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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor, insbesondere einen
Flüssigkeitsringkompressor.
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Die
meisten Kompressoren arbeiten mit ungefährem adiabatischen Prozess,
d. h. ohne Austauschen von Wärme
während
der Kompressionsphase. In der Praxis emittiert beispielsweise ein
Kolbenkompressor ziemlich viel Wärme,
aber nur ein kleiner Teil dieser Wärme wird während der Kompression emittiert,
der größte Teil
davon wird danach oder in der Endphase emittiert. Ein Turbokompressor
weist häufig
einen sehr angenähert
adiabatischen Prozess auf.
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Einige
der etwas spezielleren Kompressoren können sehr angenähert isotherm
arbeiten, d. h. die generierte Wärme
wird kontinuierlich abgeleitet und die Temperatur wird unverändert beibehalten.
Beispiele davon sind wassergetriebene Ejektoren und Flüssigkeitsringkompressoren,
wo beide häufig
mit Vakuum verwendet werden. Ein Schraubenkompressor mit Öleinspritzung
arbeitet polytropisch, d. h. irgendwo zwischen adiabatisch und isotherm.
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Der
isotherme Prozess verlangt weniger zugeführte Energie als der adiabatische
Prozess. Die Differenz nimmt, wie es im Diagramm der 1 veranschaulicht
ist, mit zunehmender Druckdifferenz schnell zu. Diese zeigt theoretische
Werte, die für Luft
beruhend auf einer Formel für
ideales Gas berechnet sind. Luft und Gase verhalten sich in einem Zustand,
der nicht in der Nähe
des kritischen Punktes liegt, sehr angenähert dem Ideal.
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Für die meisten
Aufgaben ist es nicht wünschenswert,
dass heißes
Gas nach der Kompression vorliegt, und daraus und aus dem Energieverbrauch folgt,
dass der isotherme Prozess theoretisch bevorzugt wird.
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Wenn
dieser, trotz des Obigen, heute nicht eingesetzt wird, lässt sich
der Grund dafür
darin finden, dass bestehende isotherme oder nahezu isotherme Kompressoren
zu große
hydraulische und dynamische Verluste haben. Es ist eine Ausnahme
für Vakuumpumpen,
die in Wirklichkeit Flüssigkeitskompressoren
mit hoher Druckdifferenz, p2/p1, aber mit kleiner Druckhöhe, p2 – p1, sind.
Diese können
mit niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten auf dem Flüssigkeitsring
arbeiten. Ein weiteres Problem liegt in der technischen Herausforderung,
fähig zu
sein, Wärme
während
Kompression kontinuierlich zu entfernen.
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Im
Rahmen von Vakuum kommen sowohl Ejektor als auch Wasserringkompressoren
häufig zum
Einsatz. Ein Ejektor macht sich die Massengeschwindigkeit in einem
Wasserstrahl nutzbar, in dem der Querschnitt expandiert und dadurch
ein anderes Medium mitnehmen kann. Der Ejektor transformiert dynamischen
Druck in statischen Druck. Aber ein Ejektorsystem weist verhältnismäßig hohe
Verluste in der Pumpe und in der Düse durch Aufprall und Reibung
auf. Ejektoren werden selten für
irgendetwas Anderes als das Vakuumfeld verwendet. Im Rahmen des
Stands der Technik ist der Wasserringkompressor dem erfindungsgemäßen Kompressor
am nächsten.
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Ein
Flüssigkeitsringkompressor
besteht hauptsächlich
aus einem Laufrad, das in einem äußeren Gehäuse zusammen
mit einem Wasserring exzentrisch rotiert, den die Zentrifugalkraft
gegen den Umfang in Position hält.
Der Einlass ist normalerweise als eine Öffnung in einer oder beiden
Stirnwänden
des Gehäuses
positioniert, wo das Gas in die Spalten des Laufrads gezogen wird.
Folglich sind Öffnungen
in den Stirnwänden
auf der Druckseite angeordnet, wo das komprimierte Gas ausgestoßen wird. Alle
Typen können
stationäre
Kommutatoren aufweisen, die zentral innerhalb des Rotors angeordnet sind,
wo Einlass und Austritt radial erfolgen.
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Der
Flüssigkeitsringkompressor
transformiert die Energie im Wasser nicht auf dieselbe Art wie der
Ejektor. Der statische Druck im Wasserring bleibt konstant. Der
Wasserring fungiert in jeder Zelle des Rotors als ein Kolben. Das
Prinzip für
einen gewöhnlichen
Flüssigkeitsringkompressor
ist in der 2 gezeigt, wo ein Flüssigkeitsring 23 in
einem stationären
Gehäuse 22,
angetrieben durch einen Rotor 21, exzentrisch rotiert,
wobei der Spalt zwischen dem Laufrad auf einer Seite einer Umdrehung Gas
hereinziehen und das Gas auf der anderen Seite komprimieren wird.
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Der
statische Druck im Wasserring muss der gleiche wie der Kompressionsdruck
sein, sonst wird das Wasser aus der Zelle gepresst, d. h., der Wasserring
wird deformiert. Dadurch ist gegeben, dass eine gewisse Druckhöhe, p2 – p1, eine
Mindestzentrifugalkraft erfordert. Ein Flüssigkeitsringkompressor weist
gewöhnlich
eine erheblich höhere
Druckhöhe auf
und erfordert deshalb eine höhere
Rotationsgeschwindigkeit als eine Vakuumpumpe.
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Der
höchste
Reibungsverlust in einem konventionellen Wasserringkompressor entsteht,
wenn der Rotor die Gehäusewand
berührt.
Der Zwischenraum muss hier sehr klein sein, was involviert, dass das
Wasser gegen den Umfang des Gehäuses
dieselbe Geschwindigkeit wie die Laufradspitzen des Rotors hat. Überdies
muss es einen sehr geringen Zwischenraum zwischen den Seiten des
Rotors und dem Gehäuse
geben. Auch in diesen Spalten wird es hohe Reibungen geben.
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Generell
nehmen Reibungsverluste mit einem Quadrat der Geschwindigkeitszunahme
zu, und in der Praxis verliert der Wasserringkompressor Grade von
Energie in Bezug auf Energie in Bezug auf einen adiabatischen Kompressor
selbst bei relativ niedrigen Druckverhältnissen.
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Ohne
diese Reibungsverluste hat der Flüssigkeitsringkompressor viele
Vorteile. Er ist sehr einfach und kann einstufig bis zu relativ
hohen Druckverhältnissen
sein.
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Es
ist erkennbar, dass, wenn das Gehäuse um den Wasserring zusammen
mit diesem rotieren würde,
die hydraulischen Reibungsverluste minimal wären. Folglich könnte so
ein Kompressor für
normale Druckverhältnisse
die isothermen Energievorteile fast voll nutzbar machen.
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Ein
früherer
Vorschlag, der mit einem äußeren rotierenden
Zylinder offenbart wurde, versuchte das Reibungsproblem zu lösen, ohne
dass dieses zu einer machbaren Lösung
führte.
Die
US 5 100 300 und
US 5 370 502 beschreiben
Flüssigkeitsringkompressoren
mit einem Zylinder, der auf einem Film von Flüssigkeit oder Gas zwischen
dem Zylinder und dem äußeren stationären Gehäuse schwebt.
Durch Schweben auf einem Flüssigkeitsfilm
ist es zweifelhaft, ob irgendeine Reduktion an Reibung erzielt werden
würde,
und mit Gas wäre
es wahrscheinlich nicht möglich
ausreichende Lagerkapazität
und -stabilität derart
zu erzielen, dass der Zylinder das Gehäuse nicht berührt.
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In
einem späteren
Patent,
US 5 395 215 von derselben
Firma wird eine Lagerung dieses Zylinders in einem äußeren Gehäuse vorgeschlagen,
wo eine Anzahl von Rollen in die Wand des Gehäuses eingeschoben werden, wobei
der Zylinder von den Rollen getragen wird. Dies scheint, bei den
tatsächlichen Rotationsgeschwindigkeiten,
die die Rollen erzielen werden, nicht realistisch. Ein nachfolgendes
Patent,
US 5 653 582 ,
kehrt wieder auf Flüssigkeiten
als das periphere Lager für
den rotierenden Zylinder und den Vorschlag der Grundlösung zurück.
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Die
US 5 251 593 offenbart wie
die jüngere Anmeldung,
dass es ein kompliziertes Problem ist, in Bezug aufeinander, auf
exzentrische Lager in Kombination mit stationären Kanälen für den Einlass und Austritt
des Gases zu kommen. Diese Veröffentlichung
zeigt ein Lager des äußeren rotierenden
Zylinders auf einer Seite und den Rotor auf der gegenüberliegenden
Seite, wobei eine stationäre
Platte nahe dem offenen Ende des Rotors Kanäle für Einlass und Austritt aufweist.
Bei diesem Design gibt es hauptsächlich
zwei entscheidende Schwachen. Die erste Schwache ist die einseitige
Lagerung, die diese Lösung
bereitstellt, wobei die Lagerlast ungleichmäßig und zu hoch wird. Gleichzeitig
entstehen große axiale
Druckkräfte.
Die andere Schwäche
sind die Probleme beim Erzielen einer angemessen gasdichten Dichtung
zwischen dem äußeren rotierenden
Zylinder und der Platte, wo die Einlass- und Austrittskanäle in einer
runden Platte positioniert sind, die in das offene Ende des Rotors
eingelegt ist. Es wäre
hier Gas, das rückwärts gerichtet
von Zelle zu Zelle und außerdem
durch den runden Spalt zwischen der stationären Platte und dem Rotor nach
außen
leckt. Das Prinzip ist für
praktische Zwecke unrealistisch.
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Trotz
vieler Studien und Vorschläge über viele
Jahre ist es offensichtlich nicht möglich gewesen, ein Design zu
erzielen, das die Anforderungen nach zufriedenstellender Funktion
erfüllt.
Folglich besteht gegenwärtig
kein Flüssigkeitsringkompressor
mit solch einem Co-Rotationsrotor. Die oben erwähnten Veröffentlichungen zeigen, dass
man mit dem Ausgangspunkt für
ein Rotor- und Kommunikatorsystem, wie jene in konventionellen Vakuumpumpen
und Kompressoren für
relativ niedrigen Druck, mit den oben erwähnten Begrenzungen hinsichtlich
der Geschwindigkeit beschäftigt
gewesen ist. Dies spiegelt sich in relativ breiten Rotoren mit Kommunikator
auf jeder Seite, die zu langem Lagerabstand und hohen Lagerlasten
führen.
In einem Kompressor mit Flüssigkeitsring
im äußeren Co-Rotor
wird die Geometrie falsch sein, was zu einem Lagerverhältnis führen wird,
das für
bestehende Lagertypen ungeeignet ist. Mit Kommunikator auf jeder
Seite ergeben sich vier Abschnitte mit Spalten, wo Leckage von den
Zonen auf der Druckseite vorliegt.
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Der
Kompressor gemäß der vorliegenden Erfindung
hat die Aufgabe dieses Problem zu lösen, das bisher verhindert
hat, dass ein Wasserringkompressor die oben erwähnten Vorteile mit einem Co-Rotor
für den
Flüssigkeitsring
nutzbar macht. Eine weitere Aufgabe ist es, eine fast isotherme
Kompression mit einer neuen sehr effizienten Direkteinspritzung
von Flüssigkeit
in das Gas während
der ganzen Kompressionsstufe zu erzielen.
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Wasser
als Einspritzflüssigkeit
besitzt sehr gute thermische Eigenschaften, und seine Verwendung
mit Gasen, die dieses zulassen, ist wünschenswert. Aber, was Pumpen
und dergleichen anbelangt, erfordert das Design für einen
Flüssigkeitskompressor
mit einem Co-Rotor
eine deutliche Teilung zwischen Wasser und dem Lager des Co-Rotors.
Anhand der Entwicklung von Schraubenkompressoren mit Wassereinspritzung
ist es bekannt und es hat Probleme mit der Abdichtung auf der Druckseite
der Schrauben gegeben. Erstens hat Wasser einen sehr kleinen bis
geringen Schmiereffekt auf die Dichtung, die einen relativ hohen
Druck in Richtung der Achse haben muss und daher hohen Verschleiß. Überdies penetriert
Wasser leicht durch selbst die feinsten Spalte und speziell bei
hohem Druck. Nachstehend wird es offenkundig werden, dass der erfindungsgemäße Kompressor
die Dichtungsprobleme durch Eliminieren der Gründe dafür löst. Die oben erwähnten Aufgaben
werden mit dem Flüssigkeitsringkompressor
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie in den angehängten
Patentansprüchen
definiert, erfüllt.
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Die
Erfindung wird jetzt beispielshalber mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen
beschrieben, in denen 1 ein Diagramm mit theoretischen Energieerfordernissen
unabhängig
vom Druckverhältnis
zeigt, 2 schematisch das Prinzip für einen Flüssigkeitsringkompressor zeigt, 3 einen
Flüssigkeitsringkompressor
gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer geteilten Längsansicht
zeigt, 4 ein Querschnitt der 4 ist, 5 den
Kompressor als montierte Schnittansicht zeigt, 6 Details
des Rotors zeigt, 7a und 7b Details
des Kommunikators zeigen und 8 Details
des Lagers zum Co-Rotor, Dichtungen und das System zum Lüften der
Zonen an den Lagern zeigen.
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Die
Hauptteile in 3 bestehen aus zwei Gehäusen 1 und 2,
zwei Co-Rotoren 3 und 4,
einem Rotor 6 und einer Rotorwelle 5, einem Kommunikator 7,
zwei Lagern 11 für
die Co-Rotoren 3 und 4 und zwei Lager 12 für die Rotorwelle 5 sowie
den Achsen 8 und 9 für die äußeren und inneren Lager 12.
In 4 ein Sektor I-II mit Ansaugung, ein Kompressions-
und Einspritzsektor II-III und ein Sektor III-I für Gasaustritt
in der Uhrzeigerrichtung. Im Sektor II-III wird Flüssigkeit
vom Kommunikator direkt in die Rotorzellen eingespritzt, und die
Kompression und Kühlung
des Gases geschieht in den Zellen.
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Bei
der stark reduzierten Reibung im Wasserring, aufgrund des Co-Rotors,
ist es möglich
den Rotor erheblich schmaler zu machen, wobei gleichzeitig das Austrittsvolumen
durch eine erhebliche Geschwindigkeitszunahme kompensiert wird.
Dadurch wird der Innendruck im Wasserring erhöht und der Kompressor kann
mit sehr hohem Druck liefern.
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Ein
kurzer Rotor erhält
eine geringe Biegekraft vom Gasdruck und lässt es daher zu, auf einem Flansch
auf seiner Achse an nur einer Stirnwand befestigt zu werden und
ist daher fähig,
einen einfachen Kommutator in der ganzen Breite des Rotors zu haben.
Es werden dann nur zwei Leckagespalte zwischen dem Kommutator und
dem Rotor geschaffen. Diese Spalte sind die einzige Stelle, wo Leckage
von der Druckseite stattfinden wird. Er kann tatsächlich auf
beiden Seiten vom Spalt und entlang der Peripherie vom Druckaustritt
gegen den Einlass, speziell in der Rotationsrichtung, lecken. Selbst
in sehr kleinen Spalten wird reines Gas ohne Flüssigkeit beim gegenwärtigen Druck
in erheblichen Mengen lecken können,
wodurch kleinere Mengen geliefert werden und geringere Effizienz
die Folge sind.
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Die
Oberfläche
des Rotors 6 ist auf der Innenseite in Richtung des Kommutators
an ihren Enden 63 glatt, mit damit verflochtenen Kanalöffnungen 62 zu
jeder individuellen Zelle. In 7a und 7b ist
gezeigt, dass der Kommutator eine Reihe von Rillen 71 in
den gegenüberliegenden
Seitenabschnitten aufweist. Die Rillen stehen unter Flüssigkeitsdruck vom
Flüssigkeitskanal 74,
der dadurch Gasleckagen in der tatsächlichen Richtung blockiert.
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Der
Flüssigkeitsringkompressor
gemäß der vorliegenden
Erfindung könnte
mit hydrodynamischen Lagern für
den Co-Rotor konstruiert werden. Diese könnten dann mit derselben Flüssigkeit
geschmiert und gekühlt
werden, die für
die Einspritzung verwendet wurde. Aber bei dem Ausgangspunkt mit erforderlichem
Achsdurchmesser und notwendiger Geschwindigkeit zeigen Forschungen
jedoch, dass die Reibungsverluste dann sehr hoch sind und einige der
Vorteile mit einem Co-Rotor verloren gehen. Mit höherem Druck
nimmt die Lagergröße weiter
zu und die Verluste in ihnen werden unakzeptabel.
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Andererseits
scheint dasselbe Verhältnis
für relativ
große
Kugel- oder Rollenlager akzeptabel zu sein, aber dies führt gleichzeitig
zu neuen Problemen um die Lagerdichtung herum. Lager mit integrierten Dichtungen
können
nicht nahe den erforderlichen Geschwindigkeiten arbeiten, und es
scheint keinerlei statische Dichtungen zu geben, die dieses zulassen oder
die eine akzeptable Lebensdauer erzielen werden. Labyrinthdichtungen
sind jedoch berührungsfrei und
können
mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten, stellen aber keine statische
Dichtung bereit. Bei diesen Dichtungen wird angenommen, dass keine
Differenzdrücke über die
Dichtung vorliegen.
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Zum
Verhindern von Differenzdruck über
das Lager wird ein Co-Rotor durch die Löcher
81, wie in der
8 gezeigt,
zum Kompressorgehäuse
hin belüftet.
Bei Luftdruckkompressoren wird das Gehäuse seinerseits zur Atmosphäre entlüftet oder
wird durch Kompression anderer Gase, um Austritt zu verhindern,
zum Einlass entlüftet,
und dadurch wird es keinen Differenzdruck über das Lager des Co-Rotors geben.
Blockierende Flüssigkeit,
die aus dem Spalt zwischen dem Kommutator und dem Rotor leckt, wird während des
Betriebs in den Flüssigkeitsring
herausgeschleudert und wird nicht in der Lage sein, die Lager für den Co-Rotor
zu erreichen. Folglich benötigt die
Auslegung nur eine statische Lagerdichtung während der Stoppphase, wo die
Gefahr offensichtlich ist, dass Wasser gegen die Dichtungen spritzt,
wenn der Wasserring aufgrund mangelnder Zentrifugalkraft zusammenbricht.
Wie in der
US 4 747 752 offenbart, wurden
in konventionellen Wasserringkompressoren, wie bereits bekannt ist,
Lippendichtungen verwendet. In diesem Fall handelt es sich aber
um eine Antriebsachse, die einen relativ kleinen Durchmesser und
niedrige Umfangsgeschwindigkeit aufweist. Wie oben erwähnt, wird
das Geschwindigkeitsverhältnis für den Co-Rotor
in Bezug auf Verschleiß kritisch.
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Dies
führte
zur Notwendigkeit, eine völlig neue
Lippendichtung 82 zu konstruieren, die ausführlicher
in der 8 gezeigt ist und die das Problem auf eine relativ
einfache Art löst.
Die Dichtung rotiert zusammen mit dem äußeren Ring des Lagers 11.
Die Lippe 83 ist relativ duktil und ruhend und wird beim Start-
und Stoppzyklus gegen die Achse anliegen und statisch abdichten,
aber wenn die Geschwindigkeit und die Zentrifugalkräfte zunehmen,
wird sie nach außen
geschleudert und erhält
einen Abstand sx, damit sie während
des Betriebs die Achse nicht berührt.
Dies ist im Querschnitt A und B der 8 gezeigt.
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Es
ist offensichtlich, dass sich die Lippe während des Betriebs gegen den
Rand der Öffnungen
im Co-Rotor und in den Wänden
platziert. Somit sind es relativ kleine Bewegungen, mit denen sich
die Lippe von Kontakt mit der Achse bis außer Kontakt mit der Achse biegt.
Dies sorgt selbst bei häufigem
Starten und Stoppen für
geringen Ermüdungseffekt.
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Die
Dichtung ist mit anderen Worten bei niedrigen Geschwindigkeiten
statisch und scheint bei höheren
Geschwindigkeiten dynamisch zu sein, wo ihr Zweck ist, nur zu verhindern,
dass Lagerfett herausgeschleudert wird. Die Lager des Co-Rotors
werden bei diesem System etwa dasselbe Verhältnis zur Umgebung und Sicherheit
erhalten, als ob sie in Luft arbeiteten.
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Es
sind der Durchmesser am Lager des Rotors und die Exzentrizität zwischen
den Rotoren, die über
den Durchmesser an den Lagerachsen des Co-Rotors entscheiden, weil
das Lager des Rotors, wie gezeigt, in diese eingeschoben wird. Die
Last am Lager des Rotors wird dieselbe wie die für den Co-Rotor. Um dieser Last
zu widerstehen und gleichzeitig für kleinstmögliche Abmessungen für die Achse
zum Co-Rotor zu sorgen, werden sogenannte Nadellager für den Rotor
verwendet. Der Zweck und die Notwendigkeit für das Integrieren des Rotorlagers
in die Achse des Co-Rotors ist, einen so kurzen Lagerabstand wie
möglich
zu erzielen, was den kleinsten Achsdurchmesser gibt. Für das Lager
dieser Achse erlaubt die Umfangsgeschwindigkeit gewöhnliche statische
Dichtungen, und das Lager kann mit Öl geschmiert werden.
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Um
das Erzeugen abgeschnürter
Gastaschen in den Zellen des Rotors 61 zu verhindern, sind
diese, wie in der 6 gezeigt, rund in Richtung der
Kanalöffnungen
nach innen gerichtet. Entlang der Peripherie des Kommutators sind
im Sektor davon, wo die Kompression stattfindet, eine Anzahl von
Löchern 75 gebohrt,
die mit dem inneren Flüssigkeitskanal 74 in
Kommunikation sind, der einen Druck aufweist, der dem Austrittsdruck
des Kompressors ähnlich
ist. Durch diese Löcher
wird Flüssigkeit
direkt in die Zellen des Rotors gespritzt. Diese Strahlen treffen auf
die Ränder
der Einlass- und Austrittskanäle
der Zellen mit hoher Geschwindigkeit und Häufigkeit auf und die Flüssigkeit
wird zerstäubt,
sodass sie in einen flüssigen
Nebel im Innern der Zelle transformiert wird. Der Nebel wird in
Richtung des Wasserrings herausgeschleudert, wird aber kontinuierlich
durch neue Strahlen erneuert, sodass eine nach außen gerichtete
Strömung
vorliegt. Die Dichte von Löchern kann
in Richtung des Endes des Kompressionssektors zunehmen, um den abfallenden
Differenzdruck zwischen der Flüssigkeit
und dem Gas zu kompensieren.
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Der
Kommutator ist an der einen, stationären Achse 8 für den Co-Rotor
befestigt. Die Achse verbindet die Kanäle des Kommutators mit dem
jeweiligen Einlass und Austritt für Gas und Einspritzflüssigkeit.
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Wird
der Kompressor gemäß der vorliegenden
Erfindung für
andere Gase als Luft, z. B. in einem Kühlsystem oder in einer petrochemischen
Anlage, verwendet, kann es nützlich
sein, das tatsächliche Gas
in der flüssigen
Phase für
die Einspritzung und als Flüssigkeitsring
zu verwenden.
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Bei
einem erwarteten, angemessen niedrigeren Energiebedarf als für einen
Turbokompressor wird der Kompressor gemäß der vorliegenden Erfindung
als Kompressor in einer Gasturbinenanlage sehr geeignet sein, die
mit relativ hohem Druckverhältnis
arbeitet. Die Luft von diesem wird, im Gegensatz zum Turbokompressor,
tatsächlich
kalt sein, doch muss zur Kenntnis genommen werden, dass die, vom
Turbokompressor gelieferte Wärme
der Turbinenachse entnommen wird und folglich den Leistungseffekt
zur gleichen Zeit reduziert, zu der die warme Luft eine Wärmerückgewinnung
vom Turbinenauslaß nicht
möglich
macht. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Kompressors kann die Luft vom
Kompressor mit dem Abgas wärmeausgetauscht
werden und fast die gleichen Temperaturen wie nach einem Turbinenkompressor
erreichen.