NO743299L - - Google Patents

Description

Trykkgassmaskin.

Oppfinnelsen vedrører en trykkgassmaskin. Med oppfinnelsen tar man sikte på å tilveiebringe en trykkfluidummaskin som har et indre første element og et ytre andre element som strekker seg rundt det første element, idet et av elementene har minst en konvergerende-itivérgerende dyse som munner ut i minst en og fortrinnsvis en serie av turbinskåler anordnet i det andre element, idet dysen og skålen ligger på en korde av det respektive element, dvs. er skråttstilt i forhold til det respektive elements omkrets.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning

til tegningene, h/fovor

figur 1 viser et perspektivriss av en trykkgassmaskin ifølge oppfinnelsen,

figur 2 viser et lengdesnitt gjennom trykkgassmaskinen, figur 3 viser et snitt etter linjen 3_3 i figur 2,

figur 4 viser et snitt gjennom en dyse,

figur 5 viser et perspektivriss av den ytre rotor i utførelsen i figur 2,

figur 6 viser et snitt gjennom en dyse og tilhørende turbinskåler ifølge en modifisert utførelsesform,

figur 7 viser et snitt som i figur 6 gjennom skål-dysekombinasjonen i det første utførelseseksempel.

I figurene 1-5 er det vist en trykkgassmaskin i form

av en flertrinns turbin som benytter trykkgass. Dette kan enten være en koldgass, f.eks. komprimert luft, .eller det kan være en varmgass, idet maskinen da forsynes med isolasjon og andre spesial-tiltakLtreffes. Varmgassen kan komme fra forbrennbare brennstoff-blandinger. I utførelseseksemplet har maskinen 10 et hus 11 med et utvidet parti 12 som inneholder to sett av periferielt avstands-plasserte utløpsåpninger 13. I dette utvidede parti er maskinens to trinn anordnet.

Et første trinn 14 har sirkulært tverrsnitt og har

langs periferien 16 første energiomdannende anordninger 15 for omdannelse av gasstrykk til kraft. I utførelseseksemplet er energi-omdannelsesanordningene 15 utført som flere dyser, i dette tilfelle vist som konvergerende-divergerende dyser, se figur 4. Det indre 17 av dette første trinn 14 er en indre rotor s.om tilføres gass under trykk, f.eks. komprimert luft, gjennom en hul aksel 18 hvorpå rotoren 14 er montert for rotasjon sammen med akselen. Den hule aksel har forbindelse.med rotoren 14 gjennom fire jevnt avstands-plasserte radielle åpninger 19- På.denne måten kan trykkgass gå fra venstre i figur 2 og inn i det hule rom 20, idet trykkgassen da endrer retning fra aksial strømning til radial strømning, gjennom åpningene 19 og inn i kanalene 17 og ut til dysenes konvergerende ender 21 (figur 4). Trykkgassen går så ut gjennom strupestedet 22

i hver dyse og ut gjennom dysens divergerende ende 23.

Enden 24 av akselen går gjennom en gearkasse 24 og er festet til en kraftutt.åksåksel'!26. De forskjellige roterende deler er montert i huset 11 ved hjelp av egnede kulelagere som vist.

Trykkgassmaskinen er også forsynt med et andre trinn eller et ytre andre element, i dette tilfelle en rotor 27 som omgir den indre rotor 14 og er forsynt med andre energiomdannelses-anordninger som i dette tilfelle har form av turbinskåler som omdanner gasshastighet til kraft. Rotorene 14 og 27 roterer i forhold til hverandre.. I figur 3 er vist hvordan hver dyse 15

og hver skål 28 ligger på en korde av henholdsvis rotoren 14 og 27, slik at dyse og skål altså ligger skråttstilt i forhold til omkretsen, av det respektive element.

Por i figur 2 å vise den utførelsen hvor skålene 28 ligger side om side langs omkretsen er snittlinjen i figur 2 avvinklet ved bunnen av den ytre rotor 27 slik at den går symmetrisk gjennom et horisontalt innrettet skålpar 28.

Som vist i figur 3 vil en rotasjon av en av rotorene eller av begge rotorene 14, 27 i forhold til hverandre inne i partiet 12 bevirke at hver dyse 15 suksessivt blir liggende rett utenfor skåler 28. På denne måten oppnår man en effektiv omdannelse av kraft som stammer fra hastigheten i trykkgass^.strømmen gjennom dysene, idet denne trykkgass-strøm virker på skålene 28 og omdannes til rotasjonskraft.

Som vist i figur 2 vil utstrømningen fra hver dyse 15 først treffe en kant 30 på en skål 28 og deretter strømme langs overflaten av den respektive skål og gå ut ved den motliggende kant 31 og deretter ut gjennom utløpsåpningene 13 i huset. Denne føringen av gassen i en sveipebevegelse over den konvekse overflaten i skålene 28 resulterer i en omdannelse av gassens restenergi til rotasjonskraft. For å styrke effektiviteten i omdannelsen av energi til kraft har hver skål 28 hovedsakelig konstant radium og strekker seg på tvers av rotasjonsretningen 32 til rotoren 27-Denne rotasjonsretning er motsatt rotasjonsretningen 33 til en indre rotor 14.. Den indre rotor 14 vil således virke som en reaksjonsrotor, mens den ytre rotor 27 virker som en impulsrotor, idet begge drives av den samme gasstrøm. Dysene 15 er nødvendige for å få en effektiv omdannelse av gasstrykket til hastighet i reaksj onsrotoren.

I utførelseseksemplet er skålene 28 anordnet i to

rader langs periferien, slik at skålene altså er anordnet i skålpar, med to skåler side om side. De hosliggende skåler er som vist i figur 2 såvel som i figurene 5, 6 og 7 utført med en felles kant 34 som ligger rett utenfor utløpsenden 29 i dysen. Med et slikt

arrangement vil gass-strømmen 35 (figur 4) deles hovedsakelig i to deler og gå inn i hver sin skål 28. I tillegg er yttersidene 36 forlenget innover i retning mot rotasjonsaksen 37- Denne konstruksjon tjener til å hindre pumping av gassen under rotasjonen av rotorene 14 og 27- En slik pumping vil ha en negativ effekt og redusere effektiviteten i omdannelsen av gassenergi til kraft.

De tverrgående krummede flater I hver skål 28 strekker

seg over en vinkel på mellom 90-270°, hensiktsmessig ca. l8o°,

som vist. De konvergerende-divergerende dyser kan være av vanlige kjente typer. Fordelaktig kan sidene i det konvergerende avsnitt 21 danne en vinkel på ca. 60°, mens sidene i det divergerende parti

23 danner en vinkel på ca. 15°-

Selv om i utførelseseksemplet begge rotorer 14 og 27 dreier seg i forhold til hverandre så kan eventuelt dysene plasseres i enten det indre eller det ytre element, mens skålene da er i det motliggende element-, og elementet som bærer dysene kan også være fast, slik at i så tilfelle det skålbærende element er den eneste rotor. Selv om det som vist foreligger to sett av skåler 28 så

kan man naturligvis bare benytte ett sett om man så ønsker, eller flere sett. Fordelaktig rettes utløpsstrømmen 29 mot en kant 30

av skålen 28, slik at gass-strømmen kan strømme langs skålen og ut på den andre siden, når man bare benytter ett sett.

Av figur 3 går det frem at maskinen er utført slik at

hver dyse 15 leder sin gass-strøm inn i et skålpar 28. Naturligvis kan hver dyse være utformet slik at den samtidig fører sin gass-strøm inn i flere skåler. Dette kan oppnås ved å øke dysedimensjonen. Eksempelvis kan nevnes at i et tilfelle hvor den divergerende ende 23 til en dyse rettet sin gass-strøm mot tre skåler samtidig ble strupestedet 22 utført hovedsakelig tre ganger så stort som strupestedet i en dyse som avleverer sin gass-strøm i et skålsett.

Som vist i figur 5 kan den ytre rotor 27 være utformet

som en ring hvis innerflate er forsynt med overlappende slisser 38 hvori innsatser 39 kan settes inn. Innsatsene er dimensjonert slik at de passer trangt inn i slissene 38. Hver innsats 39 inneholder et skålpar 28, med midtkant 34 og de overlappende sidekanter 36,

som foran beskrevet.

I figur 6 er den indre rotor 4'0, som inneholder dysene

4l, også forsynt med to sirkulære rekker av skåler 42. Disse er

utført hovedsakelig som skålene 28 og mottar gass-strømmen fra skålenes 28 ytre kanter 31 ved sine indre kanter 43- Tegningen i figur 6 er naturligvis halvskjematisk.

Selv om skålene 28 mest hensiktsmessig anordnes i den ytre rotor 27 og vender innover, mens dysene i den indre rotor vender utover, kan det omvendte også naturligvis være tilfelle. .Ved en utførelse hvor man har to rader av skåler 28 og hvor dysene 15 retter sin gass-strøm mot den felles midtkant 34 i hvert skålpar vil gass-strømmen fra dysen deles nogenlunde likt og gå gjennom de respektive skåler i skålparet. I et utførelses-eksempel htøor dysen hadde de tidligere nevnte vinkler på henholdsvis 60° og 15°, med en strupediameter på 0,35 cm og med inngangsdiameter på 12,6 cm og en utgangsdiameter på 0,48 cm var utløpet 29 sentrert i forhold til midtkanten i skålparet og hver skål hadde en krumning som strakk seg over 180°, med en diameter på 1,6 cm.

Når gassen går inn i hver dyse og strømmer ut gjennom de konvergerende avsnitt 21 vil gassen miste trykk ettersom tverrsnitts-arealet avtar, med tilsvarende økning i gasshastighet, helt til hastigheten når sitt maksimum ved strupestedet 22. Den største hastighet som kan oppnås i strupestedet er lydhastigheten. Når så gassen går fra strupestedet og videre inn i det divergerende avsnitt 23 og frem til dyseutløpet 29 vil gassen forlate dysen med en hastighet som er større enn lydhastigheten.

Det er ikke nødvendig å ha to sett eller sirkulære rekker av side-om-side plasserte skåler 28 i den indre eller ytre rotor, idet man kan få tilveiebragt den nødvendige kraft selv ved bruk av en enkelt rad av skåler, når bare gassen går inn i hver skål nær den ene kant 30, avbøyes langs den krummede flate og går ut av skålen ved den andre kanten 31, og så lenge' skålene 18 er skrått stilt i forhold til en radius, eller med andre ord ligger på en korde.

Man kan eventuelt benytte en eneste dyse som samvirker med flere skåler, eller en eneste skål som påvirkes av flere dyser.

På grunn av at inngangen til hver skål i en omkretsrad ligger på skålens radius og nær en skålkant får man et meget lite krafttap som følge av en pumpevirkning. I praktiske konstruksjoner vil skålene anordnes to og to side-om-side og skålene i et slikt par går over i hverandre med en skarp kant, samtidig som dysene anordnes slik at de fører gass-strømmen inn i skålene ved denne skarpe kant. Derved deles gassen jevnt i de to skålene i et par. Forbinder man den indre rotor 14 med den ytre rotor 27 ved hjelp

av tannhjul 43, 44, 45, som vist i figur 2, så kan begge rotorer 14 og 27 benyttes for drift av den felles kraftaksel 26. I andre utførelser kan de to rotorer forbindes med hver sin aksel.

Ved at de to rotorer roterer hver sin vei oppnås en hastighetsredusering for hver av dem. Derved reduseres sentrifugal-belastninger og man oppnår omtrent det dobbelte dreiemoment på den fellas drivaksel, med omtrent halvparten av det omdreiningstall som man oppnår med et enkelt trinn.

Den hestekrafteffekt som man oppnår med en slik motroterende reaksjon-impulstrykkgassmaskin når hurtig en topp ved et omdreiningstall som ligger omtrent midt mellom hull og det maksimale omdreiningstall. I et tilfelle oppnådde man 18 hestekrefter ved 20.000 omdr./min. og et dysesenterhastighet på ca. 150 m/sék. Ved øking av akselens -omdreiningstall sant effekten mot null.

Ved å utelate dyse-reaksjonstrinnet og bare benytte den impulskraft som utøves av skålene alene var også den maksimale hestekraftydelse ca. l8hhk, men omdreiningstallet var da ca. 40.000 omdr./min. og dysesenterhastigheten var ca. 300 m pr. sek. Med reaksjons-impulsmaskinen oppnådde man således den maksimale effekt i hestekrefter ved et lavere omdreiningstall og en lavere dysesenterhastighet. I begge tilfeller var hestekrafteffekten omtrent dobbelt så stor som den man oppnår med en entrinns reaksjonsrotor.

For å oppnå toppeffekt under drift bør samtlige skåler

28 i impulstrinnet være i det vesentlige fullt med høyhastighetsgass under trykk til enhver tid når maskinen løper. Bunnen av skålene i impulstrinnet eller trinnene er avrundet for å opprettholde en jevn gass-strøm inn i og ut av hver skål, særlig når de bevegede skåler skjærer gass-strømmen fra hver dyse. Dette resulterer i en utvikling av en jevn kontinuerlig kraft sammen med et lavt støynivå.

Utførelseseksemplet viser indre og ytre rotorer som roterer i motsatt retning av hverandre. Den ytre rotor er således en kombinert stator og rotor, idet motrotasjonen ikke er av av-gjørende betydning. En av rotorene kan således;'holdes stasjonært mens den andre tillates å rotere. I så tilfelle vil denne rotor da arbeide med omtrent den dobbelte hastighet av den man har i det tilfellet hvor begge rotorer roterer mot hverandre.

Den nye maskin har flere fordeler. Man får redusert skålhastigheten til omtrent halvparten fordi man trekker nytte av den relative rotasjonshastighet mellom de to motroterende dåler. Man får også redusert antall trinn som er nødvendige for å oppnå toppeffekt ved et gitt omdreiningstall og tillater oppnåelsen av omtrent den beregnede eller teoretiske kraft. Det betyr at oppfinnelsen kan finne anvendelse i alle typer av trykkgassdrevne maskiner, i fra små luftmotorer og opptil meget store varmgass-motorer, opptil så mye som 100.000 hk. Så bredt anvendelsesområde kan man oppnå fordi de kombinerte reaksjon-impulstrinn, namlig dysene og skålene, er en i prinsippet sunn grunnkonstruksjon for oppnåelse av maskimal effektivitet.

I utførelseseksemplene er skålene i et skålpar vist adskilt med en skarp kan 34. Om ønskelig eller nødvendig kan denne kant avrundes uten at man derved får et vesentlig krafttap.

Forsøk har vist at ved rotorer av den viste type vil

man få høyere effektivitet og ydelse fordi konstruksjonen er slik at antall strømningsendringer reduseres. Videre utgjør den indre rotor i seg selv en meget effektiv kilde for rotasjonskraft og vil også på en meget effektiv måte tilføre høyhastighetsgass under dynamiske strømningsbetingelser til impulstrinnet, som her er vist plassert på den ytre rotor. I et utførelseseksempel oppnådde man en dysehastighet på ca. 145 m/sek. og ved bruk av konvergerende-divergerende dyser oppnådde man en luftstrømnings-hastighet på 0,4 m^/sek.'-ip:r. utviklede hestekraft ut i fra en luft-kilde med en temperatur på ca. 30°C og ved et trykk på ca. 6 kg/cm^.

Claims (11)

1. Trykkgassmaskin, karakterisert ved at den innbefatter et indre første element med et sirkulært tverrsnitt, hvilket element har første energiomdannende anordninger ved sin periferi for omdannelse av dynamisk gasstrykk til kraft; et ytre andre element som omgir det første element og har andre energiomdannende anordninger som vender mot det nevnte indre første element og beregnet for en omdannelse av dynamisk gasshastighet til kraft, en anordning for lagring av-i det minste ett av de nevnte

første og andre elementer for rotasjon i forhold til hverandre av elementene ved hjelp av den kraft som virker på dem, idet en av de nevnte energiomdannede anordninger innbefatter en gassdyse som ligger på en korde på elementet og er rettet mot den andre energiomdannende anordning, hvilken andre energiomdannende anordning innbefatter en rekke impulsturbinskåler som vender mot dysene og hver er skråstilt og beregnet til å flukte med dysemunningen ved den relative bevegelse av de første og andre elementer, idet dysemunningen er anordnet nær en kant av hver skål og hver skål har en krummet overflate med konstant radius på tvers av rotasjonsretningen, hvilken krummede flate strekker seg til en andre utløpskant som er motliggende den førstnevnte kant, samt en anordning for tilføring av trykkgass til dysens konvergerende ende, og en anordning for utføring av gass fra maskinen ved utløpskanten.

2. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at gassdysen er av en konvergerende-divergerende type.

3» Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at impulsturbinskålene er anordnet i flere omkretssirkler side-om-side, med hosliggende skåler forsynt med en felles skarp kant som er rettet mot dysemunningen slik at gass-strømmen deles opp av denne kant når den strømmer inn i de hosliggende skåler.

4. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at skålene er anordnet to og to ved siden av hverandre i sirkulære rader, med de hosliggende kanter i hosliggende skåler forbundet med hverandre for dannelse av en skarp kant, idet de motliggende utløpskanter av skålene er forlenget for overlapping av siden til det element som inneholder dysen, for derved å hindre pumping av gassen som følge av det roterende elements virkning.

5. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at den krummede flate i hver skål strekker seg over ca. 90-270°.

6. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at den krummede flate i hver skål strekker seg over ca. l80°.

7' Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at det indre første element er dreibart og har et hulrom som er omgitt av en periferisk vegg hvori det er anordnet en sirkulær rad av de nevnte dyser som hver står i forbindelse med hulrommet.

8. Maskin ifølge krav 7, karakterisert ved at hver dysemunning er hovedsakelig tangensielt rettet og i samme retning i forhold til veggens omkrets.

9. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at det indre første element og det nevnte ytre andre element begge er roterbare om en felles akse, med et av elementene inneholdende dysen og det andre av elementene inneholdende impulsturbinskålene for mottak av gasstrømmen fra dysen.

10. Maskin ifølge krav 9, karakterisert ved at flere av de nevnte dyser er anordnet i sirkulære rader rundt periferien av det første elementet og retter sin munning mot det andre element, og ved at skålene er anordnet i et par sirkulære rader med et hosliggende par av skåler i radene i hovedsaken innrettet parallelt med Rotasjonsaksen og med tette hosliggende sider.

11. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at skålene er anordnet i et par tett hosliggende sirkulære rader hvor hvert par av sideveis hosliggende skåler i de to rader er forbundet med hverandre ved hjelp av en felles skarp: kant for mottagelse av gass-strømmen fra dysen, idet den motsatte kant av hver skål fører gass-strømmen inn i en sirkulær rad av skåler anordnet i det samme element som inneholder dysen, og med disse skåler anordnet i to sirkulære rader, en rad på hver side av dysen.