DE2851989C3 - Rotationskolbenmaschine als Expansionsmaschine oder Verdichter - Google Patents

Rotationskolbenmaschine als Expansionsmaschine oder Verdichter

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DE2851989C3 DE19782851989 DE2851989A DE2851989C3 DE 2851989 C3 DE2851989 C3 DE 2851989C3 DE 19782851989 DE19782851989 DE 19782851989 DE 2851989 A DE2851989 A DE 2851989A DE 2851989 C3 DE2851989 C3 DE 2851989C3
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Albrecht Dipl.-Ing. 5060 Bergisch-Gladbach Kayser
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/063Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them
    • F01C1/07Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them having crankshaft-and-connecting-rod type drive

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Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine ais Expansionsmaschine oder VeiJichter, mit /v/ei Kolbensätzen, die jeweils mit einer Welle drehfest verbunden sind und mit periodisch sich ändernden Geschwindigkeiten innerhalb eines stationören kreisringförmigen Gehäusemantels umlaufen, wobei die Kolben in Umfangsrichtung Arbeitskammern begrenzen, deren Niederdruck-Öffnungen in der äußeren Umfangswandung des Gehäusemantels angeordnet sind, während in den Stirnwandungen des Gehäusemantels Hochdruck-Kanäle münden, die von Hochdrucköffnungen angesteuert sind, welche in zwei die Arbeitskammern beidseitig begrenzenden, mittelachsig umlaufenden Steuerscheiben angeordnet sind.
Eine derartige Rotationskolbenmaschine ist aus der DE-PS 24 37 714 bekannt. Dort sind die Steuerscheiben als Kolbentragscheiben jeweils mit einem der Kolbensätze vereint und arbeiten in der Weise, daß stets nur die schneller laufende Kolbentragscheibe die Steuerung des Hochdruckgaswechsels allein vornimmt. Eine schnellere öffnung der Hochdruckarbeitskammern ist jedoch wünschenswert, da bei der bekannten Maschine das Anwachsen der Gaswechsel Verluste häufig immer noch die Schnelläufigkeit begrenzt, bevor die mechanischen Beanspruchungen unzulässig hoch werden.
Die einseitige öffnung der Hochdruckarbeitskamrnern hatte sich angeboten, weil sich eine schnelle Steuerung des MochdruckgasWeehscls durch mit dem jchnellen Kolbensatz mitbiäwegte Schlitze relativ leicht verwirklichen läßt, Will man die Höchdruckarbeitskanv mern dagegen gleichzeitig auf beiden Seiten offnen, so bedarf es eines Organs, das abwechselnd mit beiden Kolbensätzen, dem schnell sowie auch als dem langsam sich fortbewegenden Satz, störungsfrei korrespondiert und dabei die Hochdruckarbeitskammern (und zwar nur diese) schnell, weit genug und nur zur erforderlichen Zeit öffnet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer mittelachsigen Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art in der Ausführung als Expansionsmaschine oder Verdichter den Hochdruckgaswechsel zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß
ίο vorgesehen, daß die Steuerscheiben innerhalb des Gehäusemantels getrennt von den Kolben in Kolbendrehrichtung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit umlaufen, die doppelt so hoch ist wie die mittlere Kolbengeschwindigkeit.
Die Übertragung der Steuerung des Gaswechselvor- £,jnges von den Kolbentragscheiben auf derart separat rotierende Steuerscheiben ist vorteilhaft, weil dadurch die Hochdruckarbeitskammern gleichzeitig beidseitig und außerdem mit erhöhter Geschwindigkeit des Steuerorgans geschlossen bzw. geöffnet werden. Es ergibt sich eine Absenkung der Hochdruck-Gaswechselverluste auf weniger als ein Vierte! des Energieverlu- ;>tes oder — bei Beibehaltung der Verlusthöhe — die Möglichkeit zur Erhöhung des spezifischen Fördervoluniens um mehr als das Zweifache.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist dem Unteransprurh entnehmbar. Im folgenden weiden unter Bezugnahme auf die Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
F-' i g. 1 zeigt e'nen Längsschnitt einer Expansionsmaschine;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 11-11 der Fig.l:
F i g. 3 zeigt unter Ausschluß der seitlichen Getriebepartien eine Abwicklung des Kolbenweges entlang der Linie III-III der Fi g. !.also bei einer Expansionsmaschine, und
F i g. 4 zeigt eine ähnliche Abwicklung des Kolbenweges bei einem Verdichter.
Bei der in den Zeichnungen scheinatisch abgebildeten Expansionsmaschine sind diejenigen Arbeitskammern, die jeweils unter Hochdruckbedingungen stehen, mit 1 und die Niederdruckarbeitskammern mit 2 bezeichnet.
Unier Hochdruckarbeitskammer ist bei der Expansionsmaschine die Expansionskammer und beim Verdichter die Kompressionskammer zu verstehen. Unter Niederdruckarbeitskammer ist bei der Expansionsmaschine die Ausschiebearbeitskammer und beim Verdichter die Ansaugarbeitskammerzu verstehen.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich lediglich auf die in F i g. 1 bis 3 gezeigte Expansionsmaschine. Die dip Arbeitskammern f, 2 rechts und links seitlich begrenzenden Steuerscheiben 5, 6 weisen die steuernden Hochdruck-Öffnungen 7 auf. Die Maschine ist in einer Stellung während des Gaseinschiebevorganges, kurz bevor die seitliche öffnung der Hochdruckarbeitskammern 1 zu den Hochdruck-Kanälen 8 in der Stirnwandung des Gehäusemantpls 9 hin erreicht wird,
dargestellt (Fig. 3). Die öffnung liegt in dem Augenblick vor, in dem die Endkanten der Hochdruck-Öffnungen 7 die Frontseiten der augenblicklich langsamer rotierenden Kolben 4 überholen. Darin beginnt aller" dings auch schon ein langsames Schließen der
Gaseinlässe, weil die Hochdruck'öffnungen 7 auch die augenblicklich schnelleren Kolben 3 bereits überholen und dadurch langsam aus dem Bereich der Hochdruckarbeitskammern 1 herauswandern. Dieser Überholvor"
gang wird jedoch infolge der noch anhaltenden Beschleunigung der Kolben 3 immer langsamer und kommt zunächst zum Stillstand, bevor er langsam wieder aufgenommen wird, so daß die Endkanten der Hochdruck-Öffnungen 7 noch mehr als eine halbe Kolbenlänge hinter der Rückseite der Kolben 3 zurückliegend die Endkanten der Mündungen der Hochdruck-Kanäle 8 passieren und damit den Gaseinschiebevorgang beenden. Während der anschließend in den Hochdrucks rbeitskammern 1 erfolgenden Expansion, die andauert, bis die Frontflächen der Kolben 3 die Stellungen φ = 0°, 90°, 180° und 270° erreichen, verzögert sich die Fortbewegung der Kolben 3 wieder, und das Oberholmanöver der Hochdruck-Öffnungen 7 setzt sich fort Am Ende der Expansion überholen ihre Hinterkanten gerade die Rückseite der Kolben 3, die zu diesem Zeitpunkt die Kolben 4 eingeholt haben, so daß die Niederdruckarbeitskammern 2 verschwunden sind und das im vorhergehenden Zyklus expandierte Gas restlos ausgeschoben worden ist. Während die Kolben 3 und 4 nun gesteuert durch die in Fig. 1 dargestellten Steuergetriebe 10 ihre Funktionen tauschen, fahren die Hochdruck-Öffnungen 7 in den Steuerscheiber. 5 und 6 in ihrem Oberholvorgang fort, und ihre Vorderkanten erreichen zugleich mit den sich langsamen auftuenden neuen Arbeitskammern 1 die Vorderkanten der Mündungen der Hochdruck-Kanäle 8 in den Stirnwandungen des Gehäusemantels 9, um den Gaseinschiebevorgang erneut zu eröffnen und wieder in der geschilderten Weise zu steuern.
Wenn die Steuerscheiben 5 und 6 gleichmäßig, aber doppelt so schnell umlaufen wie im Mittel die pulsierend bewegten Kolbensätze 3 und 4, dann wiederholt der ganze Steuervorgang sich ständig in korrekter Weise. In Fig. 1 ist dargestellt, wie sich dies durch eine Erweiterung der üblichen Planetengetriebe erzielen läßt Bei diesen werden die auf die Kolbensätze ausgeübten Gaskräfte über exzentrisch angelenkte Pleuel 11 auf die als Kurbelwellen ausgebildeten Planetenwellen 12 geleitet, um diese in Drehungen zu versetzen. Die in den Stegen 13 dss Getriebes gelagerten Kurbelwellen 12 tragen die Planetenzahnräder 14, die in den im Gehäuse fest verankerten Zahnkränzen 15 abrollen, wobei die Übersetzung so ist, daß die Kurbelwellen 12 sich ζ mal schneller um ihre eigene Achse drehen, als sie mit den Stegen 13 um die Zentralachse umlaufen (z = Kolbenzahl pro Kolbensatz). Über eine Außenverzahnung 16 und die Ritzel 17 geben die Stege 13 die Gasarbeit an die gemeinsame Getriebeabtriebswelle 18 ab.
Erfindungsgemäß sind nun auf die Kurbelwellen 12 weitere Zahnradritzel 19 aufgesetzt, die in den Zahnrädern 20 kämmen, welche an die Steuerscheiben 5 und 6 geflanscht sind. Aufgrund des installierten Übersetzungsverhältnisses drehen die Steuerscheiben 5 und 6 sich doppelt so schnell in gleiche" Richtung wie die Stege 13 der Planetengetriebe 10.
In Fig.4 ist der Hochdruckgaswechselvorgang für einen Verdichter gezeigt. Zusätzüch ""'nd hier Schieber 21 vorgesehen, um durch Verstellung c?r Vorderkanten der Mündungen der Hochdruckkanäle die Steuerzeit an andere Kompressionsverhältnisse anpassen zu können. Durch gleichartige Schieber kann bei der Expansions maschinp das Expansionsverhältnis geregelt werden. Beim Verstellen der Schieber 21 entstehen in den Innenflächen des Gehäusemantels 9 Nischen 22. die sich beim Vorbeilaufen der Hochdruck-Öffnungen 7 in den Steuerscheiben 5 und 6 mit Druckgas einer mittleren Verdichtungsphase füllen und dieses bis zum nächsten Zyklus behalten, sofern es nicht durch Leckgas von den Hochdruck-Kanälen 8 her weiter verdichtet wird. Um dies möglichst zu unterbinden, sind die Nischen 22 möglichst weit von den Hochdruck-Kanälen 8 angeordnet, woraus sich die Umfangslänge der Schieber zu ja. 0,6 · π/ζ ergibt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Rotationskolbenmaschine als Expansionsmaschine oder Verdichter, mit zwei Kolbensätzen, die jeweils mit einer Welle drehfest verbunden sind und mit periodisch sich ändernden Geschwindigkeiten innerhalb eines stationären kreisringförmigen Gehäusemantels umlaufen, wobei die Kolben in Umfangsrichtung Arbeitskammern begrenzen, deren Niederdruck-Öffnungen in der äußeren Umfangswandung des Gehäusemantels angeordnet sind, während in den Stirnwandungen des Gehäusemantels Hochdruck-Kanäle münden, die von Hochdruck-Öffnungen angesteuert sind, weiche in zwei die Arbeitskammern beidseitig begrenzenden, mittelachsig umlaufenden Steuerscheiben angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheiben (5,6) innerhalb des Gehäusemanteis getrennt von den Kolben (3, 4) in Kolbendrehrichtung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit umlaufen, die doppell ο hoch ist wie die mittlere Kolbengeschv.'indigkeit
2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung als Expansionsmaschine bzw. als Verdichter die nacheilenden bzw. voreilenden Kanten der Hochdruck-Öffnungen (7) in den Steuerscheiben (5, 6) die Ebenen der Rückseiten der nacheilenden Kolben (4) b/w. die Vorderseiten der voreilenden Kolben im Totpunkt erreichen.
DE19782851989 1978-12-01 1978-12-01 Rotationskolbenmaschine als Expansionsmaschine oder Verdichter Expired DE2851989C3 (de)

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DE2851989B2 DE2851989B2 (de) 1981-06-25
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