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Drehkolbenmaschine mit Haupt- und Nebendrehkolben Die Erfindung betrifft
eine Drehkolbenmaschine mit Haupt- und Nebendrehkolben, deren Drehkolben nur aus
Kreisbögen zusammengesetzte Profile haben, mit gleicher Drehzahl, gleichem Drehsinn
und konstanter Winkelgeschwindigkeit umlaufen, wobei das Profil des Hauptdrehkolbens
einen Grundkreis und eine von dem Grundkreis aufgesetzten Kreisbögen herbeigeführte
Spitzenbildung aufweist, die Mittelpunkte der an der Spitzenbildung beteiligten
Kreisbögen auf einem Hilfskreis liegen, dessen Halbmesser kleiner ist als der des
Grundkreises., die Verbindungslinien dieser Mittelpunkte jeweils eine Sehne im Hilfskreis
bilden, die durch einen Kreisbogen überspannt ist, dessen Halbmesser gleich dem
Halbmesser der an der Spitzenbildung beteiligten Kreisbögen ist und das auf diese
Weise im Hilfskreis ermittelte Profil dem Profil des Nebendrehkolbens entspricht.
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Die der Erfindung zugrunde liegende technische Aufgabe besteht in
der Schaffung einer Maschine, die die folgenden Bedingungen und Eigenschaften in
sich vereinigt: 1. Sie soll, jedenfalls theoretisch, sowohl als Kraftwie auch als
Arbeitsmaschine keinen schädlichen Raum haben.
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2. Sie soll Drehkolbenprofile aufweisen, die die höchste Herstellungspräzision
ermöglichen, so daß unter Berücksichtigung des Fortfalls schädlichen Raums Wirkungsgrade
erzielt werden können, die mit bekannten Maschinen noch nicht erreicht worden sind.
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3. Sie soll keiner Fremdsteuerung bedürfen, sondern ohne Zuhilfenahme
weiterer sich bewegender Teile alle Steuerungsprobleme bewältigen.
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4. Sie soll auch ohne Schmiermittel betrieben werden und mit berührungsfreien
Dichtungen arbeiten können, um bei ihrer Verwendung als Dampfmaschine ölfreien Abdampf
zu erhalten, um bei ihrer Verwendung als Verdichter und Entspannungsmaschine das
Arbeitsmittel nicht zu verunreinigen und als Brennkraftmaschine ohne innere Schmierung
auszukommen.
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5. Sie soll in gleicher Grundkonstruktion als Kraftmaschine, Arbeitsmaschine,
Brennkraftmaschine, Flüssigkeitspumpe usw. arbeiten können. Sie soll daher Maschinenkombinationen
wie z. B. pneumatische oder hydraulische Getriebe bzw. Drehmomentwandler,Brennkraftmaschine-Verdichter,
Brennkraftmaschine-Flüssigkeitspumpe usw. mit gegebenenfalls gemeinsamen Wellen
und gemeinsamen Getrieben ermöglichen.
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6. Sie soll als Einzelmaschine mit einem Hauptdrehkolben gleichzeitig
mehrere Funktionen erfüllen können, z. B. als kombinierte Kraft-Arbeits-Maschine,
als dampfbetriebener Brüdenverdichter oder als Preßluftentspannungs-Luftverdichtungsmaschine
für den Untertagebetrieb verwendet werden k'ö'nnen.
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7. Sie soll als Einzelmaschine mit einem Hauptdrehkolben vielzylindrig
oder vielstufig wirken können.
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B. Sie soll Veränderungen der Profilverhältnisse zulassen, um nicht
nur allgemeine maschinentechnische Forderungen, wie die Unterbringung biegungs-
und schwingungsfreier Wellen in den Drehkolben erfüllen zu können, sondern auch
insbesondere die sichere Beherrschung der Probleme der inneren Auswuchtung der Drehkolben
zu ermöglichen und zu gewährleisten.
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9. Sie soll allen neuzeitlichen Anforderungen in bezug auf Betriebssicherheit,
Laufruhe, Herstellungspreis usw. genügen.
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Die Grundvoraussetzungen dafür, alle vorgenannten Bedingungen und
Eigenschaften in einer Maschine mit den eingangs genannten Eigenschaften vereinigen
zu können, sind gegeben, wenn die Drehkolbenmaschine erfindungsgemäß derartig ausgebildet
ist, daß jedem Hauptdrehkolben ein oder mehrere Nebendrehkolben zugeordnet sind,
der Hilfskreishalbmesser kleiner als zwei Drittel des Grundkreishalbmessers, vorzugsweise
halb so groß wie der Grundkreishalbmesser ist, der Abstand der Sehne, die die Verbindungslinie
der Mittelpunkte der an der Spitzenbildung beteiligten Kreisbögen darstellt, im
Hilfskreis von seinem Mittelpunkt mindestens drei Zehntel seines Halbmessers bzw.
der vom Drehpunkt gemessenen Scheitelhöhe des der Sehne gegenüberliegenden
Kreisbogenprofils
beträgt und jeder Hauptdrehkolben nur eine einzige Spitze hat.
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Es ist eine Maschine bekannt, die einen Haupt-und einen Nebendrehkolben
mit jeweils zwei aus zwei Kreisbögen gebildeten Spitzen hat und deren Haupt- und
Nebendrehkolben mit gleichem Drehsinn umlaufen. Die Tatsache, daß beide Drehkolben
im gleichen Drehsinn umlaufen, führt dabei notwendigerweise zu einer ähnlichen geometrischen
Grundkonstruktion der Drehkolbenprofile wie die der erfindungsgemäßen Profile, jedoch
sind bei der bekannten Maschine sowohl die Aufgabenstellung als auch die technische
Lösung grundlegend von denen der vorliegenden Erfindung verschieden, insofern, als
es sich dort um die ausschließliche Ausbildung einer speziellen rotierenden Brennkraftmaschine
handelt. Die Drehkolbenprofile sind dabei in bezug auf die jeweiligen zwei Spitzen
spiegelbildlich konstruiert, was zwar einesteils die Gleichheit von Verdichtungs-und
Entspannungsraum bedingt, anderenteils jedoch gestattet, die von jeder der beiden
Hauptdrehkolbenspitzen verdichtete Verbrennungsluft zunächst in den jeweiligen,
sich zwischen Nebendrehkolben und Gehäuse bildenden Verbrennungsraum zu fördern
und demnach jeweils in den Entspannungsraum überzuschieben. Bei dieser Maschine
ist ein Ausschieben eines verdichteten Mittels weder vorgesehen noch möglich. Diese
Maschine kann daher weder als Verdichter noch in umgekehrter Wirkungsweise als Kraftmaschine,
z. B. in Art einer Dampfmaschine, verwendet werden.
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Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Maschine trotz Benutzung ähnlicher
geometrischer Konstruktionsprinzipien für die Drehkolbenprofile sowohl bezüglich
der Aufgabenstellung als auch der effektiven technischen Lösung grundlegend verschieden,
wie aus der Beschreibung unzweideutig hervorgeht.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist derart, daß
schon bei der Anwendung eines Hauptdrehkolbens und eines einzigen Nebendrehkolbens
eine Maschine entsteht, die sowohl als Kraftmaschine wie auch als Arbeitsmaschine
keinen schädlichen Raum hat. Das beruht im wesentlichen darauf, daß durch die Anwendung
eines Hilfskreises, dessen Halbmesser höchstens zwei Drittel so groß, besser aber
etwa einhalbmal so groß wie der des Grundkreises ist und in welchem die durch einen
Bogen überspannte Sehne erheblich weiter als bei bekannten Maschinen von seinem
Mittelpunkt entfernt ist, da der Abstand dieser Sehne mindestens drei Zehntel seines
Halbmessers ist, mithin also ein Nebendrehkolbenprofil entsteht, welches nur einen
kleinen Abschnitt aufweist, der insofern als schädlicher Raum ausgeschaltet ist,
als sich dieser Abschnitt bei Verwendung der Drehkolbenmaschine als Kraftmaschine
erst bei Beendigung der Expansion des Arbeitsmittels gegen den Hubraum hin öffnet,
d. h. also erst bei Beginn des Auslasses des Arbeitsmittels bzw. insofern, als dieser
Drehkolbenabschnitt bei Verwendung der Drehkolbenmaschine als Arbeitsmaschine bereits
in dem Nebendrehkolbengehäuse 12 abgeschlossen ist, wenn die erforderliche Ansaugöffnung
im Hauptgehäuse von der Hauptdrehkolbenspitze überfahren wurde bzw. wenn der Verdichtungsvorgang
beginnt.
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Das Volumen des Nebendrehkolbenabschnittes ist hierbei so klein, daß
der Arbeitsaufwand für die an sich nutzlose Umwälzung dieses Volumens unbeträchtlich
wird. Es erübrigt sich dabei vollkommen, die Spitze des Hauptdrehkolbens über einen
beträchtlichen Teil ihres Weges leer laufen zu lassen, wodurch beträchtliche Verwirbelungsverluste
und damit eine Verschlechterung der Wirkungsgrade vermieden werden.
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Werden jedoch die erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschinen mit einem
Hauptdrehkolben und zwei oder mehr gegeneinander versetzten Nebendrehkolben ausgestattet,
so kann der jeweilige Nebendrehkolbenabschnitt von vornherein nicht als schädlicher
Raum wirken.
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Die ausschließliche Anwendung von Kreisen oder Kreisbögen führt gleichzeitig
und zwangläufig zu einfachen Konstruktionen und leichter maschineller Herstellbarkeit
der Maschinen und damit gleichzeitig auch zu einer Präzision, die der Präzision
der zur Verfügung stehenden Werkzeugmaschinen gleich ist. Damit sind unter Berücksichtigung
des Fortfalls schädlichen Raums die idealen Voraussetzungen für höchste effektive
Wirkungsgrade der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine gegeben.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine mit beispielsweise
einem Hauptdrehkolben und einem Nebendrehkolben und beispielsweise als Kraftmaschine
. ausgeführt, besteht darin, daß zu Beginn des arbeitleistenden Hubes der schädliche
Raum gleich Null ist. Im Verlauf der Drehung der Drehkolben entsteht zunächst ein
sich vergrößernder sichelförmiger Raum, der zur Folge hat, daß das auf den Hauptdrehkolben
wirkende Drehmoment infolge des sich vergrößernden Kolbenquerschnittes stetig zunimmt,
bis es entsprechend der fortschreitenden Entspannung des Arbeitsmittels sich wieder
auf den Anfangswert verkleinert, und zwar derart, daß keine übermäßigen Spitzenkräfte
auftreten, sondern in dem wichtigsten Bereich des arbeitleistenden Hubes eine Vergleichmäßigung
des Drehmoments eintritt. Hierbei bietet der Nebendrehkolben dem Druck im Arbeitsraum
zu Beginn des Hubes zunächst die Fläche Null dar. Bei weiterer Drehung des Kolbens
vergrößert sich die Fläche, während der Druck im Arbeitsraum abnimmt, so daß der
Druck auf die Nebendrehkolbenachse in seinem Verlauf erheblich vergleichmäßigt wird
und dadurch ebenfalls keine übermäßige Spitzenhöhe erreicht. Gleichzeitig ergibt
sich aber aus den jeweiligen Stellungen des Nebendrehkolbens, daß zu keiner Zeit
ein Drehmoment an diesem auftritt, so daß er also lediglich Steueraufgaben zu erfüllen
hat.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine
liegt aber auch darin, daß alle rotierenden Teile eine gleichförmig umlaufende Bewegung
haben, daher also keine schwingenden Massen auftreten und die erfindungsgemäßen
Profile in bezug auf ihre Maßverhältnisse durch den Konstrukteur nach freier Wahl
derart verändert werden können, daß nicht nur allgemeine maschinentechnische Forderungen,
wie die Unterbringung biegungs- und schwingungsfreier Wellen in den Drehkolben,
erfüllt werden können, sondern auch insbesondere die sichere Beherrschung der Probleme
der inneren Auswuchtung der Drehkolben ermöglicht und gewährleistet ist.
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Die Abwälzung der Drehkolben aufeinander ist nach der erfindungsgemäßen
Profilkonstruktion mathematisch exakt, wenn die Kreise oder Kreisbögen mathematisch
genau ausgeführt werden. Daher
ergibt sich die Größe der entstehenden
Spalte an ausgeführten Maschinen lediglich aus der Präzision der zur Verfügung stehenden
Werkzeugmaschinen und ist daher kleiner zu halten, als es bei empirischen und beispielsweise
zu Zykloiden führenden Abwicklungskurven möglich ist. Die Spaltverluste können daher
auf ein Mindestmaß beschränkt werden.
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Der Drehzahlbereich erfindungsgemäß ausgeführter Maschinen ist praktisch
lediglich durch die Festigkeit des Konstruktionsmaterials begrenzt und gestattet
daher in Verbindung mit den Spaltverlusten die Erreichung höchstmöglicher Wirkungsgrade
auch in Teillastbereichen.
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Die Gefahr einer gegenseitigen Sperrung der Drehkolben infolge ungenauer
Ausführung, Wärmedehnungen oder Ausnutzung, die insbesondere bei hohen Drehzahlen
zu schwersten Schäden führen kann, besteht nicht, weil sich die Bewegungsbahnen
der Drehkolbenkanten an den kritischen Stellen allmählich den gemeinsamen Tangenten
nähern.
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Die erfmdungsgemäße Drehkolbenmaschine bietet weiterhin den Vorteil,
daß nach außen lediglich Wellenabdichtungen vorzusehen sind und Ein- und Auslässe
an festen Punkten am Gehäuse angeordnet werden können. Ein- und Auslässe können
daher so ausgebildet werden, daß sie während des Betriebes verstellbar sind.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine
besteht darin, daß infolge der symmetrischen Profile jede Maschine sowohl als Kraft-
wie auch als Arbeitsmaschine verwendet werden und in beiden Verwendungsfällen mit
gleich hohen Wirkungsgraden betrieben werden kann, wobei sowohl gasförmige wie auch
flüssige Medien verwendet werden können.
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Ein scheinbarer Nachteil der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine
könnte darin gesehen werden, daß zur Erzielung des Gleichlaufs von Haupt- und Nebendrehkolben,
beispielsweise mittels Zahnradgetriebe, insgesamt drei Zahnräder angeordnet werden
müssen. Tatsächlich ergibt sich hieraus jedoch ein weiterer Vorteil, der darin besteht,
daß man 1. das Zwischenrad mit mehr oder weniger Zähnen ausstatten kann als die
beiden anderen Räder, wodurch ein leise laufendes Getriebe entsteht, 2. das nicht
auf den Drehkolbenwellen sitzende dritte Zahnrad beweglich anordnet und entweder
beispielsweise seine Welle gegen die Verbindungslinie der beiden Drehkolbenachsen
versetzt oder das Zwischenzahnrad unter schwach konischer Ausbildung aller Zahnräder
auf seiner Welle verschiebbar anordnet, wodurch das z. B. infolge Abnutzung oder
Wärmedehnung entstehende Zahnflankenspiel jederzeit wieder voll kompensiert und
der exakte Gleichlauf der Drehkolben jederzeit wiederhergestellt werden kann.
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Diese Maßnahmen ermöglichen es auf jeden Fall, die höchste Herstellungspräzision
der Drehkolbenprofile auszunutzen und damit höchste praktische Wirkungsgrade durch
kleinstmögliche Spiele zu erzielen.
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Daraus ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine auch
ohne Schmiermittel betrieben werden kann, wobei infolge der Profilgestaltung von
vornherein die Möglichkeit vorgesehen werden kann, berührungsfreie Dichtungen organisch
einzubauen. Sie gestattet daher z. B. bei ihrer Verwendung als Dampfmaschine ölfreien
Abdampf zu erhalten, bei ihrer Verwendung als Verdichter und Entspannungsmaschine
das Arbeitsmittel nicht zu verunreinigen und als Brennkraftmaschine ohne innere
Schmierung auszukommen.
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Sie kann aber auch in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in vorteilhafter
Weise zu Maschinenkombinationen zusammengefaßt werden, wie z. B. pneumatischen oder
hydraulischen Getrieben bzw. Drehmomentwandlern, Brennkraftmaschinen-Verdichter-Aggregaten,
Brennkraftmaschinen-Flüssigkeitspumpen-Aggregaten usw., wobei gegebenenfalls gemeinsame
Wellen und gemeinsame Getriebe angewendet worden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können bei Anordnung von zwei
oder mehr Nebendrehkolben zu einem Hauptdrehkolben die einzelnen Hubräume parallel
oder in Reihe geschaltet werden. Bei Parallelschaltung ergibt sich dadurch die Wirkung
einer mehrzylindrigen Maschine mit versetzten Hüben. Bei Schaltung in Reihe ergibt
sich die Wirkung einer mehrstufigen Maschine. Werden die Nebendrehkolben bei parallel
geschalteten Hubräumen gleichmäßig gegeneinander versetzt, so ergibt sich die Wirkung
einer mehrzylindrigen Maschine mit gleich großen Zylindern.
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Werden in weiterer Ausbildung der Erfindung die Nebendrehkolben bei
hintereinandergeschalteten Hubräumen, insbesondere bei Verwendung der Drehkolbenmaschine
als Brennkraftmaschine, ungleichmäßig versetzt, und zwar derart, daß der Entspannungshub
länger als der Verdichtungshub ist, so kann der Entspannungshub bis zur Erreichung
des Gegendruckes ausgedehnt werden. Das heißt, daß bei einer derartigen Ausgestaltung
der Drehkolbenmaschine die idealen Anforderungen an eine Brennkraftmaschine erfüllt
werden können.
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Bei Verwendung der Drehkolbenmaschine als Verdichter kann auf diese
Weise der Arbeitsaufwand auf die einzelnen Stufen gleichmäßig verteilt werden.
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Zur Abdeckung von Durchbohrungen (z. B. Ventilsitzen) der Gehäusewand
und vor allem zwecks Verringerung des Spaltverlustes zwischen Hauptdrehkolbenspitze
und Gehäusewand, der, bedingt durch Wärmedehnungen, beispielsweise bei hohen Betriebstemperaturen
der Maschine, zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führen könnte, kann in weiterer
Ausbildung der Erfindung die Spitze des Hauptdrehkolbens durch einen Kreisbogen
verbreitert werden, der den gleichen Halbmesser wie der den Hauptdrehkolben einhüllende
Kreis hat. Das bedingt, daß die Sehnen der Abschnitte der Nebendrehkolben mit einem
Bogen überspannt sind, der aus zwei Kreisbögen mit dem Halbmesser der Spitzenkreisbögen
und einem symmetrisch eingeschobenen dieselben tangierenden drehachsenkonzentrischen
Kreisbogen besteht.
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Sofern die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine mit Flüssigkeiten beaufschlagt
wird, und zwar sowohl als Kraft- wie auch als Arbeitsmaschine, erfordern die geringen
Spaltverluste der Maschine von vornherein keine besonderen Maßnahmen. Bei Beaufschlagung
der Maschine mit Gas und dampfförmigen Mitteln kann der Spaltverlust durch die Möglichkeit,
geringste Spiele einzuhalten, noch unter den Größen gehalten werden, die bei bekannten
berührungsfrei dichtenden Maschinen erreicht werden. Will man jedoch mit größeren
Maßtoleranzen arbeiten, so können
in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung Dichtungen aus Polytetrafluoräthylen oder anderen Werkstoffen mit vorzugsweise
schwalbenschwanzförmigem Profil in entsprechende Aussparungen der Haupt-und Nebendrehkolben
eingesetzt werden.
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Wenn die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine beispielsweise mit gas-
oder dampfförmigen Mitteln betrieben werden soll und beispielsweise größere Maßtoleranzen
zugelassen werden sollen, so können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mehrere
an sich bekannte Dichtleisten an der verbreiterten Spitze angebracht werden, oder
die verbreiterte Spitze kann als Labyrinth ausgebildet werden.
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Um besondere Steuerungsprobleme zu lösen, können der oder die Nebendrehkolben
breiter als der Hauptdrehkolben sein, wobei die überragenden Teile als Steuerorgane
dienen. Dadurch werden bauliche Veränderungen an den Nebendrehkolben selbst, die
zu Unwuchten oder unausgeglichenen Druckkräften oder Drehmomenten führen können,
entbehrlich. Die überragenden Teile der Nebendrehkolben befinden sich dabei innerhalb
des Maschinengehäuses, so daß weitere Wellendurchführungen und Steuerorgane mit
besonderem Antrieb nicht erforderlich sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Nebeneinand'eranordnung
mehrerer gegeneinander winkelversetzter Haupt- und Nebendrehkolhen auf je einer
gemeinsamen Achse sowie durch die Anordnung der nebeneinander angeordneten Drehkolben
in an sich bekannter Weise innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, wobei zwischen
benachbarten Drehkolben jeweils eine Zwischenwand vorgesehen ist, die Wirkung einer
mehrzylindrigen Maschine erreicht.
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Durch diese Anordnung ist eine besonders vorteilhafte Konstruktion
einer mehrzylindrigen Zweiwellen-Kraft- oder -Arbeitsmaschine möglich bzw. bei Anordnung
einer weiteren Nebendrehkolbenachse die Konstruktion einer Dreiwellen-Brennkraftmaschine.
Es besteht hierbei die Möglichkeit, daß die vorher erwähnten Zwischenwände mit den
Hauptdrehkolben umlaufen und ihr Halbmesser gleich oder größer als der des die Spitzen
der Hauptdrehkolben einhüllenden Kreises ist, und daß die Nebendrehkolben konzentrische
Einschnürungen haben, die die Zwischenwände am Umfang berühren. Man kann aber auch
feststehende, mit dem Gehäuse verbundene Zwischenwände anordnen oder eine Kombination
von umlaufenden und feststehenden Zwischenwänden wählen.
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Um bei Kraft- und Arbeitsmaschinen Wärme zu-oder abzuführen, werden
die Zwischenwände hohl ausgebildet und beheizt oder gekühlt. Es ist weiterhin vorgesehen,
in den Zwischenwänden Einlaß-, Ausläß- oder überströmkanäle für das Ein-, Aus-oder
Überströmen von einem in einen anderen Hubraum vorzusehen, was zu einer sehr vorteilhaften
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine führt. Man kann sie nämlich
derart sehr vorteilhaft als mehrstufige Kraft- und/oder mehrstufige Arbeitsmaschine
verwenden, wie auch als Brennkraftmaschine, bei der die Verdichtung in einem und
die Entspannung in einem anderen Hubraum erfolgen. Die Anordnung von umlaufenden
Zwischenwänden ist aber auch besonders vorteilhaft bei Maschinen mit nur einem Hauptdrehkolben,
bei ihrer Verwendung als Kraftmaschine oder Verdichter oder auch als Flüssigkeitspumpe,
weil z. B. bei der Verwendung der Drehkolbenmaschine als Verdichter die Ansaugöffnung
auf der Umfangsseite des Gehäuses angeordnet werden kann; der Auspuff aber durch
Auslaßöffnungen in den umlaufenden Seitenwänden erfolgt, die mit entsprechenden
Auspufföffnungen am Gehäuse korrespondieren, so daß der Auslaß erst geöffnet wird,
wenn der erforderliche Verdichtungsdruck erreicht worden ist. Die Auspufföffnungen
schließen sich nach dem erfolgten Auspuff automatisch gegen das Gehäuse ab, so daß
ein Zurückströmen des verdichteten Mittels in die Maschine nicht erfolgen kann.
Hierbei erfolgt die Dichtung zwischen den umlaufenden Seitenscheiben und dem Gehäuse
durch Labyrinthdichtungen, wobei die Auslaßöffnungen, die im Gehäuse angeordnet
sind, vorteilhaft mit einer labyrinthartigen berührungsfreien Dichtung eingefaßt
sind.
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Wie aus den vorhergehenden Ausführungen schon ersichtlich ist, ist
die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine äußerst vielseitig zu verwenden. Ebenso
wie sie als Kraftmaschine für Dampf oder gasförmige Mittel mit den Wirkungen einer
einzylindrigen oder vielzylindrigen Maschine verwendet werden kann, läßt sie sich
auch mit der Wirkung einer vielstufigen oder in der Kombination einer vielzylindrigen
mit einer vielstufigen Maschine verwenden. In analoger Weise kann sie mit den gleichen
Vorteilen auch als Verdichter für dampf- und gasförmige Mittel verwendet werden.
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Da bei der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine durch Anwendung mehrerer
Nebendrehkolben ohne weiteres eine Trennung der Hubräume möglich ist, ergibt sich
daraus auch der Vorteil, diese Maschine gleichzeitig als Kraft- und Arbeitsmaschine
zu benutzen, was die idealen Voraussetzungen für die Verwendung dieser Maschine
als Brennkraftmaschine in den verschiedenen angeführten Ausführungen ergibt. Insbesondere
die mögliche ungleichmäßige Versetzung der Nebendrehkolben gestattet die Konstruktion
einer Brennkraftmaschine, deren Verdichtungshub kleiner als der Entspannungshub
eingerichtet werden kann und die dadurch die ideale Lösung gestattet, die Verbrennungsgase
bis auf jeden gewünschten Gegendruck zu entspannen.
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Da die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine sowohl als Kraft- wie auch
als Arbeitsmaschine verwendet werden kann, lassen sich mit ihr pneumatische oder
hydraulische Getriebe bzw. Drehmomentwandler mit hohem Gesamtwirkungsgrad-zusammenstellen.
In gleich vorteilhafter Weise sind aber auch die Kombinationen Brennkraftmaschine-Verdichter
z. B. für den Straßenbau, Brennkraftmaschine-Flüssigkeitspumpe z. B. für Feuerlöschzwecke
und Bewässerungen sowie sonstige Kombinationen möglich, wobei man vorteilhafterweise
jeweils gemeinsame Wellen für Haupt- und Nebendrehkolben vorsehen kann.
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Sie kann aber auch als Einzehnaschine mit einem Hauptdrehkolben gleichzeitig
mehrere Funktionen erfüllen. Sie kann z. B. als kombinierte Kraft-Arbeits-Maschine,
wie z. B. als dampfgetriebener Brüdenverdichter oder als Preßluftentspannungs-Luftverdichtungsrnaschine
für den Untertagebetrieb, wie auch in vielen anderen Kombinationen verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine ist auf Grund ihrer Eigenschaften
aber auch in gleicher Weise als Verdichter für Kältenüttel, als Brüdenverdichter
wie auch als Vakuumpumpe zu verwenden und eignet sich in gleicher Weise auch zur
Kraftmaschine,
die mit flüssigen Arbeitsmitteln betrieben wird,
wie auch als- Niederdruck-- und Hochdruck-Flüssigkeitspumpe, wobei die Tatsache,
daß die Spitze des Hauptdrehkolbens gleichzeitig mit der einen Seite drückt, während
sie mit der anderen saugt, die Wirkung einer nahezu stetigen Förderung der Flüssigkeit
ergibt.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Abb. 1 zeigt die Profile eines Haupt- und' eines Nebendrehkolbens;
Abb. 2 zeigt die Profile eines Haupt- und zweier Nebendrehkolben; Abb.3 zeigt die
Profile eines Hauptdrehkolbens mi! einer verbreiterten Spitze und eines NebendrehkolL,cns;
Abb. 4. zeigt Teile eines Haupt.. und eines Nebendrehkolbens mit eingesetzten schwalbenschwanzförmig;
n Dichtungen; Abb. 5 zeigt die verbreiterte Spitze eines Hauptdrehkolbens, und zwar
Abb. 5 a mit mehreren eingesetzten Dichtleisten, Abb. 5 b mit einer als Labyrinthversehenen
verbreiterten Spitze; Abb. G zeigt die Ansicht einer Nebeneinanderdreier gegeneinander
winkelversetzter H#iupi- und Nebendrehkolben auf je einer gemeinsan?e.n Achse mit
mit dem Hauptdrehkalben umlaufenden Zwischenwänden.
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Abb. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine im Schnitt,
deren Konstruktion äußerst einfach ist. Man zeichnet zunächst den Grundkreis 2 des
Hauptdrehkolbens A mit dem Drehpunkt 1 mit dem gewünschten Halbmesser, sodann schlägt
man um den Drehpunkt 1 den Hilfskreis 6 mit dem Halbmesser r, der dem gewünschten
Halbmesser des Nebendrehkolbens exakt entspricht; sodann schlägt man um den Drehpunkt
7 mit dem gleichen Halbmesser r einen Kreis, der den Grundkreis 2 berührt. Hierdurch
ist bereits der Abstand der Drehpunkte 1 und 7 festgelegt, der der Summe von Grundkreis,
halbmesser und Hilfskreishalbmesser entspricht. Sodann zeichnet man senkrecht zur
Verbindungslinie der beiden Drehpunkte 1 und 7 eine Sehne 9 in den Hilfskreis 6
ein, deren Abstand vom Drehpunkt 1 die Exzentrizität der Spitze 3 und damit gleichzeitig
den Abstand des Scheitelpunktes 13 vom Drehpunkt 7 des Nebendrehkolbens bestimmt,
so daß bereits beim Entwurf der Maschine die Unterbringung der Nebendrehkolberrachse
berücksichtigt werden kann. Der Abstand der Sehne vom Mittelpunkt 7 beträgt dabei
mindestens ein Drittel des Hilfskreisradius, der im vorliegenden Fall gleich der
vom Drehpunkt gemessenen Scheitelhöhe 24 des der Sehne gegenüberliegenden Kreisbogenprofils
20 ist. Sodann werden die Schnittpunkte 5 der Sehne mit dem Hilfskreis 6 als Drehpunkte
für die Kreisbögen 4 verwendet, deren Halbmesser R gleich der Summe von Grundkreishalbmesser
und Hilfskreishalbmesser ist.
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Die Kreisbögen schneiden sich in der Spitze 3: Der Drehpunkt 14 des
die Sehne des Nebendrehkolbens überspannenden Kreisbogens mit dem Halbmesser R ermittelt
sich dadurch, daß die Linie 1-3 um R -verlängert wird.
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Für Entwurfzwecke läßt sich aber auch das Profil des Nebendrehkolbens
B direkt in den Hilfskreis 6 einzeichnen, da deren Halbmesser sowie Lage der Sehnen
und ihre Größen identisch sind. Man erhält das Profil des Nebendrehkolbens B im
Hüfskreis 6 dadurch, daß- man die Spitze 3- als Drehpunkt benutzt und um ihn- mi't
dem Halbmesser R einen Kreisbogen, schlägt, der die Sehne im Hilfskreis 6 überspannt.
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Das Gehäuse 11 des Häuptdrehkalbens wird durch einen Kreisbogen dargestellt,
der mit dem Halbmesser 1-3 um den Drehpunkt 1 geschlagen wird und den Nebendrehkolbenkreis
an zwei Punkten schneidet. . - Wenn Haupt- und. Nebendrehkolben sich im Uhrzeigersinn
mit gleicher Winkelgeschwindigkeit drehen, so entsteht eine Kraftmaschine, der bei
E das Arbeitsmittel nach Vorbeistreichen der Spitze 3 zugeführt wird; das sich bei
Weiterdrehung der Drehkolben entspannt, bis es schließlich bei Beendigung des Hubes
bei D entweichen kann bzw. im Verlauf des folgenden Hubes zugeschoben wird.
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Wenn Haupt- und Nebendrehkolben sich im Uhrzeigersinn mit gleicher
Winkelgeschwindigkeit drehen, so entsteht eine Arbeitsmaschine bzw. ein Verdichter
dadurch, daß bei E das anzusaugende Mittel nach Vorbeistreichen der Spitze 3 und
bei Weiterdrehung der Drehkolben eingesaugt wird, sodann bei dem darauffolgenden
Hub verdichtet und durch D ausgeschoben wird.
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Abb. 2 zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine
mit einem Hauptdrehkolben mit einer Spitze sowie mit zwei ungleichmäßig gegeneinender
versetzten Nebendrehkolben.
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Die Konstruktion erfolgt in gleicher Weise wie in Abb. 1 beschrieben.
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Hier ist schematisch dargestellt, wie die Drehkolbenmaschine als Brennkraftmaschine
verwendet werden kann, und zwar mit kürzerem Verdichtungs-und ilängerem - Entspannungshub.
Der Einfachheit halber sind Ventile oder sonstige Steuerorgane fortgelassen worden.
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Wenn sich der Hauptdrehkolben mit den Nebendrehkolben im Uhrzeigersinn
dreht, so wird zunächst das in V2 befindliche Gasvolumen über den Auslaß H ausgeschoben.
Wenn die Hauptdrehkolbenspitze im Verlauf der weiteren Drehung am Nebendrehkalben-Bi
vorbeigestrichen ist, wird das bei der vorhergehenden Drehung durch D in V1 eingesaugte
Luft-Brennstoff-Gemisch verdichtet, vor dem Nebendrehkolben Bz bei E aüsgeschoben
und in einen Behälter F gedrückt, von wo aus es nach Vorbeistreichen der Hauptdrehkolbenspitze
am Nebendrehkolben B2 hinter dieser bei G eingelassen und gezündet wird. Bei weiterer
Drehung der Drehkolben expandiert sodann in dem Hubraum V, hinter der Hauptdrehkolbenspitze
das Verbrennungsgas unter Arbeitsleistung. Dieses Verbrennungsgas wird sodann bei
der darauffolgenden Drehung über H ausgeschoben. Wenn bei D kein Luft-Brennstoff-Gemisch
eingesaugt werden soll, sondern nur Verbrennungsluft, so kann man auf das Dieselprinzip
dadurch übergehen, daß man den Kraftstoff in F oder bei G einspritzt und dort im
entsprechenden Zeitpunkt zündet.
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Wird die gleiche Maschine als zweistufiger Verdichter mit Zwischenkühlung
verwendet, so wird das Gas beispielsweise bei G eingesaugt, verdichtet und bei H
in den Zwischenkühler ausgeschoben, aus dem es nach Kühlung aus- und bei D wieder
eintritt, um nun die zweiteVerdichtung in V1 zu erfahren und schließlich mit dem
gewünschten Enddruck bei E ausgeschoben zu werden.
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Bei Verwendung der Maschine als kombinierte Kraft- und Arbeitsmaschine
kann bei Drehung des Hauptdrehkalbens im Uhrzeigersinn beispielsweise
bei
G Gas eingesaugt und bei H verdichtet ausgeschoben werden, während bei D das Arbeitsmittel
eingelassen werden kann und nach erfolgter Arbeitsleistung bei E wieder ausgeschoben
wird. Die Versetzung der Nebendrehkolben erfolgt dabei entsprechend den gewünschten
Volumen- und Druckverhältnissen.
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Abb.3 zeigt eine erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine mit einem Hauptdrehkolben
mit verbreiterter Spitze und einem Nebendrehkolben im Schnitt.
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Die Konstruktion dieser Maschine erfolgt nach den gleichen Regeln.
wie Abb. 1, wonach auch der Durchmesser des Hauptdrehkolbengehäuses ermittelt wird.
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Wie aus der Abbildung ersichtlich, entsteht die verbreiterte Spitze
durch die Konstruktion zweier winkelversetzter Spitzen 3 a, 3 b, die durch einen
Kreisbogen um den Drehpunkt 1 mit dem Halbmesser, der dem Halbmesser des Gehäuses
entspricht, verbunden sind.
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Die Konstruktion des Nebendrehkolbenprofils erfolgt zweckmäßig im
Hilfskreis 6, und wie nach Abb.1 zu der Hauptdrehkolbenspitze der Kreisbogen
10 des Nebendrehkolbenprofils ermittelt worden ist, wird nun zu jeder der
beiden Spitzen der entsprechende Kreisbogen 10 a und 10 b ermittelt.
Diese einander schneidenden Kreisbögen werden sodann durch einen dieselben tangierenden
Kreisbogen 10 c mit dem Drehpunkt 1 verbunden.
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An Stelle des einen Kreisbogens 10 nach Abb. 1 tritt nun ein Profil,
das sich aus drei Kreisbögen 10a, 10b und 10c zusammensetzt und auf den Nebendrehkolben
B übertragen wird.
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Wie aus Abb. 4, die die Spitze eines Hauptdrehkolbens A und
einen Teil eines Nebendrehkolbens B
zeigt, ersichtlich ist, können in schwalbenschwanzförmigeAussparungen
Dichtleisten eingesetzt werden. Zur Abdichtung der Stirnflächen können außerdem
noch etwa parallel zum Profil verlaufende gestrichelt angedeutete Nuten vorgesehen
sein, in die ebenfalls Dichtleisten eingesetzt sind.
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Abb.5 zeigt eine verbreiterte Hauptdrehkolbenspitze und zwar Abb.
5 a eine Spitze mit mehreren schwalbenschwanzförmigen Nuten, in die Dichtleisten
eingesetzt sind und Abb. 5 b eine Spitze, die als Labyrinthdichtung ausgebildet
ist.
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Abb. 6 zeigt wegen der besseren Verständlichkeit die Ansicht dreier
nebeneinander angeordneter gegeneinander winkelversetzter und mit umlaufenden Zwischenwänden
getrennter Hauptdrehkolben A1, A2, A3 auf einer gemeinsamen Welle. Die dazugehörigen
Nebendrehkolben B1, B2, B3 sind darunter wegen der besseren Übersichtlichkeit mit
versetztem Achsenabstand dargestellt.
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Für den Fachmann ergeben sich aus den vorstehenden Ausführungen zahlreiche
Abwandlungen und Kombinationsmöglichkeiten, die es gestatten, Maschinen für die
verschiedensten Verwendungszwecke zu bauen.