DE2254776B2 - Aerodynamische druckwellenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine 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 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.

In aerodynamischen Druckwellenmaschinen wird ein heißes Gas vom Druck &_ν auf den Druck p\„ 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 p.t auf den Druck pin 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 pin^Pi* und Piπ>Pw 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 pi„**pm 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 ansteigea

Bei den bekannten Druckwellenmaschinen mit vier Zu- und Abströmöffnungen je Wellenzyklus ist ein größerer Druckunterschied p\_a—p\v nur erreichbar, weun auch der Druckunterschied P2n—p2v verhältnismäßig groß ist Eine Verbesserung ergibt sich, wenn mehr als zusammen vier Zu- und Abströmöffnungen je

ίο Wellenzyklus verwendet werden (CH-PS 4 41 868), was aber eine kompliziertere Maschine bedeutet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Druckwellenmaschine zu schaffen, mit der gegenüber einer Maschine, die nach dem bekannten Prozeß arbeitet, der Druckunterschied Pin—Pi ν vergrößert werden kann, ohne gleichzeitig den Druckunterschied p2n—p2v vergrößern zu müssen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe 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 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 pm-pi» vergrößert wird. Durch die Änderung des Verhältnisses der Durchmesser, auf denen die beiden Zellenenden liegen, also durch Änderung 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 Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 den Rotor einer Druckwellenmaschine, die zwischen eine Arbeits- und eine Kraftmaschine eingeschaltet ist,
F i g. 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,

F i g. 3 den zugehörigen Wellenzyklus im Druck-Geschwindigkeit-Diagramm.

Nach F i g. 1 ist 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 mir der Rotor 4 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 α zur Horizontalen gereigt Dabei müssen die Zellen nicht 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 Änderung 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 Zustrcmöffnung 1 ν in den Roter 4 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 Druckwellenprozeß 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 F i g. 1 nicht ersichtlich.)

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 · sina der Zentrifugalkraft Z Das Gewicht einer Volumeneinheit kalter Luft ist größer 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 Zuströmöffnung 2v 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 frn-fr* 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 Abströmöffhung Iu in Richtung des Pfeiles U 5 ausgeschoben werden kann.

F i g. 2 zeigt die Abwicklung eines Zyünderschnittes durch den Rotor einer Druckweilenmaschine mit einfachstem Wellenbild und vier öffnungen, bzw. ein Weg-Zeit-Diagramm, und Fig.3 das zugehörige ίο Druck-Geschwindigkeit-Diagramm, wie es bei den Charakteristiken-Verfahren der instationären Gasdynamik üblicherweise Verwendung findet Dieses Diagramm gibt den Zustand im Verlauf des gasdynamischen Prozesse an in Abhängigkeit von Druckverhältnis

¹⁵ er

2» undderaufdieSchallgeschwindigkeitbezogenen

Strömungsgeschwindigkeit u/ao. Die Zustandspunkte im Schnittpunkt zweier Charakteristiken sind fortlaufend numeriert In F i g. 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 14 des Gehäuses. In der Niederdruckzone werden die Zellen mit Frischluft aus der Zuströmöffnung 1 ν 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 2 ν 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 1 ν angesaugt, bis wieder der Zustand 0 erreicht ist.

In F i g. 3 ist mit vollen Linien eingetragen, wie die

35 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 p\n- pu viel größer ist, und gleichzeitig hat der Druckunterschied p2n—p2_t abgenommen.

45 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

50 kann gleicherweise mit mehr als zwei Zuström- und zwei Abströmöffnungen je Wellenzyklus ausgestattet sein, ebenso kann sie Umlenkkanäle haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   L 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 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 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 (4), 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. 2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Zellenhöhe von der einen zu der anderen Rotorseite variiert
3. 3. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Zellenhöhe mit zunehmendem Zellendurchmesser in dem Maße kleiner wird, daß der Zellenquerschnitt über die Länge de^r Zellen (5) konstant bleibt.