DE2414053B2

DE2414053B2 - Gasdynamische Druckwellenmaschine

Info

Publication number: DE2414053B2
Application number: DE2414053A
Authority: DE
Inventors: Hansulrich Dipl.-Ing. Dr. Zuerich Hoerler; Josef Baden Perevuznik
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-02-14
Filing date: 1974-03-23
Publication date: 1979-06-13
Also published as: DK140350B; CA1062216A; BR7500884A; JPS50114606A; DE2414053A1; US4123200A; SE7501568L; NL168304B; FR2261420A1; DK140350C; BE825428A; CH568476A5; DK50875A; JPS5717200B2; ATA102675A; ES434649A1; NL168304C; DE7410055U; NL7501627A; FR2261420B1

Description

axiales Montagespiel zulassen, um der Gefahr des Änstreifens des Läufers zu begegnen. Nunmehr kann niedriglegierter Baustahl verwendet werden, wenn er die notwendige Wärmefestigkeit aufweist, es kann von Anfang an ein kleines Montagespiel eingestellt werden und auch bei Oberlast verhindern die genannten Mittel mit Sicherheit ein Anstreifen des Läufers.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt Es zeigt

Fig. 1 in d<T oberen Hälfte die Erwärmung des Gehäusemittelteils nur an der Innenseite durch heißes Gas; in der unteren Hälfte die Erwärmung des Gehäasemittelteils an der Innen- und Außenseite durch heißes Gas;

Fig.2 die Ansicht eines Seitenteils des Gehäuses gemäß der oberen Hälfte der F i g. 1 nach dem Schnitt H-II;

Fig.3 einen Schnitt durch die Maschine nach der Linie IH-III in F ig.l.

Der bekannte Aufbau einer gasdynamischen Druckwellenmaschine geht aus den Figuren der Zeichnung hervor. Der Läufer ! dreht sich zwischen feststehenden Seitenteilen des Gehäuses, nämlich dem Lu^r.:gehäuse 2 und dem Gasgehäuse 3, die durch den Gehäusemittelteil

4 verbunden sind. Das energiereiche Hochdruckgas, hier das Abgas eines Verbrennungsmotors, strömt nach Pfeil

5 durch das Gasgehäuse 3 und durch die Eintrittsöffnung

9 in den Läufer 1, wo es einen Teil seiner Energie im Druckwellenprozeß an die Luft abgibt Es tritt aus dem Läufer als Niederdruckgas durch die Austrittsöffnungen

10 im Gasgehäuse 3 wieder aus und strömt nach Pfeil 6 durch das Gasgehäuse, z. B. zum Auspuff hin.

Die Luft strömt nach Pfeil 7 durch das Luftgehäuse 2, wird im Läufer 1 verdichtet und tritt (in der Zeichnung nicht dargestellt) senkrecht zur Zeichenebene aus dem Luftgehäuse wieder aus, um ihrer weiteren Verwendung zugeführt zu werden.

Der Läufer 1 ist im Luftgehäuse 2 fliegend gelagert wird bei 8 angetrieben und besteht in jenem Fall, in welchem der Druckwellenprozeß abläuft, aus der Nabe

11 und dem Deckband 12, zwischen denen sich radial die Zellenwände 13 erstrecken.

Nach Fig. 1, obere Hälfte, ist der Radialspalt 14 zwischen dem Deckband 12 des Läufers und dem Gehäusemittelteil 4 etwas breiter als sonst üblich ausgeführt Von dem in Richtung 6 aus dem Läufer austretenden Niederdruckgas gela.igt ein Teil in den Radialspall 14 und fließt wie durch die Pfeile 15 kenntlich gemacht ist zufolge der Druckdifferenz gegen das Luftgehäuse 2 und tritt gemeinsam mit der nach w Pfeil 7 zuströmenden Luft in den Läufer ein, wo es am Druckwellenprozeß teilnimmt. Um dem Niederdruckgas den Zu- und Abfluß zum bzw. vom Radialspalt zu erleichtern, der bei den bekannten Maschinen nur von einer geringen Leckgasmenge durchströmt wird, sind das Gasgehäuse 3 und das Luftgehäuse 2 mit Ausnehmungen 16, 16a versehen, wodurch der Radialspalt zusammen mit seiner angepaßten Breite, zum definierten Strömungskanal wird.

Das auch nach der Energieabgabe im Läufer noch immer heiße Niederdruckgas verteilt sich im Radialspalt 14 und erwärmt daher gleichmäßig den Gehäusemittelteil 4 bis nahe an die Temperatur des Niederdruckgases. Der Läufer 1 wird durch angesaugte Frischluft auf der Luftseite und durch Spülluft über die ganze axiale Zellenlänge gekühlt so daß sich eine Betriebstemperatur einstellt die zwischen der Luft- und der Gastemperatur liegt. Bei normaler Füllung des Läufers ist die mittlere Temperatur des Gehäusemtttolteils daher mindestens gleich hoch, meistens aber höher als die Betriebstemperatur des Läufers.

Wenn der Gehäusemittelteil vorteilhafterweise eine geringere Wärmekapazität aufweist als das Deckband, spricht er in kürzester Zeit auf die Erwärmung an und dehnt sich — praktisch gleichzeitig mit dem Läufer oder sogar noch rascher — entsprechend der Gastemperatur und der durch den Radialspalt durchgesetzten Gasmenge aus. Die Breite des Axialspaltes 20 verändert sich nur mehr in engen Grenzen und die Gefahr des stirnseitigen Änstreifens des Läufers ist ausgeschaltet

Zum Schütze gegen Wärmeverluste und somit zum Zwecke einer rascheren Erwärmung ist der Gehäusemittelteil mit der Isolierung 17 versehen, die gleichzeitig als Schallisolation wirkt Auch ein Emailüberzug kann von Vorteil sein.

Ein weiterer Vorteil der Ausführung gemäß der oberen Hälfte der F i g. 1 besteht darin, daß keine außenliegenden Teile benötigt werden.

Es ist naheliegend, daß das heiße Oas, nachdem es den Radialspalt 14 auf seiner ganzen Lange durchströmt hat auch nach außen abgeleitet werden kann, z. B. direkt in die umgebende Atmosphäre oder in den Auspuff, um zusammen mit dem Niederdruckgas abzuströmen

Eine andere Ausführung mit Erwärmung des Gehäusemittelteils von innen und von außen zeigt die untere Hälfte der Fig. 1. Der Gehäusemittelteil 4 ist vom Mantel 18 umgeben, welcher die Falten 19 für den Dehnungsausgleich aufweist. Als wärmeabgebendes Medium dient eine Teilmenge des Hochdruckgases, die nach dem Durchströmen des Gasgehäuses 3 nicht mit dem Hauptstrom in den Läufer eintritt sondern durch den Axialspalt 20 in den Radialspalt 14 gelangt, diesen in Pfeilrichtung 21 durchströmt durch die Öffnungen 22 im Gehäusemittelteil 4 austritt den Ringraum 23 zwischen dem Gehäusemittelteil und dem Mantel 18 in Gegenrichtung durchströmt und durch den Stutzen 24 (es können auch deren mehrere sein) abgeleitet wird, beispielsweise ins Freie oder zurück in das Gasgehäuse 3 an einer Stelle, wo sich die inzwischen abgekühlte Teilmenge mit dem aus dem Läufer austretenden Niederdruckgas vereinigen kann. Auf diese Weise wird der Gehäusemittelteil beidseitig vom selben Gas beheizt, dessen Wärmekapazität damit bestens ausgenützt wird. Zur Vermeidung von Wärrnsverlus'.en kann der Mantel isoliert sein.

Sollte das durch den Axialspalt — der ja gerade klein gehalten werden soll — geführte Hochdruckgas für die Erwärmung des Gehäusemittelteils nicht ausreichen, so kann im Bereich jeder Hochdruckgas-Eintrittsöffnung 9 eine Ausnehmung vorgesehen werden ähnlich den Ausnehmungen 16, 16a für das Niederdruckgas, welche die Zuführung einer größeren Hochdruckgasmenge zum Radialspalt 14 erlaubt

Auch hier besteht die Möglichkeit das Hochdruckgas aus dem Radialspalt 14 durch die öffnungen 22 abzuführen, ohne es weiter auszunützen. Diese Variante kommt z. B. dann in Frage, wenn eine Abgasrückführung in den Dr xkwellenprozeß vermieden werden muß.

Um eine allfällige Deformation des Gehäusemittelteils durch ungleichmäßige Erwärmung zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, eine Verteilung der Hochdruckgase im Radialspalt vorzunehmen, z. B. durch eine über de»; ganzen Umfang sich erstreckende Erweiterung des Radialspaltes an jener Stelle, wo der Gehäusemittelteil an das Gasgehäuse anschließt.

Es ist naheliegend, daß für die beidseitige Erwärmung des Gehäusemittelteils auch Niederdruckgas verwendet werden kann. Auch kann der Mantel 18 für eine Erwärmung des Gehäusemittelteils nur von außen benützt werden, indem Hochdruck- oder Niederdruckgas direkt in den Ringraum 23 eingeleitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Gasdynamische Druckwellenmaschine, bei der sich der aus Welle, Nabe, Zellenwänden und Deckband bestehende Läufer in einem aus Mittelteil und Seitenteilen zusammengesetzten Gehäuse dreht, mit Mitteln zum Erzielen eines kleinen Axialspieles zwischen Läufer und Gehäuse während des Betriebes, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel ein als Strömungskanal für das heiße Gas ausgebildeter Radialspalt (14) zwischen dem Deckband (12) des Läufers (1) und dem Gehäusemittelteil (4) ist, wodurch die Erwärmung des Gehäusemittelteiles (4) proportional zur Erwärmung des Läufers (1) erfolgt, und daß weiterhin mindestens; je eine Ausnehmung (16) in den beiden Seitenteilen (2, 3) des Gehäuses, durch welche das heiße Gas dem Radialspalt (14) zufließt bzw. vom Radialspalt (14) abfließt, vorgesehen ist

2. Gasdynamische Druckwellenmaschine mich Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Mantel (IS), weicher den Gehäusemilteiieii (4) umgibt und der so gebildete Ringspalt (23) vom heißen Gas durchströmt ist

3. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Gas zuerst den Radialspalt (14) und anschließend den Ringspalt (23) durchströmt

Die Erfindung betrifft eine gasdynamisch^ Druckwellenmaschine, bei der sich der aus Welle, Nabe, Zellenwänden und Deckband begehende Läufer in einem aus Mittelteil und Seitenteilen zusammengesetzten Gehäuse dreht mit Mitteln zum Erzielen eines kleinen Axialspieles zwischen Läufer und Gehäuse während des Betriebes.

Für das einwandfreie Funktionieren einer gasdynamischen Druckwellenmaschine und zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades ist es erforderlich, die Leckgasverluste an den Stirnseiten des Läufers auf ein Minimum zu beschränken, d.h. ein sehr kleines Axialspiel zwischen dem Läufer und den Seitenteilen des Gehäuses einzuhalten.

Da es sich bei dem zu verdichtenden Gas meistens um Luft handelt, wird weiterhin zur Vereinfachung nur von dieser gesprochen und dementsprechend jener Seitenteil des Gehäuses, welcher üblicherweise sowohl die Niederdruckluft-Zuströmkanäle als auch die Hochdruckluft-Abströmkanäle enthält das Luftgehäuse genannt, während der andere Seitenteil, welcher die Hochdruckgas-Zuströmkanäle und die Niederdruckgiis-Abströmkanäle enthält, das Gasgehäuse genannt wird.

Der axiale Spalt zwischen dem Läufer und dem Luftgehäuse kann sehr klein gehalten sein, da der Läufer normalerweise im Luftgehäuse fliegend gelagert ist und auftretende Dehnungsdifferenzen unbedeutend sind. Wesentlich schwieriger ist es auf der Gasseite, wo sich die Dehnungen des heißen Läufers voll auswirken. Der das Axialspiel bestimmende Spalt zwischen dem Läufer und dem Gasgehäuse wird bestimmt durch die Dehnungsdifferenz zwischen dem Läufer und dem Gehäusemittelteil. Wenn beim Anfahren der Druckwellenmaschine das heiße Gas die Zellen des Läufers durchströmt, dehnt sich dieser entsprechend seiner Temperatur und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten

seines Werkstoffs gegen das Gasgehäuse aus. Der Axialspalt wird dabei kleiner, weil der Gehäusemittelteil nicht so rasch folgen kann, der durch die Leckgase im Radialspalt zwischen dem Deckband des Läufers und dem Gehäusemittelteil, aber auch durch Strahlung des Läufers mit Verspätung erwärmt wird. Nach einer gewissen Zeit erreicht der Axialspalt ein Minimum, das sogenannte Anfahrminimum. Bei Vollast kann, je nach Betriebszustand der Maschine, das Axiaispiel kleiner oder größer als das Anfahrminimum sein. Da der Läufer unter keinen Umständen und in keinem Betriebsfall am Gasgehäuse anstreifen darf, sind diese Minimalspiele für das einzustellende Montagespiel der kalten Maschine maßgebend. In den Läufer strömt in ständigem Wechsel heißes Gas und kalte Luft ein, so daß sich seine Temperatur auf einen Wert zwischen der Gas- und der Lufttemperatur einstellt Bei Oberlast mit einer Gasüberfüllung des Läufers nähert sich dessen Temperatur jener des Gases, die Temperatur des Gehäusemittelteils kann nicht mehr im vollen Umfang nachfolgen und der Spalt wird kleiner.

Zur Klehihaltung des Axialspiels zwischen dem Läufer und den Seitenteilen des Gehäuses ist es bekannt (DE-AS 17 28 083.0), den Läufer und den Gehäusemittelteil aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt und kleinem mittleren Wärmeausdehungskocffizienten herzustellen. Wegen der nur mehr kleinen Längenänderungen des Läufers und des Gehäusemittelteils kann das Axialspie! von vornherein klein gewählt werden und ein einwandfreies Funktionieren der Maschine bei stationären und auch bei instationären Betriebsbedingungen ist garantiert Nachteilig ist dabei der Preis der Nickellegierung, was sich hier besonders auswirkt weil die Materialkosten für diese Druckwellenmaschine mehr als den halben Fabrikationspreis ausmachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gasdynamischen Druckwellenmaschine für den Läufer und für den Gehäusemittelteil die Verwendung eines hochwertigen, teuren Werkstoffes zu vermeiden und trotzdem ein kleines Axialcpiel Zrv/i'chen dem Läufer und den beiden Seitenteilen einhalten zu können.

Die erfindungsgemäße l-ösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Mittel ein als Strömungskanal für das heiße Gas ausgebildeter Radialspalt zwischen dem Deckband des Läufers und dem Gehäusemittelteil ist, wodurch die Erwärmung des Gehäusemittelteiles proportional zur Erwärmung des Läufers erfolgt, und daß weiterhin mindestens je eine Ausnehmung in den beiden Seitenteilen des Gehäuses, durch welche das heiße Gas dem Radialspalt zufließt bzw. vom Radialspalt abfließt, vorgesehen ist

Weitere Möglichkeiten für die Erwärmung des Cehäusemittelteils ergeben sich durch einen Mantel, welcher den Gehäusemittelteil umgibt und der so gebildete Ringspalt vom heißen Gas durchströmt ist. Für die Erwärmung des Mittelteils von außen kann das heiße Gas vor oder nach seiner Energieabgabe in der Druckwellenmaschine verwendet werden.

Es ist vorteilhaft wenn das heiße Gas zuerst den Radialspalt und anschließend den Ringspalt durchströmt Es wird dadurch ein größerer Teil der im Gas enthaltenen Wärmemenge auf den Gehäusemittelteil übertragen, was eine Einsparung an Gas bedeutet.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird das ungünstige Spielverhalten einer Druckwellenmaschine ausgeschaltet. Bisher mußte man entweder eine hochwertige Nickellegierung für den Läufer und für den Gehäusemittelteil verwenden oder ein sehr großes