WO2003036047A1 - Als flügelzellenmaschine ausgebildete antriebsmaschine - Google Patents

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WO2003036047A1
WO2003036047A1 PCT/EP2002/011836 EP0211836W WO03036047A1 WO 2003036047 A1 WO2003036047 A1 WO 2003036047A1 EP 0211836 W EP0211836 W EP 0211836W WO 03036047 A1 WO03036047 A1 WO 03036047A1
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WO
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rotor
wall
inlet
vane
outlet
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PCT/EP2002/011836
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Inventor
Herbert Clemens
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Enginion Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/06—Heating; Cooling; Heat insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/30—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
    • F01C1/34—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members
    • F01C1/344—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member
    • F01C1/3441—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member the inner and outer member being in contact along one line or continuous surface substantially parallel to the axis of rotation
    • F01C1/3442—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member the inner and outer member being in contact along one line or continuous surface substantially parallel to the axis of rotation the surfaces of the inner and outer member, forming the working space, being surfaces of revolution

Definitions

  • the invention relates to a drive machine designed as a wing cell machine having a housing which forms a housing bore with a prismatic inner wall and a rotor which is rotatable in the housing bore and has radially displaceably guided wing slides which bear against the inner wall, vane cells between the wing slides, the rotor and the inner wall are formed, the volume of which changes with one revolution of the rotor, a housing-fixed inlet for a drive medium in an inlet area in which the vane cells each have a relatively small volume, and an outlet in an outlet area in which the vane cells have a relatively large volume ,
  • the airframe machine can be an internal combustion engine, which means that a fuel is introduced at the inlet and ignited in the respective wing cell. The expanding combustion gases then drive the rotor by expanding in the increasing volumes of the vane cells towards the outlet.
  • the airframe machine can also be an expansion machine through which a pressurized working medium directed to the inlet, such as high-pressure steam, releases mechanical
  • Usual vane cell machines contain a housing bore with a continuously cylindrical inner wall.
  • a rotor is rotatable about an axis which is eccentric to the axis of the cylindrical inner wall.
  • the wing slides rest with their outer edges on the inner wall. This can happen under the influence of centrifugal force or compression springs.
  • the wing slide can also be guided over cams.
  • Chambers or vane cells are formed between the vane slides, the inner wall and the rotor. When the rotor rotates about its axis, the vane cells thus formed change their volumes: On one side of the housing bore, the volumes of the vane cells are at a minimum.
  • the volumes of the vane cells are at a maximum on the diametrically opposite side of the housing bore. From the minimum to the maximum on one half of each revolution of the rotor, the volumes of the vane cells increase monotonously. From the maximum to the minimum on the other half of the circulation, the volumes of the vane cells decrease monotonously.
  • DE 44 22 720 AI shows an internal combustion engine constructed as a wing cell machine, in which a rotor with wing valves is arranged eccentrically in a housing bore of an elliptical cross section.
  • the known configuration of vane machines presents certain problems in that the volumes of the vane cells change continuously.
  • the fuel is burned on the inlet side in a constantly changing geometry, namely in an enlarged vane. This affects combustion, particularly at high speeds.
  • the continuous change in volume is also disadvantageous in a wing cell machine operating as an expansion machine.
  • the flow cross-section for the inflowing working medium is limited there. If the vane cell changes its volume greatly in the inlet area, then again, particularly at high speeds, the working medium cannot flow in as quickly as the volume of the vane cell changes. This can lead to the fact that the full available high pressure of the working medium cannot build up in the wing cell on the inlet side. Disclosure of the invention
  • the invention is therefore based on the object of ensuring, on a wing cell machine of the type mentioned, inlet-side ratios of the driving medium, ie either burned fuel or a pressurized working medium.
  • the combustion of fuel in a wing cell machine working as an internal combustion engine should take place at least in the initial stage under defined conditions and with a defined wing cell geometry.
  • the performance of the wing cell machine is to be increased compared to the described prior art. This should also apply in particular at high speeds.
  • this object is achieved in that the inner wall in the inlet area is curved essentially cylindrically about the axis of the rotor.
  • the inner wall of the housing bore differs from the circular shape. It is shaped relative to the rotor so that the volumes of the vane cells during the circulation of the
  • the inner wall is at least substantially coaxial with the axis of the rotor. In this area, therefore, the volume of the vane does not change when the rotor rotates. Burning fuel or introduced working medium under pressure find a constant volume of the vane cell in this area. Part of the circulation changes the volume of the
  • Vane cell not, or at least - if the inner wall is not exactly cylindrical in this area - less than with a continuously cylindrical inner wall ⁇ the eccentric axis of the rotor would be the case.
  • the volume must of course change more in other parts of the rotation of the rotor than would be the case with a continuously cylindrical inner wall with an eccentric axis of the rotor would.
  • the inner wall is also curved essentially cylindrically around the axis of the rotor in the outlet region with a larger radius of curvature than that of the inlet region.
  • the inner wall forms a continuous transition between the inlet part and the outlet part with increasing radial distance from the axis of the rotor from the inlet part to the outlet part.
  • the change in the volume of each vane takes place more than would be the case with a continuously cylindrical inner wall that is eccentric to the axis of the rotor.
  • the steady transition is designed so that the
  • Wing valves can follow the contour of the inner wall without any problems.
  • a particularly simple and compact design for this consists of a drive machine designed as a fly cell machine with a housing which forms a housing bore with a prismatic inner wall and a rotor which can be rotated in the housing bore and has radially displaceably guided sliders which bear against the inner wall, with between the sliders the rotor and the inner wall
  • Vane cells are formed, the volume of which changes as the rotor rotates, a housing-fixed inlet for a drive medium in an inlet area in which the vane cells each have a relatively small volume, and an outlet in an outlet area in which the vane cells have a relatively large volume have, wherein the volume of the vane cells on a first when the rotor rotates
  • inlet and outlet for a Drive medium are arranged in the first angular range, the wing cell machine working on this angular range as a prime mover and in the second angular range a second inlet is arranged in the area of relatively large volumes of the vane cells and a second outlet in the area of relatively small vane cells, the wing cell machine in the second Angular range as a pump or
  • Compressor works for a medium different from the drive medium.
  • the "return stroke" of the airframe machine which is not used for the drive anyway, is used simultaneously as a pump or compressor, without the need for a separate machine.
  • Fig.l shows schematically a flight cell machine designed
  • Fig. 2 shows pV diagrams for a wing cell machine according to the invention in
  • FIG. 3 shows a modification of the drive machine of FIG. 1 designed as a wing cell machine with two inlets and two outlets, in which an angular range of the wing cell machine is used as a pump or compressor.
  • Fig.l 10 denotes the inner wall of a housing bore 12 of a wing cell machine.
  • a rotor 14 is around a in the housing bore 12 Axis 16 rotatable.
  • the rotor 14 has radial slots 18.
  • Wing slides 20 are guided radially displaceably in these radial slots 18.
  • the wing slides 20 rest on the inner wall 10.
  • Vane cells 22 are formed between the vane slides 20, the lateral surface of the rotor 14 and the inner wall 10.
  • An inlet 24 opens into the housing bore 12.
  • An outlet 26 extends from the essentially diametrically opposite side of the housing bore 12.
  • the inner wall 10 of the housing bore 12 is cylindrical.
  • the axis 16 of the rotor 14 is arranged eccentrically to the cylinder axis of the cylindrical inner wall 10.
  • the axes of the rotor 14 and inner wall 10 define a central plane.
  • the volumes of the vane cells 22 are on one side to a minimum and on the other side to a maximum.
  • the volumes of the vane cells 22 continuously increase on one side of the median plane from the minimum to the maximum and on the other side continuously increase from the maximum to the minimum.
  • the difference between the maximum and the minimum of the volumes represents a "stroke".
  • the working medium then flows under high pressure into the small volumes of the vane cells 22.
  • the rotor 14 rotates and the volume of the vane cells 22 increases, the working medium expands and thereby releases mechanical work.
  • the working medium flows out of the large volumes of the vane cells 22 via the outlet.
  • the inner wall 10 of the housing bore 12 is not continuously cylindrical.
  • the inner wall 10 is cylindrically curved about the axis 16 of the rotor 14.
  • the radii Ri, R 8 and R shown are the same.
  • the inner wall 10 is also curved cylindrically about the axis 16 of the rotor 14, but with a larger radius than the region 28.
  • the larger radii R 3 , R 4 and R 5 shown are the same.
  • the area 28 corresponds to the minimum of Volumes of the vane cells 22.
  • the area 30 corresponds to the maximum of the volumes of the vane cells 22.
  • transition areas 32 and 34 extend, in which the radii increase and which establish a smooth connection between the areas 28 and 30.
  • the transition areas 32 and 34 follow a function that allows a steady radial movement of the wing slide 22 without shocks and impermissible accelerations. It is from the radii R ! ⁇ R 2 ⁇ R 3 and R 7 ⁇ R ⁇ ⁇ R 5 .
  • the shape of the inner wall 10 described in an expansion machine ensures that in the inlet area, when the inlet 24 is connected to the wing cell 22, the volume of the wing cell initially remains essentially constant. This allows the full high pressure of the working medium in the vane 22 to build up over a period of time through the restricting flow cross section of the inlet 24 before the volume of the vane 22 begins to increase. So there is no throttled flow in an expanding vane 22.
  • the wing cell is first filled with the working medium, e.g. High pressure steam, under full high pressure, so to speak with maximum
  • the working medium releases the corresponding mechanical work when the volume of the vane cell is increased. This improves the performance of the expansion machine. This applies in particular to high speeds. High speeds bring higher performance. However, an insufficient filling of the vane cells 22 would counteract this.
  • the situation on the outlet side is similar.
  • the working medium can escape through the outlet in an extended angular range with a constant volume of the vane cell 22. It is avoided that part of the working medium is compressed again by reducing the size of the vane cell before it has flowed out through the restricting flow cross section of the outlet.
  • the dashed-line pV diagram 36 corresponds to a conventional expansion machine designed as a wing cell machine, in which the inner wall of the housing bore is continuously cylindrical.
  • the pV diagram 38 shown in solid lines corresponds to a wing cell machine of the type described.
  • the pressure initially builds up to the full available high pressure with a constant minimum volume of the vane cell 22. This is the vertical section 42 of the pV diagram. The pressure then drops in sections 44 and 46 of the pV diagrams 36 and 38 in accordance with the increase in the volumes of the vane cells 22. Since the
  • Diagram 36 drops the pressure in area 50 below pV diagram 38 again because the volume continues to increase to the minimum. The pressure then drops to the initial pressure, which is held over a certain area 52 or 54 by a circumferential groove 56. A pressure increase in the pV diagram 38 then takes place in the area 58 due to the reduction in the volumes of the vane cells 22 in the area 34.
  • the pressure in the pV diagram 36 is higher in the corresponding area 60 than the pressure in the pV diagram 38 because there is a compression of the incompletely drained working medium.
  • the area of the pV diagram 38 is larger than the area of the pV diagram 36, so that there is an improved efficiency.
  • FIG. 3 shows a wing cell machine, which is preferably, but not necessarily, designed with an inner wall that differs from the cylindrical shape, similar to FIG. 1.
  • the prime mover which provides the drive and a pump or compressor driven thereby are combined in one unit.
  • a housing bore 70 forms an inner wall 72.
  • a rotor 74 is rotatable about an axis 76 in the housing bore 70.
  • the rotor 74 has radial slots 78, in which wing slides 80 are guided in a radially displaceable manner.
  • the wing slides 80 bear against the inner wall 72. Between the wing slides 80, the rotor 74 and the inner wall 72 are again
  • Vane cells 82 formed.
  • the inner wall 72 of the housing bore 70 is shown cylindrical for simplicity with a cylinder axis 84.
  • the axis 76 of the rotor 74 is eccentric to the cylinder axis 84 with an eccentricity 86.
  • the volumes of the vane cells 82 have a minimum on one side (top in FIG. 3).
  • the volumes of the vane cells have a maximum on the diametrically opposite side (bottom in FIG. 3).
  • An inlet 90 for a working medium opens into the housing bore 70 on the right-hand side in FIG.
  • a working medium under pressure for example high pressure steam, can be passed to the inlet.
  • the wing cell machine then works as an expansion machine.
  • the working medium under pressure in the vane cells 82 is enlarged by the latter Volumes relaxes and do mechanical work on the right half in Fig. 3. This drives the rotor 74.
  • a second inlet 94 is now arranged on the left side of the middle plane 88 in FIG. 3 in the area of large volumes of the vane cells 82, which likewise opens into the housing bore 70 and comes into connection with the vane cells 82 one after the other , Also on the left in FIG. 3, a second outlet 96 is provided at the top in the area of small volumes of the vane cells 82.
  • a compressible medium to be conveyed or compressed which is usually different from the working medium, is passed to the second inlet 94 and, after compression, in the vane cells which shrink from the bottom upwards on the left side of the central plane 88, under pressure through the second outlet 96 issued.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine als Flügelzellenmaschine ausgebildete Antriebsmaschine deren Gehäusebohrung eine prismatische Innenwand (10) bildet und einem in der Gehäusebohrung (10) drehbaren Rotor (14) mit radial verschieblich geführten Flügelschiebern (20), die an der Innenwand (10) anliegen. Zwischen den Flügelschiebern (20) sind Flügelzellen (22) gebildet, deren Volumen sich durch die Formgebung der Innenwandung (10) bei einem Umlauf des Rotors (14) verändert. Ein gehäusefester Einlass (24) für ein Antriebsmedium sitzt in einem Einlassbereich, in welchem die Flügelzellen (22) jeweils ein relativ geringes Volumen aufweisen, und ein Auslass (26) sitzt in einem Auslassbereich, in welchem die Flügelzellen ein relativ grosses Volumen aufweisen. Um bei einer Flügelzellenmaschine dieser Art einlassseitig definierte Verhältnisse des treibenden Mediums, also entweder verbrannten Treibstoffs oder eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums zu gewährleisten, ist die Innenwandung (10) in dem Einlassbereich (28) im wesentlichen zylindrisch um die Achse (16) des Rotors gekrümmt. Das Arbeitsmedium tritt daher jeweils in Flügelzellen (22) ein, die vorübergehend ihr Volumen nicht ändern. Dadurch kann sich in den Flügelzellen (22) der volle Einlassdruck des Arbeitsmediums aufbauen.

Description

Als Flugelzellenmaschine ausgebildete Antriebsmaschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine als Flugelzellenmaschine ausgebildete Antriebsmaschine mit einem Gehäuse, das eine Gehäusebohrung mit einer prismatischen Innenwand bildet und einem in der Gehäusebohrung drehbaren Rotor mit radial verschieblich geführten Flügelschiebern, die an der Innenwand anliegen, wobei zwischen den Flügelschiebern, dem Rotor und der Innenwand Flügelzellen gebildet sind, deren Volumen sich bei einem Umlauf des Rotors verändert, einem gehäusefesten Einlaß für ein Antriebsmedium in einem Einlaßbereich, in welchem die Flügelzellen jeweils ein relativ geringes Volumen aufweisen, und einem Auslaß in einem Auslaßbereich, in welchem die Flügelzellen ein relativ großes Volumen aufweisen.
Bei der Flugelzellenmaschine kann es sich um eine Kraftmaschine mit innerer Verbrennung handeln, bei welcher also ein Treibstoff an dem Einlaß eingeleitet und in der jeweiligen Flügelzelle gezündet wird. Die sich ausdehnenden Verbrennungsgase treiben dann den Rotor, indem sie sich in den zum Auslaß hin zunehmenden Volumina der Flügelzellen ausdehnen. Bei der Flugelzellenmaschine kann es sich aber auch um eine Expansionsmaschine handeln, durch welche ein unter Druck stehendes, auf den Einlaß geleitetes Arbeitsmedium wie Hochdruckdampf unter Abgabe mechanischer
Arbeit entspannt wird und an dem Auslaß austritt.
Stand der Technik
Übliche Flügelzellenmaschinen enthalten eine Gehäusebohrung mit einer durchgehend zylindrischen Innenwand. In der Gehäusebohrung ist ein Rotor um eine Achse drehbar, die zu der Achse der zylindrischen Innenwand exzentrisch ist. In dem Rotor sind Flügelschieber radial beweglich geführt. Die Flügelschieber liegen mit ihren Außenkanten an der Innenwandung an. Das kann unter dem Einfluß der Fliehkraft oder von Druckfedern geschehen. Die Flügelschieber können aber auch über Nocken geführt sein. Zwischen den Flügelschiebern, der Innenwand und dem Rotor sind Kammern oder Flügelzellen gebildet. Bei einer Drehung des Rotors um seine Achse verändern die so gebildeten Flügelzellen ihre Volumina: Auf einer Seite der Gehäusebohrung sind die Volumina der Flügelzellen auf einem Minimum. Auf der diametral gegenüberliegenden Seite der Gehäusebohrung sind die Volumina der Flügelzellen auf einem Maximum. Von dem Minimum zum Maximum auf einer Hälfte jedes Umlaufs des Rotors nehmen die Volumina der Flügelzellen monoton zu. Von dem Maximum zum Minimum auf der anderen Hälfte des Umlaufs nehmen die Volumina der Flügelzellen monoton ab.
Die US 3,084,677 A und die US 3,890,071 A zeigen auf diese Weise als Drehkolbenmaschine aufgebaute Dampfmaschinen.
Die DE 44 22 720 AI zeigt einen als Flugelzellenmaschine aufgebauten Verbrennungsmotor, bei welchem ein Rotor mit Flügelschiebern exzentrisch in einer Gehäusebohrung von elliptischem Querschnitt angeordnet ist.
Die bekannte Konfiguration von Flügelzellenmaschinen bringt gewisse Probleme mit sich dadurch, daß sich die Volumina der Flügelzellen sich kontinuierlich ändern. Bei einer Kraftmaschine mit innerer Verbrennung erfolgt die Verbrennung des Treibstoffs einlaßseitig in einer sich ständig ändernden Geometrie, nämlich in einer sich vergrößernden Flügelzelle. Dadurch wird insbesondere bei hohen Drehzahlen die Verbrennung beeinträchtigt. Ebenso ist die kontinuierliche Volumenänderung bei einer als Expansionsmaschine arbeitenden Flugelzellenmaschine nachteilig. Dort ist der Strömungsquerschnitt für das einströmende Arbeitsmedium begrenzt. Wenn die Flügelzelle im Einlaßbereich ihr Volumen stark ändert, dann kann, wieder insbesondere bei hohen Drehzahlen, das Arbeitsmedium nicht so schnell einströmen wie sich das Volumen der Flügelzelle ändert. Das kann dazu fuhren, daß sich in der Flügelzelle einlaßseitig nicht der volle zur Verfugung stehende Hochdruck des Arbeitsmediums aufbauen kann. Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Flugelzellenmaschine der eingangs genannten Art einlaßseitig definierte Verhältnisse des treibenden Mediums, also entweder verbrannten Treibstoffs oder eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums zu gewährleisten.
Insbesondere soll die Verbrennung von Treibstoff bei einer als Kraftmaschine mit innerer Verbrennung arbeitenden Flugelzellenmaschine jedenfalls im Anfangsstadium unter definierten Verhältnissen und mit definierter Geometrie der Flügelzelle erfolgen.
Bei einer als Expansionsmaschine ausgebildeten Flugelzellenmaschine soll sichergestellt werden, daß sich in der jeweils einlaßseitigen Flügelzelle der volle Hochdruck des Arbeitsmediums aufbauen kann.
Dadurch soll die Leistung der Flugelzellenmaschine erhöht gegenüber dem geschilderten Stand der Technik erhöht werden. Das soll insbesondere auch bei hohen Drehzahlen gelten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Innenwandung in dem Einlaßbereich im wesentlichen zylindrisch um die Achse des Rotors gekrümmt ist.
Die Innenwandung der Gehäusebohrung weicht von der Kreisform ab. Sie ist relativ zu dem Rotor zwar so geformt, daß sich die Volumina der Flügelzellen beim Umlauf des
Rotors verändern. In einem Einlaßbereich ist aber die Innenwandung wenigstens im wesentlichen koaxial zu der Achse des Rotors. In diesem Bereich ändert sich daher das Volumen der Flügelzelle bei der Drehung des Rotors nicht. Verbrennender Treibstoff oder eingeleitetes Arbeitsmedium unter Druck finden in diesem Bereich ein konstantes Volumen der Flügelzelle vor. Auf einem Teil des Umlaufs ändert sich das Volumen der
Flügelzelle nicht oder jedenfalls -bei nicht ganz genau zylindrischer Innenwandung in diesem Bereich- weniger als dies bei einer durchgehend zylindrischen Innenwandung mit ■ dazu exzentrischer Achse des Rotors der Fall wäre.. Um den gleichen "Hub" zu erzielen, muß sich das Volumen dann natürlich in anderen Teilen des Umlaufs des Rotors stärker ändern als dies bei einer durchgehend zylindrischen Innenwandung mit dazu exzentrischer Achse des Rotors der Fall wäre.
Auf der Auslaßseite treten ähnliche Probleme auf. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Innenwandung auch in dem Auslaßbereich mit größerem Krümmungsradius als dem des Einlaßbereiches im wesentlichen zylindrisch um die Achse des Rotors gekrümmt ist.
Die Innenwandung bildet zwischen dem Einlaßteil und dem Auslaßteil einen stetigen Übergang mit vom Einlaßteil zum Auslaßteil zunehmendem Radialabstand von der Achse des Rotors. Hier erfolgt die Änderung des Volumens jeder Flügelzelle stärker, als dies bei einer durchgehend zylindrischen, zur Achse des Rotors exzentrischen Innenwandung der Fall wäre. Der stetige Übergang ist aber so ausgelegt, daß die
Flügelschieber der Kontur der Innenwandung ohne Probleme folgen können.
Es gibt Anwendungen, bei denen durch eine Antriebsmaschine, z.B. eine Kraftmaschine mit innerer Verbrennung, eine Pumpe oder ein Verdichter angetrieben werden soll, durch welches z.B. ein Gas verdichtet oder eine Flüssigkeit gefördert werden soll. Eine besonders einfache und kompakte Konstruktion hierfür besteht in einer als Flugelzellenmaschine ausgebildete Antriebsmaschine mit einem Gehäuse, das eine Gehäusebohrung mit einer prismatischen Innenwand bildet und einem in der Gehäusebohrung drehbaren Rotor mit radial verschieblich geführten Schiebern, die an der Innenwand anliegen, wobei zwischen den Schiebern, dem Rotor und der Innenwand
Flügelzellen gebildet sind, deren Volumen sich bei einem Umlauf des Rotors verändert, einem gehäusefesten Einlaß für ein Antriebsmedium in einem Einlaßbereich, in welchem die Flügelzellen jeweils ein relativ geringes Volumen aufweisen, und einem Auslaß in einem Auslaßbereich, in welchem die Flügelzellen ein relativ großes Volumen aufweisen, wobei sich bei einem Umlauf des Rotors die Volumina der Flügelzellen auf einem ersten
Winkelbereich vergrößern und auf einem zweiten Winkelbereich wieder verkleinern, bei welcher erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß und Auslaß für ein Antriebsmedium in dem ersten Winkelbereich angeordnet sind, wobei die Flugelzellenmaschine auf diesem Winkelbereich als Antriebsmaschine arbeitet und in dem zweiten Winkelbereich ein zweiter Einlaß im Bereich relativ großer Volumina der Flügelzellen und ein zweiter Auslaß im Bereich relativ kleiner Flügelzellen angeordnet ist, wobei die Flugelzellenmaschine in dem zweiten Winkelbereich als Pumpe oder
Verdichter für ein von dem Antriebsmedium verschiedenes Medium arbeitet.
Hierbei wird der "Rückhub" der Flugelzellenmaschine, der ohnehin für den Antrieb nicht ausgenutzt wird, gleichzeitig als Pumpe oder Verdichter benutzt, ohne daß dafür eine gesonderte Maschine erforderlich ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.l zeigt schematisch eine als Flugelzellenmaschine ausgebildete
Antriebsmaschine mit einer von der durchgehenden Zylinderform abweichenden Innnenwandung der Gehäusebohrung.
Fig.2 zeigt pV-Diagramme für eine Flugelzellenmaschine nach der Erfindung im
Vergleich zu einer herkömmlichen Flugelzellenmaschine.
Fig.3 zeigt eine Abwandlung der als Flugelzellenmaschine ausgebildeten Antriebsmaschine von Fig.l mit zwei Einlassen und zwei Auslässen, bei welcher ein Winkelbereich der Flugelzellenmaschine als Pumpe oder Verdichter ausgenutzt ist.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung
In Fig.l ist mit 10 die Innenwandung einer Gehäusebohrung 12 einer Flugelzellenmaschine bezeichnet. In der Gehäusebohrung 12 ist ein Rotor 14 um eine Achse 16 drehbar. Der Rotor 14 weist radiale Schlitze 18 auf. In diesen radialen Schlitzen 18 sind Flügelschieber 20 radial verschiebbar geführt. Die Flügelschieber 20 liegen an der Innenwandung 10 an. Zwischen den Flügelschiebern 20, der Mantelfläche des Rotors 14 und der Innenwandung 10 sind Flügelzellen 22 gebildet.
In die Gehäusebohrung 12 mündet ein Einlaß 24. Auf der im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Seite der Gehäusebohrung 12 geht ein Auslaß 26 ab.
Bei üblichen Flügelzellenmaschinen ist die Innenwandung 10 der Gehäusebohrung 12 zylindrisch. Die Achse 16 des Rotors 14 ist exzentrisch zu der Zylinderachse der zylindrischen Innenwandung 10 angeordnet. Die Achsen von Rotor 14 und Innenwandung 10 definieren eine Mittelebene. In dieser Mittelebene sind die Volumina der Flügelzellen 22 auf der einen Seite auf einem Minimum und auf der anderen Seite auf einem Maximum. Bei der Drehung des Rotors 14 nehmen die Volumina der Flügelzellen 22 auf der einen Seite der Mittelebene vom Minimum zum Maximum kontinuierlich zu und auf der anderen Seite vom Maximum zum Minimum kontinuierlich zu. Die Differenz des Maximums und des Minimums der Volumina stellt einen "Hub" dar. Bei einer als Expansionsmaschine ausgebildeten Antriebsmaschine ist im Bereich des Minimums der Einlaß 24, z.B. für ein unter hohem Druck stehendes Arbeitsmedium angeordnet. Im Bereich des Maximums befindet sich ein Auslaß. In die kleinen Volumina der Flügelzellen 22 strömt dann das Arbeitsmedium unter hohem Druck. Bei der Drehung des Rotors 14 und der damit verbundenen Vergrößerung der Volumina der Flügelzellen 22 expandiert das Arbeitsmedium und gibt dabei mechanische Arbeit ab. Aus den großen Volumina der Flügelzellen 22 strömt das Arbeitsmedium über den Auslaß ab.
Bei der Flugelzellenmaschine nach Fig.l ist die Innenwandung 10 der Gehäusebohrung 12 nicht durchgehend zylindrisch. In einem Bereich 28 ist die Innenwandung 10 zylindrisch um die Achse 16 des Rotors 14 gekrümmt. Die eingezeichneten Radien Ri, R8 und R sind gleich. In einem im wesentlichen diametral dazu liegenden Bereich 30 ist die Innenwandung 10 ebenfalls zylindrisch um die Achse 16 des Rotors 14 gekrümmt, allerdings mit einem größeren Radius als der Bereich 28. Die eingezeichneten größeren Radien R3, R4 und R5 sind gleich. Der Bereich 28 entspricht dem Minimum der Volumina der Flügelzellen 22. Der Bereich 30 entspricht dem Maximum der Volumina der Flügelzellen 22. Zwischen den Bereichen 28 und 30 erstrecken sich Übergangsbereiche 32 und 34, in denen die Radien zunehmen und die eine glatte Verbindung zwischen den Bereichen 28 und 30 herstellen. Die Übergangsbereiche 32 und 34 folgen einer Funktion, die eine stetige radiale Bewegung der Flügelschieber 22 ohne Stöße und unzulässige Beschleunigungen gestattet. Es ist von den eingezeichneten Radien R! < R2 < R3 und R7 < Rό < R5.
Vergleicht man die Innenwandung 10 mit einer durchgehend zylindrischen Innenwandung bei herkömmlichen Flügelzellenmaschinen von gleichem "Hub", so ist in den Bereichen 28 und 30 die Veränderung der Volumina der Flügelzellen 22 mit dem Dreh winkel des Rotors 14 null oder jedenfalls wesentlich kleiner als im Fall der durchgehend zylindrischen Innenwandung. Bei gleichem Hub muß dann naturgemäß die Veränderung der Volumina der Flügelzellen 22 mit dem Drehwinkel des Rotors 14 größer als im Fall der durchgehend zylindrischen Innenwandung sein.
Durch die geschilderte Formgebung der Innenwandung 10 wird bei einer Expansionsmaschine erreicht, daß im Einlaßbereich, wenn der Einlaß 24 mit der Flügelzelle 22 verbunden ist, das Volumen der Flügelzelle zunächst im wesentlichen konstant bleibt. Das gestattet über eine gewisse Zeitspanne hinweg den Aufbau des vollen Hochdrucks des Arbeitsmediums in der Flügelzelle 22 durch den drosselnden Strömungsquerschnitt des Einlasses 24 hindurch, bevor sich das Volumen der Flügelzelle 22 zu vergrößern beginnt. Es tritt also nicht eine gedrosselte Strömung in eine sich erweiternde Flügelzelle 22 ein. Die Flügelzelle wird zunächst mit dem Arbeitsmedium, z.B. Hochdruckdampf, unter vollen Hochdruck, also gewissermaßen mit maximaler
Energie, gefüllt. Dann gibt das Arbeitsmedium bei der Vergrößerung des Volumens der Flügelzelle die entsprechende mechanische Arbeit ab. Dadurch wird die Leistung der Expansionsmaschine verbessert. Das gilt insbesondere für hohe Drehzahlen. Hohe Drehzahlen bringen zwar höhere Leistung. Dem würde aber eine unzureichende Füllung der Flügelzellen 22 entgegenwirken. Ähnlich sind die Verhältnisse auf der Auslaßseite. Hier kann das Arbeitsmedium in einem ausgedehnten Winkelbereich bei konstantem Volumen der Flügelzelle 22 über den Auslaß austreten. Es wird vermieden, daß ein Teil des Arbeitsmediums durch Wiederverkleinerung der Flügelzelle schon wieder komprimiert wird, bevor es über den drosselnden Strömungsquerschnitt des Auslasses abgeströmt ist.
In Fig.2 sind übereinander zwei pV-Diagramme dargestellt. Das gestrichelt dargestellt pV-Diagramm 36 entspricht einer herkömmlichen als Flugelzellenmaschine ausgebildeten Expansionsmaschine, bei welcher die Innenwandung der Gehäusebohrung durchgehend zylindrisch ist. Das in ausgezogenen Linien dargestellte pV-Diagramm 38 entspricht einer Flugelzellenmaschine der beschriebenen Art.
Man erkennt, daß sich bei der herkömmlichen Maschine der Druck nicht bis zum vollen Wert des zur Verfügung stehenden Hochdrucks aufbaut sondern das pV-Diagramm vor Erreichen dieses Wertes im Bereich 40 unter Volumenvergrößerung "abknickt". Bei einer
Flugelzellenmaschine der hier beschriebenen Art baut sich der Druck zunächst bei konstantem minimalen Volumen der Flügelzelle 22 bis zum vollen zur Verfügung stehenden Hochdruck auf. Das ist der vertikale Abschnitt 42 des pV-Diagramms. Der Druck sinkt dann in den Abschnitten 44 und 46 der pV-Diagramme 36 bzw. 38 entsprechend der Vergrößerung der Volumina der Flügelzellen 22 ab. Da sich die
Volumina der Flügelzellen 22 bei der beschriebenen Flugelzellenmaschine im Bereich 32 der Innenwandung 10 stärker ändert als bei einer herkömmlichen Flugelzellenmaschine, sinkt der Druck in diesem Bereich im pV -Diagramm 38 zunächst etwas stärker als im pV-Diagramm 36. Das pV-Diagramm 38 erreicht dann aber im Punkt 48 bei höherem Druck den Bereich mit konstantem, maximalen Volumen der Flügelzelle. Im pV-
Diagramm 36 sinkt der Druck im Bereich 50 wieder unter das pV-Diagramm 38 ab, weil sich das Volumen noch kontinuierlich bis zu dem Minimum vergrößert. Der Druck sinkt dann auf den Ausgangsdruck ab, der über einen gewissen Bereich 52 bzw. 54 durch eine Umfangsnut 56 gehalten wird. Dann erfolgt im Bereich 58 ein Druckanstieg im pV- Diagramm 38 durch die Verkleinerung der Volumina der Flügelzellen 22 im Bereich 34.
Bei Erreichen des Winkelbereichs 28 erfolgt wieder bei konstantem Volumen ein Druckaufbau auf den Höchstwert des Eingangsdruckes. Der Druck im pV-Diagramm 36 ist in dem entsprechenden Bereich 60 höher als der Druck im pV-Diagramm 38, weil dort eine Kompression des nicht vollständig abgeströmten Arbeitsmediums erfolgt. Insgesamt ist die Fläche des pV-Diagramms 38 größer als die Fläche des pV-Diagramms 36, so daß sich ein verbesserter Wirkungsgrad ergibt.
Fig.3 zeigt eine Flugelzellenmaschine, die vorzugsweise aber nicht notwendig mit einer von der Zylinderform abweichenden Innenwandung ähnlich Fig.1 ausgebildet ist. Bei der Flugelzellenmaschine von Fig.3 sind die Antriebsmaschine, die den Antrieb bewirkt, und eine davon angetriebene Pumpe oder ein Verdichter in einer Einheit kombiniert.
Bei der Flugelzellenmaschine von Fig.3 bildet eine Gehäusebohrung 70 eine Innenwandung 72. In der Gehäusebohrung 70 ist ein Rotor 74 um eine Achse 76 drehbar. Der Rotor 74 weist radiale Schlitze 78 auf, in denen Flügelschieber 80 radial verschiebbar geführt sind. Die Flügelschieber 80 liegen an der Innenwandung 72 an. Zwischen den Flügelschiebern 80, dem Rotor 74 und der Innenwandung 72 sind wieder
Flügelzellen 82 gebildet.
In Fig.3 ist die Innen wandung 72 der Gehäusebohrung 70 der Einfachheit halber zylindrisch mit einer Zylinderachse 84 dargestellt. Die Achse 76 des Rotors 74 ist exzentrisch zu der Zylinderachse 84 mit einer Exzentrizität 86. Die Achse 76 des Rotors
74 und die Zylinderachse 84 definieren eine Mittelebene 88. Auf der Mittelebene 88 haben die Volumina der Flügelzellen 82 auf der einen Seite (oben in Fig.3) ein Minimum. Auf der diametral gegenüberliegenden Seite (unten in Fig.3) haben die Volumina der Flügelzellen ein Maximum.
In die Gehäusebohrung 70 mündet auf der in Fig.3 rechten Seite von der Mittelebene 88 oben ein Einlaß 90 für ein Arbeitsmittel, während auf der gleichen Seite unten ein Auslaß 92 abgeht. Auf den Einlaß kann ein Arbeitsmittel unter Druck, z.B. Hochdruckdampf, geleitet werden. Die Flugelzellenmaschine arbeitet dann als Expansionsmaschine. Bei einer Drehbewegung des Rotors 74 im Uhrzeigersinn, wie in Fig.3 dargestellt, wird das unter Druck stehende Arbeitsmittel in den Flügelzellen 82 durch deren sich vergrößernde Volumina entspannt und gibt dabei auf der in Fig.3 rechten Hälfte mechanische Arbeit ab. Der Rotor 74 wird hierdurch angetrieben.
Bei der Flugelzellenmaschine von Fig.3 ist nun ein zweiter Einlaß 94 auf der in Fig.3 linken Seite der Mittelebene 88 unten im Bereich großer Volumina der Flügelzellen 82 angeordnet, der ebenfalls in die Gehäusebohrung 70 mündet und nacheinander mit den Flügelzellen 82 in Verbindung kommt. Ebenfalls auf der in Fig.3 linken Seite ist oben im Bereich kleiner Volumina der Flügelzellen 82 ein zweiter Auslaß 96 vorgesehen.
Ein zu förderndes oder zu verdichtendes kompressibles Medium, das üblicherweise von dem Arbeitsmedium verschieden ist, wird auf den zweiten Einlaß 94 geleitet und nach Verdichtung in den sich auf der linken Seite der Mittelebene 88 von unten nach oben verkleinernden Flügelzellen unter Druck durch den zweiten Auslaß 96 abgegeben.
Eine einzige Flügelradmaschine arbeitet somit auf der einen, in Fig.3 rechten, Hälfte als
Antriebsmaschine und auf der anderen, in Fig.3 linken, Hälfte mit den gleichen Flügelzellen 82 als unabhängige Pumpe oder Verdichter.

Claims

Patentansprüche
1. Als Flugelzellenmaschine ausgebildete Antriebsmaschine mit einem Gehäuse, das eine Gehäusebohrung (12) mit einer prismatischen Innenwand (10) bildet und einem in der Gehäusebohrung (12) drehbaren Rotor (14) mit radial verschieblich geführten Schiebern (20), die an der Innenwand (10) anliegen, wobei zwischen den
Schiebern (20), dem Rotor (14) und der Innenwand (10) Flügelzellen (22) gebildet sind, deren Volumen sich bei einem Umlauf des Rotors (14) verändert, einem gehäusefesten Einlaß (24) für ein Antriebsmedium in einem Einlaßbereich, in welchem die Flügelzellen (22) jeweils ein relativ geringes Volumen aufweisen, und einem Auslaß (26) in einem Auslaßbereich, in welchem die Flügelzellen (22) ein relativ großes Volumen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (10) in dem Einlaßbereich im wesentlichen zylindrisch um die Achse (16) des Rotors (14) gekrümmt ist.
2. Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenwandung (10) auch in dem Auslaßbereich mit größerem Krümmungsradius als dem des Einlaßbereiches im wesentlichen zylindrisch um die Achse (16) des Rotors (14) gekrümmt ist.
3. Antriebsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenwandung (10) zwischen dem Einlaßbereich (28) und dem Auslaßbereich (30) einen stetigen Übergang mit vom Einlaßbereich zum Auslaßbereich zunehmendem Radialabstand von der Achse (16) des Rotors (14) bildet.
4. Antriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Kraftmaschine mit innnerer Verbrennung ausgebildet ist.
5. Antriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Expansionsmaschine ausgebildet ist, durch welche ein unter Druck stehendes, auf den Einlaß geleitetes Arbeitsmedium unter Abgabe mechanischer Arbeit entspannt wird und an dem Auslaß austritt.
6. Antriebsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium Dampf unter hohem Druck ist.
7. Als Flugelzellenmaschine ausgebildete Antriebsmaschine mit einem Gehäuse, das eine Gehäusebohrung (70) mit einer prismatischen Innenwand (72) bildet und einem in der Gehäusebohrung (70) drehbaren Rotor (74) mit radial verschieblich geführten Schiebern (80) , die an der Innenwand (72) anliegen, wobei zwischen den Schiebern (80), dem Rotor (74) und der Innenwand (72) Flügelzellen (82) gebildet sind, deren Volumen sich bei einem Umlauf des Rotors (74) verändert, einem gehäusefesten Einlaß (90) für ein Antriebsmedium in einem Einlaßbereich, in welchem die Flügelzellen (82) jeweils ein relativ geringes Volumen aufweisen, und einem Auslaß (92) in einem Auslaßbereich, in welchem die Flügelzellen (82) ein relativ großes Volumen aufweisen, wobei sich bei einem Umlauf des Rotors (74) die Volumina der Flügelzellen (82) auf einem ersten Winkelbereich vergrößern und auf einem zweiten Winkelbereich wieder verkleinern, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) Einlaß (90) und Auslaß (92) für ein Antriebsmedium in dem ersten Winkelbereich angeordnet sind, wobei die Flugelzellenmaschine auf diesem Winkelbereich als Antriebsmaschine arbeitet und
(b) in dem zweiten Winkelbereich ein zweiter Einlaß (94) im Bereich relativ großer Volumina der Flügelzellen (82) und ein zweiter Auslaß (96) im Bereich relativ kleiner Volumina der Flügelzellen (82) angeordnet ist, wobei die Flugelzellenmaschine in dem zweiten Winkelbereich als Pumpe oder
Verdichter für ein von dem Antriebsmedium verschiedenes Medium arbeitet.
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