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Beschreibung und Patentansprüche der neuen
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Ringkolben-Kraft- oder Arbeitsmaschine Die Erfindung betrifft eine
nach einem neuartigen Verdrängerprinzip arbeitende Kraft- oder Arbeitsmaschine mit
einem Ringkolben, der einerseits zum Stator hin mechanisch mit verschiedenen Ubersetzungen
(beispielsweise 1:1 oder 1:30) verbunden ist und ein Moment vom Stator aufnimmt,
und andererseits zum Rotor hin mechanisch mit verschiedenen Ubersetzungen (beispielsweise
1:1 oder 1:30) verbunden ist und das vom Stator aufgenommene Moment auf den Rotor
überträgt bzw. mit den daraus resultierenden Ubersetzungsverhältnis die hydraulischen
oder pneumatischen und mechanischen Kräfte auf die Arbeits- oder Kraftwelle überträgt
bzw. übersetzt, nach einer Art Zahnradübersetzung, wobei der Stator als Zylinder
nach beiden Seiten mittels Verteilerplatten, Verteilerscheiben oder Zylinderdeckel
die die Ein- und Auslaßschlitze oder kanäle öffnen oder schließen, abschließen,
so daß eine kompakte Kraft- oder Arbeitsmaschine entsteht, bei der insbesondere
das unheimlich große Leistungsvolumen hervorgehoben werden muß. Eine Maschine mit
der Abmessung von 200 mm ß und einer Länge ohne Arbeitswellenstummel von 110 mm
hat ein Hubvolumen von 2 Liter bei einem mittleren Arbeitsdruck von 200 bar bei
einstufiger Ausführung.
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Ähnliche Kraft- oder Arbeitsmaschinen mit wankelnden Kolben sind bekant
und haben sich in der Praxis, weil sie kleiner und kompakter bauen, keine hin- und
hergehende Kolben haben und die Steuerung exakter und weniger anfällig ausgeführt
werden kann, bestend bewährt. Die VergrößerMng und Verkleineruns der Arbeitsräume
bei diesen Kraft- oder Arbqitsmaschinen mit
wankelnden Kolben oder
wankelnden und kreisenden Kolben, die ja die Vorläufer der neuartigen Ringkolben
sind, basieren entweder durch eine exzentrische Lagerung des Kolbens oder durch
ineinanderlaufen zweier oder mehrerer Rotore, Drehkolben, Schrauben oder Zahnräder
etc. Bei den Kreiskolbenmaschinen mit exzentrischer Lagerung des Kreiskolbens oder
durch neinanderlaufen zweier oder mehrerer Rotore etc. weicht die Dichtkante des
Kreiskolbens von der Kreisbahn ebenso ab, wie bei der Drehkolbenmaschine, weil der
Dichtspalt pneumatisch oder hydraulisch aufgespreizt wird und praktisch keine Möglichkeit
besteht den durch Fertigungstoleranzen, Wärmedehnung und Verschleiß bedingten Dichtspalt
zu verkleineren, so daß die Abdichtung überhaupt nicht oder nur ungenügend erfolgen
kann. Die seit einem Jahrzehnt bekannte Kraft- oder Arbeitsmaschine mit drehenden
Kolben in einem kugelförmigen Zylindergehäuse scheint diese vorhin genannten Nachteile
überwunden zu haben, aber die Praxis in den letzten Entwicklungsjahren hat gezeigt,
daß auch diese Bauart von Kraft- oder Arbeitsmaschinen ungemein viele Abdichtungsprobleme
mit sich bringen, für welche es keine Lösung gibt. Und zwar deswegen, weil die drei
rotierenden Teile (zwei Rotore und ein Drehkolben) kreuzgelenkartig miteinander
verbunden sind und im kugelförmigen Zylindergehäuse kinematisch überbestimmt (hyperstatisch)
gelagert sind, was die Lager verspannt und wegen den unvermeidlichen Wärmedehnungen,
Fertigungstoleranzen und auftretenden Spannungen und Kräfte durch Drücke das axiale
und radiale Spiel der Rotore und Kolben bei der Abdichtung zu derartigen Schwierigkeiten
führen, daß die Herstellung sehr teuer und die Lebensdauer und Einsatzmöglichkeit
sehr begrenzt ist. In den letzten jahren hat man versucht diese Probleme damit zu
lösen, daß man den Drehkolben in zwei Kolbenhälften teilt, die gegeneinander eine
axiale und radiale Verschiebung bei drehfester Verbindung zulassen, indem man sie
entweder u-förmig und klauenartig übereinanderschiebt, , und die Kräfte und Momente
direkt über das Kolbenpaket überträgt, oder zwischen den beiden Kolbenhälften eine
Mitnehmerscheibe anordnet und die Kräfte über die Planfläche der Mitnehmerscheibe
überträgt, sowie die Momente über Klauen des Drehkolbens oder Klauen direkt vom
Kolben, die in die Mitnehmerscheibe eingreifen und so als
Kupplungsscheibe
die radialen und axialen, durch Fertigungstoleranzen, Wärmedehnung und Versc-hleiß
bedingten Verschiebungen gewährleisten. Dadurch wird wohl die kinematisch überbestimmte
Lagerung aufgehoben und die Dichtspalte können sich nachsetzen, aber jetzt belasten
auch die Arbeitskräfte zusätzlich die axiale, translatorische, rotatorische Bewegung,
welche weder hydrodynamisch noch hydrostatisch entlastet werden kann, sondern mit
zusätzlichen hydrostatischen oder sonstigen Lagermäßigen Aufwand die axialen, mechanischen
Kraftübertragungskräfte entlastet werden müssen, damit sie nicht auf die Abdichtungsorgane
einwirken.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kraft- oder Arbeitsmaschine
zu entwickeln, bei der die beweglichen Teile (der Rotor und der Ringkolben) so ausgeführt
werden, daß der Rotor eine axiale Verschiebung zuläßt und der Ringkolben eine axiale
und radiale Verschiebung zuläßt und sich bei Abnützung, Wärmedehnung und Fertigungstoleranzen
sowie sonstigen Ungenauigkeiten sich durch Gasdruck oder Kräfte, ähnlich der Platte
beim Plattenventil, in die Dichtspalte nachsetzen können und diese dabei ohne zusätzliche
Wärmedehnungsringe etc. exakt abdichtet, so daß fertigungstechnisch und durch Verschleiß
und Wärmedehnung bedingte Toleranzen in der Lagerung des Rotors und des Kolbens
ohne Einfluß auf die Abdichtung der Arbeitsräume ausgeglichen werden können.
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Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß man den Rotor rotatorisch
mit einer axialen Verschiebbarkeit lagert und den Ringkolben, der vom Stator, mit
dem er drehstarr, aber ansonsten frei schwingend, pendelnd und wankelnd mechanisch
verbunden ist, lagert, damit der Ringkolben das vom Stator ufgenommene Moment über
das Ubersetzungsverhältnis in de Rotor hinein übertragen kann, und durch dieses
Moment die Dichtspalte angepreßt werden, so daß eine exakte Abdichtung erfolgt.
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Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß der Ringkolben
durch die Momentübertragung in die abzudichtenden Flächen hineingepreßt wird, mit
der Kraft mit dem der Druck in den Arbeitsräumen steigt und zwar durch die schiefe
Ebene
in der Trochoidenlaufbahn, die so gehalten wird mit der Zahnflankenbahn,
daß gerade eine vollkommene Abdichtung gewährleistet ist, aber die zulässige Reibkraft
auf den Gleitflächen nicht übersteigt. Ferner wird bei der Kraft- oder Arbeitsmaschine
nach der Erfindung weitgehend vermieden, daß rotatorische und translatorische Bewegungen
überlagert werden.
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Die Erfindungsgemäße Kraft- oder Arbeitsmaschine ist gegenüber Fertigungstoleranzen,
Wärmedehnung und Verschleiß unempSindlich und überdies wartungsfrei.
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Zur freischwingenden aber drehstarren Lagerung kann der Ringkolben
mittels einer festverbundenen Pleuelstange in einem Kollissenstein im Stator, frei
schwingen, oder mittels einer Aussenverzahnung am Ringkolben, die in eine Innenverzahnung
des Stators mittels einer radialen Zahnverschiebung eingreift.
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Vorteilhafte Ausführungen dieser Ausbildung der Erfindung sind durch
die Ansprüche 2 bis 8 gekennzeichnet.
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Bei einigen Ausführungen, bei denen weniger Wert auf die dynamische
Auswuchtung des Ringkolbens gelegt wird, ist der Ringkolben und die Verteilerscheibe
ohne Gegengewicht im Exzenter gelagert. Die Ansprüche 14 bis 16 der Erfindung kennzeichnen
größtmögliche Unabhängigkeit von Toleranzen und Verschleiß im Verteiler und des
Ringkolbens. In dieser Ausführung ist der Ringkolben und der Verteiler oder Verteilerscheibe
so ausgeführt, daß sie sich automatisch bei Wärmedehnung, Abnützung und sonstigen
Ungenauigkeiten in die Abdichtungsorgane nachsetzen können. Dabei entsteht bei hohen
Reibgeschwindigkeiten bei schnellaufenden Kraft- oder Arbeitsmaschinen das Problem
der schnellen Abnützung und geringen Lebensdauer. Für diese Maschinen wird die Verteilerscheibe
von der Welle angetrieben und vom Stator drehstarr, wie der Ringkolben, gehalten,
so daß die Verteiler scheibe keine rotatorische Bewegung erfährt, sondern eine um
einen Exzenter wnkelnde. Geeignete Ausführungen hierfür sind in den Ansprüchen 14
bis 16 beschrieben. Sofern Exzenter und Verteilerscheibe von der Arbeitswelle angetrieben
und gelagert wird, ist die maximale Reibgeschwindigkeit zwischen Ringkolben und
Verteilerscheibe so klein, daß sie nicht mehr beachtet werden
braucht.
Sie erfährt keine rotatorische, sondern eine kreisende Bewegung, wobei die Möglichkeit
erreicht wird in insbesonders günstiger Weise die Druck- und Saugschlitze herzustellen,
ohne daß dabei der geringste Schadraum durch Kanäle und Schlitze entsteht. Die plattenförmige
Ausführung der Verteilerplatte oder -scheibe ermöglicht es, sie als Halbfabrikate
zu fertigen.
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Maschinen mit Verteilerscheiben sind insbesondere für hohen Durchsatz
und bei zwei und mehrkolbigen Maschinen besteht die Möglichkeit der vollkommen dynamischen
Auswuchtung und ist für den Einsatz für große Drehzahlen geeignet. Toleranz- und
Verschleißunabhängigkeit wird noch verstärkt, wenn der Kolben, wie in Ansprüchen
9 bis 16 zum Stator hin eine Ubersetzung 8 bis 30:1 hat und die Verzahnungsexzentrizität
klein ist. Für größtmögliche volumetrische Leistung zweckmäßigste Ausführungsform
besteht darin, den Ringkolben zum Rotor und zum Stator eine große, möglichst gleichmäßige
Ubersetzung zu geben und die gegenseitigen Kraftübertragungskräfte zur Arbeitswelle
zur statischen Entlastung der Verformungskräfte des Ringkolbens heranzuziehen. Bei
zwei und mehrstufiger Ausführung der Maschine wird es zweckmäßig sein die Aussenseite
des Ringkolbens als Niederdruckstufe zu verwenden und die Innenseite des Kolbens
als Hochdruck stufe. Die Dichtung des Kolbens von der Hochdruckstufe zur Niederdruckstufe
geschieht dabei direkt anf der Verteilerplatte oder -scheibe, die die Wirkung einer
Gleitringdichtung aufnimmt.
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Ansprüche 14 bis 16. Die Verteilerplatte oder -scheibe ist einem Verschleiß
nur durch geringe Kräfte ausgesetzt, lveil die Anpreßkraft mit dem Druck im Arbeitsraum
steigt und dabei gezielt ein hydrodynamischer Auftrieb zur Wirkung kommt.
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Wegen Anlaufschwierigkeiten ist es notwendig, die Verteilerplatte
oder -scheibe federnd abzustützen. Bei Hochdrucdiaschinen kann es ebenso zweckmäßig
sein, den Zylinderdeckel oder Verteiler- oder Entlastungsscheibe einer Art Tellerfeder
vorzuspannen und über Druckentlastung die Dichtplatte auf einen gleichmäßigen Spalt
zu halten (bei kleinen Druch ist der Spalt größer und bei großen Druck kleiner),
so daß ein Anreiben des Kolbens oder des Rotors ausgesShlossen wird.
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Anspruch 8. Bei einer für hohe Drücke geeignete Ausführung ist die
Druckseite von der Verteiler scheibe nicht nach innen zur Arbeitswelle abgeleitet,
sondern nach aussen zum Stator hin, um den Rotor keinen zusätzlichen Axialschüben
auszusetzen.
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Zur Lagerung des Rotors werden Rollen oder Nadellager und für den
Ringkolben hydrodynamische und hydrostatische Mittel vorgesehen.Für einen Trockenläufer
ist der Ringkolben aus Kunstkohle im Metallverbund oder aus Sinterwerkstoffen mit
Selbst schmierung vorgesehen und auf dem Rotor auf der Innenseite eine zusätzliche
Gleitringdichtung, die mit einer Art Schleuderring die Arbeitsräume vollkommen schmiermittelfrei
hält. Das Gehäuse kann entweder als Glocke ausgeführt werden und den Stator integriert
haben oder aber auch als einzelne Funktionselemente mit Spann- oder Dehnschrauben
zusammengeschraubt werden.
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Kraft-oder Arbeitsmaschine ist in Form einer Schnittzeichnung als
Ausführungsbeispiel gargestellt.
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1 vorderes Gehäuse 2 Zylindergehäuse oder Gehäuserad 3 hinterer Gehäuseteil
4 vordere Lagerung 5 An- oder Abtreibswelle 6 hintere Lagerung 7 Verteiler oder
8 Verteiler scheibe 9 Rotor 10 Ringkolben 11 äussere Verzahnung 12 innere Verzahnung
13 Verstellring zur inneren Verdichtung 14 Exzenter 15 Gleitringdichtung r Das Gehäuse
ist aus den Teilen 1, 2 und 3 zusammengesetzt.
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In den Teil 3 sitzt die vordere Lagerung 4 der Arbeitswelle 5, und
im Teil 1 sitzt die hintere Lagerung 6 der Arbeitswelle 5 in die ein Drehmoment
eingebracht wird oder abgenommen wird.
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Zwischen Teil 3 und 2 sitzt der Zylinderdeckel oder Verteiler oder
Verteilerscheibe die die Arbeitsräume von der Lagerung 4 trennt. Zwischen Teil 1
und 2 kann wiederum je nach Ausführung ebenfalls ein Zylinderdeckel eine Verteilerplatte
oder
Verteilerscheibe sitzen, der wiederum die Arbeitsräume von
der Lagerung 6 trennt. Die Saug- und Druckstutzen können direkt von der Verteilerplatte
nach aussen geführt werden, oder aber sie werden auf den Teil 1 oder 2 oder 3 umgeleitet
und dort nach aussen geführt. In. diesen Gehäuseteilen 1, 2 und 3, sowie 7 und 8
sitzt in den Lagern 4 und 6 die Arbeitswelle oder Kraftwelle 5 mit der der Rotor
9 entweder axial verschiebbar, drehfest verbunden ist oder einstöckig damit ausgeführt
ist und die Arbeitswelle in der Lagerung axial verschiebbar gelagert ist. Der Ringkolben
10 der erfindungsgemäßen Kraft- oder Arbeitsmaschine besteht in den dargestellten
Fall aus einer Aussenverzahnung 11 und einer Innenverzahnung 12 und ist planparallel
ausgeführt. Die Aussen- und Innenverzahnung ist derart kongruent ausgeführt, daß
sie ihrerseits genau ineinander passen, oder über die Rotorverzahnung oder pleuelartige
Verbindung über eine Kollisse mit dem Rotor drehfest oder mit einen anderen Ubersetzungsverhältnis
verbunden ist.
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Er kann auch mittels Bohrungen und Bolzen deren Bohrungsdurchmesser
dem Bolzendurchmesser plus der Exzentrizität der Rotorverzahnung entspricht, mit
dem Stator drehstarr aber radial wankelnd verschiebbar verbunden sein. Dieser Ringkolben
ist zwischen dem Rotor und dem Stator exzentrisch, wankelnd gelagert, dern Wert
der Exzentrizität der Evolvente des Rotors und der Trochoide entspricht. Die Abdichtung
zwischen der Verzahnung erfolgt durch Aufeinanderpressen der Zahnflanken auf alle
zwei Eckpunkte von der Druck- zur Saugseite hin. Ausserdem kann sie durch auf den
Wandungen abgelagert Schmier- oder Kondensatfilm verbessert werden. Die Abdichtung
des Ringkolbens und Rotors zur Verteilerplatte oder -scheibe oder Zylinderdeckel
erfolgt durch Druckausgleich in der Verteilerplatte, -Scheibe oder Zylinderdeckel.
Mit steigenden Arbeitsdruck steigt die Anpreßkraft genau in dem Maß, indem die Dichtspalte
aufgespreizt werden, so daß dieser geringe Verschleiß (kein rotierender Drehschieber
mehr) durch das automatische Nachsetzen mit praktisch unbegrenzter Lebensdauer ausgeglichen
wird. Durch die Möglichkeit die Verdrängerorgane der neuen Ringkolben Kraft- oder
Arbeitsmaschine so auszuführen, daß sich der Verteiler oder Zylinderdeckel etc.
und die Zahnflanken bei Abnützung, Wärmedehnung, Fertigungstoleranzen und sonstigen
Ungenauigkeiten in die Dichtspalte durch Druck bzw. Kräfte automatisch nachsetzen,
ist
der gesamten Kraft- und Arbeitsmaschinenindustrie die Möglichkeit
gegeben, Brennkraftmaschinen, Dampfkraftmaschi nen, Wärmepumpen, Kompressoren, Kältekompressoren,
Druckluftmotore, Hydromotore, Pumpen usw. in Kompaktbauweise mit der 10 fachen Leistung
bei gleicher Baugröße zum Vergleich herkömlicher Maschinen, mit fast unbegrenzter
Lebensdauer herzustellen.