DE4319896A1

DE4319896A1 - Rotationskraft- und Arbeitsmaschine mit Druckausgleich

Info

Publication number: DE4319896A1
Application number: DE19934319896
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-09
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1994-12-22

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 Massen- und Druckausgleich, einer günstigen Formgebung und einer guten Abdichtung der Arbeitsräume in den Ringkammern (7 _1,2,3) 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 des Pleuelstangenkurbelme chanismus zur Umwandlung der diskontinuierlichen translatori schen 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:

Fmo = m_{o I} · r · ² · cos α-m_{o II} · r · ² · λp · cos 2α

sind die energiezehrenden Einflüsse dieser oszillierenden Massen zu erkennen.

Es sind hierbei:
mo I = Masse des Kolbens und des Pleuels
mo II = Masse der Pleuel
Fmo = Gesamtmassenkraft
mo = Oszillierende Masse
r = Kurbelradius
= Winkelgeschwindigkeit
α = Kurbelwinkel
λp = 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 diskontinuierlich wirkenden Kolbenkraft maschinen entstand mit der Rotationsexpansionsmaschine von Wankel (S. G 8517838.1) eine Kraft- und Arbeitsmaschine, die mit völligen Massenausgleich aufgrund rotierender Bauteile, Vorteile gegenüber den Hubkolbenmaschinen 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 oszillie renden Massen, und die der Rotationsexpansionsmaschine von Wankel - wegen des ungünstigeren thermischen Wirkungsgra des -, werden durch die erfindungsgemäße Gestaltung einer Rotationskraft- und Arbeitsmaschine vermieden.

Für eine derartige Rotationskraft- und Arbeitsmaschine als Brennkraftmaschine wurde bereits ein Patent Nr. 42 00 146 erteilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Rotations kraft- und Arbeitsmaschine ausgebildete Kraft- und Arbeits maschine derart auszugestalten, daß neben einem guten Massen- und Druckausgleich, einer günstigen Formgebung und guten Ab dichtung der Arbeitsräume ein einfacher Aufbau der Maschine gegeben ist.

Durch die in den Ringkammern (7 _1,2,3) umlaufenden, auf den Ro toren (2 _1,2,3) befestigten Schaufeln (3 _1,2,3) und der synchron durch die Ringkammern (7 _1,2,3) laufenden Sperrscheibe (4), sind nur rotierende und voll ausgleichbare Massen am Bewegungsab lauf beteiligt. (Ausnahme : Ventile)

Durch die Schaufeln (3 _1,2,3) Rotoren (2 _1,2,3) und die Sperr scheibe (4) werden Arbeitsräume gebildet, die vergleichbar sind mit den zylindrischen Räumen der Hubkolbenmaschine und die dem sichelförmigen Arbeitsraum der Rotationsexpansions maschine von Wankel überlegen sind.

Ausgehend von einer erfindungsgemäßen Rotationskraft- und Arbeitsmaschine ergeben sich gegenüber der Hubkolbenmaschine 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 mit einer Ringkammer (7) und einer Schaufel (3) in Vorderansicht.

Fig. 2 Ein Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeits maschine mit einer Ringkammer (7) und einer Schaufel (3) in Seitenansicht.

Fig. 3 Ein Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Rotationskraft- und Arbeitsmaschine mit drei Ringkammern (7 _1,2,3) und drei Schaufeln (3 _1,2,3) in Seitenansicht.

Rotationskraft- und Arbeitsmaschine Liste der Bauteile

1 Antriebswelle (1,2,3)
1.1 1 Zahnrad Z 1
1.2 2 Zahnräder Z 2
1.3 1 Zahnrad Z 3
2 Rotor (1,2,3)
3 Schaufel (1,2,3)
4 Sperrscheibe
5 Sperrscheibenwelle
6 Schaufeltor
7 Ringkammer (1,2,3)
8 Einlaßöffnung, -ventil (1,2,3)
9 Auslaßöffnung, -ventil (1,2,3)
10 Gestell
11 Kühler für Sperrscheibe
D = Dichtungen
L = Lager

A. Funktionsablauf/Kompressor Bei Antrieb der Antriebswellen (1 _1,2,3) z. B. Elektro-Motor)

Nachdem die Schaufeln (3 _1,2,3) das Schaufeltor (6) passiert haben und die Sperrscheibe (4) die Ringkammern (7 _1,2,3) voll ständig abgeteilt hat, wird wegen der sich zwischen Vorder seite der Schaufeln (3 _1,2,3) und Sperrscheibe (4) ergebenden Volumenänderung im Arbeitsraum der Ringkammern (7 _1,2,3) Unter druck erzeugt, durch den über Einlaßöffnung, -ventil (8) Gas/Arbeits mittel angesaugt wird.

Das bereits zwischen Rückseite der Schaufeln (3 _1,2,3) und Sperrscheibe (4) befindliche Gas/Arbeitsmittel wird dabei ver dichtet und über Auslaßöffnungen, -ventile (9 _1,2,3) aus dem Arbeitsraum verdrängt und dabei komprimiert/verdichtet = Kompressor/Pumpe.

B. Funktionsablauf/Kraftmaschine

Nachdem die Schaufeln (3 _1,2,3) das Schaufeltor (6) passiert haben und die Sperrscheibe (4) die Ringkammern (7 _1,2,3) voll ständig abgeteilt haben, wird über die Einlaßöffnungen, -ven tile (8 _1,2,3) in den Arbeitsräumen der Ringkammern (7 _1,2,3) zwischen Schaufeln (3 _1,2,3) und Sperrscheibe (4) unter Druck stehendes Arbeitsmittel eingeleitet.

Durch die Ausdehnung/Entspannung dieser Arbeitsmittel werden Drücke auf die Schaufeln (3 _1,2,3) ausgeübt, wodurch dieses über die Rotoren (2 _1,2,3) und die Antriebswellen (1 _1,2,3) Arbeit leisten.

Das entspannte Gas/Dampf/Arbeitsmittel wird nach Arbeitsablauf über Auslaßventile, -öffnungen (9 _1,2,3) aus den Ringkammern (7 _1,2,3) entlassen.

Claims

1. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine, mit Druckausgleich durch gegenläufigen Drehsinn der Schaufeln (3 _1,2,3) in symmetrisch mehrfach entgegengesetzt wirkenden Ringkammern (7 _1,2,3), bei der sich je eine auf einen Rotor (2 _1,2,3) be festigte Schaufel (3 _1,2,3) in einer der Form der Schaufel entsprechenden Ringkammer (7 _1,2,3) bewegt, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ringkammer (7 _1,2,3) an einer Stelle des Umfanges durch eine gemeinsame, sich in synchroner Drehzahl wie die Rotoren (2 _1,2,3) drehende Sperrscheibe (4) unter teilt wird, die einen Durchlaß als Schaufeltor (6) für die Schaufel (3 _1,2,3) hat, wobei sich die zwischen Vorder- und Rückseite der Schaufel (3 _1,2,3) und der Sperrscheibe (4) in der Ringkammer (7 _1,2,3) befindlichen Arbeitsmittel (gasför mig oder flüssig) kontinuierlich im Volumen vergrößern bzw. verkleinern, d. h. verdichtet oder entspannt werden im Zu sammenwirken von Einlaßventilen, -öffnungen (8 _1,2,3) und Auslaßventilen, -öffnungen, (9 _1,2,3), wobei bei Antrieb über die Auslaßventile, -öffnungen (9 _1,2,3) in die Ringka mmer (7 _1,2,3) eingetretenen Arbeitsmittel im Verdichtungs raum verdichtet wird - gleich Kompressor/Verdichter oder bei Antrieb über in die Einlaßventile, -öffnungen (8 _1,2,3) ein strömende Arbeitsmittel, welches sich in der Ringkammer (7 _1,2,3) entspannt und dabei Druck auf die Schaufeln (8 _1,2,3) ausübt, welche dadurch über die Rotoren (2 _1,2,3) die Welle (1 _1,2,3) antreiben und somit Arbeit leisten - gleich Expansionsmaschine.

2. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die in der Summe gleichgroße gegen gerichtete Brennkammersysteme mit symmetrisch im entgegen gesetzten Drehsinn laufenden Schaufeln (3 _1,2,3) und Rotoren (2 _1,2,3) die Sperrscheibe (4) beiderseitig durch gleich große Drücke beaufschlagt wird und dadurch Reibung vermie den wird und somit Energie eingespart wird.

3. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die An triebswellen (1 _1,2,3) über Wendezahnräder (Z 1, Z 2, Z 3) miteinander gekoppelt sind.

4. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein geringst möglich schädlicher Raum zwischen den Schaufeln (3 _1,2,3) und der Sperrscheibe (4) durch die Schrägstellung der Schaufeln (3 _1,2,3) auf den Rotoren (2 _1,2,3) entsteht.

5. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schau feln (3 _1,2,3) über Kühlkanäle, die in den Antriebswellen (1 _1,2,3) und in den Rotoren liegen, gekühlt werden.

6. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperr scheibe (4) in synchroner Drehzahl mit den Antriebswellen (1 _1,2,3) umläuft.

7. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperr scheibe (4) mittels Dichtleisten (D) gegenüber den Ringkammern (7 _1,2,3) abgedichtet ist.

8. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperr scheibe (4) am Umfang Dichtringe (D) trägt, die eine Ab dichtung zwischen Sperrscheibe (4) und der Mantellinie der Rotore (2 _1,2,3) gewährleistet.

9. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schau feln (3 _1,2,3) auf dem Umfang Dichtleisten tragen zur Ab dichtung gegenüber den Ringkammern (7 _1,2,3).

10. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Einlaßöffnungen (8 _1,2,3) eintretenden Arbeitsmittel durch die Schaufeln (3 _1,2,3) über die Auslaßventile, -öffnungen (9 _1,2,3) im Verdichtungsraum verdichtet wird.

11. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrscheibe (4) einen Durchlaß, das Schaufeltor (6) hat, durch welches die berührungsfreie Passage der Schaufeln (3 _1,2,3) bei minimalem Druckverlust gewährleistet wird.

12. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbeitsmittelzuleitungen Steuerungen vorgesehen sind, mit welchen die Zuführung des Arbeitsmittels über die Einlaß ventile, -öffnungen (8 _1,2,3) geregelt wird.

13. Rotationskraft- und Arbeitsmaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ar beitsmittelzu- und -ableitungen Steuerungen vorgesehen sind, mit welchen die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels umge kehrt werden kann, d. h. Drehrichtungsänderung der Antriebs wellen (1 _1,2,3).