DE2113704B2

DE2113704B2 - GAS DYNAMIC PRESSURE SHAFT MACHINE

Info

Publication number: DE2113704B2
Application number: DE19712113704
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. 8904 Friedberg Wunsch
Original assignee: BBC AG Brown, Bovert & Cie, Baden (Schweiz)
Priority date: 1971-02-18
Filing date: 1971-03-22
Publication date: 1977-05-26
Also published as: DK139042C; NL165817C; NL165817B; FR2125945A5; NL7201990A; SE369434B; CH528012A; DE2113704A1; AT309153B; BE779421A; CA953692A; US3802801A; IT947601B; DK139042B; GB1389052A

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine, deren mit Zellen ausgestatteter Läufer sich in einem aus Mittelteil und zwei Seitenteilen bestehenden Gehäuse dreht, von denen der eine mindestens je eine Hochdruck-Eintrittsöffnung und eine Niederdruck-Austrittsöffnung für ein energieabgebendes Gas aufweist, der andere Seitenteil mindestens je eine Hochdruck-Austrittsöffnung und eine Niederdruck-Eintrittsöffnung für zu verdichtende Luft umfaßt und von der Hochdruck-Eintrittsöffnung zu der NiederdrucU-Austrittsöffnung strömendes Leckgas mindestens teilweise gesammelt wird.The invention relates to a gas dynamic pressure wave machine, the cells of which are equipped with rotors rotates in a housing consisting of a central part and two side parts, one of which is at least one each a high pressure inlet port and a low pressure outlet port for an energy-emitting gas, the other side part at least one each Comprises high pressure outlet opening and a low pressure inlet opening for air to be compressed and of the high pressure inlet opening to the low pressure outlet opening flowing leakage gas is at least partially collected.

In gasdynamischen Druckwellenmaschinen wird durch Entspannung eines Gases der Druck in einem anderen Gas erhöht. Der gasdynamische Prozeß vollzieht sich unter dem Einfluß von Kompressions- und Expansionswellen in den stirnseitig offenen Zellen des Läufers, die sich an Zu- und Abführkanälen in den Seitenwänden des Gehäuses vorbeibewegen. Die Hochdruck- und Niederdruck-Öffnungen jedes Seitenteiles sind durch einen in der Regel nur schmalen Steg voneinander getrennt, auf dem Dichtungen gar nicht oder nur in ungenügender Weise untergebracht werden r,₀ können. Es treten daher Leckverluste auf durch Abfluß von Hochdruckgas entweder in Umfangsrichtung direkt zu einer Niederdruck-Öffnung oder in Radialrichtung zuerst in der Nebenraum des Läufers bzw. in den Spalt zwischen dem Deckband des Läufers und dem Mittelteil <>s des Gehäuses und von dort zu einer Niederdruck-Öffnung. In gas-dynamic pressure wave machines, the pressure in another gas is increased by expanding one gas. The gas-dynamic process takes place under the influence of compression and expansion waves in the cells of the rotor, which are open at the front and move past supply and discharge channels in the side walls of the housing. The high-pressure and low-pressure openings of each side part are separated from one another by a web, which is usually only narrow, on which seals cannot be accommodated at all or only in an inadequate manner r, ₀ . There are therefore leakage losses due to the outflow of high pressure gas either in the circumferential direction directly to a low pressure opening or in the radial direction first in the adjoining space of the rotor or in the gap between the shroud of the rotor and the central part of the housing and from there to one Low pressure port.

Zur Verringerung der Leckage sind verschiedene Lösungen bekannt, die alle darauf hinausgehen, das Spiel zwischen dem Läufer und den Seitenteilen des Gehäuses während des Betriebes klein zu halten. Es haftet ihnen jedoch der Nachteil an, daß sie mit relativ großem Aufwand verbunden sind und die Betriebssicherheit nicht immer gewährleistet ist.Various solutions are known for reducing leakage, all of which aim at the To keep play between the runner and the side parts of the housing small during operation. It however, they have the disadvantage that they are associated with relatively great effort and operational reliability is not always guaranteed.

Auch ist es bekannt (US-PS 3120 920), eine Erweiterung der Hochdruck-Eintrittsöffnung für das Gas und eine Tasche im Seitenieil mit der Ein- und der Austrittsöffnung für die Luft vorzusehen, die dazu dienen, die Verdichtungswellen umzulenken, wodurch der Lastbereich des Verbrennungsmotors, in welchem die Druckwellenmaschine anwendbar ist, vergrößertIt is also known (US-PS 3120 920), a Expansion of the high pressure inlet opening for the gas and a pocket in the side part with the inlet and the Provide outlet opening for the air, which serve to deflect the compression waves, whereby the load range of the internal combustion engine in which the pressure wave machine can be used is enlarged

Ferner ist es bekannt (GB-PS 10 43 301), in den Seitenwänden einer Druckwellenmaschine bogenförmige Nuten anzuordnen, die sich radial außerhalb und innerhalb der Niederdruck-Öffnungen erstrecken und aus denen gesammeltes Leckgas, das sonst bei der Rückströmung senkrecht auf den Niederdruck-Hauptstrom treffen würde, mit Hilfe schräger Kanäle in die Richtung des Hauptstromes umzulenken, um Verwirbelungen zu vermeiden.It is also known (GB-PS 10 43 301), arc-shaped in the side walls of a pressure wave machine To arrange grooves that extend radially outside and inside the low-pressure openings and from which the leakage gas is collected, which is otherwise perpendicular to the low-pressure main flow during the return flow would meet with the help of inclined channels to deflect in the direction of the main stream to avoid turbulence to avoid.

Die vorliegende Erfindung schlägt einen grundsätzlich anderen Weg ein. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, die im Leckgas enthaltene Energie dem Druckwellenprozeß zu dessen Verbesserung zuzuführen.The present invention takes a fundamentally different approach. It is based on the task to supply the energy contained in the leakage gas to the pressure wave process to improve it.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch mindestens eine im Seitenteil mit der Ein- und der Austrittsöffnung für das Gas angeordnete, zur Stirnseite des Läufers offene Leckgastasche, die sich radial über die gesamte Zellenhöhe und nach innen und außen noch weiter erstreckt als die Ein- und die Austrittsöffnung.This object is achieved according to the invention by at least one in the side part with the one and the Outlet opening for the gas arranged, to the end face of the rotor open leakage gas pocket, which extends radially over the entire cell height and extends inward and outward even further than the inlet and outlet openings.

Durch die Ausnützung der Leckgasenergie steigt der Wirkungsgrad der Druckwellenmaschine. Ihre Charakteristik ändert sich dabei ein einem z. B. für die Aufladung von Fahrzeugmotoren günstigen Sinne, indem der für die Aufladung und Spülung zur Verfügung stehende Druck im unteren Drehzahlbereich relativ stärker angehoben wird als im oberen Bereich. Die nach dem obigen Verfahren arbeitende Druckwellenmaschine ist weniger empfindlich auf das Spiel zwischen dem Läufer und den Seitenteilen des Gehäuses. Ist das Spiel klein, dann hat die Druckwellenmaschine an und für sich einen guten Wirkungsgrad, der durch die Energieausnutzung der geringen Leckgasmenge nur mehr wenig verbessert wird. Ist das Spiel groß, dann kommt die Leckgastasche stärker zur Wirkung und gleicht wenigstens einen Teil der Verluste wieder aus.By utilizing the leakage gas energy, the Efficiency of the pressure wave machine. Your characteristic changes in a z. B. for the Charging vehicle engines favorable sense by making the available for charging and purging standing pressure in the lower speed range is increased relatively more than in the upper range. The after The pressure wave machine operating with the above method is less sensitive to the clearance between the Runner and the side parts of the housing. If the game is small, then the pressure wave machine has in and of itself a good degree of efficiency, which is little more due to the energy utilization of the small amount of leakage gas is improved. If the game is big, then the leakage gas pocket has a stronger effect and is the same at least part of the losses.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigtSeveral exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. It shows

F i g. 1 eine Druckwellenmaschine im Längsschnitt,F i g. 1 a pressure wave machine in longitudinal section,

F i g. 2 einen Seitenteil des Gehäuses, in Richtung H-II der F i g. 1 gesehen,F i g. 2 shows a side part of the housing, in the direction H-II of FIG. 1 seen

Fig.3, 5 und 7 schematische Darstellungen eines Teils der Abwicklungen eines Zylinderschnittes in halber Höhe der Zellen durch den Läufer und durch die dazu benachbarten Partien der Seitenteile des Gehäuses von verschiedenen Ausführungen,3, 5 and 7 are schematic representations of a Part of the developments of a cylinder section halfway up the cells through the runner and through the adjacent parts of the side parts of the housing of different designs,

Fig.4, 6 und 8 die zugehörigen Wellenzyklen im Druck-Geschwindigkeits-Diagramm.4, 6 and 8 the associated wave cycles in Pressure-speed diagram.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer gasdynamischen Druckwellenmaschine mit dem mit Längszellen ausgestatteten, fliegend gelagerten Läufer 20, dessen Nabe 21 den Hohlraum 22 aufweist und der sich in dem aus den Seitenteilen 23 und 23 und dem Mittelteil 25 zusammengesetzten Gehäuse dreht. Das energiereiche Gas strömt dem Seitenteil 23 bei 26 zu, gibt im Läufer 20Fig. 1 shows the basic structure of a gas dynamic Pressure wave machine with the overhung rotor 20 equipped with longitudinal cells, whose Hub 21 has the cavity 22 and which is made up of the side parts 23 and 23 and the central part 25 composite housing rotates. The high-energy gas flows to the side part 23 at 26, is in the rotor 20

einen Teil seiner Energie ab und verläßt den Seitenteil 23 bei 27. Das zu verdichtende Gas (im folgenden kurz Luft genannt, da es sich meistens um solche handelt) strömt dem Seitenteil 24 bei 28 zu, wird im Läufer 20 verdichtet und verläßt den Seitenteil 24 bei 29, was nur gestrichelt eingezeichnet ist, weil dieser Auslaß meistens um 90° aus der Zeichenebene herausgedreht ist.part of its energy and leaves the side part 23 at 27. The gas to be compressed (hereinafter briefly Called air, since it is mostly such) flows to the side part 24 at 28, becomes 20 in the runner compresses and leaves the side part 24 at 29, which is only shown in dashed lines because this outlet is mostly rotated 90 ° out of the plane of the drawing.

F i g. 2 stellt den Seitenteil 23 dar. Es sind daraus die Hochdruck-Eintrittsöffnungen 2vund die Niederdruck-Austrittsöifnungen 1 η für das energieabgebende Gas zu ersehen. Von den Hochdruck-Eintrittsöffnungen 2v strömt der Großteil des energiereichen Gases in den Läufer, kleinere Leckgasmengen treten jedoch in den Spalt zwischen Läufer und Seitenteil 23. Sie verbreiten sich, wie durch Pfeile angedeutet ist, teils in Umfangsrichtung zu den Niederdruck-Austrittsöffnungen in hin, teils radial nach außen in den Spalt 30 zwischen dem Deckband 31 des Läufers 20 (F i g. 1) und dem Mittelteil 25 des Gehäuses, teils radial nach innen in den Hohlraum 22 der Nabe 21, und bauen in diesen Räumen einen Druck auf.F i g. 2 illustrates the side portion 23. It can be seen from the high-pressure inlet openings 2vund the low pressure Austrittsöifnungen η 1 for the energy-releasing gas. 2v of the high-pressure inlet openings of the bulk of flows of energy-rich gas into the rotor, but smaller gas leakages occur 23 into the gap between the rotor and side panel They spread, as indicated by arrows, partly in the circumferential direction of the low-pressure outlet openings out partly radially outwards into the gap 30 between the shroud 31 of the rotor 20 (FIG. 1) and the middle part 25 of the housing, partly radially inwards into the cavity 22 of the hub 21, and build up a pressure in these spaces.

Der Druck in den Räumen 22 und 30 ist tiefer als in den Hochdruck-Öffnungen 2v, da der enge Spalt zwischen Läufer und Seitenteil den Leckgasstrom drosselt. Er ist aber höher als in den Niederdruck-Öffnungen In, da der Spalt zwischen Läufer und Seitenteil auch in dieser Richtung abdichtet.The pressure in the spaces 22 and 30 is lower than in the high pressure openings 2v, because of the narrow gap throttles the leakage gas flow between the rotor and the side part. But it is higher than in the low-pressure openings In, because the gap between the runner and the side part also seals in this direction.

Es ist nun möglich, die unter Druck stehenden Räume 22 und 30 mit Leckgastaschen LT im Seitenteil 23 zu verbinden, indem sich diese radial über die Hochdruck- und Niederdruck-Öffnungen hinaus bis zum Spalt 30 bzw. Hohlraum 22 erstrecken. Diese Taschen LTsind im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in Drehrichtung des Läufers gesehen (durch gestrichelten Pfeil angedeutet), zwischen Niederdruck- und Hochdruck-Öffnung angeordnet. Sie werden aus dem Druckreservoir der Räume 22 und 30 aufgeladen und speisen ihrerseits die Läuferzellen. Die Auswirkung dieser Maßnahmen geht aus den F i g. 3 und 4 hervor.It is now possible to connect the pressurized spaces 22 and 30 with leakage gas pockets LT in the side part 23 by extending these radially beyond the high pressure and low pressure openings to the gap 30 or cavity 22. In the present exemplary embodiment, these pockets LT are arranged between the low-pressure and high-pressure openings, as seen in the direction of rotation of the rotor (indicated by a dashed arrow). They are charged from the pressure reservoir in spaces 22 and 30 and in turn feed the rotor cells. The effect of these measures can be seen in FIGS. 3 and 4.

Fig. 3 zeigt die Abwicklung eines Zylinderschnittes durch den Läufer der Druckwellenmaschine bzw. ein Weg-Zeit-Diagramm und F i g. 4 das zugehörige Druck-Geschwindigkeits-Diagramm, wie es bei den Charakteristiken-Verfahren der instationären Gasdynamik üblicherweise Verwendung findet.Fig. 3 shows the development of a cylinder section through the rotor of the pressure wave machine or a path-time diagram and F i g. 4 the associated pressure-speed diagram, as it is usually used in the characteristic method of unsteady gas dynamics.

Die Fig.4 gibt den Zustand im Verlaufe des gasdynamischen Prozesses an, charakterisiert durch das DruckverhältnisFig. 4 indicates the state in the course of the gas dynamic process, characterized by the Pressure ratio

und die auf die Schallgeschwindigkeit bezogene Strömungsgeschwindigkeit u/an. Die Zustandpunkte im Schnittpunkt zweier Charakteristiken sind fortlaufend numeriert. In Fig.3 sind die Felder, in denen dieser Zustand herrscht, mit den gleichen Ziffern bezeichnet. Der Läufer dreht sich in Richtung des Pfeiles U zwischen den beiden Seitenteilen 23 und 24. In der Niederdruckzone werden die Zellen mit Frischluft aus der Niederdruck-Eintrittsöffnung 1 ν gespeist. Eine Expansionswelle zwischen den Feldern 10 und 0 bremst die Strömungsgeschwindigkeit auf null ab. Sobald eine Zelle in den Bereich der Leckgastasche LTtritt, die mit den durch die Leckgasströme aufgeladenen Räume 22 und 30 in Verbindung steht und auch durch die in Umfangsrichtung strömende Leckage gespeist wird, entsteht eine Druckwelle, die den Zelleninhalt auf den Zustand 1 vorverdichtet Aus der Leckgastasche LT strömt Gas aus. Die Druckwelle wird von der Stirnwand des Seitenteiles 24 als Druckwelle reflektiert und bremst die Geschwindigkeit wieder auf null ab, so daß der Zelleninhalt auf den Zustand 2 kommt Der Zelleninhalt ist somit in Feld 2 auf einen Druck vorverdichtet, der and the flow velocity u / an related to the speed of sound. The state points at the intersection of two characteristics are numbered consecutively. In FIG. 3, the fields in which this condition prevails are denoted by the same numbers. The rotor rotates in the direction of arrow U between the two side parts 23 and 24. In the low-pressure zone, the cells are fed with fresh air from the low-pressure inlet opening 1ν. An expansion wave between fields 10 and 0 slows the flow rate down to zero. As soon as a cell enters the area of the leakage gas pocket LT , which is connected to the spaces 22 and 30 charged by the leakage gas flows and is also fed by the leakage flowing in the circumferential direction, a pressure wave occurs which precompresses the cell contents to state 1 Leak gas pocket LT escapes gas. The pressure wave is reflected from the end wall of the side part 24 as a pressure wave and slows the speed back down to zero, so that the cell content comes to state 2. The cell content is thus pre-compressed in field 2 to a pressure that

ίο höher als der Ansaugdruck und auch höher als der Druck in der Leckgastasche liegtίο higher than the suction pressure and also higher than that Pressure in the leakage gas pocket

Von diesem Druckniveau aus beginnt dann erst die eigentliche Verdichtung des Zelleninhaltes, sobald eine Zelle gegen die Hochdruck-Eintrittsöffnung 2v hinFrom this pressure level, the actual compression of the cell contents only begins as soon as a cell approaches the high pressure inlet opening 2v

ι > öffnet. Danach läuft der bekannte Zyklus der Druckwellenmaschine ab. Die verdichtete Luft wird durch die Hochdruck-Austrittsöffnung 2/j, das expandierte Gas durch die Niederdruck-Austrittsöffnung \n ausgeschoben, und Frischluft wird durch die Niederdruck-Ein-ι> opens. Then the known cycle of the pressure wave machine runs. The compressed air is expelled through the high-pressure outlet opening 2 / j, the expanded gas through the low-pressure outlet opening \ n , and fresh air is expelled through the low-pressure inlet

;o trittsöffnung 1 ν angesaugt, bis wieder der Zustand 0 erreicht ist. Durch die Leckgastasche wird für eine vorgegebene Ausströmgeschwindigkeit tender verdichteten Luft ein höherer Druck als ohne Vorverdichtung erreicht, wenn also die Hauptverdichtung direkt vom Zustand 0 ausginge.; o opening 1 ν sucked in until state 0 is reached again. Due to the leakage gas pocket, a higher pressure is achieved for a given outflow speed of the compressed air than without pre-compression, that is, if the main compression started directly from state 0.

Eine andere Möglichkeit der Ausbildung des Druckwellenprozesses mit Ausnützung der Leckgasniange ist in den Fig.5 und 6 gezeigt. In diesem Beispiel ist die Druckwelle zwischen den Zuständen 10 und 0 nicht eine Expansions-, sondern eine Kompressionswelle. Die Einströmgeschwindigkeit der Luft am Ende der Niederdruck-Eintrittsöffnung Iv wird von der gegenüberliegenden Stirnseite des Seitenteiles 23 auf den Zustand 0 aufgestaut, worauf durch die Leckgastasche LTdie Vorverdichtung durch zwei Druckwellen auf den Zustand 1 und 2 erfolgt. Durch den Aufstau der Einströmgeschwindigkeit der Luft stellt sich ein höherer Druck in der Leckgastasche LT ein, und es wird dementsprechend eine stärkere Wirkung ausgeübt.Another possibility for the formation of the pressure wave process with utilization of the gas leakage is shown in FIGS. In this example, the pressure wave between states 10 and 0 is not an expansion but a compression wave. The inflow speed of the air at the end of the low-pressure inlet opening Iv is dammed up from the opposite end of the side part 23 to state 0, whereupon the leakage gas pocket LT precompresses through two pressure waves to state 1 and 2. Due to the damming up of the inflow speed of the air, a higher pressure is established in the leakage gas pocket LT , and a stronger effect is accordingly exerted.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausnützung der in den Leckgasmengen enthaltenen Energie besteht darin, sie zur Verbesserung der Zellenspülung in der Niederdruckzone heranzuziehen. Der entsprechende Druckwellenprozeß ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Die Leckgastasche LT, die wieder mit den Druckräumen 22 und 30 in Verbindung steht, ist in einem zusätzlichen Steg 32 gegen Ende der Niederdruck-Austrittsöffnung In untergebracht, wo die Strömungsgeschwindigkeit bereits klein ist. Der Steg 32 im Seitenteil 23 muß ergänzt werden durch einen Steg 33 im Seitenteil 24. Durch die Zuführung der Leckage in den gasdynamischen Prozeß steigt der Druck in den Zellen auf den Zustand 10 an, wodurch sich in den Feldern 11 und 12 eine stärkere Strömungsgeschwindigkeit und damit eineAnother possibility for utilizing the energy contained in the leakage gas quantities is to use it to improve the cell purging in the low-pressure zone. The corresponding pressure wave process is shown in FIGS. The leakage gas pocket LT, which is again connected to the pressure chambers 22 and 30, is accommodated in an additional web 32 towards the end of the low-pressure outlet opening In, where the flow velocity is already low. The web 32 in the side part 23 must be supplemented by a web 33 in the side part 24. By feeding the leakage into the gas-dynamic process, the pressure in the cells rises to the state 10, which results in a stronger flow velocity and in the fields 11 and 12 so one

ss bessere Spülung in der Niederdruckzone ergibt.ss results in better flushing in the low pressure zone.

Die Leckgastaschen können mit gleicher Wirkung auch im Seitenteil 24 oder in beiden Seitenteilen untergebracht werden, wie auch die Zu- und Abführung eines Gases nicht jeweils auf der selben Seite, also imThe leakage gas pockets can also have the same effect in the side part 24 or in both side parts are accommodated, as well as the supply and discharge of a gas not each on the same side, i.e. in the

(>o selben Seitenteil, erfolgen muß. Um so eher werden sich dann die Leckagen beider Gase mischen; es ist dann unwesentlich, auf welcher Seite sie dem Gasprozeß zugeführt werden. Wichtig ist nur, daß das Leckgas nicht unkontrolliert in die Zellen einströmt und so den Prozeß(> O the same side part, must be done. All the sooner will be then mix the leaks of both gases; it is then unimportant on which side they are involved in the gas process are fed. It is only important that the leakage gas does not flow into the cells in an uncontrolled manner and thus the process

f's stört, sondern mit Hilfe der Leckgastaschen an einer genau definierten Stelle den Zellen zugeführt wird und dadurch den Prozeü verbessert.f's bothersome, but with the help of the leakage gas pockets on one precisely defined point is supplied to the cells and thereby improves the process.

I liei/u 2 Bkill ZeichnungenI liei / u 2 Bkill drawings

Claims

Patent claims:

1. Gas-dynamic pressure wave machine, the rotor equipped with cells rotates in a housing consisting of a central part and two side parts, one of which has at least one high-pressure inlet opening and one low-pressure outlet opening for an energy-emitting gas, the other side part at least one high pressure each includes exit opening and a low pressure inlet for air to be compressed and is at least partially collected from the high pressure inlet port to the low pressure outlet port flowing Blow, marked, ₅ characterized by at least one in the side part (23) with the Eh and the Austriusöffnung (2v or In for the gas, open to the end face of the rotor (20), a leakage gas pocket (LT) which extends radially over the entire cell height and inwards and outwards even further than the inlet and outlet openings (2v and In).

2. Pressure wave machine according to claim 1, characterized in that the leakage gas pocket (LT) is arranged to achieve a pre-compression of the air between the inlet and the outlet opening (2 ν or \ n) .

3. Pressure wave machine according to claim 1, characterized in that the leakage gas pocket (LT) for improving the cell purging in the _{low-w-pressure} zone is provided in an additional web (32), the gas is arranged in the outlet opening (\ n).