DK141131B - Aerodynamisk trykbølgemaskine. - Google Patents

Description

141131

Opfindelsen angår en aerodynamisk trykbølgemaskine med en med celler forsynet rotor/ f.eks. til indbygning mellem et gasturbineanlægs kompressor og gasturbine med rotoren anbragt mellem kompressoren og turbinehjulet/ hvilken trykbøl-5 gemaskine er indrettet til at formidle en proces, ved hvilken trykket i højtrykszonen af den komprimerede kolde gas og trykket af den varme gas, der skal ekspanderes, kun i ringe grad er forskellige fra hinanden, hvorimod trykket af den ekspanderede varme gas i lavtrykszonen ligger væsentligt højere 10 end trykket af den kolde gas, der skal komprlmeres.

I aerodynamiske trykbølgemaskiner afspændes en varm gas fra trykket p2v til trykket p^n, og den derved opnåede ekspansionsenergi anvendes til komprimering af en kold gas (i det følgende kaldet luft, da det for det meste drejer sig 15 herom) fra trykket plv til trykket p^, hvor v og n indikerer trytdæne henholdsvis før og efter gassens deltagelse i processen i rotoren og 1 og 2 står for henholdsvis det lavere og det højere trykniveau.

Ved adskillige termiske processer er det ønskeligt 20 at anvende en trykbølgemaskine, yed hvilken p2lfwp2v

Pln > plv, og ved hvilken gennemstrømningsmængderne af kold og varm gas er tilnærmelsesvis ens. Dersom trykbølgemaekinen f.eks. i et gasturbineanlæg, set i strømningsretningen, skal indskydes efter kompressoren og foran gasturbinen, er 25 P2rf^p2v' eftersom tryktabet i brændkaameret er forholdsvis lille. Hele mængden af den varme forbrændingsgas kan ekspandere i trykbølgemaskinen, og der indsuges luft ved et tryk-niveati, der ligger betydeligt lavere end gassens trykniveau ved dens udtræden. Herved vil kunne opnås, at trykbølgema-30 skinen kan komprimere luften til et større kompreseionsfor-hold, hvilket betyder, at kompressoren aflastes, d.v.s. kræver mindre kraft, og at hele anlæggets nytteeffekt og virkningsgrad øges.

Ved kendte trykbølgemaskiner med fire til- og bort-35 strømningsåbninger for hver bølgecyklus kan der kun opnås en større trykforskel p^n - p^v, dersom også trykforskellen 2 141131 p2n “ P2v er forholdsvis stor. En forbedring opnås, dersom der anvendes mere end i alt fire til- og bortstrømnings-åbninger for hver bølgecyklus (schweizisk patent nr. 441.868), hvilket imidlertid er ensbetydende med en maskine af mere 5 kompliceret konstruktion.

Opfindelsen har til opgave at tilvejebringe en så enkel trykbølgemaskine som muligt, ved hjælp af hvilken der i forhold til en maskine, der arbejder efter den kendte proces, kan opnås en forøget trykforskel p^n - Ρ^ν, uden at 10 trykforskellen p2n - p2v samtidig skal forøges.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at rotoren er udformet konisk med i retningen fra rotorens ene ende hen mod dens anden ende under en hældning i forhold til rotorakslen forløbende celler, at cellebredden øges fra roto-15 rens ene ende hen mod dens anden ende, og at til- og bortstrømningen af den varme gas foregår ved den ende af rotoren, hvor cellerne med deres ene ende ligger i den største radiale afstand fra rotorens omdrejningsakse og til- og bortstrøranin-gen af den kolde gas sker ved den ende af rotoren, hvor cel-20 lerne med deres anden ende ligger i den mindste radiale afstand fra rotorens omdrejningsakse.

Mulighed for variation af trykbølgeprocessen opnås ved, at den radiale cellehøjde varierer fra den ene rotorende hen mod den anden.

25 Herved kan den radiale cellehøjde, samtidig med at cellebredden øges fra rotorens ene ende hen mod dens anden ende, formindskes på en sådan måde over cellernes længde, at cellernes tværsnitsareal holdes konstant over den fulde længde.

30 Ved en rotor med akseparallelt forløbende celler får de forskellige centrifugalkræfter, som den varme og den kolde luft på grund af deres forskellige vægt underkastes, ingen virkning. Ved en rotor med skråt i forhold til rotor-aksen forløbende celler fremkommer der derimod en yderligere 35 komposant, der kan udnyttes til påvirkning af trykbølgeprocessen på en sådan måde, at luftens kompressionsforhold forhøjes, 3 141131 og trykforskellen pln - p^v forøges. Ved hjælp af en ændring af forholdet mellem den radiale afstand mellem cellernes ene ende og rotoraksen og den radiale afstand mellem cellernes anden ende og rotoraksen, d.v.s. ved en æn-5 dring af celleforløbets hældning, samt ved at variere eller ved at holde strømningstværsnittet i cellerne konstant, opnås yderligere tilpasningsmulighed til den givne proces.

På tegningen er en udførelsesform for opfindel-10 sen anskueliggjort. På tegningen visers fig. 1 en rotor i en trykbølgemaskine, som er indskudt mellem en arbejde- og en kraftmaskine, fig. 2 et skematisk billede af udfoldningen af 15 et cylindrisk snit lagt i halv cellehøj de gennem rotoren og gennem de tilstødende partier af husets sidedele, og fig. 3 bølgecyklen i tryk-hastighedsdiagram.

Ifølge fig. 1 er der mellem kompressoren 1 og gas-20 turbinen 2, der begge sidder på en fælles aksel 3, som fælles overtrin for de to maskiner indbygget en aerodynamisk trykbølgemaskine, af hvilken kun rotoren 4 er vist. Den kan rotere med samme omdrejningstal som turbogruppen eller, således som det er antydet ved hjælp af spalten mellem akslen 3 25 og rotoren 4, drives uafhængigt af gasturbinen. Cellerne 5, der i det foreliggende eksempel har et i deres fulde længde konstant tværsnitsareal, forløber skråt på en sådan måde, at de ved deres ene ende har en mindre radial afstand fra rotorens omdrejningsakse end ved deres anden ende. Cellerne hæl-30 der med deres midterlinie med en vinkel α i forhold til det vandrette plan. Cellerne behøver ikke forløbe langs et ak-sialt snit, således som vist på tegningen, men kan f.eks. også være bøjet ud fra tegningsplanet. Det er derimod væsentligt, at cellerne forløber skråt på den nævnte måde. Ved den-35 ne rotorform er det muligt ved ændring af den radiale cellehøjde at opnå en jævn forøgelse eller formindskelse eller en ^ bibeholdelse af cellernes tværsnitsareal i disses længderet- , 141131 4 ning.

Luften strømmer i pilretningen 6 gennem trykbølgemaskinens kompressor 1 og i pilretningen 7 gennem tilstrømningsåbningen lv ind i rotoren 4 ved dennes ende, 5 hvor cellerne med deres ene ende ligger i den mindste afstand fra rotorens omdrejningsakse, underkastes trykbølgemaskinen til yderligere komprimering og strømmer ved den samme rotorende i pilretningen 8 atter ud gennem bortstrømningsåbningen 2n. Derpå ledes luften til brændkammeret 9 10 og efter opvarmning ved hjælp af forbrændingen i pilretningen 10 hen til rotoren 4 i form af varm energiafgivende gas, indtræder i rotoren gennem tilstrømningsåbningen 2v ved den ende af rotoren, hvor cellernes anden ende har den større radiale afstand fra rotorens omdrejningsakse, un-15 derkastes påny trykbølgeprocessen og strømmer ved samme rotorende i pilretningen 11 atter ud gennem bortstrømningsåbningen ln, hvorpå den strømmer til gasturbinen 2. De nævnte til- og bortstrømningsåbninger er vist i fig. 2.

De skrå cellers virkning kan forklares som følger: 20 I cellerne forskydes i det væsentlige ens volumina af forskelligt varme gasser. På grund af cellernes skråstilling indvirker ikke blot de sædvanlige trykkræfter på en volumenenhed 12 i dennes bevægelsesretning, men også en komposant Z · sin af centrifugalkraften Z. Vægten af en 25 volumenenhed kold luft er større end vægten af den samme volumenenhed varm gas og er derfor genstand for en stærkere centrifugalkraft. Ved fortrængningen af komprimeret luft i pilretningen 8 hen mod bortstrømningsåbningen 2n ved hjælp af den varme gas, der strømmer gennem tilstrømningsåbningen 30 2v i pilretningen 10, må gassen derfor også afgive energi til luften, som mod centrifugalkraften forskydes indad, d.v.s. hen mod rotorenden, hvor cellerne med deres ene ende har den mindre radiale afstand fra rotorens omdrejningsakse.

Der bliver derfor mindre energi tilovers til opstemning af 35 trykforskellen P2n - P2V· Under skylningen derimod bliver den luft, der i pilretningen 7 indtræder gennem tilstrømnings- 5 141131 åbningen lv, slynget udad og afgiver energi til gassen, der dermed mod et højere modtryk kan skubbes ud gennem bortstrømningsåbningen ln i pilretningen 11.

Fig. 2 viser udfoldningen af et cylindrisk snit 5 gennem en trykbølgemaskines rotor med det simpleste bølgebillede og fire åbninger, henholdsvis et vej-tid-diagram, og fig. 3 det tilhørende tryk-hastighedsdiagram, således som det sædvanligvis anvendes til karakteristikbedømmelse ved varierende gasdynamik. Dette diagram an-10 giver tilstanden under forløbet af den gasdynamiske pro- K—l ces i afhængighed af trykforholdet ( P)y—- og strømnings-

Po * * hastigheden u/aQ i forhold til lyd- hastigheden.

Tilstandspunkteme i de to karakteristikkers skæringspunkter er nummereret fortløbende. I fig. 2 er de fel-15 ter, i hvilke denne tilstand hersker, betegnede med samme henvisningstal.

Rotoren roterer i pilretningen U mellem husets to sidedele 13 og 14. I lavtrykszonen forsynes cellerne med frisk luft fra tilstrømningsåbningen lv. En kompres-20 sionsbølge mellem felterne 5 og 0 bremser strømningshastigheden til 0 og udsætter dermed celleindholdet for det første trin af en komprimering. Så snart en celle åbner hen mod tilstrømningsåbningen 2v, begynder den egentlige komprimering. Den komprimerede luft skubbes ud gennem af-25 strømningsåbningen 2n og den ekspanderede gas gennem afstrømningsåbningen ln,og frisk luft indsuges gennem tilstrømningsåbningen lv, indtil tilstanden G atter er opnået.

I fig. 3 er med fuldt optrukne linier vist, hvorledes tilstandsændringerne for denne proces forløber. I 30 fig. 3 ses, at tilstandskarakteristikkerne bøjes på grund af centrifugalkraftens indflydelse. Til en sammenligning er med stiplede linier antydet, hvorledes tilstandsændringerne forløber, dersom rotoren på sædvanlig måde har akseparallelle celler. Det viser sig, at der i overensstemmel-35 se med den stillede opgave ved hjælp af en rotor med skrå celler opnås en meget større trykforskel p^n - P^v, samtidig med at trykforskellen P2n - P2V or formindsket.

141131 6

Trykbølgemaskinen med skråt forløbende celler kan specielt med fordel anvendes som ladeapparat til forbrændingsmotorer, dersom udstødsmodtrykket er meget højt, samt endvidere til forbedring af lavtryksskylningen i trykbølge-maskinen.

O