DE1428029B2 - Aerodynamische druckwellenmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine aerodynamische Druck- Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführung nach

wellenmaschine, bei der sich der aus mindestens Schnitt III-III in F i g. 4;

Welle, Nabe, Zellen und Deckband bestehende Lau- Fig. 4 zeigt die gleiche Ausführung nach Schnitt

fer in einem feststehenden, aus Mittelteil und Seiten- IV-IV in Fig. 3;

teilen zusammengesetzten Gehäuse bewegt. 5 Fig. 6 und 7 zeigen Konstruktionseinzelheiten im

Druckwellenmaschinen nützen Effekte instationä- Axialschnitt.

rer Strömung aus, um durch das Entspannen eines In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen

Gases von höherem Druck ein Gas von niedrigerem Hinweiszeichen versehen.

Druck zu verdichten. Der Arbeitsprozeß erfolgt in Die grundsätzliche Lösung des gestellten Problems stirnseitig offenen Zellen, die auf einem Läufer an- io ist darin zu sehen, daß der Läufer quer zur Längsgeordnet sind und sich an Ein- und Auslaßkanälen achse geteilt ist, nicht aber die Zellen, deren Anordin den Seitenteilen des Gehäuses vorbeibewegen. Für nung oder Formgebung derart ist, daß sie sich beim das einwandfreie Funktionieren der Maschine und Zusammenbau ineinanderfügen und axiale Wärmezur Erreichung eines guten Wirkungsgrades ist es er- dehnungen zulassen. Die beiden Läuferenden sind mit forderlich, die Leckageverluste an den Stirnseiten des 15 der Welle fest verbunden, die so konstruiert ist, daß Läufers auf ein Minimum zu beschränken, d. h. ein sie nur eine unbedeutende oder praktisch gar keine sehr kleines Axialspiel zwischen dem Läufer und den Längenänderung erfährt. Die Zellen des Läufers, in Seitenteilen des Gehäuses einzuhalten. Da die Zellen denen der Arbeitsprozeß stattfindet, haben die Mögdes Läufers abwechselnd von heißem und kaltem lichkeit, sich bei Temperaturänderungen relativ Gas beaufschlagt werden, der Mittelteil des Gehäuses 20 gegeneinander zu verschieben, ohne daß sich die Geaber nur von Leckgas bestrichen wird und sich die samtlänge des Läufers ändert. Die Längenänderun-Temperaturen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt gen des Gehäuse-Mittelteiles werden von einer Ausrasch und sehr stark ändern können, kommt es zu gleichsvorrichtung aufgenommen,
ungleichmäßigen Wärmedehnungen zwischen Läufer Fig. 1 zeigt eine Ausführung nach diesem Prin- und Gehäuse-Mittelteil. Diese unterschiedlichen Lan- 25 zip. Der Läufer besteht aus den Zellen 1, 1', dem gen führen entweder zu großen, dem Betrieb ab- zweiteiligen Deckband 3, 3', der zweiteiligen Nabe 4, träglichen Axialspielen oder zum Anstreifen des Lau- 4', der Welle 5 und im vorliegenden Beispiel noch fers an den Seitenteilen des Gehäuses. aus den Nabenscheiben 6. Die Zellen sind zwischen

Um ein betriebssicheres Arbeiten der Maschine bei den Deckband- und Nabenteilen 3 und 4 bzw. 3'

gutem Wirkungsgrad zu ermöglichen, ist eine Ein- 30 und 4' so eingebaut, daß in beiden dadurch entstehen-

richtung zur Konstanthaltung des Axialspieles nötig. den Läuferteilen nur jede zweite Zelle vorhanden

Bekannt ist eine Ausführung mit zwei Läufern, die ist, so daß nach dem Zusammenbau jede Zelle in

fluchtend angeordnet sind und entsprechend ihren eine Lücke der Gegenseite hineinragt und dadurch

Wärmedehnungen ihre Länge verändern, wobei je- gleichzeitig geführt ist.

doch das Axialspiel der beiden Läufer gegeneinander 35 Die Enden der beiden Läuferteile sind nahe den sowie gegen die Seitenteile des Gehäuses unabhängig Stirnseiten 2 bzw. 2' mit der Welle fest verbunden, von der Betriebstemperatur der Gase annähernd kon- Die Zellen, die nicht ganz bis zur Stirnseite am andestant bleibt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die ren Ende reichen, haben somit einen Festpunkt und Wärmedehnungen der Läufer dazu benützt werden, vermögen sich bei Temperaturänderungen wechseljeweils das andere Zellenrad oder Gehäusewände zu 4° seitig von den festen Enden her zu dehnen. Die beiverschieben. Abgesehen vom Nachteil der konstruk- den Deckband- und Nabenteiler weisen an den Stoßtiven Kompliziertheit dieser Ausführung erfordert sie stellen je eine Überlappung 8 mit genügendem zusätzliche Lager, die zum Teil in heißen Temperatur- axialen Spiel auf. Durch diese Ausbildung der eingebieten angeordnet werden müssen. Auch scheint zelnen Elemente des Läufers kann er axiale Wärmees nicht gesichert, ob bei instabilen Betriebszustän- 45 dehnungen ausgleichen, ohne seine Gesamtlänge zu den, also vor allem beim Anfahren und Abstellen der verändern. Das Überströmen eines Gases von einer Maschine und den dabei auftretenden unterschied- Zelle zur anderen bleibt auf ein Minimum beschränkt, liehen Wärmedehnungen nicht doch die Gefahr eines da der schädliche Spalt zwischen den Zellenwänden Anstreifens bestehen bleibt. sich fast über die ganze Läuferlänge erstreckt. Leck-

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, 50 Verluste an den Stoßstellen der Deckband- und eine Druckwellenmaschine zu schaffen, bei der auf Nabenteile werden durch die Überlappung stark herkonstruktiv einfache Weise ein axiales Anstreifen des abgesetzt.

Läufers einerseits und große Leckverluste anderer- Die Welle S ist an und für sich bereits kälter als

seits vermieden werden. die Zellen, da sie mit dem heißen Gasstrom nicht

Diese Aufgabe erfüllt die erfindungsgemäße Druck- 55 in direkter Berührung steht. Sollte es sich aber als

wellenmaschine durch Mittel zur Einhaltung einer notwendig erweisen, so kann sie als Bimetallkonstruk-

praktisch konstanten Länge des Läufers und des tion ausgeführt sein, aus einem Werkstoff mit sehr

Gehäuse-Mittelteiles bei jedem Betriebszustand und kleinem Wärmedehnungskoeffizienten bestehen oder

unabhängig von der Temperatur der Gase, wo- von einem Kühlmittel durchströmt sein, um tempera-

durch auch das Axialspiel zwischen dem Läufer 60 turbedingte Längenänderungen weitgehend aus-

und den Seitenteilen des Gehäuses praktisch konstant zuschalten,

bleibt. Die Konstanz der Länge des Gehäuse-Mitteltei-

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbei- les 9, der an die Gehäuseseitenteile 14 angeflanscht

spiele einer erfindungsgemäßen Druckwellenma- ist, wird mit Hilfe von Bolzen 10 erzielt, die im kal-

schine dargestellt. 65 ten Teil der Maschine liegen. Zum Ausgleich von

Fig. 1, 2 und 5 zeigen verschiedene Ausführungen axialen Wärmedehnungen des Mittelteiles 9 ist ein

des Läufers und Teile des Gehäuses in Schrägstel- wellenförmiges Kompensationsstück 11 vorgesehen,

lung, teilweise geschnitten; doch sind dafür auch andere Ausführungen möglich.

Durch diese Einrichtungen können sowohl der Läufer als auch der Mittelteil des Gehäuses bei jedem Betriebszustand und bei jeder vorkommenden Temperatur der am Prozeß beteiligten Gase in der Länge praktisch konstant gehalten werden, wodurch sich folglich ein annähernd konstantes Axialspiel zwischen dem Läufer und den Seitenteilen des Gehäuses ergibt.

Deckband und Nabe sind vorteilhafterweise in der Mitte geteilt, um auf diese Weise zwei gleiche, symmetrische Läuferhälften zu erhalten. Die Verbindung 7 der Zellen mit dem Deckband und der Nabe kann eine mechanische sein, sie kann aber auch durch Schweißen oder Löten erzielt werden. Für die Zellen ist eine Ausbildung als geschlossene Kastenprofile möglich, wie es in den Fig. 1, 3, 4 und 5 gezeigt ist, sie können aber auch gemäß F i g. 2 aus einem mäanderartig gebogenen Band hergestellt sein, doch sind bei dieser Ausführung ebenso wie bei den F i g. 3 und 4 die beiden Läuferteile nicht mehr gleich.

Eine andere Möglichkeit zum Aufbau des Läufers ) ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Hierbei wird jede Zelle von zwei ineinandergesteckten Kastenprofilen 1 und 1' gebildet. Jeder Läuferteil enthält die volle Anzahl Zellen, die nahe der Stirnseite 2 bzw. 2' durch eine Schweißung 15 miteinander verbunden sind. Der Querschnitt der Zellen des einen Läuferteils ist etwas kleiner als jener der Zellen des anderen Läuferteiles, so daß sie sich beim Zusammenbau ineinanderschieben. Dadurch ergibt sich zwischen den Zellen die doppelte Dichtungslänge gegenüber den in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungen. Die Dehnrichtung der Zellen und ihre Endlage ist in F i g. 3 angedeutet. Bei dieser Lösung kann das Deckband durch eine aufgelötete Drahtbandage ersetzt werden, die sowohl einfach und billig herzustellen ist, als auch radial eine genügende Abdichtung gegen den Gehäuse-Mittelteil 9 ergibt, da die durch das Wickeln des Drahtes entstehenden Rillen wie Labyrinthe wirken.

Die zweiteilige Ausführung des Zellenrades weist neben der Möglichkeit des Ausgleiches der Wärme-■j dehnungen noch weitere Vorteile auf. Das richtige Arbeiten von Druckwellenmaschinen hängt maßgeblich von der Abstimmung der die Verdichtungs- und Verdünnungsvorgänge steuernden Kanten der Ein- und Auslaßöffnungen ab, deren Lage der Länge und der Bewegungsgeschwindigkeit der Zellen sowie der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druckwellen in den Gasen angepaßt sein muß. Dabei ist jedoch das Verhältnis von der Bewegungsgeschwindigkeit zur Länge der Zellen gleichfalls von Bedeutung, da auch der Wärmeaustausch zwischen den Gasen und der Gase mit der Wand, zusammen mit der Reibung, eine Rolle spielt. Zu jeder Drehzahl des Läufers gehört eine optimale Läuferlänge, um die Verluste auf ein Minimum zu beschränken.

Wenn Druckwellenmaschinen in bestimmten Normgrößen und für unterschiedliche Verwendungszwecke erzeugt werden sollen, besteht daher die Notwendigkeit, die Läuferlänge an die jeweils gegebenen Erfordernisse möglichst genau anzupassen. Die Konstruktionen gemäß den F i g. 1 bis 4 gestatten auf einfache Weise eine Feinanpassung der Läuferlänge an verschiedene Betriebsverhältnisse.

Ein Beispiel dafür zeigt F i g. 5. Der Aufbau dieser Maschine ist ähnlich wie jener nach Fig. 1, nur ist zwischen die Deckbandteile 3 und 3'ein Zwischenring 12 und zwischen die Nabenteile 4 und 4' ein Zwischenring 13 eingesetzt. Durch Veränderung der axialen Länge dieser Zwischenringe läßt sich mit geringem Arbeitsaufwand die Läuferlänge an den jeweiligen Verwendungsfall anpassen. Die Zellen überdecken sich hierbei mehr oder weniger stark und der Gehäuse-Mittelteil als einfaches Bauelement bedarf keiner besonderen Anpaßeinrichtung.

ίο Bei der Abstimmung auf die gewünschte Läuferlänge ist noch auf die Nabenscheiben 6 Rücksicht zu nehmen. Wie in F i g. 6 dargestellt, kann der Wellenbund 16, an dem sich die Nabenscheibe abstützt, entsprechend den Bedürfnissen angedreht werden. Die beiden Hälften der Figur zeigen die Lage der Nabenscheibe auf der Welle bei unterschiedlicher Läuferlänge.

Eine andere konstruktive Möglichkeit geht aus F i g. 7 hervor. In diesem Falle bleibt die Lage des Wellenbundes unverändert und nur der auf der Welle aufsitzende Teil 17 der Nabenscheibe 6, die entsprechend der größten Läuferlänge auf Lager gehalten wird, erfährt zur Anpassung eine Kürzung. Teil 17 kann auch als selbständiger Ring ausgeführt sein.

Auch bei diesem Beispiel zeigen die beiden Hälften der Figur die Lage der Nabenscheibe bei unterschiedlicher Läuferlänge. Es versteht sich von selbst, daß in beiden Fällen, gemäß F i g. 6 und 7, bei den kürzeren Läufern das überflüssige Wellenstück abgedreht wird.

Die Brauchbarkeit der Druckwellenmaschinen ist von einem möglichst kleinen, unveränderlichen Spiel zwischen Läufer und Gehäuse-Seitenteilen abhängig. Die bei der Sicherung des Axialspiels sich ergebenden Schwierigkeiten waren bisher ein schweres Hindernis für die Verwirklichung des ganzen Projektes. Das nun vorgeschlagene Prinzip mit Läufer und Gehäuse von konstanter Länge und günstigen Dichtungseigenschaften, die sich bei Erwärmung und Abkühlung nicht verändern, ergibt eine hohe Betriebssicherheit, verbunden mit gutem Wirkungsgrad. Die gleichfalls mögliche Feinanpassung der Läuferlänge an die verschiedenen Betriebserfordernisse ist für eine Massenfabrikation von Druckwellenmaschinen von wesentlicher Bedeutung, da eine Läufertype, die in großen Stückzahlen rationell gefertigt werden kann, einen weiten Anwendungsbereich zu decken vermag.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Aerodynamische Druckwellenmaschine, bei der sich der aus mindestens Welle, Nabe, Zellen und Deckband bestehende Läufer in einem feststehenden, aus Mittelteil und Seitenteilen zusammengesetzten Gehäuse bewegt, gekennzeichnet durch Mittel zur Einhaltung einer praktisch konstanten Länge des Läufers und des Gehäuse-Mittelteiles (9) bei jedem Betriebszustand und unabhängig von der Temperatur der Gase, wodurch auch das Axialspiel zwischen dem Läufer und den Seitenteilen (14) des Gehäuses praktisch konstant bleibt.

2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (3, 3') und

G5 das Deckband (4, 4') des Läufers quer zur Längsachse geteilt sind und in jedem derart entstandenen Läuferteil Zellen (1, 1') eingebaut sind, deren Anordnung oder Formgebung den Zu-

sammenbau beider Läuferteile und die axiale Wärmedehnung der Zellen zulassen, wobei die beiden stirnseitigen Läuferenden in praktisch gleichbleibendem Abstand voneinander fixiert sind und der Gehäuse-Mittelteil (9) mit einer Ausgleichsvorrichtung versehen ist, welche seine Wärmedehnungen aufnimmt.

3. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Läuferteil nur jede zweite Zelle (1, 1') vorhanden ist, so daß nach dem Zusammenbau jede Zelle in eine Lücke der Gegenseite hineinragt.

4. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Läuferteil die volle Anzahl Zellen (1, 1') enthält, die nahe dem stirnseitigen Läuferende durch Schweißung (15) miteinander verbunden sind, und der Querschnitt der Zellen des einen Läuferteiles kleiner ist als jener der Zellen des anderen Läuferteiles, so daß sich die Zellen beim Zusammenbau ineinanderschieben.

5. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (4, 4') und das Deckband (3, 3') in der Mitte geteilt sind.

6. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) als Bimetallkonstruktion ausgeführt ist.

7. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) aus einem Werkstoff mit sehr kleinem Wärmedehnungskoeffizienten hergestellt ist.

8. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) von einem Kühlmittel durchströmt ist.

9. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (1, 1') als Kastenprofile ausgebildet sind.

10. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (1, 1') aus einem mäanderförmig gebogenen Band hergestellt sind.

11. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein wellenförmiges Kompensationsstück (11) im Gehäuse-Mittelteil (9).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen