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Zellenrad-Druckaustauscher Die Erfindung betrifft Druckaustauscher
zur Verdichtung von Gasen mittels expandierender Arbeitsgase. Der hierbei stattfindende
Druckaustausch findet in den Zellen des Druckaustauscher-Zellenrads statt.
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Beispielsweise ist es aus der Zeitschrift »The Oil Engine and Gas
Turbine«, Februar 1958, bekannt, bei derartigen Anordnungen das sich expandierende
Gas aus einer Brennkammer zu beziehen, welche zwischen je einer Auslaßöffnung und
einer Einlaßöffnung der Endplatten des Druckaustauschers angeordnet ist.
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Bei den bekannten Druckaustauschern dieser Art sind jedoch die jeweils
mit der Brennkammer bzw. einer anderen Gaserhitzungseinrichtung verbundenen Einlaß-
bzw. Auslaßöffnungen jeweils auf einander gegenüberliegenden Seiten des Zellenrads
in den Endplatten angeordnet, so daß der Zustand des auf der Ausgangsseite der Brennkammer
befindlichen Gases auf das in die Brennkammer eintretende Gas keinen Einfluß nehmen
kann. Bei der im allgemeinen anzutreffenden hohen Strömungsgeschwindigkeit wird
bei den bekannten Druckaustauschern der oben beschriebenen Art nicht immer eine
vollständige Verbrennung erzielt, so daß jeweils ein ganz bestimmtes Mischungsverhältnis
von Brennmittel und Luft eingehalten werden muß.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei mit einer
Brennkammer zusammenwirkenden Druckaustauschern in einem weiten Bereich des Mischungsverhältnisses
von Brennmittel und Luft eine vollständige Verbrennung zu erzielen.
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Im Sinn der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Zellenrad-Druckaustauscher
aus, dessen Zellenrad eine Vielzahl stirnseitig offener, ringförmig angeordneter
Radzellen aufweist und zwischen beidseitig angeordneten, mit Einlaß- und Auslaßöffnungen
versehenen Endplatten umläuft, von welchen mindestens eine mit einer Einlaßöffnung
zur Zuführung eines Strömungsmittels aus einer Brennkammer in die Zellenradzellen
hinein und mit einer Auslaßöffnung zur Abführung von Strömungsmittel aus den Zellenradzellen
heraus in die genannte Brennkammer versehen ist. Ein derartiger Druckaustauscher
ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß diese beiden Öffnungen derart
in einer Endplatte angeordnet sind, daß sie nur durch einen schmalen Steg dieser
Endplatte voneinander getrennt sind.
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Durch diese Ausbildung des erfindungsgemäßen Druckaustauschers wird
erreicht, daß sich zwischen den genannten Öffnungen der einen Endplatte über das
Brennkammersystem und die Zellenradzellen eine Kreisströmung ausbildet, in welcher
ein stark mit Brennmittel angereichertes Gas zirkuliert, so daß genügend Zeit für
eine vollständige Verbrennung auch bei in weiten Grenzen schwankendem Mischungsverhältnis
zwischen Brennmittel und Luft verbleibt. überdies wird der Vorteil erzielt, daß
nur eine einmalige Zündung erforderlich ist, wonach die Verbrennung sich selbst
unterhält.
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Unter Brennkammer sei in den nachstehenden Ausführungen und den Ansprüchen
auch ein Teil eines Kanalsystems verstanden, welches eine Brennstoffeinspritzeinrichtung
und gegebenenfalls eine Zündeinrichtung enthält. Druckaustauscher der erfindungsgemäßen
Bauart sind mit Vorteil in Turbinenanlagen verwendbar und sind in diesem Fall zwischen
der Turbine und dem Verdichter angeordnet.
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter
Bezug auf die Schemazeichnungen im einzelnen beispielsweise beschrieben. In diesen
stellt dar F i g. 1 eine auseinandergezogene schematische perspektivische Ansicht
eines Druckaustauschers nach einer Ausführungsform der Erfindung, F i g. 2 ein Abwicklungsschema
des in F i g. 1 dargestellten Druckaustauschers, in welchem zum Zweck der besseren
Deutlichkeit die Zellenwandungen des Druckaustauscher-Zellenrads weggelassen sind,
F i g. 3, 4 und 5 weitere Abwicklungsschemen von Druckaustauschern gemäß abgewandelter
Ausführungsformen nach der Erfindung, in welchem wiederum zum Zweck der deutlicheren
Darstellung die Zellenwandungen der Druckaustauscher-Zellenradzellen weggelassen
sind,
F i g. 6 eine Teil-Stirnansicht eines Druckaustauscher-Zellenrads,
welches gemäß der Erfindung in Wabenkonstruktion ausgeführt ist, und F i g. 7 die
Anordnung eines Druckaustauschers nach der Erfindung innerhalb einer Gasturbinenanlage.
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Bei allen nachstehend beschriebenen Ausführungsformen von Druckaustauschern
nach der Erfindung ist jeweils stets nur eine Konstruktion zur Ausführung jeweils
eines einzigen Arbeitsspiels dargestellt und beschrieben. In der Praxis dürfte es
erforderlich sein, normalerweise Druckaustauscherkonstruktionen nach der Erfindung
vorzusehen, bei welchen jeweils mehrere Arbeitsspiele ausgeführt werden.
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Bei der in F i g. 1 der Zeichnung dargestellten, auseinandergezogenen
perspektivischen Ansicht eines Druckaustauschers nach der Erfindung sind mit Rücksicht
auf eine bessere Übersichtlichkeit der Zeichnung nur wenige Druckaustauscherzellen
im Zellenrad des Druckaustauschers angedeutet. Es versteht sich von selbst, daß
bei wirklich ausgeführten Konstruktionen selbstverständlich eine größere Anzahl
von Druckaustauscherzellen Anwendung findet. Das Zellenrad des Druckaustauschers
weist eine Vielzahl von Radialwandungen 1 auf, die gleichmäßig um den Umfang einer
Zellenradnabe 2 herum angeordnet und außen untereinander durch eine zylindrische
Zellenradaußenwandung 3 verbunden sind. Die durch die Zellenwandungen 1, die Zellenradnabe
2 und die Zellenradaußenwandung 3 begrenzten Zellenradzellen sind stirnseitig offen.
Die Öffnung und Schließung der Zellenstirnseiten wird durch feststehende Endplatten
4 und 5 gesteuert, die beiderseits an den Stirnseiten des Zellenrads angeordnet
sind. Die Endplatte 4 weist eine Einlaßöffnung 6, über welche den Zellenradzellen
ein Gas zugeführt wird, und Auslaßöffnungen 7 und 8 auf, über welche Gas aus den
Zellenradzellen des Druckaustauschers abgeführt wird. Demgegenüber weist die Endplatte
5 nur eine Einlaßöffnung 9 auf, über welche Luft in die Zellenradzellen eingeführt
wird. Die Einlaßöffnung 6 ist an die Mündung eines Kanals 10 angeschlossen,
der mit seinem anderen Ende in der Auslaßöffnung 7 mündet. Kanäle 11 und 12 sind
jeweils an die Auslaßöffnung 8 bzw. an die Einlaßöffnung 9 angeschlossen. Im Kanal
10 sind eine Brennstoffeinspritzdüse 13 und eine Zündeinrichtung 14 angeordnet.
Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Welle ist durch die Mittelbohrungen 15,
16 und 17 des Zellenrads 2 und der Endplatten 4 und 5 hindurchgeführt.
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Die Auslaßöffnung 8 und die Einlaßöffnung 9 bilden zusammen
mit den jeweils an einem beliebigen Zeitpunkt mit diesen Öffnungen in Verbindung
stehenden Zellenradzellen eine Spülstufe des Druckaustauschers. Die Einlaßöffnung
9 der Endplatte 5 nimmt nur einen kleinen Teil der Umfangsabmessungen dieser Endplatte
ein. In der Praxis ist diese Einlaßöffnung wesentlich größer als sie in der Zeichnung
dargestellt ist, damit eine Einschnürung der durch den Druckaustauscher hindurchgehenden
Strömung vermieden wird. Die Einlaßöffnung 6 und die Auslaßöffnung 7 der Endplatte
4 sollten so wenig Umfangsanteil dieser Endplatte einnehmen, als dies mit Rücksicht
auf den praktischen Betrieb des Druckaustauschers möglich ist.
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F i g. 2 der Zeichnungen zeigt eine Abwicklung des in F i g. 1 dargestellten
Druckaustauschers, in welcher mit Rücksicht auf die bessere Übersichtlichkeit der
Darstellung die Zellenwandungen 1 des Druckaustauscher-Zellenrads weggelassen sind.
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Bei in Betrieb befindlichem Druckaustauscher laufen die Zellenradstirnseiten
der Zellenradzellen des Druckaustauschers fortgesetzt an den Durchtrittsöffnungen
und an den zwischen diesen befindlichen Wandungsteilen der beiden Endplatten in
Richtung des Pfeils A vorbei. Zum Zweck der Beschreibung kann angenommen werden,
daß das Arbeitsspiel des Druckaustauschers an einer beliebigen Stelle des Endplattenumfangs
beginnt.
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Es sei infolgedessen angenommen, daß das Arbeitsspiel an der in F
i g. 2 der Zeichnungen angedeuteten Stelle X beginnt. Die im Augenblick an dieser
Stelle befindlichen Zellenradzellen enthalten Verbrennungsgase, was in der Zeichnung
durch eine Parallelschraffur angedeutet ist. Außerdem enthalten diese Zellen ein
Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft, was durch Kreuzschraffur angedeutet ist.
Die außerdem in diesen Zellen enthaltene reine Luft ist dadurch angedeutet, daß
an den betreffenden Stellen keine Schraffur vorgesehen ist. Im Lauf der Drehung
des Zellenrads findet eine fortgesetzte Durchmischung der Verbrennungsgase und der
Frischluft statt. Wie in F i g. 2 der Zeichnungen ersichtlich ist, werden die Zellenradzellen
bei weiterer Drehung des Zellenrads an der linken Seite durch die Auslaßöffnung
7 geöffnet. Da das in den Zellen befindliche Gas einen höheren Stagnationsdruck
hat als das im Kanal 10
in der Nähe der Auslaßöffnung 7 befindliche Gas, werden
an den Kanten der Auslaßöffnung 7 Expansionswellen und reflektierte Expansionswellen
ausgelöst, die in F i g. 2 der Zeichnungen schematisch bei 18 und 19 durch gestrichelte
Linien angedeutet sind. Unter Stagnationsdruck wird hierbei der sich bei isentroper
Verzögerung des Gasstroms bis zum Stillstand einstellende Druck verstanden. Diese
Expansionswellen durchwandern die Zellen, während das eine Verbrennung unterhaltende
Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft aus den Zellenradzellen durch die Auslaßöffnung
7 in den Kanal 10 hineinströmt. Über die Brennstoffeinspritzdüse 13 wird
fortgesetzt Brennstoff in die den Kanal 10 durchströmenden Gase eingespritzt, und
zu Beginn des Druckaustauscherbetriebs wird dieses Gasgemisch mittels der Zündeinrichtung
14 gezündet. Wenn der Druckaustauscher einmal in Betrieb gesetzt ist, kann die Zündeinrichtung
abgeschaltet werden. Bei weiterer Drehung des Zellenrads werden die Druckaustauscherzellen,
die zuvor mit der Auslöffnung 7 Verbindung hatten, durch die Endplatte
4 verschlossen und dann anschließend durch die mit dem Kanal 11 in Verbindung
stehende Auslaßöffnung 8 wieder geöffnet. Nunmehr strömt ein Gemisch aus Verbrennungsgasen
und Luft aus den Zellenradzellen in den Kanal 11 ein. Der Stagnationsdruck des ursprünglich
im Kanal 11 befindlichen Gases ist niedriger als der ursprüngliche Stagnationsdruck
des in den Zellenradzellen befindlichen Gasgemisches. Infolgedessen werden Expansionswellen
kleiner Amplitude, die in F i g. 2 der Zeichnungen bei 20 durch eine gestrichelte
Linie angedeutet sind, durch die Zellenradzellen hindurchwandern und dadurch im
rechten Berech der Zellen eine Niederdruckzone hervorrufen. Da das Zellenrad weiter
umläuft, werden dessen Zellen nunmehr durch die Einlaßöffnung 9 der Endplatte 5
geöffnet, über welche aus dem Kanal 12 Frischluft in die Zellen einströmt. Bei weiterer
Drehung des Zellenrads
werden dessen Zellen wieder durch die Endplatte
4 an der linken Stirnseite abgeschlossen, was zur Folge hat, daß eine bei 21 in
der Zeichnung durch eine voll ausgezogene Linie angedeutete Kompressionswelle die
Zelle durchwandert und bewirkt, daß der Zelleninhalt dementsprechend verdichtet
wird. Der an der Auslaßöffnung 8 herrschende statische Druck ist entweder höher
oder zumindest ebenso hoch wie der an der Einlaßöffnung 9 herrschende Stagnationsdruck,
weil das Gasgemisch durch die Auslaßöffnung 8 unter erhöhter Geschwindigkeit aus
den Druckaustauscherzellen austritt. Bei weiterer Drehung des Zellenrads werden
dessen Zellen über die Einlaßöffnung 6 an der linken Stirnseite wieder geöffnet.
Die Einlaßöffnung 6 befindet sich am Ende des Kanals 10, über welchen folglich
nun die unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgase in die Zellenradzellen einströmen.
Der Druck der im Kanal 10 befindlichen Verbrennungsgase ist höher als der in den
Zellen des Zellenrads herrschende Druck, weshalb nunmehr eine Kompressionswelle
und eine reflektierte Kompressionswelle, die beide bei 22 und 23 in F i g. 2 der
Zeichnungen jeweils in voll ausgezogenen Linien angedeutet sind, durch die Zellenradzellen
hindurchwandern und infolgedessen den Zelleninhalt verdichten. Bei weiterer Drehung
des Zellenrads werden dessen Zellen an beiden Stirnseiten durch die Endplatten 4
und 5 verschlossen, und in diesem Zustand erreichen die betrachteten Zellen wiederum
die Stelle X. Nunmehr beginnt das soeben beschriebene Arbeitsspiel des Druckaustauschers
von neuem.
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F i g. 3 der Zeichnungen zeigt einen Druckaustauscher nach der Erfindung,
der in wesentlichen Teilen dem in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 der Zeichnungen
dargestellten Druckaustauscher gleicht, wobei jeweils gleiche Teile mit gleichen
Bezugsziffern bezeichnet sind. Der in F i g. 3 der Zeichnungen dargestellte Druckaustauscher
weist jedoch in der Endplatte 5 zusätzliche Durchtrittsöffnungen 6 A und 7 A und
einen mit diesen beiden Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehenden Kanal 10 A
auf. Im Kanal 10 A sind eine Brennstoffeinspritzdüse 13 A und eine
Zündeinrichtung 14 A angeordnet. Die Durchtrittsöffnungen 6A und 7A und der
Kanal 10A entsprechen hinsichtlich Lage und Aufgabe den Durchtrittsöffnungen 6 und
7 und dem Kanal 10 der Endplatte 4. Die Durchtrittsöffnung 6 A liegt der
Durchtrittsöffnung 6 und die Durchtrittsöffnung 7 A liegt der Durchtrittsöffnung
7 axial genau gegenüber.
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Die Wirkungsweise der in F i g. 3 der Zeichnungen dargestellten Anordnung
entspricht im allgemeinen der mit Bezug auf F i g. 2 der Zeichnungen beschriebenen
Anordnung. Über die Einlaßöffnung 9 wird Luft in die Zellenradzellen eingelassen
und dort durch die Verbrennungsgase verdichtet, die über die Einlaßöffnungen 6 und
6 A Zutritt zu den Zellenradzellen haben. Die Luft durchmischt sich sodann mit den
Verbrennungsgasen während desjenigen Teils des Arbeitsspiels, während welchem die
Zellenradzellen an beiden Stirnseiten durch die Endplatten 4 und 5 verschlossen
sind. Wenn die Zellenradzellen sich über die Austrittsöffnungen 7 und 7 A öffnen,
dann tritt das in den Zellen befindliche Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft
in die Kanäle 10 und 10 A ein. Nunmehr wird über die Brennstoffeinspritzdüse 13
A fortgesetzt Brennstoff in das Gasgemisch eingespritzt, welches erstmalig mittels
der Zündeinrichtung 14A gezündet wurde. Das Gasgemisch wird über die Auslaßöffnung
8 der Spülstufe aus den Zellenradzellen in den Kanal 11 ausgestoßen.
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Bei der in F i g. 4 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsform
eines Druckaustauschers nach der Erfindung sind wiederum diejenigen Teile, die bereits
in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen
Druckaustauschern im einzelnen erläutert wurden, mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Endplatte 4 weist bei der in F i g. 4 der Zeichnungen dargestellten Bauform
eines erfindungsgemäßen Druckaustauschers die bereits beschriebene Spülstufenauslaßöffnung
8, eine Auslaßöffnung 25, über welche ein Gemisch aus Verbrennungsgasen und
Luft aus den Zellenradzellen abgezogen wird, und eine Einlaßöffnung 26 auf, über
welche dieses Gasgemisch den Zellenradzellen wieder zugeführt wird. Die Einlaßöffnung
26 nimmt einen wesentlich größeren Umfangsanteil der Endplatte 4
als die Auslaßöffnung
25 ein. Das Verhältnis der Umfangsanteile dieser beiden Öffnungen bewegt sich etwa
in der Größenordnung von 3 : 1. Die Durchtrittsöffnungen 25 und 26 sind untereinander
durch einen Kanal 27 verbunden. Die Endplatte 5 weist eine bereits beschriebene
Spülstufeneinlaßöffnung 9, ferner eine Einlaßöffnung 28, über welche Verbrennungsgase
in die Zellenradzellen eingelassen werden, und eine Auslaßöffnung 29 auf, über welche
eine Verbrennung unterstützende Gase und Verbrennungsgase aus den Zellenradzellen
abgeführt werden. Die Auslaßöffnung 29 hat einen größeren Umfangsteil an der Endplatte
5 als die Einlaßöffnung 28. Die beiden Durchtrittsöffnungen 28 und 29 sind durch
einen Verbindungskanal 30 miteinander verbunden. Die Einlaßöffnung 28, die
Auslaßöffnung 25 und die an einem beliebigen Zeitpunkt in Verbindung mit diesen
beiden Durchtrittsöffnungen stehenden Zellen des Zellenrads bilden zusammen eine
Spülstufe des Druckaustauschers. Die Einlaßöffnung 26 und die Auslaßöffnung 29 sowie
die an einem beliebigen Zeitpunkt in Verbindung mit diesen Durchtrittsöffnungen
stehenden Zellen des Zellenrads bilden eine weitere Spülstufe des Druckaustauschers.
Innerhalb des Kanals 30 sind eine Brennstoffeinspritzdüse 31 und eine Zündeinrichtung
32 angeordnet.
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Im Betrieb des Druckaustauschers wird über die Einlaßöffnung 9 Frischluft
in die Zellenradzellen des Druckaustauschers eingeführt und dort mit Verbrennungsgasen
gemischt, welche in die Zellen über die Einlaßöffnung 28 eingeströmt sind. Das Gasgemisch
verläßt zusammen mit einer gewissen Menge von Verbrennungsgasen die Zellenradzellen
über die Auslaßöffnung 25 und tritt in den Kanal 27 ein, in welchem eine weitere
Durchmischung des Gasgemisches stattfindet. Die Strömungsrichtung im Kanal 27 ist
im allgemeinen die gleiche wie die Bewegungsrichtung der Zellen des umlaufenden
Zellenrads. Dies ergibt sich aus folgendem: Wenn bei der Anordnung nach F i g. 4
der Zeichnungen der Kanal 27 und die zugehörigen Durchtrittsöffnungen nicht vorgesehen
wären, dann würde an der an Stelle der Auslaßöffnung 25 gedachten Endplattenfläche
eine Druckwelle reflektiert, und der an dieser Stelle herrschende Druck wäre höher
als der an der Stelle einer anstatt der Einlaßöffnung 26 gedachten Endplatte herrschende
Druck. Diese Druckdifferenz hätte ihre Ursache darin, daß eine an der Öffnungskante
der Auslaßöffnung 29 ausgelöste Expansionswelle einen Druckabfall in denjenigen
Zellen hervorrufen würde,
welche sich zwischen der Öffnungskante
und der Schließkante der als nicht vorhanden gedachten Einlaßöffnung 26 befinden,
während an der öffnungskante der Auslaßöffnung 28 eine Kompressionswelle ausgelöst
würde, die Anlaß zu einem Druckanstieg in denjenigen Zellen geben würde, die gerade
an der Öffnungskante der als nicht vorhanden angenommenen Auslaßöffnung 25 ankommen.
Sind jedoch die Durchtrittsöffnungen 25 und 26 tatsächlich vorhanden, dann wird
infolge der längs der an der Einlaßöffnung 26 auftretenden Expansionswelle herrschenden
Druckdifferenz in dem in Zellenrad-Drehrichtung gelegenen Teil der Einlaßöffnung
26 ein Druckabfall auftreten, der sich auch dem entgegen der Zellenrad-Drehrichtung
gelegenen Teil dieser Einlaßöffnung mitteilt. Weil also zwischen diesen beiden Durchtrittsöffnungen
eine Druckdifferenz herrscht, findet von der Durchtrittsöffnung 25 zur Durchtrittsöffnung
26 hin eine Gasströmung statt. Das Gasgemisch tritt also zusammen mit irgendwelchen
vorhandenen Verbrennungsgasen über die Einlaßöffnung 26 in die Zellenradzellen
ein. Die eine Verbrennung unterstützenden Gase treten sodann über die Auslaßöffnung
29 in den Kanal 30 ein, in welchem die Verbrennung stattfindet. Das Gasgemisch wird
schließlich über die Spülstufenauslaßöffnung 8 aus den Zellenradzellen des Druckaustauschers
ausgestoßen.
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Falls gewünscht, können in der Zeichnung nicht dargestellte Prallbleche
im Kanal 27 angeordnet sein, mittels welcher die Durchmischung zwischen der Frischluft
und den Verbrennungsgasen noch verbessert wird. Die Anordnung kann auch so getroffen
sein, daß derartige Prallbleche verstellbar angeordnet sind, so daß die Prallblech-Durchmischungswirkung
während des Betriebs des Druckaustauschers geändert werden kann.
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Die Durchmischung der Gase kann dadurch noch verbessert werden, daß
eine in F i g. 4 der Zeichnungen in gestrichelten Linien angedeutete Rückführungsleitung
in Form eines Kanals 33 angeordnet wird, der etwas oberhalb der Einlaßöffnungen
9 und 28 in die Kanäle 12 bzw. 30 mündet.
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F i g. 5 der Zeichnungen zeigt einen Druckaustauscher nach der Erfindung,
bei welchem die Endplatte 4 eine bereits beschriebene Spülstufenauslaßöffnung 8,
ferner eine Auslaßöffnung 35 zur Abführung verdichteter Luft aus den Zellenradzellen
und eine Einlaßöffnung 36 zur Zuführung eines Gemisches aus Verbrennungsgasen und
Luft zu den Zellenradzellen aufweist. Die Durchtrittsöffnungen 35 und 36 sind wiederum
durch einen Verbindungskanal 37
miteinander verbunden. Innerhalb des Kanals
37 ist ein Flammrohr 38 mit Einspritz- und Zündeinrichtungen angeordnet, das in
der Nähe der Einlaßöffnung 36 mündet. Das Flammrohr 38 ist deshalb erforderlich,
weil innerhalb des Kanals 37 nur verhältnismäßig kalte Luft vorhanden ist. Durch
das Flammrohr, welches von an sich bekannter Bauart sein kann, werden Wirbel hervorgerufen,
die eine stabile Verbrennung sicherstellen. Die Endplatte 5 des Druckaustauschers
5 weist außer einer bereits beschriebenen Einlaßöffnung 9 eine Einlaßöffnung 39
zur Zuführung verdichteter Luft zu den Zellenradzellen und eine Auslaßöffnung 40
zur Abführung verdichteter Luft aus den Zellenradzellen auf. Die Durchtrittsöffnungen
39 und 40 werden untereinander wiederum durch einen Kanal 41 verbunden.
Die Einlaßöffnung 39, die Auslaßöffnung 35 und die zu einem beliebigen Zeitpunkt
mit diesen Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehenden Zellenradzellen bilden zusammen
wiederum eine Spülstufe des Druckaustauschers. In gleicher Weise bilden die Einlaßöffnung
36, die Auslaßöffung 40 und die an beliebigen Zeitpunkten mit diesen Durchtrittsöffnungen
in Verbindung stehenden Zellenradzellen eine weitere Spülstufe des Druckaustauschers.
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Im Betrieb des Druckaustauschers nach F i g. 5 der Zeichnungen tritt
durch die Einlaßöffnung 9 Frischluft in die Zellenradzellen ein, die dort durch
Frischluft verdichtet wird, die über die Einlaßöffnung 39 in die Zellenradzellen
Einlaß findet. Die verdichtete Luft tritt über die Auslaßöffnung 35 in den Verbindungskanal
37 ein. Ein Teil der durch den Kanal 37 strömenden verdichteten Luft dient zur Aufrechterhaltung
der Verbrennung im Flammrohr 38 und der Rest dieser verdichteten Luft wird,
bevor er über die Einlaßöffnung 36 in die Zellenradzellen eintritt, gründlich mit
den aus dem Flammrohr ausströmenden Verbrennungsprodukten durchmischt. Das auf diese
Weise gebildete Gasgemisch, welches über die Einlaßöffnung 36 in die Zellenradzellen
eintritt, dient zur Verdichtung der bereits in diesen Zellen befindlichen Luft,
die nach ihrer Verdichtung über die Auslaßöffnung 40 aus den Zellenradzellen ausströmt.
Das Gasgemisch wird zuletzt über die Spülstufenauslaßöffnung 8 aus den Zellenradzellen
ausgestoßen.
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Der Kanal 41 kann mit einer Anzapfung versehen sein, die ihrerseits
an einen Kanal angeschlossen ist, über welchen verhältnismäßig kühle Frischluft
den warmen Kanälen des Druckaustauschers oder den warmen Kanälen einer zugehörigen
Gasturbinenanlage zugeführt wird.
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Es wird bemerkt, daß bei allen beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung der Stagnationsdruck der die Zellenradzellen über die Auslaßöffnung 8
verlassenden Gase höher oder zumindestens gleich groß wie der Stagnationsdruck der
über die Einlaßöffnung in die Zellenradzellen eingelassenen Luft ist. Infolgedessen
findet zwischen der in die Zellenradzellen eintretenden Luft und dem aus den Zellenradzellen
des als Verbrennungseinrichtung dienenden Druckaustauschers austretenden Gasgemisches
ein Druckanstieg statt. Diese Erscheinung steht in unmittelbarem Gegensatz zu dem
Verhalten bekannter Verbrennungseinrichtungen, bei welchen bekanntlich stets ein
Druckabfall eintritt.
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F i g. 6 der Zeichnungen zeigt eine Teil-Stirnansicht eines Zellenrads
eines Zellenrad-Druckaustauschers nach der Erfindung, welches gemäß der Erfindung
in Wabenkonstruktion ausgeführt ist. An Hand der Zeichnung ist zu erkennen, daß
die von den Zellenradwandungen 1, der Nabe 2 und der Zellenradaußenwandung 3 begrenzten
Zellenradzellen mit gewellten Blechstreifen ausgefüllt sind, die an die Zellenradwandungen
angelötet sind und dadurch eine Wabenkonstruktion bilden. Durch eine derartige Konstruktion
werden die Zellenradwandungen abgestützt, was deshalb wünschenswert ist, weil diese
Wandungen während des Betriebs des Druckaustauschers hohen Druckdifferenzen ausgesetzt
sind.
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F i g. 7 der Zeichnungen zeigt die Anwendung eines Druckaustauschers
nach der Erfindung als Verbrennungseinrichtung für ein Strahltriebwerk. Dem Druckaustauscher
werden verdichtete Gase zugeführt, die von einem Verdichter 43 geliefert werden.
Der Druckaustauscher liefert über eine Einlaßbeschaufe-
Jung 45
Verbrennungsgase an eine Rotorbeschaufelung 44 eines Turbinenrotors. Der Verdichter,
der Druckaustauscher und die Gasturbine sind koaxial auf einer gemeinsamen Welle
46 angeordnet. Das Druckaustauscher-Zellenrad läuft normalerweise unabhängig vom
Verdichterrotor und vom Turbinenrotor um. Wie in F i g. 7 der Zeichnungen angedeutet
ist, kann ein Teil der vom Verdichter 43 verdichteten Luft um den Druckaustauscher
herum umgeleitet werden, damit die Außenseite des Druckaustauscher-Zellenrads gekühlt
und dadurch die Temperatur am Einlaß der Gasturbine 44 begrenzt wird.
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Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen von Druckaustauschern
nach der Erfindung liegt das Verhältnis der nochmals in den Kreislauf eingespeisten
Verbrennungsgase zu der in den Kreislauf eingeführten Frischluft in der Größenordnung
4: 1, doch kann dieses Verhältnis auch noch größer sein.
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Das Zellenrad des erfindungsgemäßen Druckaustauschers kann beispielsweise
dadurch angetrieben werden, daß entweder an geeigneter Stelle eine Beschaufelung
vor dem Zellenrad angeordnet wird oder daß die Zellenwände zwischen den einzelnen
Zellen des Zellenrads beispielsweise schräg zur Zellenradachse angeordnet werden.
Zum Starten der Anordnung kann das Zellenrad mittels eines Elektromotors angetrieben
werden.