-
Drehkolbenmaschine mit Drehwiderlager Die Erfindung bezieht sich auf
eine Drehkolbenmaschine mit einem rotierenden Körper, etwa einem Drehkolben, der
an seinem Umfang in zylindrischen Kammern Drehwiderlager oder Flügelkolben aufweist.
Die Erfindung bezweckt, daß in einer solchen Maschine die Drehwiderlager oder Flügelkolben
möglichst stabil in einem geräumigen Bett gelagert sind. Erfindungsgemäß bildet
die Außenoberfläche jedes Widerlagers einen Teil eines Zylinders, wobei das Widerlager
um die Mittellinie dieses Zylinders drehbar ist und mit segmentförmigen Kammern
zusammenarbeitet, die konzentrisch um den Rotor an der Innenwand der Maschine angeordnet
sind.
-
Die drehbaren zylindrischen Widerlager, die lose in den zylindrischen
Kammern am Rotorumfang liegen, haben vorzugsweise Schnittflächen, die parallel zur
Mittellinie laufen. Es gibt Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes, bei denen
die Flügelkolben sich am Umfang des Drehkolbens befinden und nach .außen ausschlagen.
-
Bei einer anderen Ausführungsform befindet sich der Stator innerhalb
des hohlen Drehkolbens und schlagen die Drehwiderlager mit den Schnittflächen nach
innen aus, also in Richtung der Mittellinie des Rotors. Letztere Ausführungsform
weist den großen Vorteil auf, daß die Drehwiderlager beim Drehen des. Rotors durch
die Zentrifugalkraft stets nach außen in ihr Lagerbett gedrückt werden und daher
besser abdichten.
-
Es sind auch Flügelkolben von etwa halbkreisförmigem Querschnitt bekanntgeworden,
die während des Umlaufes eine ganze Drehung ausführen, wobei die Steuerung zwangsläufig
erfolgt. Auch hat man Drehkolben in einem exzentrischen Gehäuse
vorgeschlagen,
die ebenfalls zwangsläufig gesteuert sind, d. h. alle Steuerteile bedingen umständliche,
präzis bearbeitete Steuerteile.
-
Im Gegensatz zu diesen Ausführungsformen liegen die Flügelkolben der
Erfindung ohne irgendwelche Steuerung oder zwangsläufige Führung in ihren Widerlagern
und verstellen sich lediglich dadurch, daß sie sich um einen exzentrischen Punkt
drehen, wobei diese Drehung eine Form der Zentrifugalkraft ist. Die Drehung wird
dadurch erreicht, daß außermittig der Flügelkolben durch Schwermetall belastet wird,
so daß in diesem Teil die Zentrifugalkraft stärker wird und hierdurch eine Bewegung
des Flügelkolbens erreicht wird. Der Anlagedruck der Flügelkolben kann .genau bestimmt
werden, so daß gute Abdichtungsverhältnisse und Verschleißausgleich genau berechnet
werden können.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht.
-
Fig. i ist ein Längsschnitt durch Rotor und Stator mit Drehwiderlagern
nach der Erfindung; Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. i ;
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt mit Flügelkolben; Fig. 4 ist ein Längsschnitt nach
der Linie IV-IV der Fig. 3; Fig. 5 zeigt den Querschnitt einer anderen Ausführungsform;
Fig. 6 zeigt den Längsschnitt der Fig. 5 ; Fig. 7 bis 9 zeigen weitere Ausführungsformen;
Fig. i o a bis i o d zeigen verschiedene Ausführungsformen von Flügelkolben.
-
Im Maschinengehäuse i befindet sich eine Büchse 2, die im Durchschnitt
segmentförmige Kammern 3, 4 und 5 aufweist. Konzentrisch mit dem Gehäuse läuft hierin
ein Rotor 6, der in Kugellagern 7 und 8 gelagert ist. Die Lager 7 und 8 sind in
geflanschten Deckeln 9 und io angebracht. In zylindrischen Kammern am Umfang des
Rotors 6 befinden sich die Drehwiderlager i i bis 16, deren Drehbewegung durch einen
Anschlag 23, der in einer Nut 25 geführt ist, begrenzt wird.
-
Die Drehwiderlager sind schräg abgeschnittene Zylinder, die mit Rollen
24 versehen sein können, >velche längs der Büchseninnenwand laufen. Zwischen dem
Rotorumfang, der Innenwand der Büchse 2 und einer oder zwei Drehschaufeln i i bis
16 wird jede Kammer dauernd im Volumen verändert, die als Expansions- oder Kompressionskammer
arbeiten kann. Die Anordnung der Widerlager (die Lage ihrer Drehachse, Abmessungen
usw.) ist so gewählt, daß jede. Rolle 24 durch die Resultierende einerseits des
Gas- oder Flüssigkeitsdruckes, der an allen Seiten auf die Drehwiderlager arbeitet,
und andererseits der Zentrifugalkraft immer mit dem geringsten Druck gegen die Wand
der Büchse gedrückt wird, welcher für eine gute Abdichtung nötig ist, um die Abnutzung
bis auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
-
Bei den Öffnungen 2o, 21 und 22 wird das Arbeitsmedium für die Maschine
eingelassen. Die Regelung erfolgt durch Beeinflussung der Menge des eingeführten
Arbeitsmediums und durch Veränderung der Zahl der Kammern, in die das Druckmedium
eingelassen wird.
-
Die zweite erwähnte Ausführungsform einer Drehkolbenmaschine mit einem
rotierenden hohlen Rotorzylinder in einem Maschinengehäuse, mit im Zylindermantel
dieses Hohlzylinders angebrachten zylindrischen Kammern, in denen sich mehrere zylindrische
Flügelkolben befinden, deren Drehpunkte auf dem Innenumfang dieses hohlen Rotorzylinders
liegen, und welche mit dem Hohlzylinder drehen, ist in Fig. 3, 4, 5, 6, 7, 8 und
9 abgebildet.
-
Bei diesen Ausführungsformen ist der hohle Rotorzylinder 6 mit einem
Arm 6a auf einer Welle 4o befestigt oder mit zwei angeflanschten Seitenplatten mit
der Welle verbunden (Lagerring 41 und die Mutter 42 in Fig. 4).
-
In zylindrische Kammern dieses rotierenden, konzentrisch angebrachten
hohlen Rotorzylinders befinden -sich zylindrische, lose drehbare Flügelkolben 43,
die in Längsrichtung des Rotors 6 abgeschnitten sind, wobei die abgeschnittenen
Längen beim Drehen mit dem im Hohlrotor 6 montierten, nicht drehenden, aber auch
konzentrisch angebrachten Stator 2 zusammenarbeiten. Der Stator besteht aus einem
Zylinder mit einem oder mehreren Nocken, welche dieselben Längen wie die abgeschnittenen
Teile der Drehschaufeln haben.
-
Hierdurch bilden sich ring- oder segmentförmige Arbeitsräume zum Ansaugen
bzw. zum Komprimieren und zur Expansion des Arbeitsmediums.
-
Je mehr Nocken sich am konzentrischen Nockenzylinder 2 befinden, desto
mehr ring- oder segmentförmige Arbeitsräume bilden sich und desto mehr Arbeitstakte
erhält man.
-
In dem Rotorzylinder oder in den zwei angebrachten Seitenplatten sind
die Flügelkolben mit dem vollen zylindrischen Durchmessergelagert. In den Kolben
aus vorzugsweise leichtem Material können Schleifstücke aus einem verschleißfesten
Material angeordnet sein, die als Abdichtungsflächen dienen. Der Vorteil davon ist,
daß der Druck auf den abgeschnittenen Flächen der Flügelkolben hierbei auf beiden
Seiten gleich ist.
-
Die zylindrischen Flügelkolben, die rechts und links, der Symmetrieelbene
Gewichtsunterschied haben, sorgen in Verbindung mit dem stillstehenden Nockenzylinder
mit einem oder mehreren Nocken oder einem exzentrisch angebrachten St;ator automatisch
für die einer bestimmten Drehzahl angepaßte Drehbewegung der Flügelkolben und für
einen bestimmten Anliegedruck am Stator. Durch den erwähnten Gewichtsunterschied.,
der durch Entfernung von Material in dcmjeni.gen Kolbenteil, der aus. den i. heraustritt,
oder durch An--,v,e[ndung von. Werkstoffen verschiedenen spezifischen Ge,-#vichts
links und rechts der Mittelebene dieser Ko-l;b,n entsteht, wobei das Gewicht des
nach: d°m Stator drehenden Kolbenheiles kleiner ist als d-er Teil der in der Kammer
des hohlen Ro:torzylinders verbleibt, erfolgt die Drehbewegung mit einem bes.timmten
Anliegedruck.
-
Beim Rotieven des Hohlrotors mit den darin angebrachten
Flügelkolben,
werden diese durch die Zentrifugalkraft auf ihr Lagerbett gedrückt, wobei eine gute:
Abdichtung zwischen dem Zylinderumfang der Flügelkolben und der Kammer gewährleistet
ist,, Für eine bestimmte Drehzahl kann der Anliegedruck genau berechnet und so angepaßt
werden, d:aß die oszillierende Kolbenschwingung mit kleinem Hub einen geringen Flächendruck
je Quadratzentimeter auf das Lagerbett ausübt. Um die Abdichtung noch intensiver
zu machen, können außerdem noch Ölnuten am Umfang der zylindrischen Flügelkolben
und zugehörigen Kammern angebracht werden. Durch verhältnismäßig breite Auflageflächen
der Kolben auf dem Stator sind die Leckverluste gering.
-
Die Maschine ähnelt im wesentlichen einer Turbine,, .doch mit, d-,-in
Unterschied., daß bei diesen Drehkolbenmaschinen die Kolben drehbar ausgeführt sind
und durch den Anli.egedruck von potentieller oder Expansionsarbeit Gebrauch gemacht
wird, wobei die erhaltene Arbeit direkt über die Flüg-ellcol.ben oder Wi.derlager
und den hohlen Rotorzyl!i.nder auf die Welle übertragen. wird. Bei diesem. Maschinentyp
wird .demnach nicht mit kinetischer Strable.nene,r;gie, sondern mit: potentieller
Expansionsenergie gearbeitet.
-
Es ist bekannt, d:aß Turbinen, bei kleineren Leistungen (unter
500 PS) im a11ge@meinen:, vergli,che,n mit anderen. Maschinen, einen ungünstigen
Wirkungsgrad haben. Diese Drehkolbenmaschinen eignen sich. darum auch besonders
für solche Leistungen, bei denen Turbinen nicht mehr in Frage kommen. Die Konstruktion
ist einfach und eignet sich für minimale, jedoch auch für größere Leistungen. Durch
Anwendung der rotierenden hohlen Rotorzylinder mit Flügelkolben als einzige, drehende,
reichlich groß bemessene Maschinenelemente, um mit kleinen Flächendrücken auszukommen,
so daß der Verschleiß auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird., werden Kolben, Kolibenstangen,
Kurbelwellen, Ventile oder andere h-in und her gehende Maschinenelemente vermieden;
was, einem guten mechanischen Wirkungsgrad zugute kommt.
-
Die Erfindung entwickelt eine rotierende Maschine, die bei günstigem
thermischen und mechanischem Wirkungsgrad, bei kleinen, Gewichten und kleinen Abmessungen
eine Ersparung an Grundstoffen bringt. Die Flügelkolben sorgen bei einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform nicht allein für die Abgabt oder für die Leistung von Arbeit, sondern
sie dienen gleichzeitig als Verteilerorgane für Ein- und Aus:laß dies Arbeitsmediums,
wodurch Ventile wegfallen. Bei. energieliefernden Drehkol.benmaschi.nen, die mit
Dampf, Druckluft oder Gas arbeiten, können sie noch die Aufgabe haben, einen bestimmten
festen Füllungsgrad zu sichern, der für das günstigste ExpansIonsverhäl.tnis des
Arbeit.smedl:ums in dien Expans.ionskammern nötig ist. Die Flügelkolben haben ein
großes Ansaugvolumen je Arbeitstakt. In den zylindrischen Räumen., in den-en: sie
liegen, bilden sich bei Drehung auch noch Ansaugräume, die den Volumen der Statorkammern
zufallen. Solche- Drehkolbenmaschinen können fürfolgend-Zwecke in Frage kommen.:
i. als energieverbrauchende Maschinen zum Leisten von Arbeit u. a., wie Kühlmaschinen
mit Antrieb durch Elektromotoren oder mit eigenem Antrieb durch Erhit;zung des zirkulierenden
Arbeitsm-;diuwms, wie F12, C H3 Ci und .andere in ein und derselben Maschine mittels
einer willkürlichen Wärmequelle, a. als Luftkompressor mit einer oder zwei Stufen,
3. als Fliiseigkeitspumpe u:. a. ,für Öl, flüssige Brennstoffe, einfach oder doppelt
wirkend, q.. als energieliefernde Maschinen zur Arbeitsabgabe, mit Füllungsgrad
und totaler Expansion arbeitend; oder ohne Füllungsgrad als. Überdruckmaschine für
Dämpfe und Gase, und alis Kraftrotor nach dem Gleichdruckprozeß und totaler Expansion
m-it einer großen Anzahl Arbeitstakte zur Verbrennung von billigen Hochofen- und.
anderen Gasen, Saug- oder Lichtgas, von leichten flüssigen iBrennstoffen wie auch
von schweren in einer innen- oder außenliegenden Verbrennungskammer.
-
Durch Anwend;ung des, Gleichdruckprozesses bei Kraftrotoren, wobei.
der Verbrennungsidruc.k und der Komprressions:druck gleich sin:d# wird durch, die
vielen direkt aufeinanderwirkenden Arbeitstakte ein Schwungrad überflüssig. Diese
Dre'hkolbenma.schine arbeitet gleichzeitig mit und ohne Stöße, und ein. günstiger
Gleichförmigkeitsgrad ist auch ohne; Schwungrad gewährleistet.
-
Die Verbrennung findet fortlaufend: in: edner einzelnen Verbrennungskammer
statt, dies innerhalb. oder außerhalb der Maschine angeordnet ist. Mit einem großen
LuftüberschuB für ein.- totale rauchlose Verbrennung kann gearbeitet werden. Verbrennungskammer
und Verbrennungsgase wurden auf einer. Temperatur geh:al;ten" die das Material nicht
angreift und die Betriebssicherheit nicht gefährdet. Das kann dadurch erreicht werden,
daß. ein Teil der Verbrennungswärme als Verd,amp.fungswäxme erst entzogen wird und
zum Verdampfen eine, leicht verdampfende Fl.üs,sigkeit, wie z. B. F121 CH3C1 u.
a., sowie auchWasser verwendet werden, während man dann, die erhaltenen Dämpfe wieder
am Arbeitsprozeß in einem besonderen Expans,ionsrotor auf der gemeinsamen Welle.,
auf der auch der Kompress ions-. und Verbrennungsrotor montiert sind, teilnehmen
lläßt.
-
Die Wärme, die sonst für Kühlung mit dem erwärmten. Kühlwasser abgeführt
wird, @bleibt im Kreislauf. Die Anwendung von soweit als möglich durchgeführter
Expansion ist erwünscht, um einen günstigen Nutzwirkuwngsgrad, zu: erhalten, und
die Auslaßtemperaturen der Gase bzw. der Dämpfe sind niedrig. Bei Dre:hko-fbenkraftmaschi.nen.,
welche .mit Wasserdampf und anderen Dämpfen arbeiten, kann wie bei Dampfkolbenmaschinen
die Expans:ions,temperatur durch Vorausbestimmung des Füllungsgrades gefunden werden.
Schleifen der Flügelkolben an den Kammerwänden wird durch das Reinigen des erhitzten
Gases nach her Verbrennung vermieden bzw. nach der Erhitzung durch
eingebaute
Siebe., so daß Verunreinigungen. nicht in das. Innere der Maschine gelangen.
-
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades dieser Dre,hkolbenkraftm.aschinen
wird vorzugsweise Wärme mittels des erhitzten Arbeitsmediums oder mittels eines
erhitzten Hilfsmediums., wie Öly wähirend, der Expansion in die Expansionskammer
zugeführt. Bei Drehko:lbenkühlmaschinen expandieren die erhitzten Kühlgase direkt
im Verdampfer, der ohne Zwischenschaltung von einen Regelorgan direkt hinter den
Expansionskanälen angeordnet ist, nachdem sie erst ihre Arbeit mittels, der Flügelkolben
an die Welle abgegeben haben. Die Auslaßtemperatur, die der Expanlslonstexnperatur
entspricht, ist, bei. diesen Küh:lma-schi.nen die gewünschte Verd'ampfungstemperatur
im Verdampfer. Je niedriger -d-ie Verdampfungstemperatu.r, desto günstiger ;,st
der thermische Wirkungsgrad (nach Carno.t:
Die Flügelkollben arbeiten hier als Regelorgan. Durch das Wegfallen vors Regelventilen
us:w. können keine Verstopfungen auftreten, wie. das lästige Einfrieren durch an,wese:.nde
Feuchtigkeit im: Küh@lmediu:m.
-
Verschiedene Ausführungsformen von Flüge,lkolben lassen die Fig. ioa,
iob, ioc und. iod erkennen, je nach Anordnung der abgeschnittenen Flächen. Mit 43'
sind -die vollzylindrischen. Lagerflächen und mit 43b die Stellen, wo schwerer Werkstoff
angebracht ist, bezeichnet. Fig.. 5 und 6 zeigen eine einfach wirkende Drehkolbenmaschine
mit innenliegendem Statora, wobei sich links die vollen zylindrischen Kolben im
Rotorzylinder 6 befinden und rechts die abgeschnittenen Flächen. mit dem fest am
Deckel angebrachten Stator 2 zu.s:ammenr arbeiten.
-
Ein Beispiel einer einfach wirkenden Drebkolbenkühlrnaschine der zweiten
Ausführungsform mit fünf Flügelkolben 43 und einem Noekenzyliinder 2 mit einem Nocken
ist in Fig. 3 und 4 dargestellt. In dem Maschinengehäuse i befindet sich kon,zentrisch
der hohle. Rotorzylinder 6. Dieser hat fünf zylindrische Kammern, worin fünf zylindrische
Flügelkolben: 43 lose drehbar. sind:. :Der hohle Ro:torzylinder6 mit seiner angeschraubten,
mi.trotiere@nden Seitenplatte, 611 ist in einem schweren Walzlager 41, 41a unterstützt.
Dieses Walzl;ager'4i, 4,a ist in der Seitenplatte, 13 mit darin eingepraßter Welle
4o montiert und überträgt den. Druck auf :den, am Maschinen gehäuse angeflanschten
Deckel45. Das Gleithager 46 in einer S,ei,tenplatte 6f am Rotor ist auf einer feststehenden
Tragwelle:47 angebracht, die am D-eckel48, welcher am Maschinengehäuse angeschrauht
ist, befestigt ist. Der Nockenzylinder2 ;befindest sich nicht drehbar auf dar festen
Tragwelle 47, auf ,der noch. ein Gleitlager 49 montiert ist. Am Deckel45 ist eine
Schleifringstopfbüch,se 5.o in der üblichen, bei Kühlmaschinen gebrauchten Ausführung
zum Abdichtender austretenden. Welle angeflanscht.
-
Durch den konzentrischen Innenumfang :des. Ro@torzylinders.6 mit :den
hierin, sich befindenden Flüigelk.olben und .dem nicht drehenden Nockenzylinder-
ä bilden sich. :die ring- oder se;gmentförmigen Arbeitsräume 53, 54, 55, 56 und
57 für Kompression und Expansion oder zum Saugen und, Pressen des Arbeitsmediums.
In der Tragwelle 47 und dem feststehenden Nockenzylinder 2 s:i.nd Kanäle 58 und
59 für Ein- und Auslaß angebracht. Der Gewichtsunterschied rechts und links der
Drehachse der Flügefkolbe:n43 ist. wie in Abb. io durch Stäbe 43b aus einem schweren
Material er-'halten. Die Nummern 6o zei:gen die Schrauben zum Befestigen der Seitenplatten
6a u.nd6b am Roto.rzylinder 6.
-
Der Flü ,gelkolh-en 43 in Fig. 3 und 4 läßt deutlich ersehen., daß
sie in den Seitenplatten, 6a und 6b den vollen Durchmesser haben. Am Maschinengehäuse
i in Fig. 3 und 4 sowie in Fig. 5, 6 und 9 sind zwei Anschlüsse zum Durcblaß des
Arbeitsmediums. zur Kühlung :des Außenmantels des Rotorzylinders, angeordnet. Hierbei
kommt der vom Verdampfer kommende Kühldampf nach. Durchströmen des Außennnlantels.
und mittels der feststehenden Welle 47 und des, Nocke:nzylinders z .durch Kanäle
in die Saugkammern und wird das, Kühlmedium mittels der Druckkanälle und, der feststehenden
Welle 47 nach dem Kondensator gedrückt, wo Verflüssigung stattfindet.
-
Eine Ausfüb,rungsform mit zwei Nocken 2a und 2b für -eine .doppelt
wirkende Maschine mit fünf Kolben, 43 und mit vorspringenden Schleifstücken 43c
ist in Fig. 9 angegeben. In .den mitrotieren@den Seitenplatten 6a, 6b können Ringnuten
61 und 62, wie Fig. 3 und 4 ersehen lassen, angebirach.t sein, die den Ausschlag
der Kolben in Verbindiung mit den Stäben 43b zur Erreichung des Gewichtsunterschiedes
bei dem niedrigsten und höchsten Ausschlag :der Kolben, begrenzen:. Hierdurch: wird
erreicht, daß der Druck der Kolben auf den Stator 2 größtenteils aufgefangen wird,
nachdem die. Kolben eingeschliffen sind.
-
Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausführung mit sechs Flügelkolben, wobei
die Zu- oder Abfuhr des Arbeitsmediums am Außenumfang des: Rotorzylinders: 2 durch
hierin, angebrachte Kanäle 63, 64, 65, 66, 67 und, 68 erfolgt.