CH292906A - Rotations-Druckaustauscher für gasförmige Medien. - Google Patents

Rotations-Druckaustauscher für gasförmige Medien.

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CH292906A
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Jendrassik George
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Jendrassik George
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04FPUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00Pressure exchangers

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description


  Rotations-Druekaustauseher für gasförmige Medien.    Gegenstand der vorliegenden Erfindung  ist ein     Rotations-Druckaustauscher    für gas  förmige Medien, der wenigstens einen Zellen  ring für die Kompression und Expansion des  Gases besitzt und bei welchem im Betrieb,  während der Zellenring relativ zum Stator  rotiert, Zellen, die Gas höheren Druckes ent  halten, mit andern Zellen, z. B. desselben oder  eines andern Ringes, in Verbindung kommen,  die Gas von geringerem Druck enthalten, so  dass das Gas höheren Druckes expandiert und  dadurch eine Kompression des Gases in den  andern Zellen bewirkt, wobei auf die so ent  stehenden Kompressions- und Expansions  zonen Zonen folgen, in welchen der Wärme  inhalt des in den Zellen vorhandenen Gases  geändert wird.

   Dabei kann der Wärmeinhalt  des Gases durch Auswechseln des Gases mit  einem solchen höherer Temperatur (Spülen)  oder durch Wärmezufuhr geändert werden  oder der Wärmeinhalt kann durch Auswech  seln des Gases mit einem solchen tieferer Tem  peratur (Spülen) oder durch Wärmeabgabe  geändert werden.  



  Während eine  Kompressionszelle  (die zu  komprimierendes Gas enthält.) mit einer  Ex  pansionszelle  (die zu expandierendes Gas  höheren Druckes enthält) in Verbindung steht.,  erfolgt     zwangläufig    eine Gasströmung, im  folgenden     Überstrom-Gasstrom    genannt, aus  den Expansionszellen in die Kompressions  zellen.

      Die während einer Wärmezufuhr entste  hende Gasströmung braucht nicht grösser zu  sein als der     Abstrom    von     überschussgas    aus  den Zellen, der eine Folge der durch Wärme  zufuhr bewirkten     Volumenzunahme    ist, und  in gleicher Weise braucht die während     einer     Wärmeabgabe entstehende Gasströmung nicht  grösser zu sein als der Zustrom von Gas zu  den Zellen, der erfolgt, um die durch Wärme  abgabe bewirkte Volumenverminderung wie  der auszugleichen.  



  In der Praxis hat es sich als zweckmässig  erwiesen; wenigstens die Wärmeabgabe,     und          runter    Umständen auch die Wärmezufuhr,  ausserhalb der Zellen vorzunehmen. Zu diesem  Zweck wurde vorgeschlagen, den während  der     Wärmeinhaltsänderungszonen    erfolgenden  Gasstrom dadurch zu     bewirken,    dass der Gas  inhalt jeder in eine solche Zone eintretenden  Zelle durch Gas ersetzt wird, das ausserhalb  der Zellen speziell erwärmt oder gekühlt     wurde     oder das in beiden Fällen einer Gasquelle ent  nommen wird, die schon die gewünschte hohe  oder tiefe Temperatur aufweist.

   Dieser Vor  gang des     Ersetzens    von Gas bewirkt in den  betreffenden Zellen einen kontinuierlichen       Spülgasstrom    durch diese Zellen.  



  Natürlich kann die Wärmezufuhr auch  in den Zellen selbst, z. B. durch     Verbrennung     von Brennstoff in den Zellen, erfolgen.  



  Die Stellen im Arbeitszyklus, an welchen  Spülung mit erwärmtem Gas (Wärmezufuhr)  oder mit gekühltem Gas (Wärmeabgabe) auf-      tritt, hängen vom beabsichtigten Gebrauch  der Maschine ab. Soll der Druckaustauscher  als Quelle von heissem Hochdruckgas, das z. B.  zur Expansion in einer Gasturbine oder einer  s andern Maschine oder zur Leistung mechani  scher Arbeit bestimmt ist, dienen, dann erfolgt  die Wärmezufuhr bei hohem Druck und die  Wärmeabgabe bei geringem Druck des Gases.  Wenn anderseits der Druckaustauscher als  Wärmepumpe oder Kühlmaschine dienen soll,  erfolgt die Wärmezufuhr bei geringem Druck  und die Wärmeabgabe bei hohem Druck des  Gases.  



  Zweckmässig ist jeder Zellenring als Rotor  ausgebildet. Sind mehr als ein solcher Zellen  rotor vorgesehen, so kann die Anordnung der  art sein, dass der Überström-Gasstrom aus den  Expansionszellen des einen Rotors in die  Kompressionszellen des andern Rotors gelangt.  



  Die vorliegende Erfindung bezweckt vor  allem, die bei solchen Druckaustausehern auf  tretenden Energieverluste zu verringern.  Diese treten besonders deshalb auf, weil das       aus    der einen Zelle in eine andere strömende  Überströmgas (möglicherweise durch eine  eigene Leitung) notwendigerweise einer ge  wissen freien Expansion unterliegt, die keine  Nutzarbeit durch Komprimieren von Gas in  einer Kompressionszelle leistet und deshalb  einen Energieverlust darstellt.  



  Gemäss der Erfindung besitzt der     Druck-          austauscher    der genannten Art im Strömungs  weg des Überströmgases von einer Expansions  zelle zu einer Kompressionszelle eine     Lauf-          schaufelung,    um so einen Teil der Energie  dieses Gases dem letzteren in Form     mecha-          niseher    Arbeit zu entziehen, wobei der Zel  lenring so ausgebildet ist, dass in jeder Zelle  mehrere Schaufelkanäle vorhanden sind.  



  Diese mechanische Arbeit kann zum An  trieb oder als Mithilfe zum Antrieb des oder  der Rotoren des Druckaustauschers verwen  det werden. Sie kann aber auch zur Erzeu  gung einer äussern Wellenleistung benützt  werden.  



  An Hand der beiliegenden Zeichnung wird  der Erfindungsgegenstand in mehreren Aus  führungsbeispielen näher erläutert. Dabei ist    angenommen, dass jeder Zellenring in einem  sich selbst     antreibenden    Rotor angeordnet ist  und dass die im folgenden beschriebenen Ma  schinen zur Lieferung von heissem Dreckgas  bestimmt sind.  



  In der Zeichnung zeigt  Figg.1 einen Druckaustauseher mit einem  Rotor im Axialsehnitt nach der Linie I-I in  Fig. 4,  Fig. 2 eine Endansicht des Rotors gemäss  der Linie II-II in Fig. 1 gesehen,  Fig.3 eine Endansieht auf das andere  Stirnende des Rotors gemäss der Linie III-III  in Fig. 1 gesehen,  Fig. 4 eine Endansicht auf den Stator ge  mäss der Linie IV-IV in Fig.l gesehen,  Fig. 5 eine Endansicht auf den Stator ge  mäss der Linie V-V in Fig. 1 gesehen,  Fig. 6 eine Endansieht von links zu Fig. 1,  Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie  VII-VII in Fig. 4, d. h. reehtwinklig zur  Sehnittebene der Fig. 1,  Fig. 8 eine Abwieklung des Umtanges des  Druckaustauschers,  Fig.9 ein Geschwindigkeitsdiagramm der  in Fig.8 dargestellten Turbinensehaufelung,  Fig. 9A eine Variante zu Fig.1,  Fig. 10 eine Variante zu Fig. 4,  Fig.11 eine in Verbindung mit der Va  riante gemäss Fig.

   10 verwendete Variante zu  Fig. 3,  Fig.11A und 11B schematisch Turbinen  schaufelungen,wie sie in Verbindung mit der  Variante gemäss Fig.1 benützt. werden können,  Fig. 12A eine Variante zu Fig. 12, welche  die speziellen Merkmale der Variante gemäss       Fig.    9A aufweist,       Fig.12    einen     Druekaustauseher    mit zwei  gegenläufigen Rotoren im     Axialsehnitt    analog  zu     Fig.    7,       Fig.    13 eine     Abwieklung    des     Umfangs    der  Variante nach     Fig.    12,

         Fig.        1.1    ein Geschwindigkeitsdiagramm der  in     Fig.    13 gezeigten     Turbinensehalifelung,          Fig.15    einen     Schnitt.    analog zu     Fig.12     durch einen     Druckaustauseher    mit. zwei durch  einen     Statorteil    getrennten, gegenläufigen  Rotoren,      Fig. 15A eine Kombination der Fig. 15  und 9A,  Fig.16 eine Abwicklung der Variante nach  Fig.15,  Fig. 17 ein Geschwindigkeitsdiagramm der  in Fig. 16 gezeigten Turbinenschaufelung,  Fig.18 eine weitere Variante zu Fig. 4,  Fig. 19 eine Abwicklung des Umfanges der  Ausführung nach Fig. 12 und  Fig.

   20 eine Abwicklung einer der Fig.19  ähnlichen Ausführung mit nur einem Rotor.  Der in den Fig.l-7 gezeigte Druckaus  tauscher besitzt einen Rotor 1, der aus einem  innern und einem äussern Zylindermantel 2  bzw. 3 gebildet und zwecks Schaffung von  Zellen 5 durch radiale Trennwände 4 unter  teilt ist. Bei diesem Beispiel wird Umkehr  spülung verwendet, zu welchem Zweck der  Rotor einen Trennzylinder 6 aufweist, der die  Zellen 5 in radial innere und radial äussere  Abteile unterteilt. An der einen Stirnseite  besitzt der Rotor eine     Turbinen-Laufschaufe-          lung    7, wobei die Zellen 5 an dieser Stirn  seite mit Ausnahme der durch die     Schaufe-          lung    7 gebildeten Kanäle abgeschlossen sind.

         Ani    andern Stirnende des Rotors sind die  Zellen 5 offen (Fig.2).  



  Der Rotor ist drehbar in einem Gehäuse 8  angeordnet, das mit Stirnplatten 9 und 10  versehen ist. Die Stirnplatte 9 besitzt     Leit-          schaufelungen    11, 12 (Fug. 4), wobei die durch  diese Schaufelungen gebildeten Gaskanäle mit  Leitungen 13 für das Überströmgas in Verbin  dung stehen. Jede Zelle besitzt mehrere     Lauf-          selraufelkanäle,    und jede Überströmleitung 13  verbindet mehrere Leitschaufelkanäle mit  einander, so dass während des Betriebs der  Maschine Zellen untereinander nur so lange  verbunden sind, als dies für den Druckaus  tausehprozess erforderlich ist.  



  Angenommen, der Rotor rotiere im Uhr  zeigersinn gemäss Fig.4, dann verläuft der  Arbeitszyklus wie folgt:  AD ist die Expansionsperiode, DC die  Nieclerdruck-Spülperiode, CB ist die Kom  pressionsperiode und BA ist die     Hoehdruck-          Spülperiode.       Die Spülöffnungen in der Stirnplatte 10  sind gemäss Fig. 7 an ein entsprechendes Lei  tungsnetz angeschlossen, wobei 14 die Hoch  druck-Spülleitung und 15 die     Niederdruck-          Spülleitung    ist. Im vorliegenden Fall ist an  genommen, dass das während der     Hochdruck-          Spülperiode    ausströmende Gas ausserhalb des  Austauschers erhitzt wird, z. B. indem in einer  Brennkammer Brennstoff in diesem Gas ver  brannt wird.

   Dieses Gas wird anschliessend in  zwei Ströme     unterteilt,    wovon der eine zum       Druckaustauseher    zurückgeführt wird,<B>um</B> die  Zellen während der     Hochdruck-Spülperiode     wieder zu füllen, und der andere zu weiterem  Verbrauch, z. B. in einer     Gasturbinenanlage,     abgeleitet wird.  



  Der allgemeine Aufbau und die     Wirkungs-          weise    des an Hand der     Fig.l-7    erläuterten       Austauschers    sind am besten aus     Fig.    8 ersicht  lich, welche eine vollständige Abwicklung des       Austauschers    und der ihm zugeordneten Teile  zeigt. Die Drehrichtung des Rotors ist durch  die von rechts nach links weisenden Pfeile  dargestellt. Ausgehend von der     Niederdruck-          Spülzone   <I>CD,</I> wird z. B. Frischluft von Atmo  sphärendruck durch die Leitung     15a    mittels  eines nicht dargestellten Spülventilators den  mit der letzteren in. Verbindung stehenden  Zellen zugeführt.

   Dadurch werden die Ab  gase aus diesen Zellen ausgetrieben und durch  die Leitung     15b    abgeführt. Jede Zelle ist  durch die Trennwand 6 in einen radial     innern     und einen radial äussern Teil (siehe auch       Fig.1    und 7)     unterteilt.    Durch die     Leitung          15a    gelangt die Frischluft in den radial     in-          nern    Teil der Zellen, während die Abgase aus  dem radial äussern Teil der Zellen in die  Leitung     15b    gelangen, so dass der Strömungs  weg durch die Zellen, der durch die Pfeile<I>LP</I>  in den     Fig.    7 und 8 angedeutet ist,

   eine Um  kehrung erfährt. Aus Gründen der Einfach  heit wird dieser Vorgang im folgenden Um  kehrspülung genannt.  



  Nun sollen die mit der     Hochdruck-Spül-          leitung    14 in der Zone BA in Verbindung  stehenden Zellen näher betrachtet werden.  Der radial innere Teil dieser Zellen steht mit  der     Einlassleitung        14a    in     Verbindung,    wäh-           rend    der radial äussere Teil dieser Zellen mit  der Auslassleitung 14b in Verbindung steht  (siehe auch Fig. 7). Die Leitung 14b führt zu  einer Brennkammer 20, deren Auslass in das  Rohr 21 mündet. Ferner mündet die     Brenn-          kammer    20 auch in die Auslassleitung 14c.

    Von rechts nach     links    in die Zone BA sich  bewegende Zellen enthalten Gas, das wie oben  erwähnt im Druckaustauscher auf einen über  dem Atmosphärendruck liegenden Druck  komprimiert wurde. Wenn diese Zellen die  Zone BA erreichen, entleeren sie sich in die  Leitung 14b infolge eines in dieser Leitung  angeordneten, nicht dargestellten Spülventi  lators. In der in dieser Weise der     Brennkam-          mer    20     zugeführten        Frischluft    wird sodann  Brennstoff verbrannt, der z. B. in die     Brenn-          kammer    eingespritzt wird.

   Von den dabei ent  stehenden heissen Verbrennungsgasen von  hohem Druck wird ein Teil durch die Lei  tung 21 an die Turbine und der Rest durch  die Leitung     14a    den in der Zone B A liegenden  Zellen zugeführt, wo sie das oben erwähnte  komprimierte Gas ersetzen. Es ist zu bemer  ken, dass beim Betrieb der Maschine in der  Brennkammer 20 eine kontinuierliche Ver  brennung stattfindet, wobei in der     Hochdruck-          Spülzone    BA eine kontinuierliche Gasströ  mung durch die Zellen vorliegt, welche Zellen  einerseits komprimiertes Gas abgeben und an  derseits wieder mit     Hochdruek-Verbrennungs-          gasen    erfüllt werden. Auch in diesem Fall  liegt, wie die Pfeile<I>HP</I> zeigen, Umkehrspü  lung vor.  



  In der Expansionszone AD liegende Zellen  stehen durch die Überströmleitungen 13 mit  Zellen in der Kompressionszone CB in Ver  bindung. Eine die Zone BA verlassende und  mit den höchsten Druck im Arbeitskreislauf  aufweisendem Gas gefüllte Zelle kommt mit  der Leitung 13a in Verbindung, durch welches  die genannte Zelle für einen Augenblick mit  einer Zelle in der Zone CB, die etwas geringe  ren Druck aufweist, in Verbindung gebracht  wird. Während dieser kurzzeitigen Verbin  dung der beiden Zellen nimmt der Druck  unterschied in den letzteren etwas ab, zufolge  des zwangläufig in Pfeilrichtung auftreten-    den Überström-Gasstromes durch die Lei  tung 13a aus der Expansionszelle in die Kom  pressionszelle.

   Zufolge des zwischen den mit  einander verbundenen Zellen auftretenden   Druckaustausches  erfährt die Zelle in der  Zone AD eine Drucksenkung, während in der  mit ihr verbundenen Zelle in der Zone CB  eine Druckerhöhung auftritt.  



  Die vorangehend betrachtete Zelle in der  Zone AD wird im Verlaufe ihrer V     eiterbewe-          gung    durch die Leitung 13b kurzzeitig mit  einer weiteren Zelle in der Zone CB verbun  den, wobei zwischen diesen beiden Zellen ein  dem vorangehend beschriebenen analoger  Druckaustausch stattfindet. Der gleiche Vor  gang wiederholt sieh jedesmal, wenn eine Zelle  der Zone<I>AD</I> mit einer der Leitungen 13a  bis 13e in Verbindung gebracht wird. Daraus  folgt, dass das Gas einer sich von A nach D       bewegenden    Zelle schrittweise bis auf den  Auslassdruck expandiert, während gleichzeitig  das Gas einer sieh von (' nach B bewegenden  Zelle schrittweise wenigstens annähernd auf  jenen Druck komprimiert. wird, mit welchem  es in die Leitung     14b    eintritt.

   In den sich in  irgendeinem     bestimmten    Zeitpunkt in der  Kompressionszone     CB    befindenden Zellen  herrscht ein schrittweise von C nach B zuneh  mender Druck, wie dies     dureh    die     striehpunk-          tierte    Linie     Y    angedeutet ist, während in den  sich in der Expansionszone AD     befindenden     Zellen ein schrittweise     von    A nach D fallen  der Druck herrscht; dies ist durch die strich  punktierte Linie Y angedeutet.  



  Die Leitungen     14b    und 21 sind durch eine       Umwegleitung    miteinander verbunden, in     wel-          eher    ein Organ 23 zum Verändern der     'Menge     der in die     Brennkammer    20 einströmenden  Luft vorgesehen ist. Ausserdem ist am Brenn  kammerauslass ein Organ     \?4    vorgesehen zum  Verändern der Menge der durch die Leitun  gen 21 und 14a strömenden Verbrennungsgase.  



  Die     Laufsehaufelung    7 arbeitet in bezug  auf den die Expansionszellen verlassenden  Gasstrom nach dem Reaktionsprinzip und vor  wiegend nach dem     Impulsprinzip    in     bezug    auf  den in die Kompressionszellen einströmenden  Gasstrom. Die     Leitschaufelung    11, 12 leitet      Überströnmgas aus den Zellen zur     Laufschaufe-          lung    einer Kompressionszelle.  



  Fig. 9 zeigt ein typisches Geschwindigkeits  diagramm der in Fig.8 dargestellten     Lauf-          sehaufelung;    dabei bedeuten:  U: Umfangsgeschwindigkeit,  OA : Gasgeschwindigkeit relativ zum Rotor,  wenn dlas (las die Expansionszellen verlässt,  0B: Gasgeschwindigkeit relativ zur     Leit-          sehaufelung    an deren Eintritt,  OE: Gasgeschwindigkeit relativ zur     Leit-          schaufelung,    wenn das Gas die letztere verlässt  und in die Kompressionszellen eintritt,  OF: Gasgeschwindigkeit relativ zum Rotor,  wenn dlas Gas in die Kompressionszellen ein  tritt,  OB: Gasgeschwindigkeit relativ zum Rotor,  nachdem dlas Gas die Rotorschaufelung ver  lassen hat.  



  Fig. 9A zeigt eine ähnliche Maschine wie  Fig.1, deren Zellen und Endplatten besitzen  jedoch an beiden Stirnenden Spülöffnungen,  um eine Gleichstrom-Spülung, d. h. ohne Strö  mungsumkehr, zu ermöglichen. In diesem Fall       sind    die Laufschaufeln 7 in einem Teil des  Rotors angeordnet, der einen grösseren Durch  messer besitzt als der übrige Rotorteil, so dass  der Spülgasstrom (siehe Pfeile) in einer  radial weiter innen als die Schaufeln liegen  den Zone durchtreten kann. Ebenso ist natür  lich die Leitschaufelung 11, 12 in einem Teil  mit grösserem Durchmesser angeordnet. Die  obere Hälfte von Fig. 9A zeigt einen Schnitt  durch den Austauscher in einer Spülzone, wäh  rend die untere Figurenhälfte einen Schnitt  in einer Kompressions- bzw. Expansionszone  darstellt.  



  Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Variante,  die die Erreichung eines höheren Schaufel  wirkungsgrades ermöglicht, da bei einer Aus  führung gemäss Fig.8 das Überströmgas die  Rotorschaufelung erst in der einen und dann  in der andern Richtung     durchströmt.    Um diese  Schwierigkeit zu überwinden, sind die     Leit-          sehaufelungs-Sektoren    11, 12 gemäss Fig.10  in verschiedenen Radialabständen angeordnet,  und der Rotor besitzt zwei koaxial übereinan-    derliegende Laufschaufelungen 16, 17, wobei  die Leitschaufeln 11 und die Laufschaufeln 16  so angeordnet sind, dass sie der     umgekehrten     Gasströmung angepasst sind.

   Es versteht sich,  dass beim Betrieb der Maschine die     einzelnen,     nicht arbeitenden Laufschaufeln durch den  nichtdurchbrochenen Teil der Stirnplatte 9  verdeckt sind. Die Fig.11A und 11B zeigen  schematisch die Laufschaufelumg 16 bzw. 17.  



  Die in den Fig.12 und 13 gezeigte Maschine  besitzt zwei Rotoren 1 und la, die gegenläufig  drehbar im Gehäuse 8 angeordnet sind. In  diesem Fall sind keine Leitungen 13 vorhan  den, und das Überströmgas (siehe Pfeile T  in Fig.13) gelangt direkt aus den Expansions  zellen des einen Rotors in die Kompressions  zellen des andern Rotors, wobei das Spiel     zwi-          sehen    den beiden Rotoren zur Vermeidung  grosser     Leckverluste    möglichst klein gehal  ten ist.  



  An jedem Stirnende ist eine     Hochdruck-          Spülleitung    14 und eine     Niederdruck-Spül-          leitung    15 vorgesehen. Jeder Rotor besitzt fer  ner eine     Laufschaufelung    7.

   In diesem Fall  ist zu bemerken, dass keine     Leitschaufelung     vorgesehen ist.     Fig.    13 zeigt eine Abwicklung  des Umfangs des     Druekaustauschers    mit der  für diese Maschinenart. vorgesehenen Schaufe  leng, und in     Fig.    14 ist ein Geschwindigkeits  diagramm einer Schaufeleng gemäss     Fig.13     für die     Strömungsrichtiuig    vom Rotor 1 zum  Rotor la dargestellt.

   Dabei bedeuten:  U: Umfangsgeschwindigkeit,       0A    : Gasgeschwindigkeit relativ zum Ro  tor 1 beim Austritt des Gases aus demselben,       0D   <I>:</I> Gasgeschwindigkeit relativ zum Ro  tor la beim Eintritt des Gases in denselben,  OB: Gasgeschwindigkeit relativ zum Ro  tor 1a, wenn Gas nach dem Verlassen der       Laufschaufelung    in die Zellen eintritt.  



  Eine     Betrachtung    der Strömungsverhält  nisse für die Strömungsrichtung vom Rotor la  zum Rotor 1 zeigt; dass ein stossfreier Eintritt  in diesem Fall nicht zu erzielen ist, so dass  kein für beide Strömungsrichtungen günstiger  Schaufelwirkungsgrad erzielbar ist.  



       Fig,12Ä    zeigt eine . Variante zu     Fig.    12,  welche das besondere Merkmal gemäss     Fig.    9 A      aufweist, d. h. die Rotorschaufelung 7 ist in  einem Rotorteil angeordnet, dessen Durch  messer grösser ist als der übrige     Rotorteil,    um  eine Gleichstrom-Spülung in der durch Pfeile  angedeuteten Richtung zu ermöglichen.  



  Um einen besseren     Schaufelungswirkungs-          grad    bei einer Maschine mit zwei Rotoren zu er  reichen, kann die Anordnung entsprechend der  in den Fig.15 und 16 gezeigten sein, bei wel  cher die gegenläufig drehenden Rotoren 1, la  durch einen Statorteil 16 voneinander ge  trennt sind. Der Statorteil 16 trägt in zwei  Sektoren Leitschaufelungen 17, 18, deren Wir  kung derjenigen der Leitschaufeln 11, 12 in  Fig. 4 entspricht. Die obere Hälfte von Fig.15  zeigt einen Schnitt durch eine Spülzone, wäh  rend die untere Figurenhälfte eine     Kompres-          sions-    und eine Expansionszone darstellt.  



  Die Leitschaufelungen 17, 18 können, wie  in Fig.15 und 16 gezeigt, je zwei     hinterein-          anderliegende    Schaufelreihen aufweisen oder  es kann nur je eine Schaufelreihe vorgesehen  sein. Fig. 17 zeigt ein typisches Geschwindig  keitsdiagramm der in Fig. 16 gezeigten     Schau-          felung;    es bedeuten  U : Umfangsgeschwindigkeit,  OA: Gasgeschwindigkeit relativ zum Ro  tor 1, wenn das Gas den Rotor verlässt,  OB: Gasgeschwindigkeit relativ zum Sta  torteil, wenn das Gas vom Rotor 1 kommt,  OC: Gasgeschwindigkeit relativ zum Sta  torteil, wenn das Gas den letzteren verlässt  und in den Rotor 1a eintritt,  OA: Gasgeschwindigkeit relativ zum Ro  tor 1u, an dessen Eintritt,  OB:

   Gasgeschwindigkeit relativ zum Ro  tor 1u, wenn das Gas nach dem Verlassen der  Laufschaufelung in die Zellen eintritt.  



  Fig.15A zeigt ein Beispiel, das gewisse  praktische Vorteile aufweist und das zur  Hauptsache eine Kombination der Merkmale  gemäss den Fig.15 und 9A darstellt. Die obere  Hälfte von Fig.15a zeigt einen Schnitt durch  eine Spülzone, während die untere Figuren  hälfte einen Schnitt durch eine Kompressions  und eine Expansionszone darstellt.

   Die Zellen  werden bei dieser Ausführung im Gleichstrom  gespült:    Wenn Leitschaufeln vorgesehen sind, ist es  zufolge     der    verschiedenen, auftretenden Gas  dichten vorteilhaft, die Kompressions- und  Expansionszellen, die an die Hochdruckzone  anschliessen, mittels Leitschaufelkanälen mit  einander in     Verbindung        7u        bringen,    deren  Querschnittsfläche kleiner ist als diejenige der  Leitschaufelkanäle, die an die Niederdruck  zone anschliessen. Ein solches Beispiel ist in  Fig.18 dargestellt, in welcher E die Expan  sionszone und C die Kompressionszone dar  stellt, und bei welchem Beispiel der Druck in  den Expansionszellen in Richtung des Pfeils F,  abnimmt und der Druck in den Kompressions  zellen in Richtung des Pfeils C zunimmt.

   Dies  wird dadurch erreicht, dass die Länge der  Leitschaufeln 11, 12 in Umfangsrichtung von  der Niederdruck- zur Hochdruckzone stufen  weise abnimmt. Als Variante kann die Länge  der Schaufeln anstatt stufenweise auch konti  nuierlich abnehmen. Um den Wirkungsgrad  der Leitschaufelung zu erhöhen, kann die mit  ihr zusammenarbeitende Laufschaufelung in  radialer Richtung Abschnitte verschiedener  Ausbildung aufweisen, um so der     entspre-          ehenden    Leitsehaufelung mit bestimmter  Länge besser angepasst     zii    sein.

   Die v     ersehie-          denen        Laufsehaufelabselinitte    können durch       zylindrische    Trennringe oder ähnliche Organe  voneinander     getrennt\    sein, um die Strömung  in den einzelnen     Abschnitten    der     Laufsehau-          felung    weniger     zti    stören.  



  Da durch Expansion von     Überströmgas    in  einer     Laufsehaufelun        o,    mechanische Energie  anfällt., können     Druckaustauscher    gebaut wer  den, deren Rotoren ohne äussern Antrieb  selbst     angetrieben    werden. Es ist jedoch mög  lich, dass ein     Überschuss    an Wellenleistung zur  Verfügung steht, die     zum    Antrieb von Hilfs  geräten, z. B. Spülventilatoren, nützlich ver  wendet werden kann.

   Eine Maschine kann so       aasgebildet    sein, dass die total anfallende Lei  stung in jedem     beliebigen    Verhältnis aufge  teilt werden kann, einerseits zur Lieferung  von Druckgas zu weiterem Gebrauch, ander  seits in     Wellenleistung.    In     einem        Extremfall          kann    die ganze anfallende Leistung der An  lage als Wellenleistung     abgenommen    werden,      wobei kein Druckgas zu weiterem Gebrauch  geliefert wird.  



  Es ist zu bemerken, dass sowohl in der  Hochdruck- als auch in der Niederdruckspül  zone ein Unterschied besteht zwischen demn  Druck in einer Zelle, die gerade in die Spül  zone eintritt und gespült werden soll, und  dem Druck des Spülgases. Mit andern Wor  ten, es ist nie möglich, das Gas bis auf den  höchsten Druck des Arbeitszyklus hinauf zu  konmprinmieren, ebensowenig ist es möglich, das  Gas in den Expansionszellen auf den tiefsten  Druek des Arbeitszyklus hinunter zu     expan-          dlieren.    Dies bedeutet, dass zu Beginn jeder  Spülzone notwendigerweise ein mit freier Ex  pansion und damit Energieverlust verbun  dener Druckaustausch erfolgt.

   In     Weiterfüh-          rung    der den beschriebenen Beispielen zu  (G',runde liegenden Idee, kann die Anordnung  derart     getroffen    sein, dass jede Zelle nach  dem Verlassen der Kompressions- oder  Expansionszone und vor dem Erreichen der  Spülzone, durch Schaufelkanäle wie oben be  schrieben mit der Spülleitung verbunden wird,  so dass der Druck in einer Zelle auf den Spül  druck gebracht wird, bevor sie die Spülzone  erreicht. Ein solcher Druckausgleich bewirkt  eine Expansion von Gas in der     Laufschaufe-          lung    und ergibt somit mehr Nutzleistung.  



  Fig. 19 zeigt ein Beispiel zur Erreichung  des oben genannten Zweckes für einen Druck  austauscher mit zwei gegenläufigen Rotoren  gemäss Fig.12. Aus Fig.19 ist ersichtlich, dass  die Hochdruekspülleitung 14 des Rotors 1ä  in Umfangsrichtung bezüglich der Leitung 14  des Rotors 1 versetzt angeordnet ist. Es ist  zu bemerken, dass die Zelle 25 rechts in Fig.19  des Rotors la durch Überströmgas aus Expan  sionszellen auf den höchstmögliehen Druck  gebracht wurde, der jedoch immer noch ge  ringer ist als der Druck des dem Rotor durch  die Leitung 14 zugeführten Hochdruckspül  gases. Die von rechts nach links in Fig.19 in  die Spülstellung wandernde Zelle kommt  durch die Kanäle der Schaufelung 7 mit Zel  len des Rotors 1 in Verbindung, die dann  bereits gespült sind.

   Der Druck in der be-    trachteten Zelle des Rotors     1a    erhöht sich  dabei annähernd auf den Druck des durch  die Leitung 14 zugeführten Spülgases, und es  erfolgt ein Gasstrom durch die Schaufelung 7  vom Rotor 1 zum Rotor 1a und demzufolge  eine Expansion des Gases in der Schaufelung.

    Entsprechend erhöht sich der Druck einer  Zelle 26 des Rotors 1 in     Fig.19,    wenn sie nach  rechts zur Spülstelle wandert, auf den höch  sten Druck des Arbeitszyklus, indem sie durch  die Kanäle der     Schaufelung    7 mit Zellen des  Rotors la in Verbindung gebracht wird, die  dann bereits gespült wird, und in der Folge  strömt Gas vom Rotor la zum Rotor 1 durch  die     Schaufelung    7, in welcher es expandiert  (siehe kleine Pfeile in     Fig.    19).    Eine ähnliche Wirkung kann bei     Nieder-          druekspülung    erreicht werden, wenn die Spül  leitungen zueinander versetzt angeordnet sind.

    In diesem Fall muss natürlich der Druck in  den sieh der Spülzone nähernden Zellen ge  senkt werden.         Fig.20    zeigt eine andere Variante, mit  welcher bei einer Maschine gemäss     Fig.1    mit.  einem einzigen Rotor das gleiche Resultat er  reicht werden kann.

   Diese Ausführung besitzt  eine Umleitung 18, die jede Zelle mit der       Hochdruckspülleitung    in     Verbindung    setzt,  bevor die Zelle die Spülzone erreicht, so dass  Gas vom     Endteil    der Leitung 18 über     Leit-          schaufeln    19 durch die     Laufschaufelung    7 in  die Zellen strömt, so dass Druckausgleich er  folgt und Nutzleistung abgegeben wird.     Leit-          schaufeln    19 sind im offenen Endteil der  Leitung 18 angeordnet. Anderseits kann an  Stelle der Leitung 18 eine Leitung 18A vor  gesehen sein, um jede zu spülende Zelle mit  einer     gespülten    Zelle in Verbindung zu setzen.

    An jedem Ende der Leitung 18A ist eine ent  sprechende     Leitschaufelung    19 angeordnet.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Rotations-Druckaustauscher für gasförmige Medien, der wenigstens einen Zellenring für die Kompression und Expansion des Gases besitzt und bei welchem im Betrieb, während der Zellenring relativ zu einem Stator rotiert, Zellen, die Gas höheren Druckes enthalten, mit andern Zellen in Verbindung kommen, die Gas von geringerem Druck enthalten, so dass das Gas höheren Druckes expandiert und da durch eine Kompression des Gases in den an dern Zellen bewirkt, wobei auf die so ent stehenden Kompressions- und Expansions zonen Zonen folgen, in denen derWärmeinhalt des in den Zellen vorhandenen Gases geäu- dert wird, dadurch gekennzeichnet,
    dass im Strömungsweg des Überströmgases von einer Expansionszelle zu einer Kompressionszelle eine Laufschaufelung vorgesehen ist, um so einen Teil der Energie dieses Überströmgases dem letzteren in Form von mechanischer Ar beit zu entziehen, und dass der Zellenring so ausgebildet ist, dass in jeder Zelle mehrere Laufschaufelkanäle vorhanden sind. UNTERANSPRÜCHE: 1. Druckaustauscher nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine Statorschaufelung zur Zuführung von Überströmgas, das aus einer Expansionszelle über die Laufschaufe- lung austritt, zur Laufsehaufelung einer Kom pressionszelle. 2.
    Druckaustauscher nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Leitschaufelung gebildeten Kanäle, welche die der Hochdruckzone benachbarten Kompres- sions- und Expansionszellen miteinander zu verbinden, kleinere Querschnittsflächen auf weisen als die Leitschaufelkanäle, welche der Niederdruckzone benachbarte Kompressions- und Expansionszellen verbinden. 3.
    Druckaustauseher nach Unteranspruch 1, gekennzeichnet durch zwei verschieden ausge bildete Sätze von Laufschaufeln, die koaxial übereinander im Rotor angeordnet sind, wobei der eine Sehaufelsatz bezüglich der Zellen Gaseinlass-Schaufeln und der andere Schau felsatz Gasauslass-Schaufeln darstellt, ferner gekennzeichnet durch voneinander getrennte Sätze von Leitschaufeln, wovon die eine zum Zusammenwirken mit dem einen Laufschau felsatz bestimmt ist für das Durchströmen von Überströmgas in der einen Richtung und der andere zum Zusammenwirken mit dem andern Laufschaufelsatz für das Durchströmen von Überströmgas in der andern Richtung, das Ganze derart, dass ein Überströmen von Gas über die für eine bestimmte Strömungsrich tung ungeeignete Laufschaufelung verhin dert ist. 4.
    Druckaustauscher nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Leitschaufeln in Umfangsrichtung von der Niederdr uck- zur Hochdruckzone stufenweise abnimmt. 5. Druckaustauschernach Unteranspruch 4l. dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufe- lung Ringe aufweist, welche die Schaufeln in radialer Richtung und damit bezüglich ihrer Länge in Abschnitte unterteilen, welche Ab schnitte verschieden ausgebildet sind, wobei die Ringe derart angeordnet sind, dass sie Laufschaufelabschnitte begrenzen, die den verschieden langen Leitschaufeln angepasst sind. 6.
    Druckaustauscher nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung, dass der grössere Teil der erzeugten Leistung in Form von mechanischer Arbeit. des Über strömgases anfällt, so dass annähernd kein Dreckgas nach aussen abgegeben -wird. 7. Druekaustauscher nach Patentanspruch; bei welchem wenigstens während der Zone, in weleher der Wärmeinhalt verkleinert. wird, Spülung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass 11l:ittel vorgesehen sind, um jede Zelle, bevor sie eine Spülzone erreicht, mit einem Raum zu verbinden, der Gas mit.
    Spüldruck enthält, damit der Druck in der Zelle zufol-e der Gas strömung durch die genannte Laufscliaufe- lung annähernd gleich dem Druck in diesem Raum wird. B. Druckaustausehernach U nteransprueh 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Raum durch gespülte Zellen des gleichen Rotors ge bildet wird. 9. Druckaustauscher nach Unteransprueli 7; dadurch gekennzeichnet, dass dieser Raum durch gespülte Zellen eines andern Rotors ge bildet wird. 10.
    Druckaustauscher nach Patentanspruch gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung dass wenigstens während der Zone, in welchen der Wärmeinhalt verkleinert wird, Spülung erfolgt, wobei die Zellen mit separaten Spül öffnungen versehen sind.
CH292906D 1949-09-20 1950-09-19 Rotations-Druckaustauscher für gasförmige Medien. CH292906A (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0179233A1 (de) * 1984-09-28 1986-04-30 BBC Brown Boveri AG Als Drucktauscher arbeitende Druckwellenmaschine, insbesondere zur Verwendung als Hochdruckverdichter für Gasturbinen

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0179233A1 (de) * 1984-09-28 1986-04-30 BBC Brown Boveri AG Als Drucktauscher arbeitende Druckwellenmaschine, insbesondere zur Verwendung als Hochdruckverdichter für Gasturbinen
US4679393A (en) * 1984-09-28 1987-07-14 Bbc Brown, Boveri & Company, Limited Pressure wave machine operating as pressure exchanger, in particular for use as the high-pressure compressor for gas turbines

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