DE1928582C3 - Diffusor - Google Patents

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 C_p als Funktion von L/D für die einzelne Regenerationsstufe, wobei C_p 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 C_p 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 C_p 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 C_p)

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 C_P 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 C_p 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)

1. 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. 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. 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. 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. 5. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Diffusorauslaßfläche zur Diffusoreinlaßfläche etwa 6 :1 beträgt
6. 6. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusoraufweitungswinkel etwa 2,2° beträgt