DE850680C

DE850680C - Pressure exchanger, e.g. B. for gas turbine plants

Info

Publication number: DE850680C
Application number: DEP25915A
Authority: DE
Inventors: Georges Darrieus
Original assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1946-07-29
Filing date: 1948-12-22
Publication date: 1952-09-25

Description

Drucktauscher, z. B. für Gasturbinenanlagen Es ist bekannt, daß im Drucktauseher mit Hilfe eines rotierenden Zellenrades die Drücke eines Gasstromes ihohen Druckes und eines Gasstromes niedrigen Druckes miteinander ausgetauscht werden, wobei das eine Gas durch Verdünnungswellen von höherem auf niedrigeren Druck und das andere durch Verdichtungswellen von niedrigerem auf höheren Druck gebracht wird. Diese Wanderwellen werden erzeugt @durch rasches Öffnen oder Schließen der Zellen :bei stillstehendem oder strömendem Zelleninhalt. Das Offnen und Schließen der Zellen erreicht man durch Drehers eines Zellenrades zwischen zwei stillstehenden Stirnwänden, in denen entsprechende Steueröffnungen ausgespart sind. Die Wellenbildung vollzieht sich also in rotierenden Zellen, ebenso das Verdrängen des einen Gases durch das andere. Diese Vorgänge werden durch Fliehkräfte, unter deren Einwirkung der ganze Zelleninhalt steht, gestört, was zu Verlusten führt. Diese Verluste werden vermieden, wenn die erwähnten Vorgänge in einem feststehenden Kranz von als Schleusen dienenden Zellen ablaufen. Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Drucktauscher, z. B. für Gasturbinenanlagen, der einen Gasstrom von einer unteren Druckstufe auf eine obere Druckstufe verdichtet und im Tausch einen zweiten Gasstrom von einer oberen Druckstufe auf eine iuntere Druckstufe entspannt, rund ist gekennzeichnet durch einen Ieeststehenden Kranz von als Schleusen dienenden Zellen und zwei drehbare Verteiler, die bei ihrer kontinuierlichen Drehung die beiden Enden der Zellen abwechslungsweise mit dien Zufluß- und Abflußleitungen der beiden Gasströme verbinden. Die Fliehkräfte treten jetzt in den sich drehenden Verteilern auf, wo,sie aber keinen schädlichen Einfuß ausüben können.Pressure exchanger, e.g. B. for gas turbine plants It is known that im Pressure thermostat with the help of a rotating cell wheel the pressures of a gas flow ihigh pressure and a gas stream of low pressure are exchanged with one another, whereby the one gas by dilution waves from higher to lower pressure and the other is brought from lower to higher pressure by compression waves. These traveling waves are generated @ by rapidly opening or closing the cells : when the cell content is stationary or flowing. The opening and closing of the cells can be achieved by turning a cellular wheel between two stationary end walls, in which corresponding control openings are cut out. The wave formation takes place So in rotating cells, just like the displacement of one gas by the other. These processes are caused by centrifugal forces, under their action the whole Cell content is disturbed, which leads to losses. These losses are avoided when the above-mentioned processes take place in a fixed ring of sluices Cells expire. The present invention thus relates to a pressure exchanger, e.g. B. for gas turbine systems, the gas flow from a lower pressure level to a Compresses the upper pressure stage and exchanges a second gas flow from an upper one Pressure level relaxed to a lower pressure level, round is characterized by a standing ring of cells serving as locks and two rotatable ones Distributors which, as they rotate continuously, alternate the two ends of the cells connect with the inflow and outflow lines of the two gas streams. The centrifugal forces now occur in the rotating distributors where, but they are not harmful Be able to exercise one foot.

In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführung eines erfindungsgemäßen Drucktauschers dargestellt,-- und zwar zeigt die, Fig. i einen solchen im Längsschnitt und Fig. 2 .in axonometrischer Darstellung. Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Abwicklung eines zylindrischen Schnittes durch den Zellenkranz (und die Verteiler, wobei der Schnitt etwa gemäß -den Linien III-III der Fig. i geführt ist: Es ist jedoch zu beachten, daß in Fig. i, zwecks Verdeutlichung ihres Aufbaus, die beidseitig des Gellenkranzes angeordneten Verteiler im Schnitt um 9o° gegeneinander verdreht dargestellt sind, während sie im Betrieb ,so gegeneinanderstehen, wie dies aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht. Die letztgenannte Figur dient im folgenden zur Erläuterung der Arbeitsweise des Drucktauschers nach der Erfindung.In the drawings is an example embodiment of an inventive Pressure exchanger shown, - namely, Fig. i shows such a in longitudinal section and FIG. 2 in an axonometric representation. Fig. 3 shows one Detail from a development of a cylindrical section through the cell ring (and the distributors, the section roughly along the lines III-III in FIG is guided: It should be noted, however, that in Fig. i, for the purpose of clarification of their Structure, the distributors arranged on both sides of the yoke ring in section by 90 ° are shown rotated against each other, while they stand against each other during operation, as can be seen from FIGS. 2 and 3. The latter figure serves in the following to explain the operation of the pressure exchanger according to the invention.

In allen drei Figuren, sofern. die Hinweiszeichen darin vorkommen, bedeutet i den feststehenden Zellenkranz, 2 und 3 Ibzw. 4 und 5 die konzentrisch ineinander angeordneten und mit dem Zellenkranz fest verschraubten Znzfluß- und Abflußleitungen für die ,beiden Gasströme. 6 :und 7 sind die Verteiler, die die beiden Gasströme steuern. Zweckmäßig wird der Gasstrom höheren Druckes und mithin kleineren Volumens durch eine Leitung kleineren Durchmessers, z. B. Leitung 3, und durch das Innere des jeweiligen Verteilers den Zellen zu- und aus ihnen abgeführt, während der niedriger gespannte Gasstrom außen um den jeweiligen Verteiler herumgeführt und durch eine Leitung größeren Durchmessers, z. B. Leitung 4, albgeleitet wird. Soll beispielsweise .in einer Gasturibinenanlage Abgas eines Verbrennungsvorganges dazu benutzt werden, um die für die Verbrennung nötige Luft zu verdichten, so können die Strömungen im Drucktauschen vorerst kurz wie folgt beschrieben wenden: Das zu entspannende Albgas gelangt beispielsweise durch die Zufiuß1eitu@ng 3 und das Innere des Verteilers 6 in die Zellen des Zellenkranzes i, in welchen es durch die Vorgäavge entspannt wird, die im folgenden an Hand der Fig. 3 näher erläutert werden. Das entspannte Abgas fließt nach Verlassen der Zellen außen um die Arme des Verteilers 7 herum und -wird durch die Leitung 4 abgeführt. Luft niedrigeren Druckes wird durch die Leitung 2 zugeführt, fließt außen .um den Verteiler 6 herum in die Zellen, wird in diesen verdichtet, und verläßt diese als verdichtete Luft durch das Innere des Verteilers, 7, und die Leitung 5.In all three figures, provided. the signs appear in it, i means the stationary cell ring, 2 and 3 Ibzw. 4 and 5 the concentric Znzfluss- and Znzfluß- and Drain lines for the two gas streams. 6: and 7 are the distributors that the control both gas flows. The gas stream is expediently at higher pressure and consequently smaller volume through a conduit of smaller diameter, e.g. B. Line 3, and fed into and out of the cells through the inside of the respective distributor, while the lower-tensioned gas flow is led around the outside of the respective distributor and through a line of larger diameter, e.g. B. line 4, is albleitung. If, for example, exhaust gas from a combustion process is to be used in a gas turbine plant be used to compress the air necessary for combustion, so can the currents in the pressure swap initially briefly described as follows: The close Relaxing Albgas passes, for example, through the inflow line 3 and the interior of the distributor 6 into the cells of the cell ring i, in which it passes through the Vorgäavge is relaxed, which are explained in more detail below with reference to FIG. That After leaving the cells, the relaxed exhaust gas flows around the arms of the distributor 7 around and is discharged through line 4. Lower pressure air is passed through the line 2 is supplied, flows outside. around the manifold 6 in the cells, is compressed in this, and leaves this as compressed air through the interior of the Distributor, 7, and line 5.

",.:,his ist ferner vorteilhaft, die Verteiler zum Zweck des Druck- und Massenausgleiches so auszubilden, daß auf eine Umdrehung ,mindestens zwei Arbeitsspiele fallen. Die Figuren zeigen die Verteiler 6 und. 7 für zwei Arbeitsspiele. Sie sitzen fest verkeilt auf derselben Welle 8, die im Tragkörper des Zellenkranzes i gelagert ist. Angetrieben werden sie z. B. durch einen Elektromotor i i, entweder, w die Fig. i darstellt, über ein Kegelräderpaar 9, , i"e i o, oder Über ein herausgeführtes Wellenende.",.:, his is also advantageous to design the distributors for the purpose of pressure and mass balance so that at least two work cycles fall on one rotation. The figures show distributors 6 and 7 for two work cycles. They sit firmly wedged on the same shaft 8 which is rotatably i in the supporting body of the cell ring. are driven they ii z. B. by an electric motor, either w FIGS. i represents, through a pair of bevel gears 9, i "eio, or via an out-run shaft end.

Um den Zellen einen drallfreien Gasstrom zuzuführen, kann man die Kanäle des Verteilers 6 schraubenförmig ausbilden, @so. daß trotz der Rotation der Verteiler durch den ganzen Drucktausaher hindurch eine, drall,freie Strömung erhalten bleibt. Sollte es sich als vorteilhaft erweisen, den Verteilern durch die Gasströmung einen Drehimpuls in Antriebsrichtung zu geben, so wäre auch das durch eine entsprechende Formgebung der Verteilerkanäle möglich.In order to supply the cells with a swirl-free gas flow, the Form the channels of the distributor 6 in a helical manner, @so. that despite the rotation of the Distributors get a swirling, free flow through the entire pressure vessel remain. Should it prove advantageous to use the manifold through the gas flow To give an angular momentum in the drive direction, that would also be done by a corresponding one Shaping of the distribution channels possible.

Die ;beispielsweise gezeigte Ausführung der Verteiler 6 und 7 bringt es mit sich, daß diese an ihren an den Zellenkranz anschließenden Enden ikreisrunde Scheiben mit sektorförmigen Steueröffnungen haben, während ihre anderen Enden, die mit den Zufluß- und Abflußleitungen 3 @bzw. 5 in Verbindung stehen, als Rotationszylinder ausgeführt sind. Sind die Verteiler, wie im vorliegenden Beispiel angenommen, für zwei Arbeitsspiele pro Umdrehung ausgebildet, so müssen in jedem Verteiler je zwei Paare von Steueröffnungen vorhanden sein, die mit 12a, 12b ibmw. 13a, i36 bezeichnet sind.The example shown embodiment of the manifold 6 and 7 means that they have ikreisrunde disks with sector-shaped control openings at their ends adjoining the cell rim, while their other ends, which are connected to the inflow and outflow lines 3 @bzw. 5 are connected, are designed as a rotary cylinder. If the distributors are designed for two work cycles per revolution, as assumed in the present example, then there must be two pairs of control openings in each distributor, which are labeled 12a, 12b ibmw. 13a, i36 are designated.

Die Anbeits.weise eines Drucktauschens nach der Erfindung ergibt .sich aus der Gesamtheit der Vorgänge, die sich, zeitlich gegeneinander verschoben, in jeder einzelnen Zelle ides Zelletikr@anzes abspielen. Der Ablauf dieser Vorgänge kann an Hand der Figuren, insbesondere der Fig. 3, wie folgt beschrieben werden a) Die betrachtete Zelle sei in der zuerst herausgegriffenen Phase des Arbeitsspiels beidseitig offen; sie ist also, wie z. B. die Zelle a in Fig. 3, hinsichtlich oder Verteiler 6 -und 7 in einer solchen Stellung, daß sowohl eine Steueröffnung 12b des Verteilers 6 als auch eine Steueröffnung 13b des Verteilers 7 den Zufluß und auch den Abfluß des in Betracht kommenden Stoffes gestatten. Das durch die Zuflußleitung 2 zugeführte und zu verdichtende Gas (z. B. Verbrennungsluft für eine Gasturbinenanlage) tritt an einem Ende durch eine SteueröfnUng 12b des Verteilers 6 in,die Zelle ein und verdrängt das entspannte andere Gas (z. B. Abgas einer Gasturbine), das am anderen Ende durch eine Steueröffnung i3b des Verteilers 7 in die Abflußleitung 4 ,austritt. Der soeben beschriebene Vorgang kann als Spülung auf der Unterstufe bezeichnet werden.The way of working a pressure swap according to the invention results .sich from the totality of the processes which, shifted in time against each other, in play every single cell ides cell label. The sequence of these processes can be described with reference to the figures, in particular FIG. 3, as follows a) The cell under consideration is in the phase of the work cycle that was singled out first open on both sides; so she is, such as B. the cell a in Fig. 3, with respect to or Manifold 6 and 7 in such a position that both a control opening 12b of the distributor 6 as well as a control opening 13b of the distributor 7 the inflow and also allow the substance in question to run off. That through the inflow line 2 gas supplied and compressed (e.g. combustion air for a gas turbine system) enters the cell at one end through a control opening 12b of the manifold 6 and displaces the relaxed other gas (e.g. exhaust gas from a gas turbine) that is on the other End through a control opening i3b of the distributor 7 in the drain line 4, exits. The process just described can be referred to as flushing on the lower level.

b) Nach beendeter Spülung wird das Austrittsende der Zelle durch den sich drehenden Verteiler 7 geschlossen. -Dadurch entsteht eine Verdichtungswelle, die die Zelle vom Austritts- zum Eintrittsende durchwandert und den Spülstrom zum Stillstand bringt. Die betrachtete Zelle befindet sich also jetzt in einer Stellung wie die Zelle b in Fig. 3; die Lage der Verdichtungswelle in dieser Zelle .und den ihr (benachbarten Zellen wird hier, wie auch in den nachfolgenden Phasen des Arbeitsspiels, durch die schief über die Abwicklung des Zellenkranzes i laufende strichpunktierte Linie angedeutet.b) When the rinsing is complete, the exit end of the cell is through the rotating distributor 7 closed. -This creates a compression wave, which traverses the cell from the outlet to the inlet end and the purge flow to the Brings to a standstill. The cell under consideration is now in one position like cell b in Fig. 3; the position of the compression wave in this cell. and the its (neighboring cells are here, as well as in the subsequent phases of the work cycle, by the dash-dotted line running crookedly over the development of the cell ring i Line indicated.

c) Bei der Ankunft der Verdichtungswelle am Eintrittsende der Zelle wird dieses durch den anderen sich drehenden- Verteiler 6 geschlossen, wodurch ein Volumen verdichteten Gases (z. B. Luft) eingefangen wird. Die betrachtete Zelle ist in einer Stellung wie die Zelle c in Fig. 3.c) When the compression wave arrives at the entry end of the cell this is closed by the other rotating distributor 6, whereby a Volume of compressed gas (e.g. air) is captured. The cell under consideration is in a position like cell c in FIG. 3.

d) Das Eintrittsende der Zelle wird durch den sich drehenden Verteiler 6 mit einer Steueröffnung 12, und, dadurch .mit der Zufuhrleitung 3 des zu entspannenden Gases (z. B. Abgas), das unter einem höheren Druck als der Zelleninhalt sein soll, in Verbindung gebracht. Dadurch entsteht eine neue Ver-(lichtungswelle, die die Zelle vom Eintritts- zum Austrittsende durchwandert und den Inhalt der Zelle wieder in Bewegung bringt (vgl. Zelle d in Fig. 3)-e) Bei der Ankunft der Verdichtungswelle am Austrittsende der Zelle wird dieses durch den sich drehenden Verteiler 7 geöffnet. Damit ist die Spülung auf der Oberstufe eingeleitet; das zu entspannende Gas (z. B. Abgas) tritt bei 12" in .die Zelle ein und verdrängt das verdichtete Gas (z. B. Luft) durch eine Steueröffnung 13a,des Verteilers 7 in die Abflußleitung 5 (vgl. Zelle e in Fig..3).d) The entry end of the cell is through the rotating manifold 6 with a control opening 12, and, thereby .with the supply line 3 of the to relaxing Gas (e.g. exhaust gas) that should be at a higher pressure than the cell contents, connected. This creates a new wave of lightification, which the Cell migrates from the entry to the exit end and the contents of the cell again sets in motion (cf. cell d in Fig. 3) -e) When the compression wave arrives At the outlet end of the cell, it is opened by the rotating distributor 7. The flushing process for the upper level is now initiated; the gas to be expanded (e.g. B. exhaust gas) enters the cell at 12 "and displaces the compressed gas (e. B. air) through a control opening 13a of the distributor 7 into the discharge line 5 (see. Cell e in Fig. 3).

f) Am Ende der Spülung wird das Eintrittsende der Zelle durch den Verteiler 6 geschlossen; dadurch wird eine Verdünnungswelle erzeugt, die die Zelle vom Eintritts- zum Austrittsende diurc`hwandert und den Spülstrom zum Stielstand :bringt (vgl. Zelle f in Fig. 3).f) At the end of the flush, the entry end of the cell is through the Distributor 6 closed; this creates a dilution wave that encircles the cell diurc` wanders from the inlet to the outlet end and the flushing flow to the stem stand : brings (cf. cell f in Fig. 3).

g) Bei der Ankunft der Verdünn@ungswefle am Austrittsende der Zelle wird dieses durch den Verteiler 7 geschlossen, wodurch ein Volumen entspannten Gases (z. B. Abgas) eingefangen wird (vgl. Zelle g in Fig. 3).g) When the diluents arrive at the exit end of the cell this is closed by the distributor 7, creating a volume of relaxed gas (e.g. exhaust gas) is captured (see. Cell g in Fig. 3).

h) Das Austrittsende der Zelle wird mit einer Steueröffnung 136 im Verteiler 7 und dadurch mit der Abflußleitung 4 des entspannten Gases (z. B. Abgas), in der ein tieferer Druck herrschen sol'1 als in der Zelle, in Verbindung gebracht; dadurch entsteht eine neue Verdünnungswelle, die die Zelle vom Austritts- zum Eintrittsende durchwandert und deren Inhalt wieder in Bewegung bringt (vgl.Zel'le 1i in Fig. 3).h) The exit end of the cell is provided with a control port 136 in the Distributor 7 and thereby with the discharge line 4 of the expanded gas (e.g. exhaust gas), in which there should be a lower pressure than in the cell; this creates a new wave of dilution that carries the cell from the outlet to the inlet end wandered through and brings their contents into motion again (see Zel'le 1i in Fig. 3).

i) Bei der Ankunft der Verdünnungswelle am Eintrittsende der Zelle wird dieses durch eine Steueröffnung 126 des sich drehenden Verteilers 6 geöffnet und dadurch mit der Zuflußleitung 2 des zu verdichtenden Gases (z. B. Luft) in Verbindung gebracht; damit ist der Spülvorgang auf der Unterstufe wieder eingeleitet, und das Arbeitsspiel beginnt von neuem (vgl. Zelle i in Fig. 3, die wieder in der gleichen Stellung zu den Verteilern ist wde die Zelle a, was durch die Beschriftung i = a angedeutet ist).i) At the arrival of the dilution wave at the entry end of the cell this is opened by a control opening 126 of the rotating distributor 6 and thereby with the inflow line 2 of the gas to be compressed (z. B. air) in connection brought; so that the rinsing process on the lower stage is initiated again, and that The work cycle begins again (see. Cell i in Fig. 3, which is again in the same The position to the distributors is cell a, which is indicated by the label i = a is indicated).

Claims

PATENT CLAIMS: i. Pressure breaker, e.g. B. for gas turbine systems, which compresses a gaseous stream from a lower pressure stage to an upper pressure stage and in exchange a second gas stream from the upper pressure stage to the lower pressure stage, characterized by a fixed ring (i) of cells serving as locks and two rotatable ones Distributors (6, 7) which, as they rotate continuously, connect the two ends of the cells alternately to the inflow and outflow lines (2, 3 and 4, 5, respectively) of the two gas flows.

2. Printing just the same according to claim i, characterized by two concentrically arranged one inside the other Pipelines (2, 3 and 4, 5) on both sides of the fixed ZelIenkrantzes (i), of which never inner (3, 5) to the inn ° _nrau.m of the rotatable manifold (6, 7) are connected, while the outer ones (2, 4) surround these distributors on the outside: 3. Pressure exchanger according to claim i, characterized gekennzeidh.net, @ that the manifold (6, 7) have helical channels that, despite the rotation of the manifolds, the Gas flows do not induce or in gen. Pressure exchanger according to claim i, characterized characterized, @ that the manifolds (6, 7) lead the gas flow so (that they of this are driven. 5. Pressure exchanger according to claim. i, characterized in that the distributors are designed for the purpose of pressure and mass balance so that there are at least two work cycles per revolution.