EP0472748A1 - Rotor of a pressure wave machine - Google Patents

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EP0472748A1
EP0472748A1 EP90116313A EP90116313A EP0472748A1 EP 0472748 A1 EP0472748 A1 EP 0472748A1 EP 90116313 A EP90116313 A EP 90116313A EP 90116313 A EP90116313 A EP 90116313A EP 0472748 A1 EP0472748 A1 EP 0472748A1
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cells
pressure wave
cell
wave machine
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Withdrawn
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EP90116313A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Rolf Dr. Althaus
Yau-Pin Dr. Chyou
Erwin Dr. Zauner
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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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 rotor of a pressure wave machine according to the preamble of claim 1.
  • a critical factor for the process of a pressure wave machine is that the dimensions of the cells cannot be increased arbitrarily without influencing the pressure wave machine process and that rotors with different diameters must be provided for machines with different outputs.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the object of the invention is to provide the cells in a rotor of a pressure wave machine of the type mentioned at the outset in such a way that they can be enlarged as desired without influencing a process taking place in the pressure wave machine.
  • the main advantage of the invention can be seen in the fact that the mixing processes take place in the same plane when the cells open and due to the Coriolis forces.
  • the dimension of the cell therefore only has to be kept small in the circumferential direction, while there is no restriction for the dimension of the cells in the axial direction. This can reduce the frictional resistance and heat transfer compared to an approximately square cell.
  • machines with different outputs can be manufactured by changing the rotor length with the same diameter.
  • a further advantage of the invention can be seen in the fact that the Coriolis forces which arise due to the radial movement in a system, among others, can be completely or partially compensated for by a suitable curvature of the cells in the peripheral direction for individual phases of the process.
  • FIG. 1 shows a cell rotor 1 which consists of a hollow inner part and which carries rotor cells 2 in a plane perpendicular to the axis of rotation of the cell rotor 1.
  • the rotor body carries on one side a hub 3 which has a bore for cooling or flow reasons.
  • This hub 3 is connected to the axial physical limitation of the cells 2 via a number of connecting elements 4.
  • the inflow 5, respectively. 5a and the outflow 6 respectively. 6a of the media also happens here perpendicular to the axis of rotation of the cell rotor 1.
  • This configuration means that the mixing processes when the cell is opened and due to the Coriolis forces resulting from the arrangement of the rotor cells 2 can take place in the same plane, which is preferably very advantageous for an energy exchange process .
  • the dimension of the rotor cells therefore only has to be kept small in the circumferential direction, while there is no restriction for the dimension of the rotor cells in the axial direction.
  • This allows the frictional resistance and the heat transfer compared to an approximately square cells, according to the prior art, are reduced. Machines with different outputs can thus be detected simply by changing the length of the cell rotor 1 without changing the diameter.
  • This enables a more compact series to be developed, and the possible uses of this cell rotor 1 increase disproportionately, because in most cases increasing the diameter of the cell rotor 1 offers an insurmountable structural precaution.
  • the geometric configuration of the connecting elements 4 reference is made to the explanations under FIG. 2.
  • the curvature is to be kept concave from the above-mentioned voltage engineering aspects, preferably with respect to the direction of rotation w of the rotor 1.
  • the number and the material thickness of the accumulator 4 depend on the respective size of the rotor 1 and on the dynamic forces to which the rotor 1 is subjected.

Abstract

In the case of a rotor of a pressure wave machine rotor cells (2) are uniformly distributed on its circumference and are intended to receive two gaseous media in operation for the purpose of compressing the first medium by means of pressure waves of the second medium. At the same time the rotor cells are so arranged that they run in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor (1). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Druckwellenmaschine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a rotor of a pressure wave machine according to the preamble of claim 1.

Technisches Gebiet und Stand der TechnikTechnical field and state of the art

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 heutiger Ausführungen achsparallel verlaufende Zellen aufweist, in denen die Luft mit dem Abgas des Motors oder mit aus der Erennkammer der Turbogruppe abgezweigte 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 ein Gehäuse mit Kanälen für die Zu-und/oder Abfuhr der beiden am Druckwellenprozess beteiligten Medien. Kommt eine mit zu verdichtender Luft gefüllte Zelle vor einen Hochdruckgaseinlass, so läuft eine Druckwelle in die Zelle und verdichtet dort die Luft. Diese 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 into 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 circumference of which today has axially parallel cells in which the air comes into direct contact with the exhaust gas of the engine or with the branch gas branched from the engine chamber of the turbo group without a fixed separating element. In order to control the inlets and outlets of air and gas into and out of the cells, there is a housing on the two end faces of the rotor with channels for the supply and / or discharge of the two media involved in the pressure wave process. 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 there. This 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 drawn in, whereupon the compression process is repeated.

Ein kritischer, für den Prozess einer Druckwellenmaschine mit ausschlaggebender Umstand besteht darin, dass die Abmessungen der Zellen nicht beliebig vergrössert werden können, ohne dabei den Druckwellenmaschinen-Prozess zu beeinflussen, und dass bei Maschinen mit unterschiedlichen Leistung jeweils Rotoren mit unterschiedlichen Durchmessern bereitgestellt werden müssen.A critical factor for the process of a pressure wave machine is that the dimensions of the cells cannot be increased arbitrarily without influencing the pressure wave machine process and that rotors with different diameters must be provided for machines with different outputs.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Rotor einer Druckwellenmaschine der eingangs genannten Art die Zellen so vorzusehen, dass sie beliebig vergrössert werden können, ohne dabei einen in der Druckwellenmaschine stattfindenden Prozess zu beeinflussen.The invention seeks to remedy this. The object of the invention, as characterized in the claims, is to provide the cells in a rotor of a pressure wave machine of the type mentioned at the outset in such a way that they can be enlarged as desired without influencing a process taking place in the pressure wave machine.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Mischprozesse beim Zellöffnen und zufolge der Corioliskräfte in der gleichen Ebene stattfinden. Die Abmessung der Zelle muss daher nur in Umfangsrichtung klein gehalten werden, während in Axialrichtung keine Beschränkung für die Abmessung der Zellen bestehen. Dadurch kann der Reibungswiderstand und der Wärmeübergang gegenüber einer annähernd quadratischen Zelle vermindert werden. Ausserdem können Maschinen mit unterschiedlichen Leistungen allein durch Veränderung der Rotorlänge bei gleichem Durchmesser hergestellt werden.The main advantage of the invention can be seen in the fact that the mixing processes take place in the same plane when the cells open and due to the Coriolis forces. The dimension of the cell therefore only has to be kept small in the circumferential direction, while there is no restriction for the dimension of the cells in the axial direction. This can reduce the frictional resistance and heat transfer compared to an approximately square cell. In addition, machines with different outputs can be manufactured by changing the rotor length with the same diameter.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die durch die radiale Bewegung in einem System unter anderen entstehenden Corioliskräfte durch eine geeignete Krümmung der Zellen in Umfangsrichtung für einzelne Phasen des Prozesses vollständig oder teilweise kompensiert werden können.A further advantage of the invention can be seen in the fact that the Coriolis forces which arise due to the radial movement in a system, among others, can be completely or partially compensated for by a suitable curvature of the cells in the peripheral direction for individual phases of the process.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungs gemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient further developments of the task solution according to the invention are characterized in the further claims.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen Die Richtung der Medien ist mit Pfeilen gekennzeichnet. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. All elements not necessary for the immediate understanding of the invention have been omitted. The direction of the media is indicated by arrows. In the different figures, the same elements are each provided with the same reference symbols.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Es zeigt

  • Fig. 1 einen Zellenrotor in Querschnitt und
  • Fig. 2 eine Seitenansicht des Zellenrotors, der gekrümmte Zellen aufweist.
It shows
  • Fig. 1 shows a cell rotor in cross section and
  • Fig. 2 is a side view of the cell rotor, which has curved cells.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

Fig. 1 zeigt einen Zellenrotor 1, welcher aus einem hohlen Innenteil besteht und welcher Rotorzellen 2 in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Zellenrotors 1 trägt. Der Rotorkörper trägt auf einer Seite eine Nabe 3, die aus Kühl- oder Durch strömungsgründen eine Bohrung aufweist. Diese Nabe 3 ist über eine Anzahl Verbindungselemnte 4 mit der axialen körperlichen Begrenzung der Zellen 2 verbunden. Die Einströmung 5 resp. 5a und die Ausströmung 6 resp. 6a der Medien geschieht hier demnach ebenfalls senkrecht zur Drehachse des Zellenrotors 1. Diese Konfiguration bewirkt, dass die Mischprozesse beim Zellöffnen und zufolge der durch die Anordnung der Rotorzellen 2 entstehenden Corioliskräfte in der gleichen Ebene stattfinden können, was sich vorzugsweise für einen Energietauschprozess sehr vorteilhaft auswirkt. Ausgehend von dieser Tatsache muss die Abmessung der Rotorzellen daher nur in Umfangsrichtung klein gehalten werden, während in Axialrichtung keine Beschränkung für die Abmessung der Rotorzellen bestehen. Dadurch kann der Reibungswiderstand und der Wärmeübergang gegenüber einer annähernd quadratischen Zellen, gemäss Stand der Technik, vermindert werden. Maschinen mit unterschiedlicher Leistung lassen sich denmach allein durch eine Veränderung der Länge des Zellenrotors 1 erfassen, ohne irgendwelche Veränderung des Durchmessers. Damit lässt sich eine kompaktere Baureihe entwickeln, und die Einsatzmöglichkeiten dises Zellenrotors 1 steigen überproportional, denn in den meisten Fällen bietet eine Vergrösserung des Durchmessers des Zellenrotors 1 eine unüberwindliche bauliche Vorkehrung. Ueber die geometrische Ausgestaltung der Verbindungselemente 4 wird auf die Ausführungen unter Figur 2 verwiesen.1 shows a cell rotor 1 which consists of a hollow inner part and which carries rotor cells 2 in a plane perpendicular to the axis of rotation of the cell rotor 1. The rotor body carries on one side a hub 3 which has a bore for cooling or flow reasons. This hub 3 is connected to the axial physical limitation of the cells 2 via a number of connecting elements 4. The inflow 5, respectively. 5a and the outflow 6 respectively. 6a of the media also happens here perpendicular to the axis of rotation of the cell rotor 1. This configuration means that the mixing processes when the cell is opened and due to the Coriolis forces resulting from the arrangement of the rotor cells 2 can take place in the same plane, which is preferably very advantageous for an energy exchange process . Based on this fact, the dimension of the rotor cells therefore only has to be kept small in the circumferential direction, while there is no restriction for the dimension of the rotor cells in the axial direction. This allows the frictional resistance and the heat transfer compared to an approximately square cells, according to the prior art, are reduced. Machines with different outputs can thus be detected simply by changing the length of the cell rotor 1 without changing the diameter. This enables a more compact series to be developed, and the possible uses of this cell rotor 1 increase disproportionately, because in most cases increasing the diameter of the cell rotor 1 offers an insurmountable structural precaution. With regard to the geometric configuration of the connecting elements 4, reference is made to the explanations under FIG. 2.

Fig. 2 zeigt den gleichen Zellenrotor 1 gemäss Fig. 1 in einer seitlichen Ansicht. Bei einer radialen Bewegung in einem rotierenden System entstehen unter anderen Corioliskräfte. Durch eine geeignete Krümmung der Rotorzellen 2 in Umfangsrichtung, wie dies aus Fig. 2 besonders gut hervorgeht, können für einzelne Phasen des Energietauschprozesses diese Corioliskräfte bzw. die dadurch verursachten Mischprozesse vollständig oder teilweise kompensiert werden. Wichtig ist dabei, dass sich die Krümmung der Rotorzellen 2 in Drehrichtung konvex verhält, damit das obengenannte Postulat erfüllt werden kann. Bei dieser Konfiguration des Zellenrotors 1 entstehen zwischen den relativ heissen Rotormantel 1a und der relativ kühlen Nabe 3 grosse Unterschiede in der thermischen Ausdehnung. Dies kann durch eine sogenannte elastische Konfiguration der Verbindungselemente ausgeglichen werden, die derart geformt sind, dass sie nur gegenüber radialsymmetrischen Dehnungen des Zellenrotors weich sind, und die Spannungsspitzen vom heissen Bereich in den kühlen Bereich verlagert werden können. Diese Ausführung hat erstens den Vorteil, dass die Nabe 3 kühl gehalten werden kann, und daher nur der Rohrmantel 1 aus einem warmfesten Material hergestellt werden muss. Ausserdem können die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe unterschiedlich sein. Des weitern können sehr schnelle Temperaturänderungen (z.B. Aenderungen des Betriebszustandes oder Notabschaltung) ohne Spannungsprobleme bewältigt werden, da ein Temperaturausgleich nicht abgewartet werden muss. Ferner ist diese Verbindung sehr steif gegenüber allen nicht radialsymmetrischen Verformungen, so dass sich keine zusätliche Probleme mit Eigenfrequenzen ergeben. Die Geometrie der Verbindungselemente 4 (Speichen) ist so zu wählen, dass:

  • a) Die Spannungen zufolge Fliehkraft und unterschiedlicher thermischer Dehnung sich an der kühlen Nabe überlagern, während sie sich am heissen Zellenrotor 1 teilweise kompensieren.
  • b) Am äusseren Anschlusspunkt (Zellenrotor) die thermische Spannung etwa halb so gross sein sollte wie die Fliehkraftspannung.
FIG. 2 shows the same cell rotor 1 according to FIG. 1 in a side view. A radial movement in a rotating system creates Coriolis forces, among other things. By means of a suitable curvature of the rotor cells 2 in the circumferential direction, as can be seen particularly well from FIG. 2, these Coriolis forces or the mixing processes caused thereby can be completely or partially compensated for individual phases of the energy exchange process. It is important that the curvature of the rotor cells 2 is convex in the direction of rotation so that the postulate mentioned above can be fulfilled. In this configuration of the cell rotor 1, there are large differences in the thermal expansion between the relatively hot rotor casing 1a and the relatively cool hub 3. This can be compensated for by a so-called elastic configuration of the connecting elements, which are shaped in such a way that they are only soft against radially symmetrical expansions of the cell rotor, and the stress peaks can be shifted from the hot area to the cool area. Firstly, this embodiment has the advantage that the hub 3 can be kept cool, and therefore only the tubular jacket 1 has to be made from a heat-resistant material. In addition, the expansion coefficients of the materials used can be different. Furthermore, very rapid temperature changes (e.g. changes in the operating status or emergency shutdown) can be handled without voltage problems, since there is no need to wait for temperature compensation. Furthermore, this connection is very rigid in relation to all non-radially symmetrical deformations, so that there are no additional problems with natural frequencies. The geometry of the connecting elements 4 (spokes) should be selected so that:
  • a) The stresses due to centrifugal force and different thermal expansion overlap on the cool hub, while they partially compensate for each other on the hot cell rotor 1.
  • b) At the outer connection point (cell rotor) the thermal tension should be about half as large as the centrifugal tension.

Dadurch ist gewährleistet, dass ausgehend von einem Anfahrzustand (kalter Zellenrotor bei Nenndrehzahl) mit steigender Zellenrotor-Temperatur die Spannung an der Nabe 3 zu und am Zellenrotor 1 abnimmt. Dies trägt der abnehmenden Belastbarkeit des Materials mit steigender Temperatur Rechnung. Durch die spezielle Wahl des Verhältnisses von thermischer Spannung zu Fliehkraftspannung kann bei heissem Zellenrotor 1 für den gesamtemn Drehzahlbereich gewährleistet werden, dass das Spannungsniveau am äusseren Anschlusspunkt den halben Wert der Fliehkraftspannung nicht übersteigt. Dies ist insbesondere wichtig bei Notabschaltungg und bei Maschinen, die im Betrieb starken Schwankungen unterworfen sind, wie dies der Fall ist, wenn der Zellenrotor 1 als Druckwellenmaschine in einem motorangetriebenen Fahrzeug eingesetzt wird.This ensures that, starting from a starting condition (cold cell rotor at nominal speed) with increasing cell rotor temperature, the voltage at the hub 3 increases and at the cell rotor 1 decreases. This takes into account the decreasing resilience of the material with increasing temperature. The special choice of the ratio of thermal tension to centrifugal tension allows hot cell rotor 1 to ensure for the entire speed range that the voltage level at the outer connection point does not exceed half the centrifugal tension value. This is particularly important in the case of emergency shutdown and in machines which are subject to strong fluctuations in operation, as is the case when the cell rotor 1 is used as a pressure wave machine in a motor-driven vehicle.

Diese als Speicher ausgebildete Verbindungselemente 4 leiten sich tangential in die Nabe 3 ein, wobei der Verlauf dieser Speicher 4 bis zum Rotormantel 1a gekrümmt gehalten ist. Die Krümmung ist, aus obengenannten spannungstechnischen Aspekten, vorzugsweise gegenüber der Drehrichtung w des Rotors 1 konkav zu halten. Die Anzahl und die Materialstärke der Speicher 4 hängt von der jeweiligen Grösse des Rotors 1 sowie von den dynamischen Kräfte ab, denen der Rotor 1 unterworfen ist.These connecting elements 4, which are designed as a store, lead tangentially into the hub 3, the course of these stores 4 being kept curved up to the rotor casing 1a. The curvature is to be kept concave from the above-mentioned voltage engineering aspects, preferably with respect to the direction of rotation w of the rotor 1. The number and the material thickness of the accumulator 4 depend on the respective size of the rotor 1 and on the dynamic forces to which the rotor 1 is subjected.

Claims (4)

1. Rotor einer Druckwellenmaschine, mit an seinem Umfang gleichmässig verteilt angeordneten Zellen, die dazu bestimmt sind, im Betrieb zwei gasförmige Medien aufzunehmen zwecks Verdichtung des ersten durch Druckwellen des zweiten Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorzellen (2) in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Rotors (1) verlaufen.1. Rotor of a pressure wave machine, with cells evenly distributed on its circumference, which are intended to hold two gaseous media during operation for the purpose of compression of the first by pressure waves of the second medium, characterized in that the rotor cells (2) are in a plane perpendicular to Rotary axis of the rotor (1) run. 2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorzellen (2) in Drehrichtung (w) eine konvexe Krümmung aufweisen.2. Rotor according to claim 1, characterized in that the rotor cells (2) have a convex curvature in the direction of rotation (w). 3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) eine Nabe (3) aufweist, deren Verbindung zum Rotormantel (1 a) des Rotors (1) durch tangential zur Nabe (3) angreifende Speicher (4) erstellbar ist.3. Rotor according to claim 1, characterized in that the rotor (1) has a hub (3), the connection to the rotor casing (1 a) of the rotor (1) by tangential to the hub (3) attacking memory (4) can be created . 4. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher (4) in Drehrichtung (w) eine konkave oder quasi-konkave Krümmung beschreiben.4. Rotor according to claim 4, characterized in that the memory (4) in the direction of rotation (w) describe a concave or quasi-concave curvature.
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