DE1094916B - Rotary wheel pressure exchanger - Google Patents

Rotary wheel pressure exchanger

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DE1094916B
DE1094916B DEP23891A DEP0023891A DE1094916B DE 1094916 B DE1094916 B DE 1094916B DE P23891 A DEP23891 A DE P23891A DE P0023891 A DEP0023891 A DE P0023891A DE 1094916 B DE1094916 B DE 1094916B
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pressure exchanger
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DEP23891A
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Inventor
John Percy Vickery
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Power Jets Research and Development Ltd
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Power Jets Research and Development Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00—Pressure exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/42—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with driven apparatus for immediate conversion of combustion gas pressure into pressure of fresh charge, e.g. with cell-type pressure exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/02—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using exhaust-gas pressure in a pressure exchanger to compress combustion-air

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
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Description

Zellenrad-Druckaustauscher Die Erfindung betrifft Zellenrad-Druckaustauscher, bei denen die Energie eines den Druckaustauscher durchströmenden Mediums in Bewegungsenergie umgesetzt wird, die das Zellenrad in Umlauf versetzt.Cell wheel pressure exchanger The invention relates to cell wheel pressure exchanger, in which the energy of a medium flowing through the pressure exchanger is converted into kinetic energy is implemented, which sets the cell wheel in circulation.

Die Bezeichnung »Druckaustauscher« ist nachstehend für eine Einrichtung verwendet, die Zellenräder mit einzelnen Zellen aufweist, in denen bestimmte Mengen eines Arbeitsmediums zur Expansion gebracht werden, wodurch bestimmte Mengen eines anderen Arbeitsmediums, das innerhalb dieser Zellen in unmittelbarer Berührung mit dem erstgenannten Arbeitsrnedium ist, komprimiert werden, und die ferner Zu-und Abführungskanäle aufweist, durch welche die Arbeitsmedien den einzelnen Zellen unter verschiedenen Drücken im wesentlichen stetig zugeführt werden, und die endlich eine zusätzliche Einrichtung aufweist, mit deren Hilfe eine gegenseitige Relativbewegung zwischen den Zellen und den Zu- und Ableitungskanälen herbeigeführt wird.The term »pressure exchanger« is used below for a device used, which has cell wheels with individual cells in which certain quantities of a working medium are made to expand, whereby certain amounts of a other working medium that is in direct contact with within these cells the first-mentioned working medium is to be compressed, and the further supply and Has discharge channels through which the working media under the individual cells different pressures are essentially continuously supplied, and the finite one has additional device, with the help of which a mutual relative movement is brought about between the cells and the inlet and outlet channels.

Im vorliegenden Fall sind die einzelnen Zellen auf einem Rotor angeordnet, der gemeinhin als das »Zellenrad« bezeichnet wird.In the present case, the individual cells are arranged on a rotor, which is commonly referred to as the "cellular wheel".

Es ist bereits bekannt, die Zellenräder von Druckaustauschern dadurch selbstantreibend zu gestalten, daß die im allgemeinen radial verlaufenden Zellenwände mit einer Krümmung nach Art von Turbinenschaufeln versehen sind. Derartige Anordnungen haben eine ganze Anzahl von Vorteilen, sie weisen jedoch auch einige Nachteile auf, die insbesondere in verschlechterten Wirkungsgraden sowohl in der Funktion als Druckaustauscher als auch in der Funktion als Turbine ihren Niederschlag finden; dies wiederum rührt von Eintritts- und Austrittsverlusten her. Unter bestimmten Umständen sind derartige Druckaustauscher-Rotoren auch schwierig herzustellen.It is already known that the cell wheels of pressure exchangers thereby to make self-propelled that the generally radially extending cell walls are provided with a curvature in the manner of turbine blades. Such arrangements have a number of advantages, but they also have some disadvantages, in particular in poorer efficiency both in the function as a pressure exchanger as well as its function as a turbine; this in turn stirs from entry and exit losses. Under certain circumstances, there are Pressure exchanger rotors also difficult to manufacture.

Die Mängel der bekannten Zellenrad-Druckaustauscher der eingangs erwähnten Art werden entsprechend der Erfindung dadurch beseitigt, daß die Energieumsetzung außerhalb der Zellen des Zellenrads an dessen Außenumfang erfolgt.The shortcomings of the known cellular wheel pressure exchangers mentioned at the beginning Art are eliminated according to the invention in that the energy conversion takes place outside the cells of the cellular wheel on its outer circumference.

Ein derartiger Druckaustauscher kann eine die Zellen des. Zellenrads außen begrenzende Mantelwand aufweisen, die an ihrer Außenseite mit einer Beschaufelung versehen ist.Such a pressure exchanger can be one of the cells of the cell wheel have externally delimiting jacket wall, which on its outside with a blading is provided.

Gemäß der Erfindung kann weiterhin am Stator des Druckaustauschers eine mit der Beschaufelung des Zellenrads zusammenwirkende feststehende Leitbeschaufelung angeordnet sein.According to the invention, the stator of the pressure exchanger can also be used a stationary guide vanes cooperating with the vanes of the star feeder be arranged.

Die - wie an sich bekannt - feststehend ausgebildeten Endplatten des Druckaustauschers können gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung für die Zu- und Abführung des Arbeitsmediums zu und von der Bescha.ufelung Einlaß- und/oder Auslaßöffnungen aufweisen. Weiterhin kann ein von der Turbinenbeschaufelung abführender Auslaßkanal mit dem Auslaßkanal einer Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers derart verbunden sein, daß er als die Spülung der Zellen des Zellenrads in dieser Spülstufe unterstützender Ejektor wirkt.The - as known per se - fixedly designed end plates of the Pressure exchanger can according to a further feature of the invention for the supply and discharge of the working medium to and from the procurement inlet and / or Have outlet openings. Furthermore, a discharge from the turbine blading Outlet channel with the outlet channel of a low-pressure flushing stage of the pressure exchanger be connected in such a way that it is used as the flushing of the cells of the rotary valve in this The ejector supporting the flushing stage is effective.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf die Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es stellt dar Fig. 1 einen Halbschnitt eines Druckaustauschers nach der Erfindung in Form einer Turbine und Fig.2 einen Halbschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Druckaustauschers ähnlich der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.Two embodiments of the invention will now be made with reference to FIG the drawing described for example. It shows Fig. 1 a half section a pressure exchanger according to the invention in the form of a turbine and FIG Half section through a modified embodiment of a pressure exchanger similar the embodiment shown in FIG.

Der in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Druckaustauscher weist ein umlaufendes Zellenrad mit radial gerichteten Zellenwänden auf, von denen eine bei 1 angedeutet ist. Die Zellen des Zellenrads sind an seinem Außenumfang durch eine Mantelwand2 abgeschlossen, an der eine dreikränzige Turbinenbeschaufelung3 angeordnet ist. An den beiden Enden der Mantelwand 2 sind Labyrinthdichtungen 4 angeordnet.The pressure exchanger shown in FIG. 1 of the drawing has a rotating cellular wheel with radially directed cell walls, one of which is indicated at 1. The cells of the bucket wheel are closed off on its outer circumference by a jacket wall 2 on which a three-ring turbine blade 3 is arranged. Labyrinth seals 4 are arranged at the two ends of the jacket wall 2.

Dieser Rotor wird von einer Statorkonstruktion umschlossen, die von zwei teleskopartig ineinandergreifenden Gehäuseteilen 5 und 6 gebildet wird, deren Innenteil s eine vierkränzige Leitbeschaufelung7 aufweist. Der Innenteil 5 ist mittels eines Flansches 8 an der Endplatte 9 des Druckaustauschers befestigt, während in gleicher Weise der Außenteil 6 mittels eines Flansches 10 an der anderen Endplatte 11 des Druckaustauschers befestigt ist. Die Endplatten 9 und 11 weisen Durchtrittsöffnungen 12 und 13 auf, durch die das Arbeitsmedium in die Zellen des Zellenrads eintreten und aus ihnen austreten kann. Die genaue Anordnung der Durehtrittsöffnungen hängt von dem Zweck ab, für den der jeweilige Druckaustauscher bestimmt ist. Der Innenteil 5 und die Endplatte 9 sind mit aufeinander ausgerichteten Kanälen 14 und 15 versehen, die von einer das Arbeitsmedium liefernden Quelle zur Turbinenbeschaufelung führen. Die Abgase verlassen die letzte Leitschaufelreihe 7 über Kanäle 14A (von denen in der Zeichnung nur einer dargestellt ist) und gelangen von da in einen Ringraum 14B, der sich zwischen dem Innenteil 5 und dem Außentei16 des Druckaustauscher-Stators erstreckt. Eine Anzahl von Austrittsöffnungen 16 (von denen wiederum in der Zeichnung nur eine dargestellt ist) in dem Außenteil 6 verbindet den Ringraum 14B mit einem Abgaskanal17. Die Betriebsweise des Zellenrads hängt von der Anordnung der Einlaß- und Austrittsöffnungen 12 und 13 ab. Das durch die Kanäle 15 und 14 einströmende Arbeitsmedium beaufschlagt der Reihe nach die einzelnen Schaufelkränze 3 der Turbine. Dadurch wird das Zellenrad in Umlauf versetzt, wobei das gegebenenfalls kalte Arbeitsmedium gleichzeitig dazu dient, die Mantelwand 2 des Zellenrads zu kühlen. Die von der Turbine abströmenden Abgase gelangen über die Kanäle 14A und den Ringraum 14 B zu den Austrittsöffnungen 16 und von dort in den Abgaskanal 17. Ein unerwünschtes Abströmen von Arbeitsmedium durch den Spalt zwischen Turbine und Zellenrad wird durch die Labyrinthdichtungen 4 in erträglichen Grenzen gehalten.This rotor is enclosed by a stator construction which is formed by two telescopically interlocking housing parts 5 and 6, the inner part s of which has four-ring guide vanes7. The inner part 5 is fastened to the end plate 9 of the pressure exchanger by means of a flange 8, while in the same way the outer part 6 is fastened to the other end plate 11 of the pressure exchanger by means of a flange 10. The end plates 9 and 11 have passage openings 12 and 13 through which the working medium can enter and exit the cells of the cellular wheel. The exact arrangement of the passage openings depends on the purpose for which the respective pressure exchanger is intended. The inner part 5 and the end plate 9 are provided with aligned channels 14 and 15 which lead from a source supplying the working medium to the turbine blading. The exhaust gases leave the last row of guide vanes 7 via channels 14A (only one of which is shown in the drawing) and from there enter an annular space 14B which extends between the inner part 5 and the outer part 16 of the pressure exchanger stator. A number of outlet openings 16 (of which in turn only one is shown in the drawing) in the outer part 6 connects the annular space 14B to an exhaust gas channel 17. The mode of operation of the star feeder depends on the arrangement of the inlet and outlet openings 12 and 13. The working medium flowing in through the channels 15 and 14 acts on the individual blade rings 3 of the turbine one after the other. As a result, the bucket wheel is set in circulation, the possibly cold working medium at the same time serving to cool the jacket wall 2 of the bucket wheel. The exhaust gases flowing out of the turbine pass through the channels 14A and the annular space 14B to the outlet openings 16 and from there into the exhaust gas channel 17. An undesired outflow of working medium through the gap between the turbine and the bucket wheel is kept within tolerable limits by the labyrinth seals 4.

Bei der in der Fig.2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind Teile, die ähnlichen Teilen der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung gleichen, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Bei dieser Konstruktion gelangen die Turbinenabgase, anstatt über die Austrittsöffnungen 16 aus dem Druckaustauscher auszutreten, über in dem Innenteil 5 angeordnete Kanäle 18 in im Flansch 10 angeordnete Kanäle 19 und dann in in der Endplatte 11 angeordnete Kanäle 20. In der Zeichnung ist von diesen Kanälen 18, 19 und 20 jeweils nur ein einziger Kanal dargestellt. Ein Teil der Kanäle 20 endigt jeweils als Ejektor 21 in einem Abgaskanal 22 der Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers.In the embodiment of the invention shown in FIG. 2 of the drawing, parts that are similar to parts of the embodiment of the invention shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. With this construction, instead of exiting the pressure exchanger via the outlet openings 16, the turbine exhaust gases pass through channels 18 arranged in the inner part 5 into channels 19 arranged in the flange 10 and then into channels 20 arranged in the end plate 11. The drawing shows these channels 18, 19 and 20 each show only a single channel. Some of the channels 20 each end as an ejector 21 in an exhaust gas channel 22 of the low-pressure flushing stage of the pressure exchanger.

Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung wird in gleicher Weise wie die in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der Erfindung betrieben, doch verlassen bei dieser Ausführungsform die Turbinenabgase die Turbine über die Kanäle 18, 19 und 20 und haben folglich in bezug auf den Auslaßkanal22 der Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers eine Ejektorwirkung.The embodiment of the invention shown in FIG. 2 is in the same way as the embodiment shown in FIG. 1 of the drawing operated according to the invention, but leave the turbine exhaust in this embodiment the turbine via the channels 18, 19 and 20 and consequently have with respect to the outlet channel 22 the low-pressure flushing stage of the pressure exchanger has an ejector effect.

Bei beiden dargestellten Ausführungsformen der Erfindung können die Beschaufelungen 3 und 7 jeweils ein gemeinsames Teil mit denjenigen Bauelementen bilden, an denen sie angeordnet sind, sie können aber auch getrennt für sich hergestellt sein und durch Zusammenbau in den betreffenden Lagen an den betreffenden Bauelementen angeordnet werden.In both illustrated embodiments of the invention, the Blades 3 and 7 each have a common part with those components form on which they are arranged, but they can also be made separately for themselves and by assembling in the relevant positions on the relevant components to be ordered.

Das die Energieumsetzung durchmachende Arbeitsmedium kann vom Druckaustauscher-Kreislauf abgeleitet werden oder aber es kann von einer äußeren Quelle herrühren. Falls die Heißgas-Eintrittsöffnung und die Heißgas-Austrittsöffnung des Druckaustauschers an der gleichen Rotorstirnseite liegen, kann die kalte Seite der Energieumsetzungsanordnung so angeordnet werden, daß sie in der Nähe der heißen Seite des Rotors liegt. Die Anordnung zur Energieumsetzung liegt dann sozusagen »in thermischem Gegenstrom« in bezug auf die Durchströmungsrichtung des Arbeitsmediums innerhalb der Rotorzellen.The working medium undergoing the energy conversion can be taken from the pressure exchanger circuit or it can come from an external source. if the Hot gas inlet opening and the hot gas outlet opening of the pressure exchanger lie on the same rotor front side, the cold side of the energy conversion arrangement can be arranged so that it is close to the hot side of the rotor. the The arrangement for converting energy is then, so to speak, "in thermal countercurrent" in relation to the direction of flow of the working medium within the rotor cells.

Die Erfindung ist sowohl auf Axial-Druckaustauscher als auch auf Radial-Druckaustauscher anwendbar. An der Außenummantelung des Druckaustauscherrotors kann an Stelle der oben beschriebenen Turbinenbeschaufelung auch eine Verdichterrotorbe chaufelung angeordnet sein. Ebenso können sowohl Turbinenbeschaufelungen und Kompressorbeschaufelungen gleichzeitig am Außenmantel des Zellenrads angeordnet sein.The invention applies to both axial pressure exchangers and radial pressure exchangers applicable. On the outer casing of the pressure exchanger rotor, instead of the Turbine blading described above also includes a compressor rotor blading be arranged. Turbine blades and compressor blades can also be used be arranged at the same time on the outer jacket of the cellular wheel.

Anordnungen nach der Erfindung können als Antriebsmaschinen, Lader und Gasgeneratoren sowie für alle anderen Zwecke Anwendung finden, für die sonst selbstgetriebene Druckaustauscher Anwendung finden können.Arrangements according to the invention can be used as prime movers, loaders and gas generators as well as for all other purposes for which otherwise self-propelled pressure exchangers can be used.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Zellenrad-Druckaustauscher, bei dem die Energie eines den Druckaustauscher durchströmenden Mediums in Bewegungsenergie umgesetzt wird, die das Zellenrad in Umlauf versetzt oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumsetzung außerhalb der Zellen (1) des Zellenrades an dessen Außenumfang erfolgt. PATENT CLAIMS: 1. Rotary wheel pressure exchanger in which the energy of a medium flowing through the pressure exchanger converted into kinetic energy which sets the cellular wheel in rotation or vice versa, characterized in that that the energy conversion outside the cells (1) of the cellular wheel on its outer circumference he follows. 2. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Zellen (1) des Zellenrades außen begrenzende Mantelwand (2) an ihrer Außenseite mit einer Beschaufelung (3) versehen ist. 2. Pressure exchanger according to claim 1, characterized in that one the Cells (1) of the bucket wheel externally delimiting jacket wall (2) on its outside is provided with a blading (3). 3. Druckaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Stator (6, 8) des Druckaustauschers eine mit der Beschaufelung (3) des Zellenrades zusammenwirkende feststehende Leitbeschaufelung (7) angeordnet ist. 3. Pressure exchanger according to claim 2, characterized in that on the stator (6, 8) of the pressure exchanger with the blading (3) of the cellular wheel cooperating fixed guide blades (7) is arranged. 4. Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und mit feststehenden Endplatten, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Endplatten (9, 11) des Druckaustauschers für die Zu- und Abführung des Arbeitsmediums zu und von der Beschaufelung (3) Einlaß- (15) und/oder Auslaßöffnungen (20) aufweisen. 4. Pressure exchanger according to one of claims 1 to 3 and with fixed End plates, characterized in that the fixed end plates (9, 11) of the Pressure exchanger for supplying and removing the working medium to and from the blading (3) have inlet (15) and / or outlet openings (20). 5. Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Turbinenbeschaufelung (3, 7) abführender Auslaßkanal (18, 19, 20) mit dem Auslaßkanal (22) einer Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers derart verbunden ist, daß er als die Spülung der Zellen des Zellenrades in dieser Spülstufe unterstützender Ejektor wirkt (Fig.2). 5. Pressure exchanger according to one of claims 2 to 4, characterized in that one of the turbine blades (3, 7) discharging outlet channel (18, 19, 20) with the outlet channel (22) of a low-pressure flushing stage of the pressure exchanger is connected in such a way that it acts as the flushing of the cells of the The ejector supporting the ejector in this rinsing stage acts (Fig. 2). 6. Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Turbinenbeschaufelung (3, 7) durchsetzende Arbeitsmittel vom Druckaustauscher-Kreislauf abgezapft ist. 6. Pressure exchanger according to one of claims 2 to 5, characterized in that the turbine blades (3, 7) permeating working medium is tapped from the pressure exchanger circuit. 7. Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Turbinenbeschaufelung (3, 7) durchsetzende Arbeitsmittel in thermischem Gegenstrom zu dem die Zellen des Zellenrades durchsetzenden Arbeitsmittel strömt. B. 7. Pressure exchanger according to one of claims 2 to 6, characterized in that the working fluid passing through the turbine blades (3, 7) in thermal Countercurrent flows to the working medium penetrating the cells of the cellular wheel. B. Druckaustauscher nach Anspruch 3 und bei dem das feststehende Gehäuse von teleskopartig ineinanderliegenden Gehäuseteilen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Leitbeschaufelung (7) an deren Innenteil (5) angeordnet ist. Pressure exchanger according to claim 3 and in which the fixed housing telescopically nested Housing parts is formed, characterized in that the fixed guide vanes (7) is arranged on the inner part (5). 9. Druckaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Turbinenbeschaufelung (3,7) abführender Auslaßkanal (18) mit einem in dem äußeren Teil (6) der teleskopartig ineinanderliegenden Gehäuseteile (5, 6) angeordneten Auslaßkanal (19, 20) Verbindung hat (Fig. 2). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 902 772; schweizerische Patentschrift Nr. 330610; britische Patentschrift Nr.744162.9. Pressure exchanger according to claim 8, characterized in that an outlet channel (18) leading away from the turbine blading (3.7) with an outlet channel (19, 20) arranged in the outer part (6) of the telescopically nested housing parts (5, 6) Connection (Fig. 2). Documents considered: German Patent No. 902 772; Swiss Patent No. 330610; British Patent No. 744162.
DEP23891A 1958-11-25 1959-11-17 Rotary wheel pressure exchanger Pending DE1094916B (en)

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