DE60123987T2 - Rankine-kreislaufvorrichtung für verbrennungsmotor - Google Patents

Rankine-kreislaufvorrichtung für verbrennungsmotor Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rankine-Zyklussystem, das Abwärme von einer Brennkraftmaschine nutzt, und insbesondere ein Rankine-Zyklussystem, das so ausgestaltet ist, dass erhitzte Abschnitte einer Brennkraftmaschine durch ein Arbeitsmedium gekühlt werden können.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • In der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. S59-174308 ist ein Rankine-Zyklussystem beschrieben, das einen Verdampfer zum Erhitzen einer Flüssigphasen-Arbeitsmediums durch Abgas von einer Brennkraftmaschine enthält, um ein Gasphasen-Arbeitsmedium zu erzeugen, einen Expander, der durch das in dem Verdampfer erzeugte Gasphasen-Arbeitsmedium angetrieben wird, einen Kondensator zum Kühlen des Gasphasen-Arbeitsmediums, das durch den Expander hindurchgetreten ist, um es wieder zu dem Flüssigphasen-Arbeitsmedium zu machen, sowie eine Förderpumpe zum Zuführen des Flüssigphasen-Arbeitsmediums von dem Kondensator unter Druck zu dem Verdampfer.
  • In dem oben beschriebenen herkömmlichen Rankine-Zyklussystem wird das Wasser als Flüssigphasen-Arbeitsmedium nicht nur durch die Innenseite des im Auspuffrohr von der Brennkraftmaschine angebrachten Verdampfers geleitet, sondern auch durch die Innenseite eines Kühlkanals, der in einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock definiert ist, um erhitzt zu werden, wodurch Abwärme von der Brennkraftmaschine weiter effizient genutzt wird, und der Zylinderkopf und der Zylinderblock werden durch das Flüssigphasen- Arbeitsmedium gekühlt, mit dem Ziel, einen herkömmlichen Kühler nicht zu benutzen.
  • Allgemein liegt jedoch die Strömungsrate des Wassers als Flüssigphasen-Arbeitsmedium in dem Rankine-Zyklussystem zur Strömungsrate des Kühlwassers für die Brennkraftmaschine in der Größenordnung von 1 : 100, und daher ist die Strömungsrate des Kühlwassers für die Brennkraftmaschine, im Vergleich zur Strömungsrate des Wassers in dem Rankine-Zyklussystem, viel größer. Der Druck des dem Verdampfer im Rankine-Zyklussystem zugeführten Wassers beträgt etwa das 100-fache des Drucks des Kühlwassers, das dem Wasesrmantel der Brennkraftmaschine zugeführt wird, was in einer großen Differenz resultiert, die zwischen den beiden Drücken vorliegt.
  • Daher ist es wegen der großen Differenz in der Strömungsrate und dem Druck zwischen den Wasserzirkulationswegen scheinbar schwierig, einen Wasserzirkulationsweg in dem Rankine-Zyklussystem und einen Wasserzirkulationsweg für die Brennkraftmaschine in Reihe miteinander zu verbinden, mit dem Ziel, einen Kühler nicht zu benutzen, und daher eine Möglichkeit besteht, dass die Brennkraftmaschine überhitzt werden könnte und dass das Rankine-Zyklussystem keine ausreichende Leistung erreichen könnte.
  • Weiterer Stand der Technik ist in der JP 8-144850 und der US 4 586 338 gezeigt.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die obigen Umstände durchgeführt worden, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, sicherzustellen, dass die erhitzten Abschnitte der Brennkraftmaschine durch das Flüssigphasen-Arbeitsmedium ausreichend gekühlt werden können, während die Leistung des Rankine-Zyklussystems beibehalten wird, mit dem Ziel, einen Kühler nicht zu benutzen.
  • Zur Lösung der obigen Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Rankine-Zyklussystem für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, enthaltend einen Verdampfer zum Erhitzen von Flüssigphasen-Arbeitsmedium durch Abwärme von einer Brennkraftmaschine, um ein Gasphasen-Arbeitsmedium zu erzeugen, einen Expander zum Umwandeln von Wärmeenergie des von dem Verdampfer ausgegebenen Gasphasen-Arbeitsmediums in mechanische Energie, einen Kondensator zum Kühlen des von dem Expander ausgegebenen Gasphasen-Arbeitsmediums, um das Gasphasen-Arbeitsmedium in das Flüssigphasen-Arbeitsmedium rückzuverwandeln, einen Tank zur Aufbewahrung des von dem Kondensator ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums, sowie Pumpen zum Zuführen des Flüssigphasen-Arbeitsmediums in dem Tank zu dem Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen eine Niederdruckpumpe und eine Höherdruckpumpe sind, wobei die Niederdruckpumpe das Flüssigphasen-Arbeitsmedium in dem Tank durch ein Kühlmittel für die Brennkraftmaschine leitet, um hierdurch das Flüssigphasen-Arbeitsmedium zu erhitzen und einem Ausgabeventil zuzuführen, wobei ein Teil des von dem Ausgabeventil ausgegebenen Ffüssigphasen-Arbeitsmediums durch die Höherdruckpumpe unter Druck gesetzt und dem Verdampfer zugeführt wird, wobei ein anderer Teil des von dem Ausgabeventil ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums, nach Abgabe seiner Wärme in ein Hilfsaggregat, zum Tank abgegebem wird.
  • Mit der obigen Anordnung wird das Flüssigphasen-Arbeitsmedium in dem Tank durch die Niederdruckpumpe dem Kühlmittel für die Brennkraftmaschine zugeführt, um erhitzte Abschnitte der Brennkraftmaschine zu kühlen, und danach wird ein Teil des aus dem Kühlmittel austretenden Flüssigphasen-Arbeitsmediums von dem Ausgabeventil der Höherdruckpumpe zugeführt und wird im unter Druck gesetzten Zustand dem Verdampfer im Rankine-Zyklussystem zugeführt, während ein anderer Teil des vom Kühlmittel austretenden Flüssigphasen-Arbeitsmediums von dem Ausgabeventil dem Hilfsaggregat zugeführt wird, und das Flüssigphasen-Arbeitsmedium, das aus dem Expander in dem Rankine-Zyklussystem austritt und durch den Kondensator verflüssigt ist, und das Flüssigphasen-Arbeitsmedium, das seine Wärme in dem Hilfsaggregat verteilt, werden zum Tank rückgeführt. Daher ist es möglich, Flüssigphasen-Arbeitsmedien mit Strömungsraten und Drücken, die jeweils für das Rankine-Zyklussystem und das Kühlmittel geeignet sind, zuzuführen, während eine Flüssigphasen-Arbeitsmedium-Zirkulationsleitung in dem Rankine-Zyklussystem und eine Flüssigphasen-Arbeitsmedium-Zirkulationsleitung in dem Kühlmittel für die Brennkraftmaschine vereinigt werden. Somit ist es möglich, die erhitzten Abschnitte der Brennktaftmaschine effizient zu kühlen, während die Leistung des Rankine-Zyklussystems erhalten bleibt, mit dem Ziel, einen Kühler nicht zu benutzen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum ersten Merkmal, wird das von der Niederdruckpumpe austretende Flüssigphasen-Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher, der in einem Auspuffrohr in der Brennkraftmaschine angebracht ist, vorgewärmt wird und dem Kühlmittel zugeführt.
  • Mit der obigen Anordnung wird das Flüssigphasen-Arbeitsmedium, das von der Niederdruckpumpe dem Kühlmittel zugeführt wird, in dem im Auspuffrohr angebrachten Austauscher vorgewärmt, und daher ist es möglich, nicht nur Abwärme von Abgas noch effizienter zu nutzen, sondern auch das Auftreten der Überkühlung durch das Flüssigphasen-Arbeitsmedium, das durch das Kühlmittel hindurchgetreten ist, zu verhindern, wenn die Brennkraftmaschine eine geringe Temperatur hat, um hierdurch das Aufwärmen der Brennkraftmaschine zu fördern.
  • Gemäß einem dritten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum ersten oder zweiten Merkmal, wird ein Teil des von dem Ausgabeventil ausgegebenen erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums als Schmiermedium für den Expander genutzt.
  • Mit der obigen Anordnung wird ein Teil des erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums, das aus dem Ausgabeventil ausgegeben wird, als Schmiermedium für den Expander genutzt, und daher ist es möglich, einen Temperaturabfall des Expanders zu verhindern, weil das Schmiermedium, das eine geringere Temperatur hat, die Reduktion der Expansionsarbeit senkt, um hierdurch den Wirkungsgrad bei der Wiedergewinnung der Abwärme von der Brennkraftmaschine zu verbessern.
  • Gemäß einem vierten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum dritten Merkmal, wird der als das Schmiermedium zugeführte Teil des Flüssigphasen-Arbeitsmediums einem Expansionshub des Expanders zugeführt.
  • Mit der obigen Anordnung wird der als das Schmiermedium zugeführte Anteil des Flüssigphasen-Arbeitsmediums in der Form des Gasphasen-Arbeitsmediums dem Expansionshub des Expanders zugeführt, und daher kann die Wärmeenergie, die dem als das Schmiermedium dienende Flüssigphasen-Arbeitsmedium eigen ist, effizient genutzt werden, um die Ausgangsleistung von dem Expander zu erhöhen.
  • Gemäß einem fünften Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum zweiten Merkmal, wird ein von dem Ausgabeventil abgegebener Teil des erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums durch ein Reduzierventil geleitet, um in ein Gasphasen-Arbeitsmedium umgewandelt zu werden, das einem Expansionshub des Expanders zugeführt.
  • Mit der obigen Anordnung wird der von dem Ausgabeventil ausgegebene Anteil des erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums durch das Reduzierventil in das Gasphasen-Arbeitsmedium umgewandelt, das dem Expansionshub des Expanders zugeführt wird, und daher kann die Wärmeenergie, die von den erhitzten Abschnittten der Brennkraftmaschine durch das Flüssigphasen-Arbeitsmedium erhalten wird, effizient genutzt werden, um die Ausgabe von dem Expander zu erhöhen.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt und Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zu einem der ersten bis fünften Merkmale, wird Wasser als das Flüssigphasen-Arbeitsmedium verwendet.
  • Mit der obigen Anordnung wird als das Flüssigphasen-Arbeitsmedium das Wasser verwendet, das einen weiten Temperaturbereich hat, indem es ohne Veränderung in der Zusammensetzung, wie etwa Carbonisierung und dgl., genutzt werden kann. Daher kann das dem Expander zugeführte Gasphasen-Arbeitsmedium im Zustand erhöhter Temperatur und das von dem Kühlmedium für die Brennkraftmaschine abgegebene Flüssigphasen-Arbeitsmedium im Zustand geringerer Temperatur ohne Einschränkungen miteinander vermischt werden, wenn das Wasser als das Schmiermedium verwendet wird, wobei das Arbeitsmedium und das Schmiermedium ohne Einschränkung miteinander vermischt werden können.
  • Wasser in einer Ausführung entspricht dem Flüssigphasen-Arbeitsmedium der vorliegenden Erfindung; Dampf in der Ausführung entspricht dem Gasphasen-Arbeitsmedium der vorliegenden Erfindung; und ein Wassermantel 105 in der Ausführung entspricht dem Kühlmittel der vorliegenden Erfindung.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 bis 14 zeigen eine Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Rankine-Zyklussystems für eine Brennkraftmaschine;
  • 2 ist eine vertikale Schnittansicht eines Expanders, entsprechend einer Schnittansicht entlang Linie 2-2 in 4;
  • 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines eine Drehachse in 2 umgebenden Bereichs;
  • 4 ist eine Schnittansicht entlang Linie 4-4 in 2;
  • 5 ist eine Schnittansicht entlang Linie 5-5 in 2;
  • 6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 4;
  • 7 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 7-7 in 3;
  • 8 ist ein Diagramm, das Querschnittsformen einer Rotorkammer und eines Rotors zeigt;
  • 9 ist eine Explosionsperspektivansicht des Rotors;
  • 10 ist eine Explosionsperspektivansicht eines Rotorsegments;
  • 11 ist eine Explosionsperspektivansicht eines Flügels;
  • 12 ist eine Explosionsperspektivansicht eines Rotorventils;
  • 13 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen den Zunahmebeträgen in der Ausgabe von dem Expander bei Temperaturen von Schmierwasser in Bezug auf die Phase zeigt, in der das Schmierwasser einem Expansionshub des Expanders zugeführt wird; und
  • 14 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen den Zunahmebeträgen in der Ausgabe von dem Expander in Beträgen des zugeführten Schmierwassers in Bezug auf die Phase zeigt, in der das Schmierwasser einem Expansionshub des Expanders zugeführt wird.
  • BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Wie in 1 gezeigt, enthält ein Rankine-Zyklussystem 2 zum Wiedergewinnen von Wärmeenergie von Abgas von einer Brennkraftmaschine 1 zur Ausgabe von mechanischer Energie einen Verdampfer 3 zum Erzeugen von Hochtemperatur- und Hochdruckdampf durch Erhitzen von Wasser unter Verwendung des Abgases von der Brennkraftmaschine 1 als Wärmequelle, einen Expander 4 zum Ausgaben eines Wellendrehmoments durch die Expansion des Hochtemperatur- und Hochdruckdampfs, einen Kondensator 5 zum Kühlen von temperaturverringertem und druckverringertem Dampf, der von dem Expander 4 ausgegeben wird, um diesen zu verflüssigen, einen Tank 6 zur Aufbewahrung des von dem Kondensator 5 abgegebenen Wassers, sowie eine Niederdruckpumpe 7 und eine Höherdruckpumpe 8, um das Wasser in dem Tank 6 wieder dem Verdampfer 3 zuzuführen.
  • Das Wasser in dem Tank 6 wird durch die Niederdruckpumpe 7, die an einem Kanal P1 angeordnet ist, auf 2 bis 3 MPa unter Druck gesetzt, und durch einen Wärmetauscher 102 geleitet, der in einem Auspuffrohr 101 für die Brennkraftmaschine 1 angebracht ist, wo es vorgewärmt wird. Das vorgewärmte Wasser tritt durch den Wärmetauscher 102 hindurch und wird über einen Kanal P2 einem Wassermantel 105 zugeführt, der in einem Zylinderblock 103 und einem Zylinderkopf 104 definiert ist, und kühlt erhitzte Abschnitte der Brennkraftmaschine 1 während des Durchtritts durch den Mantel 105. In diesem Fall nimmt das Wasser selbst die Wärme des ganzen Abschnitts auf, wodurch seine Temperatur weiter angehoben wird. Das aus dem Wassermantel 105 austretende Wasser wird über einen Kanal P3 einem Ausgabeventil 106 zugeführt, wo das Wasser in ein zu einem Kanal P4 führendes erstes System, ein zu einem Kanal P5 führendes zweites System, ein zu einem Kanal P6 führenden drittes System und einem zu Kanälen P7 führenden vierten System ausgegeben wird.
  • Das Wasser, das durch das Ausgabeventil 106 zu dem zum Kanal P4 führenden ersten System ausgegeben wird, wird durch die Höherdruckpumpe 8 auf einen höheren Druck, der gleich oder höher als 10 MPa ist, unter Druck gesetzt und dem Verdampfer 3 zugeführt, wo es einem Wärmeaustausch mit Abgas, das eine höhere Temperatur hat, unterzogen wird, wodurch es in Hochtemperatur- und Hochdruckdampf umgewandelt wird, und den Höherdruckabschnitten des Expanders 4 zugeführt wird (Zylinder 33 des Expanders 4, die nachfolgend beschrieben werden). Andererseits wird das Wasser, das durch das Ausgabeventil 106 dem zum Kanal P5 führenden zweiten System zugeführt wird, durch ein Reduzierventil 107 geleitet, das in den Kanal P5 eingebaut ist, wodurch es in Dampf umgewandelt wird, der eine geringere Temperatur und einen geringeren Druck als der Höheremperatur- und Höherdruckdampf hat, und wird den Niederdruckabschnitten des Expanders 4 zugeführt (Flügelkammern 50 in dem Expander 4). Auf diese Weise wird das erhitzte Wasser von dem Ausgabeventil 106 durch das Reduzierventil 107 in Dampf umgewandelt und den Niederdruckteilen des Expanders 4 zugeführt, und daher kann die Ausgangsleistung von dem Expander 4 durch effektive Nutzung der Wärmeenergie erhöht werden, die durch das Wasser von dem Wassermantel 105 der Brennkraftmaschine 1 aufgenommen wird. Das Wasser, das zu dem zum Kanal P6 führenden dritten System ausgegeben wird, wird an Teile des Expanders 4 abgeführt, die geschmiert werden müssen. Hierbei werden die zu schmierenden Abschnitte des Expanders 4 mittels des im Wassermantel 105 erhitzten Hochtemperaturwassers geschmiert und daher wird der temperaturverringerte und druckverringerte Dampf, der von dem Expander 4 ausgegeben wird und Wasser enthält, dem im Kanal 8 eingebauten Kondensator 5 zugeführt, wo er einem Wärmeaustausch mit Kühlluft von einem Kühlgebläse 109 unterzogen wird, das von einem Elektromotor 108 angetrieben wird, und das resultierende Kondenswasser wird in den Tank 6 ausgegeben. Ferner wird das Wasser, das zu dem vierten System ausgegeben wird, das zu den mehreren Kanälen P7 führt, einem Hilfsaggregat 110 zugeführt, wie etwa einem Heizer zum Aufwärmen des Fahrzeuginnenraums, einem thermoelektrischen Element oder dgl., wo es Wärme abführt, und das resultierende in der Temperatur verringerte Wasser wird von dem Tank über ein Rückschlagventil 111, das in einem Kanal P9 eingebaut ist, ausgegeben.
  • Die Niederdruckpumpe 7, die Höherdruckpumpe 8, das Ausgabeventil 106 und der Elektromotor 108 werden durch eine elektronische Steuereinheit 112 gemäß dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, dem Betriebszustand des Expanders 4, dem Betriebszustand des Hilfsaggregats 110, der Temperatur des Wassers in dem Tank 6 und dgl. gesteuert bzw. geregelt.
  • Nachfolgend wird die Gesamtstruktur des Expanders 4 in Bezug auf die 2 bis 6 beschrieben.
  • Der Expander 4 hat ein Gehäuse 11, das aus ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 gebildet ist, die aus Metall hergestellt sind. Die ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 bilden Hauptkörper 12a und 13a, die gemeinsam eine Rotorkammer 14 definieren, und kreisförmige Flansche 12b und 13b, die jeweils integral mit Außenumfängen der Hauptkörper 12a und 13a sind. Die kreisförmigen Flansche 12b und 13b sind miteinander durch eine Metalldichtung 15 verbunden. Eine Außenoberfläche der ersten Gehäusehälfte 12 ist mit einer tiefen schüsselförmigen Übertragungskammeraußenwand 16 abgedeckt, und ein kreisförmiger Flansch 16a, der integral mit einem Außenumfang der Außenwand 16 verbunden ist, liegt auf einer linken Seite des kreisförmigen Flansches 12b der ersten Gehäusehälfte 12 auf. Eine Außenoberfläche der zweiten Gehäusehälfte 13 ist mit einer Auslasskammeraußenwand 17 abgedeckt, in der eine Magnetkupplung (nicht gezeigt) zur Übertragung der Ausgangsleistung von dem Expander 4 zur Außenseite untergebracht ist, und ein kreisförmiger Flansch 17a, der integral mit einem Außenumfang der Außenwand 17 verbunden ist, liegt auf der rechten Seite des kreisförmigen Flansches 13b der zweiten Gehäusehälfte 13 auf. Diese drei kreisförmigen Flansche 12a, 13a, 16a und 17a sind durch am Umfang angeordnete Bolzen 19 aneinander befestigt. Eine Übertragungskammer 19 ist zwischen der Übertragungskammeraußenwand 16 und der ersten Gehäusehälfte 12 definiert, und eine Auslasskammer 20 ist zwischen der Auslasskammeraußenwand 17 und der zweiten Gehäuse 13 definiert. Die Auslasskammeraußenwand 17 ist mit einer Auslassbohrung 17b versehen, um den temperaturreduzierten und druckreduzierten Dampf, der seine Arbeit in dem Expander 4 beendet hat, zu leiten.
  • Die Hauptkörper 12a und 13a der Gehäusehälften 12 und 13 haben hohle Lagerrohre 12c und 13c, die jeweils nach außen vorstehen, und eine Drehwelle 21, die eine Aushöhlung 21a aufweist, ist in den hohlen Lagerrohren 12c und 13c, mit einem Paar von dazwischen angeordneten Lagerelementen 22 und 23, drehbar gelagert. Somit geht eine Achse L der Drehwelle 21 durch einen Schnittpunkt zwischen einem längeren Durchmesser und einem kürzeren Durchmesser in der Rotorkammer 14, die eine im Wesentlichen elliptische Form hat, hindurch. Ein durchmesserkleinerer Abschnitt 21b vom rechten Ende der Drehwelle 21 steht in die Auslasskammer 2Q durch das hohle Lagerrohr 13c der zweiten Gehäusehälfte 13 vor, und eine Rotornabe 24 der Magnetkupplung ist mit dem durchmesserkleineren Abschnitt 21b keilvernutet. Ein Außenumfang des durchmesserkleineren Abschnitts 21b am rechten Ende der Drehwelle 21 und ein Innenumfang des hohlen Lagerrohrs 13c der zweiten Gehäusehälfte 13 sind durch ein Dichtungselement 25 voneinander abgedichtet, welches am Innenumfang des hohlen Lagerrohrs 13c mit einer Mutter 26, die auf diesen Innenumfang geschraubt ist, befestigt.
  • Wie aus den 4 und 8 ersichtlich, ist ein kreisförmiger Rotor 27 in der Rotorkammer 14, die eine pseudoelliptische Form hat, drehbar aufgenommen. Der Rotor 27 ist auf einen Außenumfang der Drehwelle 21 aufgesetzt und mit einem Stift 28 integral gekuppelt, und eine Achse des Rotors 27 und eine Achse der Rotorkammer 14 fluchten mit der Achse L der Rotorwelle 21. Die Form der Rotorkammer 14, bei Betrachtung in Richtung der Achse L, ist eine pseudoelliptische Form, ähnlich einer Rhombenform, deren vier Scheitel abgerundet sind, und die Rotorkammer 14 hat einen längeren Durchmesser DL und einen kürzeren Durchmesser DS. Die Form des Rotors 27, bei Betrachtung in Richtung der Achse L, ist eine wahre Kreisform und hat einen Durchmesser DR, der etwas kleiner ist als der kürzere Durchmesser DS der Rotorkammer 14.
  • Beide Querschnittsformen der Rotorkammer 14 und des Rotors 27, bei Betrachtung in Richtung orthogonal zur Achse L, ähneln einer Feldwettbewerbsbahn. Insbesondere ist die Querschnittsform der Rotorkammer 14 aus einem Paar flacher Flächen 14a, 14a gebildet, die sich parallel zueinander erstrecken, wobei ein Abstand d dazwischen belassen ist, und einer bogenförmigen Fläche 14b, die einen Mittenwinkel von 180° hat und Außenumfänge der flachen Flächen 14a, 14a glattgängig miteinander verbindet, und die Querschnittsform des Rotors 27 ist aus einem Paar flacher Flächen 27a, 27a gebildet, die sich parallel zueinander erstrecken, wobei ein Abstand d dazwischen belassen ist, sowie einer bogenförmigen Fläche 27b, die einen Mittenwinkel von 180° hat und die die Außenumfänge der flachen Flächen 27a, 27a glattgängig miteinander verbindet. Daher stehen die flachen Flächen 14a, 14a der Rotorkammer 14 und die flachen Flächen 27a, 27a des Rotors 27 miteinander in Kontakt, und ein Paar von Zwischenräumen (siehe 4), die eine Sichelform bilden, ist zwischen der Innenumfangsfläche der Rotorkammer 14 und der Außenumfangsfläche des Rotors 27 definiert.
  • Nachfolgend wird die Struktur des Rotors 27 im Detail in Bezug auf die 3, 6, 9 und 10 beschrieben.
  • Der Rotor 27 ist gebildet aus einem Rotorkern 31, der am Außenumfang der Drehwelle 21 befestigt ist, und zwölf Rotorsegmenten 32, die so befestigt sind, dass sie den Umfang des Rotorkerns 31 überdecken und ein Außenprofil des Rotors 27 bilden. Der Rotorkern 31 enthält einen scheibenförmigen Hauptkörper 31a und zahnradförmige Nabenabschnitte 31b, 31b, die in axial entgegengesetzte Richtungen von einem Mittelabschnitt des Hauptkörpers 31a vorstehen. Zwölf aus Keramik (oder Kohlenstoff) hergestellte Zylinder 33 sind radial mit Abständen von 30° am Hauptkörper 31a angebracht und daran durch Kappen 31 und Keile 35 befestigt, sodass ein Abziehen derselben verhindert wird. Ein durchmesserkleinerer Abschnitt 33a steht am Innenende jedes der Zylinder 33 vor, und ein Basisende des durchmesserkleineren Abschnitts 33a und der Hauptkörper 31 des Rotorkerns 31 sind voneinander durch einen O-Ring 36 abgedichtet. Ein Außenende des durchmesserkleineren Abschnitts 33a sitzt auf der Außenumfangsoberfläche der hohlen Drehwelle 21, und Zylinderbohrungen 33b stehen mit dem Hohlraum 21a der Drehwelle 21 durch zwölf dritte Dampfkanäle S3 in Verbindung, die sich durch durchmesserkleinere Abschnitte 33a und die Drehwelle 21 erstrecken. Ein aus Keramik hergestellter Kolben 37 ist in jedem der Zylinder 33 verschiebbar aufgenommen. Wenn der Kolben zur radial innersten Stellung bewegt wird, wird er vollständig in die Zylinderbohrung 33b eingefahren und versinkt dort, und wenn der Kolben 37 zur radial äußersten Stellung bewegt wird, steht etwa die Hälfte der Gesamtlänge davon zur Außenseite der Zylinderbohrung 33b vor.
  • Jedes der Rotorsegmente 32 ist aus fünf miteinander gekoppelten Komponenten gebildet. Die fünf Komponenten sind ein Paar von Blockelementen 38, 38, die Hohlräume 38a, 38a aufweisen, ein Paar von Seitenplatten 39, 39, die aus U-förmigen Plattenmaterialien hergestellt sind, und eine Bodenplatte 40, die aus einem rechteckigen Plattenmaterial hergestellt ist. Diese Komponenten sind durch Verlöten integral miteinander verbunden.
  • Zwei Vertiefungen 38b und 38c sind in einer Außenumfangsoberfläche jedes der Blockelemente 38 definiert, nämlich einer Oberfläche, die dem Paar flacher Flächen 14a, 14a der Rotorkammer 14 gegenüberliegt, um sich um die Achse L in einer Bogenform zu erstrecken, und Schmierwasserauswurfbohrungen 38b, 38c öffnen sich in Mittelabschnitte der jeweiligen Vertiefungen 38b und 38c. Ein zwanzigster Wasserkanal W20 und ein einundzwanzigster Wasserkanal W21 sind in einer Fläche des Blockelements 38, die mit der Seitenplatte 39 gekoppelt ist, vertieft vorgesehen.
  • Ein zwölf Öffnungen aufweisendes Öffnung-definierendes Element 41 ist in einem Mittelabschnitt der Bodenplatte 40 eingesetzt, und ein O-Ring 42, der an der Bodenplatte 14 so angebracht ist, dass er das Öffnungs-definierende Element 41 umgibt, dichtet das Öffnungs-definierende Element 41 und die Außenumfangsoberfläche des Hauptkörpers 31a des Rotorkerns 31 voneinander ab. Vierzehnte bis neunzehnte Wasserkanäle W14 bis W19 sind paarweise vertieft in einer Oberfläche der Bodenplatte 40 vorgesehen, die mit dem Blockelement 38 gekoppelt ist, um sich von dem Öffnungs-definierenden Element 41 nach radial außen zu erstrecken. Die vierzehnten bis neunzehnten Wasserkanäle W14 bis W19 erstrecken sich zu der mit der Seitenplatte 39 gekoppelten Oberfläche hin.
  • Zweiundzwanzigste bis siebenundzwanzigste Wasserkanäle W22 bis W27 sind in einer Oberfläche jeder Seitenplatte 39, die mit den Blockelementen 38, 38 und der Bodenplatte 40 gekoppelt ist, vertieft vorgesehen. Der vierzehnte Wasserkanal W14, der fünfzehnte Wasserkanal W15, der achtzehnte Wasserkanal W18 und der neunzehnte Wasserkanal W19 in einem Außenbereich der Bodenplatte 40 stehen mit dem zweiundzwanzigsten Wasserkanal W22, dem dreiundzwanzigsten Wasserkanal W23, dem sechsundzwanzigsten Wasserkanal W26 und dem siebenundzwanzigsten Wasserkanal W27 in der Seitenplatte 39 in Verbindung, und der sechzehnte Wasserkanal W16 und der siebzehnte Wasserkanal W17 in einem Innenbereich der Bodenplatte 40 stehen mit dem vierundzwanzigsten Wasserkanal 24 und dem fünfundzwanzigsten Wasserkanal W25 in der Seitenplatte 39 durch den zwanzigsten Wasserkanal W20 und den einundzwanzigsten Wasserkanal W21 in dem Blockelement 38 in Verbindung. Außenenden des zweiundzwanzigsten Wasserkanals W22, des fünfundzwanzigsten Wasserkanals W25, des sechsundzwanzigsten Wasserkanals W26 und des siebenundzwanzigsten Wasserkanals W27 in der Seitenplatte 39 öffnen sich als vier Schmierwassereinspritzbohrungen 39a in die Außenoberfläche der Seitenplatte 39. Die Außenenden des dreiundzwanzigsten Wasserkanals W23 und des vierundzwanzigsten Wasserkanals W24 in der Seitenplatte 39 stehen mit den Schmieröleinspritzbohrungen 38d und 38d in den Vertiefungen 38b und 38c durch einen achtundzwanzigsten Wasserkanal W28 und einen neunundzwanzgisten Wasserkanal W29 in Verbindung, die in jedem der Blockelemente 38, 38 jeweils definiert sind. Eine Kerbe 39b, die einen partiell bogenförmigen Querschnitt hat, ist in die Außenoberfläche der Seitenplatte 39 ausgebildet, um eine Störung mit dem sich radial auswärts bewegenden Kolben 37 zu vermeiden. Der Grund dafür, warum der zwanzigste Wasserkanal W20 und der einundzwanzigste Wasserkanal W21 anstelle in der Seitenplatte 39 in dem Block 38 definiert sind, ist, dass die Seitenplatte 39 eine durch das Vorsehen der Kerbe 39b verringerte Dicke hat, und ein zur Definition des zwanzigsten Wasserkanals W20 und des einundzwanzigsten Wasserkanals W21 ausreichende Dicke in dem Blockelement 38 sichergestellt werden kann.
  • Wie in den 2, 5, 9 und 11 gezeigt, sind zwölf Flügelnuten 43 zwischen den benachbarten Rotorsegmenten 32 des Rotors 27 so definiert, dass sie sich radial erstrecken, und plattenförmige Flügel 44 sind in den jeweiligen Flügelnuten 43 verschiebbar aufgenommen. Jeder der Flügel 44 ist angenähert U-förmig ausgebildet und enthält parallele Flächen 44a, 44a, die sich entlang den parallelen Flächen 14a, 14a der Rotorkammer 14 erstrecken, eine bogenförmige Fläche 44b, die sich entlang der bogenförmigen Fläche 14b der Rotorkammer 14 erstreckt, sowie eine Kerbe 44c, die zwischen den parallelen Flächen 44a, 44a angeordnet ist. Rollen 45, 45, die eine Rollenlagerstruktur haben, sind an einem Paar von Tragwellen 44d, 44d drehbar gelagert, die jeweils von den parallelen Flächen 44a, 44a vorstehen.
  • Ein Dichtungselement 46, das aus Kunstharz hergestellt ist und U-förmig ausgebildet ist, ist mit der bogenförmigen Fläche 44b des Flügels 44 gehalten, und hat ein Außenende, das etwas von der bogenförmigen Fläche 44b des Flügels 44 vorsteht, um mit der bogenförmigen Fläche 14b der Rotorkammer 14 in Gleitkontakt zu kommen. Gleitelemente 47, 47, die aus Kunstharz hergestellt sind, sind an den parallelen Flächen 44a, 44a des Flügels 44 befestigt, um mit den parallelen Flächen 14a, 14a der Rotorkammer 14 in Gleitkontakt zu kommen. Gleitelemente 48, 48 aus Kunstharz sind auch an entgegengesetzten Seiten der Kerbe 44c des Flügels 44 befestigt, um mit dem Hauptkörper 31a des Rotorkerns 31 in Gleitkontakt zu kommen. Zwei Vertiefungen 44e, 44e sind in jeder der entgegengesetzten Seiten des Flügels 44 definiert und liegen zwei radial inneren der vier Schmierwassereinspritzbohrungen 39a gegenüber, die sich in die Außenoberflächen der Seitenplatten 39, 39 des Rotorsegments 32 öffnen. Ein Vorsprung 44f, der an einem Mittelabschnitt der Kerbe 44c des Flügels 44 radial einwärts weisend vorsteht, stützt sich gegen ein radiales Außenende des Kolbens 37ab. Ein Wasserausgabekanal 44g ist in dem Flügel sich radial erstreckend definiert und öffnet sich an ihrem radial inneren Ende in die Endspitze des Vorsprungs 44f und an ihrem radialen Außenende in eine der Seiten des Flügels 44. Eine Stelle, an der sich der Wasserausgabekanal 44g in die eine Seite des Flügels 44 öffnet, weist zu einem Punkt, der radial weiter außen als die bogenförmige Fläche 27b des Rotors 27 liegt, wenn sich der Flügel 44 so bewegt, dass er zu der radial äußersten Stellung vorsteht.
  • Ringförmige Nuten 49, 49, die eine pseudoelliptische Form haben, ähnlich einer Rhombenform mit vier abgerundeten Scheiteln, sind in den flachen Flächen 14a, 14a der Rotorkammer 14, die durch die ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 definiert ist, vertieft vorgesehen, und das Rollenpaar 45, 45 jedes der Flügel 44 steht mit den ringförmigen Nuten 49, 49 in Rolleingriff. Der Abstand zwischen jeder der ringförmigen Nuten 49, 49 und der bogenförmigen Fläche 14b der Rotorkammer 14 ist über den Gesamtumfang konstant. Wenn der Rotor 44 gedreht wird, wird daher der Flügel 44 mit den in den ringförmigen Nuten 49, 49 geführten Rollen 45, 45 in der Flügelnut 43 radial hin- und herbewegt und entlang der bogenförmigen Fläche 14b der Rotorkammer 14 verschoben, in einem Zustand, in dem das Dichtungselement 46, das an der bogenförmigen Fläche 44b des Flügels 44 angebracht ist, um einen gegebenen Betrag komprimiert worden ist. Somit ist es möglich, die zwischen den benachbarten Flügeln 44 definierten Flügelkammern 15 zuverlässig abzudichten, während verhindert wird, dass die Rotorkammer 14 und die Flügel 44 direkt in körperlichen Kontakt miteinander kommen, um eine Zunahme des Gleitwiderstands und das Auftreten von Verschleiß zu verhindern.
  • Ein Paar kreisförmiger Dichtungsnuten 51, 51 ist in den flachen Flächen 14a, 14a der Rotorkammer 14 so definiert, dass sie die Außenseiten der ringförmigen Nuten 49, 49 umgeben. Ein Paar von Ringdichtungen 52, die jeweils zwei O-Ringe 52 und 53 aufweisen, sind jeweils in den kreisförmigen Dichtungsnuten 51 verschiebbar aufgenommen, und haben Dichtflächen, die den Vertiefungen 38b und 38c gegenüberliegen, die in jedem der Rotorsegmente 32 definiert sind. Passstifte 55, 55 verhindern, dass das Paar von Ringdichtungen 54, 54 relativ zu den ersten und zweiten Gehäusehälfte 12 und 13 verdreht wird.
  • Der Zusammenbau des Rotors 27 wird folgendermaßen durchgeführt: In 9 werden die zwölf Rotorsegmente 32 auf den Außenumfang des Rotorkerns 31 aufgesetzt, an dem zuvor die Zylinder 33, die Kappen 34 und die Keile 35 montiert worden sind, und die Flügel 44 werden in die zwölf Flügelnuten 43 eingesetzt, die zwischen den benachbarten Rotorsegmenten 32 definiert sind. Hierbei wird eine Beilage mit vorbestimmter Dicke an jeder der entgegengesetzten Seiten des Flügels 44 angeordnet, um einen Spielraum zwischen jedem der Flügel 44 und jeder der Seitenplatten 39 der Rotorsegmente 32 zu definieren. In diesem Zustand werden die Rotorsegmente 32 und die Flügel 44 mittels eines Spanners radial einwärts zum Rotorkern 31 dichtgezogen, und die Rotorsegmente 32 werden relativ zum Rotorkern 31 genau angeordnet. Danach werden die Rotorsegmente 32 an dem Rotorkern 31 durch vorübergehendes Festziehen der Bolzen 58 vorübergehend fixiert (siehe 2). Dann wird der Rotor 27 von dem Spanner entfernt, und die Stiftlöcher 56, 56 werden in jedem der Rotorsegmente 32 hergestellt, sodass sie sich durch den Rotorkern 31 hindurch erstrecken. Dann werden die Passstifte 57, 57 in die Stiftlöcher 56, 56 eingepresst, wodurch die Rotorsegmente 32 mit dem Rotorkern 31 gekoppelt werden.
  • Wie aus den 3, 7 und 12 ersichtlich, hat das Paar von Lagerelementen 22 und 23, die die Außenumfangsoberfläche der Drehwelle 21 tragen, eine Innenumfangsoberfläche, die verjüngt ist, sodass ihr Durchmesser zum Rotor 27 hin zunimmt. Die axial äußeren Enden der Lagerelemente 22 und 23 stehen mit den hohlen Lagerrohren 12c und 13c der ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 in Eingriff, sodass sie an einer Drehung gehindert sind. Angemerkt werden sollte, dass der Außenumfang am linken Ende der Drehwelle 21, das in dem linken hohlen Lagerrohr 17c abgestützt ist, aus einem andersartigen Element 21c gebildet ist, um die Montage des Rotors 27 an der Drehwelle 21 zu ermöglichen.
  • Eine Öffnung 16b ist in der Mitte der Übertragungskammeraußenwand 16 definiert, und ein Nabenabschnitt 61a eines an der Achse L angeordneten Ventilgehäuses 61 ist an einer Innenoberfläche der Öffnung 16b durch eine Mehrzahl von Bolzen 62 befestigt und ist auch an der ersten Gehäusehälfte 12 durch eine Mutter 63 befestigt. Eine zylindrische erste Festwelle 64 ist in dem Hohlraum 21a in der Drehwelle 21 relativ drehbar eingesetzt, und eine zweite Festwelle 65 ist koaxial in einen Innenumfang vorn rechten Ende der ersten Festwelle 64 eingesetzt. Ein Außenumfangsabschnitt am rechten Ende der zweiten Festwelle 65, der von der ersten Festwelle 64 vorsteht, und der Hohlraum 21a der Drehwelle 21 sind durch einen O-Ring 66 voneinander abgedichtet. Das sich innerhalb der ersten Festwelle 64 erstreckende Ventilgehäuse 61 enthält einen Flansch 61b, und ein O-Ring 67, ein verdickter Abschnitt 64a der ersten Festwelle 64, ein O-Ring 68, eine Beilagscheibe 69, eine Mutter 70 und die zweite Festwelle 65 sind aufeinanderfolgend an der rechten Seite des Flansches 61b montiert. Die Mutter 70 und die zweite Festwelle 65 sind mit dem Ventilgehäuse 61 verschraubt, und daher ist der verdickte Abschnitt 64a der ersten Festwelle 64 zwischen dem Flansch 61b des Ventilgehäuses 61 und der Beilagscheibe 69 mit dem Paar der dazwischen angeordneten O-Ringe 66 und 67 angeordnet.
  • Die erste Festwelle 64, die an dem Innenumfang des hohlen Lagerrohrs 12c der ersten Gehäusehälfte 12 mit einem dazwischen eingesetzten O-Ring 17 getragen ist, ist an ihrem linken Ende mit dem Nabenabschnitt 61a des Ventilgehäuses 61 durch eine ringförmige Oldham-Kupplung 72 verbunden, und die Auslenkung des Rotors 27, der am Außenumfang der ersten Festwelle 64 durch die Drehwelle 21 gelagert ist, kann durch die radiale Auslenkung der ersten Festwelle 64 durch die Oldham-Kupplung 72 ermöglicht werden. Zusätzlich wird eine Relativdrehung der ersten Festwelle 64 zu dem Gehäuse 11 verhindert, indem Arme 73a, 73a eines Arretierelements 73, die lose in das linke Ende der ersten Festwelle 64 eingesetzt sind, an der ersten Gehäusehälfte 12 durch Bolzen 74, 74 befestigt werden.
  • Ein Dampfzufuhrrohr 75 ist in das an der Achse L angeordnete Ventilgehäuse 61 eingesetzt und ist an dem Ventilgehäuse 61 durch eine Mutter 76 befestigt. Das Dampfzufuhrrohr 75 ist an seinem rechten Ende mit einem Düsenelement 77 verbunden, das in das Ventilgehäuse 61 im Presssitz sitzt. Ein Paar von Vertiefungen 81, 8i (siehe 7) ist mit einer Phasendifferenz von 180° über das Ventilgehäuse 61 und ein Außenende des Düsenelements 77 hinweg definiert, und ringförmige Verbindungselemente 78, 78 sind in die Vertiefungen 81, 81 eingesetzt und sind darin gehalten. Ein erster Dampfkanal S1 ist axial in der Mitte des Düsenelements 77 definiert, um zu dem Dampfzufuhrrohr 75 zu führen, und ein Paar zweiter Dampfkanäle S2, S2 ist mit einer Phasendifferenz von 180° vorgesehen, um sich axial durch den verdickten Abschnitt 64a der ersten Festwelle 64 zu erstrecken. Ein Außenende des ersten Dampfkanals S1 und radiale Innenenden der zweiten Dampfkanäle S2, S2 stehen durch die Verbindungselemente 78, 78 immer miteinander in Verbindung. Zwölf dritte Dampfkanäle S3 sind so vorgesehen, dass sie sich durch die Drehwelle 21 und die durchmesserkleineren Abschnitte 33a der zwölf Zylinder 33 erstrecken, die mit Abständen von 30° in dem an der Drehwelle 21 befestigten Rotor 27 gehalten sind, wie oben beschrieben. Radiale Innenenden der dritten Dampfkanäle S3 liegen radialen Außenenden der zweiten Dampfkanäle S2, S2 gegenüber, um eine Verbindung damit zu ermöglichen.
  • Ein Paar von Kerben 64b, 64b sind mit einer Phasendifferenz von 180° in der Außenumfangsoberfläche des verdickten Abschnitts 64a der ersten Festwelle 64 definiert, und sie sind mit den dritten Dampfkanälen S3 in Verbindung bringbar. Die Kerben 64b, 64b der Übertragungskammer 19 stehen durch ein Paar vierter Dampfkanäle S4, S4, die schräg in der ersten Festwelle 64 definiert sind, einem fünften Dampfkanal S5, der axial in der ersten Festwelle 64 definiert ist, einem sechsten Dampfkanal S6, der in dem Nabenabschnitt 61a des Ventilgehäuses 61 definiert ist, und Durchgangsbohrungen 61c, die sich in einen Außenumfang des Nabenabschnitts 61a des Ventilgehäuses 61 öffnen, miteinander in Verbindung.
  • Wie in 5 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Einlassöffnungen 79 in einer radialen Anordnung in der ersten Gehäusehälfte 12 an Stellen definiert, die mit einem Winkel von 15° in einer Drehrichtung des Rotors 27 vorverlagert sind, auf der Basis einer Richtung eines kürzeren Durchmessers der Rotorkammer 14. Der Innenraum in der Rotorkammer 14 steht mit der Übertragungskammer 19 über die Einlassöffnungen 79 in Verbindung. Eine große Anzahl von Auslassöffnungen 80 sind in einer Mehrzahl radialer Reihen in der zweiten Gehäusehälfte 13 an Stellen vorgesehen und angeordnet, die mit einem Winkel von 15° bis 75° in der Drehrichtung des Rotors 27 rückverlagert sind, auf der Basis der Richtung des kürzeren Durchmessers der Rotorkammer 14. Der Innenraum in der Rotorkammer 14 steht über die Auslassöffnungen 80 mit der Auslasskammer 20 in Verbindung.
  • Ein Drehventil V ist ausgebildet, um die periodische Verbindung der zweiten Dampfkanäle S2, S2 und der dritten Dampfkanäle S3 miteinander zu gestatten, sowie die periodische Verbindung der Kerben 64b, 64b in der ersten Festwelle 64 und der dritten Dampfkanäle S3 miteinander, durch relative Drehung der ersten Festwelle 64 und der Drehwelle 21.
  • Wie aus den 2 und 3 ersichtlich, sind Druckkammern 86, 86 in den Rückseiten der Ringdichtungen 54, 54 definiert, die in die kreisförmigen Dichtungsnuten 51, 51 in den ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 eingesetzt sind, und ein erster Wasserkanal W1, der in den ersten und zweiten Gehäusehälften 12 und 13 definiert ist, steht mit den beiden Druckkammern 86, 86 durch einen zweiten Wasserkanal W2 und einen dritten Wasserkanal W3, die jeweils ein Rohr bilden, in Verbindung. Eine Filterkammer 13d, die durch einen mit zwei O-Ringen 87 und 88 versehenen Deckel 89 öffen- und schließbar ist, ist radial außerhalb des hohlen Lagerrohrs 13c der zweiten Gehäusehälfte 13 definiert, und ein ringförmiger Filter 90 ist in der Filterkammer 13d untergebracht. Der erste Wasserkanal W1 in der zweiten Gehäusehälfte 13 steht mit der Außenumfangsoberfläche des Filters 90 durch einen ein Rohr bildenden vierten Wasserkanal W4 in Verbindung, und eine Innenumfangsoberfläche des Filters 90 steht mit einem sechsten ringförmigen Wasserkanal W6, der zwischen der zweiten Gehäusehälfte 13 und der Drehwelle 2i definiert ist, durch einen in der zweiten Gehäusehälfte 13 definierten fünften Wasserkanal W5 in Verbindung. Der sechste Wasserkanal W6 steht mit den zwölf Öffnungs-definierenden Elementen 41 durch zwölf siebte Wasserkanäle W7, eine Ringnut 21d, die in dem Außenumgang der Drehwelle 21 definiert ist, und zwölf achte Wasserkanäle W8, die sich radial innerhalb des Rotorkerns 31 erstrecken, jeweils in Verbindung.
  • Die Ringnut 21d, die in dem Außenumfang der Drehwelle 21 definiert ist, steht mit einer Ringnut 21e, die in dem Außenumfang der Drehwelle 21 definiert ist, durch zwölf neunte Wasserkanäle W9 (siehe 7) in Verbindung, die sich radial erstrecken, und die Ringnut 21e steht mit einem elften ringförmigen Wasserkanal W11, der zwischen dem linken Ende der Drehwelle 21 und der ersten Gehäusehälfte 12 definiert ist, durch zwölf zehnte Wasserkanäle W10 in Verbindung, die sich axial innerhalb der Drehwelle 21 erstrecken. Der sechste ringförmige Wasserkanal W6 und der elfte ringförmige Wasserkanal W11 stehen mit Gleitoberflächen zwischen den Innenumfängen der Lagerelemente 22 und 23 und dem Außenumfang der Drehwelle 21 durch Öffnungen um die Außenumfänge von Öffnungs-definierenden Bolzen 91, die in die Lagerelemente 22 und 23 eingeschraubt sind, und ferner über zwölf Wasserkanäle W12, die in den Lagerelementen 22 und 23 definiert sind, in Verbindung. Die Gleitoberflächen zwischen den Innenumfängen der Lagerelemente 22 und 23 und dem Außenumfang der Drehwelle 21 stehen mit den Flügelnuten 43 über dreizehnte Ablaufwasserkanäle W13 in Verbindung.
  • Der sechste ringförmige Wasserkanal W6 steht mit Gleitabschnitten zwischen der Innenumfangsoberfläche des Hohlraums 21a in der Drehwelle 21 und der Außenumfangsoberfläche vom rechten Ende der ersten Festwelle 64 über zwei dreißigste Wasserkanäle W30, W30 in Verbindung, die axial in der Drehwelle 21 vorgesehen sind. Eine Dichtungsnut 64c, die an der rechten Seite des verdickten Abschnitts 64a der ersten Festwelle 64 definiert ist, steht mit dem fünften Dampfkanal S5 durch einunddreißigste Wasserkanäle W31, W31 in Verbindung, die schräg in der ersten Festwelle 64 vorgesehen sind. Der elfte ringförmige Wasserkanal W11 steht mit Gleitabschnitten zwischen der Innenumfangsoberfläche des Hohlraums 21a der Drehwelle 21 und der Außenumfangsoberfläche am linken Ende der ersten Festwelle 64 in Verbindung und eine Dichtungsnut 64d, die an der linken Seite des verdickten Abschnitts 64a der ersten Befestigungswelle 64 definiert ist, steht mit dem fünften Dampfkanal S5 durch zweiunddreißigste Wasserkanäle S32, S32, die sich radial durch die erste Festwelle 64 erstrecken, und die einunddreißigsten Wasserkanäle W31, W31 in Verbindung.
  • Wie aus dem Vergleich der 1 und 2 miteinander ersichtlich, wird der Hochtemperatur- und Hochdruckdampf von dem Verdampfer 3 über den Kanal P4 dem Dampfzufuhrrohr 75 für den Expander 4 zugeführt, der Dampf von dem Reduzierventil 107, das stromab des Ausgabeventils 106 angeordnet ist, wird über den Kanal P5 in die Übertragungskammer 19 in dem Expander 4 zugeführt, und das Hochtemperaturwasser von dem Ausgabeventil 106 wird über den Kanal P6 dem ersten Wasserkanal W1 zugeführt. Der temperaturreduzierte und druckreduzierte Dampf von der Ausgabebohrung 17 in dem Expander 4 wird zu dem Kanal P8 ausgegeben.
  • Nachfolgend wird der Betrieb der vorliegenden Ausführung mit der oben beschriebenen Anordnung beschrieben.
  • Zuerst wird der Betrieb des Expanders 4 beschrieben. In Bezug auf 3 wird der Hochtemperatur- und Hochdruckdampf von dem Kanal P4, der zu der stromabwärtigen Seite des Verdampfers 3 führt, dem Dampfzufuhrrohr 75, dem ersten Dampfkanal S1, der axial in der Düsenkammer 77 definiert ist, und dem Paar zweiter Dampfkanäle S2, S2, die sich radial durch das Düsenelement 77, die Verbindungselemente 78, 78 und den verdickten Abschnitt 64a der ersten Festwelle 64 erstrecken, zugeführt. Wenn, in Bezug auf die 6 und 7, die Drehwelle 21, die sich gemeinsam mit dem Rotor 27 dreht, eine vorbestimmte Phase erreicht, wird das Paar dritter Dampfkanäle S3, S3, das sich an den Stellen befindet, die in der Drehrichtung des Rotors 27 gemäß Pfeil von einer Position kürzeren Durchmessers der Rotorkammer 14 vorverlagert ist, mit dem Paar zweiter Dampfkanäle S2, S3 in Verbindung gebracht, wodurch der Hochtemperatur- und Höherdruckdampf in den zweiten Dampfkanälen S2, S2 in das Zylinderpaar 32, 33 über die driten Dampfkanäle S3, S3 zugeführt wird, um die Kolben 37, 37 radial auswärts zu drücken. Wenn die durch die Kolben 37, 37 unter Druck gesetzten Flügel 44, 44 sich radial auswärts bewegen, werden die Ausfahrbewegungen der Kolben 37, 37 durch Eingriff des an den Flügeln 44, 44 angebrachten Rollenpaars 45, 45 mit den Ringnuten 49, 49 in die Drehbewegung des Rotors 27 umgewandelt.
  • Auch nachdem die Verbindung zwischen den zweiten Dampfkanälen S2, S2 und den dritten Dampfkanälen S3, S3 mit der Drehung des Rotors 27 in der mit dem Pfeil R agnegebenen Richtung blockiert wird, werden die Kolben 37, 37 durch die weiter fortgesetzte Ausdehnung des Hochtemperatur- und Höherdruckdampfs innerhalb der Zylinder 33, 33 weiter ausgefahren, wodurch die Drehung des Rotors 27 fortgesetzt wird. Wenn die Flügel 44, 44 die Position längeren Durchmessers der Rotorkammer 14 erreichen, werden die zu den entsprechenden Zylindern 33, 33 führenden dritten Dampfkanäle S3, S3 mit den Kerben 64b, 64b der ersten Festwelle 64 in Verbindung gebracht, und die Kolben 37, 37, die durch die Flügel 44, 44 mit den in den Ringnuten 49, 49 geführten Rollen 45, 45 unter Druck gesetzt werden, werden radial einwärts bewegt, wodurch der Dampf in den Zylindern 33, 33 durch die dritten Dampfkanäle S3, S3, die Kerben 64b, 64b, die vierten Dampfkanäle S4, S4, den fünften Dampfkanal S5, den sechsten Dampfkanal S6 und die Durchgangsbohrungen 61c hindurchgeleitet und als erster temperaturreduzierter und druckreduzierter Dampf in die Übertragungskammer 19 gefördert. Der erste temperaturreduzierte und druckreduzierte Dampf ist ein Dampf, der sich aus dem Hochtemperatur- und Hochdruckdampf ergibt, der von dem Dampfzufuhrrohr 75 zugeführt worden ist und seine Arbeit zum Antrieb der Kolben 37, 37 beendet hat, was im Abfall seiner Temperatur und seines Drucks resultiert. Die eigene Wärmeenergie und die Druckenergie des ersten temperaturreduzierten und druckreduzierten Dampfs sind reduziert im Vergleich zu jenen des Hochtemperatur- und Hochdruckdampfs, aber immer noch ausreichend, um die Flügel 44 anzutreiben.
  • Der Dampf wird von dem stromab des Ausgabeventils 106 angeordneten Reduzierventil 107 über den Kanal P5 zu der Übertragungskammer 19 geleitet, wo er mit dem ersten temperaturreduzierten und druckreduzierten Dampf vereinigt und homogen vermischt wird.
  • Der erste temperaturreduzierte und druckreduzierte Dampf und der Dampf von dem Ausgabeventil 106, die in der Übertragungskammer 19 gemischt sind, werden von den Einlassöffnungen 79 in der ersten Gehäusehälfte 12 in die Flügelkammern 50 in der Rotorkammer 14 geleitet, nämlich den Raum, der durch die Rotorkammer 14, den Rotor 27 und das Paar benachbarter Flügel 44, 44 definiert ist, wo der Dampf expandiert, um den Rotor 27 zu drehen. Ein zweiter temperaturreduzierter und druckreduzierter Dampf, der aus dem ersten temperaturreduzierten und druckreduzierten Dampf resultiert, der seine Arbeit beendet hat, was im Abfall seiner Temperatur und seines Drucks resultiert, wird von den Auslassöffnungen 80 in der zweiten Gehäusehälfte 13 in die Auslasskammer 20 ausgegeben und von dort über die Ausgabebohrung 17b in den Kondensator 5 geleitet.
  • Auf diese Weise werden die zwölf Kolben 37 sequenziell durch die Ausdehnung des Hochtemperatur- und Höherdruckdampfs betätigt, um den Rotor 27 durch die Rollen 45, 45 und die Ringnuten 49, 49 zu drehen, und eine Ausgangsleistung wird von der Drehwelle 21 erzeugt, indem der Rotor 27 durch die Flügel 44 mit der Ausdehnung des ersten temperaturreduzierten und druckreduzierten Dampfs, der aus dem Temperatur- und Druckabfall des Hochtemperatur- und Höherdruckdampfs resultiert, und der Ausdehnung des Dampfs von dem Ausgabeventil 106 gedreht wird.
  • Nachfolgend wird die Schmierung der verschiedenen Gleitabschnitte des Expanders 4 durch das Wasser beschrieben. Das Schmierwasser wird von dem Ausgabeventil 106 über den Kanal P6 zu dem ersten Wasserkanal W1 in dem Gehäuse 11 zugeführt.
  • Das dem ersten Wasserkanal W1 zugeführte Wasser wird über den zweiten Wasserkanal W2 und den dritten Wasserkanal W3, die jeweils ein Rohr bilden, den Druckkammern 86, 86 in den Böden der kreisförmigen Dichtungsnuten 51, 51 in der ersten Gehäusehälfte 12 und der zweiten Gehäusehälfte 13 zugeführt, um hierdurch die Ringdichtungen 54, 54 zur Seite der Rotors 27 zu drücken. Das Wasser, das von dem ersten Wasserkanal W1 zu dem vierten Wasserkanal W4, die das Rohr bilden, nach Filterung durch den Filter 90 zur Entfernung von Fremdstoffen, zugeführt ist, wird dem in der zweiten Gehäusehälfte 13 definierten fünften Wasserkanal W5, dem zwischen der zweiten Gehäusehälfte 13 und der Drehwelle 21 definierten sechsten Wasserkanal W6, die in der Drehwelle 2i definierten siebten Waserkanäle W7, die Ringnut 21d in der Drehwelle 21 und die in dem Rotorkern 31 definierten achten Wasserkanäle W8 zugeführt, wo das Wasser durch die mit der Drehung des Rotors 27 erzeugte Zentrifugalkraft weiter unter Druck gesetzt wird und dann den Öffnungs-definierenden Elementen 41 der Rotorsegmente 32 zugeführt wird.
  • in jedem der Rotorsegmente 32 wird das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende Element 41 in den vierzehnten Wasserkanal S14 in der Bodenplatte 40 fließt, tritt durch den zweiundzwanzigsten Wasserkanal W22 in der Seitenplatte 39 hindurch und wird von den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a ausgeworfen, und das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende Element 41 in den siebzehnten Wasserkanal W17 in der Bodenplatte 40 fließt, wird durch den einundzwanzigsten Wasserkanal W21 in dem Blockelement 38 und den fünfundzwanzigsten Wasserkanal W25 in der Seitenplatte 39 hindurchgeleitet und von den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a ausgeworfen. Das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende Element 41 in den achtzehnten Wasserkanal W18 in der Bodenplatte 40 fließt, wird durch den sechsundzwanzigsten Wasserkanal W26 in der Seitenplatte 39 hindurchgeleitet und aus den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a ausgeworfen, und das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende Element 41 in den neunzehnten Waserkanal W19 in der Bodenplatte 40 fließt, wird durch den siebenundzwanzigsten Wasserkanal W27 in der Seitenplatte 39 hindurchgeleitet und von den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a ausgeworfen. Zwei tiefere der vier Schmierwasserauswurfbohrungen 39a, die sich in die Oberfläche der Seitenplatte 39 öffnen, stehen mit den Innenseiten der Vertiefungen 44e, 44e in den zwei Flügeln 44 in Verbindung.
  • Das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende Element 41 in den fünfzehnten Wasserkanal W15 in der Bodenplatte 40 fließt, wird durch den dreiundzwanzigsten Wasserkanal W23 in der Seitenplatte 39 und den neunundzwanzgisten Wasserkanal W29 in dem Blockelement 38 hindurchgeleitet und von der Schmierwasserauswurfbohrung 38e in der Vertiefung 38c ausgeworfen, und das Wasser, das durch das Öffnungs-definierende Element 41 in den sechzehnten Wasserkanal W16 in der Bodenplatte 40 fließt, wird durch den zwanzigsten Wasserkanal W20 in dem Blockelement 38, den vierundzwanzigsten Wasserkanal W24 in der Seitenplatte 39 und den achtundzwanzigsten Wasserkanal W28 in dem Blockelement W38 durchgeleitet und von der Schmierwasserauswurfbohrung 38d in der Vertiefung 38b ausgeworfen.
  • Das Wasser, das aus den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a in der Seitenplatte 39 jedes der Rotorsegmente 32 in die Flügelnut 43 ausgeworfen ist, bildet ein statisches Drucklager zwischen der Flügelnut 43 und dem in die Flügelnut 43 verschiebbar eingesetzten Flügel 44, um den Flügel 44 im schwimmenden Zustand zu lagern, um hierdurch den körperlichen Kontakt der Seitenplatte 39 des Rotorsegments 32 und des Flügels 44 miteinander zu verhindern, um das Auftreten von Festfressen und Verschleiß zu verhindern. Durch Zufuhr des Wassers zur Schmierung der Gleitoberfläche des Flügels 33 durch den achten Wasserkanal W8, der radial in dem Rotor 27 vorgesehen ist, in der obigen Weise, kann das Wasser durch die Zentrifugalkraft unter Druck gesetzt werden, aber es kann auch die Temperatur um den Rotor 27 herum stabilisiert werden, um den Einfluss aufgrund der thermischen Expansion zu reduzieren, und der eingestellte Abstand kann eingehalten werden, um die Leckage des Dampfs auf ein Minimum zu drücken.
  • Eine auf jeden der Flügel 44 ausgeübte Umfangslast (eine Last in Richtung orthogonal zum plattenförmigen Flügel 44) ist eine resultierende Kraft, die sich aus einer Last aufgrund einer Differenz zwischen Dampfdrücken, die auf die Vorder- und Rückseiten des Flügels innerhalb der Rotorkammer 14 wirken, und Umfangskomponenten von Reaktionskräften, die von den Ringnuten 49, 49 über die an dem Flügel 44 angebrachten Rollen 45, 45 aufgenommen wird, ergibt, aber diese Lasten verändern sich periodisch in Abhängigkeit von der Phase des Rotors 27. Daher zeigt der Flügel 44, der periodisch diese unausgeglichene Last aufnimmt, ein Verhalten, dass er innerhalb der Flügelnut 43 verkippt wird.
  • Wenn der Flügel 44 auf diese Weise durch die unausgeglichene Last verkippt wird, verändert sich der Spielraum zwischen dem Flügel 44 und den vier Schmierwasserauswurfbohrungen 39a, die sich in die Seitenplatten 39, 39 der Rotorsegmente 32 an entgegengesetzten Seiten des Flügels 44 öffnen, und daher wird der Wasserfilm in dem aufgeweiteten Abschnitt des Spielraums weggetragen, und es ist schwierig, dass das Wasser in den verengten Abschnitt des Spielraums zugeführt wird. Aus diesem Grund besteht eine Möglichkeit, dass an den Gleitabschnitten der Druck nicht aufgebaut wird, wodurch der Flügel 44 in direkten Kontakt mit den Gleitoberflächen der Seitenplatten 39, 39 gebracht wird, sodass er verschleißt. Jedoch wird das Wasser gemäß der vorliegenden Ausführung durch die Öffnungen in die Schmierwasserauswurfbohrungen 39a durch das am Rotorsegment 32 montierte Öffnungs-definierende Element 41 zugeführt, und daher wird der oben beschriebene Nachteil überwunden.
  • Insbesondere, wenn der Spielraum zwischen den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a und em Flügel 44 aufgeweitet wird, ist der Druck des zugeführten Wassers konstant, und daher wird die Strömungsrate des Wassers um eine Zunahme der aus dem Spielraum hinausfließenden Wassermenge relativ zu einer konstanten Druckdifferenz, die über der Öffnung im Dauerzustand erzeugt wird, erhöht, wodurch die Druckdifferenz über der Öffnung aufgrund eines Drosseleffekts erhöht wird, es zu einer Druckminderung in dem Spielraum führt, und im Ergebnis eine Kraft erzeugt wird, um den aufgeweiteten Spielraum zurück zur ursprünglichen Breite zu verengen. Wenn der Spielraum zwischen den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a und dem Flügel 44 verengt ist, ist die aus dem Spielraum hinausfließende Wassermenge reduziert, was zu einer Minderung der Druckdifferenz über der Öffnung führt, und im Ergebnis eine Kraft erzeugt wird, um den Spielraum, der aufgrund des Druckabfalls in dem Spielraum verengt ist, zurück zur ursprünglichen Breite aufzuweiten.
  • Selbst wenn der Spielraum zwischen den Schmierwasserauswurfbohrungen 39a und dem Flügel 44 durch die an den Flügel 44 angelegte Last verändert wird, wie oben beschrieben, regulieren die Öffnungen den Druck des dem Spielraum zugeführten Wassers automatisch in Abhängigkeit von der Größenveränderung des Spielraums, und daher kann der Spielraum zwischen dem Flügel 44 und jeder der Seitenplatten 39, 39 der Rotorsegmente 32 an den entgegengesetzten Seiten des Flügels 44 auf einer gewünschten Größe gehalten werden. Somit kann der Wasserfilm inmer zwischen dem Flügel 44 und jeder der Seitenplatten 39, 39 zurückgehalten werden, um den Flügel im schwimmenden Zustand zu lagern, um hierdurch zuverlässig zu vermeiden, dass der Flügel 44 in körperlichen Kontakt mit der Gleitoberfläche jeder der Seitenplatten 39, 39 gebracht wird, sodass er verschleißt.
  • Zusätzlich wird das Wasser in jeder der zwei Vertiefungen 44e, 44e, die in jeder der entgegengesetzten Oberflächendes Flügels 44 definiert sind, zurückgehalten, und daher dient jede der Vertiefungen 44e, 44e als Druckbarriere, um einen Druckabfall aufgrund der Leckage des Wassers zu unterdrücken. Im Ergebnis wird der Flügel 44, der zwischen den Gleitoberflächen des Paars von Seitenplatten 39, 39 eingeklemmt ist, mittels des Wassers in den schwimmenden Zustand gebracht, wodurch der Gleitwiderstand auf nahezu null reduziert werden kann. Wenn der Flügel 44 hin- und herbewegt wird, wird die radiale Position des Flügels 44 relativ zum Rotor 27 verändert, aber der sich hin- und herbewegende Flügel 44 kann immer im schwimmenden Zustand gehalten werden, um den Gleitwiderstand wirkungsvoll zu reduzieren, weil die Vertiefungen 44e, 44e in dem Flügel 44 vorgesehen sind anstelle in den Seitenplatten 39, 39, und in der Nähe der Rollen 45, 45, mit der am stärksten auf den Flügel 44 ausgeübten Last vorgesehen sind.
  • Das Wasser, das die Gleitoberflächen des Flügels an den Seitenplatten 39, 39 geschmiert hat, wird durch Zentrifugalkraft nach radial auswärts bewegt, um die Gleitabschnitte des Dichtungselements 46 zu schmieren, das an der bogenförmigen Fläche 44b des Flügels 44 und der bogenförmigen Fläche 14b der Rotorkammer 14 angebracht ist. Das Wasser, das die Schmierung beendet hat, wird aus der Rotorkammer 14 durch die Auslassöffnungen 80 in die Auslasskammer 20 ausgegeben.
  • Teile des Wassers, die in die Rotorkammer 14 nach Schmierung der Gleitoberflächen der Seitenplatten 39, 39 und des Flügels 44 fließen und in die Flügelkammer 50 in einem Expansionshub der Rotorkammer 14 fließen, werden mit dem Hochtemperaturdampf vermischt und verdampft, um hierdurch die Ausgangsleistung von dem Expander 4 zu erhöhen.
  • Die Achse der Abszissen im in 13 gezeigten Graph ist die Steuerzeit (Phase) der Zufuhr des Wassers zur Flügelkammer 50, und die Ordinatenachse ist der Zunahmebetrag in der Ausgangsleistung von dem Expander 4. Darüber hinaus beträgt der Druck des Wassers, das der Flügelkammer 50 durch die Gleitoberflächen zugeführt wird, 2 MPa, und der Prozentsatz der Wassermenge, die der Flügelkammer 50 durch die Gleitoberflächen zugeführt wird, zur Wassermenge, der in dem Verdampfer 3 über den Kanal P4 zur Flügelkammer 50 in dem Expander 4 zugeführt wird, beträgt 60%. In 13 sind Kurven in den Fällen gezeigt, wo die Temperatur des der Flügelkammer 50 durch die Gleitoberflächen zugeführten Wassers 50° C, 100°C und 200°C beträgt. Aus 3 ist ersichtlich, dass, je höher die Temperatur des Wassers ist, desto stärker die Ausgangsleistung von dem Expander 4 zunimmt, und desto stärker die Phase, in der der Zunahmebetrag in der Ausgangsleistung eine Spitze einnimmt, festgelegt wird.
  • Die Achsen der Abszissen und Ordinaten im in 14 gezeigten Graph sind die gleichen wie in 13. In 14 sind Kurven in Fällen gezeigt, wo der Prozentsatz der Wassermenge, die der Flügelkammer 50 durch die Gleitoberflächen zugeführt wird, zur Wassermenge, die von dem Verdampfer 3 über den Kanal P4 der Flügelkammer 50 im Expander 4 zugeführt wird, 0%, 20%, 40% und 60% beträgt. In diesem Fall beträgt der Druck des Wassers, das der Flügelkammer 50 durch die Gleitoberflächen zugeführt wird, 2 MPa, und die Temperatur dieses Wassers ist konstant. Es ist ersichtlich, dass dann, wenn der Prozentsatz der Wassermenge, die der Flügelkammer 50 durch die Gleitoberflächen zugeführt wird, erhöht wird, der Zunahmebetrag in der Ausgangsleistung von dem Expander 4 erhöht wird, aber die Phase, in der der Zunahmebetrag in der Ausgangsleistung eine Spitze einnimmt, immer konstant ist, ohne sich zu ändern.
  • Wie oben beschrieben, wird das Wasser in Druckkammern 86, 86 in den Böden der kreisförmigen Dichtungsnuten 51, 51 in der ersten Gehäusehälfte 12 und der zweiten Gehäusehälfte 13 zugeführt, um die Ringdichtungen 54, 54 zur Seite des Rotors 27 zu drücken, und das Wasser wird von den Schmierwasserauswurfbohrungen 38d und 38e, die innerhalb der Vertiefungen 38b und 38c in jedem der Rotorsegmente 32 definiert sind, ausgeworfen, um ein statisches Drucklager an der Gleitoberfläche an den flachen Flächen 14a, 14a der Rotorkammer 14 zu bilden, wodurch die flachen Flächen 27a, 27a des Rotors 27 durch die Ringdichtungen 54, 54 abgedichtet werden, die innerhalb der kreisförmigen Dichtungsnuten 51, 51 im schwimmenden Zustand sind. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass der Dampf in der Rotorkammer 14 durch den Spielraum zwischen der Rotorkammer 14 und dem Rotor 27 leckt. Hierbei werden die Ringdichtungen 54, 54 und der Rotor 27 durch die Wasserfilme voneinander isoliert, die von den Schmierwasserauswurfbohrungen 38d und 38e zugeführt werden, sodass sie nicht in körperlichen Kontakt miteinander gebracht werden können. Selbst wenn darüber hinaus der Rotor 27 verkippt wird, werden die Ringdichtungen 54, 54, der Schrägstellung des Rotors 27 folgend, innerhalb der kreisförmigen Dichtungsnuten 51, 51 verkippt, wodurch sich eine stabile Dichtleistung sicherstellen lässt, während die Reibkraft auf das Minimum gedrückt wird.
  • Das Wasser, das die Gleitabschnitte der Ringdichtungen 54, 54 und den Rotor 27 geschmiert hat, wird der Rotorkammer 14 durch die Zentrifugalkraft zugeführt und wird von dort über die Auslassöffnungen 80 zur Außenseite des Gehäuses 11 ausgegeben.
  • Andererseits fließt das Wasser, das von dem sechsten Wasserkanal W6 zugeführt ist, über die Öffnungen, die um die Außenumfänge der Öffnungs-definierenden Bolzen 91 in dem Lagerelement 23 definiert sind, und die zwölften Wasserkanäle W12 zur Bildung des Wasserfilms auf Gleitoberflächen des Innenumfangs des Lagerelements 23 und des Außenumfangs der Drehwelle 21, um den Außenumfang einer rechten Hälfte der Drehwelle 21 durch den Wasserfilm im schwimmenden Zustand zu lagern, um hierdurch die Gleitoberflächen derart zu schmieren, dass körperliche Kontakt der Drehwelle 21 und des Lagerelements 23 miteinander verhindert wird, um das Auftreten von Festfressen und Verschleiß zu verhindern. Das Wasser, das von dem sechsten Wasserkanal W6 zum siebten Wasserkanal W7, den neunten Wasserkanälen W9, den zehnten Wasserkanälen W10 und dem elften Wasserkanal W11, der in der Drehwelle 21 definiert ist, zugeführt wird, fließt über die Öffnungen, die um die Außenumfänge der Öffnungs-definierenden Bolzen 91 in dem Lagerelement 22 definiert sind, und die zwölften Wasserkanäle W12 zur Bildung des Wasserfilms auf den Gleitoberflächen des Innenumfangs des Lagerelements 22 und des Außenumfangs der Drehwelle 21, um den Außenumfang einer linken Hälfte der Drehwelle 21 im schwimmenden Zustand durch den Wasserfilm zu lagern, um hierdurch die Gleitoberflächen derart zu schmieren, dass der körperliche Kontakt der Drehwelle 21 und des Lagerelements 23 miteinander verhindert wird, um das Auftreten von Festfressen und Verschleiß zu verhindern. Das Wasser, das die Gleitoberflächen der Lagerelemente 22 und 23 geschmiert hat, wird über die dreizehnten Wasserkanäle W13, die in den Lagerelementen 22 und 23 definiert sind, in die Flügelnuten 43 ausgegeben.
  • Das Wasser, das sich in den Flügelnuten 43 angesammelt hat, fließt in die Wasserausgabekanäle 44g, die die Böden der Flügel 44 mit den einen Seiten der Flügel 44 verbinden, aber weil sich die Wasserausgabekanäle 44g in die Rotorkammer 14 in einem vorbestimmten Winkelbereich öffnen, wo die Flügel 44 am stärksten von dem Rotor 27 vorstehen, wird das Wasser in den Flügelnuten 43 über die Wasserausgabekanäle 44g in die Rotorkammer 14 unter der Wirkung einer Druckdifferenz zwischen den Flügelnuten 43 und der Rotorkammer 14 ausgegeben.
  • Das Wasser, das von dem sechsten Wasserkanal W6 über den dreißigsten Wasserkanal W30, der in der Drehwelle 21 definiert ist, zugeführt wird, schmiert den Außenumfang der ersten Festwelle 64 und die rechte Hälfte der Gleitoberfläche am Innenumfang der Drehwelle 21, und wird dann von der Dichtungsnut 64c in der ersten Festwelle 64 über die einunddreißigsten Wasserkanäle W31, W31 zu dem fünften Dampfkanal S5 ausgegeben. Ferner schmiert das Wasser von dem elften Wasserkanal W11 den Außenumfang der ersten Festwelle 64 und die linke Hälfte der Gleitoberfläche am Innenumfang der Drehwelle 21 und wird dann von der Dichtungsnut 64d in der ersten Festwelle 64 über den einunddreißigsten Wasserkanal W31 zu dem fünften Dampfkanal S5 ausgegeben.
  • Wie oben beschrieben, ist der Rotor 27 des Expanders 4 durch den Rotorkern 31 und die Mehrzahl von Rotorsegmenten 32 geteilt aufgebaut und daher kann die Dimensionsgenauigkeit der Flügelnuten 43 in dem Rotor 27 leicht verbessert werden. In dem einfachen Rotor 27 ist es extrem schwierig, die Flügelnuten 43 mit einer Nutbreite guter Genauigkeit herzustellen, um die Oberflächenrauigkeit der Gleitoberflächen zu verbessern, aber dieses Problem kann gelöst werden, indem die Mehrzahl von vorfabrizierten Rotorsegmenten an dem Rotorkern 31 montiert wird. Selbst wenn sich ein Fehler aufgrund der Montage der Mehrzahl von Rotorsegmenten 32 akkumuliert, kann die Fehlerakkumulation durch Regulierung der Größe zumindest eines der Rotorsegmente 32 absorbiert werden, um hierdurch den Rotor 27 insgesamt mit einer hohen Genauigkeit herzustellen.
  • Der innere Rotorkern 31, dem der Hochtemperatur- und Hochdruckdampf zugeführt wird, und jedes der äußeren Rotorsegmente 32, die eine relativ niedrige Temperatur haben, sind durch verschiedene Elemente gebildet. Daher kann die Wärmeübertragung von dem Rotorkern 31, der die hohe Temperatur hat, zu den Rotorsegmenten 32 unterdrückt werden, wodurch der Wärmeverlust zur Außenseite des Rotors 27 verhindert werden kann, um hierdurch den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern, sondern auch die thermische Verformung des Rotors 27 gemäßigt werden kann, um die Genauigkeit zu verbessern. Darüber hinaus können ein Material und ein Verarbeitungsverfahren, das für jede der Funktionen des Rotorkerns 31 und der Rotorsegmente 32 geeignet ist, ausgewählt werden, und daher werden der konstruktive Freiheitsgrad und der Freiheitsgrad des Verarbeitungsverfahrens erhöht, und es kann die Verschleißminderung der Gleitoberflächen der Rotorsegmente 32 und der Flügel 44, eine Verbesserung der Haltbarkeit und eine Verbesserung der Abdichteigenschaften erzielt werden. Ferner, selbst wenn in einem Teil des Rotors 27 ein Problem auftritt, kann der Rotor 27 repariert werden, indem lediglich dieses Teil durch ein neues Teil ersetzt wird. Dies kann zu einer Kostenminderung im Vergleich zu einem Fall beitragen, wo der gesamte Rotor durch einen neuen Rotor ersetzt wird, oder weggeworfen wird.
  • Nachfolgend wird der Betrieb eines Kühlsystems für die Brennkraftmaschine 1, einschließlich des Rankine-Zyklussystems 2, hauptsächlich in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
  • Wasser, das aus dem Tank 6 durch die Niederdruckpumpe 7 gepumpt wird, wird über den Kanal P1 zum im Auspuffrohr 101 angebrachten Wärmetauscher 102 geleitet, wo es vorgewärmt wird. Dann wird das Wasser über den Kanal P2 zum Wassermantel 105 der Brennkraftmaschine 1 geleitet. Das im Wassermantel 105 fließende Wasser kühlt den Zylinderblock 103 und den Zylinderkopf 104, die erhitzte Abschnitte der Brennkraftmaschine 1 sind, und dieses Wasser wird in einem Zustand erhöhter Temperatur dem Ausgabeventil 106 zugeführt. Das im Wärmetauscher 102 im Auspuffrohr 102 vorgewärmte Wasser wird dem Wassermantel 105 zugeführt, wie oben beschrieben, und wenn daher die Temperatur der Brennkraftmaschine 1 niedriger ist, kann das Aufwärmen der Maschine 1 gefördert werden. Darüber hinaus kann die Leistung des Verdampfers 3 erhöht werden, indem das Überkühlen der Brennkraftmaschine 1 verhindert wird, um die Temperatur des Abgases anzuheben.
  • Ein Teil des in der Temperatur erhöhten Wassers, das von dem Ausgabeventil 106 ausgegeben wird, wird durch die Höherdruckpumpe 108 unter Druck gesetzt und dem Verdampfer 3 zugeführt, wo es dem Wärmetausch mit dem Abgas unterzogen und somit in Hochtemperatur- und Höherdruckdampf umgewandelt wird. Der in dem Verdampfer 3 erzeugte Hochtemperatur- und Höherdruckdampf wird dem Dampfzufuhrrohr 75 für den Expander 4 zugeführt; strömt dann durch die Zylinder 33 und die Flügelkammern 50, um die Drehwelle 21 anzutreiben, und wird dann von der Ausgabebohrung 17b ausgegeben.
  • Ein anderer Teil des von dem Ausgabeventil 106 ausgegebenen Hochtemperaturwassers wird durch das in den Kanal P5 eingebaute Reduzierventil 107 im Druck verringert und somit in Dampf umgewandelt, der der Übertragungskammer 19 in dem Expander 4 zugeführt wird. Der der Übertragungskammer 19 zugeführte Dampf wird mit dem ersten temperaturverringerten und druckverringerten Dampf, der von dem Dampfzufuhrrohr 75 zugeführt wird, vereinigt und strömt durch die Zylinder 33, und das resultierende Gemisch treibt die Drehwelle 21 an und wird dann von der Ausgabebohrung 17b ausgegeben. Wie oben beschrieben, wird ein Teil des Hochtemperaturwassers von dem Ausgabeventil 106 durch das Reduzierventil 107 verdampft und dem Expander 4 zugeführt, und daher kann Wärmeenergie, die in dem Wassermantel 105 der Brennkraftmaschine 1 durch das Wasser aufgenommen wird, wirkungsvoll genutzt werden, um die Ausgangsleistung von dem Expander 4 zu erhöhen. Darüber hinaus wird der andere Teil des durch das Ausgabeventil 106 ausgegebenen Hochtemperaturwassers über den Kanal P6 dem ersten Wasserkanal W1 in dem Expander 4 zugeführt, um verschiedene zu schmierende Teile zu schmieren. Weil die zu schmierenden Teile des Expanders 4 mittels des Hochtemperaturwassers geschmiert werden, wie oben beschrieben, kann eine Überkühlung des Expanders 4 verhindert werden, um hierdurch den Kühlverlust zu reduzieren. Das Wasser, das in die Flügelkammern 50 in dem Expansionshub nach der Schmierung eintritt, wird mit dem in der Flügelkammer 50 vorhandenen Dampf vermischt, wodurch es erhitzt und verdampft wird, um die Ausgangsleistung von dem Expander 4 durch die Wirkung seiner Expansion zu erhöhen. Der zweite temperaturreduzierte und druckreduzierte Dampf, der von der Ausgabebohrung 17b in dem Expander 4 zu dem Kanal P8 ausgegeben wird, wird dem Kondensator 5 zugeführt, wo er durch das Kühlgebläse 19 abgekühlt wird, sodass er zu Wasser wird und zum Tank 6 zurückfließt. Der andere Teil des von dem Ausgabeventil 106 ausgegebenen Hochtemperaturwassers wird durch den Wärmeaustausch mit dem im Kanal P7 enthaltenen Hilfsaggregat 110 abgekühlt und dann über das Rückschlagventil 111 zu dem Tank 6 zurückgeleitet.
  • Wie oben beschrieben, werden die folgenden Wasserzirkulationswege miteinander kombiniert: Ein Wasserzirkulationsweg, durch den das Wasser, das von dem Tank 6 mit der Niederdruckpumpe 7 gepumpt wird, dem Wasermantel 105 zugeführt wird, um die erhitzten Abschnitte der Brennkraftmaschine zu kühlen, und danach wird das Wasser dem Hilfsaggregat 110 zugeführt, um es zu kühlen, und wird dann zum Tank 6 zurückgeführt; und ein Wasserzirkulationsweg in dem Rankine-Zyklussystem 2, durch den ein Teil des aus dem Wassermantel 105 austretenden Wassers als das Arbeitsmedium weggegeben wird und über die Höherdruckpumpe 8, den Verdampfer 3, den Expander 4 und den Kondensator 5 zu dem Tank 6 zurückgeführt wird. Der Wasserzirkulationsweg in dem Kühlsystem für die Brennkraftmaschine 1 hat einen niedrigeren Druck und eine größere Strömungsrate, und der Wasserzirkulationsweg in dem Rankine-Zyklussystem 2 hat einen höheren Druck und eine geringere Strömungsrate. Daher kann das Wasser, das eine Strömungsrate und einen Druck hat, die für jeweils das Kühlsystem für die Brennkraftmaschine 1 und das Rankine-Zyklussystem 2 geeignet sind, zugeführt werden, wobei die erhitzten Abschnitte der Brennkraftmaschine 1 ausreichend gekühlt werden können, um einen Kühler nicht benutzen, während die Leistung des Rankine-Zyklussystems beibehalten wird. Darüber hinaus wird dann Wasser, das von der Niederdruckpumpe 7 dem Wassermantel 105 zugeführt wird, durch den im Auspuffrohr 101 angebrachten Wärmetauscher 102 vorgewärmt und daher kann die Abwärme von der Brennkraftmaschine 1 noch effizienter genutzt werden.
  • Darüber hinaus ist der Wärmetauscher 102 zur Aufnahme des von der Niederdruckpumpe 7 zugeführten Niedertemperaturwassers an einer Stelle stromab des Auspuffrohrs 101 angebracht, wo die Temperatur des Abgases niedriger ist als an der Stelle des Verdampfers 3 und daher kann überschüssige Abwärme, die das Abgas besitzt, effizient und gründlich wiedergewonnen werden. Weil darüber hinaus das vom Wärmetauscher 102 vorgewärmte Wasser dem Wassermantel 105 zugeführt wird, kann das Überkühlen der Brennkraftmaschine 1 verhindert werden und die Temperatur der Verbrennungswärme, nämlich des Abgases, kann angehoben werden, wodurch die Wärmeenergie des Abgases erhöht werden kann, was zu einer Verbesserung im Wirkungsgrad der Abwärmewiedergewinnung führt.
  • Obwohl die Ausführung der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden ist, versteht es sich, dass verschiedene konstruktive Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Gegenstand der Ansprüche abzuweichen.
  • Z.B. ist in der Ausführung Wasser (Dampf) als das Arbeitsmedium dargestellt, wobei aber erfindungsgemäß jedes andere Arbeitsmedium, wie etwa Ammoniak und dgl., verwendet werden kann. Wegen eines weiteren Temperaturbereichs, in dem das Wasser ohne Veränderung in der Zusammensetzung, wie etwa Carbonisierung, verwendet werden kann, ist jedoch das Wasser als Schmiermittel geeignet, das auch als Arbeitsmedium dient, und der Hochtemperaturdampf als das dem Expander 4 zugeführte Arbeitsmedium und das Wasser als Schmiermedium relativ niedriger Temperatur, das von dem Wassermantel 105 der Brennkraftmaschine 1 ausgegeben wird, können ohne Einschränkung miteinander vermischt werden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Das Rankine-Zyklussystem für die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist für ein Automobil geeignet, kann aber auch bei jeder anderen Brennkraftmaschine als für ein Automobil angewendet werden.

Claims (6)

  1. Rankine-Zyklussystem für eine Brennkraftmaschine, enthaltend einen Verdampfer (3) zum Erhitzen von Flüssigphasen-Arbeitsmedium durch Abwärme von einer Brennkraftmaschine (1), um ein Gasphasen-Arbeitsmedium zu erzeugen, einen Expander (4) zum Umwandeln von Wärmeenergie des von dem Verdampfer (3) ausgegebenen Gasphasen-Arbeitsmediums in mechanische Energie, einen Kondensator (5) zum Kühlen des von dem Expander (4) ausgegebenen Gasphasen-Arbeitsmediums, um das Gasphasen-Arbeitsmedium in das Flüssigphasen-Arbeitsmedium rückzuverwandeln, einen Tank (6) zur Aufbewahrung des von dem Kondensator (5) ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums, sowie Pumpen (7,8) zum Zuführen des Flüssigphasen-Arbeitsmediums in dem Tank (6) zu dem Verdampfer (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (7, 8) eine Niederdruckpumpe (7) und eine Höherdruckpumpe (8) sind, wobei die Niederdruckpumpe (7) das Flüssigphasen-Arbeitsmedium in dem Tank (6) durch ein Kühlmittel (105) für die Brennkraftmaschine (1) leitet, um hierdurch das Flüssigphasen-Arbeitsmedium zu erhitzen und einem Ausgabeventil (106) zuzuführen, wobei ein Teil des von dem Ausgabeventil (106) ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums durch die Höherdruckpumpe (8) unter Druck gesetzt und dem Verdampfer (3) zugeführt wird, wobei ein anderer Teil des von dem Ausgabeventil (106) ausgegebenen Flüssigphasen-Arbeitsmediums, nach Abgabe seiner Wärme in ein Hilfsaggregat (110), zum Tank (6) abgegeben wird.
  2. Rankine-Zyklussystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, worin das von der Niederdruckpumpe (7) austretende Flüssigphasen-Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher (102), der in einem Auspuffrohr (101) in der Brennkraftmaschine (1) angebracht ist, vorgewärmt wird und dem Kühlmittel (105) zugeführt wird.
  3. Rankine-Zyklussystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, worin ein Teil des von dem Ausgabeventil (106) ausgegebenen erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums als Schmiermedium für den Expander (4) genutzt wird.
  4. Rankine-Zyklussystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, worin der als das Schmiermedium zugeführte Teil des Flüssigphasen-Arbeitsmediums einem Expansionshub des Expanders (4) zugeführt wird.
  5. Rankine-Zyklussystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, worin ein von dem Ausgabeventil (106) abgegebener Teil des erhitzten Flüssigphasen-Arbeitsmediums durch ein Reduzierventil (107) geleitet wird, um in ein Gasphasen-Arbeitsmedium umgewandelt zu werden, das einem Expansionshub des Expanders (4) zugeführt wird.
  6. Rankine-Zyklussystem für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin als das Flüssigphasen-Arbeitsmedium Wasser verwendet wird.
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