DE2254776A1 - Aerodynamische druckwellenmaschine - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Aerodynamische Druckwellenmaschine

Die Erfindung betrifft eine aerodynamische Druckwellenmaschine, deren mit Zellen versehener Rotor zwischen zwei Seitenteilen angeordnet ist, von denen der eine die Zu- und Ab-¹Strömöffnungen für das heisse Gas und der andere die Zu- und Abströmöffnungen für das kalte Gas· aufweist, bestimmt für einen Prozess, bei welchem die Drücke des verdichteten kalten und des zu expandierenden heissen Gases in der Hochdruckzone nur wenig unterschiedlich sind, hingegen der Druck des expandierenden heissen Gases in der Niederdruckzone wesentlich, höher liegt als der Druck des zu verdichtenden kalten Gases.

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In aerodynamischen Druckwellenmaschinen wird ein heisses Gas vom Druck p„ auf den Druck P₁ entspannt und die so gewonnene Expansionsenergie dazu verwendet, ein kaltes Gas (im folgenden kurz Luft genannt, da es sich meistens um solche handelt) vom Druck ρ auf den Druck p„ zu verdichten. Die verwendeten Indizes ν und η stehen für vor bzw. nach Durchströmen des Rotors, 1 und 2 für das tiefere bzw. höhere Druckniveau.

Für manche thermische Prozesse ist eine Druckwellenmaschine erwünscht, bei welcher p_ -ÄJfPp und ρ > ρ ist, und der Massendurchsatz kalten und heissen Gases annähernd gleich ist. Soll beispielsweise in einer Gasturbinenanlage die Druckwellenmaschine strömungsseitig dem Verdichter nach- bzw. der Gasturbine vorgeschaltet werden, so ist p„ ^p„ , da der Druckverlust in der Brennkammer verhältnismässig klein ist. Es kann die ganze Masse des heissen Verbrennungsgases in der Druckwellenmaschine expandieren und es wird die Luft auf einem Druckniveau angesaugt, das bedeutend tiefer liegt als dasjenige des Gases beim Austritt. Das bedeutet, dass der Verdichter entlastet wird, also weniger Leistung aufnimmt und daher Nutzleistung und Wirkungsgrad ansteigen.

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Bei den bekannten Druckwellenmaschinen mit vier Zu- und Abströmöffnungen je Wellenzyklus ist ein grösserer Druckunterschied p_n - p, .nur erreichbar, wenn auch der Druckun- *ln Iv

terschied p. - p_2v verhältnismässig gross ist. Eine Verbesserung ergibt sich, wenn mehr als zusammen vier Zu- und Abströmöffnungen je Wellenzyklus verwendet werden (CH-PS 868), was aber eine kompliziertere Maschine bedeutet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zügrunde, eine möglichst einfache Druckwellenmaschine zu schaffen, mit der gegenüber einer Maschine, die nach dem bekannten Prozess arbeitet, der Druckunterschied ρ -. ρ, vergrössertr werden kann, ohne gleichzeitig den Druckunterschied p„ - p„ vergrössern zu müssen. . ' '.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgäbe besteht darin, dass die Zellen des Rotors, zylinderprojiziert in^ eine Axialebene, diagonal verlaufen, wobei die Zu- und Abströmung des heissen Gases auf der Rotorseite mit dem grösseren Zellendurchmesser und die Zu- und Abströmung des ,kalten Gases auf der Rotorseite mit dem kleineren Zellendurchmesser ' erfolgt. " '"'-.■" "■-.--"■"- ""■-■"■.·■

Variationsmöglichkeiten für den Druckwellenprozess ergeben

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sich dadurch, dass die radiale Zellenhöhe von der einen zu der anderen Rotorseite variiert.

Hierbei lässt sich ein Sonderfall verwirklichen, wenn die radiale Zellenhöhe mit zunehmendem Zellendurchmesser in dem Masse kleiner wird, dass der Zellenquerschnitt über die Länge der Zellen konstant bleibt.

Bei einem Rotor mit achsparallel verlaufenden Zellen wirken sich die unterschiedlichen Zentrifugalkräfte, denen das heisse Gas und die kalte Luft durch ihr verschiedenes Gewicht unterliegen, nicht aus. Bei einem Rotor jedoch mit diagonal verlaufenden Zellen entsteht dadurch eine zusätzliche Komponente, die zur Beeinflussung des Druckwellenprozesses in der Weise ausgenützt wird, dass das Verdichtungsverhältnis der Luft erhöht und der Druckunterschied p. "P₁ vergrössert wird. Durch die Aenderung des Verhältnisses der Durchmesser, auf denen die beiden Zellenenden liegen, also durch Aenderung der Schräge des Zellenverlaufs, sowie durch Variierung oder auch Konstanthaltung der Strömungsquerschnitte in den Zellen ergeben sich zusätzliche Anpassungsmöglichkeiten an den. vorgesehenen Prozess.

In der Zeichnung ist ein Äusführ»ungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

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Fig. 1 den Rotor einer Druckwellenmaschine, die zwischen eine Arbeits- und eine Kraftmaschine eingeschaltet ist;

Fig. 2 die schematische Darstellung der Abwicklung eines Zylinderschnittes in· halber Höhe der Zellen durch den Rotor und durch die benachbarten Partien der Seitenteile des Gehäuses;

Fig. 3 den zugehörigen Wellenzyklus im Druck-Geschwindigkeit-Diagramm.

Nach Fig. 1 is~t zwischen den Verdichter 1 und die Gasturbine 2, die auf der gemeinsamen Welle 3 sitzen, als gemeinsame Oberstufe für beide Maschinen eine aerodynamische Druckwellenmaschine eingebaut, von der nur der Rotor H dargestellt ist; Er kann mit der gleichen Drehzahl wie die Turbogruppe laufen oder, wie durch den Spalt zwischen der Welle 3 und dem Rotor 4 angedeutet ist, unabhängig von der Gasturbine ' angetrieben werden. ~ ■ ,. "

Die Zellen 5, die im vorliegenden Beispiel einen über ihre Länge gleichbleibenden Querschnitt aufweisen, verlaufen diagonal, d.h., dass die beiden Zellenenden auf verschiedenen Durchmessern liegen. Die Zellen sind im Mittel unter dem Winkel OC zur Horizontalen geneigt. Dabei müssen die Zellen nicht

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entlang einem Axialschnitt verlaufen, sondern sie können auch z.B. aus der Zeichenebene, die einen solchen Axialschnitt darstellt, herausgebogen sein. Charakteristisch ist aber, dass die Zellen bei einer Zylinderprojektion in eine Axialebene schräg verlaufen. Diese Rotorform erlaubt es, durch Aenderung der radialen Zellenhöhe den Querschnitt über die Länge der Zellen sukzessive zu vergrössern, zu verkleinern oder auch ihn konstant zu halten.

Die Luft strömt entsprechend dem Pfeil 6 durch den Verdichter 1 der Druckwellenmaschine zu, tritt in Richtung des Pfeiles 7 durch die Zuströmöffnung Iv in den Rotor H auf der Seite mit dem kleineren Zellendurchmesser ein, durchläuft zur weiteren Verdichtung den vorgesehenen Druckwellenprozess und tritt auf der selben Rotorseite in Richtung des Pfeiles ,8 durch die Abströmöffnung 2n wieder aus. Die Luft wird hierauf zur Brennkammer 9 und nach der Erhitzung durch die Verbrennung in Richtung des Pfeiles 10 zum Rotor 4 als heisses, energieabgebendes Gas geleitet, tritt durch die Zuströmöffnung 2v auf der Seite mit dem grösseren Zellendurchmesser in den Rotor ein, durchläuft nochmals den Druckweilenprozess und tritt auf der selben Rotorseite in Richtung des Pfeiles 11 durch die Abströmöffnung In wieder aus, worauf es der Gasturbine 2 zuströmt. (Die genannten Zu- und Abströmöffnungen sind aus Fig. 1 nicht ersichtlich.)

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Die Wirkung der schrägen Zellen kann wie folgt erklärt werden: . -.

In den Zellen.verschieben sich im wesentlichen gleiche Volumen verschieden heisser Gase. Durch die Schräge der Zellen wirken auf eine Volumeneinheit 12 in ihrer Bewegungsrichtung nicht nur die₍ üblichen Druckkräfte·, sondern auch eine Komponente Z » sinOi der Zentrifugalkraft Z. Das Gewicht einer Volumeneinheit kalter Luft ist grosser als das Gewicht der gleichen Volumeneinheit heissen Gases und unterliegt daher einer stärkeren Zentrifugalkraft. Beim Verdrängen von komprimierter Luft in Richtung des Pfeiles 8 zur Abströmöffnung 2n durch das nachdrückende heisse Gas aus der Zuströmöffnurig 2ν in Richtung des Pfeiles 10 muss daher das Gas zusätzlich Energie an die Luft abgeben, die gegen die Zentrifugalkraft nach innen bzw. zur Rotorseite mit dem kleineren Zellendurchmesser verschoben wird. Es bleibt daher weniger Energie zum Aufstau des Druckunterschiedes p_? - p_? übrig. Beim Spülvorgang hingegen wird die Luft, die durch die Zuströmöffnung Iv in Richtung des Pfeiles 7 eintritt, nach aussen geschleudert und gibt Energie an das Gas ab, das damit gegen einen höheren Gegendruck durch die Abströmöffnung In in Richtung des Pfeiles 11 ausgeschoben werden kann. '

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Fig. 2 zeigt die Abwicklung eines Zylinderschnittes durch den Rotor einer Druckwellenmaschine mit einfachstem Wellenbild und vier Oeffnungen, bzw. ein Weg-Zeit-Diagramm, und Fig. 3 das zugehörige Druck-Geschwindigkeit-Diagramm, wie es bei den Charakteristiken-Verfahren der instationären Gasdynamik üblicherweise Verwendung findet. Dieses Diagramm gibt den Zustand im Verlauf des gasdynamischen Prozesses an in Abhän-

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gigkeit vom Druckverhältnis f~j 2-<£ und der auf die Schallgeschwindigkeit bezogenen Strömungsgeschwindigkeit u/a . Die Zustandspunkte im Schnittpunkt zweier Charakteristiken sind fortlaufend numeriert. In Fig. 2 sind die Felder, in denen dieser Zustand herrscht, mit den gleichen Ziffern bezeichnet.

Der Rotor dreht sich in Richtung des Pfeiles U zwischen den beiden Seitenteilen 13 und 11 des Gehäuses. In der Nieder-.druckzone werden die Zellen mit Frischluft aus der Zuströmöffnung Iv gespeist. Eine Kompressionswelle zwischen den Feldern 5 und 0 bremst die Strömungsgeschwindigkeit auf null ab und bringt damit den Zelleninhalt auf eine erste Verdichtungsstufe. Sobald eine Zelle gegen die Zuströmöffnung 2ν hin öffnet, beginnt die eigentliche Verdichtung. Die verdichtete Luft wird durch die Abströmöffnung 2n, das expandierte Gas durch die Abströmöffnung In ausgeschoben, und Frischluft wird durch die Zuströmöffnung Iv angesaugt, bis wieder der Zustand 0 erreicht ist.

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In Fig. 3 ist mit vollen Linien eingetragen, wie die Zustandsänderungen dieses Prozesses verlaufen.. Daraus ist ,zu ersehen, dass durch den Einfluss der Zentrifugalkraft die' Zustandscharakteristiken verbogen werden. Zum Vergleich- dazu ist gestrichelt eingezeichnet, wie die Zustandsänderungen verlaufen, wenn der Rotor in üblicher Weise achsparallele Zellen aufweist. Es zeigt sich,, dass, wie es' die gestellte Aufgabe verlangt, bei.einem Rotor mit schrägen Zellen der Druckunterschied ρ - ρ viel grosser ist, und gleichzeitig hat der Druckunterschied p_ - p„ abgenommen.

Die Druckwellenmaschine mit diagonal verlaufenden Zellen kann mit Vorteil als Aufladegerät von Verbrennungsmotoren verwendet werden, wenn der Auspuffgegendruck sehr hoch ist, ferner zur Verbesserung der Niederdruckspülung in der Druckwellenmaschine. Sie kann gleicherweise mit mehr als zwei Zustrom- und zwei Abströmöffnungen je Wellenzyklus ausgestattet sein, ebenso kann sie Umlenkkanäle haben.

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Claims (3)

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Patentansprüche

l.J Aerodynamische Druckwellenmaschine, deren mit Zellen versehener Rotor zwischen zwei Seitenteilen angeordnet ist, von denen der eine die Zu- und Abströmöffnungen für das heisse Gas und der andere die Zu- und Ab st römö ff nurigen für das kalte Gas aufweist, bestimmt -für einen Prozess, bei welchem die Drücke des verdichteten kalten und des zu expandierenden heissen Gases in der Hochdruckzone nur wenig unterschiedlich sind, hingegen der Druck des expandierten heissen Gases in der Niederdruckzone wesentlich höher liegt als der Druck des zu verdichtenden kalten Gases, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (5) des Rotors (*i), zylinderprojiziert in eine Axialebene, diagonal verlaufen, wobei die Zu- und Abströmung des heissen Gases auf der Rotorseite mit dem grösseren Zellendurchmesser und die Zu- und Abströmung des kalten Gases auf der Rotorseite mit dem kleineren Zellendurchmesser erfolgt.

2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Zellenhöhe von der einen zu der anderen Rotorseite variiert.

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3. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Zellenhöhe mit zunehmendem Zellendurchraesser in dem Masse kleiner wird, dass der.Zellenquerschnitt über die Länge der Zellen (4) konstant bleibt.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

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