DE4305342A1

DE4305342A1 - Rotationskraft- und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE4305342A1
Application number: DE19934305342
Authority: DE
Original assignee: Klemm Gerhard Wilhelm
Current assignee: DR. KOCH INVESTMENT UND BETEILIGUNG HOLDING S.A.,
Priority date: 1993-01-09
Filing date: 1993-02-20
Publication date: 1994-09-22

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 bei niedrigen Drehzahlen der Antriebswelle (1) 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 heuti gen Kolbenkraftmaschinen als Bestandteil von Arbeitsmaschi nen genutzt.

Die Umkehrung dessen, die Anwendung des Pleuelstangenkurbel mechanismus zur Umwandlung der diskontinuierlichen transla torischen Bewegung bei diskontinuierlich wirkenden Kraft maschinen 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:

Fmo = m_oI · r · ² · cosα - m_oII · r · ² · λρ · cos2α ER NB=1<sind die energiezehrenden Einflüsse dieser oszillierenden Massen zu erkennen.

Es sind hierbei:
moI = Masse des Kolbens und des Pleuels
moII = Masse der Pleuel
Fmo = Gesamtmassenkraft
mo = Oszillierende Masse
r = Kurbelradius
= Winkelgeschwindigkeit
α = Kurbelwinkel
λρ = 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 Rotationsexpansionsmaschine von Wankel (S. G 8517838.1) eine Kraft- und Arbeitsmaschine, die mit völligen Massenausgleich aufgrund rotierender Bauteile, Vorteile gegenüber den Hubkol benmaschinen aufweisen konnte.

Trotz der erreichten hohen -Drehzahlen und der relativ klei nen spezifischen Bauweise konnte sich dieses Konzept nicht gegenüber den Kolbenkraftmaschinen durchsetzen.

Die Hauptnachteile der Kolbenkraftmaschinen - wegen der oszillierenden Massen, und die der Rotationsexpansionsmaschi ne von Wankel - wegen des ungünstigeren thermischen Wirkungs grades, werden durch die erfindungsgemäße Gestaltung einer Rotationskraft- und Arbeitsmaschine vermieden.

Für eine derartige Rotationskraft- und Arbeitsmaschine als Brennkraftmaschine wurde bereits ein Patent Nr. 4200 146 erteilt.

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 bei niedrigen Drehzahlen gegeben ist.

Durch die in der Ringkammer (7) umlaufende, auf dem Rotor (2) befestigten Schaufel (3) sind nur rotierende und voll ausgleich bare Massen am Bewegungsablauf beteiligt. (Ausnahme: Ventile (8 u. 9) und Schieber (4) mit Steuerung (S).

Durch die Schaufel (3), Rotor (2) und den. Schieber (4) werden Arbeitsräume gebildet, die vergleichbar sind mit den zylin drischen Räumen der Hubkolbenmaschine, die dem sichelförmi gen 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 (D) an Rotor (2) und Schaufel (3) und Schieber (4).
c) Freizügigkeit bei der thermodynamischen und strömungs technischen Gestaltung der günstigsten Form des Arbeitsrau mes (Verhältnis des mittleren Ringkammerdurchmessers zum Querschnitt des Arbeitsraumes).
d) Einfacher, billiger Aufbau mit sehr guten Masse-Leitungs verhältnissen.
e) Durch Anordnung gemäß Punkten a) bis d) geringere Druck verluste bei günstigem Energieeinsatz, geringere Anschaf fungskosten.

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.

Bezugszeichenliste

1 Antriebswelle
2 Rotor
3 Schaufel
4 Schieber
6 Schaufeltor
7 Ringkammer
8 Einlaßöffnung, -ventil
9 Auslaßöffnung, -ventil
10 Gestell
11 Kühler der Sperrscheibe
D = Dichtungen
S = Steuerung, Antrieb des Schiebers

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

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

Das bereits zwischen Rückseite der Schaufel (3) und Schieber (4) befindliche Gas wird dabei verdichtet und über Auslaß öffnung, -ventil (9) aus dem Arbeitsraum verdrängt und da bei komprimiert = Kompressor.

B Funktionsablauf/Kraftmaschine

Nachdem die Schaufel (3) das Schaufeltor (6) passiert hat und der Schieber (4) die Ringkammer (7) vollständig abge teilt hat, wird über die Einlaßöffnung, -ventil (8) in dem Arbeitsraum der Ringkammer (7) zwischen Schaufel (3) und Schieber (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 Arbeitsab lauf über Auslaßventil, -öffnung (9) aus der Ringkammer (7) 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 einen sich synchron mit der Drehzahl des Rotors (2) bewegenden Schiebers (4) unterteilt wird, bzw. den Durch gang der Schaufel (3) in der Ringkammer (7) freigibt, wobei sich die zwischen Vorder- und Rückseite der Schaufel (3) und dem Schieber (4) in der Ringkammer (7) befindlichen Gasvolu mina kontinuierlich vergrößern bzw. verkleinern, d. h. verdich tet oder entspannt werden im Zusammenwirken von Einlaßventil, -öffnung (8) und Auslaßventil, -öffnung (9), wobei bei Antrieb über Antriebswelle (1) daß von der Schaufel (3) über das Aus laßventil, -öffnung (9) in die Ringkammer (7) eingetretene Gas/Arbeitsmittel im Verdichtungsraum komprimiert wird - gleich Kompressor, oder bei Antrieb über in die Einlaßventil öffnung (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- und Arbeitsmaschine ergänzend zur Patent anmeldung P 4300 410.5 und dem vorhergehenden Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Schieber (4) der synchron im Takt mit der Drehung der Antriebswelle (1) bei niedrigen Drehzahlen den Ringkanal (7) unterteilt bzw. den Durchgang für die Schaufel (3) durch den Ringkanal (7) freigibt.

3. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der An sprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (4) an der Unterseite Dichtleisten (D) trägt, die eine Abdich tung zwischen Schieber (4) und der Mantellinie des Rotors (2) gewährleistet.

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

5. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der An sprüche 1 bis 4, 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.

6. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorge nannten Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitsmittelzuleitung eine Steuerung vorgesehen ist, mit welcher der Zufluß des Arbeitsmittels über das/die Einlaß ventil, -öffnung (8) geregelt wird.

7. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorge nannten Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitsmittelzu- und -ableitung eine Steuerung vorgesehen ist, mit der die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels umge kehrt werden kann, d. h. Drehrichtungsänderung der Antriebs welle.