EP0036045A1 - Druckwellenmaschine - Google Patents

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EP0036045A1
EP0036045A1 EP80200243A EP80200243A EP0036045A1 EP 0036045 A1 EP0036045 A1 EP 0036045A1 EP 80200243 A EP80200243 A EP 80200243A EP 80200243 A EP80200243 A EP 80200243A EP 0036045 A1 EP0036045 A1 EP 0036045A1
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pressure wave
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dynamic pressure
machine according
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00—Pressure exchangers

Definitions

  • the present invention relates to a gas dynamic pressure wave machine, essentially consisting of a cellular wheel, which rotates in a central part and between a respective air-side and gas-side part provided with inlet and outlet openings, the geometry of the high-pressure gas inlet opening at the mouth of the cell wheel being shaped like a profile .
  • the exhaust gas relaxes and then escapes into the low-pressure gas outlet, while in the air-filled room.
  • Part of the fresh air drawn in is compressed and is pushed out into the high pressure duct.
  • the remaining fresh air portion is flushed through the cellular wheel into the low-pressure gas outlet and thus causes the exhaust gases to exit completely.
  • a pressure wave machine of the aforementioned type is known from US Patent 3 1074 1622, wherein the openings of the outlet channels on the air-side side part shaped profile rounded and the inlet mouths am.gas stoolen side member having a groove-shaped, ie konkavpolygonales profile.
  • This is intended to achieve a gradually increasing compression wave which, when striking the air-profiled mouth, should result in a reduced reflection wave, in particular in the event of extreme incorrect tuning in the lower speed range of the pressure wave machine.
  • this design is intended to achieve a reduced outflow at the high-pressure inlet opening and a reduced inflow from the high-pressure inlet. This is intended to correct the deviations of the wave transit times from the ideal transit time.
  • the present problem of weakening the mixing process in the cells cannot be solved by these measures.
  • the above object is thereby ge resolves that the profile shape is convex or convex-polygonal to prevent shear-layer eddies.
  • the width of the wall part inclined towards the cell edge corresponds to approximately 75% of the distance between two cell walls.
  • the radius of curvature of the mouth advantageously corresponds to approximately half the distance between two cell walls.
  • the newly proposed design of the mouth of the high-pressure gas inlet opening creates a vortex that is the same at the design speed as that at the cell front edge, but has an opposite direction of rotation. At this speed, air and exhaust gas are not mixed. It is particularly advantageous that such profiles are easy to manufacture.
  • the gas-side ends of the cell walls can be designed in a profile-like manner in order to achieve a better cell flow in cooperation with the profiled mouth.
  • Fig. 1, 1 shows a part of a cellular wheel with individual cells 2, which rotates between an exhaust-side side part 3 and a pleasure-side side part 4 in the direction of arrow 11.
  • the high-pressure gas inlet opening 12 and a low-pressure gas outlet opening 13 are provided on the exhaust-side side part 3, while a high-pressure air outlet opening 14 and a low-pressure air inlet opening 15 are arranged on the air-side side part 4.
  • the opening 5 to the cellular wheel 1 is convex, the radius r of the convex curvature corresponding to approximately half the distance b between two cell walls 16.
  • the exhaust gas shown in dots enters the cell at the moment a cell 2 is opened in the direction provided by the profiled mouth 5.
  • an outflow bubble which formed would move in the counterflow direction of the rounded mouth 5, as indicated by the arrow 6, and close cause a complete separation of the flow.
  • the aim is that the two opposite vertebrae, that is, the vertebra 6 at the mouth 5 and the vertebrae (arrow 7) at the front edge of the cell 2, have the same strength and therefore one as possible generate sharp and perpendicular to the cell walls 16 vertical partition 8 between air and exhaust gas shown in dashed lines.
  • the exhaust-side ends 10 of the cell walls 16 are designed in profile-like manner, whereby an almost complete suppression of the opening edge vortex can be achieved by the action of the profile-related front edge vortex. All other opening and closing edges 5 'at the outlet and inlet openings have no profiles.
  • FIG. 2 the same parts are provided with the same reference symbols as in FIG. 1.
  • the mouth 5 is formed from two wall parts 17, 18 which meet at an obtuse angle, for example of 160 °, in such a way that both wall parts 17, 18 have the same angle with respect to the horizontal.
  • the wall parts 17, 18 preferably formed so that the width a of the cell Rad 1 inclined wall part 18 corresponds to approximately 75% of the distance b between two cell walls 16.

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Abstract

Zur Verminderung der Vermischung von Luft und Abgasen in gasdynamischen Druckwellenmaschinen wird vorgeschlagen, daß zur Verhinderung von Scherschichtwirbeln die Geometrie der Hochdruckgas-Eintrittsöffnungen (12) an der Mündung zum Zellenrand eine konvexe oder konvexpolygonale Profilform (5) aufweist, und daß weiterhin zur Erzielung einer besseren Zellenströmung die gasseitigen Enden der Zellenwände ebenfalls profilartig (10) ausgebildet werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine, im wesentlichen bestehend aus einem Zellenrad, welches sich in einem Mittelteil und zwischen je einem mit Eintritts- und Austrittsöffnungen versehenen luftseitigen und gasseitigen Seitenteil dreht, wobei die Geometrie der Hochdruckgas-Eintrittsöffnungan der Mündung zum Zellenrad profilartig ausgebildet ist.
  • Zum Verständnis des eigentlichen, äussert komplexen gasdynamischen Druckwellenprozesses, welcher nicht Erfindungsgegenstand ist, wird auf die Druckschrift CH-T-123063 D verwiesen. Der für das Verständnis der Erfindung notwendige Prozessablauf wird insbesondere in der Fig. 2 derselben erläutert. Das aus einzelnen Zellen bestehende Zellenband ist die Abwicklung eines Zylinderschnittes des Zellenrades, welches sich bei Drehung des letzteren in Pfeilrichtung nach unten bewegt. Die Druckwellenvorgänge laufen im Innern des Zellenrades ab und bewirken im wesentlichen, dass sich ein gasgefüllter Raum und ein luftgefüllter Raum bilden.
  • Im gasgefüllten Raum entspannt sich das Abgas und entweicht dann in den Niederdruckgasaustritt, während im luftgefüllten Raum ein. Teil der angesaugten Frischluft verdichtet und in den Hochdruckkanal ausgeschoben wird. Der verbleibende Frischluftanteil wird durch das Zellenrad in den Niederdruckgasaustritt überspült und bewirkt damit den vollständigen Austritt der Abgase.
  • Eine Druckwellenmaschine der eingangs genannten Art ist bekannt aus der US-Patentschrift 310741622, bei welcher die Mündungen der Auslasskanäle am luftseitigen Seitenteil profilartig abgerundet und die Eintrittsmündungen am.gasseitigen Seitenteil ein nutenförmiges, d.h. konkavpolygonales Profil aufweisen. Dadurch soll eine allmählich sich erhöhende Kompressionswelle erzielt werden, welche beim Auftreffen auf der luftseitig profilierten Mündung eine verringerte Reflexionswelle ergeben soll, insbesondere bei extremer Falschabstimmung im unteren Drehzahlbereich der Druckwellenmaschine. Gleichzeitig soll durch diese Ausbildung eine verringerte Abströmung an der Hochdruckeinlassöffnung, sowie ein verringertes Einströmen vom Hochdruckeintritt erreicht werden. Dadurch sollen die Abweichungen der Wellenlaufzeiten von der Ideallaufzeit korrigiert werden. Das vorliegende Problem, den Mischvorgang in den Zellen abzuschwächen , kann durch diese Massnahmen nicht gelöst werden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Geometrie der Hochdruckgas-Eintrittsöffnung am gasseitigen Seitenteil so auszubilden, dass die auftretenden Phänomene der instationären Ablösung zur Verminderung der Vermischung von Luft und Abgasen ausgenützt werden können.
  • Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Verhinderung von Scherschichtwirbeln die Profilform konvex oder konvex-polygonal ist.
  • Bei konvex-polygonaler Geometrie ist es besonders vorteilhaft, wenn zwei die Mündung bildende Wandteile in einem stumpfen Winkel aufeinaridertreffen und gegenüber der Horizontalen denselben Winkel aufweisen. Gemäss einer bevorzugten Ausbildungsform entspricht die Breite des zum Zellenrand geneigten Wandteiles etwa 75 % des Abstandes zwischen zwei Zellenwänden.
  • Bei einer konvexen Mündungsausbildung entspricht vorteilhafterweise der Krümmungsradius der Mündung etwa der Hälfte des Abstandes zwischen zwei Zellenwänden.
  • Durch die neu vorgeschlagene Ausbildung der Mündung der Hochdruckgas-Eintrittsöffnung wird ein Wirbel erzeugt, der bei der Auslegungsdrehzahl gleich ist wie jener an der Zellen-Stirnkante, jedoch einen umgekehrten Drehsinn aufweist. Bei dieser Drehzahl findet eine Durchmischung von Luft und Abgas nicht statt. Von besonderem Vorteil ist, dass derartige Profile einfach herstellbar sind.
  • Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die gasseitigen Enden der Zellenwände profilartig ausgebildet sein, um im Zusammenwirken mit der profilierten Mündung eine bessere Zellenströmungzu erreichen.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 einen Teil einer Abwicklung eines Zylinderschnittes in halber Höhe der Zellen des Zellenrades und durch die benachbarten Partien der Seitenteile mit erfindungsgemässer konvexer Mündungsgeometrie,
    • Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit konvex-polygonaler Mündungsgeometrie.
  • In der Fig. 1 ist mit 1 ein Teil eines Zellenrades mit einzelnen Zellen 2 dargestellt, welches zwischen einem abgasseitigen Seitenteil 3 und einem lustseitigen Seitenteil 4 in Richtung des Pfeiles 11 dreht, bezeichnet. Am abgasseitigen Seitenteil 3 ist die Hochdruckgas-Eintrittsöffnung 12 und eine Niederdruck-Gasaustrittsöffnung 13 vorgesehen, während am luftseitigen Seitenteil 4 eine Hochdruckluft-Austrittsöffnung 14 und eine Niederdruckluft-Eintrittsöffnung 15 angeordnet sind.
  • An der Hochdruckgas-Eintrittsöffnung 12 ist die Mündung 5 zum Zellenrad 1 konvex ausgebildet, wobei der Radius r der konvexen Krümmung etwa der Hälfte des Abstandes b zwischen zwei Zellenwänden 16 entspricht. Dadurch tritt das gepunktet dargestellte Abgas im Moment der Oeffnung einer Zelle 2 in der durch die profilierte Mündung 5 vorgesehenen Richtung in die Zelle ein. Bei einer langsamen Zellenbewegung, d.h. bei sehr niedriger Drehzahl würde bei nicht abgerundeter Kante eine sich bildende Abströmungsblase in Gegenströmungsrichtung der abgerundeten Mündung 5, wie durch den Pfeil 6 angedeutet, entlang wandern und schliesslich eine vollständige Ablösung der Strömung herbeiführen. Bei der Auslegung der Abrundung bzw. der Profilgebung der Mündung 5 wird angestrebt, dass die beiden entgegengesetzten Wirbel, d.h. jener Wirbel 6 an der Mündung 5 und der Wirbel (Pfeil 7) an der Stirnkante der Zelle 2, dieselbe Stärke erreichen und somit eine möglichst scharfe und zu den Zellenwänden 16 senkrecht stehende Trennfront 8 zwischen strichliert dargestellter Luft und Abgas erzeugen.
  • Zur Erreichung einer nahezu idealen Zellenströmung werden die abgasseitigen Enden 10 der Zellenwände 16 profilartig ausgebildet, wodurch eine nahezu vollständige Unterdrückung des Oeffnungskantenwirbels durch Einwirkung des profilbedingten Stirnkantenwirbels erzielt werden kann. Alle übrigen Oeffnungs- und Schliesskanten 5' an den Auslass- und Einlassöffnungen weisen keinerlei Profilierungen auf.
  • In der Fig. 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, wie in Fig. l.
  • Die dortige Ausführung ist nahezu analog zu der in Fig. 1 beschriebenen, mit Ausnahme der konvex-polygonalen Ausbildung der Mündung 5 an der Hochdruckgas-Eintrittsöffnung 10 sowie der Zellenwände 16.
  • Die Mündung 5 wird aus zwei Wandteilen 17, 18 gebildet, welche in einem stumpfen Winkel, beispielsweise von 160°, aufeinandertreffen, und zwar in der Weise, dass beide Wandteile 17, 18 gegenüber der Horizontalen denselben Winkel ausweisen, Dabei sind die Wandteile 17, 18 vorzugsweise so ausgebildet, dass die Breite a des zum Zellenrad 1 geneigten Wandteiles 18 etwas 75 % des Abstandes b zwischen je zwei Zellenwänden 16 entspricht.
  • Eine derartige Ausführung ergibt eine konstruktiv einfache, strömungsmechanisch unempfindliche Geometrie, wobei ohne profilierte Zellenwände 16 ein Gleichgewicht zwischen Oeffnungs- und Stirnkantenwirbel erreicht wird, wie dies aus der Trennfront 8 zwischen dem gepunktet dargestellten Abgas und der strichliert dargestellten Luft hervorgeht.
    • B e z e i c h n u n g s 1 .i st e
    • 1 = Zellenrad
    • 2 = Zellen
    • 3 = abgasseitiges Seitenteil
    • 4 = lustseitiges Seitenteil
    • 5 = Mündungen
    • 5' = Schliess- und Oeffnungskanten
    • 6 = Pfeil
    • 7 = Pfeil
    • 8 = Trennfront
    • 10 = Profile an den Zellenwänden
    • 11 = Drehrichtung
    • 12 = Hochdruckgas-Eintrittsöffnung
    • 13 = ND-Gasaustrittsöffnung
    • 14 HD-Luftaustrittsöffnung
    • 15 = ND-Lufteintrittsöffnung
    • 16 = Zellenwände
    • 17 = Wandteil
    • 18 = Wandteil

Claims (7)

1. Gasdynamische Druckwellenmaschine, im wesentlichen bestehend aus einem Zellenrad, welches sich in einem Mittelteil und zwischen je einem mit Eintritts- und Austrittsöffnungen versehenen luftseitigen und gasseitigen Seitenteil dreht, wobei die Geometrie der Hochdruckgas-Eintrittsöffnung an der Mündung zum Zellenrad profilartig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung von Scherschichtwirbeln die Profilform konvex oder konvex-polygonal ist.
2. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (5) aus zwei in einem stumpfen Winkel aufeinandertreffenden Wandteilen (17, 18) besteht.
3. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wandteile (17, 18) gegenüber der Horizontalen denselben Winkel aufweisen.
4. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandteile (17, 18) in einem Winkel von etwa 1600 zueinander angeordnet sind.
5. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (a) des zum Zellenrad (2) geneigten Wandteiles (18) etwa 75 % des Abstandes (b)zwischen zwei Zellenwänden (16) entspricht.
6. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r) der konvexen Krümmung der Mündung (5) etwa der Hälfte des Abstandes (b) zwischen zwei Zellenwänden (16) entspricht.
7. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasseitigen Enden (10) der Zellenwände (16) profilartig ausgebildet sind.
EP80200243A 1980-03-17 1980-03-17 Druckwellenmaschine Expired EP0036045B1 (de)

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AT80200243T ATE7811T1 (de) 1980-03-17 1980-03-17 Druckwellenmaschine.
US06/232,622 US4397613A (en) 1980-03-17 1981-02-09 Compression wave machine
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