DE1274411B - Rotary wheel pressure exchanger - Google Patents
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Description
Zellenrad-Druckaustauscher Die Erfindung betrifft Druckaustauscher zur Verdichtung von Gasen mittels expandierender Arbeitsgase. Der hierbei stattfindende Druckaustausch findet in den Zellen des Druckaustauscher-Zellenrads statt.Rotary wheel pressure exchanger The invention relates to pressure exchangers for compressing gases by means of expanding working gases. The one taking place here Pressure exchange takes place in the cells of the pressure exchanger rotary valve.
Beispielsweise ist es aus der Zeitschrift »The Oil Engine and Gas Turbine«, Februar 1958, bekannt, bei derartigen Anordnungen das sich expandierende Gas aus einer Brennkammer zu beziehen, welche zwischen je einer Auslaßöffnung und einer Einlaßöffnung der Endplatten des Druckaustauschers angeordnet ist.For example, it's from The Oil Engine and Gas magazine Turbine ”, February 1958, known that with such arrangements the expanding To obtain gas from a combustion chamber, which is between an outlet opening and an inlet opening of the end plates of the pressure exchanger is arranged.
Bei den bekannten Druckaustauschern dieser Art sind jedoch die jeweils mit der Brennkammer bzw. einer anderen Gaserhitzungseinrichtung verbundenen Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen jeweils auf einander gegenüberliegenden Seiten des Zellenrads in den Endplatten angeordnet, so daß der Zustand des auf der Ausgangsseite der Brennkammer befindlichen Gases auf das in die Brennkammer eintretende Gas keinen Einfluß nehmen kann. Bei der im allgemeinen anzutreffenden hohen Strömungsgeschwindigkeit wird bei den bekannten Druckaustauschern der oben beschriebenen Art nicht immer eine vollständige Verbrennung erzielt, so daß jeweils ein ganz bestimmtes Mischungsverhältnis von Brennmittel und Luft eingehalten werden muß.In the known pressure exchangers of this type, however, are in each case with the combustion chamber or another gas heating device connected inlet or outlet openings on opposite sides of the cellular wheel placed in the end plates so that the state of the on the exit side of the combustion chamber the gas that is present on the gas entering the combustion chamber can. At the high flow velocity generally encountered, in the known pressure exchangers of the type described above, not always one complete combustion achieved, so that each a very specific mixing ratio fuel and air must be adhered to.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei mit einer Brennkammer zusammenwirkenden Druckaustauschern in einem weiten Bereich des Mischungsverhältnisses von Brennmittel und Luft eine vollständige Verbrennung zu erzielen.The object is to be achieved by the invention with a Combustion chamber cooperating pressure exchangers in a wide range of the mixing ratio of fuel and air to achieve complete combustion.
Im Sinn der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Zellenrad-Druckaustauscher aus, dessen Zellenrad eine Vielzahl stirnseitig offener, ringförmig angeordneter Radzellen aufweist und zwischen beidseitig angeordneten, mit Einlaß- und Auslaßöffnungen versehenen Endplatten umläuft, von welchen mindestens eine mit einer Einlaßöffnung zur Zuführung eines Strömungsmittels aus einer Brennkammer in die Zellenradzellen hinein und mit einer Auslaßöffnung zur Abführung von Strömungsmittel aus den Zellenradzellen heraus in die genannte Brennkammer versehen ist. Ein derartiger Druckaustauscher ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß diese beiden Öffnungen derart in einer Endplatte angeordnet sind, daß sie nur durch einen schmalen Steg dieser Endplatte voneinander getrennt sind.In terms of solving this problem, the invention is based on a cellular wheel pressure exchanger whose cell wheel has a large number of open ends arranged in a ring Has wheel cells and arranged between both sides, with inlet and outlet openings provided end plates, of which at least one with an inlet opening for supplying a fluid from a combustion chamber into the cellular wheel cells inside and with an outlet opening for the discharge of fluid from the cellular wheel cells is provided out into said combustion chamber. Such a pressure exchanger is characterized according to the invention in that these two openings such are arranged in an end plate that they only through a narrow web of this End plate are separated from each other.
Durch diese Ausbildung des erfindungsgemäßen Druckaustauschers wird erreicht, daß sich zwischen den genannten Öffnungen der einen Endplatte über das Brennkammersystem und die Zellenradzellen eine Kreisströmung ausbildet, in welcher ein stark mit Brennmittel angereichertes Gas zirkuliert, so daß genügend Zeit für eine vollständige Verbrennung auch bei in weiten Grenzen schwankendem Mischungsverhältnis zwischen Brennmittel und Luft verbleibt. überdies wird der Vorteil erzielt, daß nur eine einmalige Zündung erforderlich ist, wonach die Verbrennung sich selbst unterhält.This design of the pressure exchanger according to the invention is achieved that between said openings of one end plate via the Combustion system and the bucket wheel cells form a circular flow in which a highly fuel-enriched gas circulates so that there is enough time for complete combustion even if the mixing ratio fluctuates within wide limits remains between the fuel and the air. moreover, the advantage is achieved that only a single ignition is required, after which the combustion is self-contained entertains.
Unter Brennkammer sei in den nachstehenden Ausführungen und den Ansprüchen auch ein Teil eines Kanalsystems verstanden, welches eine Brennstoffeinspritzeinrichtung und gegebenenfalls eine Zündeinrichtung enthält. Druckaustauscher der erfindungsgemäßen Bauart sind mit Vorteil in Turbinenanlagen verwendbar und sind in diesem Fall zwischen der Turbine und dem Verdichter angeordnet.Under combustion chamber is in the following statements and the claims also understood a part of a channel system, which a fuel injector and optionally contains an ignition device. Pressure exchanger of the invention Design can be used with advantage in turbine systems and are in this case between the turbine and the compressor arranged.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf die Schemazeichnungen im einzelnen beispielsweise beschrieben. In diesen stellt dar F i g. 1 eine auseinandergezogene schematische perspektivische Ansicht eines Druckaustauschers nach einer Ausführungsform der Erfindung, F i g. 2 ein Abwicklungsschema des in F i g. 1 dargestellten Druckaustauschers, in welchem zum Zweck der besseren Deutlichkeit die Zellenwandungen des Druckaustauscher-Zellenrads weggelassen sind, F i g. 3, 4 und 5 weitere Abwicklungsschemen von Druckaustauschern gemäß abgewandelter Ausführungsformen nach der Erfindung, in welchem wiederum zum Zweck der deutlicheren Darstellung die Zellenwandungen der Druckaustauscher-Zellenradzellen weggelassen sind, F i g. 6 eine Teil-Stirnansicht eines Druckaustauscher-Zellenrads, welches gemäß der Erfindung in Wabenkonstruktion ausgeführt ist, und F i g. 7 die Anordnung eines Druckaustauschers nach der Erfindung innerhalb einer Gasturbinenanlage.Various embodiments of the invention are now set out below Reference to the schematic drawings described in detail, for example. In these represents FIG. 1 is an exploded schematic perspective view a pressure exchanger according to one embodiment of the invention, FIG. 2 a processing scheme of the in FIG. 1 pressure exchanger shown, in which for the purpose of better Clarity the cell walls of the pressure exchanger cell wheel are omitted, F i g. 3, 4 and 5 further processing schemes of pressure exchangers according to modified Embodiments according to the invention, in which again for the sake of clarity Representation of the cell walls of the pressure exchanger cellular wheel cells omitted are, F i g. 6 is a partial front view of a pressure exchanger cell wheel; which, according to the invention, has a honeycomb construction, and FIG. 7 the Arrangement of a pressure exchanger according to the invention within a gas turbine plant.
Bei allen nachstehend beschriebenen Ausführungsformen von Druckaustauschern nach der Erfindung ist jeweils stets nur eine Konstruktion zur Ausführung jeweils eines einzigen Arbeitsspiels dargestellt und beschrieben. In der Praxis dürfte es erforderlich sein, normalerweise Druckaustauscherkonstruktionen nach der Erfindung vorzusehen, bei welchen jeweils mehrere Arbeitsspiele ausgeführt werden.In all of the embodiments of pressure exchangers described below according to the invention, there is always only one construction for execution at a time a single work cycle shown and described. In practice it should be required, usually pressure exchanger constructions according to the invention to be provided in each of which several work cycles are carried out.
Bei der in F i g. 1 der Zeichnung dargestellten, auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht eines Druckaustauschers nach der Erfindung sind mit Rücksicht auf eine bessere Übersichtlichkeit der Zeichnung nur wenige Druckaustauscherzellen im Zellenrad des Druckaustauschers angedeutet. Es versteht sich von selbst, daß bei wirklich ausgeführten Konstruktionen selbstverständlich eine größere Anzahl von Druckaustauscherzellen Anwendung findet. Das Zellenrad des Druckaustauschers weist eine Vielzahl von Radialwandungen 1 auf, die gleichmäßig um den Umfang einer Zellenradnabe 2 herum angeordnet und außen untereinander durch eine zylindrische Zellenradaußenwandung 3 verbunden sind. Die durch die Zellenwandungen 1, die Zellenradnabe 2 und die Zellenradaußenwandung 3 begrenzten Zellenradzellen sind stirnseitig offen. Die Öffnung und Schließung der Zellenstirnseiten wird durch feststehende Endplatten 4 und 5 gesteuert, die beiderseits an den Stirnseiten des Zellenrads angeordnet sind. Die Endplatte 4 weist eine Einlaßöffnung 6, über welche den Zellenradzellen ein Gas zugeführt wird, und Auslaßöffnungen 7 und 8 auf, über welche Gas aus den Zellenradzellen des Druckaustauschers abgeführt wird. Demgegenüber weist die Endplatte 5 nur eine Einlaßöffnung 9 auf, über welche Luft in die Zellenradzellen eingeführt wird. Die Einlaßöffnung 6 ist an die Mündung eines Kanals 10 angeschlossen, der mit seinem anderen Ende in der Auslaßöffnung 7 mündet. Kanäle 11 und 12 sind jeweils an die Auslaßöffnung 8 bzw. an die Einlaßöffnung 9 angeschlossen. Im Kanal 10 sind eine Brennstoffeinspritzdüse 13 und eine Zündeinrichtung 14 angeordnet. Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Welle ist durch die Mittelbohrungen 15, 16 und 17 des Zellenrads 2 und der Endplatten 4 und 5 hindurchgeführt.In the case of the in FIG. 1 of the drawing, exploded perspective view of a pressure exchanger according to the invention are indicated with regard to a better clarity of the drawing, only a few pressure exchanger cells in the rotary valve of the pressure exchanger. It goes without saying that a larger number of pressure exchanger cells will of course be used in actually executed constructions. The cell wheel of the pressure exchanger has a multiplicity of radial walls 1 which are arranged uniformly around the circumference of a cell wheel hub 2 and are connected to one another on the outside by a cylindrical cell wheel outer wall 3. The cellular wheel cells delimited by the cell walls 1, the cell wheel hub 2 and the cell wheel outer wall 3 are open at the front. The opening and closing of the cell front sides is controlled by fixed end plates 4 and 5, which are arranged on both sides on the front sides of the cell wheel. The end plate 4 has an inlet opening 6, through which a gas is supplied to the cellular wheel cells, and outlet openings 7 and 8, through which gas is discharged from the cellular wheel cells of the pressure exchanger. In contrast, the end plate 5 has only one inlet opening 9, through which air is introduced into the cellular wheel cells. The inlet opening 6 is connected to the mouth of a channel 10 , the other end of which opens into the outlet opening 7. Channels 11 and 12 are connected to the outlet opening 8 and to the inlet opening 9, respectively. A fuel injection nozzle 13 and an ignition device 14 are arranged in the channel 10. A shaft not shown in the drawing is passed through the central bores 15, 16 and 17 of the cellular wheel 2 and the end plates 4 and 5.
Die Auslaßöffnung 8 und die Einlaßöffnung 9 bilden zusammen mit den jeweils an einem beliebigen Zeitpunkt mit diesen Öffnungen in Verbindung stehenden Zellenradzellen eine Spülstufe des Druckaustauschers. Die Einlaßöffnung 9 der Endplatte 5 nimmt nur einen kleinen Teil der Umfangsabmessungen dieser Endplatte ein. In der Praxis ist diese Einlaßöffnung wesentlich größer als sie in der Zeichnung dargestellt ist, damit eine Einschnürung der durch den Druckaustauscher hindurchgehenden Strömung vermieden wird. Die Einlaßöffnung 6 und die Auslaßöffnung 7 der Endplatte 4 sollten so wenig Umfangsanteil dieser Endplatte einnehmen, als dies mit Rücksicht auf den praktischen Betrieb des Druckaustauschers möglich ist.The outlet opening 8 and the inlet opening 9 , together with the cell wheel cells which are connected to these openings at any given time, form a flushing stage of the pressure exchanger. The inlet opening 9 of the end plate 5 takes up only a small part of the circumferential dimensions of this end plate. In practice, this inlet opening is significantly larger than it is shown in the drawing, so that a constriction of the flow passing through the pressure exchanger is avoided. The inlet opening 6 and the outlet opening 7 of the end plate 4 should occupy as little peripheral portion of this end plate as is possible with regard to the practical operation of the pressure exchanger.
F i g. 2 der Zeichnungen zeigt eine Abwicklung des in F i g. 1 dargestellten Druckaustauschers, in welcher mit Rücksicht auf die bessere Übersichtlichkeit der Darstellung die Zellenwandungen 1 des Druckaustauscher-Zellenrads weggelassen sind.F i g. FIG. 2 of the drawings shows a development of the FIG. 1 shown Pressure exchanger, in which with consideration for the better clarity of the Representation of the cell walls 1 of the pressure exchanger cell wheel are omitted.
Bei in Betrieb befindlichem Druckaustauscher laufen die Zellenradstirnseiten der Zellenradzellen des Druckaustauschers fortgesetzt an den Durchtrittsöffnungen und an den zwischen diesen befindlichen Wandungsteilen der beiden Endplatten in Richtung des Pfeils A vorbei. Zum Zweck der Beschreibung kann angenommen werden, daß das Arbeitsspiel des Druckaustauschers an einer beliebigen Stelle des Endplattenumfangs beginnt.When the pressure exchanger is in operation, the front sides of the cellular wheel run of the cellular wheel cells of the pressure exchanger continued at the passage openings and on the wall parts of the two end plates located between these in Direction of arrow A over. For the purpose of description it can be assumed that the working cycle of the pressure exchanger at any point on the circumference of the end plate begins.
Es sei infolgedessen angenommen, daß das Arbeitsspiel an der in F i g. 2 der Zeichnungen angedeuteten Stelle X beginnt. Die im Augenblick an dieser Stelle befindlichen Zellenradzellen enthalten Verbrennungsgase, was in der Zeichnung durch eine Parallelschraffur angedeutet ist. Außerdem enthalten diese Zellen ein Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft, was durch Kreuzschraffur angedeutet ist. Die außerdem in diesen Zellen enthaltene reine Luft ist dadurch angedeutet, daß an den betreffenden Stellen keine Schraffur vorgesehen ist. Im Lauf der Drehung des Zellenrads findet eine fortgesetzte Durchmischung der Verbrennungsgase und der Frischluft statt. Wie in F i g. 2 der Zeichnungen ersichtlich ist, werden die Zellenradzellen bei weiterer Drehung des Zellenrads an der linken Seite durch die Auslaßöffnung 7 geöffnet. Da das in den Zellen befindliche Gas einen höheren Stagnationsdruck hat als das im Kanal 10 in der Nähe der Auslaßöffnung 7 befindliche Gas, werden an den Kanten der Auslaßöffnung 7 Expansionswellen und reflektierte Expansionswellen ausgelöst, die in F i g. 2 der Zeichnungen schematisch bei 18 und 19 durch gestrichelte Linien angedeutet sind. Unter Stagnationsdruck wird hierbei der sich bei isentroper Verzögerung des Gasstroms bis zum Stillstand einstellende Druck verstanden. Diese Expansionswellen durchwandern die Zellen, während das eine Verbrennung unterhaltende Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft aus den Zellenradzellen durch die Auslaßöffnung 7 in den Kanal 10 hineinströmt. Über die Brennstoffeinspritzdüse 13 wird fortgesetzt Brennstoff in die den Kanal 10 durchströmenden Gase eingespritzt, und zu Beginn des Druckaustauscherbetriebs wird dieses Gasgemisch mittels der Zündeinrichtung 14 gezündet. Wenn der Druckaustauscher einmal in Betrieb gesetzt ist, kann die Zündeinrichtung abgeschaltet werden. Bei weiterer Drehung des Zellenrads werden die Druckaustauscherzellen, die zuvor mit der Auslöffnung 7 Verbindung hatten, durch die Endplatte 4 verschlossen und dann anschließend durch die mit dem Kanal 11 in Verbindung stehende Auslaßöffnung 8 wieder geöffnet. Nunmehr strömt ein Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft aus den Zellenradzellen in den Kanal 11 ein. Der Stagnationsdruck des ursprünglich im Kanal 11 befindlichen Gases ist niedriger als der ursprüngliche Stagnationsdruck des in den Zellenradzellen befindlichen Gasgemisches. Infolgedessen werden Expansionswellen kleiner Amplitude, die in F i g. 2 der Zeichnungen bei 20 durch eine gestrichelte Linie angedeutet sind, durch die Zellenradzellen hindurchwandern und dadurch im rechten Berech der Zellen eine Niederdruckzone hervorrufen. Da das Zellenrad weiter umläuft, werden dessen Zellen nunmehr durch die Einlaßöffnung 9 der Endplatte 5 geöffnet, über welche aus dem Kanal 12 Frischluft in die Zellen einströmt. Bei weiterer Drehung des Zellenrads werden dessen Zellen wieder durch die Endplatte 4 an der linken Stirnseite abgeschlossen, was zur Folge hat, daß eine bei 21 in der Zeichnung durch eine voll ausgezogene Linie angedeutete Kompressionswelle die Zelle durchwandert und bewirkt, daß der Zelleninhalt dementsprechend verdichtet wird. Der an der Auslaßöffnung 8 herrschende statische Druck ist entweder höher oder zumindest ebenso hoch wie der an der Einlaßöffnung 9 herrschende Stagnationsdruck, weil das Gasgemisch durch die Auslaßöffnung 8 unter erhöhter Geschwindigkeit aus den Druckaustauscherzellen austritt. Bei weiterer Drehung des Zellenrads werden dessen Zellen über die Einlaßöffnung 6 an der linken Stirnseite wieder geöffnet. Die Einlaßöffnung 6 befindet sich am Ende des Kanals 10, über welchen folglich nun die unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgase in die Zellenradzellen einströmen. Der Druck der im Kanal 10 befindlichen Verbrennungsgase ist höher als der in den Zellen des Zellenrads herrschende Druck, weshalb nunmehr eine Kompressionswelle und eine reflektierte Kompressionswelle, die beide bei 22 und 23 in F i g. 2 der Zeichnungen jeweils in voll ausgezogenen Linien angedeutet sind, durch die Zellenradzellen hindurchwandern und infolgedessen den Zelleninhalt verdichten. Bei weiterer Drehung des Zellenrads werden dessen Zellen an beiden Stirnseiten durch die Endplatten 4 und 5 verschlossen, und in diesem Zustand erreichen die betrachteten Zellen wiederum die Stelle X. Nunmehr beginnt das soeben beschriebene Arbeitsspiel des Druckaustauschers von neuem.It is therefore assumed that the working cycle at the time shown in FIG. Point X indicated in 2 of the drawings begins. The cellular wheel cells currently at this point contain combustion gases, which is indicated in the drawing by parallel hatching. In addition, these cells contain a mixture of combustion gases and air, which is indicated by cross-hatching. The pure air also contained in these cells is indicated by the fact that no hatching is provided at the relevant points. As the cell wheel rotates, the combustion gases and fresh air continue to mix. As in Fig. 2 of the drawings, the cellular wheel cells are opened through the outlet opening 7 on further rotation of the cellular wheel on the left side. Since the gas located in the cells has a higher stagnation pressure than the gas located in the channel 10 in the vicinity of the outlet opening 7, expansion waves and reflected expansion waves are triggered at the edges of the outlet opening 7, which are shown in FIG. 2 of the drawings are indicated schematically at 18 and 19 by dashed lines. In this context, stagnation pressure is understood to mean the pressure that is established when the gas flow is decelerated isentropically until it comes to a standstill. These expansion waves travel through the cells, while the mixture of combustion gases and air which maintains combustion flows from the cellular wheel cells through the outlet opening 7 into the channel 10 . Fuel continues to be injected into the gases flowing through channel 10 via fuel injection nozzle 13, and this gas mixture is ignited by ignition device 14 at the start of the pressure exchanger operation. Once the pressure exchanger has been put into operation, the ignition device can be switched off. With further rotation of the cell wheel, the pressure exchanger cells, which were previously connected to the outlet opening 7, are closed by the end plate 4 and then subsequently opened again through the outlet opening 8 connected to the channel 11. A mixture of combustion gases and air now flows from the cellular wheel cells into channel 11. The stagnation pressure of the gas originally located in the channel 11 is lower than the original stagnation pressure of the gas mixture located in the cellular wheel cells. As a result, small amplitude expansion waves shown in FIG. 2 of the drawings are indicated at 20 by a dashed line, migrate through the cellular wheel cells and thereby cause a low pressure zone in the right calculation of the cells. Since the cellular wheel continues to rotate, its cells are now opened through the inlet opening 9 of the end plate 5, through which fresh air flows into the cells from the channel 12. With further rotation of the cellular wheel, its cells are closed again by the end plate 4 on the left front side, with the result that a compression wave indicated at 21 in the drawing by a solid line wanders through the cell and causes the cell contents to be compressed accordingly . The static pressure prevailing at the outlet opening 8 is either higher or at least as high as the stagnation pressure prevailing at the inlet opening 9, because the gas mixture exits the pressure exchanger cells through the outlet opening 8 at increased speed. With further rotation of the cellular wheel, its cells are opened again via the inlet opening 6 on the left front side. The inlet opening 6 is located at the end of the channel 10, through which consequently the high-pressure combustion gases now flow into the cellular wheel cells. The pressure of the combustion gases in the duct 10 is higher than the pressure prevailing in the cells of the cell wheel, which is why there is now a compression wave and a reflected compression wave, both at 22 and 23 in FIG. 2 of the drawings are each indicated in full lines, migrate through the cellular wheel cells and consequently compress the cell content. When the cell wheel continues to rotate, its cells are closed at both ends by the end plates 4 and 5, and in this state the cells under consideration again reach point X. The pressure exchanger's cycle of operation just described begins anew.
F i g. 3 der Zeichnungen zeigt einen Druckaustauscher nach der Erfindung, der in wesentlichen Teilen dem in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 der Zeichnungen dargestellten Druckaustauscher gleicht, wobei jeweils gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Der in F i g. 3 der Zeichnungen dargestellte Druckaustauscher weist jedoch in der Endplatte 5 zusätzliche Durchtrittsöffnungen 6 A und 7 A und einen mit diesen beiden Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehenden Kanal 10 A auf. Im Kanal 10 A sind eine Brennstoffeinspritzdüse 13 A und eine Zündeinrichtung 14 A angeordnet. Die Durchtrittsöffnungen 6A und 7A und der Kanal 10A entsprechen hinsichtlich Lage und Aufgabe den Durchtrittsöffnungen 6 und 7 und dem Kanal 10 der Endplatte 4. Die Durchtrittsöffnung 6 A liegt der Durchtrittsöffnung 6 und die Durchtrittsöffnung 7 A liegt der Durchtrittsöffnung 7 axial genau gegenüber.F i g. 3 of the drawings shows a pressure exchanger according to the invention which, in essential parts, corresponds to that in connection with FIGS. 1 and 2 of the drawings is the same as the pressure exchanger shown, with the same parts being denoted by the same reference numerals. The in F i g. 3 of the drawings, however, has additional passage openings 6 A and 7 A in the end plate 5 and a channel 10 A connected to these two passage openings. A fuel injection nozzle 13 A and an ignition device 14 A are arranged in the channel 10 A. The passage openings 6A and 7A and the channel 10A correspond in terms of position and function to the passage openings 6 and 7 and the channel 10 of the end plate 4. The passage opening 6 A is the passage opening 6 and the passage opening 7 A is axially exactly opposite the passage opening 7.
Die Wirkungsweise der in F i g. 3 der Zeichnungen dargestellten Anordnung entspricht im allgemeinen der mit Bezug auf F i g. 2 der Zeichnungen beschriebenen Anordnung. Über die Einlaßöffnung 9 wird Luft in die Zellenradzellen eingelassen und dort durch die Verbrennungsgase verdichtet, die über die Einlaßöffnungen 6 und 6 A Zutritt zu den Zellenradzellen haben. Die Luft durchmischt sich sodann mit den Verbrennungsgasen während desjenigen Teils des Arbeitsspiels, während welchem die Zellenradzellen an beiden Stirnseiten durch die Endplatten 4 und 5 verschlossen sind. Wenn die Zellenradzellen sich über die Austrittsöffnungen 7 und 7 A öffnen, dann tritt das in den Zellen befindliche Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft in die Kanäle 10 und 10 A ein. Nunmehr wird über die Brennstoffeinspritzdüse 13 A fortgesetzt Brennstoff in das Gasgemisch eingespritzt, welches erstmalig mittels der Zündeinrichtung 14A gezündet wurde. Das Gasgemisch wird über die Auslaßöffnung 8 der Spülstufe aus den Zellenradzellen in den Kanal 11 ausgestoßen.The mode of operation of the in F i g. 3 of the drawings generally corresponds to that with reference to FIG. 2 of the drawings Arrangement. Air is let into the cellular wheel cells via the inlet opening 9 and there compressed by the combustion gases, which via the inlet openings 6 and 6 A have access to the bucket wheel cells. The air then mixes with the Combustion gases during that part of the work cycle during which the Cell wheel cells closed at both ends by the end plates 4 and 5 are. When the cellular wheel cells open through the outlet openings 7 and 7 A, then the mixture of combustion gases and air in the cells occurs into channels 10 and 10 A. The fuel injector 13 is now used A continued fuel injected into the gas mixture, which for the first time means the igniter 14A has been ignited. The gas mixture is discharged through the outlet 8 of the rinsing stage from the cellular wheel cells into the channel 11.
Bei der in F i g. 4 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung sind wiederum diejenigen Teile, die bereits in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Druckaustauschern im einzelnen erläutert wurden, mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Endplatte 4 weist bei der in F i g. 4 der Zeichnungen dargestellten Bauform eines erfindungsgemäßen Druckaustauschers die bereits beschriebene Spülstufenauslaßöffnung 8, eine Auslaßöffnung 25, über welche ein Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft aus den Zellenradzellen abgezogen wird, und eine Einlaßöffnung 26 auf, über welche dieses Gasgemisch den Zellenradzellen wieder zugeführt wird. Die Einlaßöffnung 26 nimmt einen wesentlich größeren Umfangsanteil der Endplatte 4 als die Auslaßöffnung 25 ein. Das Verhältnis der Umfangsanteile dieser beiden Öffnungen bewegt sich etwa in der Größenordnung von 3 : 1. Die Durchtrittsöffnungen 25 und 26 sind untereinander durch einen Kanal 27 verbunden. Die Endplatte 5 weist eine bereits beschriebene Spülstufeneinlaßöffnung 9, ferner eine Einlaßöffnung 28, über welche Verbrennungsgase in die Zellenradzellen eingelassen werden, und eine Auslaßöffnung 29 auf, über welche eine Verbrennung unterstützende Gase und Verbrennungsgase aus den Zellenradzellen abgeführt werden. Die Auslaßöffnung 29 hat einen größeren Umfangsteil an der Endplatte 5 als die Einlaßöffnung 28. Die beiden Durchtrittsöffnungen 28 und 29 sind durch einen Verbindungskanal 30 miteinander verbunden. Die Einlaßöffnung 28, die Auslaßöffnung 25 und die an einem beliebigen Zeitpunkt in Verbindung mit diesen beiden Durchtrittsöffnungen stehenden Zellen des Zellenrads bilden zusammen eine Spülstufe des Druckaustauschers. Die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 29 sowie die an einem beliebigen Zeitpunkt in Verbindung mit diesen Durchtrittsöffnungen stehenden Zellen des Zellenrads bilden eine weitere Spülstufe des Druckaustauschers. Innerhalb des Kanals 30 sind eine Brennstoffeinspritzdüse 31 und eine Zündeinrichtung 32 angeordnet.In the case of the in FIG. 4 of the drawings shown embodiment of a pressure exchanger according to the invention, those parts which have already been explained in detail in connection with the previously described embodiments of pressure exchangers according to the invention are provided with the same reference numerals. The end plate 4 has in the case of FIG. 4 of the drawings, the construction of a pressure exchanger according to the invention, already described, has the flushing stage outlet opening 8, an outlet opening 25 via which a mixture of combustion gases and air is drawn off from the cellular wheel cells, and an inlet opening 26 through which this gas mixture is fed back to the cellular wheel cells. The inlet opening 26 occupies a significantly larger proportion of the circumference of the end plate 4 than the outlet opening 25. The ratio of the circumferential proportions of these two openings is approximately in the order of magnitude of 3: 1. The passage openings 25 and 26 are connected to one another by a channel 27. The end plate 5 has an already described flushing stage inlet opening 9, furthermore an inlet opening 28, via which combustion gases are admitted into the bucket wheel cells, and an outlet opening 29 via which gases supporting combustion and combustion gases are discharged from the bucket wheel cells. The outlet opening 29 has a larger peripheral part on the end plate 5 than the inlet opening 28. The two passage openings 28 and 29 are connected to one another by a connecting channel 30. The inlet opening 28, the outlet opening 25 and the cells of the cell wheel which are connected to these two passage openings at any given point in time together form a flushing stage of the pressure exchanger. The inlet opening 26 and the outlet opening 29 as well as the cells of the cellular wheel which are in connection with these passage openings at any given point in time form a further flushing stage of the pressure exchanger. A fuel injection nozzle 31 and an ignition device 32 are arranged within the channel 30.
Im Betrieb des Druckaustauschers wird über die Einlaßöffnung 9 Frischluft in die Zellenradzellen des Druckaustauschers eingeführt und dort mit Verbrennungsgasen gemischt, welche in die Zellen über die Einlaßöffnung 28 eingeströmt sind. Das Gasgemisch verläßt zusammen mit einer gewissen Menge von Verbrennungsgasen die Zellenradzellen über die Auslaßöffnung 25 und tritt in den Kanal 27 ein, in welchem eine weitere Durchmischung des Gasgemisches stattfindet. Die Strömungsrichtung im Kanal 27 ist im allgemeinen die gleiche wie die Bewegungsrichtung der Zellen des umlaufenden Zellenrads. Dies ergibt sich aus folgendem: Wenn bei der Anordnung nach F i g. 4 der Zeichnungen der Kanal 27 und die zugehörigen Durchtrittsöffnungen nicht vorgesehen wären, dann würde an der an Stelle der Auslaßöffnung 25 gedachten Endplattenfläche eine Druckwelle reflektiert, und der an dieser Stelle herrschende Druck wäre höher als der an der Stelle einer anstatt der Einlaßöffnung 26 gedachten Endplatte herrschende Druck. Diese Druckdifferenz hätte ihre Ursache darin, daß eine an der Öffnungskante der Auslaßöffnung 29 ausgelöste Expansionswelle einen Druckabfall in denjenigen Zellen hervorrufen würde, welche sich zwischen der Öffnungskante und der Schließkante der als nicht vorhanden gedachten Einlaßöffnung 26 befinden, während an der öffnungskante der Auslaßöffnung 28 eine Kompressionswelle ausgelöst würde, die Anlaß zu einem Druckanstieg in denjenigen Zellen geben würde, die gerade an der Öffnungskante der als nicht vorhanden angenommenen Auslaßöffnung 25 ankommen. Sind jedoch die Durchtrittsöffnungen 25 und 26 tatsächlich vorhanden, dann wird infolge der längs der an der Einlaßöffnung 26 auftretenden Expansionswelle herrschenden Druckdifferenz in dem in Zellenrad-Drehrichtung gelegenen Teil der Einlaßöffnung 26 ein Druckabfall auftreten, der sich auch dem entgegen der Zellenrad-Drehrichtung gelegenen Teil dieser Einlaßöffnung mitteilt. Weil also zwischen diesen beiden Durchtrittsöffnungen eine Druckdifferenz herrscht, findet von der Durchtrittsöffnung 25 zur Durchtrittsöffnung 26 hin eine Gasströmung statt. Das Gasgemisch tritt also zusammen mit irgendwelchen vorhandenen Verbrennungsgasen über die Einlaßöffnung 26 in die Zellenradzellen ein. Die eine Verbrennung unterstützenden Gase treten sodann über die Auslaßöffnung 29 in den Kanal 30 ein, in welchem die Verbrennung stattfindet. Das Gasgemisch wird schließlich über die Spülstufenauslaßöffnung 8 aus den Zellenradzellen des Druckaustauschers ausgestoßen.When the pressure exchanger is in operation, fresh air is introduced into the cellular wheel cells of the pressure exchanger via the inlet opening 9 and mixed there with combustion gases which have flowed into the cells via the inlet opening 28. The gas mixture, together with a certain amount of combustion gases, leaves the cellular wheel cells via the outlet opening 25 and enters the channel 27, in which further mixing of the gas mixture takes place. The direction of flow in channel 27 is generally the same as the direction of movement of the cells of the rotating cellular wheel. This results from the following: If in the arrangement according to FIG. 4 of the drawings, the channel 27 and the associated passage openings were not provided, then a pressure wave would be reflected at the end plate surface imagined instead of the outlet opening 25, and the pressure prevailing at this point would be higher than that at the position of an end plate imagined instead of the inlet opening 26 prevailing pressure. This pressure difference would have its cause in the fact that an expansion wave triggered at the opening edge of the outlet opening 29 would cause a pressure drop in those cells which are located between the opening edge and the closing edge of the inlet opening 26, which is thought to be non-existent, while at the opening edge of the outlet opening 28 there is a Compression wave would be triggered, which would give rise to a pressure increase in those cells which just arrive at the opening edge of the outlet opening 25 assumed to be non-existent. If, however, the passage openings 25 and 26 are actually present, then as a result of the pressure difference prevailing along the expansion wave occurring at the inlet opening 26, a pressure drop will occur in the part of the inlet opening 26 located in the direction of rotation of the rotary vane, which is also reflected in the part opposite to the direction of rotation of the rotary vane communicates this inlet opening. Because there is a pressure difference between these two passage openings, a gas flow takes place from the passage opening 25 to the passage opening 26. The gas mixture thus enters the cellular wheel cells via the inlet opening 26 together with any combustion gases that are present. The gases supporting combustion then enter the channel 30 via the outlet opening 29, in which the combustion takes place. The gas mixture is finally expelled from the cellular wheel cells of the pressure exchanger via the flushing stage outlet opening 8.
Falls gewünscht, können in der Zeichnung nicht dargestellte Prallbleche im Kanal 27 angeordnet sein, mittels welcher die Durchmischung zwischen der Frischluft und den Verbrennungsgasen noch verbessert wird. Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß derartige Prallbleche verstellbar angeordnet sind, so daß die Prallblech-Durchmischungswirkung während des Betriebs des Druckaustauschers geändert werden kann.If desired, baffle plates, not shown in the drawing, can be used be arranged in the channel 27, by means of which the mixing between the fresh air and the combustion gases are further improved. The arrangement can also be made in this way be that such baffle plates are adjustably arranged, so that the baffle plate mixing effect can be changed during operation of the pressure exchanger.
Die Durchmischung der Gase kann dadurch noch verbessert werden, daß eine in F i g. 4 der Zeichnungen in gestrichelten Linien angedeutete Rückführungsleitung in Form eines Kanals 33 angeordnet wird, der etwas oberhalb der Einlaßöffnungen 9 und 28 in die Kanäle 12 bzw. 30 mündet.The mixing of the gases can be further improved by the fact that one in FIG. 4 of the drawings, return line indicated in dashed lines is arranged in the form of a channel 33 which is slightly above the inlet openings 9 and 28 opens into channels 12 and 30, respectively.
F i g. 5 der Zeichnungen zeigt einen Druckaustauscher nach der Erfindung, bei welchem die Endplatte 4 eine bereits beschriebene Spülstufenauslaßöffnung 8, ferner eine Auslaßöffnung 35 zur Abführung verdichteter Luft aus den Zellenradzellen und eine Einlaßöffnung 36 zur Zuführung eines Gemisches aus Verbrennungsgasen und Luft zu den Zellenradzellen aufweist. Die Durchtrittsöffnungen 35 und 36 sind wiederum durch einen Verbindungskanal 37 miteinander verbunden. Innerhalb des Kanals 37 ist ein Flammrohr 38 mit Einspritz- und Zündeinrichtungen angeordnet, das in der Nähe der Einlaßöffnung 36 mündet. Das Flammrohr 38 ist deshalb erforderlich, weil innerhalb des Kanals 37 nur verhältnismäßig kalte Luft vorhanden ist. Durch das Flammrohr, welches von an sich bekannter Bauart sein kann, werden Wirbel hervorgerufen, die eine stabile Verbrennung sicherstellen. Die Endplatte 5 des Druckaustauschers 5 weist außer einer bereits beschriebenen Einlaßöffnung 9 eine Einlaßöffnung 39 zur Zuführung verdichteter Luft zu den Zellenradzellen und eine Auslaßöffnung 40 zur Abführung verdichteter Luft aus den Zellenradzellen auf. Die Durchtrittsöffnungen 39 und 40 werden untereinander wiederum durch einen Kanal 41 verbunden. Die Einlaßöffnung 39, die Auslaßöffnung 35 und die zu einem beliebigen Zeitpunkt mit diesen Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehenden Zellenradzellen bilden zusammen wiederum eine Spülstufe des Druckaustauschers. In gleicher Weise bilden die Einlaßöffnung 36, die Auslaßöffung 40 und die an beliebigen Zeitpunkten mit diesen Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehenden Zellenradzellen eine weitere Spülstufe des Druckaustauschers.F i g. 5 of the drawings shows a pressure exchanger according to the invention, in which the end plate 4 has an already described flushing stage outlet opening 8, furthermore an outlet opening 35 for discharging compressed air from the bucket wheel cells and an inlet opening 36 for supplying a mixture of combustion gases and air to the bucket wheel cells. The passage openings 35 and 36 are in turn connected to one another by a connecting channel 37. A flame tube 38 with injection and ignition devices is arranged inside the channel 37 and opens in the vicinity of the inlet opening 36. The flame tube 38 is necessary because only relatively cold air is present within the channel 37. The flame tube, which can be of a known type, creates eddies that ensure stable combustion. The end plate 5 of the pressure exchanger 5 has, in addition to an inlet opening 9 already described, an inlet opening 39 for supplying compressed air to the cellular wheel cells and an outlet opening 40 for discharging compressed air from the cellular wheel cells. The passage openings 39 and 40 are in turn connected to one another by a channel 41. The inlet opening 39, the outlet opening 35 and the cell wheel cells which are connected to these passage openings at any given point in time together again form a flushing stage of the pressure exchanger. In the same way, the inlet opening 36, the outlet opening 40 and the cellular wheel cells which are connected to these passage openings at any point in time form a further flushing stage of the pressure exchanger.
Im Betrieb des Druckaustauschers nach F i g. 5 der Zeichnungen tritt durch die Einlaßöffnung 9 Frischluft in die Zellenradzellen ein, die dort durch Frischluft verdichtet wird, die über die Einlaßöffnung 39 in die Zellenradzellen Einlaß findet. Die verdichtete Luft tritt über die Auslaßöffnung 35 in den Verbindungskanal 37 ein. Ein Teil der durch den Kanal 37 strömenden verdichteten Luft dient zur Aufrechterhaltung der Verbrennung im Flammrohr 38 und der Rest dieser verdichteten Luft wird, bevor er über die Einlaßöffnung 36 in die Zellenradzellen eintritt, gründlich mit den aus dem Flammrohr ausströmenden Verbrennungsprodukten durchmischt. Das auf diese Weise gebildete Gasgemisch, welches über die Einlaßöffnung 36 in die Zellenradzellen eintritt, dient zur Verdichtung der bereits in diesen Zellen befindlichen Luft, die nach ihrer Verdichtung über die Auslaßöffnung 40 aus den Zellenradzellen ausströmt. Das Gasgemisch wird zuletzt über die Spülstufenauslaßöffnung 8 aus den Zellenradzellen ausgestoßen.In operation of the pressure exchanger according to FIG. 5 of the drawings, fresh air enters the cellular wheel cells through the inlet opening 9 and is there compressed by fresh air which is introduced into the cellular wheel cells via the inlet opening 39. The compressed air enters the connecting channel 37 via the outlet opening 35. A portion of the compressed air flowing through the duct 37 serves to maintain the combustion in the flame tube 38 and the remainder of this compressed air is thoroughly mixed with the combustion products flowing out of the flame tube before it enters the cellular wheel cells via the inlet opening 36. The gas mixture formed in this way, which enters the cellular wheel cells via the inlet opening 36, serves to compress the air already in these cells, which, after being compressed, flows out of the cellular wheel cells via the outlet opening 40. The gas mixture is finally expelled from the cellular wheel cells via the flushing stage outlet opening 8.
Der Kanal 41 kann mit einer Anzapfung versehen sein, die ihrerseits an einen Kanal angeschlossen ist, über welchen verhältnismäßig kühle Frischluft den warmen Kanälen des Druckaustauschers oder den warmen Kanälen einer zugehörigen Gasturbinenanlage zugeführt wird.The channel 41 can be provided with a tap, which in turn is connected to a duct through which relatively cool fresh air the warm channels of the pressure exchanger or the warm channels of an associated one Gas turbine system is supplied.
Es wird bemerkt, daß bei allen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung der Stagnationsdruck der die Zellenradzellen über die Auslaßöffnung 8 verlassenden Gase höher oder zumindestens gleich groß wie der Stagnationsdruck der über die Einlaßöffnung in die Zellenradzellen eingelassenen Luft ist. Infolgedessen findet zwischen der in die Zellenradzellen eintretenden Luft und dem aus den Zellenradzellen des als Verbrennungseinrichtung dienenden Druckaustauschers austretenden Gasgemisches ein Druckanstieg statt. Diese Erscheinung steht in unmittelbarem Gegensatz zu dem Verhalten bekannter Verbrennungseinrichtungen, bei welchen bekanntlich stets ein Druckabfall eintritt.It is noted that in all of the embodiments described Invention of the stagnation pressure of the cellular wheel cells via the outlet port 8 leaving gases higher or at least equal to the stagnation pressure of the air admitted into the cellular wheel cells via the inlet opening. Consequently takes place between the air entering the cellular wheel cells and that from the cellular wheel cells of the exiting gas mixture serving as a combustion device a pressure increase takes place. This appearance is in direct contrast to that Behavior of known incinerators, which are known to always have a Pressure drop occurs.
F i g. 6 der Zeichnungen zeigt eine Teil-Stirnansicht eines Zellenrads eines Zellenrad-Druckaustauschers nach der Erfindung, welches gemäß der Erfindung in Wabenkonstruktion ausgeführt ist. An Hand der Zeichnung ist zu erkennen, daß die von den Zellenradwandungen 1, der Nabe 2 und der Zellenradaußenwandung 3 begrenzten Zellenradzellen mit gewellten Blechstreifen ausgefüllt sind, die an die Zellenradwandungen angelötet sind und dadurch eine Wabenkonstruktion bilden. Durch eine derartige Konstruktion werden die Zellenradwandungen abgestützt, was deshalb wünschenswert ist, weil diese Wandungen während des Betriebs des Druckaustauschers hohen Druckdifferenzen ausgesetzt sind.F i g. Figure 6 of the drawings shows a partial end view of a cellular wheel a cellular pressure exchanger according to the invention, which according to the invention is carried out in honeycomb construction. The drawing shows that delimited by the cellular wheel walls 1, the hub 2 and the cellular wheel outer wall 3 Cell wheel cells are filled with corrugated sheet metal strips that attach to the cell wheel walls are soldered and thereby form a honeycomb structure. With such a construction the cellular wheel walls are supported, which is desirable because these Walls exposed to high pressure differences during operation of the pressure exchanger are.
F i g. 7 der Zeichnungen zeigt die Anwendung eines Druckaustauschers nach der Erfindung als Verbrennungseinrichtung für ein Strahltriebwerk. Dem Druckaustauscher werden verdichtete Gase zugeführt, die von einem Verdichter 43 geliefert werden. Der Druckaustauscher liefert über eine Einlaßbeschaufe- Jung 45 Verbrennungsgase an eine Rotorbeschaufelung 44 eines Turbinenrotors. Der Verdichter, der Druckaustauscher und die Gasturbine sind koaxial auf einer gemeinsamen Welle 46 angeordnet. Das Druckaustauscher-Zellenrad läuft normalerweise unabhängig vom Verdichterrotor und vom Turbinenrotor um. Wie in F i g. 7 der Zeichnungen angedeutet ist, kann ein Teil der vom Verdichter 43 verdichteten Luft um den Druckaustauscher herum umgeleitet werden, damit die Außenseite des Druckaustauscher-Zellenrads gekühlt und dadurch die Temperatur am Einlaß der Gasturbine 44 begrenzt wird.F i g. 7 of the drawings shows the use of a pressure exchanger according to the invention as a combustion device for a jet engine. Compressed gases, which are supplied by a compressor 43, are fed to the pressure exchanger. The pressure exchanger supplies combustion gases to a rotor blading 44 of a turbine rotor via an inlet impeller Jung 45. The compressor, the pressure exchanger and the gas turbine are arranged coaxially on a common shaft 46. The pressure exchanger cell wheel normally rotates independently of the compressor rotor and the turbine rotor. As in Fig. 7 of the drawings, some of the air compressed by the compressor 43 can be diverted around the pressure exchanger in order to cool the outside of the pressure exchanger cell wheel and thereby limit the temperature at the inlet of the gas turbine 44.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen von Druckaustauschern nach der Erfindung liegt das Verhältnis der nochmals in den Kreislauf eingespeisten Verbrennungsgase zu der in den Kreislauf eingeführten Frischluft in der Größenordnung 4: 1, doch kann dieses Verhältnis auch noch größer sein.In all of the above-described embodiments of pressure exchangers according to the invention, the ratio of those fed back into the circuit is Combustion gases to the fresh air introduced into the circuit in the order of magnitude 4: 1, but this ratio can be even greater.
Das Zellenrad des erfindungsgemäßen Druckaustauschers kann beispielsweise dadurch angetrieben werden, daß entweder an geeigneter Stelle eine Beschaufelung vor dem Zellenrad angeordnet wird oder daß die Zellenwände zwischen den einzelnen Zellen des Zellenrads beispielsweise schräg zur Zellenradachse angeordnet werden. Zum Starten der Anordnung kann das Zellenrad mittels eines Elektromotors angetrieben werden.The cellular wheel of the pressure exchanger according to the invention can, for example are driven by the fact that either a blading at a suitable point is arranged in front of the cellular wheel or that the cell walls between the individual Cells of the bucket wheel, for example, are arranged obliquely to the bucket wheel axis. To start the arrangement, the cellular wheel can be driven by means of an electric motor will.
Claims (9)
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| GB1274411X | 1962-11-15 |
Publications (1)
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| DE1274411B true DE1274411B (en) | 1968-08-01 |
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ID=10886155
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|---|---|---|---|
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