DE2414053C3

DE2414053C3 - Gasdynamische Druckwellenmaschine

Info

Publication number: DE2414053C3
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: 1980-01-31
Also published as: AT338055B; JPS50114606A; DK140350C; FR2261420A1; BE825428A; IT1044270B; SE7501568L; JPS5717200B2; BR7500884A; CA1062216A; YU31575A; NL168304B; CH568476A5; US4123200A; NL7501627A; DK50875A; DE7410055U; ATA102675A; FR2261420B1; DE2414053B2

Description

Die Erfindung betrifft eine gasuynamische Druckwellenmaschine, bei der sien der aus Welle. Nabe. Zellenwänden und Deckband begehende Läufer in einem aus Mittelteil und Seitenteilen zusammengei.etzten Gehäuse dreht, mit Mitteln /um Erzielen eines kleinen Axialspieles zwischen Läufer und Gehäuse während des Be'riebes.

Für das einwandfreie Funktionieren einer gasdynamisehen Druckwellenmaschine und zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades ist es erforderlich, die Leckgas-Verluste an den Stirnseiten des Läufers auf ein Minimum zu beschranken, 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 Se ten· teil des Gehäuses, welcher üblicherweise sowohl die Niederdruckluft-Zustromkanäle als auch die H:x?hdruckluft-Abstrnmkanäle enthält, das Luftgehäuse genannt, während der andere Seitenteil, welcher die Hochdruckgas Zuströmkanale und die Niederdruckgas-Abströmkanäle enthalt, das Gasgehäuse genannt wi d.

Der axiale Spalt zwischen dem Läufer und dem Luftgehäuse kann sehr klein gehalten sein, da der Läufer normalerweise im l.uftgehäuse fliegend gelagert ist und auftretende Dehnungsdifferenzen unbedeutend sind. Wesentlich schwieriger ist es auf der Ciasseite. wo sich die Dehnungen des heißen Läufers voll auswirken. Der das Axialspiel bestimmende Spalt Zwischen dem Läufer und deffl Casgenäiise wird bestimmt durch die Dehnüngsdifferenz zwischen dem Läufer und dem Gehäüsemittelieil. Wenn beim Anfahren der DruckWcU lenmaschine das heiße Gas die Zellen des Läufers durchströmt, dehnt sich dieser enlsprecheRd seiner Temperatur Und dem Wärmcausdehnungskoeffiziesiten

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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 Axialspiel 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 Kleinhaltung 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 Wärmeausdehungskneffizienten herzustellen. Wegen de/ nur mehr kleinen Längenänderungen des Läufers und des Gehäusemittelteils kann das Axialspiel 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 />i vermeiden und trotzdem ein kleines Axialspiel /wischen dem Läufer und den beiden Seitenteilen einhalten zu können.

Die erfindungsgemäße Losung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Mittel ein als Strömungskanal für das heiße Gas ausgebildeter Radialspalt zwischen dem Deckband des I .ι ifers 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 Radialspait zufließt b/w vom Radial spalt abfließt, vorgesehen ist.

Weitere Möglichkeiten für die F.rwärmung des Gehausemittelteils 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 tnergieabgabe in der Druck wellenmaschine verwendet werden.

Es ist vorteilhaft, wenn das heiße Gas zuerst den Radialspait und anschließend den Uingspalt durch strömt. Es wird dadurch ein größerer Teil der im Gas enthaltenen Wärmemenge auf den Oehäusemittelteil übertragen, was eine Eihsparüng ah das bedeutet.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird das Ungünstige Spielverhallen einer Druckweifenmaschine ausgeschaltet. Bisher mußte man entweder eine hochwertige Nickellegierung für den Läufer und für den Gehäusemitlelteil verwenden oder ein sehr großes

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axiales Mop.tagespiel zulassen, um der Gefahr des Anstreifens 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 Überlast verhindern die genannten Mittel mit Sicherheit ein Anstreifen des Läufers.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele schematisch du.-gestellt. Es zeigt

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

Fig.2 die Ansicht eines Seitenteils des Gehäuses f> gemäß der oberen Hälfte der Fig. 1 nach dem Schnitt 11-II-

Fig.3 einen Schnitt durch die Maschine nach der Linie HI-III in Fig. 1.

Der bekannte Aufbau einer gasdynamischen Druck- >o wellenmaschine gchi aus den r'iguren der Zeichnung hervor. Der Läufer 1 dreht sich zwischen feststehenden Seitenteilen des Gehäuses, nämlich dem Luftgehäuse 2 und dem Gasgehäuse 3, die durch den Gehäusemittelteil

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

5 durch das Gasgehäuse 3 und durch die Eintritlsöffnung

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

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 >'< Luflgehäuse wieder aus. um ihrer weiteren Verwendung zugeführt zu werden.

Der Läufer 1 ist im Luftgehiiuse 2 fliegend gelagert, wird bei 8 angetrieben und besteht in jenem Fall, in welchem du Druckwellenprozeß ablauft, aus der Nabe w

11 und dem Deckband 12. /wischen denen sich radial die Zellenwände 11 erstrecken.

Nach Fig. I. obere Hälfte, ist der Radialspalt 14 /wischen dem Deckband 12 des Läufers und dem Gehausemittelteil 4 etwas breiter als sonst üblich 4Ί ausgeführt. Von dem in Richtung υ aus dem Läufer austretenden Niederdruckgas gelangt ein Teil in den Radialspalt 14 und fließt, wie durch die Pfeile 15 kenntlich gemacht ist. /ufolge der Druckdifferenz gegen das Luftgehäuse 2 und tritt gemeinsam mit der nach w Pfeil 7 zuströmenden Luft in den Läufer ein. wo es am Druckwelknprozeß teilnimmt. Um dem Niederdruckgas den /m- und Abfluß /um b/w. vom Radialspalt /u erleichtern, der bei den bekannten Maschinen nur von einer geringen Leckgasmenge durchströmt wird, sind Ί"> das Ciasyohäuse } und das Luftgehäuse 2 mit Ausnehmungen 16, 16a versehen, wodurch der Radial spalt, zusammen mit seiner angepaßten Breite, /um definierten .Strömungskanal wird.

Das auch nach der F.nergieabgabe im Läufer noch m> immer heiße Niederdruckgas verteilt sich im Radialspalt 14 und erwärmt daher gleichmäßig den Gehäuscmitlel· feil 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 Bclriebstemperalur einstellt, die zwischen.der Luft- und der Gastempe· fätür liegt. Bei normaler Füllung des Läufers ist die mittlere Temperatur des Gehäusemittelteils 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 Ansireifens 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 Schallisoiation wirkt. Auch ein Emailüberzug kann von Vorteil sein.

Ein weiterer Vorteil der Ausführung gemäß der oberen H ilfte der Fig. 1 besteht darin, daß keine auUenliegenden Teile benotigt werd'.

ils isi naheliegend, daß dai heiße Ga>. '* 'xhuem es den Radialspalt 14 auf seiner ganzen Länge durchströmt hat. auch nach außen abgeleitet werden kann, z. B. direkt in die umgebende Atmosphäre oder in den Auspulf, um zusamrren mit dem Niederdruckgas abzuströmen.

Fine andere Ausfuhrung 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 Fa!cen 19 für den Dehnungsausgleich aufweist. Als wärmeabgebendes Medium dient eine Teilmenge des Hochdruckgases, die nach dem Durchströmen des Gasgvhauses 3 nicht mit dem Hauptstrom in den Laufer 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 Gehäusemitteltei! und dem Mantel 18 in Gegenrichtung durchströmt und durch den Stutzen 14 (es können auch deren mehrere sein) abgeleitet wird, beispielsweise ins freie oder zurück in das Gasgehäuse 3 ; .1 einer Stelle, wo sich die inzwischen abgekühlte Teilmenge mit dem aus dem Läufer austretenden Niederdruckgas vereinigen kann. Auf diese Weise wird der Gehausemittelteii beidseitig vom selben Gas beheizt, dessen Wärmekapazität damit bestens ausgenutzt wird. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten 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 füt 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 /.. B. dann in Frage, wenn eine Abgasrückfuh rung in den Druckwellenpro/eß vermieden werden muß.

Um eine allfällige Deformation des uj;häusemittelteils durch ungleichmäßige Erwärmung zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, eine Verteilung der Hochdruckgase im Radiaispalt vorzunehmen, z. B. durch eine über den ganzen Umfarig sieh erstreckende Erweiterung des Radialspaltes an jener Stelle, wo der Gehäusemittelteil an das Gasgehäuse anschließt.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

η α 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 Radialspatt (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 mindesteis je eine Ausnehmung (16) in den beiden Seitenteilen (2, 3) des Gehäuses, durch welche das heiße Gas dem Radialspalt (14) zufließt bzw. vom Radialspait (14) abfließt, vorgesehen ist.

2. Gasii>namische Druckwellenmaschine nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen Mäntel (18), welcher den Gehäusemittelteil (4) umgibt und der so gebildete Ringspalt (23) vom heißen Gas durchströmt ist.

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

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