DE1928582A1 - Diffusor - Google Patents
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Description
Anmelderin: General Electric Company, Schenectady, New York, USA
Diffusor
Die Erfindung betrifft einen Diffusor. Diffusoren werden seit langem verwendet, um Fluidimpuls in statischen
Druck in verschiedenen Fluidmaschinen umzuwandeln. Grund· sätzlich ist ein Diffusor ein Strömungskanal, dessen Querschnitt
auf seiner Länge von einem Fluideintritt an einem
Ende zu einem Fluidaustritt am anderen Ende größer wird. Wenn ein Fluid durch den Diffusor strömt, nimmt die Geschwindigkeit
ab, und infolge der Impulsumwandlung steigt der statische Druck an. Eine wirksame Impulsumwandlung ist
in vielen Einrichtungen wie Strahlpumpen, Gasturbinen usw. notwendig, wo gewisse grundlegende Prozesse bei relativ
schnelles Fluidströmungen ablaufen, aber wünschenswerterweise schließlich zu langsamen Strömungen führen, um den
Austrittsdruckpegel groß zu machen. Eine wirksame Umwandlung beruht auf der Fähigkeit, eine gleichmäßige Verzögerung der
Strömung über dem ganzen Strömungskanalquerschnitt zu erreichen. Während dieser Umwandlung treten jedoch Fluidenergieverluste
auf, die den Wirkungsgrad der Diffusorumwandlung begrenzen.
Es sind bereits viele Diffusorkonstruktionen bekannt, um die Fluidenergxeverluste zu begrenzen und um einen hohen
Wirkungsgrad zu erhalten. Im allgemeinen kann ein gut
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konstruierter Diffusor, der einen insgesamt konisch geraden Wandverlauf und einen relativ niedrigen Aufweitungswinkel
hat, etwa 80 % seiner kinetischen Eintrittsenergie in meßbaren statischen Druck umwandeln. Viele Variationen dieser
Konstruktion sind bereits bekannt geworden. Manche Diffusoren sind zweidimensional, indem der längliche Kanal nur in einer
Ebene sich aufweitet. Andere Diffusoren sind mit axial gekrümmten Wänden und mit innen befestigten Aufteilungsflügeln,
Wirbelgeneratoren usw. versehen. Im allgemeinen haben jedoch diese konstruktiven Abwandlungen nicht zu größeren Erhöhungen (das heißt um 1 % oder mehr) des Diffusorwirkungsgrads geführt.
Eine gleichmäßige Verzögerung des strömenden Fluids und eine maximale Umwandlung des Fluidimpulses in statischen Druck
kann nicht erzielt werden, wenn größere Geschwindigkeitsunterschiede quer zur Fluidetrömung auftreten. Diese Schwierigkeit nimmt zu, wenn ein· relativ langsame oder ruhende Grenzschicht an der Innenfläche des Diffusere auftritt. Manchmal
wird diese Schwierigkeit so grot, das 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 Wirbeln ab, die intermittierend oder ständig vorhanden sind und die normalerweise glatt divergierenden
Stromlinien in eine parallele Strömung verformen, was zu unerwünschten Verlusten des Systemwirkungsgrads führt. Infolge
der im wesentlichen ruhenden Grenzschicht des Fluids wird der Kern der Fluidströmung im Diffusor nicht so stark verzögert, wie eti 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.
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grad können große Kosteneinsparungen dunh relativ kleine
Verbesserungen des Diffusorbetriebs erreicht werden. Daher ist es wichtig, bei derartigen Diffusoren einen möglichst
hohen Energieumwandlungsgrad zu erreichen.
Durch die Erfindung wird ein Mehrstufendiffusor angegeben,
der zwischen dem Diffusoreinlaß und -auslaß mindestens eine Regenerationsstufe hat, deren Aufweitungswinkel wesentlich
kleiner als der zum Einlaß und Auslaß benachbarten Stufen ist. Wenn zwei oder mehr Regenerationsstufen verwendet
werden, haben die Stufen zwischen den Regenerationsstufen einen AufWeitungswinkel, der wesentlich größer als der der
Regenerationsstufen ist. Im allgemeinen haben diese Zwischenregenerationsstufen im wesentlichen den gleichen Aufweitungswinkel
wie die Stufen am Diffusoreinlaß und -auslaß.
Obwohl der Diffusor jeden gewünschten Querschnitt wie ein Rechteck oder eine Ellipse aufweisen kann, werden die
besten Ergebnisse erzielt, wenn der Querschnitt im wesentlichen kreisförmig ist, so daß die Diffusionsstufen im wesentlichen
konisch und die Regenerationsstufen im wesentlichen zylindrisch sind.
Der Diffusorbetrieb wird durch 1-6 Regenerationsstufen
im Diffusorkörper verbessert. Im allgemeinen wird die größte
Erhöhung des Energieumwandlungsgrads mit 1-4 Regenerationsstufen
erzielt. Die besten Ergebnisse werden gewöhnlich mit 3 Regenerationsstufen gewonnen.
Obwohl gewünschtenfalls jede geeignete Regenerationsstufenlänge
infrage kommt, ist die optimale Länge für jede Regenerationsstufe im allgemeinen gleich dem Produkt von
seinem Einlaßdurchmesser und seiner Lagenummer gerechnet vom Diffusoreinlaß her. So würde die erste Regenerationsstufe
eine Länge etwa gleich ihrem Durchmesser, die zweite Regenerationsstufe eine Länge etwa ihrem doppelten Durchmesser
usw. haben.
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Jede geeignete Aufweitung (definiert als das Verhältnis der aufgeweiteten Austrittsfläche zur Eintrittsfläche) kann
in jeder Aufweitungsstufe verwendet werden. Vorzugsweise ist
für einen hohen Impulsumwandlungsgrad das Verhältnis von Austrittsfläche zu Eintrittsfläche in irgendeiner Aufweitungsstufe
etwa gleich dem Verhältnis der Diffusorauslaßflache zu
der Diffusoreinlaßfläche, multipliziert mit der Quadratwurzel
von 1 plus der Anzahl der Regenerationsstufen. Diese Beziehung kann ausgedrückt werden durch die Gleichung
| Rs = R D 4TTH, wobei
R0 das Flächenverhältnis des betreffenden Expansionsstufenauslasses
zum Expansionsstufeneinlaß, R_ das Flächenverhältnis des Diffusorauslasses zum Diffusoreinlaß sowie N die Anzahl
der Regenerationsstufen ist.
Jedes geeignete Flächenverhältnis von Diffusorauslaß 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 niedrigeren Impulsumwandluiigsgrad
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 Gesamtdiffusor kann jeden geeigneten Aufweitungswinkel haben. Der AufWeitungswinkel ist der Winkel zwischen der
Mittellinie des Diffusors und einer Linie, die zwischen der Diffusorwand am Einlaß des Diffusors und der Wand am
Diffusorauslaß gezogen 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
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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 v/o r den.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigens
Pig. 1 schematisch die Gaschwindigkeitsprofil® in einem
bekannten Diffusor und in einem Diffusor gemäß der Erfindung?
Fig. 2 in Kurvenform den erhöhten Diffusorwirkungsgrad
für einen Mehrstufendiffusor? und
Fig. 3 einen Schnitt durch eine scliematisch abgebildete
Strahlpumps mit dem Diffusor gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 sind schematisch zwei Diffuseren abgebildet.
Der obere Diffusor 10 ist ein konischer Diffusor mit bekanntem Verlauf, während der untere Diffusor 11 ein Mehrstufendiffusor
gemäß der Erfindung ist. Jeder dieser Diffusoren hat das gleiche Verhältnis von Diffusorauslaßfläche
zu Diffusoreinlaßfläche, den gleichen Diffusoraufweitungswinkel
und die gleiche Gesamtlänge. Jeder Diffusor hat eine zylindrische Einlaßstufe 12, die z. B. ein Windkanalauslaß
oder die Mischstufe einer Strahlpumpe sein kann, und eine zylindrische Auslaßstufe 13, die ein Endrohr, eine Leitung
usw. sein kann.
Fluid strömt durch jeden Diffusor mit der gleichen Anfangsgeschwindigkeit und dem gleichen Anfangsdruck. Die
Geschwindigkeit wird an mehreren Punkten auf senkrecht zur Diffusormittellinie verlaufenden Geraden an Orten A-D
gemessen. Der Geschwindigkeitsgradient über den Diffusordurchmesser an jedem dieser Punkte wird dann aufgetragen.
Es soll daran erinnert werden, daß die Geschwindigkeit nur an den angezeigten Orten gemessen wird und daß die Verschiebung
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der Kurven nach rechts nur eine Anzeige der RelativgeschwinSigkeit
ist.
Wie oben erläutert, führt eine nahezu konstante Geschwindigkeit über den Diffusorquerschnitt zu einem höheren Impulsumwandlungsgrad
als bei einem größeren Verhältnis von maximaler
zu mittlerer Geschwindigkeit der Strömung.
Am Diffusoreinlaß (Ort A) hat der in den Diffusor ©intretende
schnelle Fluidstrahl ein sehr konstantes Gesctaidmäig- keitsprofil
(das heißt ein sehr niedriges Verhältnis voa maximaler zu mittlerer Geschwindigksit) mit einer nur sehr
dünnen Grenzschicht. Die Gesamtgeschwxndigkeit ist hoch, wie
durch die Verschiebung der Kurve nach rechts am abgebildeten Meßort zu sehen ist.
Am Ort B hat der Strahl begönne, seifte Geschwindigkeit zu
verringern und seinen Druck zu erhöhen. Die Geschwindigkeit. fällt wie durch die niedrigere maximale Verschiebung der
Geschwindigkeitsprofilkurve angedeutet ab. im bekannten Diffusor C ist die Geschwindigkeit in der Nähe der Diffusorwand
niedriger als in der Mitte, was anzeigt, daß eine langsame Grenzschicht sich auszubilden begönne*hat* Im Diffusor 11
gemäß der Erfindung befindet sich der Ort B am Ende der ersten Aufweitungsstufe 15. Da der Aufweitungswinkel der Stufe 14
notwendigerweise größer als der GesamtaufWeitungswinkel des
Diffusors 10 ist, hat eine größere Impulsumwandlung stattgefunden.
Das Profil für den Diffusor 11 zeigt jedoch größere Schwankungen des Verhältnisses von maximaler zu mittlerer
Geschwindigkeit über den Diffusor als das Profil am Ort B für den Diffusor 10.
Am Ort C zeigt der Diffusor IO stärker werdende Geschwindigkeitsschwankungen
über den Querschnitt. Die Geschwindigkeit in der Mitte ist bedeutend größer als auf der großen Strömungskanalfläche
in der Nähe der Wände. Im Diffusor 10 befindet sich der Ort C am Ende der Regenerationsstufe 15. Es ist ersichtlich,
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daß das Verhältnis von maximaler zu mittlerer Geschwindigkeit durch die Regenerationsstufe 15 stark verringert worden
ist. Die Geschwindigkeit ist im wesentlichen konstant, wobei nur eine dünne Grenzschicht kleinerer Geschwindigkeit in der
Nähe der Diffusorwand auftritt.
Am Diffusorausgang, nämlich am Ort D, ist der Unterschied
im Geschwindigkeitsprofil und im Verhältnis von maximaler zu mittlerer Geschwindigkeit deutlich zwischen
dem bekannten Diffusor 10 und dem Diffusor 11 gemäß der Erfindung zu sehen. Die Geschwindigkeit variiert stark über
den Querschnitt des Diffusors 10, wobei eine sehr niedrige Geschwindigkeit innerhalb einer großen Strömungsfläche in
der Nähe der Diffusorwand auftritt. Die Geschwindigkeit in der Mitte ist zwischen den Orten C und D im Diffusor 10 nur
wenig gesunken. Dagegen zeigt der Diffusor 11 einen konstanteren Geschwindigkeitsgradienten am Ort D. Die Geschwindigkeit
ist auch in der Mitte niedrig, was eine bessere Umwandlung von Impuls (kinetischer Fluidenergie) in statischen
Druck bedeutet.
Fig. 2 zeigt in Kurvenform den verbesserten Betrieb des Diffusors gemäß der Erfindung, der durch die Verwendung
von Regenerationsstufen bedingt ist. Fig. 2 zeigt C als Funktion von L/D für eine einzelne Regenerationsstufe,
wobei C ein Maß der Biffusorfähigkeit ist, einen relativ
hohen Impuls am Diffusoreinlaß in Druckenergie am Diffusorauslaß umzuwandeln, und L/D das Verhältnis von Regenerationsstufenlänge
zu -durchmesser ist- Genauer gesagt, C wird
durch folgende Gleichung berechnets
C =
2 g
wobei P die Änderung im statischen Druck vom Diffusoreinlaß
wobei P die Änderung im statischen Druck vom Diffusoreinlaß
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zum Diffusorauslaß, y die Fluiddichte, V die mittlere
Einlaßgeschwindigkeit und g eine Proportionalitätskonstante zwischen Kraft und Impuls ist.
Die in Fig. 2 angegebenen Werte für C wurden durch
Prüfen von Diffusoren, die Regenerationsstufen unterschiedlicher
Länge hatten, in einem geschlossenen Rohrsystem erhalten. Wasser wurde durch den Prüfdiffusor in unterschiedlichen.Durchflußmengen
gepumpt, während Druck und Geschwindigkeit gemessen wurden. Es wurde festgestellt, daß abgesehen
t von kleinen Änderungen im Betrieb infolge Reynoldszahl-Effekten
ein gegebener Diffusor ein im...wesentlichen konstantes Verhalten (das heißt einen konstanten Wert C)
innerhalb eines großen Durchflußmengenberexchs zeigte.
Für diese Prüfung wurde ein Diffusor mit einer Länge von etwa 68,5 cm (27 Zoll) und einem Verhältnis von Austrittsfläche
zu Eintrittsfläche von etwa 6 verwendet. Dieser Diffusor war an einer Stelle etwa 23 cm (9 Zoll) von dem
Eintritt lösbar, so daß eine Regenerationsstufe einsetzbar war. ' "
Gemäß Fig. 2 ergab ein Diffusor ohne Regenerationsstufe
(L/D = 0) für C 0,864. Wenn Regenerationsstufen init
zunehmender Länge zwischen die benachbarten Aufweitungsstufen eingesetzt werden, steigt C auf etwa 0,872 bei L/D = 1 an
und beginnt dann abzusinken. Daher war für den Prüfdiffusor eine einzelne Regenerationsstufe mit L/D ungefähr gleich 1
optimal. Ein weiterer Anstieg von C kann durch zusätzliche getrennte Regenerationsstufen wie oben erläutert erreicht
werden. Z.B. steigt mit einer ersten Stufe mit einem Verhältnis L/D von etwa 1 und einer zweiten Regenerationsstufe mit
einem Verhältnis L/D von etwa 2 C auf etwa 0,877.
Die optimale Regenerationsstufenlänge, Aufweitungsstufenflächenverhältnisse
usw. können innerhalb der oben angegebenen Grenzen leicht schwanken, was von den speziellen
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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.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Strahlpumpe mit dem 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, einer Regenerationsstufe 103 und
einer zweiten Aufweitungsstufe 104 sowie aus einem Endrohr 105. Das Treibfluid tritt durch die Düse 106 mit hoher Geschwindigkeit
ein, während das Förderfluid durch die Einlaßstufe 100, die die Düse 106 umgibt, eintritt. Wie oben ausgeführt
wurde, kann der Diffusor mehrere Regenerationsstufen aufweisen, obwohl der Übersichtlichkeit wegen in
Fig. 3 nur eine abgebildet ist.
Dieser Diffusor erhöht den Strahlppnpenwirkungsgrad
beträchtlich gegenüber der gleichen Strahlpumpe mit einem üblichen, konstant sich aufweitenden Diffusor. 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.
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Claims (1)
- 3. Juni 1969 EH/St Meine Akte: G-2401PatentansprücheDiffusor zur umwandlung von Fluidimpuls in statischen Druck in einem Fluidströmungssystem, mit einem länglichen Hohlkörper, der einen Fluideinlaß an einem Ende und einen Pluidauslaß am entgegengesetzten Ende hat, dadurch ^ gekennzeichnet , daß die Auslaßfläche größer ™ als die Einlaßfläche ist, daß jeweils eine konische Aufweitungsstufe (14, 16) an dem Einlaß und dem Auslaß vorhanden ist, wobei die Aufweitung zum Auslaß erfolgt, und daß zwischen den beiden Aufweitungsstufen mindestens eine Regenerationsstufe (15) mit einem Aufweitungswinkel vorhanden ist, der wesentlich kleiner als der Aufweitungswinkel der beiden Aufweitungsstufen ist.2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß 1-6 voneinander getrennte, im wesentlichen zylindrische Regenerationsstufen (15) zwischen den beiden Aufweitungsstufen (14, 16) vorhanden sind undk daß eine zusätzliche Aufweitungsstufe sich zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von Regenerationsstufen befindet, und daß alle Aufweitungsstufen den gleichen Aufweitungswinkel haben.3. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dae drei voneinander getrennte, im wesentlichen zylindrisch· Regenerationsstufen (15) zwischen den beiden Aufw»itungsstufen angeordnet sind und eine zusltzliehe Aufweitungsstufe sich zwischen jeden aufeinanderfolgenden Paar von Aufweitungsstufen befindet,, und dae alle909851/1284BAD ORIGINALAufweitungsstufen ungefähr den gleichen Aufweitungswinkel haben.4. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede Regenerationsstufe (15) im
wesentlichen zylindrisch ist und eine Länge ungefähr gleich dem Durchmesser der Regenerationsstufe multipliziert mit ihrer Lagenummer, gerechnet vom Diffusoreinlaß, hat.5- Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von Auslaßfläche zur Einlaßfläche jeder Aufweitungsstufe ungefähr gleich dem
Verhältnis der Diffusorauslaßfläche zur Diffusoreinlaßfläche multipliziert mit der Quadratwurzel von 1 plus der Anzahl der Regenerationsstufen ist.6. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , ä&B das Verhältnis der Diffusorauslaßflache zur Dififusareinlaßflache etwa 1,5 - E beträgt.7. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von Diffusorauslaß- flache zn Diffusoreinlaßfläche etwa 6 beträgt.8« Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Diffusorauf Weitungswinkel etwa1-7° feeträgt.9. Diffusor nach Ä-isprueli 1, dadur-'cli gekenn- z e i c Ii net , daß der Diffusoraüfy/eitungswizikel etwa 2,2° beträgt.909851/128Leerseite
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