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.
Pressure wave machine The invention relates to a pressure wave machine for gaseous media, in which the Läu consisting of at least the shaft, hub, cell walls and jacket moves in a stationary housing composed of central part and side parts, with means being provided to maintain an at least approximately constant length of the rotor and the middle part of the housing in every operating state and regardless of the temperature of the media, whereby the axial play between the rotor and the side parts of the housing remains approximately constant.
As stated in the main patent, it is necessary for the proper functioning of the pressure wave machine and to achieve a good level of efficiency to limit the leakage losses at the end faces of the rotor to a minimum, i.e. a very small axial play between the rotor and the sides of the housing must be maintained.
To achieve this goal, it was further proposed, for example, to absorb the thermal expansions of the rotor and the middle part of the housing inward by dividing the rotor so that the cell walls can move axially against each other, and a wellenför shaped compensation piece is used in the middle part . However, these designs are structurally complicated and therefore expensive, and various problems in terms of strength can also arise.
According to the invention, another solution to the problem posed consists in that the rotor and the housing center part consist of an alloy with a very small average coefficient of thermal expansion.
The invention is explained in more detail with reference to the associated drawing, for example, which shows, in an axial section, the usual structure of a pressure wave machine, such as is used, for example, for charging diesel engines.
The rotor 1 rotates in the stator, which consists of the air housing 2, the gas housing 3 and the housing middle part 4. It is overhung in the air housing 2. The high-energy gas enters the gas housing 3 at 5, releases part of its energy to the air in the rotor 1 and exits again at 6. The air enters the air housing 2 at 7, is compressed in the rotor 1 and exits the air housing again (not shown in the drawing) perpendicular to the plane of the drawing. It is inevitable that leakage - gas or air - flows through the gaps between the rotor front sides and the side parts of the housing.
The gap a between the rotor 1 and the air housing 2 can be kept very small, since the thrust bearing 8 is close to the rotor and any expansion differences that occur are insignificant. It is much more difficult on the gas side, where the expansion of the hot cell walls has its full effect. The gap b is determined by the expansion difference between the rotor 1 and the middle part of the housing 4. When the hot gas flows through the cells when the pressure wave machine starts up, the rotor expands against the gas housing 3 according to the temperature and the coefficient of thermal expansion of its material .
The gap b becomes smaller because the housing middle part 4 cannot follow so quickly, since it is mainly heated by the leakage. After a certain time, the gap b reaches its smallest value, which is decisive for the assembly clearance of the cold machine, because the rotor must not touch the housing under any circumstances and in any case of operation. Unfortunately, the gap b does not remain at the smallest value, but increases again, because the middle part of the housing continues to warm up, so that the gap can even be larger than it was when the machine was cold.
This is where the present invention begins. To avoid the large and, above all, variable differences in thermal expansion, the rotor and the middle part of the housing are made from an alloy with a very low mean coefficient of thermal expansion. It should be below 8-10-13 mm / mm C in the temperature range between 0 and 350 C.
The commercial nickel-iron alloys with controlled expansion behavior, which contain between 36 and 54% nickel, are particularly suitable for this purpose. The known nickel-cobalt-iron alloys are also suitable for this in terms of thermal expansion behavior. Quartz would be an excellent material, but manufacturing difficulties oppose practical application.
The low coefficients of thermal expansion of the alloys mentioned occur only in a limited temperature range, which is greater, the higher the nickel content. Above a critical temperature, the elongation values increase very sharply, for example to the value of carbon steel. Nevertheless, these materials can be used with advantage for pressure wave machines, because the mean temperature of the rotor is much lower than the temperature of the hot gases because of the alternating exposure of the rotor to hot and cold gases.
Especially when starting up, it passes through the low temperature ranges, so it is precisely at this point that full benefits can be drawn from the alloys with a low coefficient of thermal expansion.
This property can be used even further - especially when the runner has to work in a higher temperature range - by delaying the runner's heat absorption. A simple means of doing this is to coat the rotor with a material with a low coefficient of thermal conductivity, such as that used e.g. of glass or ceramics is known. Enamel layers that can be worn very thinly are particularly suitable as a heat-insulating coating.
The insulating effect is then lower, but in conjunction with the nickel alloy it is sufficient to give the housing center part enough time to warm up, because the thermal expansion of the rotor is not only reduced by its lower temperature, but also by the lower temperature Temperature lower thermal expansion coefficients.
The middle part of the housing is usually not provided with a coating because, as the colder component, it should be able to absorb the heat unhindered. However, it is possible to influence its stretching behavior by partially covering it with an insulating coating. The runner's shroud also remains unclothed on the outside so as not to make it more difficult for the heat to be radiated to the surrounding housing.
Because of the only small changes in length of the runner and the middle part of the housing, the change in the gap width between the runner and the gas housing is also reduced. The gap can therefore be chosen from the outset to be smaller and is therefore relatively small even in the steady-state operating state. The leakage losses are smaller and the efficiency increases.
When using the pressure wave machine to supercharge diesel engines, it is possible to expand the operating range of the engine considerably, since the achievable compression pressure ratio of the air is considerably increased, especially in the lower speed range, due to the lower leakage losses, which is up to 10% can make out.