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Diffusoranordnung kurzer Baulänge mit einem Profilgitter am Anfang
und/oder am Ende des divergierenden Diffusorteiles Die Erfindung betrifft eine Diffasoranordnung
kurzer Baulänge, in der eine Parallelströmung in eine geradhnig divergierende Strömung
unddiese wieder in eine Parallelströmung umgewandelt werden, mit einem Profilgitter
am Anfang und/oder am Ende des divergierenden Teiles Die Aufgabe eines Diffusors
- wie er beispielsweise bei Strömungsmaschinen verwendet wird - besteht
in einer Umsetzung von kinetischer Energie des strömenden Mediums in statische Druckenergie.
Hierzu wird der Querschnitt F, am Eingang des Diffasors auf den der gewünschten
Druckumsetzung entsprechenden Querschnitt F2 am Enden des Diffusors erweitert. Hierbei
darf eine gewisse Verzögerung nicht überschritten werden, um Ablösungen und damit
stark ansteigende Verluste zu vermeiden. Der zulässige Erweiterungswinkel bei einem
konischen Diffusor mit Kreisquerschnitt liegt z. B. im allgemeinen bei
8 bis 12'. Damit ist die geringstmögliche Längenerstreckung des Diffa-#ors
bei vorgegebenem Flächenverhältnis A fest-F, gelegt. Oft ist es aus baulichen oder
wirtschaftlichen Gründen nicht möglich, die sich so ergebenden Diffasorlängen auszuführen.
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Es sind Diffasoren bekannt, bei denen der gesamte Diffiasor durch
lange Leitflächen so weit unterteilt wurde, daß der Erweiterungswinkel der einzelnen
dadurch gebildeten Kanäle in den oben angegebenen Grenzen liegt. Durch die dadurch
an den zusätzlichen langen Wandflächen entstehenden Reibungsverluste wird ein großer
Teil des erstrebten Druckgewinnes wieder verbraucht. Außerdem wird für
je 8 bis 12' Erweiterungswinkel eine lange Leitfläche benötigt, was bei großen
Gesamterweiterungswinkeln zu vielen Leitflächen führt. Die Länge und Anzahl der
bei solchen Diffasoren benötigten Leitflächen zusammen mit dem anwachsenden Druckverlust
infolge Wandreibung setzen dieser Bauart wirtschaftliche Grenzen.
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Man hat deshalb versucht, diese Leitflächen nur an den Stellen der
stärksten Umlenkung anzuordnen. Die kurzen Leitflächen dienen dabei insbesondere
zur Verhinderung der Ablösung der Grenzschicht und bringen damit einen gewissen
Erfolg gegenüber den langen Leitflächen. Ihre Wirksamkeit bleibt aber auf die wandnahen
Schichten beschränkt. Sie wirken nicht auf den Strömungsverlauf über den gesamten
Querschnitt ein. Die Verwendung wandnaher kurzer Leitflächen hat daher nur bei Diffiasoren
Erfolg, die gegenüber solchen ohne Leitflächen wenig erweitert sind. Aus diesem
Grunde werden derartige Leitflächen kaum angewendet. Eine weitere Erschwernis ergibt
sich dadurch, daß bei solchen wandnahen unterteilten Leitflächen in jedem Falle
die jeweils richtige räumliche Anordnung experimentell ermittelt werden muß.
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Es ist weiterhin versucht worden, die Wirkung eines mit langen Leitflächen
unterteilten Diffasors dadurch zu verbessern, daß man am Ende des Diffasors Widerstandssiebe,
bestehend aus Stäben oder Drahtnetzen, einbrachte. Diese wirken aber durch Widerstandserhöhung
dem Zweck des Diffusors, nämlich der Druckerhöhung, entgegen. Sie bewirken lediglich
eine gelegentlich erwünschte gleichmäßigere Verteilung der Austrittsgeschwindigkeit.
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Die Aufgabe, hinter einer Erweiterung eines Strömungskanals möglichst rasch
wieder eine gleichmäßige Geschwindigkeits- und Massenverteilung herzustellen, wurde
auch schon durch die Verwendung von Widerstandssieben allein oder durch Verteilerbleche
ohne Rücksicht auf den möglichen Druckrückgewinn im Diffusor gelöst.
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Gegenüber den bekannten Anordnungen stellt sich die Erfindung die
Aufgabe, einen Diffiasor kurzer Baulänge, d. h. mit größeren als bisher möglichen
Erweiterungswinkeln zu schaffen, bei dem trotzdem eine sehr gute Umsetzung von Geschwindigkeit
in Druckenergie erfolgt und der eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über
dem Austrittsquerschnitt erzeugt. Weiterhin sollen für die Anordnung der Profilgitter
Hinweise gegeben werden, die zusätzlichen Versuchsaufwand einsparen oder vermindern.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß die bekannten kurzen
Profilschaufeln nicht nur in Wandnähe, sondern über den ganzen Ein- und Austrittsquerschnitt
verteilt so angeordnet werden, daß sie die ankommende Parallelströmung als Ganzes
in eine divergierende Quellströmung und diese wieder in eine
Parallelströmung
überführei, wobei für die Anordnung der Gitterachsen und für die Verteilung und
Bemessung der Gitterprofile quantitative Hinweise gegeben werden.
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Der erfindungsgemäße Diffusor mit einem Profilgitter am Anfang und/oder
am Ende des divergierenden Teiles ist dadurchgekennzeichnet, daß die Gitterprofile
über den gesamten-Anfangs- und/oder Endquerschnitt so verteilt sind, daß im Längsschnitt
die Verbindungslinie der Zirkulaeiinsschwerpunkte der Gitterprofile normal. zur
örtlichen Strömungsrichtung verläuft.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
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Die Figuren können sowohl auf rotationssymmetrische Diffusoren bezogen
sein, wobei die eingezeichrieten Profile Schhitte von ringförmigen Tragflügeln sind,
als --auch auf epiffusoren mit z. B. rechteckigem Querschnitt, bei dem die
angedeuteten Profile Schnittflächen von geraden Tragflügeln sind.
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. In F i g. 1 -ist vor- dem Diffusor ein Kanalteil
1 mit paralleler Zuströmung vorgesehen. Die Strömungsrichtung ist durch einen
Pfeil angedeutet. Der eigentliche Diffusor 2 hat divergierende Wände mit einem Erweiterungswinke13-
Die Abströmung, bei der die Stromfäden wieder parallel verlaufen, erfolgt in dem
Kanalteil 3. Zwischen der Zuströmung 1 und dem eigentlichen Diffusdi
ist ein Gitter 4 angeordnet, das die ParalleIströmung- in eine divergierende umwandelt.'
Das Gitter 5 macht aus der divergierenden Strömung wieder eine Parallels'trömung.
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- Durch Gitter 4:und 5 sind gewisse Teile der Strömung
wesentlich stärker umzulenken als andere. In, folgedessen muß die Zirkulation, wenn
man sich diese nicht als zu den einzelnen Gitterprofilen zugeordnet, sondern kontinuierliäh
über die Gitterachse verteilt denkt, längs dieser veränderlich sein.
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Bei Verwendung von Profilen gleicher Länge und gleichen Auftriebsbeiwertes
innerhalb eines Gitters bedeutet dies, daß die Profilteilung längs der Gitterachse
veränderlich ist. Man kann auch die Profilteilung längs der (Itterachse konstant
lassen, dann muß die Länge oder der Auftriebsbeiwert der Profile oder beides variiert
werden. Man kann auch die beiden Maßnahmen, d. h. - Änderung -der
Gitterteilung und Ändeiung der Länge und/oderdes Auftriebsbeiwertes der Profile
miteinander verbinden. Wesentlich ist nur, daß die auf die LäÜgeneinheit längs der
Gitterachse bezogene - Zirkulation längs dieser veränderlich ist.
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In der F i g. 1 sind Gitter dargestellt, die aus Profilen gleicher
Länge bestehen, wobei die Krümmung von der Mitte des Diffusors nach der Wand hin
stärker wird und gleichzeitig die Teilung sich verkleinert. Die dargestellten Profile
'sind gebogene Bleche. Es können auch Tragflügelprofile mit Stromlinienquerschnitt
verwendet werden.
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Man sieht aus der F i g. 1, daß die Länge 1 des eigentlichen
Diffusorteiles gegenüber üblichen Diffusoren im Verhältnis zu den Abmessungen der
Flächen F, und F2 außerordentlich stark vermindert ist. Der Erweiterungswinkel
ö, der bei'normalen Diffusoren nur höchstens 12' betragen darf, ist hier
mit 90' gezeichnet, womit noch nicht der Grenzfall für die Anwendungsmöglichkeit
dargestellt ist.
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Die F i g. 4 bis 6 zeigen Beispiele anderer Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Kurzdiffusors, wie sie sich bei Strömungsmaschinen ergeben
können. Bei diesen erfolgt die Abströmung von dem Laufrad oder Leitrad häufiä-i.h
einen kreisringförmigen Kanal, der in einem Diffusor zu einem Kanal von Kreisquerschnitt
erweitert wiid. F i g. 4 zeigt einen solchen Diffusor, bei dem die Erweiterung
durch einen auf den Innenzylinder des Kreisiingquerschnittes aufgesetzten Kegel
bewirkt wird, wobei also die anschließende Leitung mit dem Außendurcbmesser des
Eintrittsquerschnittes des Diffusors weitergeführt wird. Die in F i g. 4
bis 6 benutzten Bezeichnungen für die einzelnen Teile entsprechen denen von
F i g. 1.
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F i g. 5 zeigt einen Diffusor, bei dem die Erweiterung des
Diffusorquerschnittes neben der durch den auf den Innendurchmesser aufgesetzten
Kegel gleichzeitig durch eine kegelförmige Erweiterung des Außendurchmessers des
Kreisringquerschnittes erfolgt. Dabei hegen der Beginn und das Ende der Erweiterung
beim Innen- und Außenkegel jeweils in der gleichen zur Achse des Diffusors senkrechten
Ebene.
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Bei dem in F i g. 6 dargestellten Diffusor erfolgt die Erweiterung
ebenfalls durch einen Innenkegel und Außenkegel gleichzeitig. Jedoch sind die beiden
Kegelteile in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt, und zwar etwa um die Höhe
des zuerst durchströmten Außenkegels. Es sind also hier gewissermaßen zwei Diffusoren
hintereinandergeschaltet, wobei das Eintrittsprofilgitter für den zweiten DiiTusor
gleichzeitig das Austrittsgitter des ersten Diffusors ist. Dieses Gitter ist in
F i g. 6 mit 4b bezeichnet. 4a ist das Eintrittsgitter für die Erweiterung
des ersten Diffusorteiles 2a. 5 ist das Gitter im Endquerschnitt des
gesamten Diffusors. Das Gitter 4b ist ein Beispiel für ein Profilgitter
im Sinne der Erfindung, bei dem aus einer bereits divergenten Strömung eine
stärker divergente erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß sind die Gitterprofile über den gesamten Anfangs-
und/od-.r Endquerschnitt des Diffusors so verteilt, daß im dargestellten Längsschnitt
die Verbindungslinie der Zirkulationsschwerpunkte der Gitterprofile normal zur örtlichen
Strömungsrichtung verläuft.
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Es wurde gefunden, daß die Verbindungshnien der Zirkulationsschwerpunkte,
genannt Gitterachsen, für den in F i g. 1 dargestellten Fall des einfachen
Diffusors nach folgend.-n Formeln in Polarkoordinaten festzulegen sind, wobei die
Bezeichnungen den in F i g. 2 eingetragenen entsprechen: Bei einem Diflüsor
mit rechteckigem Querschnitt, also bei ebener Strömung, für den Anfangsquerschnitt
für den Endquerschnitt
Dabei bedeuten r und p die Polarkoordinaten für die Gitterachse, wobei der
Nullpunkt an der Spitze des halben Kegelwinkels a der Diffusorerweiterung liegt.
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a, ist die halbe Querschnittsbreite des Eintrittsteiles, a. ist die
halbe Querschnittsbreite des Austrittsteiles. Bei einem kreisrunden Diffusor ergeben
sich mit den gleichen Bezeichnungen der F i g. 2, wobei al und ap
die
Radien der Kreisquerschnitte sind, folgende Koordinaten für die Gitterachse: für
den Anfangsquerschnitt
für den Endquerschnitt
Versuche bestätigen, daß in Annäherung an den erfindungsgemäßen Kurvenverlauf der
Gitterachse diese durch einen Kreisbogen ersetzt werden kann, der durch die Kanten
der Übergangsstellen der Diffusorwandungen läuft und dessen Mittelpunkt auf der
Diffusorachse liegt. Mit den Bezeichnungen der F i g. 3
ergibt sich für diesen
Radius, bei einem Diffusor mit rechteckigem Querschnitt, für den Anfangsquerschnitt
für den Endquerschnitt
Bei einem Diffusor mit kreisrundem Querschnitt, wobei al und a2 die Radien des Anfangs-
bzw. Endquerschnittes sind, für den Anfangsquerschnitt
für den Endquerschnitt
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Zahl der Profile im Gitter 4 am Eintritt
gegenüber der Zahl der Profile im Gitter 5 am Austritt verschieden auszuführen.
Der Grund dafür liegt darin, daß sonst die Profile des Austrittes im Strömungsschatten
der Profile des Eintrittsquerschnittes liegen. Bei nicht zu hohen Anforderungen
an den Erweiterungswinkel und/oder den Wirkungsgrad kann auf eines der Gitter, meistens
auf das Gitter 5 am Austritt, verzichtet werden.
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Bei dem Diffusor nach der Erfindung kann es zweckmäßig sein, die Gitterprofile
in an sich bekannter Weise drehbar oder verstellbar auszuführen, um damit den Diffusor
verschiedenen Betriebsverhältnissen anzupassen.