DE68924647T2 - Rotationskolbenmaschine. - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Der Stand der Technik, insbesondere DE-A-2 321 639, beschreibt Zahnradpumpen, Zahnradinotore oder Volumenmeßgeräte. Es besteht kein Zweifel, daß die vorliegende Erfindung im wesentlichen mit Zahnradpumpen mit zwei oder mehreren Wellen sehr verwandt ist, wobei die vorliegende Erfindung jedoch konzipiert ist als eine leistungsstarke Kraftwerksturbine mit eigenständigen und abweichenden Merkmalen.
• Die obengenannte Offenlegungsschrift zeigt keine zahnradähnlichen Dichtungszähne sondern bewerkstelligt das Abdichten dadurch, daß die Rotoren und die Rotorschaufeln sich unmittelbar gegeneinander anliegend bewegen.
• Dieses beinhaltet definitiv nicht eine kontinuierliche, dynamische, reibungsfreie Labyrinthdichtung zwischen den Zahnradzähnen an der Außenfläche des ersten Rotors und den Zahnradzähnen an der Mantelfläche jedes von mehreren Nutenrotoren. Der Erfindungsgegenstand ist weiterhin als ein Zahnradmotor nicht selbstanlaufend, wenn die Rotorschaufeln sich innerhalb der Nutenrotoren in einer horizontalen Position befinden, so daß aus diesem Grunde eine Neutralisierung der Rotationskräfte mit einer daraus resultierenden intermittierenden Drehmomentübertragung nicht auftritt.
• Die US-A-2 956 735 und GB-A-843 675 zeigen ebenfalls nicht eine kontinuierliche, dynamische, reibungsfreie Labyrinthdichtung zwischen der Mantelfläche des ersten Rotors und der Mantelfläche jedes einzelnen einer Vielzahl von Nutenrotoren.
• Der Stand der Technik beinhaltet eine diskontinuierliche dynamische Labyrinthdichtung, die von den jeweiligen Rotorschaufeln unterbrochen wird, woraus eine Repulsion und Neutralisation der Drehkräfte und dadurch eine diskontinuierliche oder intermittierende Drehmomentübertragung resultiert.
• Weiterhin werden dadurch die auf die Rotorschaufeln wirkenden Rotationskräfte neutralisiert, 50 daß der oben behandelte Erfindungsgegenstand nicht ohne die Verwendung von Ventilen wirksam sein kann, so wie es die Rotationsmaschine entsprechend der vorliegenden Erfindung lehrt.
• Maschinen gemäß der USA-2 956 735 und GB-A-843 675 sind nicht ohne die extensive Verwendung einer Vielzahl von Ventilen funktionsfähig.
• Die beschriebene vorliegende Erfindung umfaßt eine kontinuierliche, dynamische, reibungsfreie Labyrinthdichtung zwischen der Mantelfläche des ersten Rotors und den Mantelflächen jedes einzelnen einer Vielzahl von Nutenrotoren, ohne den störenden Einfluß der Rotorschaufeln, 50 daß demzufolge auch keine Ventile benötigt werden.
• In der offenlegungsschrift 23 30 992 zeigen die Figuren 1, 2, 3 und 4 Beispiele von grob entworfenen Zahnradpumpen, die dort zwar diskutiert werden, ohne jedoch eine Gemeinsamkeit mit der Erfindungsmaterie dieser Patentanmeldung zu haben.
• Wenn beispielsweise die Abmessungen des 35 mm-Durchmesserrotors der Zahnradpumpen extrapoliert oder mit einem Multiplikationsfaktor von 28,6 vergrößert werden, um die Abmessungen eines 1000 mm-Durchmesserrotors einer Kraftwerksturbine zu erreichen, dann würden die Zahnradzähne eine Abmessung von 55 mm und die Rotorschaufeln eine Abmessung von 228 mm haben.
• Dieses zeigt deutlich, daß unüberbrückbare Differenzen unter anderem zwischen der konstruktiven Abmessung einer üblichen Zahnradpumpe und einer zahnradpumpenähnlichen Turbine bestehen, und daß daher eine kontinuierliche, dynamische Dichtung, die insbesondere für große Rotationsmaschinen anwendbar ist, nicht gezeigt ist.
• Der zum Patent angemeldete Erfindungsgegenstand der obigen offenlegungsschrift ist in den Figuren 2, 3/1 und 3/2 dargestellt.
• Die Figuren 2, 3/1 und 3/2 zeigen ebenfalls eine diskontinuierliche, dynamische, reibungsfreie Labyrinthdichtung, die durch den Einfluß der Rotorschaufeln zwischen der Mantelfläche des ersten Rotors und der Mantelfläche des Nutenrotors unterbrochen ist.
• Es ist daher eines der primären Ziele der vorliegenden Erfindung, eine reibungsfreie Zahnrad-Labyrinthdichtung für eine derartige große Rotationsdampfmaschine mit sehr geringem Dampfleckverlusten und damit mit einem daraus resultierenden, sehr hohem volumetrischen Wirkungsgrad aufzuzeigen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist es unwirtschaftlich, übliche Turbinen oder sonstige Rotationsdampfmaschinen mit Dampftemperaturen, die wesentlich über 560 Cº liegen, zu betreiben, und zwar aufgrund von Erosions- und Korrosionseffekten wie Kavikation oder Pittingbildung im Bereich der Rotorschaufeln und anderer Teile. Es ist daher ein sehr wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung, eine große Rotationsdampfmaschine zu schaffen, die mit Dampftemperaturen über 560 Cº betrieben werden kann, ohne daß eine Kühlung der Rotorschaufeln und die Verwendung von hochwertigen Spezialstählen erforderlich ist. Es ist bisher aufgrund des unvollständigen internen Druckkraftausgleiches nicht möglich, große Rotationsdampfmaschinen zu bauen, die mit hohen Dampfdrücken und hohen Drehzahlen betrieben werden können. Es ist daher ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Rotationsdampfmaschine mit einem vollständigen internen radialen- und axialen Druckkraftausgleich zu schaffen. Ein weiteres wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kontinuierliche, gleichmäßige Drehmomentleistungsabgabe an der Abtriebswelle zu verwirklichen, wie es erforderlich ist für eine hohe Leistungsenergieumwandlung. Übliche Dampfturbinen arbeiten nur unter Vollast und einer entsprechend hohen Drehzahl mit ihrem maximalen Wirkungsgrad. Unter Teillastbedingungen verschlechtert sich der Wirkungsgrad üblicher Dampfturbinen sehr stark. Es ist daher ein weiteres wesentliches Ziel, eine Rotationsdampfmaschine zu schaffen, die in der Lage ist, unter allen Lastbedingungen mit einem Wirkungsgrad zu arbeiten, der gleich oder sogar höher ist als im Vollastzustand. Es ist weiterhin das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Rotationsdampfmaschine zu schaffen, die in der Lage ist, mit extrem feuchtem Dampf, nicht entgastem Dampf, sowie mit Dampf, der große Mengen an Verunreinigungen enthält, zu arbeiten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die Ziele der Erfindung werden durch die Ausführung einer Rotationsturbine vom Verdrängertyp gemäß Patentanspruch 1 gelöst, das heißt durch eine Maschine, die im wesentlichen als eine Verdrängertyp-Dampfmaschine arbeitet, die zusätzlich auch teilweise die kinetische Energie ausnutzt, die durch die schnell strömenden Dampfmoleküle erzeugt wird, welche auf die Rotorschaufeln auftreffen, 50 daß sie auch ähnlich einer Radialströmungsturbine wirksam ist. Die vorliegende Erfindung enthält eine obere Gehäusehälfte und eine untere Gehäusehälfte, wobei beide Hälften mit ihren Flanschrändern dicht miteinander verschraubt sind. Die Zweistufenturbine ohne vollständigen internen Druckausgleich besteht vorzugsweise aus drei Schaufelrotorkammern, sechs Nutenrotorkammern und einer Getriebekammer mit jeweils parallel zueinander angeordneten jeweiligen Wellen. Jede Gehäusekammer besteht aus vorzugsweise einer Gruppe von drei miteinander fluchtenden und sich überschneidenden Primärstufen- oder Sekundärstufen-Zylinderkammern, die in der Lage sind jeweils einen Primärstufen- oder einen Sekundärstufen-Schaufelrotor und zwei Primärstufen- oder Sekundärstufen-Nutenrotoren aufzunehmen, die jeweils rechts und links horizontal entlang dieses Schaufelrotors angeordnet sind. Die an der Rückseite des Gehäuses liegende Getriebekammer ist bis zu einem bestimmten Rotordurchmesser mit Zahnrädern ausgerüstet, die den gleichen Durlhmesser wie die Rotoren haben. Rotoren mit sehr großem Durchmesser und hoher Drehzahl sind vorzugsweise fünf kleinere Zahnräder zugeordnet, um die Umfangsgeschwindigkeit der Zahnräder 50 gering wie möglich zu halten. Die Primärstufen- und die Sekundärstufen-Schaufelrotoren sowie das große Zahnrad sind alle auf der gleichen Welle montiert. Jede Gruppe von Nutenrotoren und die zugeordneten kleinen Zahnräder sind ebenfalls auf einer gemeinsamen Welle montiert. Jede Gruppe von Schaufelrotorkammern und das zugeordnete kleine Zahnrad sind ebenfalls auf einer gemeinsamen Welle gelagert. Jede Gruppe von Schaufelrotorkammein und die zugeordneten Nutenrotorkammern sind gegenüber den anderen Gruppen von Kammern und gegenübel der Zahnradkammer abgedichtet. Auf der Umfangsfläche der Schaufelrotoren und auf der Umfangsfläche der Nutenrotoren sind Zahnradzähne geringer Größe angeordnet, so daß ein berührungsloses Kämmen erreicht werden kann, wenn diese Rotoren um ihre jeweiligen Achsen rotieren. Das große Zahnrad und die kleinen Zahnräder sind präzisionsgeschliffen und kämmen sehr genau miteinander, wodurch die Synchronisierung der Rotation der berührungslos miteinander kämmenden Rotoren gewährleistet ist. Das Gehäuse enthält weiterhin für jede Kammer entsprechende Einlaßkanäle und Auslaßkanäle, die jeweils diametral zueinander angeordnet sind und zu der zugeordneten Schaufelrotorkammer führen. An der Mantelfläche dieser Schaufelrotoren sind in Längsrichtung verlaufende, breite Rotorschaufeln montiert, die jeweils in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Nutenrotoren haben eine entsprechende Anzahl von Schaufelnuten, deren Anzahl jeweils von der Anzahl der Rotorschaufeln und den Verhältnis der jeweiligen Rotordrehzahl variieren. Um ein kontinuierliches, gleichmäßiges Drehmoment an der Abtriebswelle zu erzielen, kämmen diese Rotorschaufeln mit diesen Schaufelnuten ohne Flächenkontakt, wobei für den Dampf ein ausreichend großer Spalt freigelassen ist, um die Ausbildung eines einseitigen Druckaufbaus zwischen der Turbinenschaufel, welche einseitig unter Druckbelastung steht, die von dem unter Druck stehendem Arbeitsmedium innerhalb der Kammer ausgeübt wird, und der nächstfolgenden Turbinenschaufel des gleichen Schaufelrotors zu verhindern, die mit der entsprechenden Schaufelnut des Nutenrotors kämmt. Wie beschrieben, würde ein interner Druckausgleich zwischen zwei Rotorschaufeln zu einer periodischen Drehmomentaufhebung führen, woraus an der Abtriebswelle eine ungleichmäßige Leistungsabgabe resultieren würde, was sich sehr schnell als schädlich bei einer Anwendung im Rahmen einer Hochleistungsenergieumwandlung herausstellen würde. Zwischen diesen Rotorschaufeln und diesen Schaufelnuten sind parallel dazu verhältnismäßig kleine Zahnradzähne angeordnet. Diese Zahnradzähne kämmen berührungslos aber sehr eng mit den komplementären Zähnen des jeweils gegenüberliegenden Rotors, 50 daß zwischen den miteinander kämmenden Rotoren ein sehr wirkungsvoller Abdichtungseffekt nach Art einer dynamischen, reibungsfreien Labyrinthzahnraddichtung erreicht wird, wodurch ein sehr hoher volumetrischer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Die Rotorschaufeln dieser Schaufelrotoren und die erwähnten kleinen Zahnradzähne der Nutenrotoren bewegen sich bei ihrer Rotation um ihre jeweilige Achse sehr dicht entlang ihrer jeweiligen hohlzylindrischen Kammerinnenwand, so daß sie mit ihren Zahnradzähnen einen dynamischen, reibungsfreien Labyrinthdichtungseffekt hervorrufen, wodurch sie denjenigen Teil der zylindrischen Innenkammer, der das unter Druck stehende Arbeitsmedium aufnimmt, gegenüber demjenigen Teil der zylindrischen Innenkammer abdichten, der das Arbeitsmedium in einem teilweise expandierten Zustand aufnimmt. Der Abdichteffekt unterteilt diese Abschnitte der zylindrischen Innenkammer in mindestens zwei unterschiedliche und hinsichtlich ihrer Drücke gegeneinander abgedichtete Zustände. Der Raumvolumen-Verdrängungseffekt des Druckmediums innerhalb dieser Kammerabschnitte erzeugt einen kontinuierlichen Rotationsenergiezustand, indem kontinuierlich ein Druck auf die in Drehrichtung der Rotorschaufeln nachlaufende Seite ausgeübt wird, wenn diese Rotorschaufeln sich dicht entlang ihrer jeweiligen Kammerwand bewegen. Das Ziel des Erreichens eines hohen volumetrischen Wirkungsgrades wird weiterhin auch dadurch erreicht, daß man zwei Gruppen von Sekundärstufenkammern verwendet, die auf jeder Seite der Gruppe der Primärstufenkammer als Volumenkammern zur teilweisen Expansion des Arbeitsmediums angeordnet sind. Das durch die Einlaßkanäle der Primärstufenkammer eingeleitete, unter Druck stehende Arbeitsmedium ist in der Weise wirksam, daß es die Rotorschaufeln entsprechend einer Verdrängungsweise durch diese Primärstufenkammer antreibt, bevor dieses Arbeitsmedium die beiden angeschlossenen Sekundärstufenkammern expandiert. Das gesamte Kammervolumen dieser beiden Sekundärstufenkammern ist vielfach größer als dasjenige der vorgeschalteten Primärstufenkammer. Aus diesem Grunde ist die Leckagerate des druckreduzierten Arbeitsmediums je Kammer des Arbeitsmediums entsprechend geringer. Die dem teilweise expandierten verlustigen Arbeitsmedium inhärente Energie ist damit ebenfalls entsprechend viel geringer. Bei anwachsenden Gesamtvolumen der Sekundärstufenkammern im Verhältnis zum Volumen der Primärstufenkammer nimmt damit der durch Leckage bedingte Energieverlust des Arbeitsmediums entsprechend ab. Der tatsächliche Leckverlust des Arbeitsmediums wird damit auf eine anteilige Fraktion reduziert, woraus in konsequenter Weise eine entsprechende beträchtliche zusätzliche Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades resultiert. Die Erosion und Korrosion innerhalb einer Dampfturbine erhöht sich unter anderem proportional mit dem Anwachsen der Temperatur des Arbeitsmediums. Demzufolge bewirkt das Zur-Verfügungstellen einer Rotorkühleinrichtung, ohne daß eine direkte Temperaturherabsetzung des Arbeitsmediums stattfindet, einen inversen Effekt auf die Erosion und die Korrosion innerhalb der Turbine. Die Lösung des Problems wurde dadurch erreicht, daß man die zylindrische Innenkammerwand so ausgestaltet, daß nur etwa die Hälfte der äußeren Schaufelblattumfangsfläche den hohen Temperaturen des Arbeitsmediums ausgesetzt wird. Die andere Hälfte der äußeren Schaufelradumfangsfläche ist demzufolge dem teilweise expandierten und damit beträchtlich kälterem Arbeitsmedium ausgesetzt, was demzufolge zu einer entsprechenden Abkühlung führt. Die Abkühlungskapazität wächst etwa linear mit dem Anwachsen der dem Abkühlungseinfluß ausgesetzten Oberfläche und der Temperaturdifferenz des Mediums an. Die Erosions- und Korrosionseffekte steigen auch mit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums an. Infolge des Verdrängereffektes bei der vorliegenden Erfindung übersteigt die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums nur unwesentlich die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelrotoren, So daß der Erosions- und Korrosionseffekt demzufolge entsprechend herabgesetzt wird. Im Gegensatz zu dünnen Rotorschaufeln üblicher Turbinen sind die Rotorschaufeln bei der vorliegenden Erfindung sehr dick und kurz ausgeführt, so daß demzufolge verschiedene Arten von Oberflächenschichten oder Spezialwerkstoffen, beispielsweise keramische Werkstoffe, verwendbar werden, so daß dadurch die Erosions- und Korrosionseffekte im Bereich der Rotorschaufeln weiter herabgesetzt werden.
• Eine weitere Verringerung der Erosion und Korrosion wird dadurch erreicht, daß man den Schaufelrotor und die Rotorschaufeln hohl gestaltet und damit mittels eines Kühlmittels eine interne Kühlung herbeiführen kann. Die Druckkraftkompensation des Schaufelrotors wird dadurch erreicht, daß man eine gerade Anzahl von Rotorschaufeln auf der Schaufelrotoroberfläche anbringt, und indem man die Einlaßkanäle und die Auslaßkanäle innerhalb der inneren Zylinderkammer diametral zueinander anordnet, so daß die Druckkraftmomente entgegengesetzt wirksam sind und sich aufheben. Um die Druckkraftmomente der Nutenrotoren vollständig aufzuheben, sind zusätzlich zwei Druckkraftkompensationsrotoren zwischen den Primärstufen- Nutenrotoren und den Sekundärstufen-Nutenrotoren auf den jeweiligen Wellen montiert. Die Umfangsfläche dieser beiden Druckkraftkompensationsrotoren ist poliert, und ein in der Größe äquivalenter und an den Druck und die Richtung äquivalenter Oberflächenbereich, um allen entgegengesetzten Druckmomentkräften entgegenzuwirken, ist abgedichtet und mittels einer Leitung an einen Primärstufen-Einlaß angeschlossen. Damit wird für alle Druckzustände automatisch die Druckkraftkompensation herbeigeführt. Damit können alle Axialkräfte, Radialkräfte und sogar die durch das Gewicht der Rotoren ausgeübten Kräfte kompensiert werden, 50 daß es möglich ist, jede Druckstufe der vorliegenden Erfindung mit einem entsprechend hohen Dampfdruck und einer entsprechend hohen Drehzahl arbeiten zu lassen. Die vorliegende Erfindung reduziert damit Hochdruckdampf ähnlich einer ein- oder zweistufigen Radialströmungstandemturbine. Eine Geschwindigkeitskontrolleinrichtung regulierü den Druck und das Volumen des für den Verdrängerprozeß benutzten Arbeitsmediums. Damit ist ein sehr nützliches Turbinensystem mit ausgezeichneten Eigenschaften, einem sehr hohen termischen Wirkungsgrad und einem sehr hohen Gesamtwirkungsgrad geschaffen.
• Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls als eine Kombination einer Turbine und einer Pumpe oder Kompressors verwendet werden.
• Weitere Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung sind unter anderem: Kompressoren, Pumpen, Motoren u.s.w..
• Bei der vorliegenden Erfindung kämmen die Druckschaufeln des ersten Rotors mit den Nuten der Nutenrotoren über den gesamten Eingriffsbereich in einer berührungslosen Weise und bilden damit einen fortlaufenden Spalt zwischen den Druckschaufeln und den Nuten (wodurch eine Rotationsdruckkraftneutralisierung durch einen einseitigen Druckaufbau zwischen den beiden Druckschaufeln 13, 49 verhindert wird);
• dabei kämmen weiterhin die Zahnradzähne des ersten Rotors und mindestens einer der Zähne auf jeder Seite der Nut des Nutenrotors eng, jedoch ohne Kontakt kontinuierlich mit dem zugeordneten Zahnradzahn (wodurch die kontinuierliche, dynamische, reibungsfreie Labyrinthdichtung gebildet ist);
• dabei bewirkt weiterhin diese Anordnung des Kämmens der Druckschaufeln des ersten Rotors und der Nuten des Nutenrotors und diese Anordnung des Kämmens der Zahnradzähne des ersten Rotors und der Nutenrotore zusammen die kontinuierliche, dynamische, reibungslose Labyrinthdichtung und die im wesentlichen konstante Drehmomentausgangsleistung an der mittleren Welle.
• Die Dichtplatten sind von großer Bedeutung für das Funktionieren einer großen Rotationsmaschine ohne Schmierung zwischen den sich schnell bewegenden Rotorschaufeln (in bestimmten Fällen übersteigen die Dampfgeschwindigkeiten die Schallgeschwindigkeit) und den Kammerwänden innerhalb der Arbeitskammer.
• Die Dichtplatten sollten aus einem anderen Material bestehen als die Rotorschaufeln, um ein Festfressen, Korrosion, Erosion u.s.w. zu verhindern. Durch die Verwendung von Dichtplatten wird weiterhin ein Spalt gebildet, und zwar infolge der Vergrößerung des Gehäusedurchmessers relativ zur Dichtplattendicke, wodurch ein positiver und ein negativer Druckaufbau innerhalb des Turbinengehäuses verhindert wird.
• Ein positiver Druckaufbau innerhalb des Gehäuses würde entstehen zwischen dem Nutenrotor, dem ersten Rotor und einer Druckschaufel und dem kleinen Bereich des Gehäuses zwischen dem Nutenrotor und dem Auslaß.
• Ein negativer Druckaufbau oder ein Teilvakuum würde an der Einlaßkanalseite des Gehäuses entstehen.
• Die Druckplatten sind in Richtung auf die Auslaßkanäle hin kürzer ausgeführt und abgeschrägt, wodurch das allmählich dünner werdende Ende der Druckplatten dazu dient, die Geschwindigkeit der Dampfexpansion zu regulieren, und zwar insbesondere bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten und hohen Dampfdrücken, da andernfalls innerhalb des Gehäuses enorme Druck- und Schallwellen auftreten würden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Andere und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen derselben, und zwar unter Bezugnahme auf die beiliegendcn Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Strukturen beziehen, und von denen:
• Figur 1 einen Aufriß eines vertikalen Mittelschnitts der Gruppe von Primärstufenrotoren der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Figur 2 zeigt einen Aufriß eines vertikalen Mittelschnitts im Bereich der Druckkompensationsrotoren der vorliegenden Erfindung.
• Figur 3 zeigt eine Seitenansicht eines Vertikalschnitts der vorliegenden Erfindung einschließlich der beiden Druckkompensationsrotoren.
• Die Figuren 4a und 4b zeigen in vergrößerter Darstellung einen Vertikalschnitt eines Teils des Schaufelrotors der vorliegenden Erfindung in Gegenüberstellung zu einem Schaufelrotor ohne Zahnrad zähne.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Die vorliegende Erfindung, wie sie in Figur 1 und in Figur 3 dargestellt ist, umfaßt ein oberes Halbgehäuse 1 und ein unteres Halbgehäuse 2. Dieses Gehäuse 1 und 2 nimmt Gruppen von ersten und zweiten Stufenkammern mit ihren jeweiligen ersten und zweiten Stufenrotoren auf. Zentral sind eine große, kreisförmige Schaufelrotor-Kammer und parallel jeweils an der rechten und an der linken Seite dieser großen Schaufelrotor-Kammer horizontal eine kleine kreisförmige Nutenrotor-Kammer angeordnet. Beide Gehäusehälften sind mit ihren polierten Flanschflächen 7 dicht miteinander verschraubt. Sowohl das obere als auch das untere dieser Gehäuseteile 1 und 2 haben jeweils einen Einlaßkanal 3 bzw. 5 und einen Auslaßkanal 4 bzw. 6, wobei diese Kanäle jeweils diametral zueinander angeordnet sind. Zum Abstützen des Gehäuses sind an der unteren Gehäusehälfte Beine 8 und 9 starr befestigt. Innerhalb der genannten großen kreisförmigen Kammer ist der die erste Stufe bildende Schaufelrotor 12 auf einer Welle 14 zentral in dem Gehäuse gelagert. Parallel neben diesem die erste Stufe bildenden Schaufelrotor 12 sind die Nutenrotoren 15 und 16 auf ihren jeweiligen Wellen 17 und 18 montiert.
• In Längsrichtung an der Mantelfläche dieses Schaufelrotors 12 montierte breite Rotorschaufeln 13 sind jeweils radial in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Die Nutenrotoren 15 und 16 haben eine entsprechende Anzahl von Schaufelnuten 19 und 20, wobei die Anzahl jeweils von der Anzahl der Rotorschaufeln 13 und dem Verhältnis der jeweiligen Drehzahlen variiert. Die Rotorschaufeln 13 kämmen berührungsfrei mit den Schaufelnuten 19 und 20. Die Druckschaufeln 13 bewegen sich berührungslos sehr nahe an einstellbaren, vorzugsweise aus Metall bestehenden Einsatzptatten 10 und 11 entlang, wodurch die den Einlaßkanälen 3 und 5 zugewandten Kammerseiten gegenüber den den Auslaßkanälen 4 und 6 zugewandten Kammerseiten abgedichtet sind, wodurch durch das Einleiten eines Druckmediums, wie etwa Dampf, durch die sich diametral gegenüberliegenden Einlaßkanäle 3 und 5 ein kontinuierlicher, rotierender Arbeitszustand erreicht wird. Die metallischen Rotor-Kammer-Dichtplatten 10 und 11 bestehen vorzugsweise aus solchen Materialien, daß ein Festfressen mit den Rotorschaufeln 13 und damit der Schaufelrotoren und der Nutenrotoren verhindert wird. Parallel zwischen diesen Rotorschaufeln 13 und diesen Schaufelnuten 19 und 20 sind relativ kleine Zahnradzähne 21 und 22 angebracht. Diese Zahnradzähne 21 und 22 kämmen berührungslos jedoch sehr eng mit den komplementären Zähnen des gegenüberliegenden Rotors, wodurch ein sehr wirkungsvoller dynamischer, reibungsloser Labyrinth-Zahnrad-Dichtungseffekt zwischen diesen Rotoren hervorgerufen wird. Die Zahnradzähne 22 der Nutenrotoren 15 und 16 rotieren sehr eng, jedoch berührungslos entlang von Dichtplatten 23 und 24, wodurch ein Dichteffekt zwischen der den Einlaßkanälen 3 und 5 benachbarten Kammerseite und der den Auslaßkanälen 6 und 4 benachbarten Rotorkammerseite bewirkt wird. Das berührungslose Kämmen sämtlicher Rotoren wird mittels der in Figur 3 dargestellten Synchronisierungszahnräder erreicht. Um als Zweistufen-Expansionsturbine zu arbeiten, sind die die zweite Stufe bildenden Schaufelrotoren 34 und 35 zu beiden Seiten dieses Primärstufen-Schaufelrotors 12 auf der gemeinsamen mittleren Welle 14 montiert, und die zugeordneten Sekundärstufen-Nutenrotoren sind auf den Wellen 17 und 18 montiert. Das Gesamtvolumen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rotorschaufeln der Schaufelrotoren 34 und 35 beträgt das Vielfache des Volumens des Schaufelrotors 12, wodurch eine entsprechende interne Zweitstufen-- Dampfexpansion möglich wird. Zwischen den Schaufelrotoren 34, 12 und 35 liegen die Druckkompensationsr(toren 25a, 25b und 26a, 26b, die auf der Welle 17 bzw. 18 montiert sind. Figur 2 zeigt die Druckkompensationsrotoren 25a und 25b auf der jeweiligen Welle 17 bzw. 18 montiert. Die Labyrinthdichtungen 27, 28, 29 und 30 dichten berührungslos einen Teil der polierten Oberfläche der Druckkompensationsrotoren 25a und 25b gegenüber der Kammer 50 ab. Die Einlaßkanäle 3 und 5 sind an die Einlaßkanäle 31 und 32 angeschlossen, wodurch automatisch eine gleiche Druckkraft diametral auf den Oberflächen der Druckkompensationsrotoren 25a, 25b und 26a, 26b und den Nutenrotoren 15 und 16 hervorgerufen wird, wodurch ein völliger Druckausgleich erreicht wird. Im Gegensatz zu den Nutenrotoren stehen die Schaufelrotoren 12, 34 und 35 stets unter einem vollständigen Druckausgleich, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Dampfdruckkräfte stets diametral entgegengesetzt wirksam sind, wodurch die entgegengesetzt gerichteten Kräfte sich zueinander aufheben. Die Auslaßkanäle 4 und 6 der Kammer des Schalifelrotors 12 und der Auslaßkanal 33 für die Druckkompensationsrotoren sind mit den Einlaßkanälen der Kammer für die Schaufelrotoren 34 und 35 verbunden, wodurch Leckagedampf in zusätzliches Arbeitsmedium umgewandelt wird, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad des Erfindungsgegenstandes verbessert wird.
• Figur 4 zeigt die beiden sich berührungslos gegenüberliegenden Drehrotorflächen 51 und 52 ohne die Zahnradzähne 21 und 22, wobei trotz gleicher Teilkreise 47 und 48 extrem große Dampfverluste durch die Spalte 43a und 44a im Bereich des berührungs]os mit der zugeordneten Rotornut 20 kämmenden Rotorschaufel 49 auftreten. Der Spalt 43a und 43b zeigt bei gleichen Teilkreisen 47 und 48 einen weit geringeren Dampfverlust infolge des Dichtungsvermögens der berührungslos miteinander kämmenden Zahnradzähne 21 und 22, wodurch eine beträchtliche Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades erreicht wird. Der Spalt 43 und 44 verhindert einen Dampfdruckaufbau, wie er zwischen den Rotorschaufeln 13 und 49 stattfindet, wodurch andernfalls ein interner Druckausgleich zwischen diesen Rotorschaufeln erfolgen würde, woraus ein Drehmomentverlust resultieren könnte, die für eine ungleichmäßige Leistungsabgabe an der Abtrietswelle verantwortlich wäre. Die Rotorschaufeln sind in T-Ausnehmungen 41 montiert und weisen an ihren Spitzen Rillen 42 auf, um ihr Labyrinthdichtungsvermögen zu verbessern. An den Seiten sämtlicher Rotoren sind zur Verhinderung des Festfressens Dichtplatten 38 und 39 installiert. Infolge des Druckausgleiches der Rotoren wirken nur geringe Kräfte auf die Rotorwellen 14, 17 und 18 ein, wodurch unter anderem die Verwendung von schnellaufenden Kugellagern 45 und 46 möglich ist. Die Dichtung 36 und 37 dichtet zwischen allen entsprechenden Kammern ab.
• Die vorliegende Erfindung ist verwendbar als eine Kombination einer Turbine und einer Pumpe oder Kompressors, indem die beiden Schaufelrotoren 34 und 35 dazu verwendet werden, um ein Medium, beispielsweise Luft, zu verdichten, indem die Einlaßkanäle als Auslaßkanäle und die Auslaßkanäle als Einlaßkanäle für dieses Medium benutzt werden, und indem weiterhin der Schaufelrotor 12 dazu benutzt wird, in der beschriebenen Weise nach Art eines Verdrängers zu arbeiten. Für den Fachmann ist offensichtlich erkennbar, daß die vorliegende Erfindung in unterschiedlicher Art verwendet werden kann, beispielsweise als Kompressor, Pumpe, Motor u.s.w..

Claims (21)

1. Eine Verdränger-Zahnradpumpen- oder -Zahnradmotorähnliche Rotationskolbenmaschine mit einem Gehäuse (1,2), das Einrichtungen aufweist, die mindestens einen Innenhohlraum becjrenzen, der in eine Vielzahl von miteinander fluchtenden und sich teilweise überschneidenden Zylinderkammern unterteilt ist, die zusammen eine Kammergruppe bilden, und mit einer entsprechenden Vielzahl benachbarter Wellen (14, 17, 18), die drehbar in dem Gehäuse (1, 2) gelagert sind, wobei jede dieser Wellen parallel zu den anderen Wellen liegt und im wesentlichen zentrisch in jeweils einer dieser Kammern angeordnet ist, wobei das Gehäuse (1, 2) weiterhin Einrichtungen enthält, die mindestens zwei Einlaßkanäle (3, 5) und mindestens zwei Auslaßkanäle (4, 6) zum Einlassen bzw. Auslassen eines Arbeitsmediums in die bzw aus der Kammergruppe bilden;

wobei diese Kammergruppe einen ersten Rotor (12) aufweist, der an einer mittleren Welle (14) dieser Vielzahl von Wellen befestigt ist; der erste Rotor (12) hat eine Außenfläche, an der mehrere Druckschaufeln (13, 49) befestigt sind, die sich in Längsrichtung desselben erstreckend und radial im Abstand voneinanderliegend angeordnet sind;

diese Kammergruppe nimmt weiterhin mehrere Nutenrotoren (15, 16) auf, die an den der mittleren Welle (14) benachbarten Wellen (17, 18) befestigt sind, wobei jeder Nutenrotor (15, 16) in engster Nähe zu dem ersten Rotor (12) angeordnet ist und an seiner Außenfläche mehrere Nuten (19, 20) hat, die darin radial in einem Abstand entsprechend dem Abstand dieser Druckschaufeln (13, 49) voneinander angebracht sind, wobei jede dieser Nuten (19, 20) eine Form zur Aufnahme einer dieser Druckschaufeln (13, 49) hat, um bei der Rotation des ersten Rotors und des Nutenrotors das Eingreifen dieser Druckschaufeln in diese Nuten zu ermöglichen;

Mittel zum Synchronisieren der Rotation der jeweiligen Wellen und Leistungsabnahmemitteln, die kraftübertragend diesem ersten Rotor (12) zugeordnet sind, um diese Turbine an eine Krafterzeugungseinheit anzuschließen;

wobei diese Maschine eine Verdränger-Rotationsturbine ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einlaßkanäle (3, 5) und die Auslaßkanäle (4, 6) parallel zueinander verlaufen, derart, daß die Einlaßkanäle (3, 5) den Auslaßkanälen (4, 6) gegenüberliegen und damit einen Hochgeschwindigkeitsdampfkanal bilden und die partielle Ausnutzung kinetischer Energie ermöglichen, und daß diese Einlaß- und Auslaßkanäle an und in diesem Gehäuse derart angebracht sind, daß die jeweiligen Einlaßkanäle und die jeweiligen Auslaßkanäle und die Innenseite des Gehäuses sich diametral gegenüberliegen, um es zu ermöglichen, daß die Druckkraftmomente, die beim Durchströmen des Arbeitsmediums erzeugt werden, entgegengesetzt wirken und sich aufheben;

daß die Druckblätter (13, 49) mit den Nuten (19, 20) während der Eingriffsphase in einer berührungslosen Weise kämmen, so daß dazwischen ein ständiger Spalt (43b, 44b, 13, 20) freibleibt und die einzelne Nut dadurch gehindert ist, intermittierend Drehmomentkräfte zu übertragen, und daß weiterhin Zahnradzähne (21) des ersten Rotors eng und berührungslos mit Zahnradzähnen (22) der Nutenrotoren kämmen, wodurch eine kontinuierliche, dynamische, reibungsfreie Labyrinthdichtung zwischen der Außenseite des ersten Rotors (12) und der Außenseite jedes der anderen Nutenrotoren (15, 16) bewirkt wird, wobei die Zahnradzähne (21) des ersten Rotors derart kämmen, daß mindestens zwei Zahnradzähne (22) auf jeder Seite der Nuten dieser Nutenrotoren dicht aber ohne Kontakt mit den entsprechenden Zahnradzähnen (21) des Schaufelrotors (12) kämmen, wodurch sowohl eine kontinuierliche, dynamische, reibungsfreie Labyrinthdichtung und eine im wesentlichen konstante Drehmomentleistungsabgabe an der mittleren Welle (14) bewirkt wird;

daß Anordnungen für Dichtplatten (10, 11) an dem Gehäuse (1, 2) angebracht und in dieser Kammer so angeordnet sind, daß sie in engster Entfernung zu diesem ersten Rotor liegen, 50 daß diese Druckschaufeln (13, 49) sich relativ zu jeder dieser Dichtplatten bewegen, so daß eine dynamische, reibungsfreie Dichtung erzeugt wird, um dadurch den Kammerteil, der das Arbeitsmedium in einem expandierten Zustand aufnimmt, von dem Kammerteil zu trennen, der das unter höherem Druck stehende Arbeitsmedium aufnimmt, und wobei die Dichtplatten (10; 11) sich nur über einen Abschnitt des Umfangsabstandes zwischen diesen Einlaßkanälen (3, 5) und den Auslaßkanälen (4, 6) erstrecken, und daß die den Auslaßkanälen zugewandten, verkürzten Enden der Dichtplatten abgeschrägt sind, derart, daß das Arbeitsmedium stufenweise expandiert, bevor es in den entsprechenden Auslaßkanal (4, 6) eintritt.

2. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei der diese Druckdichtungen einen kreisförmigen Druckring (38, 39) umfassen, der zwischen diesem Gehäuse und dieser Vielzahl von Wellen an beiden Seiten der Kammergruppe angeordnet ist, und daß die beiden kreisförmigen Seitenkammer-Dichtplatten (38, 39) an diesem Gehäuse montiert und an den Innenwänden dieser Kammergruppe angebracht sind, so daß sie in unmittelbarer Nähe zu dem ersten Rotor (12) und einer Nutendichtplatte liegen, die an diesem Gehäuse angebracht ist, so daß sie in unmittelbarer Nähe zu jedem dieser Nutenrotoren liegt.

3. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei der diese Synchronisierungsmittel eine Vielzahl von Zahnrädern (40) umfassen, wobei jeweils eines an dem Ende jeder dieser Vielzahl von Wellen montiert ist, wobei diese Vielzahl von Zahnrädern treibend miteinander verbunden sind.

4. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei der eine gerade Zahl von Druckschaufeln (13, 49) an diesen ersten Rotoren (12) angebracht sind.

5. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei der die Spitze dieser Druckschaufeln (13, 49) mit mehreren längsverlaufenden Rillen (42) versehen sind, so daß die Abdichtung zwischen diesen Druckschaufeln und den innerhalb der Kammer liegenden Dichtplatten (10, 11) verbessert wird.

6. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei dem die Zahnradzähne (21) des ersten Rotors und die Zahnradzähne (22) des Nutenrotors so angeordnet und ausgestaltet sind, daß sie für einen bestimmten Zeitraum bei einem Ausfall der Synchronisierungseinrichtung (40) als ein Synchronisiergetriebe wirksam sind.

7. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei der dieses Gehäuse weiterhin Mittel enthält, die mindestens eine in dem Bereich dieses Gehäuses angeordnete Nut definiert mit einer Krümmung in unmittelbarer Nähe zu dieser Vielzahl von Druckschaufeln (13, 49), wodurch ein Spalt zwischen dieser Krümmung des Gehäuses (1, 2) und diesen Druckschaufeln definiert ist, wobei diese Nut in der Gehäusekrümmung derart angeordnet ist, daß diese Nut von den Nutenrotoren (15, 16) bis zu dem dazu benachbarten Einlaßkanal (3, 5) und von dem Auslaßkanal (4, 6) bis zu den dazu benachbarten Nutenrotoren (15, 16) reicht.

8. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei der diese Nutschaufeln (13, 49) in einer T-Ausnehmung (41) in dem ersten Rotor (12) montiert sind, um das Herausnehmen dieser Druckschaufeln (13, 49) zu erleichtern.

9. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei der diese Zahnradzähne (21, 22), die an den Außenflächen sowohl der ersten Rotoren (12; 49) und der Vielzahl von Nutenrotoren (15, 16) angeordnet sind, mit winkelförmig abgeschrägten Seitenwänden ausgebildet sind, die ausreichen, jedwede Differenzen des Rotordurchmessers zu kompensieren, die als Ergebnis von Veränderungen der Rotortemperaturen auftreten könnten.

10. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 1, bei der dieses Gehäuse weiterhin Mittel enthält, die eine Vielzahl von zusätzlichen Kammergruppen bilden, durch welche sich diese Wellen (14, 17, 18) erstrecken, wobei diese zusätzlichen Kammergruppen innerhalb des Gehäuses axial voneinander im Abstand liegen, wobei dieses Gehäuse weiterhin Einrichtungen aufweist, die zusätzliche Einlaßkanäle (31, 32) und zwei Auslaßkanäle (33) bilden, um das Einströmen und Ausströmen eines Arbeitsmediums in und aus jeder zusätzlichen Kammergruppe zu ermöglichen, und daß diese zusätzlichen Einlaß- und Auslaßkanäle an dem Gehäuse an diametral gegenüberliegenden Stellen angeordnet sind, um zu ermöglichen, daß durch das Durchströmen des Arbeitsmediums erzeugte Druckkraftmomente entgegengesetzt gerichtet sind und sich aufheben.

11. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 10, bei dem dieser erste Rotor (12) in einer dieser Kammergruppen nach Art eines Verdrängers wirksam ist, während dieser erste Rotor in einer anderen Kammergruppe durch Pumpen oder Komprimieren eines Mediums wirksam ist, wodurch eine Druckkraftkompensation bewirkt wird.

12. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 10, bei der dieses Gehäuse Mittel enthält, die mindestens eine Druckkompensationskammer bilden, die aus einer Vielzahl von hintereinander fluchtenden und sich teilweise überschneidenden Zylinderkammern gebildet ist, und daß diese Druckkompensationskammer axial entlang dieser Vielzahl von Wellen angeordnet ist und zwischen und im Abstand von jeder von zwei Kammergruppen positioniert ist, und daß diese Druckkompensationskammer einen Druckkompensationsrotor (25, 26) enthält, der auf jeder dieser Vielzahl von Nutenrotoren tragenden Wellen montiert ist, und daß dieses Gehäuse weiterhin Mittel aufweist, die mindestens einen Einlaß (31, 32) für jeden Druckkompensationsrotor (25, 26) und mindestens einen Auslaß (33) für jede Druckkompensationskammer bilden, um ein Arbeitsmedium in jede dieser Druckkompensationskammern einströmen bzw. daraus ausströmen zu lassen, und daß Mittel vorgesehen sind, um eine Labyrinth- Druckdichtung herzustellen, um das Arbeitsmedium innerhalb der Druckkompensationskammern zu isolieren.

13. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 12, bei der diese Labyrinth-Druckdichtungsmittel zwei gekrümmte Kompensations-Rotordichtplatten umfassen, die an diesem Gehäuse in unmittelbarer Nähe zu diesen Kompensationsrotoren (25, 26) montiert sind.

14. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 12, bei der dieser erste Rotor (12) in einer dieser Kammergruppen in der Lage ist, unter dem Einfluß eines Hochdruckmediums zu arbeiten, während dieser erste Rotor (34, 35) in einer anderen dieser Kammergruppen 50 ausgestaltet ist, um unter dem Einfluß eines Niederdruckmediums zu arbeiten.

15. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 14, bei der die Auslaßkanäle (4, 6) der Kammergruppe, die diesen ersten Rotor (12) enthält, der dazu bestimmt ist, mit dem relativen Hochdruck-Arbeitsmedium beaufschlagt zu werden, zusammenwirkt mit dem Auslaßkanal (33) für die Druckkompensationskammer, wobei diese Auslaßkanäle weiterhin angeschlossen sind an die Einlaßkanäle der Kammergruppen, die dazu bestimmt sind, mit dem Arbeitsmedium mit relativ niedrigen Drücken beaufschlagt zu werden.

16. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 2, bei der die kreisförmigen Seitenkammer-Dichtplatten (23, 24) der Nutenrotoren (15, 16) eine Dichtfläche von mindestens der zweifachen Breite dieser Rotornuten (19, 20) haben.

17. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 2, bei der sämtliche Dichtplatten aus einem anderen Material bestehen als dem Material der ersten und der Nutenrotoren und dem der Druckschaufeln.

18. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 2, bei der sämtliche Platten aus Materialien bestehen, die die Möglichkeit eines Festfressens durch Kontakt mit diesen ersten oder den Nutenrotoren minimieren.

19. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 2, bei der jede dieser Nutenrotor-Dichtplatten (23, 24) an diesem Gehäuse angrenzend an diese Einlaßeinrichtungen angeordnet ist.

20. Eine Veniränger-Rotationsturbine nach Anspruch 3, bei der die Anzahl der Zahnräder (40) die Anzahl dieser Vielzahl von parallelen Wellen übersteigt.

21. Eine Verdränger-Rotationsturbine nach Anspruch 7, bei der ständig mindestens zwei dieser Zahnradzähne (21) des ersten Rotors mit einer gleichen Anzahl von Zahnradzähnen (22) der Nutenrotoren kämmen, um die kontinuierliche dynamische Labyrinthdichtung zu bewirken.