[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.
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.