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DE102006038957B3 - Drehkraftmaschine mit drei rotierenden Verdrängern - Google Patents

Drehkraftmaschine mit drei rotierenden Verdrängern Download PDF

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DE102006038957B3 DE200610038957 DE102006038957A DE102006038957B3 DE 102006038957 B3 DE102006038957 B3 DE 102006038957B3 DE 200610038957 DE200610038957 DE 200610038957 DE 102006038957 A DE102006038957 A DE 102006038957A DE 102006038957 B3 DE102006038957 B3 DE 102006038957B3
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenkraftmaschine mit einer Verdichterstufe, einer Expansionsstufe, einer Brennkammer und einem Synchronisierungsgetriebe, wobei die Verdichterstufe und die Expansionsstufe jeweils einen Hauptläufer und drei Nebenläufer aufweisen. Die Nebenläufer bestehen aus einem zylindrischen Körper mit einem Verdrängungskamm wobei die Verdrängungskämme (12) der Nebenläufer (4) mit drei profilierten Längsvertiefungen (15) des Hauptläufers (11) in Eingriff sind. Die Brennkammer (21) erstreckt sich über die Verdichterstufe (5) und die Expansionsstufe (7) und ist im Inneren des Hauptläufers (11) angeordnet. Die Brennkammer (21) besteht aus einem Einlassrohr (31) zur Kraftstoff- und Luftzufuhr und einem Brennrohr (20) mit Ein- und Auslassöffnungen (17, 18).

Description

  • Herkömmliche Hubkolbenmaschinen finden eine breite Verwendung in der Antriebstechnik. Jedoch ist ihre Leistungsfähigkeit durch diskontinuierliche Arbeitsprozesse, ihre Massenkräfte und daraus resultierenden Drehzahlbeschränkungen begrenzt.
  • Ferner haben sich als Kraftmaschinen Gasturbinen etabliert, die jedoch eine hohe Schadstoffbelastung und einen hohen Brennstoffverbrauch aufweisen. Abweichend von diesen Konzepten existieren zahlreiche weitere Ansätze, insbesondere auf Basis von Rotationskolbenkraftmaschinen. Beispielhaft seien hier die DE 2009 732 A , die DE 197 11 084 A1 und die US 3 203 406 A genannt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Weiterentwicklung von Rotationskraftmaschinen für unterschiedliche Anwendungsbereiche bei gleichzeitig einfacher Herstellung. Ferner soll der Wirkungsgrad verbessert und der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß minimiert werden.
  • Beschreibung
  • Die Einzelheiten der Erfindung sind im Folgenden näher erläutert und in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt
  • 1 ein Ausführungsbeispiel der Rotationskraftmaschine mit rotierenden Verdrängern mit einer Verdichter- und Expansionsstufe (5, 7),
  • 2 den Arbeitsprozessverlauf in der Verdichterstufe (5) (die der Expansionsstufe (7) im Wesentlichen entspricht),
  • 3 ein Ausführungsbeispiel der Rotationskraftmaschine mit einem ummantelten Schaufelwerk aus dem Bereich der Luftfahrt.
  • Die Rotationskraftmaschine gemäß Bild 1 besteht aus einer Verdichterstufe (5), einer Expansionsstufe (7) und einer Brennkammer (21), die sich über diese beiden Stufen erstreckt sowie einem Synchronisierungsgetriebe (2). Die Stufen sind dabei über eine gemeinsame Welle (24) miteinander verbunden.
  • Ein Hauptläufer (11) und drei Nebenläufer (4) der Rotationskraftmaschine weisen zylindrische Außenformen auf und drehen sich in einem Gleitlager (3) des Gehäuses. Sie stehen miteinander in Wälzkontakt und sind durch das Synchronisierungsgetriebe (2) aufeinander abgestimmt. Jeder der drei Nebenläufer (4) stellt eine Walze mit einem Verdrängungskamm (12) dar, der durch die Drehung den Verdichtungsraum bildet. Jede Verdichtungskammer hat eine Längsöffnung (14) als Ein- bzw. Austrittsöffnung. Dort ist ein Luftfilter (nicht dargestellt) vorgesehen. Der Durchmesser des Verdichtungsraums ist doppelt so groß wie der Durchmesser des zylindrischen Körpers. Der Hauptläufer (11) hat den dreifachen Durchmesser des zylindrischen Körpers des Nebenläufers (4) und enthält drei Vertiefungen (15) mit spezifischem Profil, das durch die Bewegung des Verdrängungskamms (12) der Nebenläufer (4) definiert ist. Der Eingriff der Nebenläufer (4) in den Hauptläufer (11) ergibt dabei eine lückenlose Verdichtungslinie. Die Dichtung des Verdichtungsraumes und der Vertiefungen (15) im Hauptläufer (11) erreicht man durch federbelastete Dichtleisten (13) die in den Verdrängungskämmen (12) angebracht sind und die Innenflächen des Verdichtungsraumes überstreichen. Der optimale Wälzkontakt wird durch das Durchmesserverhältnis von 1:3 zwischen Hauptläufer (11) und Nebenläufer (4) und einer Übersetzung des Synchronisierungsgetriebes (2) von 1:3 erreicht. Dabei rotiert der Nebenläufer (4) mit der dreifachen Drehzahl gegenüber dem Hauptläufer (11).
  • In den Vertiefungen des Hauptläufers (11) sind Längsöffnungen (16) vorgesehen, die die Einlassöffnungen der komprimierten Luft in die Brennkammer (21) darstellen. Die Verdrängungskämme (12) sind dabei profiliert ausgebildet, um eine vollständige Verdrängung der komprimierten Luft aus den Vertiefungen (15) des Hauptläufers (11) zu gewährleisten. Die Länge der Verdichterstufe (5) entspricht dem 1,5-fachen ihres Durchmessers.
  • Die Brennkammer (21) ist durch das fest am Gehäuse angebrachte Einlassrohr (31) innerhalb des Hauptläufers (11) fixiert. Ferner ist ein fest angebrachtes Brennrohr (20) vorgesehen, das mit Ein- und Auslassöffnungen (17, 18) versehen ist. Durch das Einlassrohr 31 sind Kraftstoff- und Druckluftleitungen (33) verlegt. Das Einlassrohr (31) ist durch Gleitringdichtungen (26) gegenüber der Welle und der Brennkammer (21) abgedichtet und mit flüssigem Kühlmittel gekühlt. Das Brennrohr (20) hat drei Einlassöffnungen (17) zum Einlass der verdichteten Luft in die Brennkammer (21) sowie drei Auslassöffnungen (18) zum Auslass der Arbeitsgase aus der Brennkammer (21) in die Expansionsstufe (7). Das Brennrohr (20) dient somit als Ein- und Auslassteuerung.
  • Der Hauptläufer (11) und alle Nebenläufer (4) drehen sich im Gleitlager (3), das über die Kanäle (30) mit Kühlmittel versorgt wird. Das Gehäuse weist einen äußeren Kühlmantel (6) mit flüssigem Kühlmittel auf. In den Deckeln (1, 9) des Gehäuses sind Kegelrollenlager (32, 25) zur Lagerung der Welle (24) angebracht.
  • Die Expansionsstufe (7) ist gegenüber der Verdichterstufe (5) weitgehend identisch aufgebaut. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Expansionsstufe (7) längliche Auslassöffnungen mit je einem Flansch (14) aufweist, an dem ein Abgassystem angeschlossen wird. Ferner ist die axiale Länge der Expansionsstufe (7) größer als die der Verdichterstufe (5).
  • Der Arbeitsprozess der Rotationskraftmaschine verläuft auf folgende Weise (2.): Durch die Drehung der Nebenläufer (4) verdichten die Verdrängungskämme (12) die angesaugte Luft in den Verdichtungsräumen des Hauptläufers (11). Wenn am Ende des Verdichtungsprozesses die Längsöffnungen (16) in den profilierten Vertiefungen des Hauptläufers (11) mit den Öffnungen des Brennrohrs (20) übereinstimmen strömt die verdichtete Luft in die Brennkammer (21). In der Brennkammer (21) dehnt sich das Arbeitsgemisch unter Wärmezufuhr aus und strömt durch die Auslassöffnungen (18) im Brennrohr (20) bei Überdeckung mit den Längsöffnungen (16) im Hauptläufer (11) in die Expansionsstufe (7). Die Auslassöffnungen (18) sind so ausgebildet, dass nur eine bestimmte Menge an Arbeitsgas in die Expansionsstufe (7) strömt, so dass in der Brennkammer (21) ein Druckniveau beibehalten wird, dass den Brennverlauf unterstützt (Diesel-Prozess). Nach der Expansion strömen die Gase in das Abgassystem aus.
  • Dieser Prozess wird ausführlich in dem Gebrauchsmuster DE 20 2006 008 158 U1 beschrieben.
  • Weitere thermodynamische Betrachtungen erlauben es, die Parameter der Arbeitsprozesse exakt zu definieren und daraus die Baumaße der Rotationskraftmaschine zu bestimmen.
  • Die 3 zeigt die erfindungsgemäße Rotationskraftmaschine als Flugzeugantrieb.
  • Die Rotationskraftmaschine treibt dabei das Schaufelwerk (102, 104), das mit verstellbaren Schaufelblättern ausgerüstet ist (nicht dargestellt), ohne ein Reduziergetriebe an. Das Schaufelwerk ist am Gehäuse (105) angeordnet und über das Kegelrollenlager (116, 117) mit der Kraftmaschine verbunden. Ein vorderer (103) und ein hinterer (108) Holm verbinden die Drehkolbenmaschine, den vorderen Spoiler (118), den hinteren Spoiler (112), die Kühleinrichtung (107, 109) und das Gehäuse (105) zu einer Baueinheit. An einem Flansch (106) sind zudem Luftfilter angebracht. Das Abgassystem, das aus den Auslassöffnungen (113), den Absperreinrichtungen (115), den Gasleitungen (114) besteht, leitet das Abgas, das als Arbeitsmedium für Steuerdüsen genutzt wird, zum Kühleinrichtung (109) und durch den hinteren Holm (108). Durch den vorderen Holm (103) sind die Kraftstoffleitungen, die Flüssigkeitsleitungen, die elektrischen Steuerleitungen und Druckluftleitungen, die im Notfall zur kurzeitigen Leistungserhöhung genutzt werden, vorgesehen.
  • Die Verwendung der Rotationskraftmaschine sowohl für Senkrechtsart- und Landevorgänge als auch für den Horizontalflug und alle Übergangsbereiche ist jedoch nur durch eine geeignete Schubschwenkung und entsprechende Steuerungssysteme möglich. Die Schubschwenkung kann dabei durch eine Schwenkung der Triebwerke oder durch eine spezielle Schubablenkungseinrichtung realisiert werden.
    • 1
    Deckel
    2
    Synchronisierungsgetriebe
    3
    Gleitlager
    4
    Nebenläufer
    5
    Verdichterstufe
    6
    Kühlmantel
    7
    Expansionsstufe
    9
    Deckel
    11
    Hauptläufer
    12
    Verdrängungskamm
    13
    Dichtleisten
    14
    Flansch
    15
    Vertiefungen
    16
    Längsöffnungen
    17
    Einlassöffnungen
    18
    Auslassöffnungen
    20
    Brennrohr
    21
    Brennkammer
    24
    Welle
    25
    Kegelrollenlager
    26
    Gleitringdichtungen
    30
    Kanäle
    31
    Einlassrohr
    32
    Kegelrollenlager
    33
    Kraftstoff- und Druckluftleitungen
    102
    Schaufelwerk
    103
    Vorderer Holm
    104
    Schaufelwerk
    105
    Gehäuse
    106
    Flansch
    107
    Kühleinrichtung
    108
    hinterer Holm
    109
    Kühleinrichtung
    112
    hinterer Spoiler
    113
    Auslassöffnungen
    114
    Gasleitungen
    115
    Absperreinrichtungen
    116
    Kegelrollenlager
    117
    Kegelrollenlager
    118
    vorderen Spoiler

Claims (8)

  1. Drehkolbenkraftmaschine mit einer Verdichterstufe (5), einer Expansionsstufe (7), einer Brennkammer (21) und einem Synchronisierungsgetriebe (2), wobei die Verdichterstufe (5) und die Expansionsstufe (7) jeweils einen Hauptläufer (11) und drei Nebenläufer (4) aufweisen, wobei die Nebenläufer (4) aus einem zylindrischen Körper mit einem Verdrängungskamm (12) bestehen, wobei die Verdrängungskämme (12) der Nebenläufer (4) mit drei profilierten Längsvertiefungen (15) des Hauptläufers (11) in Eingriff sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brennkammer (21) über die Verdichterstufe (5) und die Expansionsstufe (7) erstreckt und im Inneren des Hauptläufers (11) angeordnet ist und dass die Brennkammer (21) aus einem Einlassrohr (31) zur Kraftstoff- und Luftzufuhr und einem Brennrohr (20) mit Ein- und Auslassöffnungen (17, 18) besteht.
  2. Drehkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (5) und die Expansionsstufe (7) identisch aufgebaut sind und sich nur in der jeweiligen Baulänge und der Anordnung der Ein- und Auslassöffnungen (17, 18) unterscheiden.
  3. Drehkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmesserverhältnis zwischen Nebenläufer (4) und Hauptläufer (11) sowie das Übersetzungeverhältnis des Synchronisierungsgetriebes (2) und damit die Drehzahl der Nebenläufer (4) zum Hauptläufer (11) 1:3 beträgt.
  4. Drehkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (21) im Bereich der Verdichterstufe (5) drei Einlassöffnungen (17) aufweist, durch die die verdichtetet Luft bei Überdeckung dieser Einlassöffnungen mit Längsöffnungen (16) in den profilierten Längsvertiefungen (15) des Hauptläufers (11) in die Brennkammer (21) zugeführt wird, und drei weitere Auslassöffnungen (18) im Bereich der Expansionsstufe (7) aufweist, über die bei Überdeckung dieser Auslassöffnungen mit den Längsöffnungen (16) in den profilierten Längsvertiefungen (15) des Hauptläufers (11) das Arbeitsgas in die Expansionsstufe (7) geleitet wird.
  5. Drehkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängungskämme (12) mit federbelasteten Dichtleisten (13) versehen sind.
  6. Drehkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnungen (18) der Brennkammer (21) so ausgelegt sind, dass in der Brennkammer (21) ein Druckniveau gewährleistet ist, dass für einen Dieselprozess geeignet ist.
  7. Verwendung einer Drehkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Triebwerk für ein Flugzeug das ein ummanteltes Schaufelwerk (102, 104) aufweist.
  8. Drehkraftmaschine nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase der Drehkraftmaschine durch eine Kühlanlage (107) gekühlt werden und für ein Lagesteuerungssystem des Flugzeugs genutzt werden.
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