Rotor einer Druckwellenmaschine

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.

Beschreibung

[0001] 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.

Technisches Gebiet und Stand der Technik

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

Aufgabe der Erfindung

[0006] 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.

Definition der Erfindung

[0007] 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.

[0008] Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Kurze Beschreibung der Figuren

[0009] 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.

Beschreibung der Erfindung

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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)].

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

Ansprüche

1. Rotor einer Druckwellenmaschine, mit an seinem Umfang gleichmässig verteilt angeordneten, parallel zur Rotorachse gerichteten Zellen (6), die dazu bestimmt sind, im Betrieb zwei gasförmige Medien aufzunehmen zwecks Ver­dichtung des ersten durch Druckwellen des zweiten Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalachsen (9) der Zel­len (6) zwischen ihren beiden Endquerschnitten an den Rotorstirnflächen radial nach innen, gegen die Rotorachse (x) hin gekrümmt verlaufen, wobei die Form der Kanalachsen (9) der Zellen (6) 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 (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.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (6) über ihre ganze Länge den gleichen Kanalquer­schnitt aufweisen, dass die Wandstärken der Zellenwände von dem der Rotorachse (x) nächstgelegenen Punkt der Ka­nalachse (9) ausgehend zur Eintrittsseite des ersten Me­diums hin zunehmend, und dass die Zellenwände an dieser Eintrittsseite strömungsgünstig profiliert sind.

Zeichnung