DE660239C - Turbinenartige Kraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine umlaufende turbinenartige Kraftmaschine mit im Arbeitsraum beweglichen und treibenden Wandungen, die mit der Arbeitswelle fest verbunden den Arbeitsraum in zwei oder mehr getrennte Räume zerlegen. Nach der Erfindung besitzen die beweglichen Wandungen, ζ. Β. Taumelscheiben, Schnecken, Radialflächen, je eine Teilfläche mit Entspannungsdüsen, welche

ίο hinsichtlich der Arbeitswelle zu der vollen Fläche der Wandung so angeordnet ist, daß der entstehende Druckunterschied auf die Wandung eine Wellendrehung erzeugt, während gleichzeitig durch den die Düsen durehströmenden Betriebsstoff auf den Düsenwandungen Gegendrücke entstehen, welche den durch die Flächenbelastung entstehenden Druckunterschied verstärken.

Die umlaufenden Kraftmaschinen, zu wel-

ao chen der Erfindungsgegenstand gehört, erzielen eine bessere Kraftübertragung durch den Fortfall des Kurbeltriebes, wobei für den Erfindungsgegenstand die Möglichkeit besteht, außer Dampf und Preßluft auch beliebige

as andere Betriebsmittel zu verwenden. Die Kräfteübertragung berm Erfindungsgegenstand beruht auf der Rückstoßwirkung beschleunigter Gas-, Dampf- oder anderer Druckmittelströme durch erweiterte Düsenmündungen mit erheblichen Austrittsgeschwindigkeiten. Die Düsen sind in Wandungen, die sich um eine Achse drehen, eingebaut, so daß im beweglichen Teil der Maschine ein Druckgefälle geschaffen wird. Mit Turbinen verglichen ist hier die Leitscheibe zugleich auch Laufrad. Im Gegensatz zu anderen Rückstoßturbinen wird aber beim Erfindungsgegenstand der Gesamtrückstoß der Ausströmung von besonderen Flächen der Wandungen aufgenommen, die mit der Welle fest verbunden sind und sie in Drehung versetzen. Diese Anordnung besitzt eine ganze Reihe von Vorzügen. Zunächst ist die Bauart einfach und ergibt eine günstige Kraftübertragung. Ferner ist die Gesamtanordnung in allen Teilen völlig ausgeglichen, und es gibt keine hin und her geschleuderten Massen, welche die Leerlaufarbeit ungünstig beeinflussen und den Schwerpunkt der Maschine ständigen Schwankungen aussetzen. Die Stopfbüchsen an den Enden der Welle, die nur den Niederdruckraum von der Außenluft abgrenzen und somit nur gegen einen schwachen Druck abzudichten haben, können entsprechend leicht ausgeführt werden. Der Raumbedarf der Gesamtanordnung ist gering, weil alle treibenden Teile unmittelbar auf der Welle angeordnet sind.

Eine Ausführung der Anordnung besteht beispielsweise darin, daß in einem Zylinderkörper, durch dessen Mitte eine Welle hindurchführt, auf dieser Welle festsitzende Wandungen, die den Arbeitsraum des Zylinders in zwei oder mehr voneinander vollständig getrennte Räume zerlegen und somit Hochdruck und Niederdruck voneinander abgrenzen, drehbar angeordnet sind. In diesem Falle sind die Umfange dieser drehbaren Wandun-

gen in die Zylinderwandung eingeschlifEen. Die Wandungen können aber auch, mit der Zylinderwandung fest verbunden sein und sich; mit dem Zylinder zusammen drehen. Au Maschinenwelle sind diese Wandungen art angebracht, daß eine durch die Ac gelegte Symmetrieebene je zwei Teilflächen kennzeichnet, von denen die eine Teilfläehe mit Düsenöffnungen versehen ist, während die

ίο andere von solchen frei ist. Die Düsenöffnungen sind ,als kegelförmige Entspannungsdüsen mit erweiterten Mündungen ausgebildet. Der Druckunterschied des Hochünd Niederdruckraumes bewirkt eine Strömung des hochgespannten Arbeitsmittels nach den Düsenöffnungen hin. Ist daher nur eine Teilfläehe mit Düsenöffnungen ausgestattet, während die andere voll gehalten ist, so entsteht ein Druckunterschied zu beiden Seiten der Drehachse der Welle, wodurch die Drehbewegung der Wandungen und somit auch der Welle hervorgerufen wird. Die Druckverschiedenheit, die die Haupttriebkraft der Welle bildet, ist von der lichten Weite der Düsen in der zur Fläche senkrechten Richtung und von der Rückstoßkraft, die durch die hohe relative Austrittsgeschwindigkeit beim Durchströmen der Düsen entsteht und sich auf die volle Teilfläehe der Wandung (ohne Düsen) auswirkt, abhängig. Der Druckunterschied wird noch durch die tangentialen Teilkräfte des Gegendrucks der Entspannung des Betriebsstoffes in den kegelförmigen Wandungen der Düsen verstärkt.

Auf die Wandungen ohne Düsen wirkt somit ein Überdruck, der sich bei gasförmigen und flüssigen Brennstoffen immer senkrecht zu den beanspruchten Flächen auswirkt, und es bildet sich ein Kräfteplan erstens von

4.0 axialen Teilkräften, die sich gegenseitig aufheben und dadurch einen völligen Ausgleich des Achsendrucks hervorrufen, und zugleich von tangentialen Teilkräften, deren Drehmomente um die Achse eine Drehbewegung '45 erzeugen. Um die Drehzahl der Maschine herabsetzen zu können, wenn z. B. ein Treibmittel .mit recht hoher Spannkraft angewendet wird, kann man mehrere solcher zusammenhängenden Wandungen (mit und ohne Düsen) hintereinandergeschaltet anordnen und - damit eine Druckabstufung erreichen.

Die Teilflächen der Wandungen sind als

Ganzes anzusehen; ihre Flächen schneiden sich in der Achse der Welle. Befindet sich beispielsweise am Umfang der Welle nur eine Teilfläehe und Gegenfläche, so bilden ihre Flächen einen Winkel von i8o°; es ist jedoch auch jeder beliebige andere Winkel denkbar. Am Umfang der Welle können unter Umständen auch mehrere Teilflächen- und Gegenflächenpaare angeordnet sein und verschiedene Winkel bilden, wobei zwischen je zwei Teilflächen eine Gegenfläche einge-,baut sein muß. Die Teilflächen uncL Gegen-- \ flächen können verschiedenartige Form auf-Reisen; hauptsächlich kommen in Betracht A'äie Schneckenform, die Form einer geraden Ebene und die Form einer schiefen Ebene.

Die Düsen können verschiedenartig ausgebildet sein. So kann man einfach wirkende Düsen vorsehen, welche zur Erzielung einer möglichst großen Ausströmungsgeschwindigkeit dienen sollen. Man kann jedoch auch doppelt wirkende Düsen anordnen, die außer der erwähnten möglichst großen Ausströmungsgeschwindigkeit auch noch eine besondere Rückstoßwirkung erzeugen. Die Längsachsen der Düsen stehen zweckmäßig senkrecht zu den Flächen, in welche sie eingebaut sind.

Die Zu- und Abführung des Treibmittels geschieht in allen Fällen in der Achsenrichtung des Zylinders, welcher den Arbeitsraum für die beweglichen Wandungen, im nachstehenden Flügel genannt, darstellt.

An Hand der Zeichnung soll die Vorrichtung und ihre Arbeitsweise noch näher gekennzeichnet werden.

Abb. ι veranschaulicht beispielsweise eine Ausführungsform (Gesamtanordnung) des Erfindungsgegenstandes im Längsschnitt.

Abb. 2 stellt einen Flügel (oder Flügel und Gegenflügel) im Querschnitt dar.

Abb. 3, 3a, 3b geben eine abgeänderte Ausführungsform des Flügels (mit Gegenflügel) in Schneefeenform in Seitenansicht, Stirnansicht und Draufsicht wieder.

Abb. 4, 4a, 4'b und 5, 5a veranschaulichen weitere Ausführungsformen der Flügel, ebenfalls in Seiten- und Stirnansicht oder Draufsicht.

Abb. 6 läßt die Anordnung der Düsen in der Ausführungsform nach Abb. 5 und 5a erkennen. !°5

Abb. 7 und 8 veranschaulichen doppelt wirkende Düsen in zwei Längsschnitten, die bei einer abgeänderten Ausführungsform an Stelle von einfachen Düsen an den Flügelhälften angeordnet sein können.

In Abb. ι sind zwei schräg sitzende Flügel 2, 2 mit geraden Flächen in gleichartigen ■ Richtungen auf der Welle 1 sitzend dargestellt, welche versetzt auf je einer Flügelhälfte die Düsen 3 aufweisen. Der Arbeitsraum zwischen den schräg sitzenden Flügeln 2 ist der Hochdruckraum, während die Endräume des Zylinders die Niederdruekräume und Auslaßseiten sind. In der Mitte des Zylinders befindet sich eine Aussparung, um die geschliffenen Innenwandungen abzugrenzen. Die Flügel schneiden mit der Wan-

dung 5 des Arbeitsraumes, in welchem sie sich drehen, dicht ab. Das Treibmittel, z. B. Dampf, gelangt bei 4 nach beiden Seiten in Richtung der Pfeile durch zwei in der Mitte des Zylinders seitlich angeordnete Anschlußflanschen in den Arbeitsraum und wirkt dann auf die Flügel in der geschilderten Weise ein, wobei diese sinngemäß der Welle die durch Pfeile gekennzeichnete Drehung erteilen. Es ist jedoch auch die Anordnung nur eines einzigen Flügels (mit Gegenflügel) möglich. Die Anordnung zweier .Flügel auf einer Maschinenwelle gewährleistet außer einer Verstärkung der Wirkung einen völligen Ausgleich des Achsendruckes. Da zu beiden Seiten der Welle am Ende Niederdruck herrscht, wird außerdem noch in vorteilhafter Weise bewirkt, daß die in den Deckeln für die Welle eingebauten Stopfbuchsen eine niedrige Beanspruchung erfahren. Die Welle 1 ist außerhalb der Stopfbuchse gelagert. Bei der Anordnung der Flügel ist noch besonders darauf zu achten, daß diese im gleichen Sinne die Drehung der Welle bewirken; dies muß durch entsprechende Anordnung der Düsen an den verschiedenen Flügelseiten und durch die Flügelrichtung bei schräg sitzenden Flügeln bewerkstelligt werden. Eine Umsteuerung kann man im übrigen auch dadurch erzielen, daß man das Treibmittel den umgekehrten Weg, also von außen nach innen, einschlagen läßt. Das verbrauchte Treibmittel wird an den Enden des. Zylinders in besonders hierzu ausgebildeten Zylinderdeckein zum Auspuff gebracht.

Zu bemerken ist noch, daß die an beiden Enden des Zylinders sich befindlichen Auspuffräume, in welchen Niederdruck herrschen muß, mit Flanschen 6 versehen sind (siehe Abb. 1) und an einen Kondensator angeschlossen werden, wenn Dampf als Treibmittel in Frage kommt; wenn es. sich jedoch um einen Explosionsstoff als Betriebsmittel handelt, so münden diese Räume in einen besonderen Auspuff. Wenn auch ferner die Anordnung der Düsen auf der Oberfläche der Gegenflügel in keiner Weise irgendwie beschränkt ist, so wird man die Düsen dennoch aus Zweckmäßigkeitsgründen dicht nebeneinander anordnen.

Die Anordnung gleichgerichteter schräger

Flügel ist besonders günstig, weil die Welle

• in diesem Falle von einem zweiarmigen Hebel gedreht wird, was auch eine günstige Bau-Stoffbeanspruchung bewirkt. Diese Wirkung entsteht aus der Drehrichtimg der Momente der tangentialen Teilkräfte der auf die Düsenwandungen oder Flügel wirkenden Kräfte. Die Schrägflügel können indessen auch mit entgegengesetzt gerichteten Neigungen angeordnet werden, nur müssen dann die Düsen in beiden Flügeln nach einer Wellenseite hin, also nicht in versetzten Richtungen beiderseits zur Welle, angeordnet werden.

In Abb. 3 ist ein Flügel mit Schneckenformfläche veranschaulicht, während in Abb. 4 und 5 (weitere Ausführungsformen der Flächen in Gestalt einer geraden Ebene dargestellt sind; in Abb. 1 besitzen diese Flächen die Form von schiefen Ebenen. Die radialen Kanten der Flügelpaare, d. h. ihre Enden längs der Achse, sind untereinander 'entgegengesetzt angeschlossen, also zu verschiedenen Seiten der Achse, so daß der Raum quer und längs zur Achse vermittels des Flügelpaares und der die radialen Kanten abschließenden Wandungen in zwei voneinander völlig getrennte Räume geteilt wird. Bei Ausführung der Flügelflächen in Schneckenform (Abb. 3) und in Form der schiefen Ebene (Abb. 1) schließen sich die radialen Kanten schon von selbst (ohne besondere Wandung) an und verursachen so die notwendige Trennung der Räume. Eine Verbindung dieser getrennten Räume miteinander ist nur durch die Düsen 3 möglich.

Im übrigen kann die äußere Umgrenzung dieser Räume verschiedenartige Ausführung haben. So kann beispielsweise die sich in Drehung befindliche äußere Umkantung der Flügel und der die Flügel und Gegenflügel abschließenden Wandungen (quer zur Achse) in die geschliffene Innenfläche eines Zylinders so eingepaßt werden, daß die Kante im Zylinder frei sich drehen kann und dabei die getrennten Räume luftdicht abschließt. Es können aber auch die äußeren Ränder der Flügel mit einer festen Hülle verbunden sein; beispielsweise können also Flügel und Hülle (Zylinder) in einem Stück gegossen sein. Die Hülle dreht sich dann gleichzeitig mit den Flügeln und kann in zylindrischer oder in beliebig anderer Form ausgeführt werden. Die Zuführung des Treibstoffes erfolgt entweder durch einen Schleifring mit druckdichtem Verschluß, der auf dem zylindrischen Teil der sich drehenden Hülle angeordnet ist, oder durch die hohl ausgebildete Maschinenwelle. Bei der Anwendung von mehr als zwei beweglichen Wandungen (Flügelpaaren) entsteht eine bedeutende Verminderung der Reibungsverluste.;, und es lassen sich mehrere Druckabstufungen 'einrichten.

Hinsichtlich der Form der Flächen für den Flügel und Gegenflügel ist noch folgendes zu bemerken. Die in Abb. 3 veranschaulichten Flächen mit entgegengesetzten Schnekkenformen bilden einen Winkel, der allmählich von ο bis 360⁰ ansteigt. Wenn zwei Flügelpaare vorhanden sind, so ändert sich dieser Winkel nur von ο bis i8o°, bei drei Flügelpaaren-von ο bis 120⁰ usw. Die gegen-

seitige Lage der Flächen dieser Flügel kann auch je nach Bedarf ganz verschiedenartig sein, so daß hier für Abänderungen weiter Spielraum gelassen ist. In den Abb. 4 und 5 haben die Flächen des Flügelpaares eine ebene Gestalt, wobei wiederum der Winkel, den sie miteinander bilden, verschieden sein kann (o bis 360⁰). In der Abb. 4 handelt es sich um zwei Flügel, die einen Winkel von 18 o° bilden. Der Anzahl der Flügel sind jedoch auch hier keine Grenzen gesetzt. In der Abb. 5 ist eine Ausführungsform wiedergegeben, bei welcher vier ebene Flügelpaare angeordnet sind, die je einen Winkel von 360° bilden. In gleicher Weise kann natürlich auch der Winkel, den bei schrägen Flügeln (vgl. Abb. 1) die schiefe Ebene mit der Achse bildet, verschiedenartig sein.

Solche einfach wirkenden Düsen sind in der Abb. 2 dargestellt. Denkt man sich oberhalb und unterhalb des waagerecht veranschaulichten Flügels zwei völlig voneinander getrennte Räume und herrscht im oberen Raum eine höbe Spannung, während im unteren Raum eine niedrige Spannung vorhanden" ist, so wird der hochgespannte Treibstoff durch die Düsen 3 im Gegenflügel entweichen, wobei gleichzeitig auf der Fläche des gegenüberliegenden Flügels ein Überdruck (in der Abb. 2 also in der Richtung nach unten) hervorgerufen wird. Dieser Überdruck bewirkt die Drehung des ganzen Flügels und hiermit auch der Welle 1 (nach der Zeichnung also in der Pfeilrichtung von oben nach unten). ■

Wenn man sich in gleicher Weise bei den doppelt wirkenden Düsen (s. Abb. 7 und 8) wieder zwei durch den Flügel voneinander vollständig getrennte Räume denkt und annimmt, daß die Bewegungsrichtung (Drehrichtung) des rechten Flügels von unten nach oben verläuft tmd die Ausströmrichtung durch die kleinen Pfeile gekennzeichnet wird, so ist die durch das Treibmittel auf die Wandüngen der Düsen hervorgebrachte Rückstoß- wirkung in Ergänzung der üblichen Wirkung der einfach wirkenden Düsen leicht zu erkennen.

Claims (4)

Patentansprüche: _o

1. Umlaufende turbinenartige Kraftmaschine mit im Arbeitsraum beweglichen Wandungen, die mit der Arbeitswelle fest verbunden den Arbeitsraum in zwei oder mehr getrennte Räume zerlegen, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Wandungen, z. B. Taumelscheiben, Schnecken, Radialflächen, je eine Teilfläche mit Entspannungsdüsen besitzen, welche hinsichtlich der Arbeitswelle zu der vollen Fläche der Wandung so angeordnet ist, daß der entstehende Druckunterschied auf die Wandung eine Wellendrehung erzeugt, während gleichzeitig durch den die Düsen durchströmenden Betriebsstoff auf den Düsenwandungen Gegendrücke entstehen, welche den durch die Flächenbelastung entstehenden Druckunterschied verstärken.

2. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Wandungen paarweise parallel zueinander als Hauptwandungen (ohne Düsen) und Gegenwandungen (mit Düsen) unter Einhaltung eines als Entspannungsraum dienenden Zwischenraumes auf der Welle angeordnet sind.

3. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Wandungskanten mit der sie umgebenden festen Hülle, z. B. Zylinder, verbunden sind und sich mit ihr drehen, wobei die Treibmittelzuführung durch einen Schleifring oder eine Hohlwelle erfolgt.

4. Kraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch doppelt wirkende Düsen, bei denen das Einströmen des Treibmittels in die Düsen senkrecht oder geneigt zur Düsenmittellinie erfolgt.

Hierzu 1 Blatt' Zeichnungen