DE1928582C3 - Diffusor - Google Patents
DiffusorInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
- F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
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- F04F5/46—Arrangements of nozzles
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Description
Die Erfindung betrifft einen Diffusor zur Umwandlung von Fluidimpuls in statischen Druck in einem
Fluidströmungssystem, mit einem länglichen Hohlkör· per, der einen Fluideinlaß an einem Ende und einen
Fluidmislaß am entgegengesetzten Ende aufweist,
wobei die Auslaßfläche größer als die Einlaßfläche ist, mit einer ersten, näherungsweise konischen Aufweitungsstufe am Einlaß sowie einer zweiten, näherungsweise konischen Aufweitungsstufe am Auslaß, wobei die
Aufweitung zum Auslaß hin erfolgt, und mit einer im wesentlichen zylindrischen Regenerationsstufe zwischen den Aufweituflgsstufefl.
Ein Diffusor der vorgenannten Art ist in der PR-PS 69 293 beschrieben. Diese Beschreibung bezieht sich
ausschließlich auf die Gestaltung und Auslegung der Aufweitungsstufe L, und es ist an keiner Stelle
beschrieben, welche Punktion oder Bedeutung eine
nachgeschaltete zylindrische Stufe und eine dieser
nachgeschaHete weitere Aufweitungsstufe haben. Bei der rechtsseitigen Aufweitungsstufe des in Fig, I dieser
PS abgebildeten Diffusors findet offensichtlich eine
Ablösung der Stromlinien von der divergierenden
Wandung statt.
Damit sind erhebliche Verluste bezüglich des Systemwirkungsgrades verbunden. Im übrigen ist
festzustellen, daß der Winkel dieser rechtsseitigen
ίο Aufweitungsstufe wesentlich größer als der Winkel β
der linksseitigen Aufweitungsstufe ist, wobei dieser Winkel β gemäß der Beschreibung kleiner als 7—9° sein
sollte. Für die linksseitige Aufweitungsstufe wird für den
Fall eines größeren öffnungswinkels vorgeschlagen,
mehrere konzentrisch angeordnete Konusglieder der gleichen Länge ineinander zu verschachtelt Im
Zusammenhang mit. der rechtsseitigen Aufweitungsstufe, die nicht in der Beschreibung erwähnt ist und die
einen noch größeren Öffnungswinkel hat, werden keine
entsprechenden Vorschläge unterbreitet Dieses ist
wahrscheinlich der Grund für den auftretenden Mangel im Zusammenhang mit dem Ablösen der Stromlinien
von den divergierenden Wandungen. Zumindest aber ist es offensichtlich mit dem bekannten Diffusor nicht
möglich, eine gleichmäßige Verzögerung des strömenden Fluids und eine maximale Umwandlung des
Fluidimpulses unter berücksichtigung eines optimalen
Energieumwandlungsgrades zu erzielen, wie es die an der rechtsseitigen Aufweitungsstufe eingezeichneten
Wirbel im Bereich der divergierenden Wandung eindeutig erkennen -linsen.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, den
eingangs genannten Diffusor so auszubilden, daß eine gleichmäßige Verzögerung des strömenden Fluids und
eine maximale Umwandlung des Fluidimpulses bei optimalem Energieumwandlungsgrad erzielt wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen der
ersten und der zweiten Aufweitungsstufe mindestens zwei gegenseitig beabstandete, im wesentlichen zylin
drische Regenerationsstufen vorgesehen sind, daß eine
zusätzliche Aufweitungsstufe zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von Regenerationsstufen vorgesehen ist, daß der Diffusor einen Aufweitungswinkel von
etwa 1° bis etwa 7° besitzt und daß alle Regenerations
stufen jeweils eine Länge besitzen, die, vom Diffusorein
laß beginnend, ungefähr gleich dem Durchmesser der jeweiligen Regenerationsstufe multipliziert mit ihrer
Lagenummer ist
Eine gleichmäßige Verzögerung des strömenden
so Fluids und eine maximale Umwandlung des Fluidimpulses in statischen Druck kann nicht erzielt werden, wenn
größere Geschwindigkeitsunterschiede quer zur Fluidströmung auftreten. Diese Schwierigkeit nimmt zu,
wenn eine relativ langsame oder ruhende Grenzschicht
an der Innenfläche des Diffusors auftritt. Manchmal
wird diese Schwierigkeit so groß, daß eine Strömungsablösung der Stromlinien auftritt, das heißt an
irgendeiner Stelle des Diffusors lösen sich die Stromlinien von der divergierenden Wand des Diffusors
infolge der Ausbildung einer Gruppe von relativ großen Wifbeln ab, die intermittierend oder ständig vorhanden
sind und die normalerweise glatt divergierenden
Stromlinien in eine parallele Strömung verformen, was
zu unerwünschten Verlusten des Systemwirkungsgrades
führt. Infolge der im wesentlichen ruhenden Grenzschicht des Ftuids wird der Kern der Pluidströmung im
Diffusor nicht so stark verzögert, wie es aufgrund der Geometrie des Diffusors erwartet werden könnte.
Daher bewirkt die Grenzschicht, daß der Diffusor einen
größeren Teil des am Diffusoreingang vorhandenen Impulses nicht umwandelt.
Jede geeignete Aufweitung (definiert als das Verhältnis
der aufgeweiteten Austrittsfläehe zur Eintrittsfläche)
kann in jeder Aufweitungsstufe verwendet werden. Vorzugsweise ist für einen hohen Iinpulsumwandlungsgrad
das Verhältnis von Austrittsfläche zu Eintrittsfläche jeder Aufweitungsstufe etwa gleich.
Jedes geeignete Flächenverhältnis von Diffusionsauslaß zu Diffusoreinlaß kann verwendet werden. Vorteilhafte
Ergebnisse werden im Bereich von etwa 1,5—8 erzielt Vorzugsweise sollte dieser Bereich 3,5—6
betragen. Ein bedeutend niedrigeres Verhältnis führt zu einem niedrigerem Impulsumwandlungsgrad infolge
hoher Austrittsgeschwindigkeit, während ein bedeutend höheres Verhältnis zu einer Erhöhung der Anlagengröße
und der Kosten führt Ein optimales Ergebnis wird für einen Wert des Verhältnisses von 6 erzielt
Der Aufweitungswinkel des Gesamtdiffusors ist der Winkel zwischen der Mittellinie des Diffusors und einer
linie, die zwischen der Diffusorwand am Einlaß des Diffusors und der Wand am Diffusorauslaß gebogen ist
Vorteilhafte Ergebnisse werden in einem Winkelbereich von etwa 1 —7° erzielt Vorzugsweise soll jedoch dieser
Winkel etwa 2—5° betragen. Ein bedeutend kleinerer Winkel führt zur Erhöhung der Wandreibungsenergieverluste
und zur Notwendigkeit den Diffusor sehr lang zu machen, um das gewünschte Flächenverhältnis von
Einlaß und Auslaß zu erreichen. Ein bedeutend größerer Winkel erhöht die Energieverluste infolge der zunehmenden
Gefahr einer Strömungsablösung und Turbulenz. Optimale Ergebnisse sind mit einem Diffusoraufweitungswinkel
von etwa 2,2° erzielt worden.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 schematisch die Geschwindigkeitsprofile in einem bekannten Diffusor,
Fig.2 in Kurvenform den erhöhten Diffusorwirkungsgrad
für einen Mehrstufendiffusor,
Fig.3 einen Schnitt durch eine schematisch abgebildete
Strahlpumpe mit einem Diffusor gemäß der Erfindung und
F i g. 4 einen Schnitt wie nach F i g. 3, aber mit einem bevorzugten Diffusor gemäß der Erfindung.
In F i g. 1 ist schematisch ein Diffusor 11 mit einer
Regenerationsstufe 15 abgebildet, wie er in der FR-PS 9 69 293 beschrieben ist. Dieser Diffusor hat eine
zylindrische Einlaßstufe 12, die z. B. ein Windkanaiauslaß
oder die Mischstufe einer Strahlpumpe sein kann, und eine zylindrische Ausiaßstufe 13, die ein Endrohr,
eine Leitung usw. sein kann.
Fluid strömt durch den Diffusor mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit und einem bestimmten Anfangsdruck.
Die Geschwindigkeit wird an mehreren Punkten auf senkrecht zur Diffusormittellinie verlaufenden Geraden an den Orten A—D gemessen. Das
Geschwindigkeitsprofil über dem Diffusordurchmesser an jedem dieser Orte wird dann aufgetragen. Es soll
daran erinnert werden, daß die Geschwindigkeit nur an den angezeigten Orten gemessen wird und daß die
Verschiebung der Kurven nach rechts nur eine Anzeige der Relativgeschwindigkeit ist
Wie oben erläutert, führt eine nahezu konstante Geschwindigkeit über den Diffusorquerschnitt zu einem
höheren Impulsumwsndlungsgrad als bei einem größe*
ren Verhältnis von maximaler zu mittlerer Geschwindigkeit der Strömung.
Am Diffusoreinlaß (Ort A) hat der in den Diffusor
eintretende schnelle Fluidstrahl ein sehr konstantes Geschwindigkeitsprofil (das heißt ein sehr niedriges
Verhältnis von maximaler zu mittlerer Geschwindig keit) mit einer nur sehr dünnen Grenzschicht Die
Gesamtgeschwindigkeit ist hoch, wie durch die Verschiebung der Kurve nach rechts am abgebildeten
Meßort zu sehen ist
Am Ort B hat der Strahl begonnen, seine Geschwin digkeit zu verringern und seinen Druck zu erhöhen. Die
Geschwindigkeit fällt wie durch die geringere maximale Verschiebung der GeschwindigkeitsproFilkurve angedeutet
ab. Im bekannten Diffusor ist vom Orte B an die Geschwindigkeit in der Nähe der Diffusorwand
geringer als in der Mitte, was anzeigt daß eine langsamere Grenzschicht sich auszubilden begonnen
hat
Am Ort C zeigt der Diffusor 11 eine Ausbauchung in
der Mitte und somit Geschwindigkeitsunterschiede selbst in der Rohrmitte.
Am Diffusorausgang, am Ort D, ze'.;,! sich eine noch
stärkere Ausbauchung und somit eine Oeschwindigkeitsvariation
über den ganzen Querschnitt
F i g. 2 zeigt in Kurvenform den verbesserten Betrieb des Diffusors gemäß der Erfindung, der durch die
Verwendung von Regenerationsstufen bedingt ist F i g. 2 zeigt Cp als Funktion von L/D für die einzelne
Regenerationsstufe, wobei Cp ein Maß der Diffusorfähigkeit
ist einen relativ hohen Impuls am Diffusoreinlaß
jo in Druckenergie am Diffusorauslaß umzuwandeln, und
L/D das Verhältnis von Regenerationsstufenlänge zu -durchmesser ist Genauer gesagt Cp wird durch
folgende Gleichung berechnet:
IP
wobei P die Änderung im statischen Druck vom DiffLioreinlaß zum Diffusorauslaß, ρ die Fluiddichte, Vj
die mittlere Einlaßgeschwindigkeit und g eine Proportionalitätskonstante zwischen Kraft und Impuls ist
Die in Fig.2 angegebenen Werte für Cp wurden
durch Prüfen von Diffusoren, die Regenerationsstufen unterschiedlicher Länge hatten, in einem geschlossenen
Rohrsystem erhalten. Wasser wurde durch den Prüfdiffusor in unterschiedlichen Durchflußmengen gepumpt,
so während Druck und Geschwindigkeit gemessen wurden. Es wurde festgestellt, daß, abgesehen von kleinen
Änderungen im Betrieb infolge Reynoldszahl-Effekten, ein gegebener Diffusor ein im wesentlichen konstantes
Verhalten (das heißt einen konstanten Wert Cp)
innerhalb eines großen Durchflußmengenbereiches zeigte.
Für diese Prüfung wurde ein Diffusor mit einer Länge von etwa 68,5 cm und einem Verhältnis von Austrittsfläche
zu Eintrittsfläche von etwa 6 verwendet. Dieser Diffusor war an einti* Stelle etwa 23 cm von dem Eintritt
lösbar, SO daß eine Regenerationsstufe einsetzbar war.
Gemäß Fig.2 ergab ein Diffusor ohne Regenerationsstufe
(LZD=O) für Cp 0,864. Wenn Regenerationsstufen
mit zunehmender Länge zwischen die benachbar-
b5 ten Aufweitungsstufen eingesetzt werden, steigt CP auf
etwa 0,872 bei UD= 1 un und beginnt dann abzusinken.
Daher war für den Prüfdiffusor eine einzelne Regenerationsstufe mit L/D ungefähr gleich 1 optimal. Ein
weiterer Anstieg von Cp kann durch zusätzliche
getrennte Regenerationsstufen wie oben erläutert erreicht werden. Zum Beispiel steigt mit einer ersten
Stufe mit einem Verhältnis UD von etwa 1 und einer zweiten Regenerationssture mit einem Verhältnis UD
von etwa 2 Cp auf etwa 0,877.
Die optimale Regenerationsstufenlänge, Aufweilungsstufenflächenvefhähnisse usw. können innerhalb
der oben angegebenen Grenzen leicht schwanken, was von den speziellen Kombinationen der oben genannten
Variablen abhängt. Daher sollte für optimale Gesamtergebnisse eine gegebene Diffusorkonstruktion geprüft
werden, um die exakten optimalen Abmessungen innerhalb dieser Grenzen zu bestimmen.
F i g. 3 zeigt schematisch eine Strahlpumpe mit einem Diffusor gemäß der Erfindung.
Der Strahlpumpenkörper besteht aus einer konvergierenden Einlaßstufe 100, einer Mischstufe 101 mit im
wesentlichen konstantem Querschnitt, einem Diffusor aus einer ersten Aufweitungsstufe 102(1). einer ersten
Regenerationsstufe 103(1), einer zweiten Aufweitungsstufe 102(2), einer zweiten Regenerationsstufe 103(2)
sowie aus einer dritten Aufweitungsstufe 102(3). Das
Treibfluid tritt dufeh die Düse mit hoher Geschwindig·
s keil ein, während das Förderfluid durch die Einlaßstufe 100, die die Düse umgibt, eintritt.
Eine Strahlpumpe mit einem bevorzugten Diffusor nach der Erfindung mit drei Regenerationsstufen ist in
F i g. 4 gezeigt, wo außer den vorbezeichneten feilen
nach F i g. 3 noch eine dritte Regenerationsstufe 103(3)
und eine vierte Aufweitungsstufe 102(4) vorhanden sind. Dieser Diffusor erhöht den Strahlpumpenwirkungsgrad
beträchtlich gegenüber der gleichen Strahlpumpe mit einem üblichen Diffusor mit nur einer Rcgenera-
> tionsstufe. Dieser Diffusor kann auch in andere
Strahlpumpensysteme und andere Systeme, wie Windkanäle oder Gasturbinen-Abgassysteme, wo ein Impuls
in einem schnellen Strahl in Druckenergie umzuwandeln ist, verwendet werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
- Patentansprüche;I1 Diffusor zur Umwandlung von Fluidimpuls in statischen Druck in einem Fluidströmungssystem, mit einem länglichen Hohlkörper, der einen Fluideinlaß an einem Ende und einen Fluidauslaß am entgegengesetzten Ende aufweist, wobei die Auslallfläche größer als die Einlaßfläche ist, mit einer ersten, näherungsweise konischen Aufweitungsstufe am Einlaß sowie einer zweiten, näherungsweise konischen Aufweitungsstufe am Auslaß, wobei die Aufweitung zum Auslaß hin erfolgt, und mit einer im wesentlichen zylindrischen Regenerationsstufe zwischen den Aufweitungsstufen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und der zweiten Aufweitungsstufe (14,16) mindestens zwei gegenseitig beabstandete, im wesentlichen zylindrische Regenerationsstufen (15) vorgesehen sind, ciaß eine zusätzliche Aufweitungsstufe zwischen jedem aufeinander folgenden Paar von Regenerationsstufen (15) vorgesehen ist, daß der Diffusor einen Aufweitungswinkel von etwa 1° bis etwa 7° besitzt und daß alle Regenerationsstufen (15) jeweils eine Länge besitzen, die, vom Diffusoreinlaß beginnend, ungefähr gleich dem Durchmesser der jeweiligen Regenerationsstufe multipliziert mit ihrer Lagenummerist
- 2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Regenerationsstufen (15) zwischen den beiden Aufweitungsstufen (14, 16) angeordnet sind und daß alle Aufweitungsstufen etwa den gleichen Aufwdtungs)· inkel besitzen.
- 3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhälr ws von Auslaßfläche zur Einlaßfläche der Aufweitungsstufen (14,16) ungefähr gleich ist
- 4. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Diffusorauslaßfläche zur Diffusoreinlaßfläche etwa 1,5 :1 bis etwa8:l beträgt
- 5. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Diffusorauslaßfläche zur Diffusoreinlaßfläche etwa 6 :1 beträgt
- 6. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusoraufweitungswinkel etwa 2,2° beträgt
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