DE4330037A1

DE4330037A1 - Druckwellenmaschine mit integrierter Verbrennung und Verfahren zur Kühlung des Rotors dieser Druckwellenmaschine

Info

Publication number: DE4330037A1
Application number: DE4330037A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr Zauner
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1995-03-09
Also published as: JPH0783070A; US5522217A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Druckwellenmaschine mit integrier ter Verbrennung und ein Verfahren zur Kühlung des Rotors die ser Druckwellenmaschine.

Stand der Technik

Die bekannten instationär arbeitenden Druckwellenmaschinen haben gegenüber stationär arbeitenden Turbinen den großen Vorteil, daß sie sehr hohe Heißgastemperaturen zulassen. Dies gilt insbesondere für Druckwellenmaschinen mit inte grierter Konstantvolumenverbrennung, wie sie mit den dazuge hörenden Verfahren beispielsweise in EP 0 212 181 und in EP 0 468 083 beschrieben sind.

Aufgrund der periodischen Beaufschlagung der Zellen mit küh ler Luft und heißem Verbrennungsgas nimmt der Rotor eine Ma terialtemperatur an, die wesentlich unter der Heißgastempe ratur liegt. Trotzdem können auch bei Druckwellenmaschinen unter bestimmten Bedingungen Probleme mit zu hohen Rotortem peraturen auftreten. Das trifft dann zu, wenn sehr hohe spe zifische Leistungen gefordert werden und damit sehr hohe Gas temperaturen nötig sind oder wenn die Druckwellenmaschine nicht mit einem symmetrischen Gegenstromdruckwellenprozeß ausgestattet ist, sondern mit einem Wellenprozeß, der zu einer in Axialrichtung unsymmetrischen Temperaturverteilung im Rotor führt.

Letzteres ist beispielsweise beim Gleichstromprozeß der Fall, bei dem die Ausströmseite des Rotors wesentlich inten siver mit Heißgas beaufschlagt wird als die Einströmseite. Da dieser Gleichstromprozeß aber bezüglich der konstruktiven Integration der Druckwellenmaschine in eine Gasturbine vor teilhaft ist, muß ein Weg zur Kühlung des Rotors gefunden werden. Der bekannte Einsatz von Kühlluftkompressoren oder eines externen Kühlmediums zur Rotorkühlung bedingt aber einen relativ großen Aufwand bei einem geringem Effekt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckwellenmaschine mit in tegrierter Verbrennung zu entwickeln und ein Verfahren, mit dem der Rotor ohne Zuhilfenahme von Kühlluftkompressoren oder externen Kühlmedien wirkungsvoll gekühlt wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Druckwellenmaschine ge mäß Oberbegriff des Anspruch 1 dadurch erreicht, daß im Ge häuse Kühlluftleitungen und im Rotor in radialer Richtung gesehen unter- und oberhalb der Zellen Kanäle angeordnet sind und/oder der Rotor an seinem Innen- und Außenumfang mit min destens einem Leitblech zur Bildung weiterer Kühlkanäle umge ben ist, wobei der Gehäuseinnenraum der Druckwellenmaschine mit dem Niederdruckaustritt verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zur Kühlung des Rotors einer Druckwellenmaschine nach Anspruch 1 dadurch erreicht, daß vor der Brennstoffbeimischung ein geringer Teil der eintretenden Luft abgezweigt, in Kühlluftleitungen durch das Gehäuse geführt und anschließend durch in radialer Richtung gesehen unter- und oberhalb der Zellen liegende Ka näle geleitet wird, wobei die Kühlluft selbst einem eigenen Druckwellenprozeß unterworfen wird, und/oder ein Teil der eintretenden Luft vor der Brennstoffbeimischung abgezweigt, in den Rotorinnenraum geführt und in die auf der Innen- und Außenseite des Rotors angeordneten Kühlkanäle geleitet wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht vor allem darin, daß der Rotor der Druckwellenmaschine effektiv und ohne großen zu sätzlichen konstruktiven Aufwand gekühlt wird.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn in dem auf der Innen- und Außenseite der Rotors angeordneten Kühlkanal Trennstege vor handen sind, weil dadurch die Kühlwirkung der axialen Tempe raturverteilung angepaßt wird.

Es ist zweckmäßig, wenn die Kühlluft nach der Vorverdichtung durch die Druckwelle entnommen und nach ihrem Durchströmen durch die Kanäle dann als erwärmte Kühlluft wieder der ein tretenden Luft beigemischt wird, weil die Kühlluft dann am nachfolgenden Hochdruckprozeß teilnimmt, wodurch für den thermodynamischen Prozeß ein Gewinn erzielt werden kann.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Stärke der Kühlwirkung durch Drosselung des Kühlluftstromes und/oder durch Verände rung der Breite der Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen der Kühlluft geregelt wird, denn dadurch wird eine gute An passung an die jeweiligen konkreten Betriebsbedingungen er möglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand einer Druckwellenmaschine mit integrierter Konstantvolu menverbrennung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine überlagerte Darstellung des Druckwellenpro zesses des Arbeitsgases und der Kühlluft durch Ab wicklung eines zylindrischen Schnittes durch eine mit einem Gleichstromdruckwellenprozeß arbeitende Druckwellenmaschine;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt der Druckwellenmaschine mit Kühlkanälen im Rotor;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt des Rotors von Fig. 2;

Fig. 4 einen Teillängsschnitt der Druckwellenmaschine mit Leitblechen zur Kühlluftführung am Innen- und Außenumfang des Rotors;

Fig. 5 einen Teilquerschnitt des Rotors von Fig. 4.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeits mittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Druckwellenmaschinen mit integrierter Konstantvolumenverbren nung und ihre Wirkungsweise sind an sich bekannt, so daß es hier nicht nötig ist, auf alle Einzelheiten einzugehen. Bei diesen Druckwellenmaschinen befindet sich gemäß Fig. 1 der als Zellenrad ausgebildete Rotor 1 zwischen zwei Seitenteilen 4 und 5 des nicht näher dargestellten Statorgehäuses der Druckwellenmaschine. Der Rotor 1 ist in einzelne Zellen 2 unterteilt, welche durch Trennwände 15 voneinander getrennt sind. Wie durch den linken Pfeil in Fig. 1 angedeutet, drehen sich die Zellen 2 gegenüber den Seitenteilen 4 und 5 des Ge häuses. Die beiden Seitenteile 4 und 5 weisen Eintrittsöff nungen 8 für das Brennstoff/Luft-Gemisch auf sowie Austritts öffnungen für das ND-Heißgas 9, Austrittsöffnungen für das HD-Heißgas 10 und Austrittsöffnungen für die erwärmte Kühl luft 11. Die Enden der Zellen 2 sind an beiden Enden offen, so daß durch die Eintrittsöffnung 8 ein Brennstoff/Luft-Ge misch in die Zellen 2 eindringen kann und der bekannte Druck wellenprozeß ablaufen kann.

Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind bei der erfin dungsgemäßen Druckwellenmaschine einerseits Kühlluftleitun gen 7 im Gehäuse vorhanden, andererseits sind Kanäle 3 für die Kühlluft in radialer Richtung gesehen unter- und oberhalb der Zellen 2 im Rotor 1 angeordnet.

Da das Verfahren zur Kühlung des Rotors 1 einer Druckwellen maschine besonders für einen unsymmetrischen Druckwellenpro zeß geeignet ist, wird es am Beispiel einer mit integrierter Konstantvolumenverbrennung arbeitenden Druckwellenmaschine mit Gleichstromprozeß näher erläutert (Fig. 1).

Die Kühlluft strömt auf der dem Eintritt des Brennstoff/Luft- Gemisches 8 gegenüberliegenden Seite im Bereich des Austritts für die ND-Heißgase entgegen der Strömungsrichtung des Ar beitsprozesses ein und kühlt den Rotor 1 konvektiv. Die Luft wird vorher zur Kühlung des Niederdruckaustrittkanals verwen det. Die Kühlluft selbst unterliegt nunmehr in der Druckwel lenmaschine einem eigenen Druckwellenprozeß. Durch die Druckwelle, die durch die Sehließkante der Ausströmöffnung ausgelöst wird, wird die Kühlluft verdichtet und zum Still stand gebracht. Während der nun folgenden Konstantvolumenpha se erfolgt die Kühlwirkung durch instationäre Wärmeleitung im Gas. Durch die Aufheizung während der Konstantvolumenverbren nung steigt der Druck der Kühlluft an. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch aus der Zelle 2 überströmendes Leckage gas. Damit wird der Druckverlust infolge nach außen abströ mender Kühlluftleckage ausgeglichen oder sogar überkompen siert. Ein höherer Druck vor dem Gaswechsel löst eine stär kere Expansionswelle aus, die ihrerseits den Gaswechsel un terstützt. Die aufgeheizte Kühlluft strömt in weiterer Folge im Bereich des Lufteintritts 8 aus und kann vom Druckniveau her nur dem Niederdruckaustritt 9 beigemischt werden. Dies kann entweder direkt geschehen oder durch Einleiten in den Gehäuseinnenraum der Druckwellenmaschine (siehe Fig. 2), wo bei dieser dann aber mit dem Niederdruckaustritt 9 verbunden sein muß, damit sich im Innenraum kein erhöhter Druck auf bauen kann.

Die Stärke der Kühlwirkung kann durch Drosselung des Kühl luftstromes und/oder durch Veränderung der Breite der Ein trittsöffnungen und Austrittsöffnungen 11 der Kühlluft gere gelt werden. Durch das Gegenstromkühlprinzip wird einer un symmetrischen axialen Temperaturverteilung entgegengewirkt.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 4 und 5 dar gestellt. Es ist ersichtlich, daß hier der Rotor 1 der Druckwellenmaschine innen und außen mit mindestens einem Leitblech 12 umgeben ist, so daß um den Rotor ganz oder teilweise ein Kühlkanal 6 gebildet wird. Ein geringer Teil der eintretenden Luft wird vor der Brennstoffbeimischung ab gezweigt, in den Rotorinnenraum geführt und in den Kühlkanal 6 eingeleitet. Die Stärke der Kühlwirkung wird mit dem Kühl luftstrom und mit der mit Kühlluft beaufschlagten Mantelflä che des Rotors 1 geregelt. Der Gehäuseinnenraum der Druckwel lenmaschine muß in diesem Falle mit dem Niederdruckaustritt 9 verbunden sein, damit sich im Innenraum kein zusätzlicher Druck aufbauen kann. Durch den zusätzlichen Einbau von Trenn stegen 13 erfolgt eine Anpassung der Kühlwirkung an die axia le Temperaturverteilung. Selbstverständlich kann diese Aus führungsvariante mit der oben beschriebenen Kühlung durch die Kanäle 3 gekoppelt sein, es können aber auch beide Ausfüh rungsformen für die Rotorkühlung separat verwendet werden.

Eine wichtige Voraussetzung für eine gute Funktion der Küh lung als auch der Druckwellenmaschine als Ganzes ist eine gu te Abdichtung des Rotors 1 gegenüber dem Gehäuse. Dazu sind sehr geringe Axialspiele einzuhalten. Die Dichtwirkung kann weiter verbessert werden durch eine spezielle geometrische Ausbildung des Spaltes. Da in der Druckwellenmaschine sowohl radiale als auch tangentiale Druckunterschiede auftreten, ist eine Honeycomb-Dichtung 14 am besten geeignet.

Sollte aus kühltechnischen Gründen Kühlluft bei höherem Druck erforderlich sein, so kann ein Teil der eintretenden Luft brennstofffrei bleiben und Kühlluft nach der Vorverdichtung durch die Druckwelle entnommen werden. Die erwärmte Kühlluft kann dann wieder der vorverdichteten Luft beigemischt werden. In diesem Falle muß zwar die Arbeit für die Verdichtung in der Stoßwelle zweifach aufgewendet werden, allerdings nimmt die Kühlluft am nachfolgenden Hochdruckprozeßteil, wodurch ein Gewinn für den thermodynamischen Prozeß erzielt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 Zelle
3 Kanal
4 Seitenteil
5 Seitenteil
6 Kühlkanal
7 Kühlluftleitung
8 Eintrittsöffnung für Brennstoff/Luft-Gemisch
9 Austrittsöffnung für ND-Heißgas
10 Austrittsöffnung für HD-Heißgas
11 Austrittsöffnung für erwärmte Kühlluft
12 Leitblech
13 Trennstege
14 Honeycomb-Dichtung
15 Trennwand

Claims

1. Druckwellenmaschine mit integrierter Verbrennung, die im wesentlichen aus einem Rotor (1) besteht, welcher sich zwischen zwei Seitenteilen (4), (5) dreht und Zellen (2) aufweist, in denen ein immer wiederkehrender Zündungs- und Verbrennungsprozeß abläuft, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor (1) in radialer Richtung gesehen unter- und oberhalb der Zellen (2) Kanäle (3) für die Kühlluft angeordnet und im Gehäuse Kühlluftleitungen (7) vorhan den sind und/ oder der Rotor (1) an seinem Innen- und Außenumfang mit mindestens einem Leitblech (12) zur Bildung weiterer Kühlkanäle (6) umgeben ist, wobei der Gehäuseinnenraum der Druckwellenmaschine mit dem Nieder druckaustritt verbunden ist.

2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß im Kühlkanal (6) Trennstege (13) ange ordnet sind.

3. Verfahren zur Kühlung des Rotors (1) einer Druckwellen maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Brennstoffbeimischung ein geringer Teil der ein tretenden Luft abgezweigt, durch Kühlluftleitungen (7) durch das Gehäuse geführt und anschließend durch in radialer Richtung gesehen unter- und oberhalb der Zellen (2) liegende Kanäle (3) geleitet wird, wobei die Kühl luft selbst einem eigenen Druckwellenprozeß unterworfen wird, und/oder ein Teil der eintretenden Luft vor der Brennstoffbeimischung abgezweigt, in den Rotorinnenraum geführt und in die auf der Innen- und Außenseite des Rotors angeordneten Kühlkanäle (6) geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft nach der Vorverdichtung durch die Druckwel le entnommen wird und nach ihrem Durchströmen durch die Kanäle (3) dann als erwärmte Kühlluft wieder der eintre tenden Luft beigemischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Kühlwirkung durch Drosselung des Kühl luftstromes und/oder durch Veränderung der Breite der Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen (11) der Kühl luft geregelt wird.