ist, der mit de·· 2 · ζκ/zsfachen Grunddrehzahl der Maschine rotiert, wobei z_K die Anzahl der Kolben je Kolbensatz und zs die Anzahl der Steuerschlitze des Drehschiebers ist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung und

F i g. 2 zeigt eine Abwicklung des Expansionsteils der Maschine, jedoch bei veränderter Kolbenstellung.

Bei de; dargestellten Rotationskolbenmaschine sind zwei Kolbensätze 2 und 3 vorhanden, von denen jeder vier Kolben aufweist Die Kolben eines jeden Kolbensatzes sind an einer Kolbentragscheibe 14 bzw. 15 befestigt. Beide Kolbentragscheiben sind parallel zueinander angeordnet und können sich relativ zueinander drehen. Die Kolben, die der einen Kolbentragscheibe angeordnet sind, stehen axial über die anderen Kolbentragscheibe über, so daß jeder Kolben des einen Kolbensatzes mit den beiden benachbarten Kolben des anderen Kolbensatzes zwei Arbeitskammern bildet, deren Volumen sich während jo des Umlaufs der beiden Kolbensätze periodisch verändern. Die beiden Kolben tragscheiben sind über ein (nicht dargestelltes) Getriebe miteinander verbunden, das beispielsweise eine aus der Maschine herausgeführte Weile aufweist js

In dem zylindrischen Gehäuse 1 laufen die beiden Kolbensätze 2 und 3 mit einer überlagerten Schwingung in Umfangsrichtung um. Der gerade vorwärts schwingende, also gemäß F i g. 1 augenblicklich schnellere Kolbensatz 2 und der augenblicklich langsamere Kolbensatz 3 weisen je vier Kolben auf und schließen zwischen sich drei Expansionsarbeitskammern 11, drei Ausschiebe-Arbeitskammern IZ eine Ansaug-Arbeitskammer 9 und eine Kompressions-Arbeitskammer 10 ein. Die Maschine ist in F i g. 1 im Zeitpunkt des halben Hubes dargestellt, so daß alle Arbeitsräume gerade gleich groß sind.

In F i g. 1 bildet die Ansaug-Arbeitskammer 9 zusammen mit der Kompressions-Arbeitskammer 10 den Verdichterteil der Maschine, während die drei Expansions-Arbeitskammern ti und die drei Ausschiebe-Arbeitskammern 12 den Expansionsteil bilden.

In Blickrichtung hinter den Kolben zeigt sich in F i g. 1 eine der beiden Steuerscheiben 4, welche gleichmäßig aber doppelt so schnell rotieren wie die Kolbensätze im Mittel und mit jeweils vier radialen Steuerschlitzen 17 die Einlaßöffnungen 5 der drei Expansions-Arbeitskammern sowie eine Niederdruck-Einlaßöffnung 8 steuern. Das Einschieben des Expansionsgases ist noch nicht ganz beendet, während das Ansaugen von Frischluft erst mit Abschluß des Hubes abgeschlossen werden wird. Die Ausschiebeöffnungen für das Expansionsgas G sind wahrend des gesamten Hubes mehr oder weniger stark geöffnet, während der gleichartige Auslaß 13 der Kompressionskammer 10 durch den trommeiförmigen Drehschieber 7 abgesperrt ist und zum Ausschiebezeitpunkt rasch geöffnet wird. Der Drehschieber 7 weist zwei Steuerschlitze 16 auf und läuft .nit der vierfachen Drehzahl der Kolbensätze gleichmäßig um.

In den Fig. 1 und 2 sind die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der beiden Kolbensätze sowie der Steuerelemente durch Pfeile angegeben, deren Länge der jeweiligen Geschwindigkeit entspricht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine als Verbundmaschine, mit zwei Kolbensätzen, die jeweils mit einer Welle drehfest verbunden sind und mit periodisch sich ändernden Geschwindigkeiten innerhalb eines stationären kreisringförmigen Gehäusemantels umlaufen, der Arbeitskammern begrenzt und mindestens einen Expansionsteil mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung sowie mindestens einen gegenüber dem Expansionsteil in Umfangsrichtung versetzten Verdichterteil mit einer Niederdruck-Einlaßöffnung und einer Verdichtungsauslaßöffnung aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: