EP0036045A1 - Pressure wave machine - Google Patents

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Abstract

In order to reduce the intermixing of air and exhaust gases in the cells of gas dynamic compression wave machines caused by the formation of shear layer vortices, the geometry of the leading side of the high pressure inlet orifice facing the bucket wheel has a curved convex or convex-polygonal configuration. Also, the ends of cell walls at the gas inlet ends thereof can be of a profiled configuration to further improve the gas flow conditions in the cells.

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.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 .

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.To understand the actual, extremely complex gas dynamic pressure wave process, which is not the subject of the invention, reference is made to the document CH-T-123063 D. The process flow necessary for understanding the invention is explained in particular in FIG. 2 thereof. The cell band consisting of individual cells is the development of a cylindrical section of the cell wheel, which moves downward in the direction of the arrow when the latter rotates. The pressure wave processes take place inside the cellular wheel and essentially cause a gas-filled space and an air-filled space to form.

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.In the gas-filled room, 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.

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.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.gasseitigen 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. At the same time, 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.

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.It is an object of the invention to design the geometry of the high-pressure gas inlet opening on the gas-side part in such a way that the phenomena of transient separation that occur can be used to reduce the mixing of air and exhaust gases.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Verhinderung von Scherschichtwirbeln die Profilform konvex oder konvex-polygonal ist.The above object is thereby ge resolves that the profile shape is convex or convex-polygonal to prevent shear-layer eddies.

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.In the case of convex-polygonal geometry, it is particularly advantageous if two wall parts forming the mouth meet at an obtuse angle and have the same angle with respect to the horizontal. According to a preferred embodiment, the width of the wall part inclined towards the cell edge corresponds to approximately 75% of the distance between two cell walls.

Bei einer konvexen Mündungsausbildung entspricht vorteilhafterweise der Krümmungsradius der Mündung etwa der Hälfte des Abstandes zwischen zwei Zellenwänden.In the case of a convex mouth formation, the radius of curvature of the mouth advantageously corresponds to approximately half the distance between two cell walls.

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.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.

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.According to a further advantageous embodiment of the invention, 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.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.Exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawing.

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.
It shows:
  • 1 shows a part of a development of a cylindrical section halfway up the cells of the cellular wheel and through the adjacent parts of the side parts with the convex mouth geometry according to the invention,
  • Fig. 2 shows a second embodiment with a convex-polygonal mouth geometry.

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.In 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.

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.At the high-pressure gas inlet opening 12, 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. As a result, 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. In the case of a slow cell movement, ie at a very low speed, if the edge were not rounded, 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. When designing the rounding or the profiling of the mouth 5, 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.

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.To achieve an almost ideal cell flow, 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.

In der Fig. 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, wie in Fig. l.In FIG. 2, the same parts are provided with the same reference symbols as in FIG. 1.

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.The embodiment there is almost analogous to that described in FIG. 1, with the exception of the convex-polygonal design of the mouth 5 at the high-pressure gas inlet opening 10 and the cell walls 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.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.

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.Such a design results in a structurally simple, fluid-mechanically insensitive geometry, wherein without profiled cell walls 16 a balance between the opening and front edge vortices is achieved, as can be seen from the separating front 8 between the exhaust gas shown in dotted lines and the air shown in broken lines.

B e z e i c h n u n g s 1 .i st eDescription 1 .i st e

  • 1 = Zellenrad1 = cellular wheel
  • 2 = Zellen2 = cells
  • 3 = abgasseitiges Seitenteil3 = flue side part
  • 4 = lustseitiges Seitenteil4 = pleasure side part
  • 5 = Mündungen5 = mouths
  • 5' = Schliess- und Oeffnungskanten5 '= closing and opening edges
  • 6 = Pfeil6 = arrow
  • 7 = Pfeil7 = arrow
  • 8 = Trennfront8 = dividing front
  • 10 = Profile an den Zellenwänden10 = profiles on the cell walls
  • 11 = Drehrichtung11 = direction of rotation
  • 12 = Hochdruckgas-Eintrittsöffnung12 = high pressure gas inlet opening
  • 13 = ND-Gasaustrittsöffnung13 = LP gas outlet opening
  • 14 HD-Luftaustrittsöffnung14 HP air outlet opening
  • 15 = ND-Lufteintrittsöffnung15 = LP air inlet opening
  • 16 = Zellenwände16 = cell walls
  • 17 = Wandteil17 = wall part
  • 18 = Wandteil18 = wall part

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.1. 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, thereby characterized that the profile shape is convex or convex-polygonal to prevent shear-layer eddies. 2. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (5) aus zwei in einem stumpfen Winkel aufeinandertreffenden Wandteilen (17, 18) besteht.2. Gas-dynamic pressure wave machine according to claim 1, characterized in that the mouth (5) consists of two wall parts (17, 18) which meet at an obtuse angle. 3. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wandteile (17, 18) gegenüber der Horizontalen denselben Winkel aufweisen.3. Gas-dynamic pressure wave machine according to claim 2, characterized in that the two wall parts (17, 18) have the same angle with respect to the horizontal. 4. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandteile (17, 18) in einem Winkel von etwa 1600 zueinander angeordnet sind.4. Gas dynamic pressure wave machine according to claim 2, characterized in that the wall parts (17, 18) are arranged at an angle of about 160 0 to each other. 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.5. Gas-dynamic pressure wave machine according to claim 2 , characterized in that the width (a) of the cell part (2) inclined wall part (18) corresponds to approximately 75% of the distance (b) between two cell walls (16). 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.6. Gas-dynamic pressure wave machine according to claim 1, characterized in that the radius (r) of the convex curvature of the mouth (5) corresponds to approximately half the distance (b) between two cell walls (16). 7. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasseitigen Enden (10) der Zellenwände (16) profilartig ausgebildet sind.7. Gas-dynamic pressure wave machine according to claim 1, characterized in that the gas-side ends (10) of the cell walls (16) are profile-shaped.
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