DE2533776A1 - Drehmotor - Google Patents

Description

Patentanwalt

. FBÄßZ WERDERSft

2 HAMBURG 36 c.0, Λ 75

Neuer Wall 10 Il

G. 75 081 Fl.

Gordon Torquer, Ltd. Concord, Kalif. (V,St.A.)

Drehmotor

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser. No. 493 720 vom 1. August 1974 in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft einen Drehmotor von niedrigem Reibungswiderstand und vorgegebenen Leckflußeigenschaften, der entweder vermittels eines unter Druck stehenden Strömungsmittels wie z.B. Gas als Kraftmaschine oder als druckerzeugende Maschine, d.h. als Arbeitsmaschine wie z.B. eine Pumpe betreibbar ist.

Mehrere entweder als Motoren oder Pumpen betreibbare Drehmotoren sind bereits bekannt. Bei Drehmotoren vom Verdrängungstyp werden Kolben, Schaufeln, Flügel oder dgl. verwendet, die in flüssigkeitsdichter Abdichtung innerhalb eines Gehäuses gegen eine das Arbeitsmedium begrenzende Kammerwand umlaufen. Dem Drehzahlbereich und dem Wirkungsgrad dieser ilaschinen sind enge Grenzen gesetzt. Die Maschinen weisen in der Regel einen komplizierten Aufbau auf und sind daher kostspielig in Herstellung und wartung. Die Anlaufreibung und der Verschleiß der beweglichen Teile, insbesondere an den Dichtungen, sind sehr hoch. Außerdem

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lassen sich viele bekannte Maschinen nicht dynamisch auswuchten, was zu erhöhten Konstruktionsanforderungen führt und sich natürlich nachteilig auf die Lebensdauer, den Wartungsbedarf und die Leistungsaufnahme auswirkt. So ist beispielsweise die Nennleistung bekannter Luftdruckmotoren dadurch begrenzt, daß große Motoren nicht mit beliebig hohen Drehzahlen betrieben werden können.

Mit Turbinen lassen sich viele der vorgenannten Schwierigkeiten überwinden, indem sich Turbinen dynamisch auswuchten lassen, für sehr hohe Drehzahlbereiche auslegbar sind und eine verhältnismäßig lange Lebensdauer und niedrigen Wartungsbedarf aufweisen. Andererseits ergeben sich für Turbinen höhere Konstruktions- und Herstellungskosten, insbesondere für die Turbinenschaufeln. Da Turbinen von Haus aus mit "Leckfluß" betrieben werden, müssen sie mit verhältnismäßig hohen Drehzahlen laufen, um einen annehmbaren Wirkungsgrad zu erzielen. Einfache Turbinen sind außerdem nicht ohne weiteres umsteuerbar.

Aufgabe der Erfindung ist nunmehr die Schaffung eines als Arbeits- oder Kraftmaschine geeigneten Drehmotors von geringem Reibungswiderstand und vorgegebenen Leckflußeigenschaften, der bei einfachem Aufbau innerhalb eines weiten Drehzahlbereichs betreibbar und in vielen unterschiedlichen Größen für unterschiedliche Motorleistungen auslegbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drehmotor, der aus einem Gehäuse, in dem konzentrisch zu einer ersten Achse in Maschinenlängsrichtung eine Ringkammer ausgebildet ist, sowie mit zum Zu- und Abführen von Arbeitsmedium zu bzw. von der Ringkammer dienenden Einlaß- und Auslaßöffnungen besteht und gekennzeichnet ist durch eine innerhalb des Gehäuses drehbar um die

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erste Achse gelagerte und auf einer Seite gegen die Ringkammer angrenzende Kolbenträgerplatte, mehrere auf dem Umfang der Kolbenträgerplatte in gegenseitigen Abständen gehaltene, von dieser in Längsrichtung in die Ringkammer hinein vorstehende und zusammen mit der Kolbenträgerplatte umlaufende Kolben, ein auf der gegenüberliegenden Seite der Ringkammer zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung angeordnetes, um eine zu der ersten Längsachse parallele zweite Achse drehbar gelagertes Sperrventil mit einer Ausnehmung, welche in eine Lage bringbar ist, in der sie einen Kolben praktisch ganz umgreift, und eine zum Drehantrieb des Sperrventils um die zweite Achse in zeitlicher Zuordnung zur Drehung der Kolbenträgerplatte und zum Hindurchbewegen der an der Kolbenträgerplatte befestigten Kolben durch die Ausnehmung des Sperrventils dienende Transmission, wobei das Sperrventil die Verbindung zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung praktisch völlig unterbricht.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Drehmotor ist eine Hybridform von Verdrängermaschine und Turbine. Da zwischen Kolben, Rotor und Gehäuse keine Gleitflächen vorhanden sind, sind Reibung, Wärmeerzeugung und Verschleiß verringert, und die Schmierung dieser Teile ist folglich nicht erforderlich. Schmierung kann jedoch vorgesehen sein und gestattet in manchen Fällen die Steigerung des Wirkungsgrads des vorgegebenen Leckflusses.

Aufgrund der Größenabmessungen und der gegenseitigen Zuordnung von Sperrventil und Einlaßöffnung überlagern sich die Druckhübe der Kolben. Die innerhalb der Ringkammer umlaufenden und das Arbeitsmedium verdrängenden Kolben sind als bewegliche Teile dynamisch ausgewuchtet. Der Strömungsmittelleckfluß zwischen Kolben und Ringkammer ist so weit vorgegeben, daß zum Abdichten der Ringkammer keine

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Flüssigkeitsdichtungen erforderlich sind, jedoch gleichzeitig der Wirkungsgrad über einen verhältnismäßig großen Drehzahlbereich aufrechterhalten werden kann.

Als Dichtungen zwischen Kolben und Ringkammer dient das gasförmige oder flüssige Arbeitsmedium, wobei der Wirkungsgrad dieser Dichtungen mit zunehmender Drehzahl zunimmt.

Der Drehmotor weist einen verhältnismäßig einfachen Aufbau auf und besteht aus verhältnismäßig wenigen Teilen, für welche keine engen Toleranzen und Flüssigkeitsdichtungen erforderlich sind, so daß bereits aus diesem Grunde die Herstellungskosten niedrig gehalten sind. Die Maschine weist Selbstreinigungseigenschaften auf und kann daher nicht blockieren, indem vom Arbeitsmedium mitgeführte kleine Teilchen ohne weiteres an den Kolben und an dem Ventil vorbeigelangen können.

Der Drehmotor ist innerhalb eines weiten Drehzahlbereichs verwendbar, wobei der Wirkungsgrad auch bei niedrigen Drehzahlen beibehalten wird. Der Drehmotor ist in seinem Drehsinn rasch umsteuerbar, weist niedrigen Anlaufreibungswiderstand auf und läßt sich aus jeder Drehstellung des Rotors heraus zum Anlauf bringen.

Der Drehmotor läßt sich in vielen unterschiedlichen Größen herstellen, und bei größeren Abmessungen wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis ist verhältnismäßig hoch.

An der Kolbenträgerplatte sind z.B. drei Kolben befestigt, die zusammen mit der kreisrunden Kolbenträgerplatte innerhalb der Ringkammer umlaufen. Das auf der gegenüberliegenden Seite der Ringkammer drehbar gelagerte Sperrventil weist eine konkave Ausnehmung von solcher Formgebung auf, daß bei Umlauf des Sperrventils im Verhältnis 3:1 zum

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Rotor, d.h. der Kolbenträgerplatte,die Ausnehmung nacheinander die einzelnen Kolben praktisch ganz umgreift. Einlaß- und Auslaßöffnung befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Sperrventils und dienen zum Zu- bzw. Abführen von Arbeitsmedium wie z.B. Druckgas in und aus der Kammer. Die inneren und äußeren Oberflächen jedes Kolbens entsprechen jeweils allgemein den radial innen bzw. außenliegenden Wänden der Ringkammer, wobei die Kolben einen Abstand von diesen Wänden aufweisen, so daß keine Reibung entsteht und das Arbeitsmedium in vorgegebenem Leckfluß um die Kolben herumströmen kann. Die Kolben weisen außerdem allgemein radial verlaufende ebene Seitenwände auf und lassen sich berührungsfrei in sehr kleinem Abstand durch das Sperrventil hindurchbewegen, wobei das letztere die Verbindung zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung praktisch völlig unterbricht. Der Leckfluß von Arbeitsmedium aus der Kammer durch einen berührungs- und damit reibungsfreien Zwischenraum zwischen Rotor und Gehäuse in eine durch das abgedichtete Gehäuse gebildete Druckkammer ist ebenfalls vorgegeben.

Der erfindungsgemäße Drehmotor ist im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, in welchen ist

Fig. 1 ein Axialschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Drehmotor,

Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1, wobei sich die verschiedenen Teile in einer ersten Betriebsstellung befinden,

Fig. 3 ein Fig. 2 entsprechender Querschnitt, wobei sich die verschiedenen Teile in einer anderen Betrxebsstellung befinden,

Fig. 4 ein Fig. 2 entsprechender Querschnitt, wobei

sich die verschiedenen Teile wiederum in einer anderen Betrxebsstellung befinden,

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Fig. 5 eine teilweise Endansicht in einem wesentlich größeren Maßstab zur Veranschaulichung der Formgebung eines der in den Fig. 2 - 4 dargestellten Kolbens und

Fig. 6 ein Teilquerschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit vergrößerter Auslaßöffnung.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Drehmotor 10 ist insbesondere als druckgasbetriebener Motor ausgelegt. Bei Verwendung als Kraftmaschine wird die als Abtriebswelle dienende Motorwelle 11 über eine hier nicht dargestellte Antriebsverbindung mit dem Nutzleistungsempfänger gekoppelt. Wenn der Drehmotor 10 beispielsweise mit einem Durchflußsteuerventil in einer Gasrohrleitung gekoppelt ist, wird aus der Gasrohrleitung entnommenes Druckgas als Arbeitsmedium für den Drehmotor verwendet. Der Drehmotor ist auch für andere Arbeitsraedien, sowie als Arbeitsmaschine, d.h. Pumpe zur Drucksteigerung eines Mediums geeignet, wobei die Motorwelle 11 angetrieben wird.

Der Drehmotor 10 weist ein aus drei Teilen bestehendes Gehäuse auf, das aus einem mittigen Zylinderblock 12, einer glockenförmigen Abdeckung 13 an dem einen Ende des Zylinderblocks und einer Befestigungsabdeckung 14 an dem anderen Zylinderblockende besteht. Die drei Gehäuseteile sind in Form einer druckdichten Kammer durch mehrere auf dem Umfang in gegenseitigen Abständen angeordnete Bolzen 16 verbunden, die durch Bohrungen am Umfang der beiden Abdeckungen hindurchgeführt und auf die Gewindemuttern 17 aufgeschraubt sind.

Die außenliegende Endfläche 18 des Zylinderblocks 12 bildet eine zur Zylinderblocklängsachse 21 konzentrische Ringkammer 19 mit den in einem gegenseitigen Radialabstand befindlichen Seitenwänden 22 und 23 und einer Bodenwand 24.

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Die Motorwelle 11 ist drehbar um die Längsachse 21 vermittels Lagern 26, 27 gelagert, die in eine entsprechende Bohrung des Zylinderblocks 12 eingesetzt sind. Bei Verwendung als Kraftmaschine wird die Motorwelle 11 über eine Antriebsverbindung mit dem Nutzleistungsempfänger verbunden, während bei Verwendung als Arbeitsmaschine die Motorwelle durch einen Antrieb wie z.B. einen Elektromotor angetrieben wird. Das Gehäuse ist gegen die Motorwelle vermittels eines sich konisch verjüngenden Dichtrings 25 druckdicht abgedichtet. Der Innendurchmesser des Dichtrings 25 weist Ringnuten auf, in welche O-Ringdichtungen 15 eingesetzt sind. Mehrere in den Rand des Dichtrings 25 eingesetzte Federn 25a beaufschlagen den Dichtring gegen eine feststehende Buchse 30, die in eine Ringausnehmung der Befestigungsabdeckung 14 eingesetzt ist. Das äußere, ebene Ende des Dichtrings 25 läuft im Dichteingriff gegen die Innenschulter der Buchse 30 um. Ein Rotor 28 in Form einer kreisrunden Kolbenträgerplatte ist an dem einen Ende der Motorwelle 11 befestigt und dient zugleich als Schwungrad zum Ausgleichen der auf die umlaufenden Teile einwirkenden Kraftimpulse. Die innenliegende Stirnfläche 29 des Rotors ragt radial nach außen über die äußere Seitenwand 23 der Ringkammer 19 hinaus. Der Abstand zwischen der innenliegenden Stirnfläche 29 des Rotors und der außenliegenden Endfläche 18 des Zylinderblocks wird optimal eingestellt, so daß die Bewegung reibungsfrei erfolgt, jedoch gleichzeitig der Leckfluß von Strömungsmittel aus der Kammer um den Rotor herum vorgegeben ist. Der erforderliche Zwischenraum hängt von den jeweiligen Konstruktionsmerkmalen wie z.B. der Oberflächenbeschaffenheit und/oder -gute und den Eigenschaften des verwendeten Strömungsmittels ab. Wenn der Drehmotor 10 als druckgasbetriebener Motor eingesetzt wird, wird dieser Zwischenraum vorzugsweise zwischen 0,050 bis 0,127 mm bemessen.

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Der zwischen der glockenförmigen Abdeckung 13 und dem Rotor 28 befindliche. Raum bildet eine Kammer 31. Das durch den Zwischenraum zwischen Rotor und Zylinderblock hindurchtretende Strömungsmittel entweicht in diese Kammer, so daß der Gehäuseinnendruck einen Wert erreicht, der nahezu gleich ist dem an der Einlaßöffnung des Motors anliegenden Druck. Dadurch wird der ansonsten auftretende Leckstrom verringert, mit dem Ergebnis, daß der Wirkungsgrad des Motors nicht abfällt. Gleichzeitig gestattet der Zwischenraum zwischen Zylinderblock und Rotor eine reibungsfreie Relativbewegung, bei der keine Dichtungen erforderlich sind.

Drei Kolben 32, 33 und 34 sind an dem Umfang des Rotors 28 in gleichen gegenseitigen Abständen befestigt, wobei jeder Kolben in die Ringkammer 19 hinein vorsteht. Die kreisrunden Grundflächen 20 der Kolben sind abgedichtet in Ausnehmungen an dem Rotor eingesetzt, und jeder Kolben ist in seiner Lage an dem Rotor vermittels eines Bolzens 21A gehalten, der durch eine ausnehmung in der gegenüberliegenden Rotorseite hindurchgeführt ist.

In Fig. 5 ist die Formgebung des Kolbens 34 dargestellt, welche der aller drei Kolben entspricht. Der Kolben ist im Querschnitt allgemein zylindrisch, wobei der Durchmesser etwas größer ist als der Radialabstand zwischen innerer und äußerer Seitenwand 22 bzw. 23 der Ringkammer 19. Die inneren und äußeren Endflächen 36 und 37 jedes Kolbens weisen eine Krümmung auf, die allgemein der Krümmung von innerer bzw. äußerer Ringkammerwand entspricht. Die Abstände zwischen den Kolbenflächen und den Kammerwänden betragen vorzugsweise zwischen 0,050 bis 0,127 mm. Der gleiche Abstand ist zwischen der ebenen Stirnfläche 38 jedes Kolbens und der ebenen Bodenwand 24 der Ringkammer 19 vorgesehen. Der Abstand zwischen den Kolbenflächen und den Kammerwänden gestattet eine reibungsfreie Relativbewegung

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und dient außerdem zur Vorgabe des Strömungsmittelleckflusses um die Kolben in der nachstehend beschriebenen Weise. Die inneren Seitenflanken jedes Kolbens weisen ebene, nach außen auseinanderlaufende Flächen 39, 41 auf.

An einer Seite des Gehäuses ist eine Einlaßöffnung 42 ausgebildet , durch welche Strömungsmittel in die Ringkammer zugeführt wird. Eine Auslaßöffnung 43 auf der entgegengesetzten Gehäuseseite dient zur Abgabe des Mediums aus der Ringkammer. Die Einlaßöffnung 42 ist in ihrer Größe und Lage in bezug auf Größe und Umlaufstellung des Sperrventils 44 so bemessen, daß Druckmedium in die Ausnehmung 50 gelangt, wenn ein Kolben wie in Fig. 4 dargestellt an der Einlaßöffnung vorbeigeführt wird. Damit wirkt hinter dem Kolben e^vin Druck, der sich aufbaut, bevor der Druck an dem vorlaufenden Kolben abfällt, mit dem Ergebnis, daß der effektive Druckhub für einen Motor mit drei Kolben angenähert 130° beträgt, d.h. 10° mehr als der Winkelabstand von 120° zwischen den Kolben. Mit anderen Worten, die Druckhübe der Kolben überlagern sich um wenigstens 10°. Damit werden ein Abdrosseln des Motors und Totpunkte während des Betriebs vermieden, und die Maschine kann aus jeder beliebigen Drehstellung heraus anlaufen. Einlaß- und Auslaßöffnung sind symmetrisch zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Sperrventils angeordnet und weisen gleichen Durchflußguerschnitt auf, so daß die Betriebsparameter der Maschine in beiden Drehsinnen gleich sind.

Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmotors ist für nur einen Drehsinn ausgelegt. Der Zylinderblock 12' weist eine länglich ausgebildete Auslaßöffnung 45a und eine Abzweigöffnung 45b auf. Die Auslaßöffnung 45a erstreckt sich über einen Kreisbogen, der im Verhältnis zum Durchmesser der Auslaßöffnung bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wesentlich länger

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ist. Die Bogenlänge der Auslaßöffnung entspricht vorzugsweise wenigstens dein halben Auslaßhub von 120° zwischen benachbarten Kolben, d.h. also 60°. Damit kann das Gas während des Auslaßhubes jedes Kolbens früher abgegeben werden, so daß ein geringerer Staudruck entsteht und der Wirkungsgrad gesteigert ist.

Das zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung angeordnete Sperrventil 44 unterbricht die direkte Verbindung zwischen den beiden öffnungen, so daß das Strömungsmittel auf einem Kreisweg um die Ringkammer 19 herumlaufen muß. Das Sperrventil weist einen Halbzylinder 46 auf, dessen Durchmesser größer ist als die radiale Breite der Kammer. Der Zylinder ist mit seiner Basis an einer Welle 47 befestigt, die in Lagern 48 drehbar um eine Achse 49 gelagert ist. Die Achse 49 verläuft parallel zur Zylinderblocklängsachse 21, in welcher sich die Motorwelle befindet. Die der Welle zugewandte Basis des Zylinders 46 ist kreisrund und drehbar in einem Ringsitz gehalten, welcher die Gehäusedurchlaßöffnung für die Welle 47 umgibt. Das entgegengesetzte Zylinderende ist eben abgedreht und damit in geringen Abstand zur innenliegenden Stirnfläche 29 des Rotors bringbar. In dem Halbzylinder 46 ist eine konkave Ausnehmung 50 ausgebildet, deren Begrenzungswand eine wesentlich größere Breite als der Außendurchmesser der Kolben aufweist, so daß die Ausnehmung die Kolben praktisch ganz umgreift, wenn sich die letzteren am Ventil vorbeibewegen. Auf der der Ausnehmung gegenüberliegenden Zylinderseite ist eine ausreichend große Ausnehmung ausgebildet, um dynamische Auswuchtung für Betrieb mit hohen Drehzahlen zu ergeben.

Das Sperrventil 44 wird im Drehzahlverhältnis 3:1 gegenläufig zum Rotor 28 angetrieben. Die zum Antrieb dienende Transmission besteht vorzugsweise aus einem Zahnrad 52 großen Durchmessers, das beispielsweise durch einen Keil

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mit der Motorwelle 11 verbunden ist, und einem Zahnrad 53 kleinen Durchmessers mit einem Drittel der Zähnezahl von Zahnrad 52, das beispielsweise durch einen Keil mit der Welle 47 verbunden ist. Die beiden Zahnräder kämmen miteinander, so daß das Sperrventil bei jeder Rotorumdrehung drei Umdrehungen ausführt. Die Zahnradübersetzung ist dabei so eingestellt, daß die Drehung des Sperrventils in genauer zeitlicher Zuordnung zur Bewegung der aufeinanderfolgenden Kolben 32 bis 34 erfolgt, so daß die letzteren sich berührungsfrei an dem Ventil vorbeibewegen, ohne daß ein nennenswerter Druckabfall des einlaßseitigen Drucks am Ventil erfolgt.

Entsprechend den in den Fig. 2-4 dargestellten fortschreitenden Betriebsstellungen ist die Formgebung der Ventilausnehmung 50 in bezug auf die Formgebung der Kolben derart abgestimmt, daß die Kolben berührungsfrei von dem Ventil umgriffen werden können und zugleich nur eine Mindestmenge an Strömungsmittel von der Einlaß- zur Auslaßöffnung übertreten kann. Anhand der Darstellung von Fig. 3 sei angenommen, daß sich der Rotor 28 im Uhrzeigersinn dreht, der Kolben gerade in den Drehguerschnittsbereich des Sperrventils eingetreten ist und sich die Ausnehmung 50 in eine Drehstellung gedreht hat, in welcher der Kolben in die Ausnehmung 50 eintreten kann. Gleichzeitig hat sich die Vorderkante 56 der Ausnehmung 50 in unmittelbare Nähe der vorderen Kolbenfläche verlagert, wobei sie diese jedoch nicht berührt.

Bei weiterer Rotorumdrehung gelangt der Kolben 34 in die in Fig. 2 dargestellte 12-Uhr-Stellung des Stundenzeigers, wobei sich das Ventil gleichzeitig weiter verdreht hat, so daß seine Ausnehmung 50 nach unten weist. In dieser Stellung verlagert sich die kreisförmige äußere Kolbenoberfläche berührungsfrei in geringem Abstand zur inneren Kreisfläche

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der Ausnehmung. Außerdem befinden sich in dieser Lage die beiden Ausnehmungsränder 56, 57 unterhalb der inneren Seitenwand 22 der Ringkammer 19, so daß der Strömungsmitteldurchgang von Einlaß- zu Auslaßöffnung praktisch gesperrt ist.

Bei der weiteren Rotordrehung gelangt der Kolben 34 in die in Fig. 4 dargestellte Austrittslage, in welcher die innere Endfläche 36 des Kolbens aus dem Ventil herausgetreten ist und die Hinterkante 57 der Ventilausnehmung 50 sich ungehindert in kleinem Abstand, jedoch berührungsfrei mit der nachlaufenden Kolbenfläche nach oben verlagern kann. Im Verlauf der weiteren Umdrehung während eines vollen Umlaufs werden die nächsten beiden Kolben 33 und 32 in gleicher Weise durch das Sperrventil 44 hindurchbewegt. Der Drehsinn des Drehmotors ist ohne weiteres umsteuerbar, wobei das Sperrventil die Kolben sowohl bei Drehung im als auch gegen den Uhrzeigersinn in gleicher Weise umgreift.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Drehmotors 10 als von einer Druckgasquelle angetriebene Kraftmaschine wird die Einlaßöffnung 42 über eine Rohrleitung oder dgl. und eine entsprechende Durchsatζsteuervorrichtung, die nicht dargestellt sind, mit der Druckgasquelle verbunden. Wenn sich der Rotor zunächst in der in Fig. 3 dargestellten Stellung befindet, gelangt das unter Druck stehende Gas durch die Einlaßöffnung 42 in den rechten oberen Bereich der Ringkammer 19, in welchem es den Kolben 32 beaufschlagt. Der auf diesen Kolben einwirkende Gasdruck erteilt dem Rotor ein im Uhrzeigersinn gerichtetes Drehmoment, wobei dieser bei seinem Umlauf das Sperrventil über die Zahnräder 52 und 53 gegen den Uhrzeigersinn antreibt. Rotor und Kolben weisen keine Gleitflächen auf und können sich reibungsfrei innerhalb der Ringkammer 19 bewegen. Daher ist der Anlaufreibungswiderstand sehr niedrig, und diese Teile benötigen keine Schmierung. Die Wärmeerzeugung und der Verschleiß

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sind ebenfalls niedrig, und bei Überdrehzahlen werden die Oberflächen der Teile nicht wie bei bekannten Druckluftmotoren verschrammt. Aufgrund des geringen Zwischenraums zwischen Kolben und Ringkammerwänden ist der Leckstrom um den Kolben 32 herum in den hinter dem zweiten Kolben 33 befindlichen Raum 58 vorgegeben und weist begrenzte Größe auf. Das dabei eingeschlossene Gasvolumen dient als Gasdichtung, indem es einen Staudruck gegen das unter Druck stehende Volumen hinter dem Kolben 32 ausbildet. Die Wirksamkeit dieser Luft- oder Gasdichtung nimmt mit zunehmenden Rotordrehzahlen zu, da zum Leckaustritt von Gas aus den Kammern bei jedem Hub weniger Zeit zur Verfügung steht. Aufgrund des geringen Zwischenraums zwischen dem äußeren Rotorumfang und dem Gehäuse wird außerdem der Leckstrom von Gas in die Kammer 31 begrenzt. Damit erreicht der Druck innerhalb der Ringkammer des Gehäuses einen Wert, welcher nahezu dem einlaßseitigen Druck entspricht, so daß ein Leckfluß um den Rotor herum unterbunden wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß die endseitige Schubkraftbeaufschlagung der Lager aufgrund der innerhalb des Gehäuses am Rotor angreifenden gleich hohen Druckkräfte verringert ist, was der Lebensdauer der Lager zugute kommt.

Im Verlaufe der weiteren Rotordrehung gelangen die Teile nacheinander in die in den Figuren 2 und 4 dargestellten Stellungen, in welchen das Sperrventil 44 den Kolben 34 berührungsfrei umgreift, während dieser durch das Ventil hindurchbewegt wird, wobei die Verbindung zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung unterbrochen ist. Sobald der nachlaufende Kolben 34 an der Einlaßöffnung vorbeiläuft, baut sich auf seiner Rückseite ein zunehmend höherer Druck auf, wobei der Druck nach wie vor auf den nächsten vorlaufenden Kolben 32 einwirkt. Dieser Zustand herrscht über einen Drehwinkel von angenähert 10° bis der nachlaufende Kolben 34 an der Vorderkante der Einlaßöffnung in die in Fig. 4 dargestellte

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Lage vorbeibewegt wird. Der wirksame Druckhub beträgt somit 130°. Der Gasdruck im Raum 58 zwischen den Kolben 32 und 33 wirkt dabei als Staudruck, durch den der Strömungsmittelleckfluß um den Kolben 32 herum begrenzt wird. Dieser Zustand hält so lange an, bis sich der Kolben 33 vor der Auslaßöffnung 43 befindet, so daß das im Raum 58 eingeschlossene Gas durch die Auslaßöffnung entweichen kann.

Da sämtliche Teile des Drehmotors 10, einschließlich Rotor und Sperrventil, dynamisch ausgewuchtet sind und sich außerdem die Kolben berührungs- und damit reibungsfrei gegen die Ringkammerwände und das Sperrventil bewegen, sind sehr hohe Drehzahlen möglich. Aufgrund des niedrigen Reibungswiderstands ergibt sich ein sehr niedriges Anlaufträgheitsmoment im Vergleich zu Maschinen mit in gegenseitigem Reibungseingriff stehenden Teilen, bei denen der Anlaufwiderstand höher ist als das Umlaufdrehmoment. Die Drehrichtung des Drehmotors läßt sich auch bei hohen Drehzahlen schnell umkehren, indem das Druckgas in die Auslaßöffnung 43 zugeführt wird, wobei die Einlaßöffnung nunmehr als Auslaßöffnung geschaltet wird. Diese Umsteuerbarkeit ist von besonderem Vorteil, wenn differentiales Ansprechverhalten erwünscht ist, wie z.B. Differentialsteuerung beim Schließen eines Ventils oder Schiebers. Die Betriebseigenschaften des Motors sind in beiden Drehrichtungen gleich.

Der Drehmotor läßt sich nicht nur in Art einer Turbine mit hohen Drehzahlen betreiben, sondern mit annehmbarem Wirkungsgrad auch innerhalb eines weiten Drehzahlbereichs. Bei niedrigen Drehzahlen beruht der gute Wirkungsgrad auf den Verdrängungseigenschaften des Motors, da der Leckstrom um die Kolben herum begrenzt ist. Bei höheren Drehzahlen nimmt der Wirkungsgrad aufgrund der Leckstromverringerung zu. Mit größeren Maschinen läßt sich außerdem ein höherer Wirkungsgrad erzielen, da die Abstände im wesentlichen un-

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verändert gehalten werden können. Das ist darauf zurückzuführen, daß das Verhältnis von Kolbenabmessungen zu Leckstromzwischenraum entsprechend zunimmt. Größere Maschinen der erfindungsgemäßen Ausgestaltung lassen sich aufgrund des niedrigen Reibungswiderstands und der dynamischen Auswuchtung mit hohen Drehzahlen betreiben, wobei sich weit höhere Nennleistungen erreichen lassen. Bei Verdoppelung der Motorgröße wird beispielsweise die Nennleistung um den Faktor 8 gesteigert.

Der Drehmotor 10 ist verhältnismäßig preiswert in der Herstellung, da zwischen Kolben, Kammer und Ventil keine engen Toleranzen eingehalten zu werden brauchen. Da keine Gleitflächen vorhanden sind, werden an die Oberflächengüte keine besonderen Anforderungen gestellt. Die Maschinenelemente lassen sich aus Werkstoffen herstellen, die nach dem Gesichtspunkt ihrer Verträglichkeit mit dem Arbeits- oder Strömungsmedium ausgewählt sind. Wenn das Arbeitsmedium beispielsweise aus schädlichen Gasen oder Dämpfen besteht, können die Teile aus rostfreiem Stahl hergestellt werden. Für Hochtemperaturgase lassen sich Teile aus Keramikmaterial verwenden. Der erfindungsgemäße Drehmotor läßt sich sogar aus Werkstoffen herstellen, die ansonsten für Drehmotoren bekannter Ausbildung undenkbar sind. So lassen sich beispielsweise aufgrund des endlichen Abstands zwischen den beweglichen Teilen und der Gasdichtung vermittels des Rückstaueffekts auch feuerfeste Werkstoffe verwenden. Die Maschine kann in wesentlich größeren Abmessungen als Maschinen mit in Reibungseingriff stehenden Teilen oder herkömmliche Turbinen hergestellt werden.

Da Kolben, Ventil und Kammerwände einen gegenseitigen Abstand voneinander behalten, wird ein "Festfressen" oder Verklemmen ausgeschlossen, das ansonsten eine Gefahr bei Maschinen mit engen Toleranzen darstellt, insbesondere wenn kleine Fremdstoffteilchen zwischen die sich bewegenden Teile

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gelangen oder diese aufgrund von Verschleiß oder Temperaturausdehnung ihre Abmessungen verändern. Aufgrund der verhältnismäßig freien Durchlässe entwickelt die Maschine eine Selbstreinigungswirkung, indem vom Strömungsmittel mitgeführte kleine Fremdstoffteilchen sich nicht zwischen den Elementen absetzen können. Kolben, Ventil und Kammerwände benötigen keine Schmierung, da keine engen Toleranzen und Gleitflächen vorhanden sind.

Der erfindungsgemäße Drehmotor läßt sich in vielen unterschiedlichen Größen bei praktisch unveränderter Konstruktion für einen großen Leistungsbereich von Bruchteilen eines kW zu bis zu Kraftwerksgröße herstellen. Da die Maschine verhältnismäßig wenige und kleine Teile aufweist, läßt sich ein verhältnismäßig niedriges Leistungsgewicht (d.h. Verhältnis von Motorleistung zu Motorgewicht) erzielen.

Das auf die Kolben einwirkende Antriebsdrehmoment hat keine nennenswerte Gasausdehnung wie bei z.B. Maschinen mit veränderlichem Kammervolumen zur Folge. Damit wirkt im wesentlichen die volle Kraft auf die Kolben ein, und Druckstoßbelastungen werden vermieden.

Der volumetrische Antriebsmittelverbrauch der. Maschine ist in der Hauptsache von der Drehzahl und dem Einlaßdruck abhängig und verhältnismäßig unabhängig von der Leistung. Im Vergleich dazu tritt bei bekannten Druckluftmotoren ein Druckverlust auf, da die einlaufenden Flügel oder Schaufeln gegen das Druckmedium fortbewegt werden müssen.

Der erfindungsgemäße Drehmotor ist auch als Verbundmaschine geeignet, wobei das vom Auslaß eines Drehmotors von vorgegebenen Leckflußeigenschaften abgegebene Strömungsmittel in die Einlaßöffnung einer zweiten Maschine vom gleichen Typ eingeleitet wird, um den Gesamtwirkungsgrad zu steigern.

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Drehmomentschwankungen lassen sich weiterhin dadurch verringern, daß zwei oder mehrere Drehmotore zueinander phasenversetzt auf einer gemeinsamen Welle miteinander gekoppelt werden.

- Patentansprüche: 609809/0346

Claims (19)

2b33776 Patentansprüche :

1. Drehmotor, bestehend aus einem Gehäuse, in dem konzentrisch zu einer ersten Achse in Maschinenlängsrichtung eine Ringkammer ausgebildet ist, sowie mit zum Zu- und Abführen von Arbeitsmedium zu bzw. von der Ringkammer dienenden Einlaß- und Auslaßöffnungen, gekennzeichnet durch eine innerhalb des Gehäuses (12, 13, 14) drehbar um die erste Achse (21) gelagerte und auf einer Seite gegen die Ringkammer (19) angrenzende Kolbenträgerplatte (28) , mehrere auf dem Umfang der Kolbenträgerplatte in gegenseitigen Abständen gehaltene, von dieser in Längsrichtung in die Ringkammer hinein vorstehende und zusammen mit der Kolbenträgerplatte umlaufende Kolben (32, 33, 34), ein auf der gegenüberliegenden-Seite der Ringkammer zwischen Einlaß- und Auslaßöffhung (42 bzw. 43) angeordnetes, um eine zu der ersten Längsachse parallele zweite Achse (49) drehbar gelagertes Sperrventil (44) mit einer Ausnehmung (50), welche in eine Lage bringbar ist, in der sie einen Kolben praktisch ganz umgreift, und eine zum Drehantrieb des Sperrventils um die zweite Achse in zeitlicher Zuordnung zur Drehung der Kolbenträgerplatte und zum Hindurchbewegen der an der Kolbenträgerplatte befestigten Kolben durch die Ausnehmung des Sperrventils dienende Transmission (52, 53), wobei das Sperrventil die Verbindung zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung praktisch völlig unterbricht.

2. Drehmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt drei in gleichen gegenseitigen Abständen angeordnete Kolben (32, 33, 34) vorgesehen sind, jeder Kolben reibungsfrei einen Abstand von den Kammerwänden aufweist, der so bemessen ist, daß in dem Raum (58) zwischen den durch das Medium beaufschlagten vorlaufenden

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und nachlaufenden Kolben ein zur Begrenzung des Leckstroms an dem nachlaufenden Kolben dienender Druck aufrecht erhaltbar ist.

3. Drehmotor nach Anspruch 2, insbesondere für ein gasförmiges Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Raum (58) aufrecht erhaltbare Druck als zur Leckbegrenzung dienende Gasdichtung von mit zunehmender Drehzahl der Kolbenträgerplatte zunehmendem Wirkungsgrad dient.

4. Drehmotor nach Anspruch 2, insbesondere für ein gasförmiges Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen 0,050 und o,127 mm beträgt.

5. Drehmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen Zylinderblock (12) umfaßt, die Kolbenträgerplatte (28) an ihrem äußeren Umfang reibungsfrei einen Abstand von dem Zylinderblock aufweist, und das Gehäuse um die umlaufende Kolbenträgerplatte herum einen geschlossenen Raum bildet, der zur Aufnahme des durch den Zwischenraum hindurchtretenden Mediums und zur Druckspeicherung dieses Mediums zwecks Begrenzung eines weiteren Leckflusses durch diesen Zwischenraum hindurch dient.

6. Drehmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (44) aus einem drehbar um die zweite Achse (49) gelagerten Halbzylinder (46) besteht, dessen Außendurchmesser größer ist als der Radialabstand zwischen den Innen- und Außenwänden der Ringkammer (19), wobei die Begrenzungswand der Ausnehmung (50) eine solche Formgebung aufweist, daß die Kolben in geringen Abständen durch das sie umgreifende Sperrventil hindurchbewegbar sind.

7. Drehmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswand der Ausnehmung (50) in dem Halbzylinder (46) eine an einer Zylinderseite nach außen offene, konkave Formgebung aufweist.

8. Drehmotor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (42) bei dem aufeinanderfolgenden Vorbeigehen der Kolben (32, 33, 34) in Verbindung mit der Ausnehmung (50) im Sperrventil (44) bringbar und die NachlaufSeite des Kolbens dabei mit dem einlaßseitigen Druck beaufschlagbar ist, wobei der nächste, vorlaufende Kolben weiterhin durckbeaufschlagt ist und sich die Druckhübe der Kolben gegenseitig teilweise überlagern.

9. Drehmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim aufeinanderfolgenden Vorbeilaufen der Kolben an der Einlaßöffnung (42) an dem nachlaufenden Kolben ein Druckanstieg mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die vergleichbar ist der des Druckabfalls an dem nachfolgenden vorlaufenden Kolben.

10. Drehmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nachlaufende Kolben während des Druckanstiegs einen Bogen von wenigstens 10° vor der Einlaßöffnung (42) durchläuft und sich die Druckhübe der Kolben in einem Winkelbereich von wenigstens 10° überlagern.

11. Drehmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (19) innere und äußere, in gegenseitigem Radialabstand angeordnete Ringwände (22, 23) aufweist und die Kolben (32, 33, 34) in gegenseitigem Radialabstand befindliche innere und äußere Oberflächen (36, 3 7) von den Halbmessern der inneren und äußeren Ringkammerwände jeweils in etwa entsprechendem Halbmesser

ROH

2 b 3 3 7 7

aufweisen, wobei sich die betreffenden Kolbenflächen reibungsfrei in einem Abstand von innerer und äußerer Ringwand befinden, der einen bestimmten Leckfluß von Medium zuläßt.

12. Drehmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (32, 33, 34) sich gegenüberliegende, radial verlaufende Seitenwände aufweist, das Sperrventil (44) in seiner Umlaufbewegung mit der Kolbenträgerplatte (28) gekoppelt ist und die Begrenzungswand der Ausnehmung (50) mit geringem Spiel an den Seitenwänden aufeinanderfolgender Kolben vorbeiführbar ist, welche durch das sie umgreifende Sperrventil hindurchbewegbar sind.

13. Drehmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenträgerplatte (28) aus einem als Schwungrad zum Ausgleich von auf die Kolbenträgerplatte einwirkenden Kraftimpulsen dienenden kreisrunden Rotorkörper hohen Trägheitsmoments besteht.

14. Drehmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß- und Auslaßöffnung (42, 43) auf sich gegenüberliegenden Seiten des Sperrventilumfangs angeordnet sind und die Einlaßöffnung größer ist als die Kolben, derart, daß ein benachbarter Kolben vermittels durch die Einlaßöffnung unter Druck eintretendes Medium tangential beaufschlagbar und somit der Motor in jeder Drehstellung der Kolbenträgerplatte zum Anlauf bringbar ist.

15. Drehmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß- und Auslaßöffnung symmetrisch zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Sperrventils (44) angeordnet sind und gleichen Durchflußquerschnitt aufweisen.

609809/(1346

2b33776

16. Drehmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Drehantrieb des Sperrventils (44) dienende Transmission (52, 53) ein Übersetzungsverhältnis von Kolbenträgerplatte (28) zu Sperrventil (44) von 1:3 aufweist, so daß das Sperrventil bei einer vollen Umdrehung der Kolbenträgerplatte drei, die drei Kolben nacheinander umgreifende Umdrehungen ausführt.

17. Drehmotor nach Anspruch 1, insbesondere mit einem einzigen Drehsinn, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (45a) in Kolbenbewegungsrichtung zwecks Ausstoß von Arbeitsmedium und zur Verringerung von Staudruck während des Auslaßhubes jedes Kolbens langgestreckt ausgebildet ist.

18. Drehmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Auslaßöffnung (45a) über einen Bogenbereich erstreckt, der wenigstens dem halben Auslaßhub entspricht.

19. Verwendung des Drehmotors nach einem der Ansprüche 1 als Pumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (42) mit einer Quelle eines gasförmigen oder flüssigen Mediums verbunden, die Kolbenträgerplatte (28) vermittels einer Antriebsvorrichtung um die erste Achse (21) in Umlauf versetzbar und das Medium durch die Einlaßöffnung ansaugbar und unter Druck durch die Auslaßöffnung (43) abgebbar ist.

■R 0 9 8 Π 9 / 0 3 U 6

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