EP0385178A1 - Rotor of a pressure wave machine - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- 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 rotor of a pressure wave machine with cells distributed uniformly around its circumference and oriented parallel to the rotor axis and intended to hold two gaseous media during operation in order to compress the first by pressure waves from the second medium.
- a pressure wave runs into the cell and compresses the air.
- the pressure wave reaches the end of the cell as soon as it passes through the high pressure air outlet.
- the air is pushed out there and the cell is then completely filled with gas.
- expansion waves ensure that the gas leaves the cell and that fresh air is sucked in and the compression process is repeated.
- a critical factor for the delivery level of a pressure wave loader is that the interface between the two media air and gas is by no means perpendicular to the channel axis, but that a more or less wide mixing zone is formed, which on the one hand results in the flushing of the compressed air Gas in the engine or in the turbine circuit and on the other hand some of the air passes into the gas.
- the invention arose from the task of designing the geometry of the rotor of a pressure wave machine operated with media of different densities, in particular the shape of its cells, in such a way that no centrifugal forces act on the fluid in the cell in the charging cycle, and thus centrifugal currents which affect the input cause harmful mixtures of the fluids mentioned things to be avoided.
- This is achieved by designing the cells in such a way that the medium particles move from their entry into the cells until they exit them on practically straight-line absolute paths, that is to say on paths that are regarded as straight paths by an observer outside the rotor be seen. This removes the particles from the influence of the acceleration forces.
- This task is solved by a shape of the channel axes of the cells which is curved towards the rotor axis.
- the rotor is only partially and schematically in FIG. 1 through its outer boundary circles 2 of the cell ring on its two end faces, the inner boundary circles 3 of the cell ring on its two end faces, and the center point circles 4 on which the center points 5 of the cell channel cross sections lie in the two rotor end faces, shown.
- Cell ring is to be understood as the totality of cells 6 on the circumference of the rotor.
- the angle ⁇ which is particularly important for the shape of the cells 6, is the angle of rotation that a cell, see FIG. 2, from the entry point 7, at which the medium to be compressed enters the Cell enters until it reaches exit point 8 on the opposite side of the rotor, where the compressed air leaves the cell.
- ⁇ also mean the current angular coordinate from position 7, r0 the radius of the center circles 4, 0 the center of the rotor end face, which coincides with the origin of the x-axis, r (x) the radial distance of a point on the channel axis 9 at a distance x from the origin 0, ⁇ r the depression of the channel axis 9 at a point x relative to a straight line 10 connecting the center points 5 of the channel cross sections on the two rotor end faces, and L the length of the rotor.
- the influence of the centrifugal flows on the rinsing cycle is also partially reduced by the shape of the cells according to the invention.
- This influence of centrifugal flow on the purge can be further reduced by further increasing the constriction of the rotor by the amount given by the formula for r (x).
- this does not make sense either, as this overcompensates the charging cycle and thus worsens it somewhat.
- the radial cell walls could be made increasingly thicker in both directions starting from the center of the rotor and thereby profiling their ends in a flow-favorable manner.
- this only makes sense for the entry side, while the swirl area is enlarged on the exit side and the efficiency is impaired compared to a design with ends of the cell walls that have sharp edges on both sides.
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Abstract
Der Rotor (1) einer Druckwellenmaschine weist auf seinem Umfang Zellen (6) auf, die von den beiden Stirnseiten des Rotor (1) aus nach innen gegen seine Mitte und zur Rotorachse hin konkav gekrümmt sind. Dadurch verläuft die Absolutbahn eines Teilchens von seiner Eintrittsstelle (7) in eine Zelle (6) bis zu seiner Austrittsstelle (8) aus derselben praktisch geradlinig, wodurch im Spülvorgang die Vermischungszone zwischen den beiden am Druckwellenprozess beteiligten Medien und damit die Spülverluste gegenüber geraden Zellen stark vermindert werden.The rotor (1) of a pressure wave machine has cells (6) on its circumference, which are curved from the two end faces of the rotor (1) inwards towards its center and towards the rotor axis. As a result, the absolute path of a particle runs practically rectilinearly from its entry point (7) into a cell (6) to its exit point (8), which means that the mixing zone between the two media involved in the pressure wave process, and thus the flushing losses compared to straight cells, is strong in the rinsing process can be reduced.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Druckwellenmaschine mit an seinem Umfang gleichmässig verteilt angeordneten, parallel zur Rotorachse gerichteten Zellen, die dazu bestimmt sind, im Betrieb zwei gasförmige Medien aufzunehmen zwecks Verdichtung des ersten durch Druckwellen des zweiten Mediums.The present invention relates to a rotor of a pressure wave machine with cells distributed uniformly around its circumference and oriented parallel to the rotor axis and intended to hold two gaseous media during operation in order to compress the first by pressure waves from the second medium.
In Druckwellenmaschinen wird bei ihrer Verwendung als Aufladegerät für Verbrennungsmotoren Umgebungsluft zu Ladeluft und bei ihrer Verwendung als Hochdruckverdichterstufe einer Gasturbine vorverdichtete Luft weiter verdichtet zur Erzeugung von Treibgas für den Hochdruckturbinenteil. Die Kompression der Luft findet dabei in einem Rotor statt, dessen Umfang bei heutigen Ausführungen in der Regel achsparallel verlaufende Zellen aufweist, in denen die Luft mit dem Abgas des Motors oder mit aus der Turbinenbrennkammer abgezweigtem Treibgas ohne festes Trennelement direkt in Berührung kommt. Zur Steuerung der Ein-und Auslässe von Luft und Gas in die bzw. aus den Zellen befinden sich an den beiden Stirnseiten des Rotors Gehäuse mit Kanälen für die Zu- und/oder Abfuhr der beiden am Druckwellenprozess beteiligten Medien. Kommt eine mit zu verdichtetender Luft gefüllte Zelle vor einen Hochdruckgaseinlass, so läuft eine Druckwelle in die Zelle und verdichtet die Luft. Die Druckwelle erreicht das Ende der Zelle, sobald diese den Hochdruckluftauslass passiert. Die Luft wird dort ausgeschoben und die Zelle ist dann ganz mit Gas gefüllt. Beim weiterdrehen sorgen Expansionswellen dafür, dass das Gas die Zelle wieder verlässt und dass frische Luft angesaugt wird, worauf sich der Kompressionsvorgang wiederholt.In pressure wave machines, when used as a supercharger for internal combustion engines, ambient air is further compressed to charge air and when used as a high-pressure compressor stage of a gas turbine, compressed air is further compressed to produce propellant gas for the high-pressure turbine part. The compression of the air takes place in a rotor, the scope of which, in today's designs, generally has axially parallel cells in which the air comes into direct contact with the exhaust gas from the engine or with propellant gas branched off from the turbine combustion chamber without a fixed separating element. To control the inlets and outlets of air and gas into and out of the cells, housings with channels for the supply and / or discharge of the two media involved in the pressure wave process are located on the two end faces of the rotor. If a cell filled with air to be compressed comes in front of a high-pressure gas inlet, a pressure wave runs into the cell and compresses the air. The pressure wave reaches the end of the cell as soon as it passes through the high pressure air outlet. The air is pushed out there and the cell is then completely filled with gas. When turning further, expansion waves ensure that the gas leaves the cell and that fresh air is sucked in and the compression process is repeated.
Ein kritischer, für den Liefergrad eines Druckwellenladers mit ausschlaggebender Umstand besteht darin, dass die Trennfläche zwischen den beiden Medien Luft und Gas keineswegs rechtwinklig zur Kanalachse steht, sondern dass sich dort eine mehr oder minder breite Mischzone bildet, wodurch einerseits bei der Spülung der verdichteten Luft Gas in den Motor bzw. in den Turbinenkreislauf und andererseits ein Teil der Luft in das Gas übergeht.A critical factor for the delivery level of a pressure wave loader is that the interface between the two media air and gas is by no means perpendicular to the channel axis, but that a more or less wide mixing zone is formed, which on the one hand results in the flushing of the compressed air Gas in the engine or in the turbine circuit and on the other hand some of the air passes into the gas.
Das vorstehend gesagte ergibt sich auch aus der bekannten Tatsache, dass in einem Kanal, in dem sich zwei vorerst durch eine Membran voneinander getrennte Medien unterschiedlicher Dichte befinden, beim Entfernen dieser Membran, abgesehen von der vollständigen Vermischung der zwei gasförmigen Medien, wie sie im Ruhezustand auftritt, eine Ausgleichsströmung einsetzt, bei ruhenden Medien unter dem Einfluss der Schwerkraft.The foregoing also results from the known fact that in a channel in which two media of different densities are initially separated from one another by a membrane, when this membrane is removed, apart from the complete mixing of the two gaseous media, as in the idle state occurs, a compensating flow sets in, with stationary media under the influence of gravity.
Im Falle einer Druckwellenmaschine schiebt sich bei laufendem Rotor das schwerere Medium, nämlich Luft, durch die Zentrifugalbeschleunigung an der Aussenseite der Zelle unter das leichtere Abgas aus dem Motor mit der Folge einer im Vergleich zum Ruhezustand sehr breiten Mischzone, die, wie erwähnt, die Spülung und damit den Liefergrad des Laders verschlechtert.In the case of a pressure wave machine, the heavier medium, namely air, is pushed by the centrifugal acceleration on the outside of the cell under the lighter exhaust gas from the engine with the consequence of a very wide mixing zone compared to the idle state, which, as mentioned, the purging and thus the delivery rate of the loader deteriorates.
Die Erfindung entstand aus der Aufgabe, die Geometrie des Rotors einer mit Medien unterschiedlicher Dichte betriebenen Druckwellenmaschine, insbesondere die Form seiner Zellen, so zu gestalten, dass im Ladezyklus keine Flieh-kräfte auf das Fluid in der Zelle einwirken und damit Zentrifugalströme, welche die eingangs erwähnten schädlichen Vermischungen der Fluide verur sachen, vermieden werden. Dies wird erreicht durch eine solche Gestaltung der Zellen, dass die Mediumteilchen sich von ihrem Eintritt in die Zellen an bis zu ihrem Austritt aus denselben auf praktisch geradlinigen Absolutbahnen bewegen, auf Bahnen also, die von einem ausserhalb des Rotors als ruhend gedachten Beobachter als gerade Bahnen gesehen werden. Dadurch sind die Teilchen dem Einfluss der Beschleunigungskräfte entzogen. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine zur Rotorachse hin gekrümmte Form der Kanalachsen der Zellen.The invention arose from the task of designing the geometry of the rotor of a pressure wave machine operated with media of different densities, in particular the shape of its cells, in such a way that no centrifugal forces act on the fluid in the cell in the charging cycle, and thus centrifugal currents which affect the input cause harmful mixtures of the fluids mentioned things to be avoided. This is achieved by designing the cells in such a way that the medium particles move from their entry into the cells until they exit them on practically straight-line absolute paths, that is to say on paths that are regarded as straight paths by an observer outside the rotor be seen. This removes the particles from the influence of the acceleration forces. This task is solved by a shape of the channel axes of the cells which is curved towards the rotor axis.
Die erfindungsgemässe Druckwellenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalachsen der Zellen zwischen ihren beiden Endquerschnitten an den Rotorstirnflächen radial nach innen, gegen die Rotorachse hin gekrümmt verlaufen, wobei die Form der Kanalachsen der Zellen zwischen ihren beiden Endquerschnitten der Funktion
r(x) = r₀cos(φ/2)/cos[φ(1/2 - x/L)]
folgt, worin r₀ den radialen Abstand der Kanalachsen von der Rotorachse, φ den Winkel, den eine Zelle von der Eintrittsstelle des ersten Mediums am einen Rotorende bis zu seiner Austrittsstelle am anderen Rotorende zurücklegt, und L die Rotorlänge bedeuten, wobei die x-Achse mit der Rotorachse zusammenfällt und ihren Ursprung an der Stirnseite des Rotors hat, an der das erste Medium eintritt.The pressure wave machine according to the invention is characterized in that the channel axes of the cells between their two end cross sections on the rotor end faces run radially inwards, curved towards the rotor axis, the shape of the channel axes of the cells between their two end cross sections of the function
r (x) = r₀cos (φ / 2) / cos [φ (1/2 - x / L)]
follows, where r₀ is the radial distance of the channel axes from the rotor axis, φ is the angle that a cell travels from the entry point of the first medium at one rotor end to its exit point at the other rotor end, and L is the rotor length, with the x-axis also the rotor axis coincides and has its origin on the end face of the rotor at which the first medium enters.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to the drawing.
In der Zeichnung stellen dar:
- Fig.1 die geometrischen Beziehungen, die für die Gestaltung eines erfindungsgemässen Rotors von Belang sind, und die
- Fig.2 die Form einer Zelle eines solchen Rotors.
- 1 shows the geometric relationships that are relevant for the design of a rotor according to the invention, and the
- 2 shows the shape of a cell of such a rotor.
In Fig.1 ist die Drehrichtung des Rotors 1, die für seine Gestaltung bedeutungslos ist, im Uhrzeigersinn angenommen. Die nachfolgenden Ausführungen gelten für eine Druckwellenmaschine mit einem Gegenstromdruckwellenprozess, bei dem Ein- und Austritt der Luft auf den zwei entgegengesetzten Seit en des Rotors erfolgen, gelten aber in analoger Weise auch für den Prozess, bei dem Ein- und Auslass der Luft auf ein und derselben Seite des Rotors stattfinden. Der erwähnte Gegenstromprozess ist der vorwiegend bei Hochdruckverdichtern für Gasturbinen verwendete.In Figure 1, the direction of rotation of the
Der Rotor ist in Fig.1 der besseren Übersichtlichkeit halber nur ausschnittsweise und schematisch durch seine äusseren Begrenzungskreise 2 des Zellenringes an seinen beiden Stirnflächen, die inneren Begrenzungskreise 3 des Zellenringes an den beiden Stirnflächen, und die Mittelpunktskreise 4, auf denen die Mittelpunkte 5 der Zellenkanalquerschnitte in den beiden Rotorstirnflächen liegen, dargestellt. Unter "Zellenring" ist die Gesamtheit der Zellen 6 am Rotorumfang zu verstehen.For better clarity, the rotor is only partially and schematically in FIG. 1 through its
Der für die Form der Zellen 6 vor allem wichtige Winkel φ ist der Drehwinkel, den eine Zelle, siehe Fig.2, von der Eintrittsstelle 7 aus, an der das zu verdichtende Medium in die Zelle eintritt, bis zum Austrittspunkt 8 auf der gegenüberliegenden Rotorstirnseite zurücklegt, wo die verdichtete Luft die Zelle verlässt. In der Fig.1 bedeuten ferner φ die laufende Winkelkoordinate von der Stelle 7 aus gerechnet, r₀ den Radius der Mittelpunktskreise 4, 0 den Mittelpunkt der Rotorstirnfläche, der mit dem Ursprung der x-Achse zusammenfällt, r(x) die radiale Entfernung eines Punktes auf der Kanalachse 9 im Abstand x vom Ursprung 0, Δr die Durchsenkung der Kanalachse 9 an einer Stelle x gegenüber einer die Mittelpunkte 5 der Kanalquerschnitte an den beiden Rotorstirnflächen verbindenden Geraden 10, und L die Länge des Rotors. Mit diesen Grössen ist die Form der Kanalachse gegeben durch die Beziehung
r(x) = r₀cos(φ/2)/cos[φ(1/2 - x/L)]
und der Betrag der Durchsenkung durch
Δr = r₀[1 - cos (φ/2)].The angle φ, which is particularly important for the shape of the
r (x) = r₀cos (φ / 2) / cos [φ (1/2 - x / L)]
and the amount of sagging through
Δr = r₀ [1 - cos (φ / 2)].
Diese beiden Ausdrücke ergeben Näherungswerte für die Form der Kanalachse und für Δ, die sich von entsprechenden Werten, die aus rechnerisch emittelten exakten Formeln erhalten werden, sowohl dimensionsmässig als auch in der Wirkung praktisch nicht unterscheiden. Die Unterschiede liegen jeweils nur im Bereich der Messgenauigkeit.These two expressions give approximate values for the shape of the channel axis and for Δ, which differ practically no dimensionally and in effect from corresponding values obtained from mathematically determined exact formulas. The differences are only in the area of measurement accuracy.
Die Einschnürung um Δr in der Mitte des Rotors hängt im wesentlichen von der Eintritts- bzw. Austrittsstelle der Trennfront zwischen dem Heissgas und der komprimierten Luft, dem Druckverhältnis und der Anzahl Fluten der Maschine ab. Unter "Flut" ist hier die Gesamtheit der für einen vollständigen Druckwellenzyklus erfoderlichen Ein- und Auslasskanäle der beiden kooperierenden Medien zu verstehen. Die meisten Maschinen, insbesondere Druckwellenlader für eine Motoraufladung, sind zweiflutig, es laufen also bei einer Rotorumdrehung zwei Druckwellenzyklen ab. Bei einer solchen Maschine mit einem Druckverhältnis von zwei beträgt z.B. φ = 51⁰.The constriction by Δr in the middle of the rotor essentially depends on the entry or exit point of the separating front between the hot gas and the compressed air, the pressure ratio and the number of floods of the machine. “Flood” here means the entirety of the inlet and outlet channels of the two cooperating media that are required for a complete pressure wave cycle. Most machines, in particular pressure wave loaders for engine charging, are double-flow, so two pressure wave cycles take place with one rotor revolution. In such a machine with a pressure ratio of two, for example, φ = 51⁰.
Mit der durch r(x) gegebenen Zellengeometrie wird also einem Teilchen in den Zellen eine nahezu geradlinige Bahn aufgeprägt mit dem durch die Erfindungsaufgabe geforderten Ergebnis, die Mischzone zwischen den beiden Medien möglichst kurz und vermischungsfrei zu halten. Corioliskräfte sind in diesem System um eine Grössenordnung kleiner als die Fliehkräfte und könnten erforderlichenfalls durch ein asymmetrisches Verbiegen der Zelle in azimutaler Richtung korrigiert werden, was aus fertigungstechnischen Gründen hier nicht sinnvoll ist.With the cell geometry given by r (x), a nearly linear path is thus imprinted on a particle in the cells with the result required by the task of the invention of keeping the mixing zone between the two media as short as possible and free of mixing. Coriolis forces in this system are an order of magnitude smaller than the centrifugal forces and, if necessary, could be corrected by asymmetrically bending the cell in the azimuthal direction, which is not sensible here for manufacturing reasons.
Der Einfluss der Zentrifugalströme auf den Spülzyklus wird durch die erfindungsgemässe Form der Zellen ebenfalls teilweise vermindert. Dieser Zentrifugalstromeinfluss auf die Spülung kann weiter verringert werden, indem man die Einschnürung des Rotors über das durch die Formel für r(x) gegebene Mass weiter verstärkt. Auch dies ist jedoch nicht sinnvoll, da hierdurch der Ladezyklus überkompensiert und dadurch etwas verschlechtert wird.The influence of the centrifugal flows on the rinsing cycle is also partially reduced by the shape of the cells according to the invention. This influence of centrifugal flow on the purge can be further reduced by further increasing the constriction of the rotor by the amount given by the formula for r (x). However, this does not make sense either, as this overcompensates the charging cycle and thus worsens it somewhat.
Bei einer über die ganze Zellenlänge konstanten Querschnittsfläche der Kanäle könnte man die radialen Zellenwände von der Rotormitte ausgehend nach beiden Richtungen hin zunehmend dicker ausbilden und ihre Enden dadurch strömungsgünstig profilieren. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies nur für die Eintrittsseite sinnvoll ist, während an der Austrittsseite das Wirbelgebiet vergrössert und der Wirkungsgrad gegenüber einer Ausführung mit beidseitig scharfkantigen Enden der Zellenwände beeinträchtigt wird.Given a constant cross-sectional area of the channels over the entire length of the cell, the radial cell walls could be made increasingly thicker in both directions starting from the center of the rotor and thereby profiling their ends in a flow-favorable manner. However, it has been shown that this only makes sense for the entry side, while the swirl area is enlarged on the exit side and the efficiency is impaired compared to a design with ends of the cell walls that have sharp edges on both sides.
Claims (2)
r(x) = r₀cos(φ/2)/cos[φ(1/2 - x/L)]
folgt, worin r₀ den radialen Abstand der Kanalachsen (9) von der Rotorachse (x), φ den Winkel, den eine Zelle von der Eintrittsstelle (7) des ersten Mediums am einen Rotorende bis zu seiner Austrittsstelle (8) am anderen Rotorende zurücklegt, und L die Rotorlänge bedeuten, wobei die x-Achse mit der Rotorachse zusammenfällt und ihren Ursprung (0) an der Stirnseite des Rotors (1) hat, an der das erste Medium eintritt.1. Rotor of a pressure wave machine, with cells (6) that are evenly distributed around its circumference and oriented parallel to the rotor axis and that are intended to hold two gaseous media during operation for the purpose of compressing the first by pressure waves of the second medium, characterized in that the channel axes (9) of the cells (6) between their two end cross sections on the rotor end faces extend radially inwards, curved towards the rotor axis (x), the shape of the channel axes (9) of the cells (6) between their two end cross sections functioning
r (x) = r₀cos (φ / 2) / cos [φ (1/2 - x / L)]
follows, in which r₀ the radial distance of the channel axes (9) from the rotor axis (x), φ the angle that a cell travels from the entry point (7) of the first medium at one rotor end to its exit point (8) at the other rotor end, and L is the rotor length, the x-axis coinciding with the rotor axis and having its origin (0) on the end face of the rotor (1) at which the first medium enters.
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