DE1108525B

DE1108525B - Diffusor mit einer Einrichtung zum Anblasen der Grenzschicht

Info

Publication number: DE1108525B
Application number: DEV10762A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Michael Strscheletzky; Dipl-Ing Karl Kaufmann
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1956-06-11
Filing date: 1956-06-11
Publication date: 1961-06-08

Description

Diffusor mit einer Einrichtung zum Anblasen der Grenzschicht Diffusoren dienen zur Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie. Um dabei ein Ab- lösen der durch den Druckanstieg verlangsamten Grenzschicht der Strömung und damit die mit einem Energieverlust verbundene Wirbelbildung zu vermeiden, hat man bereits verschiedene Maßnahmen getroffen.
Der Weg, die Diffusoren mit einem möglichst kleinen Erweiterungswinkel auszubilden, führt zu einer großen Länge der Diffusoren, was infolge der dadurch bedingten großen Wandreibung einen schlechten Wirkungsgrad der Energleumwandlung zur Folge hat. Man hat daher auch schon versuch4 die Wirbelbildung durch Beeinflussung der Grenzschicht zu verhindern.
So ist es bekannt, die Grenzschicht über Schlitze oder eine Vielzahl von Bohrungen in der Wand des Diffusors nach außen abzusaugen oder sie durch Zufuhr eines lElfsstromes in die Hauptströmung über Hilfskanäle in der Wand des Diffusors von dieser wegzublasen. Beide Maßnahmen erfordern zusätzliche maschinelle Einrichtungen sowie den Aufwand zusätzlicher Energie.
Zum Abblasen der Grenzschicht von der Wand des Diffusors hat man auch schon aus dem Hauptstrom einen Teil des strömenden Mediums entnommen, indem man die I-Elfskanäle an solchen Stellen im Hauptkanal anschloß, an denen ein höherer statischer Druck herrscht. Letzten Endes geht aber auch die hierbei direkt aus der Hauptströmung entnommene Energie dem Hauptstrom verloren.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem frei in einen Ausströmraum mündenden Diffusor, dessen Wand außen an den Ausströmraum angrenzt, die Grenzschicht mit möglichst geringem baulichem Aufwand und möglichst kleinem Aufwand an Energie durch Anblasen zu beschleunigen. Die Erfinder haben erkannt, daß die in einem solchen Ausströmraum vorhandene Gesamtenergie zwar kleiner ist als die Gesamtenergie des strömenden Mediums in der Hauptströmung des Diffusors, aber größer ist als der Energieinhalt der Grenzschicht an der Wand des Diffasors und daß der Energieunterschied ausreichend ist, um die gewünschte Anblaswirkung zu erreichen, wenn auf kurzem Wege eine unmittelbare Verbindung zwischen der Grenzschicht und dem Ausströmraum hergestellt wird. Gemäß der Erlmdung wird daher vorgeschlagen, als Einrichtung zum Anblasen der Grenzschicht in der Wand des Diffusors einen oder mehrere an sich bekannte, im wesentlichen tangential zur Hauptströmung ausmündende Schlitze vorzusehen, die mit dem Ausströmraum durch kurze, strömungsgünstig ausgebildete Kanäle in Verbindung stehen.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfmdung wird die stromaufwärts liegende Lippe, der Mündungen der Anblaseschlitze um eine kleine, etwa der Dicke der Grenzschicht entsprechende Strecke in Richtung senkrecht zur Wand des Diffusors versetzt, wodurch die Ausnutzung des geringen zur Verfügung stehenden Druckgefälles begünstigt wird.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung an einigen Beispielen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Diffasor im Längsschnitt, Fig. 2a, 2b und 2c in größerem Maßstab mögliche Formen für die Hilfskanäle mit Anblaseschlitz, Fig. 3 ein Beispiel für die Anwendung bei dem Saugkrümmer einer Turbinenanlage, Fig. 4 ein Beispiel für die Anwendung bei einem Axialgebläse.
Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Diffusor hat dem Erfindungsgedanken entsprechend in der Wandung 1 zwei Hilfskanäle mit ün wesentlichen tangential zur Hauptströmung ausmündenden Anblasschlitzen 2. Sie verbinden den Ausströmraum, in welchen der Diffasor mündet und wo beispielsweise Atmosphärendruck oder der hydrostatische Druck einer im wesentlichen ruhenden Flüssigkeit herrscht, mit dem Innenraum des Diffusors, wo demgegenüber auf Grund der vorhandenen Geschwindigkeit ein statischer Unterdruck herrscht. Wegen der etwa tangentialen Einmündung der Anblaseschlitze 2 kann das daraus ausströmende Medium die Grenzschicht in Richtung der Hauptströmung beschleunigen. Die Grenzschicht wird hierbei also ständig angeblasen und kann daher nicht zu einer solchen Dicke anwachsen, daß eine mit Wirbelbildung verbundene Ablösung eintreten könnte. Die Anblaseschlitze für die Hilfsströmung können nach den in den Fig2a, 2b und 2c gezeigten drei Möglichkeiten gestaltet sein.
Bei der Form nach Fig. 2 a liegen beide Lippen 5 und 6 der schlitzförinigen Anblasöffnungen 2a in der Wandfläche. Nach Fig. 2b tritt die in bezug auf die mit Pfeil angedeutete Strömungsrichtung stromaufwärts liegende Lippe 3 gegenüber der stromabwärts liegenden, 4, vor, so daß eine gesunde Schicht des eingeblasenen Mediums der müden Grenzschicht unterlegt wird. Nach Fig. 2 c dagegen tritt die stromaufwärts liegende Lippe 7 gegenüber der stromabwärts liegenden, 8, zurück. Diese letzte Ausführungsform gibt die beste Wirkung. Es entsteht am Schlitz eine örtliche Unterdruckspitze. Die Schlitzweite soll in jedem Falle etwa der Dicke der turbulenten Grenzschicht entsprechen.
Bei allen Ausführungsformen werden die Schlitze zweckmäßig an der Mündung in ihrem Querschnitt eingeschnürt, um die Form einer verlustarmen Düse zu erhalten.
Bei der Anlage nach Fig. 3, welche die Anwendung der Erfindung bei einer Kaplanturbine zeigt, tritt die Strömung, nachdem sie ihre Energie an das Laufrad abgegeben hat, in den Saugkrümmer 10 mit den Wandungen 11 und 13 und einem divergenten Auslauf ein. Erfindungsgemäß münden dortbeispielsweise zwei Hilfskanäle mit Anblaseschlitz 12 möglichst tangential aus dem Unterwasser 19. Durch den hydrostatischen Druckunterschied entsteht eine Hilfsströmung aus dem Unterwasser in das Saugrohr, welche die Grenzschicht beschleunigt.
Nach Fig. 4 sitzt das Laufrad 15 eines Axialgebläses oder einer Axialpumpe in einem verengten Kanalteil 14. Die vom Laufrad in Pfeilrichtung beschleunigte Strömung gelangt hinter dem Propeller in den divergenten Teil 16 des Kanals. Dort läßt man der Erfindung entsprechend ein oder mehrere Hilfskanäle mit Anblasschlitz 17 vorzugsweise in taugentialer Richtung einmünden, die die Strömung mit dem Ausströrnraum des Kanals, wo ein höherer Druck herrscht, verbinden.
Der besondere Vorzug des erfindungsgeniäßen Diffusors ist es, daß keine zusätzliche Energie für die Anblasung notwendig ist bzw. daß diese nicht auf Kosten der auszunutzenden Energie der Strömung bei Turbinen bzw. auf Kosten der Antriebsleistung bei Pumpen oder Gebläsen gewonnen wird, weil der natürliche Druckanstieg zu einer Stelle des Ausströmraums verwertet wird, und daß ferner keine zusätzlichen maschinellen Einrichtungen (Pumpen, Gebläse), welche die Betriebssicherheit der Gesamtanlage beeinträchtigen könnten, notwendig sind.
Wenn z. B. bei Turbinenanlagen der Druck des Unterwassers die Anblaseströmung antreibt, so hat dies keine Rückwirkung mehr auf die Leistungsausnutzung, da das Wasser seine ausnutzbare Energie bereits in der Turbine im wesentlichen abgegeben hat. Bei dem obengenannten bekannten selbsttätigen Verfahren dagegen, das das Druckgefälle zwischen dem divergenten Kanalteil und dem konvergenten Kanalteil zu beiden Seiten einer Kanalverengung benutzt, wird die zum Abblasen erforderliche Energie unmittelbar aus dem noch auszunutzenden Strom entnommen, sofern es sich um eine Turbinenanlage handelt, oder aber es wird - sofern es sich um eine Pumpen- oder Gebläseanlage handelt - hierzu eine Strömung verwendet, die gerade von der Pumpe bzw. vom Gebläse beschleunigt wurde und dann nochmals durch das Laufrad der Maschine hindurchgeführt werden muß.
Die Erfindung ist auch in Luftförderanlagen anwendbar. Schließlich kommt sie beispielsweise auch bei Bewetterungsanlagen in Bergwerksanlagen in Betracht.
Die Erfindung läßt sich bei allen Strömungskanälen mit sich erweiterndem Querschnitt anwenden, und zwar bei solchen mit zwei- oder dreidimensionaler Entwicklung, also einer Entwicklung in Strömungsrichtung und wenigstens einer senkrecht dazu verlaufenden Richtung. Die Strömungskanäle können dabei rechteckigen oder abgerundeten, insbesondere kreisförinigen Querschnitt haben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE. 1. Frei in einen Ausströmraum mündender Diffusor, insbesondere für Strömungsmaschinen, dessen Wand außen an den Ausströmraum angrenzt, mit einer Einrichtung zum Anblasen der Grenzschicht, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Anblasen der Grenzschicht an der Wand des Diffusors ein oder mehrere an sich bekannte, im wesentlichen tangential zur Hauptströmung ausmündende Schlitze vorgesehen sind, die mit dem Ausströmraum durch kurze, strömungsgünstig ausgebildete Kanäle in Verbindung stehen.
2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts liegende Lippe der Mündungen der Anblaseschlitze gegenüber der stromabwärts liegenden Lippe um eine kleine Strecke, etwa in Größe der Grenzschichtdicke, in Richtung senkrecht zur Diffusorwand versetzt ist. 3. Diffusor nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts liegende Lippe vorgesetzt ist (Fig. 2b). 4. Diffusor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts liegende Lippe zurückgesetzt ist (Fig. 2 c). In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 980 347, 1006 146, 1020 286; USA.-Patentschriften Nr. 2 037 940, 2 037 942; Lexikon der Physik, 1950, S. 449.