DE4300410A1

DE4300410A1 - Rotationskraft- und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE4300410A1
Application number: DE19934300410
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Dr Koch Investment und Beteiligung Holding Sa
Priority date: 1993-01-09
Filing date: 1993-01-09
Publication date: 1994-07-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskraft- und Arbeitsma schine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotations kraft- und Arbeitsmaschine derart auszugestalten, daß neben gutem Massenausgleich, einer günstigen Formgebung und einer guten Abdichtung der Arbeitsräume in der Ringkammer (7) ein einfacher Aufbau der Maschine gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen dargelegt.

Bekannterweise basieren die heute am meisten verbreiteten Kraft- und Arbeitsmaschinen auf dem Kurbeltrieb, wobei man nicht die Bedeutung der Strömungsmaschinen übersehen darf.

Derartige Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Hubkolben sind aus dem DE-Fachbuch "Dubbels Taschenbuch für Maschinenbau", Band II, ersichtlich.

Das Kurbelgetriebe, das in Europa seit dem 14. Jahrhundert bekannt war, wurde bereits lange vor der Erfindung der heu tigen Kolbenkraftmaschinen als Bestandteil von Arbeitsma schinen genutzt.

Die Umkehrung dessen, die Anwendung Pleuelstangenkurbelmecha nismus zur Umwandlung der diskontinuierlichen translatorischen Bewegung bei diskontinuierlich wirkenden Kraftmaschinen in eine gleichförmige Drehbewegung und umgekehrt, hielten viele Techniker lange für unmöglich.

Zu einer brauchbaren Lösung kam es erst mit der Anwendung des Schwungrades als Energiespeicher, wie es praktisch heute bei allen Hubkolbenmaschinen, z. B. seit 115 Jahren bei Otto motoren und seit über 95 Jahren bei Dieselmotoren genutzt wird.

Trotz perfekter Anwendung dieses Schwungrades ist aber ein Hauptnachteil dieser Kolbenkraftmaschinen geblieben, der auf den Nachteilen des Kurbeltriebes mit seinen hin- und hergehen den Massen, der Kolben und Pleuel beruht, die durch nichts zu beseitigen sind.

Aus der Beziehung:

sind die energiezehrenden Einflüsse dieser oxzillierenden Massen zu erkennen.

Es sind hierbei:
m_oI = Masse des Kolbens und des Pleuels
m_oII = Masse der Pleuel
Fmo = Gesamtmassenkraft
mo = Oszillierende Masse
r = Kurbelradius
= Winkelgeschwindigkeit
α = Kurbelwinkel
δp = Pleuelstangenverhältnis

Diese oszillierenden Kräfte der Kurbelmaschinen ergeben an den Totpunkten, an denen die Kolben- und Pleuelmassen jeweils von der maximalen Geschwindigkeit bis zum Stillstand verzögert bzw. vom Stillstand auf die maximale Geschwindigkeit beschleu nigt werden müssen, große Antriebsverluste.

Obwohl diese kraftzehrenden Stöße durch die Schwungmasse aus geglichen werden, ergeben sich jedoch bekannterweise dadurch erhebliche Verluste, die den Wirkungsgrad erheblich verringern.

Als Konkurrent der Kolbenkraftmaschinen entstand mit der Ro tationsexpansionsmaschine von Wankel (S. G 8517838.1) eine Kraft- und Arbeitsmaschine, die mit völligen Massenausgleich aufgrund rotierender Bauteile, Vorteile gegenüber den Hub kolbenmaschinen aufweisen konnte.

Trotz der erreichten hohen Drehzahlen und der relativ kleinen spezifischen Bauweise konnte sich dieses Konzept nicht ge genüber den Kolbenkraftmaschinen durchsetzen.

Die Hauptnachteile der Kolbenkraftmaschinen - wegen der oszi llierenden Massen, und die der Rotationsexpansionsmaschine von Wankel - wegen des ungünstigeren thermischen Wirkungsgra des -, werden durch die erfindungsgemäße Gestaltung einer Rotationskraft- und Arbeitsmaschine vermieden.

Eine derartige Rotationskraftmaschine als Brennkraftmaschine ist bereits als Patentanmeldung P 4200 146.3-13 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Rotations kraft- und Arbeitsmaschine ausgebildete Kraft- und Arbeitsma schine derart auszugestalten, daß neben einem guten Massen ausgleich, einer günstigen Formgebung und guten Abdichtung der Arbeitsräume ein einfacher Aufbau der Maschine gegeben ist.

Durch die in der Ringkammer (7) umlaufende, auf dem Rotor (2) befestigten Schaufel (3) und der synchron durch die Ring kammer (7) laufenden Sperrscheibe (4), sind nur rotierende und voll ausgleichbare Massen am Bewegungsablauf beteiligt.

(Ausnahme : Ventile)

Durch die Schaufel (3), Rotor (2) und die Sperrscheibe (4) werden Arbeitsräume gebildet, die vergleichbar sind mit den zylindrischen Räumen der Hubkolbenmaschine und die dem sichel förmigen Arbeitsraum der Rotationsexpansionsmaschine von Wankel überlegen sind.

Ausgehend von einer erfindungsgemäßen Rotationskraft- und Arbeitsmaschine ergeben sich gegenüber der Hubkolben- und Rotationskolbenmaschine zusammenfassend folgende Vorteile:

a) keine Verluste durch oszillierende Massen durch Gestaltung mit rotationssymmetrischen Bauteilen mit absolutem Massenausgleich.
b) Einfach abzudichtende Arbeitsräume durch Dichtringe an Rotor, Schaufel und Sperrscheibe.
c) Freizügigkeit bei der thermodynamischen Gestaltung der günstigsten Form des Arbeitsraumes (Verhältnis des mittle ren Ringkammerdurchmessers zum Querschnitt des Arbeits raumes.)
d) Einfacher, billiger Aufbau mit sehr guten Masse-Leitungs verhältnissen.
e) Durch Anordnung gemäß Punkten a) bis e) geringere Verluste bei der Energieumsetzung, geringere Anschaffungskosten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Rotationskraft- und arbeitsmaschine in Vorderansicht.

Fig. 2 ein Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeits maschine in Seitenansicht.

Liste der Bauteile

1 Antriebswelle
2 Rotor
3 Schaufel
4 Sperrscheibe
5 Sperrscheibenwelle
6 Schaufeltor
7 Ringkammer
8 Einlaßöffnung, -ventil
9 Auslaßöffnung, -ventil
10 Gestell
11 Kühler für Sperrscheibe
D = Dichtungen
L = Lager.

A Funktionsablauf/Kompressor Bei Antrieb der Antriebswelle (1) (z. B. Elektro-Motor)

Nachdem die Schaufel (3) das Schaufeltor (6) passiert hat und die Sperrscheibe (4) die Ringkammer (7) vollständig abge teilt hat, wird wegen der sich zwischen Vorderseite der Schau fel (3) und Sperrscheibe (4) ergebenden Volumenänderung im Arbeitsraum der Ringkammer (7) ein Unterdruck erzeugt, durch den über Einlaßöffnung, -ventil (8) Gas/Arbeitsmittel ange saugt wird.

Das bereits zwischen Rückseite der Schaufel (3) und Sperr scheibe (4) befindliche Gas wird dabei verdichtet und über Auslaßöffnung, -ventil (9) aus dem Arbeitsraum verdrängt und dabei komprimiert = Kompressor.

B Funktionsablauf/Kraftmaschine

Nachdem die Schaufel (3) das Schaufeltor (7) passiert hat und die Sperrscheibe (4) die Ringkammer (6) vollständig abge teilt hat, wird über die Einlaßöffnung, -ventil (8) in dem Arbeitsraum der Ringkammer (8) zwischen Schaufel (3) und Sperrscheibe (4) Dampf oder komprimiertes Gas/Arbeitsmittel eingeleitet.

Durch die Ausdehnung/Entspannung dieser Arbeitsmittel wird Druck auf die Schaufel (3) ausgeübt, wodurch dieser über den Rotor (2) und die Antriebswelle (1) Arbeit leistet. Das entspannte Gas/Dampf/Arbeitsmittel wird nach Arbeitsablauf über Auslaßventil, -öffnung (9) aus der Ringkammer (6) entlassen.

Claims

1. Rotationskraft und Arbeitsmaschine, bei der sich eine auf einem Rotor (2) befestigte Schaufel (3) in einer der Form der Schaufel (3) entsprechenden Ringkammer (7) bewegt, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ringkammer (7) an einer Stelle des Um fanges durch eine sich in synchroner Drehzahl wie Rotor (2) drehende Sperrscheibe (4) unterteilt wird, die einen Durchlaß als Schaufeltor (6) für die Schaufel (3) hat, wobei sich die zwischen Vorder- und Rückseite der Schaufel (3) und der Sperr scheibe (4) in der Ringkammer (7) befindlichen Gasvolumina kontinuierlich vergrößern bzw. verkleinern, d. h. verdichtet oder entspannt werden im Zusammenwirken von Einlaßventil, -öff nung (8) und Auslaßventil, -öffnung (9), wobei bei Antrieb über Antriebswelle (1) daß von der Schaufel (3) über das Auslaßventil, -öffnung (9) in die Ringkammer (7) eingetretene Gas/Arbeitsmittel im Verdichtungsraum komprimiert wird - gleich Kompressor, oder bei Antrieb über in die Einlaßventilöffnung (8) einströmende, komprimierte Gase oder Dämpfe, die sich in der Ringkammer (7) entspannen und dabei Druck auf die Schaufel (3) ausüben, welche dadurch über den Rotor (2) die Welle (1) antreibt und somit Arbeit leistet - gleich Expansionskraftmaschine.

2. Rotationskraft- u. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein geringstmöglich schädlicher Raum zwi schen Schaufel (3) und der Sperrscheibe (4) durch die Schräg stellung der Schaufel (3) auf dem Rotor (2) entsteht.

3. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (3) über Kühl kanäle, die in der Antriebswelle (1) und im Rotor (2) liegen, gekühlt werden.

4. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrscheibe (4) in synchroner Drehzahl mit der Antriebswelle (1) umläuft.

5. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der Ansprü che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrscheibe (4) mittels Dichtleisten (D) gegenüber der Ringkammer (7) abge dichtet ist.

6. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschei be (4) am Umfang Dichtringe (D) trägt, die eine Abdichtung zwischen Sperrscheibe (4) und der Mantellinie des Rotors (2) gewährleistet.

7. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der An sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (3) auf dem Umfang Dichtleisten trägt zur Abdichtung gegenüber der Ringkammer (7).

8. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der An sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Einlaßöffnung (8) eintretenden Gase oder Dämpfe (Arbeits mittel) durch die Schaufel (3) über das Auslaßventil (9) im Verdichtungsraum verdichtet wird.

9. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der An sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrscheibe (4) einen der Schneckenradverzahnung entsprechenden Durch laß, dem Schaufeltor (6) hat, durch welches die berührungs freie Passage der Schaufel (3) bei minimalem Druckverlust ge währleistet wird, wobei die schräg gestellte Schaufel (3) der Schnecke und das Schaufeltor (6) dem Schneckenrad ent spricht.

10. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeits mittelzuleitung eine Steuerung vorgesehen ist, mit welcher der Zufluß des Arbeitsmittels über das/die Einlaßventil, -öffnung (8) geregelt wird.

11. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der An sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeits mittelzu- und -ableitung eine Steuerung vorgesehen ist, mit der die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels umgekehrt wer den kann, d. h. Drehrichtungsänderung der Antriebswelle.