Druckwellenmaschine Die Erfindung betrifft eine Druckwellenmaschine für gasförmige Medien, bei der sich der aus mindestens Welle, Nabe, Zellenwänden und Mantel bestehende Läu fer in einem feststehenden, aus Mittelteil und Seitenteilen zusammengesetzten Gehäuse bewegt, wobei Mittel vorge sehen sind zur Einhaltung einer zumindest annähernd konstanten Länge des Läufers und des Gehäuse-Mittel- teils bei jedem Betriebszustand und unabhängig von der Temperatur der Medien, wodurch das Axialspiel zwi schen dem Läufer und den Seitenteilen des Gehäuses annähernd konstant bleibt.
Wie im Hauptpatent dargelegt wurde, ist es für das einwandfreie Funktionieren der Druckwellenmaschine und zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades erfor derlich, die Leckageverluste an den Stirnseiten des Läu fers auf ein Minimum zu beschränken, d.h. ein sehr kleines Axialspiel zwischen dem Läufer und den Seiten teilen des Gehäuses einzuhalten.
Zur Erreichung dieses Zieles wurde beispielsweise weiter vorgeschlagen, die Wärmedehnungen des Läufers und des Gehäuse-Mittel- teils nach innen aufzunehmen, indem der Läufer geteilt wird, so dass sich die Zellenwände axial gegeneinander verschieben können, und in den Mittelteil ein wellenför miges Kompensationsstück eingesetzt wird. Diese Aus führungen sind aber konstruktiv kompliziert und daher teuer, auch können festigkeitsmässig verschiedene Pro bleme auftreten.
Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass der Läufer und der Gehäu- se-Mittelteil aus einer Legierung mit sehr kleinem mittle rem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.
Die Erfindung wird anhand der zugehörigen Zeich nung beispielsweise näher erläutert, die in einem Axial schnitt schematisch den üblichen Aufbau einer Druck wellenmaschine zeigt, wie sie beispielsweise zur Aufla- dung von Dieselmotoren Verwendung findet.
Der Läufer 1 dreht sich im Stator, der aus dem Luftgehäuse 2, dem Gasgehäuse 3 und dem Gehäuse- Mittelteil 4 besteht. Er ist im Luftgehäuse 2 fliegend gelagert. Das energiereiche Gas tritt bei 5 in das Gasge- häuse 3 ein, gibt im Läufer 1 einen Teil seiner Energie an die Luft ab und tritt bei 6 wieder aus. Die Luft tritt bei 7 in das Luftgehäuse 2 ein, wird im Läufer 1 verdichtet und tritt (in der Zeichnung nicht dargestellt) senkrecht zur Zeichenebene aus dem Luftgehäuse wieder aus. Dabei ist es unvermeidlich, dass Leckage - Gas oder Luft - durch die Spalte zwischen den Läuferstirnseiten und den Seitenteilen des Gehäuses strömt.
Der Spalt a zwischen Läufer 1 und Luftgehäuse 2 kann sehr klein gehalten sein, da das Axiallager 8 nahe dem Läufer liegt und auftretende Dehnungsdiffe renzen unbedeutend sind. Wesentlich schwieriger ist es auf der Gasseite, wo sich die Dehnungen der heissen Zellenwände voll auswirken. Der Spalt b wird bestimmt durch die Dehnungsdifferenz zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse-Mittelteil 4. Wenn beim Anfahren der Druckwellenmaschine das heisse Gas die Zellen durch strömt, dehnt sich der Läufer entsprechend der Tempera tur und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten seines Werkstoffes gegen das Gasgehäuse 3 aus.
Der Spalt b wird kleiner, weil der Gehäuse-Mittelteil 4 nicht so rasch folgen kann, wird er doch hauptsächlich durch die Leckage erwärmt. Nach einer gewissen Zeit erreicht der Spalt b seinen kleinsten Wert, der für das Montagespiel der kalten Maschine massgebend ist, denn der Läufer darf unter keinen Umständen und in keinem Betriebsfall am Gehäuse anstreifen. Leider bleibt der Spalt b nicht auf dem kleinsten Wert, sondern er nimmt wieder zu, denn der Gehäuse-Mittelteil wärmt sich weiter auf, so dass der Spalt sogar grösser werden kann, als er im kalten Zustand der Maschine war.
Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein. Zur Vermeidung der grossen und vor allem variablen Wärme dehnungsunterschiede werden Läufer und Gehäuse-Mit- telteil aus einer Legierung mit sehr kleinem mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Er soll im Temperaturbereich zwischen 0 und 350 C unter 8 - 10-13 mm/mm C liegen.
Es kommen dafür vor allem die handelsüblichen Nickel-Eisen-Legierungen mit kon trolliertem Ausdehnungsverhalten in Betracht, die zwi- sehen 36 und 54% Nickel enthalten. Auch die bekannten Nickel-Kobalt-Eisen-Legierungen sind bezüglich Wärme ausdehnungsverhalten dafür geeignet. Als vorzüglicher Werkstoff käme Quarz in Frage, doch stehen Herstel- lungs-Schwierigkeiten der praktischen Anwendung entge gen.
Die niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten der genannten Legierungen treten jedoch nur in einem be schränkten Temperaturbereich auf, der um so grösser ist, je höher der Nickelgehalt ist. Über einer kritischen Temperatur steigen die Dehnungswerte sehr stark an, etwa auf den Wert des Kohlenstoffstahls. Trotzdem können diese Werkstoffe mit Vorteil für Druckwellenma- schinen angewendet werden, da wegen der abwechseln den Beaufschlagung des Läufers durch heisse und kalte Gase dessen mittlere Temperatur viel tiefer liegt als die Temperatur der heissen Gase.
Besonders beim Anfahren durchläuft er die tiefen Temperaturbereiche, es kann also gerade dabei voller Nutzen aus den Legierungen mit kleinem Wärmedehnungskoeffizienten gezogen wer den.
Diese Eigenschaft kann noch weiter ausgenützt wer den - vor allem dann, wenn der Läufer in einem höheren Temperaturgebiet arbeiten muss -,indem die Wärmeauf nahme des Läufers verzögert wird. Ein einfaches Mittel dafür ist ein Überzug des Läufers aus einem Werkstoff mit kleiner Wärmeleitzahl, wie sie z.B. von Glas oder Ke ramik bekannt ist. Als wärmeisolierender Überzug sind vor allem Emailschichten geeignet, die sehr dünn aufge tragen werden können.
Die Isolierwirkung ist dann zwar geringer, sie genügt aber im Zusammenwirken mit der Nickellegierung, um dem Gehäuse-Mittelteil genügend Zeit zur Aufwärmung zu geben, denn die Wärmedehnung des Läufers wird nicht nur durch seine tiefere Tempera tur vermindert, sondern auch durch den bei der tieferen Temperatur geringeren Wärmeausdehnungskoeffizien- ten.
Der Gehäuse-Mittelteil wird üblicherweise mit kei nem Überzug versehen, denn als der kältere Bauteil soll er die Wärme unbehindert aufnehmen können. Es ist aber möglich, sein Dehnverhalten zu beeinflussen, indem er teilweise mit einem isolierenden Überzug bedeckt wird. Auch das Deckband des Läufers bleibt an der Aussensei te unbekleidet, um die Wärmeabstrahlung an das umge bende Gehäuse nicht zu erschweren.
Wegen der nur kleinen Längenänderungen des Läu fers und des Gehäuse-Mittelteils verringert sich auch die Änderung der Spaltbreite zwischen dem Läufer und dem Gasgehäuse. Der Spalt kann daher von vornherein klei ner gewählt werden und ist somit auch im stationären Betriebszustand verhältnismässig klein. Die Leckverluste werden kleiner und der Wirkungsgrad steigt an.
Bei der Verwendung der Druckwellenmaschine zur Aufladung von Dieselmotoren ist es möglich, den Betriebsbereich des Motors erheblich zu erweitern, da wegen der geringe ren Leckverluste das erreichbare Verdichtungsdruck verhältnis der Luft, besonders im tieferen Drehzahlbe- reich, beträchtlich erhöht wird, was bis zu 10% ausma- chen kann.