DE102009005107B3 - Drehkraftmaschine mit drei rotierenden Verdrängern mit Eintrittsdruckklappen und einer Steuerung der Einlassöffnungen in das Brennrohr - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit einer Verdichterstufe (5), einer Expansionsstufe (7), einer Brennkammer (21) und einem Synchronisierungsgetriebe (2), wobei die Verdichterstufe (5) und die Expansionsstufe (7) im Wesentlichen identisch aufgebaut sind und jeweils einen Hauptläufer (11) und drei Nebenläufer (4) aufweisen, wobei die Nebenläufer (4) jeweils aus einem zylindrischen Körper mit einem Verdrängungskamm (12) mit Dichtleisten (13) bestehen, wobei die Verdrängungskämme (12) der Nebenläufer (4) mit drei profilierten Längsvertiefungen (23) des Hauptläufers (11) in Eingriff sind, und dabei das Durchmesserverhältnis zwischen Nebenläufer (4) und Hauptläufer (11) sowie das Übersetzungsverhältnis des Synchronisierungsgetriebes (2) und damit die Drehzahl der Nebenläufer (4) zum Hauptläufer (11) 1:3 beträgt, wobei sich die Brennkammer (21) über die Verdichterstufe (5) und über die Expansionsstufe (7) erstreckt und im Inneren des Hauptläufers (11) angeordnet ist, wobei die Brennkammer (21) mit einem fest an einem Gehäuse fixiertem Einlassrohr zur Kraftstoff- und Luftzufuhr und einem Brennrohr (19) mit Ein- und Auslassöffnungen (25, 26) versehen ist, wobei an der Verdichterstufe (5) eine Eintrittsdruckklappe (41) und eine Steuerung der Einlassöffnungen (17) im Brennrohr und der Expansionsstufe (7) vorgesehen ist, wobei die freien Innenräume (42) des Hauptläufers (11) als Druckluftspeicher und Verteiler zur Kühlung der Hauptläufer in beiden Stufen vor dem ...

Description

• Herkömmliche Hubkolbenmaschinen finden eine breite Verwendung in der Antriebestechnik. Jedoch ist ihre Leistungsfähigkeit durch diskontinuierliche Arbeitsprozesse, ihre Massenkräfte und daraus resultierenden Drehzahlbeschränkungen begrenzt.
• Ferner haben sich als Kraftmaschinen Gasturbinen etabliert, die jedoch eine hohe Schadstoffbelastung und einen hohen Brennstoffverbrauch aufweisen.
• Abweichend von diesen Konzepten existieren zahlreiche weitere Ansätze, insbesondere auf Basis von Rotationskolbenkraftmaschinen. Beispielhaft seien hier die DE 2009 732 A , die DE 197 11 084 A1 , US 3 203 406 A und besonders relevante für bestehende Erfindung die DE 10 2006 038 957 .
• Die erfindungsgemäße Kraftmaschine basiert im wesentlichem auf dem Patent DE 10 2006 038 957 B3
• Diese Schrift mit der Bezeichnung „Drehkraftmaschine mit drei rotierenden Verdrängern” beschreibt eine allgemeine Kraftmaschine. Sie besteht aus einer Verdichterstufe, einer Expansionsstufe und einer Brennkammer, die sich über diese beiden Stufen erstreckt, sowie einem Synchronisierungsgetriebe. Die Stufen sind dabei über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden. Ein Hauptläufer und drei Nebenläufer der Rotationskraftmaschine weisen zylindrische Außenformen auf und drehen sich in einem Gleitlager des Gehäuses. Sie stehen miteinander in Walzkontakt und sind durch das Synchronisierungsgetriebe aufeinander abgestimmt. Jeder der drei Nebenläufer stellt eine Walze mit einem Verdrängungskamm dar, der durch die Drehung den Verdichtungsraum bildet. Jede Verdichtungskammer hat eine Längsöffnung als Ein- bzw. Austrittsöffnung. Dort ist ein Luftfilter vorgesehen. Der Durchmesser des Verdichtungsraums ist doppelt so groß wie der Durchmesser des zylindrischen Körpers. Der Hauptläufer hat den dreifachen Durchmesser des zylindrischen Körpers des Nebenläufers und weist drei Vertiefungen mit spezifischem Profil auf, das durch die Bewegung des Verdichtungskamms der Nebenläufer definiert ist. Der Eingriff der Nebenläufer in den Hauptläufer ergibt dabei eine lückenlose Verdichtungslinie. Die Dichtung des Verdichtungsraumes und der Vertiefungen im Hauptläufer erreicht man durch federbelastete Dichtleisten, die in den Verdichtungskämmen angebracht sind und die Innenflächen des Verdichtungsraumes überstreichen. Der optimale Wälzkontakt wird durch das Durchmesserverhältnis von 1:3 zwischen Nebenläufer und Hauptläufer und einer Übersetzung des Synchronisierungsgetriebes von 1:3 erreicht. Dabei rotiert der Nebenläufer mit der dreifachen Drehzahl gegenüber dem Hauptläufer.
• In den Vertiefungen des Hauptläufers sind Längsöffnungen vorgesehen, die die Einlassöffnungen der komprimierten Luft in die Brennkammer darstellen. Die Verdrängungskämme sind dabei profiliert ausgebildet, um eine vollständige Verdrängung der komprimierten Luft aus den Vertiefungen des Hauptläufers zu gewährleisten. Die Länge der Verdichterstufe entspricht dem 1,5-fachen ihres Durchmessers.
• Die Brennkammer ist durch das fest am Gehäuse angebrachte Einlassrohr innerhalb des Hauptläufers fixiert, Ferner ist ein fest angebrachtes Brennrohr vorgesehen, das mit Ein- und Auslassöffnungen versehen ist. Durch das Einlassrohr sind Kraftstoff- und Druckluftleitungen verlegt. Das Einlassrohr ist durch Gleitdichtungen gegenüber der Welle und der Brennkammer abgedichtet und mit flüssigem Kühlmittel gekühlt. Das Brennrohr hat drei Einlassöffnungen zum Einlass der verdichteten Luft in die Brennkammer sowie drei Auslassöffnungen zum Auslass der Arbeitsgase aus der Brennkammer in die Expansionsstufe. Das Brennrohr dient somit als Ein- und Auslasssteuerung.
• Dar Hauptläufer und alle Nebenläufer drehen sich im Gleitlager, das über die Kanäle mit Kühlmittel versorgt ist. Das Gehäuse weist einen äußeren Kühlmantel mit flüssigem Kühlmittel auf. In den Deckeln des Gehäuses sind Kegelrollerlager zur Lagerung der Welle angebracht. Die Expansionsstufe ist gegenüber der Verdichterstufe weitgehend identisch aufgebaut. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Expansionsstufe längliche Auslassöffnung mit je einen Flansch ausweist, an dem ein Abgassystem angeschlossen wird. Ferner ist die axiale Länge der Expansionsstufe größer als die der Verdichterstufe.
• Die in der DE 10 2006 038 957 beschriebene Konstruktion der Kraftmaschine kann wesentlich verbessert werden, wenn man die Unregelmäßigkeiten des Arbeitsverlaufes und die dadurch entstehende unnötige Leistungsverluste beseitigt, sowie das Temperaturverhalten verbessert. Die Unregelmäßigkeiten des Arbeitsverlaufes und unnötige Leistungsverluste der beschriebenen Kraftmaschine entstehen dadurch, dass die Kompressionsstufe bei jeder Umdrehung des Verdrängungskammes die eingesaugten Luft bis zum Auslass in die Brennkammer auf ein konstantes Druckverhältnis verdichtet, unabhängig von dem Druckniveau in der Brennkammer. Bei einer niedrigen Leistung der Kraftmaschine ist jedoch auch der Druck des Dieselprozesses niedrig. Dadurch entsteht eine Druckpulsation, Unregelmäßigkeiten des Drehmomentes und unnötige Leistungsverluste in der Kompressionsstufe. Die Probleme existieren auch in der Expansionsstufe, so dass man eine bewegliche Einlasssteuerung benötigt, um einen effektiven Prozess zu erreichen.
• Da die Brennkammer im Inneren des Hauptläufers der beiden Stufen untergebracht ist, wird die Konstruktion des Hauptläufers hohen Temperaturen ausgesetzt. Es ist daher eine Art Isolierung zwischen der Brennkammer und dem Rest der Konstruktion von nötig.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Drehkraftmaschine mit drei rotierenden Verdrängern für unterschiedliche Anwendungsbereiche so weiterzubilden, dass deren Laufruhe und Leistungsabgabe wie auch das Temperaturverhalten verbessert wird.
• Gelöst wird die Aufgabe durch die erfindungsgemäße Kraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei ist in der Verdichterstufe eine Eintrittsklappe angebracht und die Nutzung des Innenraums des Hauptläufers als Druckluftspeicher und Verteiler vorgesehen. Dabei benutzt man die komprimierte Luft vor der Einleitung in die Brennkammer als Kühlmittel zur Abkühlung der Hauptläufer in beiden Stufen.
• Die bewegliche Einlassteuerung der Expansionsstufe ist durch die zweiteilige Ausführung des Brennrohrs sowie ein entsprechendes Zahnradgetriebe zur Steuerung der Gasauslassöffnungen möglich.
• Die Einzelheiten der ergänzenden Merkmale der Erfindung sind im Folgenden näher erläutert und in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt
• Bild 1. ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehkolbenkraftmaschine mit zusätzlichen Einrichtungen, die Eigenschaften der Konstruktion vervollständigen,
• Bild 2. die spezifischen Profile des Verdrängungskamms (12) des Nebenläufers (4) und der Längsvertiefung (23) Hauptläufers.
• Bild 1. zeigt die Gestaltung des Hauptläufers (11) mit den Position der Einlassöffnungen in den Längsvertiefungen (23) der Verdichterstufe (5) und die Eintrittsdruckklappen (41) in den Längsvertiefung (23). Weitere Änderungen gegenüber der DE 10 2006 038 957 A1 des Hauptläufers (11) sind die Ausgleichskanäle (8) zwischen den Stufen und die profilierten Auslassöffnungen (10) in beiden Stufen. Ferner ist das Brennrohr (19) zweiteilig ausgeführt und besteht aus einem unbeweglichen (20) und einen beweglichen Teil (35).
• Ein Getriebe (36, 37) dient zur Drehung des beweglichen (35) gegenüber dem unbeweglichen Teil (20) des Brennrohres und steuert damit die Auslassöffnungen (17) vom Brennrohr in der Expansionsstufe (7).
• Ferner sind etliche weitere konstruktive Veränderungen gegenüber der DE 10 2006 038 957 A1 vorgenommen worden, die die Laufruhe verbessern und zur vollständigen Leistungsabgabe beitragen. Dazu sind die Ausgleichklappen (38) in den Verdrängungskämmen (43) des Nebenläufers (4) in der Expansionsstufe (7) vorgesehen, sowie Schlitze (29) bei den Verdrängungskämmen (12) der Verdichterstufe und Umleitöffnungen (39) im Gehäuse in der Expansionsstufe (7). Die Einführung des Getriebes (36, 37) für die Auslasssteuerung (17) der Brennkammer erfordert Änderungen bei der Anordnung der Leistungswelle (24), die hier mit einem zusätzlichen Getriebe (34) betrieben wird.
• Es folgen die Erläuterungen und Beschreibungen dieser Einrichtungen:
  Da die vollständige Verdrängung der komprimierten Luft aus den Längsvertiefungen (23) in die Hohlräume des Haupttäufers (11) nötig ist, sind die Einlassöffnungen (26) im radial äußeren Bereich der Längsvertiefungen (23) angebracht. Eine Computersimulation (Bild 2.) zeigt in einer Rafferdarstellung die Profilbildung der Längsvertiefungen (23) und des Verdrängkammes (12). Dabei ist die Kontaktlinie in der Spitze A des Verdrängkammes (12) definiert als das Profil der Längsvertiefung (23). Die Kontaktlinie in der Spitze B der Längsvertiefung (23) definiert das Profil des Verdrängkammes (12). Dabei verdrängt der Verdrängungskamm (12) nur in der letzten Phase der Verdrängung und zwar beim Verlassen der Vertiefung, die komprimierten Luft vollständig aus der Vertiefung. In diesem Bereich ist die Einlassöffnung (26) mit den federbelasteten Eintrittsdruckklappen (41) angebracht.
• Hier, an der Spitze B der Längsvertiefung (23), wird auch die federbelastete Dichtleiste (44) angebracht, wenn die einfache Kontaktdichtung (mit Öleinspritzung) nicht ausreicht.
• Jede Eintrittsdruckklappe (41) öffnet sich genau dann, wenn der Luftdruck in der Verdichtungskammer und damit in der Längsvertiefung (23) bei Drehung des Verdrängungskammes (12) den Druck im Innenraum (42) des Hauptläufers (11) erreicht bzw. übersteigt. Dabei wird der Verdichtungsprozess abgebrochen. Anschließend erfolgt die Verdrängung der verdichteten Luft aus dem Verdichtungsraum und aus der Längsvertiefung (23) in den Innenraum (42) des Hauptläufers (11). In der Regel kann eine Dichtung der Verdrängungskämme (12) auch ohne Dichtleisten und zwar durch geeignete Auswahl der Materialen, Anwendung von Nanokompositenbelägen und durch präzise Fertigung der Konstruktionsteile erreicht werden. Jedoch ist dazu eine Öleinspritzung zwischen die Verdrängungskämme (12) und dem Gehäuse vorgesehen.
• Im Bild 1. sind die Eintrittsklappen teilweise dargestellt. Diese Eintrittsklappen kann man als federbelastete Längsklappen einrichten, oder als biegeweiche Lamellen, die unter dem vorherrschenden Druck biegen und die Luft in die Innenräume (42) strömen lassen. Die Innenräume (42) des Hauptläufers (11) in beiden Stufen dienen als Speicher- und Dampferraume der komprimierten Luft. Sie dämpfen die Druckpulsation der Verdichterstufe (5). Alle Innenräume (42) sind durch Ausgleichskanäle (8) miteinander verbunden.
• Von hier aus strömt die verdichtete Luft durch die profilierten Auslassöffnungen (10) in den Zwischenraum zwischen Hauptläufer (11) und Brennrohr (19) in beiden Stufen, umspült dabei das Brennrohr allseitig und gelangt durch die Einlassöffnungen (25) im Brennrohr (19) in die Brennkammer (21), wie auch teilweise in die Arbeitsräume der Expansionsstufe (7).
• Dafür sind die profilierten Auslassöffnungen (10) so ausgelegt, das eine ständige Drucküberhöhung in den Innenräumen (42) des Hauptläufers (11) gegenüber dem Druck in den Inneren des Brennrohres (19) und der Brennkammer (21) existiert. So entsteht eine Art der Hitzebarriere zwischen Hauptläufer und Brennrohr. Das Brennrohr (19) ist zweiteilig ausgebildet. Das fest an das Gehäuse angebrachte unbewegliche Teil des Brennrohres (20) ist mit dem beweglichem Teil des Brennrohres (35) verbunden. Der bewegliche Teil des Brennrohres (35) ist mittels des Zahnradsegments (36) und des Zahngetriebes (37), begrenzt drehbar an dem Deckel (9) angeordnet.
• Durch die Drehung des beweglichen Teiles des Brennrohres steuert man die Auslassöffnung des Brennrohrs (17) zwischen beiden Teilen und damit die Überführung des Gases in die Arbeitsräume der Expansionsstufe (7). Damit erfüllen die beide Teile des Brennrohres (20) und (35) neben der Rolle als Hitzebarriere für die restliche Konstruktion auch die Funktion der Ein- und Auslasssteuerung. Diese Änderung der Konstruktion des Brennrohrs (19) und die Einrichtung des Getriebes (36, 37) bringt konstruktive Änderungen bei der Anordnung der Leistungswelle, die mit einem zusätzlichen Getriebe (24, 34) getrieben wird, mit sich. Der Arbeitsprozess in der Brennkammer ist ein Diesel- Prozess, bei dem eine stabile Verbrennung des Kraftstoffes bei ständigem Druck stattfindet. Dafür strömt nur eine bestimmte Menge des Gases bei ständigem Druck durch die Auslassöffnungen des Brennrohres in die Expansionstufe. Die Dauer des Einlasses ist durch die gesteuerten Auslassöffnungen des Brennrohrs (17) definiert. In den Arbeitsräumen der Expansionstufe (7) verrichtet das einströmende Gas die Arbeit anfänglich mit konstantem Druck des Diesel- Prozesses. Nachdem der Gaseintritt unterbrochen wird verrichtet das eingelassene Gas dann die Expansionsarbeit bis zum Auslasses des Gases in das Abgassystem.
• Die thermodynamischen Betrachtungen erlauben es, die Parameter der Arbeitsprozesse exakt zu definieren, einen effektiven Expansions- bzw. Entspannungsprozess bei hoher Leistung zu ermitteln und daraus die Dimensionen der Rotationskraftmaschine zu bestimmen.
• Diese Vorgehensweise wird ausführlich in dem Gebrauchsmuster DE 20 2006 008 158 U1 beschrieben.
• Wenn die Abgase der Kraftmaschine für weitere Ziele genutzt werden sollen, etwa für die Lagesteuerung eines Flugzeugs im Flugzeugtriebwerk (vgl. DE 10 2006 038 957 ), wird der Gasdruck im Abgassystem der Kraftmaschine sehr hoch. Daher benötigt man in diesem Fall eine Ausgleichsklappe (38), die in die Körper der Verdrängungskämme (43) der Expansionsstufe eingebaut werden. Die Ausgleichklappe (38) öffnen sich in Richtung des Arbeitsgases, wenn der Expansionsdruck dort bis auf den Druck im Abgassystem fällt, und verhindert damit das Druckgefälle, das sonst als Bremse wirken würde. Die Schlitze (29) in der Verdrängungskammer 12 dienen zum Druckausgleich, wenn diese die Längsvertiefungen (23) der Verdichterstufe (5) überstreichen. Die Umleitöffnungen (39) in den Angössen des Gehäuses dienen als Bypassleitung während der Einlassphase und ermöglichen die Beteiligung des in den Vertiefungen (40) gestauten Gases an der Expansionsarbeit.
• Diese Maßnahmen sorgen ebenso wie das Auswuchten aller Nebenläufer (4) durch Ausgleichsgewichte (27) für eine höhere Laufruhe und eine höhere Leistungsabgabe der Kraftmaschine.
• Dadurch wird ein gleichmäßiger Drehmomentverlauf der Leistungswelle erreicht.
• Durch die Verbindung der Stufen, bei der die Nebenläufer beider Stufen (und die entsprechenden Teile des Hauptläufers) mit einem bestimmten Winkel zueinander miteinander verbunden sind, wird gewährleistet, dass, wenn bei der Verdichterstufe (5) die Endphase des Verdichtungsprozesses besteht mit dem höchstem Drehmomentaufwand einsetzt, in der Expansionsstufe (7) noch der Expansionsprozess mit hohem ständigen Druck herrscht. D. h. die Expansionsstufe produziert in dieser Phase das höchste Drehmoment und deckt damit deckt den Energieverbrauch des Verdichters besser.

1

Deckel

2

Synchronisierungsgetriebe

3

Gleitlager

4

Nebenläufer

5

Verdichterstufe

6

Kühlmantel

7

Expansionsstufe

8

Ausgleichskanal

9

Deckel

10

Auslassöffnung

11

Hauptläufer

12

Verdrängungskamm

13

Dichtleiste

14

Flansch

15

Längsvertiefung

16

Einlassöffnung

17

Auslassöffnung des Brennrohrs

19

Brennrohr

20

unbeweglicher Teil des Brennrohres

21

Brennkammer

22

hinterer Teil des Hauptläufers

23

Längsvertiefung

24

Leistungswelle

25

Einlassöffnung

26

Einlassöffnung

27

Ausgleichgewicht

29

Schlitz

31

Einlassrohr

34

Getriebe

35

beweglicher Teil des Brennrohrs

36

Zahnradsegment

37

Zahngetriebe

38

Ausgleichklappe

39

Umleitöffnung

40

Vertiefung

41

Eintrittsdruckklappe

42

Innenraum des Hauptläufers

43

Verdrängungskamm

44 Dichtleiste

Claims (8)

1. Drehkolbenmaschine mit einer Verdichterstufe (5), einer Expansionsstufe (7), einer Brennkammer (21) und einem Synchronisierungsgetriebe (2), wobei die Verdichterstufe (5) und die Expansionsstufe (7) im wesentlichen identisch aufgebaut sind und jeweils einen Hauptläufer (11) und drei Nebenläufer (4) aufweisen, wobei die Nebenläufer (4) jeweils aus einem zylindrischen Körper mit einem Verdrängungskamm (12) mit Dichtleisten (13) bestehen, wobei die Verdrängungskämme (12) der Nebenläufer (4) mit drei profilierten Längsvertiefungen (23) des Hauptläufers (11) in Eingriff sind, und dabei das Durchmesserverhältnis zwischen Nebenläufer (4) und Hauptläufer (11) sowie das Übersetzungsverhältnis des Synchronisierungsgetriebes (2) und damit die Drehzahl der Nebenläufer (4) zum Hauptläufer (11) 1:3 beträgt, wobei sich die Brennkammer (21) über die Verdichterstufe (5) und über die Expansionsstufe (7) erstreckt und im Inneren des Hauptläufers (11) angeordnet ist, wobei die Brennkammer (21) mit einem fest an einem Gehäuse fixiertem Einlassrohr zur Kraftstoff- und Luftzufuhr und einem Brennrohr (19) mit Ein- und Auslassöffnungen (25, 26) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verdichterstufe (5) eine Eintrittsdruckklappe (41) und eine Steuerung der Einlassöffnungen (17) im Brennrohr und der Expansionsstufe (7) vorgesehen ist, wobei die freien Innenräume (42) des Hauptläufers (11) als Druckluftspeicher- und Verteiler zur Kühlung der Hauptläufer in beiden Stufen vor dem Gaseintritt in die Brennkammer (21) vorgesehen sind.
2. Drehkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen (17) mit einer Eintrittsdruckklappe (41) versehen sind und an den seitlichen Wänden der Innenräume (42) des Hauptläufers (11) angebracht sind, wobei Dichtleisten (44) im radial äußeren Bereich der Längsvertiefungen (23) des Hauptläufers (11) eingerichtet sind.
3. Drehkraftmaschine nach einem der Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenräume (42) des Hauptläufers (11) in beiden Stufen Ausgleichskanäle (8) und exakt profilierte Auslassöffnungen (10) aufweisen.
4. Drehkraftmaschine nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennrohr (19) zweiteilig aufgebaut ist und aus einem unbeweglichen (20) und einem beweglichen Teil (35), die zusammen eine steuerbare Auslassöffnungen (17) bilden, besteht.
5. Drehkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebe zur begrenzten Drehung des beweglichen Teils (35) des Brennrohrs (19) gegenüber dem unbeweglichem Teil (20) des Brennrohrs (19) ausgebildet ist, das aus einem Zahnradsegement (36) und einem Zahnradgetriebe (37) besteht und an dem Deckel (9) angebracht ist.
6. Drehkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leistungswelle (24) ein zusätzliches Leistungsgetriebe vorgesehen ist.
7. Drehkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichsklappe (38) in den Verdrängungskämmen (43) der Expansionsstufe angebracht ist.
8. Drehkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schlitze (29) in den Verdrängungskämmen (12) der Verdichterstufe (5) und Umleitöffnungen (39) im Gehäuse in der Expansionsstufe (7) vorgesehen sind.