DE4319318A1 - Housing for a turbo-machine working as an energy exchanger with isochoric combustion - Google Patents

Housing for a turbo-machine working as an energy exchanger with isochoric combustion

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Abstract

In a turbo-machine which works as an energy exchanger with isochoric combustion and which consists essentially of a rotor (1) with cells (2), of a rotor housing enclosing its circumference and of housings (3a, 3b) closing off the end faces of the rotor (1) and having ducts (4), the rotor housing enclosing the circumference is a thin-walled supporting spacer housing (5) which is arranged at a short distance from the rotor (1) and which is encased by a non-supporting insulating housing (6) which reflects thermal radiation, for example is metallised, the axial rotor position being capable of being positioned by a regulating system (7) in such a way that the gap width (8) between the two end faces of the rotor (1) and the housings (3a, 3b) is constant at all the operating points. As a result, the losses can be reduced and the efficiency of the machine increased. <IMAGE>

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine als Energietau­ scher mit isochorer Verbrennung arbeitende Druckwellenma­ schine.The invention relates to a housing for an energy thaw pressure wave machine working with isochoric combustion seem.

Stand der TechnikState of the art

Es sind verschiedene Arten von Druckwellenmaschinen bekannt. Eine Druckwellenmaschine besteht im wesentlichen aus einem Zellenrotor mit Rotorzellen, ein dessen Umfang umschließen­ des Rotorgehäuse und aus Gehäusen, die die Stirnseiten des Rotorgehäuses abschließen und verschiedene Kanäle aufweisen.Various types of pressure wave machines are known. A pressure wave machine essentially consists of one Cell rotor with rotor cells, enclosing its circumference of the rotor housing and from housings that cover the end faces of the Complete the rotor housing and have different channels.

In Druckwellenmaschinen wird bei ihrer Verwendung als Aufla­ degerät für Verbrennungsmotoren Umgebungsluft zu Ladeluft und bei ihrer Verwendung als Hochdruckverdichterstufe einer Gas­ turbine vorverdichtete Luft weiter verdichtet zur Erzeugung von Treibgas für den Hochruckturbinenteil. Die Kompression der Luft findet dabei in einem Rotor statt, dessen Umfang achsparallel verlaufende Zellen aufweist, in denen die Luft mit dem Abgas des Motors oder mit dem aus der Brennkammer der Turbogruppe abgezweigten Treibgas ohne festes Trennelement direkt in Berührung kommt. Zur Steuerung der Ein- und Ausläs­ se von Luft und Gas in die bzw. aus den Zellen befindet sich jeweils an den beiden Stirnseiten des Rotors ein Gehäuse mit Kanälen für die Zu- und/oder Abfuhr der am Druckwellenprozeß beteiligten Medien.In pressure wave machines when used as Aufla device for combustion engines ambient air to charge air and when used as a high pressure compressor stage of a gas Turbine pre-compressed air further compressed for generation of propellant gas for the high-pressure turbine part. The compression the air takes place in a rotor, the scope of which has axially parallel cells in which the air with the exhaust gas from the engine or with that from the combustion chamber of the Turbo group branched propellant gas without a fixed separating element comes into direct contact. To control the inlet and outlet of air and gas in and out of the cells  a housing on each of the two end faces of the rotor Channels for the supply and / or discharge of the pressure wave process involved media.

Aus z. B. EP 0 212 181 und EP 0 468 083 ist eine mit isochorer Verbrennung arbeitende Druckwellenmaschine bekannt, welche in einer Gasturbinenanlage zwischen Verdichter und Gasturbine angeordnet ist. Die vom Verdichter aufbereitete Luft wird stromab vom Verdichter mit einem Brennstoff gemischt und an­ schließend der Druckwellenmaschine zugeführt. Das Brenn­ stoff/Luft-Gemisch füllt im kontinuierlichen Verfahren die sich drehenden Rotorzellen der Druckwellenmaschine. Bei kon­ stantem Volumen wird das in den Rotorzellen enthaltene Ge­ misch zur Zündung gebracht. Das so enthaltene Arbeitsgas dient dann der Beaufschlagung einer stromabwärts der Druck­ wellenmaschine plazierten Gasturbine.From e.g. B. EP 0 212 181 and EP 0 468 083 is one with isochorer Combustion-working pressure wave machine known, which in a gas turbine system between the compressor and the gas turbine is arranged. The air processed by the compressor becomes mixed with a fuel downstream of the compressor and on finally fed to the pressure wave machine. The distillate The substance / air mixture fills the in a continuous process rotating rotor cells of the pressure wave machine. At con The constant volume becomes the Ge contained in the rotor cells mixed to ignite. The working gas contained in this way then serves to apply a downstream pressure wave machine placed gas turbine.

Der Nachteil an diesem Stand der Technik besteht darin, daß aufgrund von Fertigungstoleranzen und aufgrund des nötigen Sicherheitsspieles die Leckage zwischen Rotor und Gehäuse re­ lativ groß ist und in ihrer Größe von den vorhandenen je­ weiligen Betriebsbedingungen (Rotortemperaturen) beeinflußt wird. Das wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad der Maschi­ ne aus.The disadvantage of this prior art is that due to manufacturing tolerances and due to the necessary Safety game the leakage between the rotor and housing right is relatively large and in size depending on the existing one operating conditions (rotor temperatures) becomes. This has a negative impact on the efficiency of the machine no off.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse für eine als Energie­ tauscher arbeitenden Druckwellenmaschine zu schaffen, bei welchem die Leckage zwischen Rotor und Gehäuse möglichst klein und in allen Betriebspunkten konstant ist, so daß ein hoher Wirkungsgrad der Maschine erreicht wird. The invention tries to avoid all these disadvantages. you is based on the task of a housing for one as energy to create exchanger working pressure wave machine which the leakage between the rotor and housing as possible is small and constant in all operating points, so that a high machine efficiency is achieved.  

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Druckwellenmaschine ge­ mäß Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch erreicht, daß in einem geringen Wandabstand vom Rotor ein dünnwandiges tragen­ des Distanzgehäuse angeordnet ist, welches von einem die Wär­ mestrahlung reflektierenden nichttragenden Isolationsgehäuse ummantelt ist, wobei die axiale Rotorlage durch ein Regelsy­ stem so positionierbar ist, daß die Spaltbreite zwischen den beiden Stirnseiten des Rotors und den dort angeordneten Ge­ häusen in allen Betriebspunkten konstant und auf beiden Sei­ ten gleich groß ist.According to the invention this is ge in a pressure wave machine achieved according to the preamble of claim 1 in that wear a thin-walled one close to the rotor of the spacer housing is arranged, which of the heat measurement radiation reflective non-load-bearing insulation housing is encased, the axial rotor position by a Regelsy stem can be positioned so that the gap width between the both ends of the rotor and the Ge arranged there housing constant in all operating points and on both sides ten is the same size.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß in allen Betriebspunkten die Leckage zwischen Rotor und Gehäuse und damit die Verluste klein sind. Somit wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt.The advantages of the invention include that the leakage between the rotor and Housing and thus the losses are small. Thus a high efficiency achieved.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn der Wandabstand zwischen Rotor und Distanzgehäuse nur so groß ist, daß der Wärme­ übergang mittels Konvektion schnell erfolgen kann.It is particularly useful if the wall distance between The rotor and spacer is only large enough to withstand the heat transition by convection can be done quickly.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeausdehnungskoeffi­ zient des Distanzgehäuses so groß wie der Wärmeausdehnungs­ koeffizient des Rotors ist, weil dann das Distanzgehäuse rasch die Rotortemperatur annimmt und den Rotordehnungen in­ folge Erwärmung folgt.It is also advantageous if the coefficient of thermal expansion of the spacer housing is as large as the thermal expansion coefficient of the rotor is because then the spacer housing quickly assumes the rotor temperature and the rotor expansions in follow warming follows.

Schließlich werden mit Vorteil ein verspiegeltes, verchrom­ tes oder vergoldetes Isolationsgehäuse verwendet.Finally, a mirrored, chrome plating is advantageous or gold-plated insulation housing is used.

Vorteilhaft ist, wenn der Zwischenraum zwischen Distanz- und Isolationsgehäuse evakuiert ist, weil dadurch die Wärmever­ luste am tragenden Distanzgehäuse minimiert werden.It is advantageous if the space between the distance and Insulation housing is evacuated because it causes the heat losses on the supporting spacer housing can be minimized.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Regelsystem aus zwei Distanzgebern und einer Verstellung, vorzugsweise eines Stellzylinders, für das Axiallager besteht.Furthermore, it is expedient if the control system consists of two Distance sensors and an adjustment, preferably one Actuating cylinder for which there is a thrust bearing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer als Energietauscher arbeitenden Druckwellen­ maschine dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Teil­ längsschnitt durch die Druckwellenmaschine.In the drawing is an embodiment of the invention based on a pressure wave working as an energy exchanger machine shown. The only figure shows a part longitudinal section through the pressure wave machine.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli­ chen Elemente gezeigt.It is only essential for understanding the invention Chen elements shown.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Die in der Zeichnung dargestellte Druckwellenmaschine besteht im wesentlichen aus einem Rotor 1 mit Zellen 2, aus einem den Umfang des Rotors umschließenden Rotorgehäuse, welches hier ein Distanzgehäuse 5 ist, und aus den Gehäusen 3a, 3b, welche die Stirnseiten des Distanzgehäuses 5 abschließen und ver­ schiedene Kanäle 4 aufweisen.The pressure wave machine shown in the drawing consists essentially of a rotor 1 with cells 2 , from a rotor housing enclosing the circumference of the rotor, which here is a spacer housing 5 , and from the housings 3 a, 3 b, which close off the end faces of the spacer housing 5 and have different channels 4 ver.

Die Druckwellenmaschine arbeitet mit isochorer Verbrennung und ist z. B. in einer Gasturbinenanlage zwischen Verdichter und Gasturbine angeordnet. Die vom Verdichter aufbereitete Luft wird stromab vom Verdichter mit einem Brennstoff ge­ mischt und anschließend der Druckwellenmaschine zugeführt. Im kontinuierlichen Verfahren füllt das Brennstoff/Luft-Ge­ misch die Zellen 2 des sich drehenden Rotors 1 der Druckwel­ lenmaschine. Bei konstantem Volumen wird dann das in den Zel­ len 2 enthaltene Gemisch zur Zündung gebracht. Das so erhal­ tene Arbeitsgas dient der Beaufschlagung einer stromabwärts der Druckwellenmaschine angeordneten Gasturbine. The pressure wave machine works with isochoric combustion and is e.g. B. arranged in a gas turbine system between the compressor and gas turbine. The air processed by the compressor is mixed with a fuel downstream of the compressor and then fed to the pressure wave machine. In the continuous process, the fuel / air mixture fills the cells 2 of the rotating rotor 1 of the pressure machine. At a constant volume, the mixture contained in cells 2 is then brought to ignition. The working gas thus obtained is used to act on a gas turbine arranged downstream of the pressure wave machine.

Die an den Stirnseiten des Rotors 1 bzw. des Distanzgehäuses 5 angeordneten Gehäuse 3a, 3b, welche Kanäle 4 für die Zu- bzw. Abfuhr der am Druckwellenprozeß beteiligten Medien ent­ hält, dienen der Ein- und Ausfuhr von Luft und Gas in die bzw. aus den Zellen 2.The arranged on the end faces of the rotor 1 and the spacer 5 housing 3 a, 3 b, which channels 4 ent for the supply and discharge of the media involved in the pressure wave process, serve the import and export of air and gas into the or from cells 2 .

Erfindungsgemäß ist das tragende Distanzgehäuse 5 in gerin­ gem Wandabstand vom Rotor 1 angeordnet. Der Wandabstand des Distanzgehäuses 5 vom Rotor 1 ist nur so groß, daß der Wär­ meübergang vom Rotor 1 mittels Konvektion sehr schnell erfol­ gen kann. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Distanzgehäuses 5 ist so groß wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Rotors 1. Dadurch und auf Grund der Dünnwandigkeit des Distanzgehäu­ ses 5 kann das Distanzgehäuse 5 rasch die Rotortemperatur an­ nehmen und der Ausdehnung des Rotors 1 infolge Wärme folgen.According to the supporting spacer housing 5 is arranged in a narrow distance from the wall of the rotor 1 . The wall distance of the spacer housing 5 from the rotor 1 is only so large that the heat transfer from the rotor 1 by convection can be carried out very quickly. The coefficient of thermal expansion of the spacer housing 5 is as large as the coefficient of thermal expansion of the rotor 1 . As a result, and due to the thin-walled spacer 5, the spacer 5 can rapidly take the rotor temperature and follow the expansion of the rotor 1 as a result of heat.

Das Distanzgehäuse 5 wird von einem verspiegelten nichttra­ genden Isolationsgehäuse 6 ummantelt. Dadurch können die Wär­ meverluste am tragenden Distanzgehäuse 5 verringert werden. Selbstverständlich kann das Distanzgehäuse in anderen Ausfüh­ rungsbeispielen der Erfindung auch verchromt oder vergoldet sein, weil dadurch ebenfalls eine gute Reflexion der Wärme­ strahlung erfolgt. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn der verspiegelte Zwischenraum 9 evakuiert ist, weil dadurch die Strahlung direkt wieder auf das tragende Distanzgehäuse 5 zurückgeworfen wird.The spacer housing 5 is encased by a mirror-coated non-insulating housing 6 . As a result, the heat losses on the supporting spacer housing 5 can be reduced. Of course, the spacer housing in other exemplary embodiments of the invention can also be chrome-plated or gold-plated, because this also results in good reflection of the heat radiation. This effect is further enhanced when the mirrored intermediate space 9 is evacuated because the radiation is thereby thrown back directly onto the supporting spacer housing 5 .

Die axiale Rotorlage selbst wird durch ein Regelsystem 7 so positioniert, daß die Spaltbreite 8 zwischen den beiden Stirnseiten den Rotors 1 und den Gehäusen 3a, 3b in allen Betriebspunkten konstant ist. Das Regelsystem 7 besteht z. B. gemäß der Figur aus zwei Distanzgebern 10a, 10b und einer Verstellung 11, in diesem Falle einem Stellzylinder, für das Axiallager 12. The axial rotor position itself is positioned by a control system 7 so that the gap width 8 between the two end faces of the rotor 1 and the housings 3 a, 3 b is constant at all operating points. The control system 7 consists, for. B. according to the figure from two distance sensors 10 a, 10 b and an adjustment 11 , in this case an actuating cylinder, for the thrust bearing 12 .

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Leckage zwischen Rotor 1 und Gehäuse 3a, 3b sehr klein und in allen Betriebspunkten, d. h. bei unterschiedlichen Rotortempe­ raturen, konstant zu halten. Dadurch treten nur geringe Ver­ luste auf und der Wirkungsgrad der Maschine erhöht sich im Vergleich zum bisher bekannten Stand der Technik.With the device according to the invention, it is possible to keep the leakage between rotor 1 and housing 3 a, 3 b very small and constant at all operating points, ie at different rotor temperatures. As a result, only small losses occur and the efficiency of the machine increases in comparison to the previously known prior art.

BezugszeichenlisteReference list

1 Rotor
2 Zellen
3a die Stirnseiten des Rotors abschließendes Gehäuse
3b die Stirnseiten des Rotors abschließendes Gehäuse
4 Kanäle
5 Distanzgehäuse
6 Isolationsgehäuse
7 Regelsystem
8 Spaltbreite
9 Zwischenraum
10a Distanzgeber
10b Distanzgeber
11 Verstellung
12 Axiallager 1 rotor
2 cells
3 a, the end faces of the rotor housing final
3 b housing closing the end faces of the rotor
4 channels
5 spacer housing
6 insulation housing
7 control system
8 gap width
9 space
10 a distance sensor
10 b distance sensor
11 adjustment
12 thrust bearings

Claims (8)

1. Gehäuse für eine als Energietauscher mit isochorer Ver­ brennung arbeitende Druckwellenmaschine, welche im we­ sentlichen aus einem Rotor (1) mit Zellen (2), aus einem dessen Umfang umschließenden Rotorgehäuse und aus die Stirnseiten des Rotors (1) abschließenden Gehäusen (3a, 3b) mit verschiedenen Kanälen (4) besteht, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das den Umfang umschließende Rotor­ gehäuse ein dünnwandiges tragenden Distanzgehäuse (5) ist, welches in geringem Wandabstand vom Rotor (1) an­ geordnet und von einem die Wärmestrahlung reflektieren­ den nichttragenden Isolationsgehäuse (6) ummantelt ist, wobei die axiale Rotorlage durch ein Regelsystem (7) so positionierbar ist, daß die Spaltbreite (8) zwischen den beiden Stirnseiten des Rotors (1) und den Gehäusen (3a, 3b) in allen Betriebspunkten konstant und an beiden Seiten gleich groß ist.1. Housing for an energy exchanger with isochoric Ver combustion pressure wave machine, which we sentlichen from a rotor ( 1 ) with cells ( 2 ), from a rotor housing enclosing its circumference and from the end faces of the rotor ( 1 ) final housing ( 3 a , 3 b) with different channels ( 4 ), characterized in that the circumferential rotor housing is a thin-walled spacer housing ( 5 ), which is arranged at a short distance from the rotor ( 1 ) and reflect one of the heat radiation non-load-bearing insulation housing ( 6 ) is sheathed, the axial rotor position being positionable by a control system ( 7 ) so that the gap width ( 8 ) between the two end faces of the rotor ( 1 ) and the housings ( 3 a, 3 b) at all operating points is constant and the same size on both sides. 2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandabstand zwischen Rotor (1) und Distanzgehäuse (5) nur so groß ist, daß der Wärmeübergang mittels Konvektion schnell erfolgen kann.2. Housing according to claim 1, characterized in that the wall distance between the rotor ( 1 ) and spacer housing ( 5 ) is only so large that the heat transfer can take place quickly by means of convection. 3. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzgehäuse (5) den gleichen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten wie der Rotor (1) hat.3. Housing according to claim 1, characterized in that the spacer housing ( 5 ) has the same coefficient of thermal expansion as the rotor ( 1 ). 4. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsgehäuse (6) verspiegelt ist. 4. Housing according to claim 1, characterized in that the insulation housing ( 6 ) is mirrored. 5. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsgehäuse (6) verchromt ist.5. Housing according to claim 1, characterized in that the insulation housing ( 6 ) is chrome-plated. 6. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsgehäuse (6) vergoldet ist.6. Housing according to claim 1, characterized in that the insulation housing ( 6 ) is gold-plated. 7. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (9) zwischen dem Distanzgehäuse (5) und dem Isolationsgehäuse (6) evakuiert ist.7. Housing according to claim 1, characterized in that the intermediate space ( 9 ) between the spacer housing ( 5 ) and the insulation housing ( 6 ) is evacuated. 8. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem (7) aus zwei Distanzgebern (10a, 10b) und einer Verstellung (11) für das Axiallager (12) besteht.8. Housing according to claim 1, characterized in that the control system ( 7 ) consists of two distance sensors ( 10 a, 10 b) and an adjustment ( 11 ) for the axial bearing ( 12 ).
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