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Druckaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf rotierende Druckaustauscher
für gasförmige Druckmittel, bei denen wenigstens ein Zellenring für die Kompression
oder Expansion von Gas vorgesehen ist und bei denen im Betrieb (zu derjenigen Zeit,
wenn eine Relativdrehung zwischen Zellenring und den benachbarten Austauscherteilen
stattfindet) die Zellen, welche komprimiertes Gas enthalten, in Verbindung mit andern
Zellen (des gleichen oder eines anderen Rings) gebracht werden, welche Gas unter
geringerem Druck enthalten, so daß das komprimierte Gas expandiert und dadurch Gas
in den andern Zellen komprimiert wird, wobei den Kompressions-und den Expansionszuständen,
die auf diese Weise entstehen, `'Wärmezufuhr- und Wärmeahweisungszustände zugeordnet
«-erden, «-elche den Gasfluß in die Zellen hinein und/oder aus ihnen heraus zur
Folge haben, um die Raumveränderungen auszugleichen, die sich aus der Änderung des
Wärmeinhalts ergeben.
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Während sich eine im Kompressionszustand befindliche Zelle (Kompressionszelle)
in Verbindung mit einer im Expansionszustand befindlichen Zelle (Expansionszelle)
befindet, ist notwendigerweise ein Gasfluß (im nachfolgenden Durchgangsgas genannt)
von der Zelle, in. welcher das Gas expandiert, zur Zelle, in welcher das Gas komprimiert
wird, vorhanden.
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Der Gasfluß, der im Wärmezufuhrstadium auftritt, braucht wenn möglich
nicht größer zu sein, als der Gasentnahme aus den Zellen mit Überschußgas, das infolge
der Raumvergrößerung auftritt, die
ihrerseits eine Folge der-Wärm.ezufuhr
ist,.entspricht, und in gleicher Weise braucht der Gasfluß, der beim Wärmeabgabe-
oder Wärmeabweisungszustand auftritt, wenn. möglich,- nicht größer zu sein, als
der Gaszufuhr zu den Zellen entspiicht, um den Raumverlust, der sich aus der Abkühlung
ergibt, auszugleichen. . -In der Praxis ist es zweckmäßig, wenigstens soweit die
Wärmeabweisung und gegebenenfalls auch die Wärmezufuhr in Betracht kommt, daß sie
sich außerhalb der Zellen abspielt, und zu diesem Zweck ist bereits vorgeschlagen
worden, daß der
demWärmeabweisungszustand und der denWärme= zufuhrstadien
zugeordnete GasluB durch einen Prozeß (im nachfolgenden bewirkt wird, durch welchen,
aus jeder Zelle, die in die Wärmezufuhrzone oder --Wärmeabweisungszone eintritt,
ihr Gasinhalt entfernt und dieser durch anderes Gas ersetzt wird, welches 'außerhalb
der Zelle in besonderer Weise erwärmt oder abgekühlt worden ist oder welches jedenfalls
einer Gasquelle entnommen wird, deren Gas bereits die gewünschte hohe oder niedrigere
Temperatur hat, wobei dieser Prozeß des Entfernens und Ersetzens einen. Dauerstrom
von Gas hervorruft, der durch die Zellen fließt, in welchen er sich gerade abspielt.
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Die Punkte im Arbeitskreislauf, an. denen Wärmezufuhr und Wärmeabweisung
stattfinden, hängen von dem beabsichtigten Verwendungszweck der Maschine ab. Wenn
der Druckaustauscher als Gasquelle für heißes Hochdruckgas z. B. für die Expansion
in einer Gasturbine oder einer anderen Maschine zwecks Erzeugung von: mechanischer
Arbeit benutzt werden soll, dann tritt die Wärmezufuhr bei hohem Druck und die Wärmeabweisung
bei niedrigerem Druck auf. Wird andererseits der Druckaustauscher als Wärmepumpe
oder Kältemaschine benutzt, .dann ist es umgekehrt, d. h. Wärmezufuhr bei niedrigerem
Drück, Wärmeabweisung bei hohem Druck. , Besonders zweckmäßig ist es, wenn jeder
Zellenring einen Läufer bildet. Wird mehrmals ein Läufer verwendet, so kann die
Anordnung so getroffen werden"daß der Fluß des Durchgangsgases von den Expansionszellen
des einen Läufers her zu den Kompressionszellen. eines anderen Läufers hin erfolgt.
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Die Erfindung dient in erster Linie dazu, die solchen Druckaustauschern
"eigentümlichen Leistungsverluste zu verringern. Insbesondere ergibt sich aus dem
Umstand, daß das Durchgangsgas beim Fließen von einer Zelle zur anderen, "gegebenenfalls
über Spezialleitungsverbindungen, notwendigerweise etwas freie Expansion erfährt,
die keine Nutzarbeit dadurch leistet, daß sie Gas in .einer Kompressionszelle komprimiert,
und die daher einen Leistungsverlust darstellt.
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Gemäß der Erfindung wird ein Druckaustauscher der vorerwähnten Art
geschaffen, bei welchem der Fluß, des Durchgangsgases so durch eine Turbinenbeschaufelung
oder ein gleichwertiges Turbinenelement durchgeleitet wird, daß ein Teil der Leistung
des Gases in Form von mechanischer Arbeit abgeleitet oder abgezweigt wird. Solche
mechanische Arbeit kann (allein oder mit) zum Drehen eines oder mehrerer Läufer
des Druckaustauschers benutzt werden und gegebenenfalls auch zum Abgeben von mechanischer
oder Wellenleistung nach außen, hin. _ "Die Erfindung betrifft außerdem Druckaustauscher
der vorerwähnten Art mit wenigstens einem Läufer, welcher einen Ring von. Zellen
bildet, wobei der Läuferaufbau eine Turbinenbeschaufelung aufweist, welche beim
Betrieb das Durchgangsgas aufnimmt, welches von den Expansionszellen her zu den
Kompressionszellen hinfließt. Vorteilhaft wird dann ein, Ständerbesehaufelungssysteni
in solcher Weise bemessen und vorgesehen, daß es Durchgangsgas aufnimmt, das mittels
der Läuferbeschaufelung einer Expansionszelle gefördert wird, und daß dieses Gas
über Führungsmittel der `Läuferbeschaufelung einer Kompressionszelle des gleichen
Läufers oder eines anderen zugeführt wird.
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Die Anordnung kann erfindungsgemäß so getroffen werden, daß die mechanische
Arbeit, die von der Beschaufelung aufgenommen wird, nur so groß ist, daß damit der
oder die Läufer angetrieben werden, oder sie kann so groß. sein, daß sie zum Antrieb
des oder der Läufer ausreicht und darüber hinaus noch Leistung nach außen über die
Läuferwelle oder -wellen abgibt, wobei der Rest der Nutzleistung des Druckaustauschers
dazu benutzt werden kann, eine Belieferung mit Hochdruckgas für. Außenverwendung,
z. B. in einer besonderen Turbine, durchzuführen. Die Anordnung kann so getroffen
sein, daß die von gern Druckaustauscher geleistete Gesamtarbeit in irgendeinem gewünschten,
Verhältnis aufgeteilt wird in Lieferung von komprimiertem Gas für Außenverwendung
und mechanischer Arbeit, die vom Durchgangsgas in der Form von Wellenleistung abgenommen
wird. In einem Grenzfall kann die gesamte Nutzleistung auch als Wellenleistung abgenommen
werden, so daß also praktisch kein komprimiertes Gas für Fremdverwendung erzeugt
wird. Es ist aber im allgemeinen vorteilhafter, den Druckaustauscher nur so viel
mechanische Leistung erzeugen zu lassen, als der Wärmemenge entspricht, welche in
jedem Falle beim Druckaustauschvorgang verlorengeht. Eine solche Leistung kann außer
zum Antrieb des Zellenläufers oder der Zellenläufer zweckmäßig dazu verwandt werden,
um Hilfsmaschinen, wie beispielsweise Spülgebläse oder -kompressoren oder Zusatzkompressoren,
anzutreiben, welche Druckgas für die Spülung liefern können.
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- Vorzugsweise werden die Druckaustauscher gemäß der Erfindung so-
bemessen, da,ß im Betrieb die Verbindung zwischen einer Kompressionszelle und einer
Expansionszelle erschwert bzw. gehemmt wird, bevor der Fluß des Durchgangsgases
sein Ende gefunden, hat.
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Ausführungsbeispiele für Druckausgleicher gemäß der Erfindung sollen
nun an Hand der Zeichnung ausführlicher beschrieben werden. Die ein
zelnen
Beispiele, die nachfolgend beschrieben sind, beziehen sich alle auf Ausführungsformen,
bei denen jeder Zellenring zu einem selbstantreibenden Läufer zusammengefa:ßt ist
und die Zellen sowohl im Wärmeeinla,ß- als auch im Wärmeabweisstadium gespült werden.
Der Einfachheit halber soll in der nachfolgenden Beschreibung angenommen werden,
dar die beschriebenen _XIaschinen so entworfen sind, daß sie die Lieferung von heißem
Druckgas bewirken. In der Zeichnung ist Fig. i ein Achsschnitt durch einen Ein-Läufer-Typ-Druckaustauscher
gemäß der Schnittlinie 1-I in Fig. 4., Fig. 2 ein Querschnitt nach der Schnittlinie
II-II in Fig. i, der ein Ende des Läufers wiedergibt, Fig. 3 ein ähnlicher Schnitt
nach der Schnittlinie III-111 in Fig. i, welcher das andere Ende des Läufers wiedergibt,
Fig. d. ein ähnlicher Schnitt nach der Schnittlinie IV-IV in Fig. i, Fig.5 ein ähnlicher
Schnitt nach der Schnittlinie V-V in Fig. i, Fig. 6 eine Draufsicht von links her
auf die Anordnung nach Fig. i, Fig. 7 ein Schnitt ähnlich demjenigen, in Fig. i,
jedoch nach der Schnittlinie VII-VII in Fig. .I, also ein Achsschnitt unter rechtem
Winkel zur Ebene 1-I in Fig. d., Fig. 8 eine Abwicklung in die Umfangsebene von
Fig. i, Fig. 9 ein Geschwindigkeitsdiagramm entsprechend der Turbinenbeschaufelung
nach Fig. 8, Fig. g a, eine Abänderung derjenigen nach Fig. i, Fig. io eine Ansicht
ähnlich derjenigen nach F4-1- 4, jedoch einer abgeänderten Ausführungsform, Fig.
i i eine Ansicht ähnlich derjenigen nach Fig.3, die jedcch eine abgeänderte Ausführungsform
wiedergibt, welche in Verbindung mit derjenigen nach Fig. io verwendet wird, Fig.
i i a ein Diagramm für eine Ausführungsform einer Tu rbinenläuferbeschaufelung,
wie sie für die Ausführungsform nach Fig. i i geeignet ist, Fig. i i b. ein Diagramm
ähnlich demjenigen nach Fig. i i a, Fig. i-2 ein Achsschnitt durch einen Druckaustauscher
mit einem Paar von gegendrehenden Läufern nach einer Schnittebene ähnlich derjenigen
nach Fig.7. Fig. i2a eine gegenüber derjenigen nach Fig. 12 abgeänderte Ausführungsform,
welche das in Fig. 9 a. dargestellte Merkmal verkörpert, Fig. 13 eine Abwicklung
in eine Umfangsebene von Fig. i2, Fig. 14 ein Geschwindigkeitsdiagramm entsprechend
der Turbinenbeschaufelung nach Fig. 13, Fig. 15 ein Schnitt ähnlich demjenigen nach
Fig. 12, jedoch durch einen Druckaustauscher mit einem Paar von gegendrehenden Läufern,
welche durch ein nichtdrehendes Trennelement voneinander geschieden sind, Fig. i5
a eine Kombination der Anordnung nach Fig. 15 und Fig. 9 a, Fig. 16 eine-
Abwicklung in eine Umfangsebefi nach Fig. i5, Fig. 17 ein Geschwindigkeitsdiagramm
entsprechend der Turbinenbeschaufelung nach Fig. 16, Fig. i8 eine Ansicht ähnlich
derjenigen nach Fig. q., jedoch eines weiteren Ausführungsbeispiels, Fig. ig eine,
Abwicklung in eine Umfangsebene von Fig. i2, die ein weiteres vorteilhaftes Merkmal
der Erfindung veranschaulicht, Fig. 20 eine Ansicht weitgehend derjenigen nach Fig.
ig, die die Anwendung des in Fig. i9 dargestellten Erfindungsmerkmals bei Ein-Läufer-Maschinen
zeigt.
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DerDruckaustauscher nach den Fig. i bis 7 besteht aus einem Läufer
i, der aus dem inneren Zylinder 2 und dem äußeren Zylinder 3 besteht, wobei die
Zylinder durch radiale Trennwände.I in Kammern 5 aufgeteilt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird. Umkehrspülung verwendet, wie im Nachfolgenden. beschrieben, und daher enthält
der Läufer auch eine zylindrische Trennwand 6, welche die Zellen in radialer Richtung
in innere und äußere Zellenteile aufteilt. Der Läufer ist an seiner einen Endfläche
mit einem Ring von Turbinenläuferschaufeln 7 versehen., wobei die Zellen. 5 an diesem
Ende bis auf die durch die Beschaufelung v orgesehe:nen Durchlässe geschlossen sind.
An dem anderen Ende sind die Zellen 5 offen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
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Der Läufer ist für die Drehung in einem äußeren Gehäuse 8 mit Endplatten
9 und, io vorgesehen, von denen. die Platte 9 mit Bögen aus Sta.torschaufeln i i,
1:2 (Fig. d.) versehen ist, wobei die Gasdurchlässe dieser Beschaufelung mit den
Rohren 13 für die Gasübermittlung verbunden sind. Es sind mehrere Schaufeldurchlässe
in Verbindung mit einer Zelle, wobei jedes Rohr 13 ebenfalls mit mehr als
einem Schaufeldurchla.ß in Verbindung stehen kann; während des Arbeitsvorgangs besteht
keine Verbindung zwischen den Zellen außer dort, wo sie für den Druckaustauschvorgang
nötig ist.
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Es sei angenommen, daß derLäufer sich im L'hrzeigersinn gemäß Fig.
,I dreht, wobei dann der Arbeitskreislauf der folgende ist: AD ist das Expansionsstadium
bzw. der Expansion:s- oder Entspannungszustand, DC ist der Niederdruckspülzustand,
währenddessen Wärmeabweisung bzw. Wärmeabgabe erfolgt, CB ist der Kompressionszustand,
während B.4 dem Hochdruckspülzustand entspricht, bei welchem Wärmezufuhr vorliegt.
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DieSpülaussparungen(Spülschlitze) in der Endplatte io sind mit einer
Leitungsführung in Verbindung, wie dies aus Fig. 7 zu erkennen. ist, wobei 1d. die
Hochdruckspülzuleitung ist und 15 die Niederdruckspülzuleitung. Im vorliegenden
Falle wird angenommen, daß das Gas, das für die Hochdruckspülung benutzt wird, eine
äußere Wärmezufuhr erfährt beispielsweise dadurch, daß Brennstoff in ihm in einer
Brennkammer verbrannt wird und es später in zwei Teile aufteilt, von denen der eine
zurück zum Druckaustauscher zwecks Wiederfüllung der Zellen bei der Hochdruckspülung
geleitet
und der andere einem Verbraucher, wie beispielsweise einer besonderen Gasturbinenanlage,
übermittelt wird.
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Die allgemeine Ausgestaltung und Wirkungsweise -der an Hand :der Fig.
i bis 7 vorbeschriebenen. Maschine ist am besten aus Fig. 8 zu ersehen, welche eine
vollständige Umfangsabwicklung des Läufers und der zugehörigen Teile wiedergibt.
Der Läufer dreht sich von rechts nach links. Beginnend mit der Niederdruckspülzone
DC wird Frischluft mit Atmospbärendruck über die Leitung 15 a zugeführt, und diese
füllt die Zellen, welche mit der letzteren übereinstimmen bzw zusammenwirken, indem
diese Zellen, vom Auspuffgas gereinigt werden, welches durch die Leitung i5b ausströmt.
- Jede Zelle ist durch die Trennwand C in einen Innenradialteil und in einen Außenradialteil
(vgl. auch Fig. i bis 7) aufgeteilt. Die Frischluft wird durch die Leitung 15a dem
inneren Teil -der Zelle übermittelt, während das Auspuffgas vom äußeren Teil der
Zelle durch die Leitung 15b abgeleitet wird, so daß der Weg des resultierenden Gasstromes,
welcher durch die Zellen in der durch die Pfeile LP in den Fig. 7 und 8 kenntlich
gemachten Weise hindurchfließt, einer Umkehrströmung entspricht. Der Kürze halber
soll dieses Arbeitsverfahren GegenstromspÜlung genannt werden.
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Die Zellen, welche mit der Hochdruckspülleitüng 14 in der Zone
BA zusammenarbeiten, sollen nunmehr betrachtet werden. Die inneren radialen
Teile dieser Zellen) stehen, mit der Einlaßleitung 149 in Verbindung, die äußeren
radialen Teile mit der Auslaßleitung 1q. b (s. auch Fig. 7). Die Leitung iq.P führt
zu einer Brennkammer 2o, deren Auslaß in das Rohr 21 abzweigt, welches das heiße
Hochdruckgas liefert, welches in diesem Falle den Nutzausgang der Maschine bildet,
und in die bereits erwähnte Leitung iq.a. Zellen, die sich von rechts nach links
bewegen und im Begriff sind, mit der Zone BA zusammenzuwirken, enthalten
Gas, das wie vorerwähnt im Druckaustauscher auf einen Druck gebracht ist, der wesentlich
oberhalb des Atmosphärendruckes liegt. Wenn diese Zellen die Zone BA erreichen,
so, leiten sie ihre Inhalte in die Leitung iq.P ab. In der so geförderten komprimierten:
Luft wird Brennstoff in der Brennkammer 2o, z. B. durch Einspritzen flüssigen.Brennr
stoffes; verbrannt. Von den, resultierenden heißen Verbrennungsgasen, welche unter,
hohem Druck sind, wird ein Teil- über die Leitung ai einem Verbraucher zugeführt.
Im vorliegenden, Falle soll dieses Gas einer Gasturbine übermittelt werden, in welcher
es expandiert, um mechanische Wellenleistung hervorzurufen. Der übrige Teil der
heißen Gase wird über Leitung 149 zum Füllen der Zellen in der Zone BA im
Austausch für das vorerwähntekomprimierte Gas benutzt. Es ist ersichtlich, daß dann,
wenn die Maschine in Betrieb ist, eine Verbrennung in der Kammer 2o dauernd erfolgt,
so daß in der Hochdruckspülzone BA ein dauernder Gasstrom durch die Zellen
fegt bzw. strömt, welche komprimiertes Gas liefern und mit Ho-chdruckverbrennungsgasen
neu gefüllt werden. Auch in -diesein Falle erfolgt das Spülen im Gegenstrom (s.
Pfeile HP).
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Die Zellen in der EXpansio@nszone AD stehen mit den Zellen
in der Kompressionszone CB über Druckaustauschröhren 13 in Verbindung. Eine Zelle,
die gerade: die Zone BA verläßt und Gas mit dem höchstmöglichen Druck der
Kreisfolge enthält, kommt in Verbindung mit der Röhre 13a, welche sie kurzzeitig
mit einer Zelle etwas geringeren Druckes in der Zone CB in Verbindung bringt. Während
dieser kurzzeitigen, Verbindung nimmt der Druckunterschied zwischen den beiden kommunizierenden
Zellen ab oder verschwindet ganz oder jedenfalls annähernd, wodurch notwendigerweise
ein, kleiner Gasstrom entlang der Röhre 13" in Richtung der Pfeile von der Expansionszelle
nach der Kompressionszelle fließt. Dieser Gasstrom soll der Kürze wegen Durchgangsgas
(s. Pfeile T) genannt werden. Infolge des sogenannten Druckaustausches, welcher
zwischen den, zusamrnenge,-schalteten Zellen eingetreten ist, hat die Zelle in,
der Zone AD einen Druckabfall erfahren., während die Zelle in, der Zone CB
einem Druckanstieg erfährt.
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Die Zelle in Zone AD, die der Betrachtung zugrunde gelegt worden
war, bewegt sich weiter und wird über die Röhre 13b mit einer anderen Zelle in der
Zone CB in Verbindung gebracht, so daß ein ähnlicher Druckaustausch sich zwischen
diesen Zellen abspielt. Der gleiche Vorgang erfolgt jedesmal, wenn eine Zelle in
der Zone AD mit einer der Röhren 139 bis 13e inVerbindung kommt. Die Folge
davon ist, daß eine Zelle während ihres Weges von A bis D aufeinanderfolgende
Expansionsstufen durchläuft, und zwar mit dem Auspuffdruck endend, während gleichzeitig
der Gasgehalt einer Zelle auf ihrem Weg von C bis B aufeinanderfolgendeDrucksteigerungen
erfährt, und zwar endend mit oder mit nahezu dem Druck der Luft, welche bei iqP
gefördert wird. Die Zellen, die in irgendeinem Augenblick in der Kompressionszone
CB stehen, sind unter einem Druck, welcher schrittweise in Richtung von C nach B
zunimmt, wie dies schaubildlich durch die strichpunktierte Linie X angedeutet ist,
während die Zellen in, der Expansionszone AD
unter einem Druck stehen, welcher
schrittweise in Richtung von A nach D abfällt, wie dies durch die
strichpunktierte Linie Y angedeutet ist. Es kann erforderlich sein, Windräder in
der Leitung 1q., 15 vorzusehen, um den Spülstrom zu beschleunigen. Außerdem sei
darauf hingewiesen, daß es beim Entwurf einer praktisch brauchbaren Maschine erwünscht
ist, die Öffnungen der Röhren 13 so zu bemessen, daß kein Leckaustreten zwischen
benachbarten Zellen in der Kompressions- oder Expa,n.-sionsstufe erfolgt.
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Eine Parallel- oder Nebenleitung 22 ist mit einem Ventil 23 versehen,
um die Menge der Luft einregeln zu können, welche durch .die Brennkammer hindurchströmt.
Ein Ventil 24 ist außerdem vorgesehen, um die Menge des Brennglases einregeln zu
können, welches durch dieLeitung 21 und iq.a fließt.
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Aus Fig. 8 ist zu ersehen, daß dieLäuferbeschaufelung 7 als Reaktionsbeschaufelung
in bezug auf
die Bewegung des Gases, das die Zellen I, die unter
Expansion befindlich sind, verläßt, sowie als Impulsbeschaufelung mit Bezug auf
das Gas, das in dieZellen 1I, die- unterKompressio-rn befindlich sind, eintritt,
ausgebildet ist. Die Ständerbeschaufelung 11, 12 ist so ausgeführt, daß sie mit
einem kleinstmöglichen Leistungsverlust übermitteltes Gas aufnimmt, welches von
den Zellen herkommt, und da.ß sie dann in geeigneter Weise den, Ausstoß ein ,s solchen
Gases zur Läuferbeschaufelung einer Kompressionszelle zuleitet. Fig. 9 ist ein typisches
Geschwindigkeitsdiagramm für die durch Fig. 8 veranschaulichte Beschaufelung, wobei
die- Bezugszeichen folgende vektorielle Bedeutung haben: LT Umfangsgeschwindigkeit,
0.4 Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer beim Verlassen der Expansionszellen,
OB Gasgeschwindigkeit relativ zur Ständerbescha.ufelung beim Eintritt in
dieselbe, 0E Gasgeschwindigkeit relativ zum Ständer beim Verlassen desselben und
Eintritt in die Kompressionszellen, OF Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer beim
Eintritt in die Kompressionszellen. OB Geschwindigkeit relativ zum Läufer
des Gases beim Eintritt in die Kompressionszellen nach Verlassen der Läuferschaufeln.
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Fig. 9 a zeigt eine Maschine ähnlich derjenigen nach Fig. i, bei welcher
jedoch die Zellen und Endplatten Spülöffnungen an jedem Ende aufweisen, so daß ein
durchlaufendes axiales Spülen, d.h. ohne Umkehrstrom ermöglicht wird. In diesem
Falle sind die Läuferschaufeln 7 in einem Teil des Läufers vorgesehen, welcher einen
größeren. Durchmesser aufweist, so daß der Fluß des Spülgases (s. Pfeile) die Beschaufelung
in einer radialen nach innen gerichteten Zone umgehen kann. Die Ständerbeschaufelung
11, 1? ist notwendigerweise ebenfalls auf einem größeren Durchmesser vorgesehen.
Die obere Hälfte von Fig. 9a ist ein Schnitt durch eine Spülstufe oder -zone, während
die, untere einen Schnitt durch Kompressions- und Expansionsstufen oder -zonen wiedergibt.
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Die Fig. io und ii zeigen eine Abwandlung, welche die Erreichung eines
höheren Schaufelwirkungsgrades ermöglicht, und zwar dadurch, daß bei einer Anordnung
gemäß Fig. 8 das Durchtrittsgas durch die Läuferbeschaufelung zuerst in der einen
und dann in der anderen Richtung fließt. Zur BeseitigungdieserSchwierigkeitenkönnen
dieBögen 11, 12 der Ständerschaufeln unter verschiedenen Halbmessern, xvie inFig.
io angedeutet, vorgesehen werden, wobei der Läufer mit zwei konzentrischen Sätzen
oder Gruppen von Läuferschaufeln 16, 17 versehen ist und die Ständerschaufeln i
i und die Läuferschaufeln 16 so ausgebildet sind, daß sie für den Gasfluß in. der
einenRichtung zusammenpassen, während die Läuferschaufeln 17 und die Ständerschaufeln
12 so ausgeführt sind, daß sie für einen Gasfluß in der anderen. Richtung zusammenpassen.
Im Betrieb wird die betreffende Läuferbeschaufelung, die nicht in Benutzung ist,
durch den nichtunterbrochenen Teil der Platte 9 abgedeckt. Die Fig. i i a, i 11)
sind Schnittdarstellungen, die die Lä uferheschaufelung i6 und 17 veranschaulichen.
Die in Fig. 12 und 13 dargestellte Maschine besteht aus einem Paar von gegendrehendenLäufern
i. iA, die zur Ausführung der Drehung in. entgegengesetzten Richtungen in: einem
Gehäuse 8 angeordnet sind. In diesem Falle sind keine Rohre entsprechend den Rohren
13 vorgesehen, und der Fluß des übertrittsgases (s. Pfeile T, Fig. 13) erfolgt unmittelbar
von den Expansionszellen des einen Läufers in die Kompressionszellen des anderen
Läufers, wobei das Spiel zwischen den Läufern gerade groß genug ist, daß ein zufriedenstellendes
Arbeiten sichergestellt und ein übermäßiges Leckaustreten verhindert wird.
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Eine Hochdruckspülung 1.4 ist an jedem Ende vorgesehen. und eine entsprechende
\Tiederdruckspülung 15 ist ebenfalls an beiden Enden vorhanden. Wie aus der Zeichnung
hervorgeht, ist jeder Läufer mit einer Turbinenlänferbeschaufelung 7 versehen. In
diesem Falle ist keine entsprechende Ständerbeschaufelung vorhanden., und da das
Gas nacheinander in verschiedenen Richtungen bei der gleichen Art vom Läuferbeschaufelung
fließen muß, kann ein hoher Wirkungsgrad nicht erwartet wer-Z> 13 zeigt einen typischenQuerschnitt
durch eine Beschaufelung, die sich für diese Maschinengattung eignet, während Fig.
14 ein typisches Geschwindigkeitsdiagramm für die Beschaufelung nach Fig.
13 wiedergibt, wobei die Bezugszeichen folgende Bedeutung haben: LT Umfangsgeschwindigkeit,
0.4 Gasgeschwindigkeit relativ zum Lä.trfer i beim Verlassen desselben, 0D Gasgeschwindigkeit
relativ zum Läufer va beim Eintritt in denselben, OB Geschwindigkeit relativ
zum Läufer 1a des Gases beim Eintritt in die Zelle und nach Verlassen der Läuferschaufel.
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Fi.g. i2a zeigt eine Abwandlung der Fig. 12, um (las besondere Erfindungsmerkmal
der Fig. 9 a ebenfalls zur Anwendung zu bringen, d. h. die, Läuferschaufeln 7 sind
in. diametral vergrößerten Teilen der Läufertrommel zwecks Ermöglichung der geradeaus
verlaufenden axialen Spülung vorgesehen. Eine ortsfeste Trennwand 16A zwischen den
Läufern ist mit Öffnungen zum Durchlaß des Spülgasflusses in der durch Pfeile angedeuteten
Richtung vorgesehen.
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Zwecks Erzielung eines höheren Schaufelwirkungsgrades in einer Zwei-Läufer-Maschine
kann die in Fig. 15 und 16 dargestellte Ausführungsform Anwendung finden, bei welcher
die gegenläufigen Läufer i, ia durch ein ortsfeste Trennwand 16 voneinander geschieden
sind, welche Bugen aus Ständerschaufeln 17, 18 aufweisen, die in ihrer Wirkung ähnlich
den Beschaufelungen 11, 12 in Fig.4. sind. In Fig. 15 ist die obere Hälfte ein Schnitt
durch eine Spülstufe oder Zone, während die andere Hälfte einen Schnitt durch Kompressions-und
Expansionsstufen oder -zonen wiedergibt. Die Schaufeln 17, i8 können, wie aus Fig.
15 ersichtlich, je aus zwei Reihen von Schaufeln bestehen wie dargestellt, oder
es kann alternativ eine einzige Schaufelreihe in jedem Fall zur Anwendung kommen.
Fig. 17 ist ein typisches Geschwindigkeitsdiagramm für die in der Fig.16 gezeigte
Beschaufelung,
die Bezugszeichen haben folgende Bedeutung: U Umfangsgeschwindigkeit, 0A
'Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer i beim Verlassen desselben, OB Gasgeschwindigkeit
relativ zum Zwischenteil (Ständer) beim Austritt aus Läufer z, 0C Gasgeschwindigkeit
relativ zum Zwischenteil beim Verlassen desselben und Eintritt in Läufer ja, 0A
Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer ja beim Eintritt in denselben, OB Geschwindigkeit
relativ zum Läufer ja des Gases beim Eintritt in die Zellen nach Verlassen der Läuferschaufel.
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Fig. 15 a zeigt eine Ausführungsform, welche sich durch einige praktische
Vorteile auszeichnet und welche im wesentlichem die Kombination der Anordnung nach
Fig. 15 mit dem besonderen Merkmai nach Fig.9a darstellt. Die obere Hälfte
von Fig. 15 a ist ein Schnitt durch eine Spülstufe oder -zone, während die
untere Hälfte einen Schnitt durch Kompressions- und Expansionsstufen oder -zonen
wiedergibt. Es ist ersichtlich, daß in diesem Fall die Zellen in Parallelanordnung
gespült werden.
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In den Fällen, wo eine Gehäusebeschaufelung Verwendung findet, ist
es aus Gründen, die sich aus den verschiedenen Gasdichten ergeben, vorteilhaft,
die Anordnung so zu treffen, daß die Kompressions-und die Expansionszellen, die
in der Nähe der Hochdruckzone sind, über eine Ständerbeschaufelung in Verbindung
gebracht werden, bei welcher die Gasdurchlässe eine kleinere Querschnittsflüche
aufweisen als diejenigen in der Niederdruckzone. Ein Ausführungsbeispiel dieser
Art ist in Fig. i8 dargestellt, bei welcher E den Expansionszustand und C den Kompressionszustand
wiedergibt, wobei der Druck in den Expansionszellen in der Richtung des Pfeiles
bei E abnimmt und der Druck in den Kompressionszellen in der Richtung des Pfeiles
bei C zunimmt. Wie ersichtlich, wird das gewünschte Ergebnis dadurch erreicht, daß
die Schaufelradiallänge der Ständerschaufeln stufenweise in Umfangsrichtung von
der Niederdruckzur Hochdruckzone zu abnimmt. Als Alternativlösung einer solchen.
Ausführungsform kann die Schaufellänge auch stetig und nicht schrittweise abnehmen.
Zwecks Verbesserung des Schaufelwirkungsgrades können die zusammenwirkenden Läuferschaufelblätter
aus Abschnitten mit _verschiedener Schaufelgestalt an den verschiedenen radialen
Stellen verwendet werden, so da.ß sie in geeigneterer Weise mit den Ständerschaufeln
der betreffenden Schaufellänge zusammenwirken. Die verschiedenen Abschnitte der
Läuferschaufeln können über zylindrische Trennringe oder ähnliche Trennelemente
voneinander geschieden werden, welche die Wirkung haben, daß sie das Strömungsmittel
in besserer Weise den betreffenden Abschnitten der Läuferschaufeln zuführen.
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Die verschiedensten Abwandlungen, der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele
können ohne weiteres verwendet werden, und insbesondere kann die Ausführungsform
nach Fig. 15 mit den Merkmalen gemäß den Fig. 1o und ii ausgerüstet werden. Infolge
der mechanischen Energie, die durch die Expansion .des Durchtrittsgases in Turbinen
erzielt wird, können Druckaustauscher gebaut werden, bei denen die Läufer selbstantreibend
sind. Es ist jedoch auch möglich, -däß ein >;lberschuß an Wellenleistung zur Verfügung
steht und dieser eine nützliche Anwendung für den. Antrieb von Hilfsgeräten, wie
beispielsweise Spülgebläsen, finden kann. Der Entwurf einer Maschine der hier in
Betracht kommenden Art kann so sein, daß die Gesamta,rbeit, diel geleistet
wird, in irgendeinem gewünschtem Verhältnis aufgeteilt wird in Lieferung eines Ausstoßes
an komprimiertem Gas für Außenverwendung einerseits und Wellenleistung andererseits,
die von den Turbinenschaufeln abgenommen wird, in denen das Durchgangsgas expandiert.
Im Grenzfall kann die gesamte Arbeit in Form von Wellenleistung abgenommen werden,
so daß kein Druckgas für Außenverwendung abgegeben wird.
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Es ist einleuchtend, daß notwendigerweise ein. Unterschied zwischen
dem Druck in einer Zelle, die gespült werden soll, und dem Druck des Frischgases
mit hohem oder niedrigerem Druck, weiches das Spülen. vornimmt, besteht. Mit anderem,
Worten, es ist niemals möglich, das Kompressionsgas bis auf dein höchsten Druck
des Kreislaufs zu komprimieren, noch ist es möglich, das Gas in den Expansionszellen
bis hinunter zum niedrigsten Druck des Kreislaufs zu expandieren. Das bedeutet,
daß beim Spülen notwendigerweise ein Gasstoß auftritt, was freie Expansion und infolgedessen
Leistungsverlust bedeutet, und zwar entweder in die Zellen hinein oder aus ihnen
heraus. In Weitererntwicklung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, die Anordnung
so zu treffen, daß jede Zelle beim Verlassen des Kompressions- oder Expansionszustandes
und vor dem Erreichen des Spülzustandes über die vorbeschriebene Turbinenbeschaufelung
in Verbindung mit den Spülleitungen (für den Eintritt von Frischgas mit hohem oder
niedrigem Druck, wies es gerade der Fall sein mag) gebracht wird, so daß der Druck
in einer solchen Zelle auf den Spüldruck gebracht wird, bevor er die Spülzelle erreicht,
wobei eine derartige Druckangleichung eine Gasexpansion in der Turbinenbeschaufelung
hervorruft, und damit ein Mehr an Nutzleistung.
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Fig. i9 zeigt eine Ausbildungsform zum Erreichen, dieses Zieles bei
Zwei-Läufer-Maschinen der in Fig. 12 gezeigten Art. Aus Fig. i9 geht hervor, daß
die Hochdruckspülleitung 14 für den Läufer ja in Umfangsrichtung versetzt mit Bezug
auf die Leitung 14, die dem Läufer i zugeordnet ist, verläuft. Es sei angenommen,,
daß die am weitesten rechte Zelle des Läufers ja auf einen so hohen Druck wie möglich
durch Übermittlung des Gases von denn Expansionszellen her gebracht worden ist,
aber immer noch einen geringeren Druck als den Frischgashochdruck des Gases aufweist,
das dem Läufer über die Leitung 14 zuge führt wird. Die Zelle kommt bei ihrer Bewegung
nach links hin aus der in der Zeichnung dargestellten Lage in die Stellung, in welcher
sie gespült wird, über die Beschaufelung 7 in Verbindung mit
Zellen
im Läufer i, welche dann gespült werden. Auf diese Weise wird der Druck in der Zelle
des Läufers ia auf im wesentlichen den gleichen Wert wie der des Frischgasdrucks
gebracht, der über Leitung 14 geführt wird. Dieses bedeutet einen Gasfluß durch
die Beschaufelung 7 vom Läufer i zum Läufer ia, wie gezeigt, und damit die Expansion
dieses Gases in der Beschaufelung. In gleicher Weise wird eine Zelle an der linken
Seite: des Läufers i bei ihrer Bewegung nach rcchts hin in die Stellung, in welcher
sie- gespült wird, auf den höchsten Druck des Kreislaufs gebracht, und zwar durch
die Verbindung über die Beschaufelung 7 mit Zellen im Läufer ia, welche dann gespült
werden, mit der Folge" daß Gas durch die Beschaufelung 7 vorn Läufer ia zum Läufer
i gelangt und in einer derartigen Beschaufelung expandiert (vgl. die kleinen Pfeile
in Fig. icg).
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Eine ähnliche Wirkung kann beim Niederdruckspülen durch Versetzen'
der Spülleitung erreicht «-erden. In diesem Fall ist es aber selbstverständlich,
daß die sich dem Spülstadium nähernden Zellen im Druckherabgesetzt werden müssen.
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Fig. 2o -zeigt eine Einrichtung zur Erzielung der gleichen Wirkung
bei einer Ein-Läufer- :Iaschine der in: Fig. i gezeigten Art. In Fig. 2o ist eine
Umleitung 18 vongesehen, welche jede Zella in Verbindung mit dein einkommenden Frischgashochdruck
bringt, bevor die Zelle den Spülbereich erreicht, so daß ein. Gasfluß vom Ende der
Leitung 18 durch die Läuferbeschaufelun-, 7 in die Zellen erfolgt, wodurch der Druck
ausgeglichen und Nutzarbeit gelleistet wird. Eine Ständerbeschaufelung i9 ist am
offenen Ende der Leitung 18 vorgesehen. Als alternative Ausführung kann an Stelle
der Leitung 18 eine Leitung i8A vorgesehen werden, welche eine Zelle, die gespült
«=erden soll, mit einer Zelle verbindet, welche gerade gespült wird. Eine entsprechende
Ständerbeschaufelung i9 kann an jedem Ende der Leitung 18A vo.rgeschen werden.