DE3041606C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Eine Drehkolbenmaschine dieser Gattung ist aus der deut­ schen Patentschrift 4 83 359 bekannt. Bei dieser Lösung gestaltet sich jedoch die Zufuhr des Arbeitsmittels bei mehrkolbigen Maschinen sehr aufwendig. Jede Arbeitskammer ist mit separaten Ein- und Auslaßöffnungen versehen, zu denen das Arbeitsmittel jeweils hingeleitet werden muß. Damit sind aufwendige, die Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen verbindende Kanalsysteme notwendig, welche Konstruktion und Betrieb der betreffenden Drehkolbenmotoren aufwendig gestalten. Auch sind die anfallenden Wartungsarbeiten um­ ständlich ausführbar. Um beispielsweise in der Kammer Re­ paraturarbeiten zum Auswechseln der Drehkolben durchführen zu können, müßten die betreffenden Kanäle entfernt werden.

Aus der CH-PS 4 33 861 ist eine Drehkolbenmaschine mit ei­ nem Arbeitskörper bekannt, bei dem zwei Verdichterkörper zusammenwirken. Auch hier muß das Arbeitsmedium zu zwei verschiedenen Verdichterrädern über unterschiedliche Wege geführt werden. Die Beschickung ist also außerordentlich umständlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehkol­ benmotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs bezeichne­ ten Art insbesondere für den Gasbetrieb mit einem Gemisch aus Kohlenstaub und Luft derart weiterzubilden, daß das Gemisch auf einfache Weise mehreren Motoreinheiten gleich­ zeitig zugeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen gemäß kennzeichnendem Teil des Patentanspruchs gelöst.

Auf diese Weise wird erreicht, daß sich durch ein Verdichterrad mit einer einheitlichen Zufuhr des Arbeitsmittels sogar mehrere Arbeitskolben - entsprechend höherer Leistungsab­ gabe - mit dem Arbeitsmittel versorgen lassen. Es ist insbesondere bei der Zufuhr von Feststoffe enthaltenden Gasen - wie Kohlenstaub - von Vorteil, da in diesem Fall gerade die für das Arbeitsmittel verwendeten Transportwege entscheidend für eine günstige Konstruktion der Drehkol­ benmaschine sind.

Bei dem wegen zunehmender Kosten für flüssige Brennstoffe bestehenden Bedarf, neben diesen oder statt dieser auch zu Staub zerkleinerte Feststoffe zu benutzen, können nunmehr in günstiger Weise mit einem mehrkammrigen Motor auch Steinkohle, Koks, Anthrazit, Braunkohle, Torf, Holz, Ro­ dungsabfälle, bis hin zu Ernterückständen und -überschüs­ sen oder sonstige zu Staub verarbeitbare, brennbare Stoffe in einem Verbrennungsmotor in mechanische Energie umge­ setzt werden.

Der mehrere Drehkolbenanordnungen versorgende Schieber befindet sich (eventuell zusammen mit weiteren Schiebern) an einem Rad (Schieberrad), insbesondere wie in Flügel an einem Flügelrad, so daß sich eine Konfiguration ergibt, bei der sich dieses Schieberrad räumlich überschneidet mit dem ringförmigen Hohlraum bzw. Hohlräumen, die um die Nabe des Schaufelrades angeordnet sind und mehrere Expansions­ kammern bilden. Bei einem Flügelrad als Schieberrad greift dessen Umfangskreis in einen Umfangskreis des Schaufelra­ des wie ein Glied einer Kette in ein anderes. Dabei dient der Schieber des Schieberrades, der als Flügel eines Flü­ gelrades ausgebildet ist und dessen Flügelflächen einen überwiegend axial gerichteten Flächenvektor aufweisen, zum Abdichten der Expansionskammer und es kann durch ihn die Zuführung des Gas-Staub-Gemisches, beispielsweise eines Kohlenstaub-Luft-Gemisches erfolgen mit Hilfe von Kanälen, die im Flügelrad vorgesehen sind. Das Schaufelrad hinge­ gen, dessen Schaufeln einen in Umfangsrichtung gerichteten Flächenvektor aufweisen, ist für die Volumenänderung des Expansionsraumes, inbesondere Verbrennungsraumes ver­ antwortlich.

Durch die Anordnung mehrerer Expansionskammern in einem Motor wird ein sehr ruhiger Lauf des Motors erzielt.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Motors ergibt sich - gegenüber herkömmlichen Kolben- bzw. Rotationskol­ benmotoren - der Vorteil, daß eine spanabhebende Bear­ beitung entbehrlich und eine kostengünstige Produktion möglich ist, wenn tiefgezogene Blechteile verwendet wer­ den, die durch kastenförmige Gestaltung eine große Stabi­ lität bei kleinen bewegten Massen zulassen. Der Motorblock kann aber - entsprechend einer anderen bevorzugten Ausfüh­ rungsform - auch in Form einer Wanne aus Großmaterial her­ gestellt sein, welche Ausnehmungen aufweist, in welche die Schaufelräder eingesetzt sind.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert und es werden Ausführungsbeispiele prinzipiell beschrie­ ben. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes, einfaches Ausführungsbeispiel als Teil des Mehrkammersystems gemäß Fig. 3,

Fig. 2 schematisiert den zugeordneten Bewegungsablauf,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel in vollständiger Dar­ stellung sowie

Fig. 4 eine Abwandlung zu Fig. 3.

In Fig. 1 liegt in Richtung einer Schaufelradachse A-A eine Welle 0 eines Schaufelrades 1 mit einer Schaufelrad­ nabe 11 und vier Schaufeln 12, 13, 14 und 15. Dieses Schaufelrad 1 ist drehbar gelagert innerhalb eines Gehäu­ ses 2 mit einer oberen und unteren Wand 20 bzw. 21 und Um­ fangsteilen 22 a und 22 b. Von zwei Ausnehmungen im Gehäuse dient eine als Durchschlagsbereich 23 für einen Schieber 5 und die andere als Öffnung 24 zum Herausführen von festen Rückständen aus einer Expansionskammer 4.

Flächenteile des Gehäuseoberteils 25, der gewölbten Ge­ häuseinnenwand 26, des Gehäuseunterteils 21 und der Schau­ felradnabe 11 und dazu ein Oberflächenteil (beispiels­ weise 121) einer der Schaufeln (beispielsweise 12) bilden fünf Begrenzungsflächen des sechswandigen Expansionsrau­ mes. Letzterer ist abgeschlossen durch eine Fläche 511 eines Schiebers 5, der zu einem lediglich durch eine Achse B-B angedeuteten Schieberrad in Gestalt eines Flügelrades gehört, dessen Flügel durch Schieber 5, 6 (und zwei weite­ re nicht dargestellte) gebildet werden. Die Achse B-B des Schieberrades verläuft bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ebenso senkrecht zur Schaufelradachse A-A wie Anlagenflächen 231, 232, 233, welche die Verschlußseite der Expansionskammer 4 bilden.

Das Schaufelrad 1 ist mit dem Schieberrad derart verbun­ den, daß beide zwangsläufig vorbestimmte Stellungen zuein­ ander einnehmen, wie es in einer möglchen Ausführungsform in Fig. 3 dargestellt und weiter unten näher beschrieben ist.

So wird erreicht, daß zu dem Zeitpunkt, da (beispiels­ weise) die Schaufel 12 den Durchlaßbereich 23 entgegen dem Uhrzeigersinn verläßt, der an einem angedeuteten Flügel 51 befestigte Schieber 5 die Flächenteile 231, 232 und 233 (hier von oben her) zu bedecken und so den Expansionsraum 4 zwischen der Schaufel 12 und dem Schieber 5 abzu­ schließen beginnt. Ist der vollständige Abschluß erfolgt, so strömt unter Druck ein Staub-Luft-Gemisch durch einen Kanal 52 und eine Ausnehmung im Schieber 5, welche einer Ausnehmung 63 im Schieber 6 entspricht, die dort durch ei­ nen Durchbruch 64 in einer Kanalwand 65 zu sehen ist. Das Gemisch strömt in die Expansionskammer 4, um dort zu vor­ gegebener Zeit in an sich bekannter Weise zur Explosion gebracht zu werden.

In dem Maße, wie der Flügel 12 dem Explosionsdruck folgt, setzt auch der Schieber 5 seinen Weg nach unten fort, wo­ bei er den Expansionsraum 4 bis zum Ende der Expansion ge­ schlossen hält. Danach gibt der Schieber 5 die Verschluß­ seite der Expansionskammer 4 zur Gänze frei, so daß eine weitere Schaufel 13 den Durchlaßbereich 23 passieren kann, bevor ein (nicht gezeichneter) weiterer Schieber in den Durchlaßbereich eintritt.

Die Kanäle 52, 62 in den Flügelarmen 51, 61 führen zur Nabe des Schieberrades. Von diesem aus kann der Zugang zu den Kanälen 52, 62 usw. intermittierend freigegeben wer­ den.

Es ist unschwer zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung vorteilhaft auch dann Verwendung finden kann, wenn die Ex­ plosion an einem dem Schieberrad vorgeordneten Orte (in Strömungsrichtung gesehen) oder in seinem Inneren statt­ findet und lediglich Explosionsgase auf dem oben beschrie­ benen Wege der Expansionskammer 4 zugeleitet werden.

In Fig. 2 ist in verschiedenen Phasen a bis f noch einmal der Arbeitsablauf verdeutlicht. Jeweils rechts ist ein Schnitt durch die Expansionskammer 4 von Fig. 1 senkrecht zur Achse A-A dargestellt. Jeweils links ist eine Ansicht gezeigt auf die Verschlußseite der Expansionskammer 4, vor welcher der Schieber 5 von oben nach unten im Verlaufe der Phasen a bis f vorbeiläuft. Dabei sind jeweils die glei­ chen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.

Fig. 2a zeigt, wie der Schieber 5 mit einem Fenster 53 für die Zuführung des Gas-Staub-Gemisches sich von oben her vor die Verschlußseite, also den Kammerzugang zur Ex­ pansionskammer 4 schiebt. In der Phase b gelangt das Fen­ ster 53 vor die Expansionskammer 4, so daß die Beschickung mit dem Gas-Staub-Gemisch beginnen kann. In der Phase c wird die Beschichung beendet. Im rechten Bild ist die Füllung der Expansionskammer mit komprimiertem Gas-Staub- Gemisch punktiert angedeutet. In der Phase d ist die Ex­ pansionskammer 4 nach dem Vorbeilaufen des Fensters 53 wieder völlig verschlossen, so daß jetzt durch eine Flam­ me, Zündkerze, einen Glühkopf oder ähnliche Vorrichtung, die bzw. der an der unterbrochenen Linie 7 angeordnet ist, die Explosion des Gemisches herbeigeführt werden kann. In der Phase e schwenkt der Schieber 5 nach dem Ende der Explosion nach unten von dem Zugang zur Expansionskammer 4 weg und gibt diese in der Phase f völlig frei, so daß die nächste Schaufel 13 in die Expansionskammer 4 gelangen kann.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeisiel dargestellt, bei dem ein einziges Schieberrad mit Schiebern 5, 6, 8, 9 mehreren Gehäusen 2, 2 a, 2 b, 2 c zugeordnet ist, die um das gemeinsame Schieberrad herum angeordnet sind mit Schaufel­ radachsen, die in der Drehebene des Schieberrades liegen. Das Schieberrad ist gezeigt in der Phase der Beschickung der jeweiligen Expansionskammer mit einem Staub-Luft-Ge­ misch. Die Beschickung erfolgt u. a. durch Kanäle 52, 62. Diese fluchten im Betrieb mit Kanälen in einer feststehen­ den Misch- und Verteilertrommel 16. Zwei der darin befind­ lichen Kanäle 161 und 162 sind in der abgenommenen dargestell­ ten Misch- und Verteilertrommel 16 sichtbar. Diese Kanäle 161 und 162 sind den Kanälen in den Schiebern 8 und 9 zu­ geordnet. Da die Misch- und Verteilertrommel 16 feststeht, während sich das Schieberrad dreht, gelangt nur dann Ge­ misch in die Kanäle 52, 62 usw., wenn diese mit den Kanä­ len in der Misch- und Verteilertrommel 16 fluchten. Zu dem Schieberrad gehört eine hohle Nabe 16 und eine Welle 18, über welche das Schieberrad von den Schaufelrädern in den Gehäusen 2, 2 a, 2 b und 2 c angetrieben werden kann.

Eine derartige Antriebsverbindung zwischen Schieberrad und Schaufelrädern ist für das Schaufelrad 2 b in Fig. 3 in Form von Zahnrädern 19 bis 19 c dargestellt. Dabei ist ein erstes Kegelrad 19 konzentrisch mit dem Schaufelrad 2 b verbunden und wird auf ein weiteres Kegelrad 19 a, welches über eine Welle 19 d mit dem weiteren Kegelrad 19 b verbun­ den ist, welches seinerseits auf das auf der Welle 18 an­ geordnete Zahnrad 19 c wirkt. Durch eine geeignete Wahl der Übersetzungen läßt sich die Winkelgeschwindigkeit des Schieberrades an die zur Beschickung und Entsorgung der Schaufelräder 2 bis 2 b notwendige Winkelgeschwindigkeit anpassen.

In Fig. 4 ist stark schematisiert eine Anordnung gezeigt, bei der wiederum wie in Fig. 3 für mehrere Gehäuse 2, 2 a, 2 b, 2 c ein gemeinsames Schieberrad vorgesehen ist, jedoch mit einer von der Gehäuseanzahl abweichenden Anzahl von Schiebern I bis V. Dadurch wird erreicht, daß die Expan­ sionskammern in den Gehäusen nicht alle gleichzeitig wie in Fig. 3, sondern zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Gemisch beschickt werden und dementsprechend auch die Ex­ pansionen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen. Da­ durch wird ein vergleichmäßigter Verlauf der Kraftmaschine erreicht. In der dargestellten Lage verläßt gerade der Schieber I nach erfolgter Expansion des Gemisches in einer Expansionskammer das Gehäuse 2 c. Der Schieber II hat die Beschickung der Expansionskammer im Gehäuse 2 beendet, so daß die Expansion eingeleitet werden kann. Der Schieber III beginnt mit der Beschickung der Expansionskammer im Gehäuse 2 a. Die Schieber IV und V lassen gerade eine Schaufel des Schaufelrades in dem Gehäuse 2 b passieren.

Auf diese Weise kann es innerhalb einer Umdrehung des Schieberrades zu insgesamt zwanzig Explosionen in den Expansionskammern der vier Gehäuse kommen. Mit einem anders ausgelegten Schieberrad und einer anderen Gehäuse­ zahl lassen sich gegebenenfalls noch häufigere Explosionen pro Schieberradumlauf erreichen.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß auch eine umgekehrte Zu­ ordnung eines einzigen Gehäuses 2 zu mehreren Schieberrä­ dern möglich ist, wenn nämlich die Öffnung 24 als Durch­ laßbereich für ein weiteres Schieberrad genützt wird, so daß dann zwischen diesem Durchlaßbereich 24 und der Schau­ fel 13 eine weitere Expansionskammer entsteht. Auch hier kann ein ruhigerer Lauf dadurch erzielt werden, daß die Anzahl der Schieber eines Schieberrades abweicht von der Anzahl der Expansionskammern im zugehörigen Gehäuse 2.

Aus Fig. 1 ist ebenso ersichtlich, daß die Drehebene des Schieberrades nicht unbedingt parallel verlaufen muß zur Schaufelradachse A-A, sondern auch leicht geneigt dazu sein kann. Entsprechendes gilt für die Schaufel. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, daß der obere Teil der Schaufel 12 schon früher in die Expansionskammer 4 eintaucht als der untere Teil, um dem Schieber 5 einen früheren Beginn des Verschließens der Verschlußseite der Expansionskammer 4 zu ermöglichen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. So kann beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse eine Anzahl von Expansionskammern in Richtung der Schaufelrad­ achse A-A übereinander angeordnet sein. Zur Verlängerung des Verschleißes durch die Berührung des Schiebers 5 mit den Flächen 231, 232 und 233 kann der Schieber 5 von der abseits der Bahn der Schaufeln liegenden, dargestellten Position zunächst in einem geringen Abstand von den Flä­ chen 231, 232, 233 in den Durchlaßbereich 23 geschwenkt und erst dort an diese Flächen angepaßt werden, solange wie der Beschickungsvorgang und die Expansion dauern.

Claims (1)

1. Drehkolbenmotor für Gasbetrieb mit einem Gehäuse (2) und einem darin drehbaren und ein Drehmoment übertragenden, mehrere Schaufeln (12) aufweisenden Schaufelrad (1), wobei jede Schaufel eine bewegliche Wandung einer im Gehäuse an­ geordneten Kammer (4) mit veränderlichem Volumen bildet, die gegen deren feststehende Wandung abgedichtet ist, und wobei die mit Ein- und Auslaßöffnungen verbundene Kammer an ihrer entgegen der Bewegungsrichtung der Schaufel lie­ genden Verschlußseite durch koordiniert mit der Schaufel­ raddrehung gesteuerte Schieber (5) verschließbar ist, wel­ che an einem sich um eine querliegende Achse drehenden Schieberrad befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßöffnung (53, 63) ein Druckgas intermittie­ rend von einer Nabe des Schieberrades aus durch innerhalb der Schieber (5, 6) vorgesehene Kanäle (52, 62) hindurch zugeführt wird und daß einem Schieberrad mehrere Gehäuse­ einheiten mit je einem Schaufelrad zugeordnet sind.