Druckwellenmaschine

Abstract

 Zur Verminderung der Vermischung von Luft und Abgasen in gasdynamischen Druckwellenmaschinen wird vorgeschlagen, daß zur Verhinderung von Scherschichtwirbein die Geometrie der Hochdruckgas-Eintrittsöffnungen (12) an der Mündung zum Zellenrand eine konvexe oder konvexpolygonale Profilform (5) aufweist, und daß weiterhin zur Erzielung einer besseren Zellenströmung die gasseitigen Enden der Zellenwände ebenfalls profilartig (10) ausgebildet werden.

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Verhinderung von Scherschichtwirbeln die Profilform konvex oder konvex-polygonal ist.

[0007] 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.

[0008] Bei einer konvexen Mündungsausbildung entspricht vorteilhafterweise der Krümmungsradius der Mündung etwa der Hälfte des Abstandes zwischen zwei Zellenwänden.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] In der Fig. 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, wie in Fig. l.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

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

[0020] 

1 = Zellenrad

2 = Zellen

3 = abgasseitiges Seitenteil

4 = lustseitiges Seitenteil

5 = Mündungen

5' = Schliess- und Oeffnungskanten

6 = Pfeil

7 = Pfeil

8 = Trennfront

10 = Profile an den Zellenwänden

11 = Drehrichtung

12 = Hochdruckgas-Eintrittsöffnung

13 = ND-Gasaustrittsöffnung

14 HD-Luftaustrittsöffnung

15 = ND-Lufteintrittsöffnung

16 = Zellenwände

17 = Wandteil

18 = Wandteil

Ansprüche

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.

2. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (5) aus zwei in einem stumpfen Winkel aufeinandertreffenden Wandteilen (17, 18) besteht.

3. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wandteile (17, 18) gegenüber der Horizontalen denselben Winkel aufweisen.

4. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandteile (17, 18) in einem Winkel von etwa 160⁰ zueinander angeordnet sind.

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.

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.

7. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasseitigen Enden (10) der Zellenwände (16) profilartig ausgebildet sind.

Zeichnung