DE3323397A1

DE3323397A1 - Rotationsmaschine mit klappkolben

Info

Publication number: DE3323397A1
Application number: DE19833323397
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dipl.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Kayser
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Kayser Albrecht Dipl-Ing 5060 Bergisch Gladba
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1985-01-31
Also published as: JPS6035101A; EP0130436A1; JPH0140201B2; ES8503066A1; DK315384D0; ES533771A0; DK315384A; US4560328A

Description

Dipl. Ing. Albrecht Kayser

In der LJchlade 14

5Ü6O Bergisch Gladbach 2

26. Juni 1983

Patentanmeldung

Rotationsmaschine mit Klappkolben

Die Erfindung betrifft eine mittelachsige Rotationsmaschine als Expansionsmaschine oder Verdichter, bei der 2z einseitige, dickwandige Rechteckklappen, im weiteren Klappkolben genannt, in Kreissegmentzylindern um die Zylinderachse hin- und herschwingen. Die Klappkolben sind an der Achse und radial außen radial durch zur Achse konzentrische Kreiszylinderflächen begrenzt, die sich an ebensolchen entlangbewegen, während die Kopfflächen der Klappkolben an denen der Zylinder entlangschwenken, und in den Schwingungsendlagen sich jeweils eine Klappkolbenoberfläche an eine der annähernd radialen Wände des jeweiligen Kreissegmentzylinders anlegt. Diese erstrecken sich axial in einem kreiszylindrischen Rotor nahe der Peripherie auf dem Umfang gleichmäßig verteilt die Segmentspitzen nach innen gerichtet, wobei von den äußeren Längsecken Rechteckkanäle zu den 2z gleichmäßig verteilten Steuerschlitzen im Rotorumfang führen, und zwar die benachbarten Rechteckkanäle von

benachbarten Kreissegmentzylindern jeweils zum gleichen Steuerschlitz. Pro Umdrehung des Rotors schwingen die Klappkolben z-mal hin und her und zwar in benachbarten Zylindern gegensinnig. Die Steuerschlitze des Rotors vollziehen den Gaswechsel sowohl an ζ Einlaßais auch an ζ sich mit diesen abwechselnden Auslaßmündungen in der dem Rotorumfang gegenüberliegenden Gehäusewand.

Die in (fen Patentschriften DE-PS 24 37 714 und De-PS 28 51 989 behandelte mittelachsige Rotationskolbenmaschine, bei der zwei Sätze von Kolben auf zwei Läufern umlaufen und gegeneinanderschwingen, bietet große, wenn auch lösbare Abdichtschwierigkeiten. Daneben ergibt das Gesamtkonzept aber so eine komplexe' Maschine, daß sie sich kaum gegen die anderen Rotationskolbenmaschinen und besonders den Schraubenverdichter durchsetzen können wird, obwohl sie an diesen nach unten anschließend liefernnengenmäßig eine Lücke ausfüllen könnte und ölfrei fördert. Hierdurch wäre die mittelachsige Rotationskolbenmaschine sowohl für konventionelle Anwendiigen vorteilhaft, könnte aber auch in zweifacher Weise zur Entspannung der ßnergiesituation beitragen, ersten als Verdichter in Kompressionswärmepumpen für Hausheizungen und zweitens bei der Entwicklung von kleinen, abgassauberen Heißgasmotoren nach dem Joule- Prozess, die zum Antrieb der Wärmepumpen und im Straßenverkehr einsetzbar wären.

Somit waren zwei Erfindungsaufgaben gestellt: 1. die Ausrüstung der genannten mittelachsigen Rotationskolbenmaschine mit einer funktionssicheren, praktikablen Abdichtung und 2. die Vereinfachung des komplexen Aufbaus der Maschine.

Die Lösung beider Aufgaben ergab sich simultan, führte aber von der vorgegeben Maschine zu der oben geschilderten, mittelachsigem Rotationsmaschine mit Klappkolben.

Der Gedanke, anstelle der großen, kolben- und wändetragenden Schwingläufer nur möglichst massearme, kleine Klappen oszillieren zu lassen, brachte die Entschachtelung und ergab ein sehr einfach aufgebautes, äußerst kompaktes Aggregat, bei dem sich die Punktionen und Formen der Bauteile günstig ergänzen und ineinanderfügen. Die Rotationsmaschine mit Klappkolben weist gegenüber den bekannten Rotationskolbenmaschinen folgende Vorteile auf: hohe spezifische Le.istung, hohe Verdichtung, hohen Wirkungsgrad sowohl als Kompressions- wie auch als Expansionsmaschine, Verschleißarmut, ölfreie Gasförderung und gute Eignung zum keramischen Heißgasexpander. Sie dürfte im unteren Baugrößenbereich des Schraubenverdichters für ihn eine ernste Konkurrenz werden. Die Rotationsmaschine mit Klappkolben stellt ein in Steuerung, Dichtung und Getriebe höherentwickeltes Kolbentriebwerk dar, das auch das Hubkolbentriebwerk vielfach ablösen wird, wobei neben der berührungslosen Abdichtung auch die nasse Dichtung und Dichtleisten eingesetzt werden können. Hierbei kann die Maschine auch sehr gut als effektiver, kompakter Hydraulikmotor oder als Hydraulikpumpe gestaltet werden.

Im Vergleich zu den fünf separat rotierenden, komplizierten Bauteilen der mittelachsigen Rotationskolbenmaschine weist die Rotationsmaschine mit Klappkolben nur einen kreiszylindrischen Rotor auf,der die geo-

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metrisch einfachen Arbeitszylinder für die entsprechend ihrer Kleinheit sehr schnell oszillierenden Klappkolben beherbergt und gleichzeitig die komplette Steuerung des Gaswechsels übernimmt. Die Dichtgrenzen in der Maschine haben sich auf einen kleinen Bruchteil der in der Rotationskolbenmaschine abzudichtenden Länge verkürzt und eignen sich bestens für die einfache Herstellung einer wirkungsvollen berührungslosen Gasabdichtung, können aber auch mit Dichtleisten versehen werden. Das Planetenkurbelgetriebe, das sich harmonisch zentral in den Rotor einfügt, ist stark konzentriert worden, und der für es sowie für die lagerung, die Schmierung und die Ölabdichtung erforderliche Aufwand hat sich gravierend vermindert.

Im folgenden wird die Gestaltung der Maschine unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es wird ein Verdichter beschrieben, wobei die Expansionsmaschine aber völlig gleich aussieht, nur daß aus den Kompressionsauslässen Expansionseinlässe und aus den Kompressionseinlässen Expansionsauslasse werden. Hieraus geht hervor, daß sich ein gemischtes Aggregat mit Expansions- und Kompressionsarbeitsräumen, das u.U. sehr vorteilhaft ist, ohne Zusatzaufwand realisieren läßt.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Verdichters, bei dem allerdings sowohl eine Ein- als auch eine Auslaßmündung im Gehäuse urafangsmäßig versetzt eingezeichnet sind.

Fig.2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II - II der Fig.1, in dem die tatsächliche Lage der Mündungen erkennbar ist.

Fig.3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III - III der Fig.1.

Der Rotor 1 läuft vom Ritzel 2 auf der Antriebswelle 3 angetrieben im Gehäuse 4 kontinuierlich um und ist in den Lagern 5 axial und radial starr gelagert. Das Gehäuse 4 besitzt eine Starrachse 6, die im Zentrum des Rotors 1 ein feststehendes Sonnenzahnrad 7 trägt. In diesem kämmen 2z Planetenzahnräder 8, die in den lagern 9 im Rotor 1 gelagert sind. Das Übersetzungsverhältnis vom Sonnenrad zu den Planetenrädern beträgt ζ : 1 ,sodaß diese bei jedem Rotorumlauf z-mal um die eigene Achse rotieren. An beiden Enden weisen die Planetenzahnräder 8 exzentrisch auskragende Kurbelzapfen 10 auf, mit denen sie die Kurbeln von Viergelenkketten bilden. Die Kurbelzapfen 10 ragen in die beiden im Rotor 1 befindlichen , konzentrischen, ringförmigen Pleuelführungskästen 11 hinein. In diesen gleiten die 4z Pleuel 12, die als mittlere Glieder der Viergelenkketten auf den Kurbelzapfen 10 stecken, gleiten und von diesen bewegt werden. Am anderen Ende stecken die sehr kleinen Pleuel 12 auf den Pleuelzapfen 13 der durch sie in Schwingung versetzten Schwingglieder der Viergelenkketten. Die Schwingglieder werden durch die in den Lagern 14 im Rotor 1 gelagerten Klappkolbenwellen 15 und die von ihnen in die Pleuelführungakästen hineinragenden Pleuelzapfen 13 dargestellt. Die Exzentrizitäten der Kurbelzapfen 10 und der Pleuelzapfen 13 sind so aufeinander abgestimmt, daß sich der gewünschte, im dargestellten Beispiel etwa 85 betragende Schwingwinkel der Klappkolben 16 , die von den Klappkolbenwellen 15 auskragen, einstellt.

Benachbarte Planetenräder 8 sind so in das Sonnenrad 7 eingesetzt, daß von dessen Achse her gesehen die

Kurbelzapfen des einen Planetenrades dann radial außen stehen, wenn die des Naehbarrades radial innen stehen. Dadurch schwingen die Klappkolben 16 in benachbarten Krexssegraentzylindern gegensinnig, wodurch sich erstens dje Unwuchten aufheben, und zweitens gemeinsame Steuerschlitze 22 ermöglicht werden. Zwischen den Schwinglagern 14 und den Kreissegmentzylindern 17 sind an den Klappkolbenwellen 15 Wellendichtringe 18 eingebaut, sodaß das Maschinenöl, das sich in den Pleuelführungakäaten 11 und den Lagern 14 befindet, nicht in die Kolbenarbeitsräume eindringen kann.

Die 2z Kreissegmentzylinder 17 erstrecken 3ich gleichmäßig auf den Umfang verteilt in der Nähe der Peripherie axial im Rotor 1 , die Segmentspitze ζυ? Rotorachse hin gerichtet. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Klappkolben 16 an der Achse 15 und außen mit Kreiszylinderflächen an die Zylinderflächen der Kreissegmentzylinder angepaßt sind, sodaß in Schwing- bzw. Abdichtrichtung tiefe Dichtspalte entstehen, die aufgrund der Kreisform, der kleinen Abmessung und der starren Lagerung sehr eng gehalten und toleriert werden können, wodurch sich eine hocheffektive, laminare berührungslose Abdichtung verwirklichen läßt. Ihr Erfolg wird durch die hohe Kolbenbelastung aufgrund der Doppeltwirksamkeit und der realisierbaren Schwenkgeschwindigkeit mitbegründet. In den Schwingungsendlagen legen die Klappkolben 16 sich jeweils an die angepaßten, annähernd radialen Kreisepgmentzylinderwände an, von denen aus bebogene Rechteckkanäle 21 sich paarweise vereinend zu den 2z Steuerschlitzen 22 am Rotorumfang führen. Die Stirnflächen der Klapp-

kolben 16 schwenken ebenfalls mit tiefen, engen Dichtspalten an den Stirnflächen der Kreissegmentzylinder entlang.

Die Steuerschlitze 22 liegen von breiten Dichtflächen um&eben in der Umfangswand des Rotors 1 , die dicht an der gegenüberliegenden Gehäusewand entlangläuft. Hier liegt die außer den Kolbenspalten einzige, leckgasverursachende Spaltfläche 24 der Maschine. Der Spaltraum ist übrigens durch die Wellendichtringe gegen das Eindringen von Schmieröl gesichert. Dank der starren Rotorlagerung und der Kreiszylinderform läßt sich auch der Spalt 24 gut eng und mit geringer Toleranz als berührungslose Abdichtung herstellen, und ist dann verschleiß- und reibungsfrei für hohe Drehgeschwindigkeiten geeignet.

Zur Herstellung engster Spalte könnten zum Beispiel sowohl die Klappkolben als auch der Rotor mit Verschleißschichten versehen werden, die sich bei Inbetiebnahme der Maschine selbsttätig zu kleinstmöglichen Spalten einschleifen. Als alternatives Verfahren wird hier vorgeschlagen, die Dichtspalte 19» 20, 23 und 24 zunächst grob und 1,5 bis 2mm hoch vorzufertigen, um sie erst in der fertig montierten Maschine mit einem schrumpfenden Gußwerkstoff, z.B. einem Kunststoff, auszugießen. Wird hierbei eine der npaltformenden Wände so präpariert, daß sich die Gußschicht 25 an ihr festkrallt, so entsteht an der gegenüberliegenden Wand der Schrumpfspalt, der auch bei der betriebsmäßigen Erwärmung der Maschine nicht wieder voll zuwachsen kann. Auf dies Weise können zumindest theoretisch trotz grober Fertigung beliebig enge, durch die Materialkonstanten, die Schichtdicke und die Betriebstemperatur festgelegte Dichtspalte erzeugt werden. Dieses Verfahren läßt sich auch auf

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andere Maschinen anwenden.

Wie die Fig. 2 weiter zeigt, sind in der Gehäuseumfangswand je ζ sich miteinander abwechselnde Gaseinlaßmündungen 26 und Gasauslaßmündungen 27 angeordnet, an denen die Steuerschlitze 22 im Vorbeilauf das Einströmendes Gases in die Kolbenarbeitsräume 17 und das Ausschieben des verdichteten Gases aus diesen heraus schnell und verlustarm steuern·. Es ist ersichtlich, daß zwischen den Mündungen 26 und 27 genügend Abstand für eine gute berührungslose Abdichtung vorgesehen werden kann. In Bedarfsfällen kann die Maschine jedoch an der Rotordichtfläche und an den Kolbendichtflächen mit Dichtleisten bzw. -rahmen ausgerüstet werden. Die Auslaßmiindungen 27 sind über die Sammelräume 28 und den Ringkanal 29 mit dem Druckauslaß 30 verbunden. Die Einlaßmündungen 26 liegen offen in der Außengehäusewand können jedoch leicht beispielsweise durch die angedeutete Filterhaube 31 abgedeckt werden.

Die Pleuel 12 können auch zu Schwingkränzen zusammengefaßt werden, in denen die Kurbelzapfen 10 und die Pleuelzapfen 13 mit Hilfe von Gleit steinen sich bewegen und Kraft übertragen. Hierdurch kann die Anzahl der Planetenzahnräder bis zur vollständigen Besetzung des Sonnenradumfangs erhöht werdeij und damit die Stärke des Getriebes und die Schnelläufigkeit der Maschine gesteigert werden, denn die Kurbelzapfen 10 stellen das schwächste Getriebeglied dar.

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1.,Mittelachsige Rotationsmaschine als Expansionsmaschine oder Verdichter, dadurch gekennzeichnet, daß

a) 2z dickwandige Rechteckklappen als Klappkolben (16) einseitig aus den Klappenwellen (15) auskragend und außen radial konzentrisch zur Klappenwelle begrenzt in an ihre Länge, ihre Bahn unddie Klappenwelle angepaßten Kreissegmentzylindern (17) arbeiten, indem sie hochfrequent zwischen den beiden fast radialen Zylinderwänhin- und herklappen.

b) die 2z Kreissegmentzylinder (17) sich in einem gleichmäßig rotierenden, kreiszylindrischen Rotor (1) die Kreissegmentzylinderachse zur Rotorachse hin gelegen in Umfangsnähe gleichmäßig verteilt axial erstrecken, wobei von den äußeren Längsecken der Kreissegmentzylinder gebogene Rechteckkanäle (21) zu 2z gleichmäßig verteilten Steuerschlitzen (22) am Rotorumfang geführt sind und dort paarweise zusammentreffen.

c) die Klappkolben (16) in benachbarten Kreissegmentzylindern (17) gegensjnnig und zwar z-mal pro Umdrehung des Rotors (1) hin und herklappen.

d) in der dem Rotor (1) am Umfang mit engem Spalt gegenüberliegende Außenwand des Gehäuses (4) für die Steuerung des Gaswechsels durch die vorbeilaufenden üteuerschlitze (22) sowohl ζ Einlaßmündungen (26) als auch ζ Auslaßmündungen (27) miteinander abwechselnd angeordnet sind.

2. Mittelachsige Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Rotor (1) als Planetenkäfig 2z Planetenzahnräder (8) trägt, die ein zentrales, starr mit dem Gehäuse (4) verbundenes Sonnenzahnrad (7) umkreisen und in ihm mit der Drehzahlübersetzung ζ : 1 kämmen.

b) mit den Planetenzahnrädern (8) Kurbeln (10) von Viergelenkketten verbunden sind, deren Schwingglieder (13) ihrerseits die im Rotor (1) schwingenden Klappkolben (16) antreiben, wobei die die Viergelenkketten schließenden Pleuel (12) in Ringkammern (11) des Rotors (1) sich bewegen und geführt sind.

3. Mittelachsige Rotationsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Pleuel (12) im Planetenkurbelgetriebe zu mit Gleitsteinen ausgerüsteten Schwingkränzen zusammengefaßt werden.

4. Mittelachsige Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wellendichtringe (18,32) an den Klappkolbenwellen (15) und am Rotor (1) die Gasräume der Maschine ölfrei halten.

5. Mittelachsige Rotationsmaschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabdichtung an den Klappkolben (16) und am Rotorumfang (1) durch glatte, enge Spalte berührungslos gestaltet ist.

6. Mittelachsige Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bErührungsfreien Dichtspalte (19,20,23,24) als dicke Spalte mit einer an einer Wand fest anhaftenden Werkstoffschicht 25 ausgegossen sind, die an der anderen Wand einen Restspalt durch Schrumpfung freigibt.

7. Mittelachsige Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für Gasdurchlaß abzudichtenden Spalte (19,20,23,24) mit Dichtleisten bzw. Rahmen von Dichtleisten ausgerüstet sind.