DE1526397B2 - Kühlung einer parallel- und auBenachsigen Rotationskolben-Expansionsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlung einer parallel- und außenachsigen Rotationskolben-Expansionsmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenrotor und einem Schraubennutenrotor, welche innerhalb eines an seinen Ober- und Unterseiten jeweils einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden, von Gehäuseseitenteilen axial begrenzten Gehäusemantels umlaufen und von denen wenigstens der Schraubenrippenrotor sich in Längsrichtung der Rippen erstreckende Kühlluftkanäle enthält, die in einen Raum münden, und mit Kühlkanälen im Rotorwellenbereich sowie im Gehäuse. Eine derartige Kühlung einer Rotationskolben-Expansionsmaschine ist aus der CH-PS 2 70 648 bekannt.

Derartige Expansionsmaschinen haben sich bislang in der Praxis nicht besonders bewährt, weil ihr thermodynamischer Wirkungsgrad zu gering ist. Zwar ist es bekannt, den Wirkungsgrad durch Steigerung der Einlaßtemperatur des Treibstoffs zu erhöhen, doch führt dieses einerseits zu einer größeren thermischen Belastung der Maschinenteile und andererseits zu einem Ansteigen der Kühlverluste. Herkömmliche Kühlsysteme für Expansionsmaschinen der genannten Art verwenden entweder eine Luft- oder eine Flüssigkeitskühlung, mittels derer die thermisch belasteten Bereiche durch Wärmeabfuhr gekühlt werden. Bei zu geringer Kühlung ist ein zu hohen Leck- und damit Wirkungsgradverlusten führendes größeres Spiel zwischen den Rotoren und dem Gehäuse erforderlich. Bei einer Verbesserung der Kühlung kann zwar das Spiel verringert werden, doch wird der Wirkungsgrad durch die sich einstellenden größeren Kühlverluste nicht wesentlich verbessert.

ίο Bei der bekannten Expansionsmaschine sind Kühlkanäle in den Rotoren, in den Rotorwellenbereichen und im Gehäuse angeordnet, die möglichst nahe an den zu kühlenden Oberflächen verlaufen und vorzugsweise von Kühlluft durchströmt werden. Die in Längsrichtung der Rippen und Nutenstege verlaufenden Kühlkanäle werden über konzentrische Ringkanäle der Rotorwellen gespeist. Grundsätzlich kann statt der Kühlluft auch eine Kühlflüssigkeit als einziges Kühlmittel verwendet werden, doch wird in der genannten Patentschrift von einem derartigen Vorgehen insbesondere mit Rücksicht auf die vergrößerten Zentrifugalkräfte des flüssigen Kühlmittels im Bereich der Rotoren abgeraten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlung der genannten Art zu schaffen, die ein zweckmäßigeres, thermodynamisch günstigeres und dennoch einfaches Kühlen der auch mit sehr hoher Temperatur betreibbaren Expansionsmaschine ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird für eine Kühlung der genannten Art erfindungsgemäß eine kombinierte Luft-Flüssigkeits-Kühlung vorgeschlagen, bei der Kühlflüssigkeitskanäle sowohl in den Rotorwellen oder in den ihnen benachbarten Rotorbereichen als auch in der die Einlaßöffnung aufweisenden Manteloberseite sowie in den Seitenteilen angeordnet sind und bei welcher die zumindest hochtemperaturseitig angeordneten Kühlluftkanäle von Nuten, die in dem der Einlaßöffnung benachbarten Seitenteil eingelassen sind, gespeist werden und über zumindest im Schraubenrippenrotor befindliehe Radialkanäle zu den achsfernen und achsnahen Zonen der Rippen führen, um dort eine Grenzschicht zu bilden, und mit ebenfalls von den Nuten gespeisten radialen Aussparungen in den Stirnwänden der Rotoren. Erfindungsgemäß werden somit das Gehäuse und die mittleren Bereiche der Kolben mit Flüssigkeit gekühlt, vorzugsweise im Rahmen einer Umlaufflüssigkeitskühlung, während zumindest hochtemperaturseitig von Kompressoren gelieferte Kühlluft über Kühlkanäle auf die Rotoren und das Gehäuse geleitet wird. Die sich dabei einstellende Luftkühlung fungiert im wesentlichen im Bereich zumindest der Rippenoberflächen als Grenzschichtkühlung bzw. -isolation; die sich an den Oberflächen ausbildende Isolationsschicht führt zu einer die Metalltemperatur in thermodynamisch günstiger Weise herabsetzenden Isolationswirkung. Dadurch werden der Wärmefluß verringert und der Wirkungsgrad verbessert, was insbesondere dann gilt, wenn die Restenergie des Abgases in bekannter Weise weiter ausgenutzt wird.

Das erfindungsgemäße kombinierte Kühlsystem ermöglicht bei entsprechender Steuerung des Kühlmittels, daß das Gehäuse und die Kolben eine Arbeitstemperatur von 100 bis 400⁰C besitzen, so daß sich geringe Temperaturdifferenzen und Wärmeausdehnungen der Maschinenteile bei vergleichsweise geringen Kühlverlusten ergeben.

Der Kühlunganteil mit zirkulierender Kühlflüssigkeit kann optimal als sogenannte Heißdampfkühlung wirk-

sam sein, bei der sich kleine und anschließend kondensierende Dampfbereiche bilden. Auch kann die Kühlflüssigkeit bis zum Siedepunkt erhitzt und der dabei entstehende Dampf zur weiteren Ausnutzung einer Turbine zugeführt werden, wodurch der Wirkungsgrad weiter verbessert wird.

Eine weitere Ausführung besteht darin, daß in dem der Einlaßöffnung benachbarten Seitenteil ein weiterer Kühlluftkanal gegenüber dem Eingriffsbereich der Rotoren mündet, so daß Kühlluft in nach dem vollen Eingriff sich bildende Taschen strömen kann.

Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt durch das Gehäuse sowie den Schraubenrippenrotor einer Rotationskolben-Expansionsmaschine und

F i g. 2 eine schematische Stirnansicht der Rotoren innerhalb des geschnittenen Gehäuses.

Die Kühlung der Rotationskolben-Expansionsmaschine, der am Einlaßstutzen ein heißer Treibstoff von vorzugsweise mehr als 1200⁰C zugeführt wird, besteht aus einer kombinierten Luft-Flüssigkeits-Kühlung. Komprimierte Kühlluft wird dabei in Kühlluftkanäle eingeleitet, während eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser durch Kühlflüssigkeitskanäle zirkuliert.

Die dargestellte Rotationskolben-Expansionsmaschine entspricht weitgehend bekannten Maschinen dieser Art und besitzt zwei in gegenseitigem Kämmeingriff stehende Rotoren, nämlich einen Schraubenrippenrotor 23 und einen Schraubennutenrotor 24 mit sich in Längsrichtung schraubenförmig erstreckenden Rippen 25 und Nutenstegen 26. Die Rotoren 23, 24 sind drehbar in zwei sich schneidenden Bohrungen eines Gehäusemantels 27 gelagert, so daß die Rippen und Nutenstege mit den Bohrungen Arbeitskammern bilden, deren Volumina über einen gewissen Drehwinkel veränderbar sind.

In F i g. 1 ist eine Rippe 25 des Schraubenrippenrotors 23 aus Gründen einer zeichnerischen Vereinfachung in einer axialen Ebene dargestellt, obwohl sich die Rippen eigentlich schraubenförmig in Längsrichtung des Rotors erstrecken.

Um eine unterschiedliche Ausdehnung zu vermeiden, sollten die Rotoren eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen und beispielsweise aus Aluminium, Zinn oder Corson-Bronze bestehen. Die Rotoren weisen jeweils eine zentrische Bohrung für die Rotorwellen 28, 29 auf, die die Rotoren tragen und beiderseits drehbar in Lagern 46,47 gelagert sind. Der Gehäusemantel 27 besteht wegen seiner gewöhnlich niedrigen Temperatur vorzugsweise aus einem Werkstoff mit einem im Vergleich zu den Rotoren größeren Ausdehnungskoeffizienten. Um eine geringe Wärmedehnung der Rotoren zu erreichen, sollte deren Oberflächentemperatur bis auf 100 bis 400⁰C abgesenkt werden.

Außerdem können die Rotoroberflächen bekannterweise mit einer keramischen Isolierschicht oder porösem Werkstoff versehen sein.

Nach der vorliegenden Erfindung wird die Kühlluft nicht so sehr für eine unmittelbare Kühlung, sondern soweit wie möglich als Wärmeisolierung zumindest der Schraubenrippenrotoroberflächen gegenüber dem heißen Treibstoff benutzt, was analog den bei Gasturbinen bekannten Prinzipien als Film- und Grenzschichtkühlung bezeichnet wird und eine Grenzschichtisolation darstellt. Die Kühlluft wird außerdem als Dichtungsluft in den Raum zwischen den Stirnseiten der Rotoren und den Gehäuseseitenteilen eingeleitet.

Ein Auslaßstutzen 30 einer nicht dargestellten Brennkammer oberhalb des Gehäusemantels 27 erstreckt sich bis in eine Einlaßöffnung 31 des Gehäusemantels, wo er von einer Kühlkammer 32 umgeben und von Kühlluft der Brennkammer mit einer Temperatur von 300 bis 600⁰C gekühlt wird.

Ein Seitenteil 33 an der Hochtemperaturseite des Gehäusemantels 27 ist mit kreisbogenförmigen Nuten 34, 35, 36, 37 versehen, die konzentrisch zu den Hohlwellen 28, 29 verlaufen. Die oberen Nuten 34 und 36 jedes Rotors werden in nicht näher dargestellter Weise mit Dichtungs- und Kühlluft von etwa 300⁰C aus einem Hochdruckkompressor versorgt, während den unteren Nuten 35 und 37 Dichtungs- und Kühlluft von einem Niederdruckkompressor zugeführt wird.

Jeder Rotor ist ferner an seiner Hochtemperaturseite mit im wesentlichen radial in den Stirnwänden verlaufenden Aussparungen 38 versehen, deren innere Enden etwa im gleichen Abstand von der Rotorachse wie der Radius der Nuten 34,35,36,37 und deren äußere Enden im achsfernen Bereich der Rippen liegen. Ferner ist zumindest der Schraubenrippenrotor 23 im Bereich seiner Stirnwand mit einer Reihe kurzer Radialkanäle 39 (F i g. 2) versehen, die ebenfalls von den Nuten gespeist werden und in öffnungen dicht an den achsnahen Bereichen der Rippen münden. Ferner weist jede Rippe 25 einen in deren Längsrichtung verlaufenden Kühlluftkanal 40 auf, der ebenfalls von den Nuten 34, 35, mit Kühlluft versorgt wird, die zu einem oder mehreren, jeweils im achsfernen Bereich der Rippen in kleinen Öffnungen mündenden Radialkanälen 41, 42 geleitet wird.

Gemäß F i g. 2 kann ein weiterer Kühlluftkanal 44 im hochtemperaturseitigen Seitenteil 33 so angeordnet sein, daß er in bezug auf eine Tasche 45 zwischen den eingreifenden Rippen und Nutenstegen geöffnet ist. Diese Tasche 45 wachsender Größe ergibt sich, wenn ein Rotor um etwa 45° aus seiner mittleren Lage gedreht wird, bei der ein vollständiger Eingriff mit dem Gegenrotor am Einlaßende vorliegt. Ein Kühlluftkanal 44 kann sowohl auf der Hochdruckseite als auch auf der Niederdruckseite angeordnet sein. Auf der Hochdruckseite kann er ferner mit den oberen Nuten 34, 36 verbunden sein, während eine entsprechende Verbindung an der Niederdruckseite mit den unteren Nuten 35,37 vorliegen kann.

Die Kühlluft tritt in die kreisbogenförmigen Nuten des Seitenteils 33 ein, wobei die radialen Aussparungen 38 in den Rotorenden mit Kühlluft gespeist werden, die auf diese Weise die Stirnwände der Rotoren und das Seitenteil kühlen sowie gleichzeitig ein Dichtungspolster bilden kann. Die durch die kurzen Radialkanäle 39 strömende Kühlluft wird gegen die Rippenflanken geleitet. Sie haftet zusammen mit der Kühlluft aus den Radialkanälen 41,42 an den Rippenoberflächen und bildet dort eine Grenz- bzw. Isolierschicht, was zu einem Kühleffekt für den Rotor führt. Die Auslaßöffnungen der Radialkanäle sollten dabei einen kleinen Querschnitt besitzen. Ein Teil der Kühlluft wird außerdem zum Kühlen der Lager 46, 47 der Rotorwellen benutzt. Ein Gehäuse für Kolbensynchronisation ist mit 31a bezeichnet.

Die in F i g. 2 dargestellten Rippen- und Nutenstegprofile sind nur schematisch wiedergegeben. Es sind breite Rippen, schmale Nutenstege und bei vollem Eingriff schmale Taschen zwischen diesen Gliedern bevorzugt. Derartige Taschen ermöglichen das Einleiten von

Kühlluft.

Die Flüssigkeitskühlung erfaßt weniger als die Hälfte der Gehäuseoberfläche. Der übrige Teil ist durch einen frei dehnbaren Gaskollektor 43 isoliert. Kanäle 50, 51 für die Kühlflüssigkeit im Gehäusemantel 27 liegen am Auslaßende, d. h. an der Unterseite des Gehäusemantels, wobei Begrenzungen 48,49 der Kanäle am Einlaßende etwa auf der halben Gehäusehöhe liegen. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert durch die Kanäle 50, 51 des Gehäusemantels und durch Kanäle 52, 53, 54 in den Seitenteilen, wobei sich zusammen mit der Luftkühlung bzw. -isolierung eine Metalltemperatur zwischen 100 und 400⁰C ergibt.

Zum Kühlen der Rotornaben sind in jeder Hohlwelle 28, 29 zentrische Rohre 55 zum Einleiten und Zirkulieren von Kühlflüssigkeit durch den Zwischenraum zwischen jedem Rohr 55 und der Hohlwelle angeordnet, was durch Pfeile angedeutet ist (F i g. 1). Ein Abgassammler 56 erhält Abgas direkt von den Expansionskammern zwischen den Rotoren und führt zu einem teilweisen Voröffnen des Gasauslasses, wenn ein — vorzugsweise für eine Strömungsgeschwindigkeit von 100 m/s ausgelegter — Hauptgasauslaß 57 aufgrund der gegenseitigen Lage der Rotoren noch geschlossen ist. Dadurch kann die Energie im Abgas besser ausgenützt und im Hinblick auf den Druckabfall zum Vergrößern der Geschwindigkeit verwendet werden.

Die Lager 46, 47 des Schraubenrippenrotors 23 sind federnd aufgehängt, um eine Kompensation der Wärmeausdehnung zu ermöglichen. Wegen der Wärmeausdehnung ist eine Isolierplatte 58 eingefügt, die sich in radialer Richtung frei ausdehnen kann und ein großes Spiel in bezug auf die Rotorenden besitzt. Zur Verringerung der Leckverluste an den Stirnseiten kann eine kleine Dehnungsplatte 59 mit kleinerem Spiel an den Druckbereichen dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kühlung einer parallel- und außenachsigen Rotationskolben-Expansionsmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenrotor und einen Schraubennutenrotor, welche innerhalb eines an seinen Ober- und Unterseiten jeweils einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden, von Gehäuseseitenteilen axial begrenzten Gehäusemantels umlaufen und von denen wenigstens der Schraubenrippenrotor sich in Längsrichtung der Rippen erstrekkende Kühlluftkanäle enthält, die in einen Raum münden, und mit Kühlkanälen im Rotorwellenbereich sowie im Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß eine kombinierte Luft-Flüssigkeits-Kühlung vorgesehen ist, bei der Kühlflüssigkeitskanäle (50, 52, 53, 54, 55) sowohl in den Rotorwellen (28, 29) oder in den ihnen benachbarten Rotorbereichen als auch in der die Einlaßöffnung (31) aufweisenden Manteloberseite sowie in den Seitenteilen angeordnet sind und bei welcher die zumindest hochtemperaturseitig angeordneten Kühlluftkanäle (40) von Nuten (34, 35), die in dem der Einlaßöffnung (31) benachbarten Seitenteil (33) eingelassen sind, gespeist werden und über zumindest im Schraubenrippenrotor (23) befindliche Radialkanäle (39, 41, 42) zu den achsfernen und achsnahen Zonen der Rippen (25) führen, um dort eine Grenzschicht zu bilden, und mit ebenfalls von den Nuten (34, 35) gespeisten radialen Aussparungen (38) in den Stirnwänden der Rotoren (23,24).

2. Kühlung einer parallel- und außenachsigen Rotationskolben-Expansionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem der Einlaßöffnung (31) benachbarten Seitenteil (33) ein weiterer Kühlluftkanal (44) gegenüber dem Eingriffsbereich der Rotoren (23, 24) mündet, so daß Kühlluft in nach dem vollen Eingriff gebildeten Taschen (45) strömen kann.