DE4210543A1

DE4210543A1 - Druckwellenmaschine

Info

Publication number: DE4210543A1
Application number: DE4210543A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Yau-Pin Dr Chyou; Erwin Dr Zauner
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1993-10-07
Also published as: US5313785A; JPH0642500A; NL9300411A

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckwellenmaschine mit in tegrierter Verbrennung mit einem Zellenrad, welches sich zwischen je einem mit Eintritts- und Austritts-Öffnungen versehenen luftseitigem und gasseitigem Seitenteil dreht, und eine Anzahl Zellen aufweist, in denen ein immer wie derkehrender Zündungs- und Verbrennungsprozeß abläuft.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird der immer wiederkehrende Zündungs- und Verbrennungsprozeß durch gesteuerte Zündmittel bewirkt. Der Aufwand für diese gesteuerten Zündmittel ist groß. Die Aufgabe, welche mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht in der Schaffung einer Druckwellenmaschine, bei welcher dieser Aufwand wesentlich kleiner ist und die Maschine einen einfacheren Aufbau besitzt. Außerdem soll die Druckwellenmaschine in der Lage sein, sich an veränderte Betriebsparameter anzupassen, insbesondere an die Ver änderung der Drehzahl. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an einer Wand der Zelle Mit tel angeordnet sind zum selbsttätigen Zünden und Ver brennen des eintretenden frischen Gasgemisches. Diese Mittel können

a) durch eine heiße Stelle in der Zelle gebildet werden,
b) durch eine katalytische Beschichtung der Zellenwand gebildet werden,
c) durch mindestens eine an einer Wand der Zelle ange ordnete Heißgastasche gebildet werden, welche über eine Öffnung mit dem Innenraum der Zelle verbunden ist.

Vorzugsweise können, in Strömungsrichtung gesehen, meh rere Heißgastaschen hintereinander angeordnet sein. Diese Heißgastaschen können isoliert in die Zellenwand eingesetzt sein. Sie können eine zusätzliche innere rip penartige Oberfläche aufweisen. Die beschriebene Druck wellenmaschine hat folgende Vorteile:

a) Der immer wiederkehrende Zündungs- und Verbrennungsprozeß hält sich selbst automatisch aufrecht;
b) Die Anpassung an veränderte Betriebsparameter, ins besondere die Drehzahl, erfolgt selbsttätig. Es sind weder Steuereingriffe noch Energiezufuhr erforder lich.
c) Die Maschine kommt ohne bewegliche, zusätzliche Teile aus.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine sind im folgenden anhand der beige fügten Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1-4 in schematischer Darstellung eine Druckwel lenmaschine zu verschiedenen Zeiten des immer wiederkehrenden (periodischen) Zündungs- und Verbrennungsvorganges;

Fig. 5-7 drei verschiedene Ausführungsbeispiele der in Fig. 1-4 schematisch dargestellten Heißgastaschen, und

Fig. 8-10 den zeitlichen Ablauf des Zündungsvorganges durch eine bestimmte Anordnung von Heißgastaschen gemäß einem der in Fig. 5-7 dargestellten Ausführungsbeispiele.

Eine Druckwellenmaschine wird als bekannt vorausgesetzt, und in der Zeichnung ist daher nur gerade soviel dar gestellt, als für das Verständnis der vorliegenden Er findung erforderlich ist. Gemäß Fig. 1 ist von einem Zellenrad 10 mit einer Anzahl Zellen 11 nur gerade eine einzige Zelle 11 dargestellt. Dieses Zellenrad 10 wird durch einen ring- oder zylinderförmigen Kranz von Zellen 11 gebildet, die auf scheibenförmigen Rädern 12 über eine Nabe 13 auf einer Welle 14 drehbar gelagert sind. Die Achse des zylinderförmigen Kranzes von Zellen 11, welche das Zellenrad 10 bilden, fällt mit der Achse der Welle 14 zusammen. Dieses Zellenrad 10 befindet sich zwischen zwei ersten Seitenteilen 15 und 16. Das eine Seitenteil weist Austrittskanäle 18 auf und wird daher als Austrittssei tenteil oder gasseitiges Seitenteil bezeichnet. Von die sen Austritts- und Eintritts-Kanälen sind in der Zeich nung jeweils nur ein einziger Austrittskanal 18 und ein einziger Eintrittskanal 17 dargestellt. Durch den Ein trittskanal 17 strömt ein frisches Luft-Brennstoff-Ge misch in die Zelle 11 und drängt die Abgase in den Aus trittskanal 18 hinein. Dieser Vorgang ist durch Pfeile 19 angedeutet. Zwischen dem Luft-Brennstoff-Gemisch und dem Abgas ist eine Trennlinie oder Grenzfläche 20 angedeutet. Da sich das Zellenrad 11 gegenüber den beiden Seiten teilen 15 und 16 drehen kann, wird durch diese Drehbe wegung Eingang und Ausgang der Zelle verschlossen. Es entsteht dabei - wie in Fig. 2 durch einen Pfeil 21 angeordnet - eine Druckwelle, die sich entgegengesetzt zur erwähnten Strömungsrichtung (Pfeil 19) bewegt. Diese Druckwelle ist durch eine ebene Fläche 22 angedeutet.

An einer Wand 23 der Zelle 11 sind drei Heißgastaschen 24 angeordnet, welche über je eine Öffnung 25 mit dem Inneren der Zelle 11 verbunden sind. Die Wirkungsweise dieser Heißgastaschen soll im folgenden beschrieben werden.

In den Fig. 1-4 sind die folgenden vier Perioden be schrieben:

Fig. 1 Strömungsperiode;

Fig. 2 Kompression- und Mischperiode;

Fig. 3 Zündungsperiode durch die Heißgastasche 24;

Fig. 4 Verbrennungsperiode in der Zelle 11.

a) Während der Strömungsperiode gemäß Fig. 1 bleiben die drei Heißgastaschen 24 mit heißen Abgasen gefüllt und das frische Luft-Brennstoffgemisch dringt nicht in diese Heißgastasche ein.
b) Während der Kompression und Mischperiode gemäß Fig. 2 wird das in den Heißgastaschen 24 befindliche heiße Abgas zuerst komprimiert und kann sich dann wieder expandieren, wie durch Pfeile 26 und 27 angedeutet ist.
c) Sobald gemäß Fig. 3 die Druckwelle 22 das eine Ende der Zelle 11 erreicht hat, strömt heißes Abgas aus der Heißgastasche 24 in das in Zelle 11 befindliche Luft-Brennstoffgemisch, wodurch dieses Luft-Brenn stoff-Gemisch gezündet wird.
d) Durch diese Zündung verbrennt das gesamte Luft-Brenn stoffgemisch zu Abgas unter Bildung von Strömungs wirbeln, wie in Fig. 4 angedeutet ist.
e) Gemäß Fig. 5 weist die Heißgastasche 24 ein inneres Gehäuse 26 auf, das sich in einem äußeren Gehäuse 27 befindet. Zwischen den beiden Gehäusen 26 und 27 ist ein ringförmiger Hohlraum 28 oder Spalt 28 vorhanden. Ein Flansch 30 verhindert, daß heiße Gase in den Hohlraum oder Spalt 28 zwischen dem inneren und äußeren Gehäuse 26 und 27 gelangen können.
f) Gemäß Fig. 6 ist dieser Hohlraum über Spalt 28 zwi schen dem inneren und dem äußeren Gehäuse 26 und 27 gegenüber dem Inneren der Zelle 11 offen, so daß heiße Gase oder auch ein Brennstoff-Luftgemisch in diesen Hohlraum oder Spalt 28 eindringen können.
g) Gemäß Fig. 7 ist der Hohlraum 28 genau wie bei Fig. 5 geschlossen. Hingegen ist im Innern der inneren Ge häuse 26 ein Flansch 29 befestigt, der von allen Sei ten mit heißen Gasen umströmt werden kann. Dieser Flansch 29 kann sich daher nur langsam abkühlen.
h) Bei dieser Heißgastasche 24 treten hohe Temperaturen auf, es kann daher nützlich sein, insbesondere für das innere Gehäuse 26 dieser Heißgastasche 24, das ge eignete Material oder den geeigneten Werkstoff zu verwenden, z. B. Keramik.
i) Durch eine katalytische Beschichtung 32 einzelner Stellen ist es möglich, die für den Ablauf der Ver brennungsreaktion erforderliche Temperatur herabzu setzen bzw. bei gleicher Temperatur die Reaktionsrate zu erhöhen. Die Wirkung der beschriebenen Zündtechnik kann durch eine solche katalytische Beschichtung er höht werden. Der Bereich der zulässigen Luftver hältnisse kann somit erweitert werden.
j) Die katalytische Beschichtung kann an einer beliebigen Stelle erfolgen z. B. ausschließlich Teile der Heißgastaschen 24 oder der Zellwand 23 oder die ganze Innenfläche der Zelle 11. Statt dessen kann eine heiße Stelle 33 vorhanden sein.

Anhand der Fig. 8-10 soll der Zündvorgang noch ausführ licher erläutert werden. Die in Fig. 8-10 dargestellten Heißgastaschen können entsprechend den in Fig. 5-7 dar gestellten Ausführungsformen ausgebildet sein. Die in Fig. 8-10 dargestellte Zelle 11 besitzt eine Innenwand 23 und eine Außenwand 31, die als zwei konzentrische zylin derförmige Wände ausgebildet sind. An jeder Innenwand 23 der Zellen 11 des Zellenrandes 10 sind drei Heißgastaschen befestigt, und an jeder Außenwand 31 ist ledig lich eine einzige Heißgastasche 24 befestigt, welcher die mittlere der erwähnten drei Heißgastaschen ge genüberliegt. Der Zündungsvorgang ist zu drei verschie denen Zeiten t₁, t₂ und t₃ dargestellt, wobei t₁kleiner t₂ kleiner t₃ ist. Mit den Linien 32, 33 und 34 soll die Ausbreitung der heißen Gase nach dem Zündvorgang zu diesen drei verschiedenen Zeiten t₁, t₂ und t₃ nach dem Zündungsvorgang dargestellt werden. Insbesondere soll gezeigt werden, daß durch zwei einander gegenüber liegende Heißgastaschen der Zündungsvorgang beeinflußt werden kann.

Bezugsziffernliste

10 Zellenrad
11 Zelle
12 scheibenförmiges Rad
13 Nabe
14 Welle
15 Eintrittsseitenteil
16 Austrittsseitenteil
17 Eintrittskanal
18 Austrittskanal
19 Pfeile
20 Trennlinie, Grenzfläche
21 Pfeil
22 Fläche der Druckwelle
23 Wand
24 Heißgastasche
25 Öffnung
26 inneres Gehäuse
27 äußeres Gehäuse
28 Hohlraum oder Spaltraum
29 Rippe
30 Flansch
31 Außenwand
32 katalytische Beschichtung
33 heiße Stelle

Claims

1. Druckwellenmaschine mit integrierter Verbrennung, mit einem Zellenrad (10), welches sich zwischen je einem mit Eintritts- und Austrittsöffnungen versehenen luftseitigem und gasseitigem Seitenteil (15, 16) dreht und eine Anzahl Zellen (11) aufweist, in denen ein immer wiederkehrender Zündungs- und Verbrennungsprozeß abläuft, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Wand (23) jeder Zelle (11) Mittel angeordnet sind zum selbsttätigen Zünden des eintretenden frischen Gas gemisches.

2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die genannten Mittel durch eine heiße Stelle (23) in der Zelle (11) gebildet sind.

3. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die genannten Mittel durch eine kata lytische Beschichtung (32) der Zellwand (23) gebildet sind.

4. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die genannten Mittel durch mindestens eine an einer Wand (23) der Zelle (11) angeordnete Heißgastasche (24) gebildet werden, welche über eine Öffnung mit dem Innenraum der Zelle (11) verbunden ist.

5. Druckwellenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in Strömungsrichtung gesehen, mehrere Heißgastaschen (24) hintereinander angeordnet sind.

6. Druckwellenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heißgastasche (24) isoliert in die Zellenwand (23) eingesetzt ist.

7. Druckwellenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heißgastasche eine zusätzliche innere rippenartige Oberfläche (29) aufweist.