DE7410055U

DE7410055U - Einrichtung zum betrieb einer gasdynamischen druckwellenmaschine

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Publication number: DE7410055U
Application number: DE7410055U
Authority: DE
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: 1976-01-08
Also published as: AT338055B; JPS50114606A; DK140350C; FR2261420A1; BE825428A; IT1044270B; SE7501568L; JPS5717200B2; BR7500884A; CA1062216A; YU31575A; NL168304B; CH568476A5; US4123200A; NL7501627A; DE2414053C3; DK50875A; ATA102675A; FR2261420B1; DE2414053B2

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Vee^gasdynamischen Druckwellenmaschine/¹ -es rren«

Die betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer gasdynamischen Druckwellenmaschine, deren im wesentlichen aus Welle, Nabe,Zellenwänden und Deckband bestehender Läufer sich in einem feststehenden, aus Mittelteil und Seitenteilen zusammengesetzten Gehäuse dreht, und in welcher Maschine Luft durch ein heisses Gas auf einen höheren Druck verdichtet wird, wobei der Läufer durch das Gas auf eine Betriebstemperatur zwischen der Luft- und

Vr-■ ■ •.v.'.-.'js der Gastemperatur erwärmt wird; ferner betrifft die

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eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für das einwandfreie Funktionieren einer gasdynamischen Druckwellenmaschine und zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades ist es erforderlich, die Leckgasverluste an den Stirnseiter, des Läufers auf ein Minimum zu beschränken, d.h. ein sehr kleines Axialspiel zwischen dem Läufer und den Seitenteilen des Gehäu- " ses 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 Niederdruckgas-Abströmkanäle enthält, das Gas&ehäuse genannt wird.

Der axiale Spalt zwischen dem Läufer und dem Luft gehäuse 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

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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 Volllast kann, je nach Betriebszustand der Maschine, das Axialspiel kleiner oder grosser 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 Ueberlast 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 (DT-AS 17 28 083.0), den Läufer und den Gehäusemittelteil aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt und kleinem mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten herzustellen. Wegen der nur mehr kleinen

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Längenänderungen des Läufers und des Gehäusemittelteils kann das Axialspiel von vornenerein klein gewählt werden und ein einwandfreies Funktionieren der Maschine bei stationären und auch bei instationären Betriebsbedingungen ist garantiert. Nach teilig ist dabei der hohe Prei^der Nickellegierung, was sich hier besonders auswirkt, weil die Materialkosten für diese Druckwellenmaschine mehr als den halben Pabrikationspreis ausmachen.

Der 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 Axialspiel zwischen dem Läufer und den beiden Seitenteilen einhalten zu können.

Die erfindung^gamSBBa Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass in jedem Betriebspunkt der Gehäusemittelteil annähernd gleichzeitig mit der Erwärmung des Läufers auf eine Temperatur erwärmt wird, die wenigstens annähernd proportional der mittleren Läufertemperatur im jeweiligen Betriebspunkt ist. Wenn beide Bauteile annähernd gleichmässig erwärmt werden, kann sich, falls ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht zu unterschiedlich sind, der Axialspalt zwischen dem Läufer und dem Gehäuse nur unbedeutend ändern, was von Anfang an die Einstellung eines kleinen Spiels erlaubt.

Eine Ausgestaltung dieses edankens besteht darin,

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dass das heisse Gas zur Erwärmung des Gehäusemittelteils herangezogen wird.Das vereinfacht natürlich die Durchführung des Verfahrens, weil der in der Maschine bereits vorhandene Wärmeträger für die Erwärmung benützt wird.

Ein weiterer Vorteil entsteht dann, wenn der Gehäusemittelteil von innen und aussen erwärmt wird. Die Erwärmung des Mittelteils kann dadurch wesentlich rascher erfolgen.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch Mittel zur Erwärmung des Gehäusemittelteils proportional zur Erwärmung des Läufers. Die Temperatur des j Läufers kann für jede Betriebsphase experimentell oder rech- i nerisch ermittelt werden, so dass die Möglichkeit gegeben ist, die gewünschte Erwärmung des Gehäusemittelteils derart zu bemessen, dass in keinem Betriebspunkt ein stirnseitiges Anstreifen des Läufers erfolgen kann.

Eine einfache konstruktive Ausführung besteht darin, dass ein Radialspalt zwischen dem Deckband des Läufers und dem Gehäusemittelteil als Strömungskanal für das heisse Gas ausgebildet ist. Der Spalt ist auf jeden Fall vorhanden, er wird aber nur von einer verhältnismässig geringen Leckgasmenge durchströmt. Soll nun eine grössere Gasmenge durchgesetzt werden, so genügt es, für eine möglichst unbehinderte Zuströmung und Ableitung der Gase zu sorgen, notfalls auch den Spalt zu verbreitern.

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Weitere Möglichkeiten für die Erwärmung des Gehäusemittelteils 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 Energieabgabo 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 übertrage^ was eine Einsparung an Gas bedeutet.

Durch das beschriebene Verfahren 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 axiales Montagespiel zulassen, um der Gefahr des Anstreifens des Läufers zu begegnen. Nunmehr kann niedriglegierter Baustahl verwendet werden, wenn er die notwendige Warmfestigkeit aufweist, es kann von Anfang an ein kleines Montagespiel eingestellt werden und auch bei Ueberlast verhindern die genannten Mittel mit Sicherheit ein Anstreifen des Läufers.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Es zeigen:

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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 gemäss der oberen Hälftejder Fig. 1 nach dem Schnitt H-IIj

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

Der bekannte Aufbau einer gasdynamischen Druckwellenmaschine geht aus den Figuren 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 Ί 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 du^ch 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

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ihrer weiteren Verwendung zugeführt zu werden,

Der Läufer 1 ist im Luftgehäuse 2 fliegend gelagert, wird bei 8 angetrieben und besteht in jenem Teil, 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 I^ zwischen dem Deckband 12 des Läufers und dem Gehäusemittelteil M etwas breiter als sonst üblich ausgeführt. Von dem in Richtung 6 aus dem Läufer austretenden Niederdruckgas gelangt ein Teil in den Radialspalt IM und fliesst, wie durch die Pfeile 15 kenntlich gemacht ist, zufolge der Druckdifferenz gegen das Luftgehäuse 2 und tritt gemeinsam mit der nach 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 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 k bis nahe'an die Temperatur des Niederdruckgases. Der Läufer 1 wird durch ange-

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saugte 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 Qehäusemittelteils 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 Anstreifens 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 Fig. 1 besteht darin, dass keine aussenliegenden Teile benötigt werden.

Es ist naheliegend, dass das heisse Gas, nachdem es den Radial-

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spalt lH auf seiner ganzen Länge 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 Pig. I. 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 I¹J gelangt, diesen in Pfeilrichtung 21 durchströmt, durch die 0effnung«i22 im Gehäusemittelteil 4 austritt, den Ringraum 23 zwischen dem Gehäusemittelteil und dem Mantel 18 in Gegenrichtung durchströmt und durch den Stutzen 2Ί (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 Wärmeverlusten kann der Mantel isoliert sein.

Sollte das durch den Axialspalt - der ja gerade klein gehalten werden soll - geführte Hochdruckgas für die Erwärmung des Ge-

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häusemittelteils nicht ausreichen, so kann im Bereich jeder Hochdruckgas-Eintrittsöffnung 9 eine Ausnehmung vorgesehen werden ähnlich den Ausnehmungen 16 für das Niederdruckgas, welche die Zuführung einer grösseren Hochdruckgasmenge zum Radialspalt 1Ί erlaubt.

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

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(2, 3) des Gehäuses, durch welche das heisse Gas dem Radialspalt (14) zufliesst bzw. vom Radialspalt abfliesst.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Mantel (18), welcher den Gehäusemittelteil (4) umgibt und der so gebildete Ringspalt (23) vom heissen Gas durchströmt ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal des heissen Gases im wesentlichen vom Radialspalt (14) und vom anschliessenden Ringspalt (23) gebildet ist.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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Claims

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Schutzansprüche

,/Einrichtung zum Betrieb einer gasdynamischen Druckwellenmaschine^» deren im wesentlichen aus Welle, Nabe, Zellenwänden und Deckband bestehender Läufer sich in einem feststehenden, aus Mittelteil und Seitenteilen zusammengesetzten Gehäuse dreht, und in welcher Maschine Luft durch ein heissen Gas auf einen höheren Druck verdichtet wird, wobei der Läufer durch das Gas auf eine Betriebstemperatur zwischen der Luft- und der Gastemperatur erwärmt wird, gekennzeichnet durch Mittel zur Erwärmung des Gehäusemittelteils (4) annähernd gleichzeitig mit der Erwärmung des Läufers (1) auf eine Temperatur, die wenigstens annähernd proportional der mittleren Läufertemperatur im jeweiligen Betriebspunkt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radialspalt (1'I) zwischen dem Deckband (12) des Läufers (1) und dem Gehäusemittelteil (4) als Strömungskanal für das heisse Gas ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens je eine Ausnehmung (16) in den beiden Seitenteilen

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