Drucktransformer, insbesondere für Gasturbinenanlagen Als Drucktauscher sind Maschinen be kannt, die ein kompressibles Betriebsmittel auf einer untern Druckstufe aufnehmen, es mit Hilfe von Verdichtungswellen verdichten und auf einer höheren Druckstufe abgeben, und gleichzeitig ein anderes solches Betriebs mittel (oder dasselbe in verändertem Zustand und in anderer Menge) von der obern Druck stufe mit Hilfe von Verdünnungswellen auf die untere entspannen. Die Verdichtungs und Verdünnungswellen werden in mit dem einen oder dem andern Betriebsmittel ge füllten länglichen Zellen dadurch erzeugt, dass an den Zellenenden angeordnete Steuerorgane die Zellen nacheinander und in einer vorbe stimmten Reihenfolge mit den Zu- bzw.
Ab flussleitungen für die Betriebsmittel verbin den. Die Zellen sind entweder beweglich an geordnet, zum Beispiel auf einem sieh dre henden Läufer, während die Steuerorgane stillstehen und zum Beispiel in einem den Läufer umgebenden Gehäuse angebracht sind, oder aber es können umgekehrt die Zellen stillstehen und die Steuerorgane sich bewe gen. Auf beiden Druckstufen ist je ein Spül abschnitt eingeschaltet, während welchem das eine Betriebsmittel das andere aus den Zellen verdrängt. Sowohl der obere Druck des zu entspannenden und des verdichteten Betriebs mittels wie auch der untere Druclzk des ent spannten und des zu verdichtenden Betriebs mittels wind also bis auf kleine, durch Spül- verluste und dynamische Drucke bedingte Unterschiede unter sich je gleich hoch.
Durch die Gleichheit der Drucke der bei den Betriebsmittel je auf der obern und der untern Druckstufe unterliegt die Anwendung des Druektauschers mancher Einschränkung, die ihn für viele Anwendungen unbrauchbar macht. Die Erfindung behebt diesen Nachteil, indem sie zeigt, wie eine Zellenmaschine zu bauen ist, bei welcher nicht nur jeder ein zelne von vier Ein- bzw. Auslassdrucken zweier Betriebsmittel innerhalb praktischer Grenzen je ganz verschieden hoch sein kann, sondern in welcher auch mehr als zwei Betriebsmittel zwischen nochmals verschiedenen (oder auch gleichen) Druckstufen verdichtet oder ent spannt werden können.
Eine solche allgemein anwendbare Maschine kann im Gegensatz zum beschränkt verwendbaren Drucktau scher als Drucktransformer bezeichnet werden.
Die Erfindung betrifft demnach einen Drucktransformer zur Verdichtung minde stens eines Betriebsmittels von tieferem Druck auf höheren Druck mittels der Ent spannung von mindestens einem Betriebs mittel von höherem auf tieferen Druck; sie ist gekennzeichnet durch eine Anzahl von Zellen und durch Steuerorgane an deren Enden, welche die Zellen nacheinander mit mindestens vier Räumen in Verbindung set zen, aus denen die Betriebsmittel zu- bzw.
in die sie abströmen, wobei die Herstellung der Verbindung zwischen einer Zelle, in welcher noch ein durch die vorangegangene Verbin dung bedingter Druck herrscht, mit einem Raum, in welchem ein anderer Druck herrscht, eine Verdiehtungs- bzw. Verdünnungsweile entstehen lässt, die die Zelle durchläuft und deren Inhalt in Bewegung setzt, so dass Be triebsmittel aus dem Raum in die Zelle ein strömt bzw. aus der Zelle in den Raum aus strömt, und wobei ferner die Steuerorgane die Verbindung zwischen den Zellen und den genannten Räumen spätestens in dem Augen blick wieder trennen, da eine nächstfolgende am jeweils andern Zellenende entstandene Welle am Zellenende, an welchem eine erste Welle entstanden ist, ankommt.
Die Zeichnungen zeigen verschiedene Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstan des sowie eine Anzahl von Diagrammen, die dazu dienen, die Wirkungsweise dieser Aus führungsformen zu erläutern; dabei stellen die einzelnen Figuren folgendes dar: Fig.la ist ein Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Achse durch das Gehäuse und den Läufer eines Druektransformers mit umlaufenden Zellen, und Fig. 1b ist ein Längsschnitt durch dessen Drehachse; die Fig. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 sind Aus schnitte aus Abwicklungen je eines Zylinder schnittes auf halber Höhe der Zellen durch den Zellenkranz und die Steuerorgane ver schiedenartig gemäss den Fig. 1a und 1b aus geführter Druektransformer;
die Fig.2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 8a, 9a und 9b sind Diagramme, die die Wirkungsweise der verschiedenen Aus- führungsformen des Erfindungsgegenstandes veranschaulichen und einen bildhaften Ein druck geben von den mit ihnen erreichbaren Druckhöhen; und schliesslich sind die Fig. 7b und 8b zwei schematische Dar stellungen, die dazu dienen, die Wirkungs weise eines Drucktransformers gemäss den Fig.7 und 8 je mit derjenigen einer aus einem Verdichter und einer diesen antrei- benden Turbine bestehenden Verdiehter- gruppe zu vergleichen.
Die Fig.1a und 1b stellen schematisch eine Ausführungsform des Erfindungsgegen standes dar; Fig.la ist ein Querschnitt in der Ebene A-A der Fig.lb, und diese ist ein Längsschnitt in der Ebene B-B der Fig.1a. Ein um seine Längsachse sich dre hender Läufer R trägt auf seiner zylindri- selhen Oberfläche die längsgestreekten Zellen Z mit dem mittleren Durchmesser Dm. Der Läufer dreht sieh in den. Lagern Le und Lk, die in die Seitenteile Fe und Fk des Gehäuses eingesetzt sind, welches durch den Mantel M vervollständigt wird. Die Seitenteile tragen auch die Ansehlussstutzen für die Zufluss- und Abflussleitungen für die Betriebsmittel.
Die Räume, welche von diesen Anschluss stutzen umschlossen werden, tragen die Be zeichnungen 1v, 2v und 1n, 2n diesen Be- zeiehnimgen bedeutet die Ziffer 1 je-vveilen einen niedrigeren Druck und die Ziffer 2 einen höheren Druck, und der Buchstabe v weist. darauf hin, dass das jeweils im be treffenden Raum sieh befindende Betriebs mittel vor dem Eintritt. in die Zellen steht, während der Buchstabe n. aussagt, da.ss das Betriebsmittel sieh nach den Zellen befindet.
Demgemäss bedeuten die Bezeichnungen 1v: Einlass des zu verdichtenden Betriebs mittels, 2v: Einlass des zu entspannenden Betriebs mittels, 1n: Auslass des entspannten Betriebs mittels, ?r1: Ausla.ss des verdichteten Betriebs mittels.
Zugleich umschreiben diese Bezeichnungen hier, wie auch in allen weiter unten zu be schreibenden Figuren, in allgemeiner Weise den Zustand des im betreffenden Raum sieh befindenden Betriebsmittels.
Unmittelbar vor und nach den Einla.ss- und Auslassenden der Zellen befinden sich in den Seitenteilen Fe und F", anschliessend an die Räume, aus welchen die Betriebsmittel in die Zellen einströmen, oder in welche sie aus den Zellen ausströmen, die Steuerorgane, welche die Zellen nacheinander mit den vor erwähnten Räumen in Verbindung setzen, wobei die Herstellung der Verbindung zwi schen einer Zelle, in welcher noch ein durch die vorangegangene Verbindung bedingter Druck herrscht, mit einem Raum, in welchem ein anderer Druck herrscht, eine Verdieh- tungs- bzw.
Verdünnungswelle entstehen lässt, die die Zelle durchläuft und deren Inhalt in Bewegung setzt, so cdass Betriebsmittel aus dem Raum in die Zelle einströmt bzw. aus der Zelle in den Raum ausströmt.
Das in den Fig.1a und 1b dargestellte Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes zeigt einen zylindrischen Läufer mit in axialer Richtung sieh geradlinig erstrecken den Zellenwänden, und mit, im Gehäuse der Masehine feststehend angeordneten Steue rungsorganen. In bekannter Weise können aber auch, wie beim Druekaustauscher , die Zellen stillstehend und die Steuerungsorgane beweglich angeordnet sein; ferner kann aber auch der Läufer irgendeine andere Form haben, zum Beispiel diejenige eines Kegels oder eines Fliehkraftverdichters, wobei im letztgenannten Fall die Betriebsmittel teil weise in axialer und teilweise in radialer Riclhtung in die Zellen eintreten und aus ihnen austreten.
Es können aber auch um laufende Zellen schief zu den Axialebenen oder schraubenförmig mit Bezug auf die Drehachse des Läufers angeordnet sein. Fer ner können auch feststehende Steuerorgane so ausgebildet sein, dass die Betriebsmittel entweder in axialer Richtung, oder aber in einer davon abweichenden schiefen Richtung aus den Zuflussräumen in die Zellen über treten bzw. aus diesen in die Abflussräume austreten.
Die Fig. 2 stellt einen Ausschnitt aus einer Abwicklung eines Zylinderschnittes mit dem Durchmesser Dm durch den Zellenkranz und die Steuerorgane eines Drucktransformers gemäss den Fig. la und 1b dar. Die parallel zur Drehachse des Läufers angeordneten Zellenwände sind als gerade, zu den Steuer öffnungen h'-d, d'-h, i'-e und e'-i und den entsprechenden Überdeckungen d-d', h-h', e-e' und i-i' senkrecht stehende Li nien abgebildet. Die Zellen bewegen sich auf ihrer mittleren Höhe mit der Geschwindig keit uZ im Sinne des Pfeils an den Steuer öffnungen vorbei, die entsprechend den Ein- und Auslassräumen der Fig.1b mit 1v, 2v, 1n und 2n bezeichnet sind.
Jede einzelne Zelle Z gelangt bei der Drehung des Läufers nacheinander zii den steuernden Kanten h', <I>i', d, e, d', e',</I> 3t und i, womit ein Arheits- spiel abgeschlossen ist. Über den ganzen Um fang des Läufers werden mit. Vorteil die nö tige Anzahl von Zellen für mehrere Arbeits spiele angeordnet..
Die Herstellung der Ver bindung zwischen einer Zelle und einem Zu- bzw. Abflussraum lässt infolge der Druck- unterschiede in jeder Zelle Vürcliehtungs- und Verdünnungswellen entstehen, die die Zelle durchlaufen und deren. Inhalt. in Beweglang setzen, wie dies im folgenden Abschnitt. näher beschrieben wird.
Es ist. ohne weiteres ersieht lieh, dass im Verlauf der Drehung des Läu fers in jeder einzelnen Zelle dieselben Wellen in Erscheinung treten, so da.ss es genügt, eine derselben während ihrer Fortbewegung vor den Steueröffnungen zu verfolgen, um die Wirkungsweise der Anordnung zu \erstehen.
Die Fig. 2 zeigt, eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, die von insge samt. sechs Wellen im Verlauf jedes Arbeits spiels Gebrauch macht.. In einer Zelle Z, die die in der Zeichnung gezeigte Lage ein nimmt, befindet sieh der Zelleninhalt ihr gegenüber praktisch in Rulie und hat einen bestimmten Druck. Gelangt. ein Ende dieser Zelle infolge der Drehung des Läufers in die Lage B, so wird sie mit dem Raum 1n in Ver bindung gesetzt, in welchem ein niedrigerer Druck herrscht als in der sieh in der vorher erwähnten Lage befindenden Zelle.
Es ent steht deshalb an diesem Zellenende eine Ent spannungswelle, die die Zelle durchläuft und deren Weg zwischen den Steuerorganen durch die gerade Linie 1 dargestellt ist. Ferner tritt ein Teil des Zelleninhaltes in den Raum In aus. In C, im Augenblick, da die Welle. 1 das dem ersten entgegengesetzte Zellenende er reicht, wird dieses in Verbindung gesetzt mit dem Raum 1v, in welchem ein niedrigerer Druck herrscht als in der Zelle nach dem Durchgang der Welle 1. Es entsteht deshalb an diesem Zellenende eine weitere Entspan nungswelle, deren Weg durch den Linienzug 2 bezeichnet wird. Ferner tritt Betriebsmittel, das durch den Raum 1v zugeführt wird, in die Zelle ein.
In D, im Augenblick, da die Welle 2 das Zellenende erreicht. an welchem die Welle 1 entstanden ist, wird dieses ge schlossen von der Überdeckung d-d'. Hier entsteht nun eine Verdichtungswelle 3, hinter welcher der Zelleninhalt praktisch bei einem höheren Druck als vorher zur Ruhe kommt. Erreicht die Zelle die Lage E, im Augen blick, da die Welle 3 das mit Bezug auf die Zeiehnung diesseitige Zellenende erreicht, so wird sie durch die Überdeckung e-e' ge schlossen; aber es entsteht nun hier keine neue Welle, weil hinter der Welle 3 der Zelleninhalt praktisch in Ruhe ist, was ja gerade durch die Schliessung der Zelle be wirkt wird.
In der Lage F wird die Zelle mit dem Raum 2v in Verbindung gesetzt; in diesem herrscht ein höherer Druck als der, der in der Zelle hinter der Welle 3 erreicht wurde. Hier entsteht nun eine Verdichtungswelle 4, und es tritt Betriebsmittel aus dem Raum 2v in die Zelle ein. Bei G, im Augenblick, da die Welle 4 das diesseitige Zellenende er reicht, wird die Zelle mit dem Raum 2n in Verbindung gesetzt, in welchem ein höherer Druck herrscht als in der Zelle nach dem Durchgang der Welle 4. Es entsteht hier eine Verdichtungswelle 5, die einen Teil des Zelleninhaltes in den Raum 2n ausstösst.
Bei H, im Augenblick, da die Welle 5 das jenseitige Zellenende erreicht, wird die Zelle von der Überdeckung h-h' geschlossen, und es entsteht eine Entspannungswelle 6, hinter welcher der Zelleninhalt praktisch bei niedri gerem Druck als vorher zur Ruhe kommt. Bei I, wenn diese Welle das diesseitige Zellen ende erreicht, wird die Zelle von der Über deckung i-i' geschlossen, aber es entsteht keine neue Welle aus dem gleichen Grund wie bei E. Der Zustand des Zelleninhaltes ist wieder derselbe wie zu Beginn des Arbeits spiels und dieses beginnt von neuem.
Die beschriebene Anordnung der Steuer organe in bezug auf die Zellen bewirkt, dass die Steuerorgane die Verbindung zwischen jeder einzelnen Zelle und den Zu- und Ab flussräumen spätestens in dem Augenblick trennen, da eine nächstfolgende am jeweils andern Zellenende entstandene Welle (zum Beispiel Welle 2) am Zellenende, an welchem eine erste Welle (zum Beispiel Welle 1) ent standen ist, ankommt. Dieser Umstand be wirkt, da.ss ein Betriebsstoff, der bei einem gewissen im.
Raum 1,t, herrschenden Druck in die Zellen eintritt und bei einem andern im Raum 2.n herrschenden Druck aus diesen austritt, verdichtet. wird, während gleichzeitig ein Betriebsstoff, der beim Druck des Raumes 2v eintritt Lund bei demjenigen des Raumes 1n austritt, entspannt wird, wobei alle Drücke unter sieh verschieden sein können.
Die Be triebsstoffe werden im Sinne der gestrichelt eingezeichneten Linienzüge aus dem Raume 1v in den Raum 211 bzw. aus dem Raume 2c in den Raum 1v, übergeführt., wobei sie ge mäss der vorstehenden Beschreibung zuerst ein Stück weit. in die Zellen eintreten, dann zur Ruhe gebracht werden und schliesslich wieder aus den Zellen austreten.
Damit ein Arbeitsspiel geschlossen sei, müssen die Wellen 2 und :5 Drucksprünge in entgegengesetztem Sinne herbeiführen; ist also die Welle \ eine Entspannungswelle, wie im zuvor beschriebenen Beispiel, so muss Welle<B>ä</B> eine Verdichtungswelle sein. Wäre umgekehrt Welle 2 eine Verdichtungswelle, so müsste Welle 5 eine Entspannungswelle sein.
Der Unterschied zwischen dem Druck im Raum 1v und demjenigen im Raum 1n. hängt nicht allein von den dynamischen Drücken und den Druckverlusten in den Zellen und den Zu- und Abflussräumen ab, sondern auch von der Amplitude der Welle '2. In gleicher Weise hängt. der Unterschied zwischen dem Druck im Raum 2,t, und demjenigen im Raum 2rz nicht allein von den dynamischen Drücken und den Druckverlusten ab, sondern auch von der Amplitude der Welle 5.
Die Länge der Überdeckungen d-d', e-e', h-h' und i-i' ist vorteilhafterweise minde stens gleich einer Zellenbreite, damit die Dichtheit zwischen zwei sich folgenden Zu- und Abflussräumen bestmöglich gewährleistet ist. - Der Augenblick , in welchem eine Welle ein Zellenende erreicht, ist zu verstehen als die kurze Zeitdauer, die verstreicht, wäh renddem eine Zelle sich an einer steuernden Kante vorbeibewegt.
Die Wirkungsweise des Drucktransfor mers lässt sich besonders anschaulich darstel len in einem vereinfachten U-A-Diagramm gemäss den Fig. 2a und 2ib, das heisst in einer Koordinatendarstellung mit den dimensions losen Grössen U und A, die wie folgt defi niert sind: Es sei p der Druck eines Betriebs mittels in irgendeinem Zeitpunkt während der Vorgänge im Drucktransformner, a die zugehörige Schallgeschwindigkeit und nu die zugehörige Strömungsgeschwindigkeit des Be triebsmittels in dieser oder jener Richtung einer Zellenachse; ferner sei po ein frei wähl barer Bezugsdruck und ao die Bezugsschall geschwindigkeit beim Drucke po;
dann sind P = plpo, A = a/ao und U = u/ao dimen sionslose Grössen, die sich bei wechselnden Zustandswerten der Betriebsmittel zur Auf- tragtung in einer U-A-Ebene eignen. Werden die Massstäbe zweckmässig gewählt, so ergeben sich für die Verdichtungen und Verdünnun gen der Betriebsmittel 45 -Geraden, die sich entsprechend der Folge der Zustandsänderun gen aneinander reihen. Dabei kann die A- Achse auch als P-Achse aufgefasst werden.
Die an Hand von Fig. 2 vorstehend ge schilderten Zustandsänderungen eines Be triebsmittels in einer der Zellen stellen sich nun im U-A-Diagramm nach Fig.2a. wie folgt dar: Das vor Beginn des Arbeitsspiels in der Zelle A sich befindende Arbeitsmittel ist bei einem gewissen Druck in Ruhe; dieser Arbeitsmittelzustand wird abgebildet in dem auf der Al-Achse liegenden Punkt Al.
Nach dem die Verdünnungswelle 1 (die sowohl in der Fig.2. wie auch in der Fig.2a mit der selben Hinweisziffer bezeichnet ist) die Zelle durchlaufen hat, befindet sieh das Betriebs- mittel im Zustand 1n entsprechend dem Druck im Raume 1n, das heisst es hat einen Druck entsprechend dem A (= P)-Wert der Ordinate im Endpunkt der Geraden 1, die die Verdünnungswelle darstellt, lund eine ge wisse Strömungsgeschwindigkeit entsprechend dem Wert und dem Richtungssinn der Ab szisse im selben Endpunkt. Die anschliessende Verdünnungswelle 2 bringt das Betriebsmittel in den Zustand 1v, und es tritt Betriebs mittel aus dem Raume 1v in die Zelle ein.
Im Endpunkt A4 der Verdichtungswelle 3, der mit dem Anfangspunkt der nächstfolgen den Verdichtungswelle 4 zusammenfällt, ist der Zelleninhalt wieder in Ruhe. Im End punkt der Welle 4 ist der Zustand 2v er reicht, und es tritt Betriebsmittel aus dem Raume 2v in die Zelle ein. Die weitere Ver dichtungswelle 5 lässt Betriebsmittel vom Zu stand 27n in den Raum 2n austreten. Die ab schliessende Verdünnungswelle 6 versetzt den Zelleninhalt wieder in den Zustand entspre- ehend Punkt A, der A-Achse, und das Ar beitsspiel beginnt von neuem.
Es leuchtet nun ein, dass die gemäss F'ig.2a im Endpunkt der Welle 1 entste hende Welle 2 nicht- notgedrungen eine Ent spannungswelle sein muss, sondern nach Fig.2b eine Verdichtungswelle sein kann, je nachdem der Diaeck des Betriebsmittels ent sprechend dem Zustand 1v tiefer oder höher ist. als derjenige entsprechend dem Zustand 1n. Ist dies der Fall,
so arbeitet der Druck- transformer bei genau gleichen gegenseitigen Abständen der steuernden Kanten der Steuer öffnungen wie im Falle der Fig. 2a nach dem Diagramm der Fig.2b, aber die Drücke der Betriebsmittel sind in den beiden Fällen ver schieden hoch.
Ein Vergleich der beiden Diagramme lässt erkennen, dass im Falle der F'ig.2a der Druckanstieg zwischen dem zu verdichtenden Betriebsmittel 1-i, und dein ver dichteten Betriebsmittel 27z grösser ist als der Druckfall zwischen dem zu entspannenden Betriebsmittel 2v und dem entspannten Be- triebsmitt.el l n, währenddem im Falle der Fig. n.b die Verhältnisse umgekehrt sind.
Zu gleich ist. im Falle der Fig.2cc der Druck des Betriebsmittels entsprechend dem Zustand 1v niedriger als derjenige des Betriebsmittels vom Zustand 1n, und der Druck des Be triebsmittels vom Zustand 2n höher als der jenige des Betriebsmittels vom Zustand 2u, währenddem im Falle der Fig. 2b auch diese Verhältnisse umgekehrt sind. - Schon diese Darlegungen zeigen, dass der Drucktransfor mer für verschiedene Druckverhältnisse an gewendet werden kann; in weiteren Ausfüh rungen wird später beschrieben, wie er für andere unterschiedliche Drucksprünge gebaut sein russ.
Die Fig3 und die zugehörigen U-A- Diagramme Fig.3a und 3b zeigen zunächst noch Ausführungsformen des Erfindungs gegenstandes, bei welchen die Überdeckungen d-d', e-e', h-h' und i-i' der Steuerorgane verlängert sind, zum Beispiel um die richtige Wellenbildung sicherzustellen, wenn die Dreh zahl der Maschine sich ändert. Ein solcher Drucktransformer macht Gebrauch von ins gesamt acht Wellen innerhalb eines Arbeits spiels. Die Welle 2 der Fig.2 wird ersetzt durch die Wellen 2' und 2" der Fig.3, die auch in den Fig. 3a und 3b mit den gleichen Hinweisziffern dargestellt sind. Die Welle 2' ist wiederum eine Entspannungswelle und die Welle 2" eine Verdichtungswelle.
Ebenso wird die Welle 5 der Fig. 2 ersetzt durch die Wellen 5' und 5", wobei die Welle 5' eine Verdichtungswelle und 5" eine Verdünnungs welle ist. Vor Beginn der Wellen 1, 2", 4 und 5" entsprechend den. Punkten A1, A2,, A4 und A5,, der Fig.3a und 3b ist der Zelleninhalt jeweilen in Rulhe. Diese vier Wellen werden jeweils am jenseitigen Zellen ende reflektiert, während die Zelle noch durclh eine Überdeckung geschlossen, ist.
Nach Fig.4 können die Überdeckungen auch so verkürzt werden, dass ihre Länge praktisch dem Wert Null gleichkommt, zum Beispiel um die Ausmasse der Maschine zu verkleinern. Diese Ausführungsform macht. Gebrauch von vier Wellen. innerhalb eines A r- beitsspiels. Die Steueröffnungen der Steuer organe sind so angeordnet, dlass im Verlauf eines Arbeitsspiels jede dieser vier Wellen das jenseitige Zellenende in dem Augenblick erreicht, da dieses mit einem Zufluss- bzw. Abflussraum in Verbindung gesetzt wird. Nach Fig. 4a ist. 11 eine Entspannungswelle und 13 eine Verdichtungswelle. Wenn, ge mäss derselben Figur, 12 eine Entspan nungswelle ist, russ l4 eine Verdichtungs welle sein; umgekehrt ist, wenn 12 nach Fig. 4b eine Verdichtungswelle ist, 14 eine Entspannungswelle.
Ein Drucktransformer nach Fig. 5 und den zugehörigen Fig. 5a und 5b unterscheidet. sich von einem solchen nach Fig. 2 insofern, als die Welle 4 hier eine Entspannungswelle und 6 eine Verdiclhtungswelle ist. Die Ent spannungswelle 4 bewirkt den Austritt von Betriebsmittel aus der Zelle. Bis zu einem gewissen Wergt der Amplitude dieser Welle hat das Betriebsmittel, das in den Raum 2n austritt, einen höheren Druck als denjenigen, bei dem es aus demn Raum 1 v in die Zelle eingetreten ist; es ist also verdichtet worden. Das Betriebsmittel, das bei 2v in die Zellen eintritt und bei ln sie verlässt, ist entspannt worden. Wie ein Vergleich mit Fig. 2 zeigt, entsteht die Welle 4 am andern Zellenende. Wie nach Fig. 2 müssen die Wellen 2 und 5 Drucksprünge in entgegengesetztem Sinn be wirken.
Die Überdeckungen a-a' und b-b' können wie nach Fig. 3 verlängert oder wie nach Fig. 4 verkürzt werden, hingegen sind die Überdeckungen c-c' und d-d' je fest gelegt durch die Überdeckungen a-a' und b-b' sowie durch den Weg gegenüber den Steuerorganen der Wellen 3 und 4 für c-c' und 6 und 1 für d-d'. - Im Gegensatz zu den Druekti@ansforniern nach den Fig. ' bis -1 lässt ein solcher nach Fig.5 das verdichtete Betriebsmittel bei ''1t austreten, bevor der Eintritt des zii entspannenden Betriebsmittels bei 2-v bewirkt wird.
In einem Drucktransformer nach Fig.6 und den zugehörigen Fig,.6a und 6b ist e5 das von 1v herkommende, ztt verdichtende Betriebsmittel, das in die Zellen eintritt bevor bei 17i, der Austritt des entspannten Betriebsmittels bewirkt -orden ist. Die Welle 1 ist eine Verdichtungswelle und 3 eine Ver- dünnungswelle, Die Welle 1 bewirkt den Ein tritt des Betriebsmittels in die Zellen.
Bis zu einem gewissen Wert der Amplitude dieser Welle hat das bei 1v in die Zellen eintretende Betriebsmittel einen niedrigeren Druck als denjenigen, bei welchem es bei 2n diese ver lässt; es ist also verdichtet worden. Das Be triebsmittel, das bei 2v in die Zellen eintritt und bei 1n sie verlässt, ist entspannt worden. Für die in gleicher Weise wie in Fig. 5 be zeichneten Überdeckungen gelten die gleichen Überlegungen wie dort.
Werden nun die zu den Fig. 2, 5 und 6 gehörenden U-A-Diagramme (Fig.2a, 2b, 5a, 5b und Eau, 6b) miteinander verglichen, so ist ohne weiteres ersichtlich, dass der Druck transformer verschiedenartigsten Druckver hältnissen gerecht zu werden vermag. Diesem vorteilhaften Umstand ist es zu verdanken, dass er viel allgemeiner verwendbar ist als der bekannte Drucktauscher .
Der Drucktransformer gewährt jedoch noch mehr Anwendungsmöglichkeiten, als bis her beschrieben wurden, indem er dazu ver wendet werden kann, ein oder mehrere Be triebsmittel zu verdichten, während gleich zeitig in derselben Maschine ein oder mehrere Betriebsmittel entspannt werden. Hierfür werden zusätzliche Druckstufen in jeder Aus- fülhrungsform nach den Fig.2 bis 6 vorge sehen. Die Fig. 7 und 7a zeigen beispiels weise, wie ein Betriebsmittel, das aus dem Raum 1va kommt, und dasselbe Betriebsmittel, das bei höherem Druck aus dem Raum 1v' kommt, auf den Druck im Raum 2n verdich tet wird, wobei gleichzeitig ein anderes Be triebsmittel vom Zustand im Raum 2v auf denjenigen im Raum ln entspannt wird.
In einer gewöhnlichen, nach Fig. 7b aus einem Verdielhter V und einer Turbine T bestehen den V erdichtergruppe würde diese Aufgabe mit einem Hilfseinlass am Verdiehter für das Betriebsmittel vom Zustand 1v' gelöst.
In gewissen ähnlichen Fällen ist es nicht notwendig, weitere Druckstufen vorzusehen. Sollen zum Beispiel die beiden Betriebsmittel vom Druck p1v und p1v' auf den Druck p2n verdichtet werden, wobei dieser gleich ist dem Druck p1n, bei welchem das entspannte Be triebsmittel austritt, so geschieht dies mittels eines Drucktransformers gemäss den Fig. 8 und 8a. Die beiden Betriebsmittel mit den gleichen Enddrücken p2n = p1n treten bei einer und derselben Steueröffnung, die nur durch eine Leitwand L unterteilt ist, aus den Zellen aus. In Fig. 8b ist wieder angedeutet, wie die Aufgabe in einer gewöhnlichen, tur binenangetriebenen Verdichtergruppe gelöst würde.
In Drucktransformeri nach den Fig. 2 bis 7 treten die zu verdichtenden Betriebsmittel an einem und demselben Ende in die Zellen ein und aus, und die entspannten Betriebs mittel am entgegengesetzten Ende. Sollen die Betriebsmittel je an entgegengesetzten Zellen enden ein- bzw, austreten, zum Beispiel um die Verlegtmg der Rohrleitungen in einer Anlage- zu vereinfachen, so wird beispiels weise ein Druektransformer nach Fig.2 in einen solchen nach Fig. 9 und den zugehöri gen Diagrammen (Fig.9a oder 9b) abgeän dert.
In diesen Fällen sind die Steueröffnun gen der Steuerorgane so angeordnet, dass im Verlauf eines oder mehrerer Arbeitsspiele mindestens eines der Betriebsmittel die Zel len ihrer ganzen Länge nach durchläuft, derart, dass es dem Drucktransformer an einem Zellenende zugeführt und am andern entnommen wird. Bei einem Drucktransfor- mer nach Fig.8 tritt nur das zu entspan nende Betriebsmittel auf derselben Seite in die Zellen ein und aus diesen aus.
Pressure transformers, especially for gas turbine systems As pressure exchangers, machines are known that accept a compressible operating medium at a lower pressure level, compress it with the help of compression waves and release it at a higher pressure level, and at the same time another such operating medium (or the same in a changed state and in other amount) from the upper pressure level to the lower pressure level with the help of dilution waves. The compression and dilution waves are generated in elongated cells filled with one or the other operating medium in that control organs arranged at the cell ends move the cells one after the other and in a predetermined order with the addition or
Connect drain lines for the equipment. The cells are either arranged to be movable, for example on a rotating rotor while the controls are stationary and, for example, are mounted in a housing surrounding the rotor, or, conversely, the cells can stand still and the controls move. On both One flushing section is switched on in each pressure stage, during which one operating medium displaces the other from the cells. Both the upper pressure of the operation to be relaxed and the compressed operation by means of as well as the lower pressure of the relaxed operation and of the operation to be condensed by means of wind are each equally high, apart from small differences caused by flushing losses and dynamic pressures.
Due to the equality of the pressures on the upper and lower pressure levels of the operating media, the use of the pressure exchanger is subject to some restrictions that make it unusable for many applications. The invention overcomes this disadvantage by showing how a cell machine is to be built in which not only each one of four inlet and outlet pressures of two operating means can be very different within practical limits, but also in which more than two Equipment can be compressed or released between different (or even the same) pressure levels.
Such a generally applicable machine can be referred to as a pressure transformer in contrast to the limited pressure exchanger.
The invention therefore relates to a pressure transformer for compressing at least one operating medium from lower pressure to higher pressure by means of the Ent voltage of at least one operating medium from higher to lower pressure; it is characterized by a number of cells and by control elements at their ends, which connect the cells one after the other with at least four rooms from which the operating resources are connected or disconnected.
into which they flow off, the establishment of the connection between a cell, in which there is still a pressure caused by the previous connection, and a space in which there is another pressure, causing a dilution or dilution period to arise that the cell runs through and sets their contents in motion, so that Be operating resources flows from the room into the cell or flows out of the cell into the room, and furthermore, the control organs look at the connection between the cells and the rooms mentioned at the latest separate again, since a next following wave created at the other cell end arrives at the cell end at which a first wave originated.
The drawings show various exemplary embodiments of the subject matter of the invention, as well as a number of diagrams that serve to explain the operation of these embodiments; the individual figures represent the following: Fig.la is a section in a plane perpendicular to the axis through the housing and the rotor of a pressure transformer with rotating cells, and Fig. 1b is a longitudinal section through its axis of rotation; 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 and 9 are from sections from developments of a cylinder cut halfway through the cells through the cellular ring and the control organs ver differently according to FIGS. 1a and 1b from Druektransformer out ;
2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 8a, 9a and 9b are diagrams that illustrate the operation of the various embodiments of the subject matter of the invention and give a pictorial impression the pressure heights that can be achieved with them; and finally, FIGS. 7b and 8b are two schematic representations which serve to compare the mode of operation of a pressure transformer according to FIGS. 7 and 8 with that of a compressor group consisting of a compressor and a turbine driving it .
FIGS. 1a and 1b schematically represent an embodiment of the subject matter of the invention; Fig.la is a cross section in the plane A-A of Fig.lb, and this is a longitudinal section in the plane B-B of Fig.1a. A rotor R rotating about its longitudinal axis carries on its cylindrical surface the elongated cells Z with the mean diameter Dm. The runner turns look into the. Bearings Le and Lk, which are inserted into the side parts Fe and Fk of the housing, which is completed by the shell M. The side parts also carry the connection nozzles for the inflow and outflow lines for the equipment.
The spaces which are enclosed by these connection nozzles have the designations 1v, 2v and 1n, 2n in these designations, the number 1 means a lower pressure and the number 2 a higher pressure, and the letter v indicates. point out that the equipment in the relevant room is shown before entry. is in the cells, while the letter n. indicates that the equipment is located in the cells.
Accordingly, the designations 1v mean: inlet of the operation to be compressed by means, 2v: inlet of the operation to be relaxed by means of, 1n: outlet of the relaxed operation by means of,? R1: outlet of the compressed operation by means of.
At the same time, these terms describe here, as well as in all the figures to be written below, in a general way the state of the equipment located in the relevant room.
Immediately before and after the inlet and outlet ends of the cells are located in the side parts Fe and F ″, adjoining the spaces from which the resources flow into the cells or into which they flow out of the cells, the control organs, which connect the cells one after the other with the aforementioned spaces, the establishment of the connection between a cell in which there is still a pressure caused by the previous connection and a space in which another pressure prevails, a compaction or.
A wave of dilution occurs that passes through the cell and sets its contents in motion, so that the operating material flows into the cell from the room or flows out of the cell into the room.
The embodiment shown in Fig.1a and 1b of the subject matter of the invention shows a cylindrical runner with in the axial direction see straight extending the cell walls, and with, in the housing of the Masehine fixed control organs. In a known manner, however, as in the case of the pressure exchanger, the cells can be arranged stationary and the control elements can be arranged to be movable; Furthermore, the rotor can also have any other shape, for example that of a cone or a centrifugal compressor, in which case in the latter case the operating means enter and exit the cells partly in an axial and partly in a radial direction.
However, it can also be arranged around running cells at an angle to the axial planes or helically with respect to the axis of rotation of the rotor. Furthermore, fixed control elements can also be designed in such a way that the operating means pass from the inflow spaces into the cells or exit them into the outflow spaces either in the axial direction or in an oblique direction that deviates therefrom.
Fig. 2 shows a detail from a development of a cylinder section with the diameter Dm through the cell rim and the control elements of a pressure transformer according to FIGS. La and 1b. The cell walls arranged parallel to the axis of rotation of the rotor are straight, to the control openings h '-d, d'-h, i'-e and e'-i and the corresponding overlaps d-d', h-h ', ee' and ii 'depicted vertical lines. At their mean height, the cells move at the speed uZ in the direction of the arrow past the control openings, which are labeled 1v, 2v, 1n and 2n corresponding to the inlet and outlet spaces in FIG.
As the rotor rotates, each individual cell Z successively reaches the controlling edges h ', <I> i', d, e, d ', e', </I> 3t and i, thus completing an arduous game. Be with the entire circumference of the runner. Advantage the necessary number of cells arranged for several work games.
The creation of the connection between a cell and an inflow or outflow space creates, as a result of the pressure differences in each cell, dilution and dilution waves that run through and through the cell. Content. Set in motion, as shown in the following section. is described in more detail.
It is. It is easy to see that in the course of the rotation of the rotor the same waves appear in each individual cell, so that it is sufficient to follow one of them as it moves in front of the control openings in order to ascertain the operation of the arrangement.
Fig. 2 shows an embodiment of the subject invention, the total of. makes use of six waves in the course of each work game. In a cell Z, which takes the position shown in the drawing, the cell content is practically in line opposite it and has a certain pressure. Got there. one end of this cell as a result of the rotation of the rotor in position B, it is connected to the space 1n in which there is a lower pressure than in the cell located in the aforementioned position.
At this end of the cell there is therefore a wave of relaxation that runs through the cell and whose path between the control organs is shown by straight line 1. In addition, some of the cell contents exit into space In. In C, at the moment since the wave. 1 that reaches the first opposite end of the cell, this is connected to the space 1v, in which there is a lower pressure than in the cell after the passage of wave 1. There is therefore another relaxation wave at this end of the cell, its path through line 2 is designated. Further, resource supplied through the space 1v enters the cell.
In D, at the moment when wave 2 reaches the end of the cell. on which the shaft 1 was created, this is closed by the overlap d-d '. A compression wave 3 is created here, behind which the cell contents practically come to rest at a higher pressure than before. If the cell reaches position E, at the moment when the shaft 3 reaches the end of the cell on this side with reference to the drawing, it is closed by the overlap e-e '; but there is no new wave here, because behind wave 3 the cell contents are practically at rest, which is precisely what happens when the cell closes.
In position F the cell is connected to space 2v; in this there is a higher pressure than that which was reached in the cell behind shaft 3. A compression wave 4 now arises here, and operating material enters the cell from space 2v. At G, at the moment when the wave 4 reaches the end of the cell on this side, the cell is connected to the space 2n, in which there is a higher pressure than in the cell after the passage of the wave 4. A compression wave 5 arises here , which ejects part of the cell content into space 2n.
At H, at the moment when the wave 5 reaches the other end of the cell, the cell is closed by the overlap h-h ', and a relaxation wave 6 arises, behind which the cell contents come to rest at practically lower pressure than before. With I, when this wave reaches the end of the cell on this side, the cell is closed by overlap ii ', but no new wave arises for the same reason as with E. The state of the cell contents is the same as at the beginning of the work game and this starts all over again.
The described arrangement of the control organs in relation to the cells has the effect that the control organs separate the connection between each individual cell and the inflow and outflow spaces at the latest at the moment when a subsequent wave occurs at the other end of the cell (for example, wave 2) arrives at the end of the cell at which a first wave (for example wave 1) was created. This fact has the effect that an operating material, which with a certain in.
Room 1, t, prevailing pressure enters the cells and exits at another pressure prevailing in room 2.n, compressed. is, while at the same time a fuel that enters the pressure of the space 2v L and exits that of the space 1n, is expanded, all pressures may be different under see.
The operating materials are transferred in the sense of the dashed lines from the room 1v to the room 211 or from the room 2c to the room 1v, whereby they according to the above description first a little. enter the cells, then be brought to rest, and finally exit the cells again.
In order for a work cycle to be closed, shafts 2 and: 5 must cause pressure jumps in the opposite direction; if the wave \ is a relaxation wave, as in the example described above, then wave <B> ä </B> must be a compression wave. Conversely, if wave 2 were a compression wave, then wave 5 would have to be a relaxation wave.
The difference between the pressure in room 1v and that in room 1n. depends not only on the dynamic pressures and pressure losses in the cells and the inflow and outflow spaces, but also on the amplitude of the wave '2. In the same way depends. the difference between the pressure in space 2, t, and that in space 2rz depends not only on the dynamic pressures and pressure losses, but also on the amplitude of the wave 5.
The length of the overlaps d-d ', e-e', h-h 'and i-i' is advantageously at least equal to a cell width, so that the tightness between two subsequent inflow and outflow spaces is guaranteed as best as possible. - The moment at which a wave reaches the end of a cell is to be understood as the short period of time that elapses while a cell moves past a controlling edge.
The mode of operation of the pressure transformer can be illustrated particularly clearly in a simplified UA diagram according to FIGS. 2a and 2ib, i.e. in a coordinate representation with the dimensionless quantities U and A, which are defined as follows: Let p be Pressure of an operation means at any point in time during the processes in the pressure transformer, a the associated speed of sound and nu the associated flow speed of the operating medium in this or that direction of a cell axis; furthermore let po be a freely selectable reference pressure and ao be the reference sound velocity at pressure po;
then P = plpo, A = a / ao and U = u / ao are dimensionless quantities that are suitable for application in a U-A level when the state values of the equipment change. If the scales are expediently chosen, then 45 straight lines result for the compressions and thinning of the operating equipment, which line up according to the sequence of the changes in state. The A-axis can also be understood as the P-axis.
The changes in state of an operating means in one of the cells described above in FIG. 2 are now shown in the U-A diagram according to FIG. 2a. as follows: The work equipment in cell A before the start of the work cycle is at rest at a certain pressure; this state of the working equipment is mapped at point Al on the Al axis.
After the dilution wave 1 (which is denoted by the same reference number in both FIG. 2 and FIG. 2a) has passed through the cell, the operating medium is in state 1n corresponding to the pressure in space 1n It means that it has a pressure corresponding to the A (= P) value of the ordinate at the end point of straight line 1, which represents the dilution wave, and a certain flow velocity corresponding to the value and the direction of the abscissa at the same end point. The subsequent dilution wave 2 brings the operating medium into state 1v, and operating medium enters the cell from space 1v.
At the end point A4 of the compression wave 3, which coincides with the starting point of the next compression wave 4, the cell content is at rest again. At the end of the wave 4, the state 2v is enough, and resources from space 2v enter the cell. The further compression shaft 5 lets operating media escape from status 27n into space 2n. The final dilution wave 6 puts the cell contents back into the state corresponding to point A, the A-axis, and the work cycle begins again.
It is now evident that the wave 2 arising at the end point of the wave 1 according to FIG. 2a does not necessarily have to be a relaxation wave, but can be a compression wave according to FIG. 2b, depending on the Diaeck of the equipment accordingly State 1v is lower or higher. than the one corresponding to the state 1n. Is that the case,
the pressure transformer works with exactly the same mutual spacing of the controlling edges of the control openings as in the case of FIG. 2a according to the diagram of FIG. 2b, but the pressures of the operating means are differently high in the two cases.
A comparison of the two diagrams shows that in the case of FIG. 2a the pressure increase between the operating medium 1-i to be compressed and the compressed operating medium 27z is greater than the pressure drop between the operating medium 2v to be expanded and the relaxed loading driving means ln, while in the case of Fig. nb the relationships are reversed.
Too is the same. in the case of Fig.2cc the pressure of the operating medium corresponding to the state 1v lower than that of the operating medium from the state 1n, and the pressure of the operating medium from the state 2n higher than that of the operating medium from the state 2u, while in the case of FIG. 2b also these relationships are reversed. - These statements already show that the pressure transformer can be used for different pressure ratios; in further versions it will be described later how it can be built for other different pressure jumps.
3 and the associated UA diagrams Fig.3a and 3b first show embodiments of the subject of the invention in which the overlaps d-d ', e-e', hh 'and ii' of the control organs are extended, for example by the correct one Ensure wave formation when the speed of the machine changes. Such a pressure transformer makes use of a total of eight waves within one work game. The shaft 2 of FIG. 2 is replaced by the shafts 2 'and 2 ″ of FIG. 3, which are also shown in FIGS. 3a and 3b with the same reference numerals. The shaft 2' is again a relaxation wave and the shaft 2 "a wave of compression.
Likewise, the shaft 5 of FIG. 2 is replaced by the shafts 5 'and 5 ", the shaft 5' being a compression shaft and 5" being a thinning shaft. Before the start of waves 1, 2 ", 4 and 5" according to the. Points A1, A2, A4 and A5, of Figures 3a and 3b, the cell contents are respectively in Rulhe. These four waves are reflected at the other end of the cell, while the cell is still closed by an overlap.
According to FIG. 4, the overlaps can also be shortened so that their length is practically equal to the value zero, for example in order to reduce the dimensions of the machine. This embodiment makes. Use of four waves. within a work game. The control openings of the control organs are arranged in such a way that, in the course of a work cycle, each of these four waves reaches the end of the cell on the other side at the moment when it is connected to an inflow or outflow space. According to Fig. 4a. 11 a relaxation wave and 13 a compression wave. If, according to the same figure, 12 is a relaxation wave, soot 14 is a compression wave; conversely, if 12 according to FIG. 4b is a compression wave, 14 is a relaxation wave.
A pressure transformer according to FIG. 5 and the associated FIGS. 5a and 5b differs. differs from one according to FIG. 2 insofar as the shaft 4 is here a relaxation wave and 6 is a thickening wave. The Ent voltage wave 4 causes the escape of resources from the cell. Up to a certain value of the amplitude of this wave, the operating medium exiting into space 2n has a higher pressure than that at which it entered the cell from space 1v; so it has been condensed. The operating fluid that enters the cells at 2v and leaves them at ln has been depressurized. As a comparison with FIG. 2 shows, the shaft 4 arises at the other end of the cell. As shown in Fig. 2, the waves 2 and 5 pressure jumps must act in opposite directions be.
The overlaps aa 'and bb' can be lengthened as shown in FIG. 3 or shortened as shown in FIG. 4, whereas the overlaps cc 'and dd' are each fixed by the overlaps aa 'and bb' and by the path opposite the control members of waves 3 and 4 for cc 'and 6 and 1 for d-d'. - In contrast to the Druekti @ ansforniern according to Figs. 'To -1, such a one according to Fig. 5 lets the compressed operating medium escape at' '1t before the entry of the zii relaxing operating medium is effected at 2-v.
In a pressure transformer according to FIG. 6 and the associated FIGS. 6a and 6b, e5 is the ztt compressing operating medium coming from 1v, which enters the cells before the discharge of the relaxed operating medium is effected at 17i. Wave 1 is a compression wave and 3 is a thinning wave. Wave 1 causes the operating medium to enter the cells.
Up to a certain value of the amplitude of this wave, the operating medium entering the cells at 1v has a lower pressure than that at which it leaves them at 2n; so it has been condensed. The operating medium that enters the cells at 2v and leaves them at 1n has been relaxed. The same considerations apply to the overlaps marked in the same way as in FIG. 5.
If the UA diagrams belonging to FIGS. 2, 5 and 6 (FIGS. 2a, 2b, 5a, 5b and Eau, 6b) are compared with one another, it is readily apparent that the pressure transformer has to meet a wide variety of pressure ratios able. It is thanks to this advantageous fact that it can be used much more generally than the known pressure exchanger.
However, the pressure transformer allows even more application possibilities than have been described up to now, in that it can be used to compress one or more operating media while at the same time one or more operating media are relaxed in the same machine. For this purpose, additional pressure stages are provided in each embodiment according to FIGS. 2 to 6. 7 and 7a show, for example, how a resource that comes from the space 1va, and the same resource that comes at a higher pressure from the space 1v 'is compressed to the pressure in the space 2n, while at the same time another Be operating means is relaxed from the state in room 2v to that in room ln.
In a conventional compressor group consisting of a compressor V and a turbine T according to FIG. 7b, this task would be achieved with an auxiliary inlet on the compressor for the operating fluid from state 1v '.
In certain similar cases it is not necessary to provide further pressure ratings. If, for example, the two operating media are to be compressed from pressure p1v and p1v 'to pressure p2n, which is equal to pressure p1n at which the relaxed operating media exits, this is done by means of a pressure transformer according to FIGS. 8 and 8a. The two operating media with the same final pressures p2n = p1n emerge from the cells at one and the same control opening, which is only divided by a baffle L. In Fig. 8b it is again indicated how the task would be solved in a conventional turbo-driven compressor group.
In Drucktransformeri according to FIGS. 2 to 7, the operating means to be compressed enter and exit the cells at one and the same end, and the relaxed operating means at the opposite end. If the operating resources are to end at opposite cells or to exit, for example to simplify the laying of the pipelines in a system, a pressure transformer according to FIG. 2 is converted into one according to FIG. 9 and the associated diagrams (Fig. 9a or 9b) changed.
In these cases, the control openings are arranged in such a way that, in the course of one or more work cycles, at least one of the operating resources runs through the entire length of the cells, in such a way that it is fed to the pressure transformer at one end of the cell and removed from the other. In the case of a pressure transformer according to FIG. 8, only the operating medium to be relaxed enters and leaves the cells on the same side.