DE2625422A1

DE2625422A1 - Rueckverwandlung von drallstroemungsenergie in druckenergie

Info

Publication number: DE2625422A1
Application number: DE19762625422
Authority: DE
Inventors: Ernst-August Dipl I Bielefeldt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-06-05
Filing date: 1976-06-05
Publication date: 1977-12-08
Also published as: JPS52149601A; AU506452B2; ZA773289B; DE2625422C3; AU2565877A; IT1082365B; CH623896A5; DE2625422B2; DD130167A5; US4190078A; FR2353738A1; AU2563877A; ES459506A1; GB1541952A; SE7704456L

Description

Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Riickverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie.

Bei Anlagen zur Stofftrennung mittels Fliehkraft tritt beim Verlassen des Abtrenngehäuses je nach Art der Anlage eine mehr oder weniger stark drallbehaftete Strömung in die Rohrleitungen ein. Da die Drallenergie innerhalb der Rohrleitung an sich verloren ist, kann es unter Umständen sinnvoll sein, die Drallenergie durch geeignete Einrichtungen zurückzugewinnen. Hierdurch kann der Energiebedarf der Anlage stark gesenkt werden. Es sind auch schon verschiedene Lösungen zur Rückverwandlung von Drall- in Druckenergie bekannt geworden.

Es ist in dem vorliegenden Zusammenhang beispielsweise bekannt, sogenannte Dralldiffusoren zu verwenden. Hier wird die Drallströmung in ein sich erweiterndes Rohr geleitet. Dabei werden die Umfangs- und die Meridiankomponente der Strömungsgeschwindigkeit infolge der anwachsenden Querschnittsfläche verzögert, so daß Druckenergie zurückgewonnen werden kann. Der Dralldiffusor hat jedoch den Nachteil ungünstiger Strömungsführung. Außerdem weist die austretende Strömung noch immer einen Restdrall auf. Hierdurch ist ein unmittelbarer übergang auf eine parallele Rohrströmung nicht möglich.

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Eine andere Art der Rückgewinnung von Drallenergie arbeitet mit Hilfe eines Spiralgehäuses. Hier tritt die Drallströmung senkrecht zur Ebene der Spirale in deren Zentrum in das meist flache Gehäuse ein und verläßt dieses durch eine tangentiale Austrittsöffnung. Ein Nachteil derartiger Gehäuse besteht darin, daß die Strömung auf ihrem Weg vom Zentrum der Spirale zu deren Außenwand ungünstig geführt ist. Hierdurch treten Strömungsverluste auf, durch die die Wirksamkeit des Gehäuses stark herabgemindert wird. Konstruktive Nachteile ergeben sich dadurch, daß Ein- und Austrittskanal einen rechten Winkel bilden.

Ein weiteres Verfahren zur Rückgewinnung von Drallenergie arbeitet mit Hilfe eines Axial-Leitapparates. Hier wird die drehende Rohrströmung durch Anordnung eines Zentralkörpers in eine Ringströmung umgewandelt und dann mit Hilfe eines Leitschaufelkranzes in die Längsrichtung umgelenkt. Hierdurch kann die Umfangskomponente weitgehend abgebaut werden, so daß am Ende des Zentralkörpers eine hinreichend parallele Rohrströmung vorherrscht. Diese Einrichtung arbeitet jedoch bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten mit größeren Verlusten, da die Umwandlung von Drall- in Druckenergie hier auf sehr kurzem Strömungsweg erfolgt. Außerdem erfordert die kurze Umwandlungsstrecke eine sorgfältige Anpassung der Leitschaufeln an einen vorgegebenen Betriebszustand. Bei Abweichungen von diesem Betriebszustand arbeitet dieser Apparat immer mit höheren Strömungsverlusten.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie zu realisieren, die sich durch folgende Merkmale auszeichnet:

1. Parallele Rohrströmung am Ausgang der Einrichtung und

2. gute Wirksamkeit auch bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten der Drallströmung.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein drehsymmetrischer Zentralkörper derart innerhalb einer drehsymmetrischen Erweiterung einer Rohrleitung angeordnet ist, daß der verbleibende

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drehsyiranetrische Hohlraum für ein stromab bewegtes Volunenelement nacheinander folgende Abschnitte bildet:

1. Einen sanften Übergang von axialer auf radial nach außen verlaufender Strömung,

2. einen Plattendiffusor,

3. eine ringförmige Umlenkzone,

4. einen Führungsbereich mit radial nach innen gerichteter Strömungskomponente und

5. einen sanften übergang vom Führungsbereich auf axiale Rohrströmung,

wobei im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten Leitschaufeln mit meridional ausgerichteten Hinterkanten angeordnet sein können.

Die Erfindung ist anhand der folgenden Abbildungsbeschreibung näher erläutert. Es zeigen

Abb. 1 einen Fliehkraftabscheider mit zwei erfindungsgemäßen Einrichtungen,

Abb. 2 Schnitt Α-Λ aun Abb. 1
Abb. 3 Schnitt B-B aus Abb. 1

Abb. 4 eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemiißen Einrichtung ohne Beschleunigung im Führungsbereich und

Abb. 5 eine weitere Ausgestaltung mit großem Austrittsquerschnitt.

Abb. 1 und 2 zeigen eine Wirbelabscheidekammer 1 z.B. nach der DT-OS 21 60 415 mit zwei aufgesetzten erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Rückverwandlung von Drallenergie in Druckenergie. Die Wirkungsweise der Abscheidekammer 1 wird durch Abb. 2 erläutert. Der Wirbel im Innern der Kammer 1 wird durch die Tangentialströmung x-y und eine Absaugung durch die Tauchrohre 2 angetrieben. Die erfindungsgemäßen Einrichtungen sind überall dort einsetzbar, wo rückgswinnbare Drallenergie innerhalb strömender Medien anfällt, z.B. auch bei Zyklonen. Die Einrichtungen bestehen jeweils aus einem Tauchrohr 2, mit einem sanften übergang 3 von axialer auf radial nach außen verlaufender Strömung, einem Plattendiffusor 4,

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einer ringförmigen ümlenkzone 5, einem Führungsbereich 6 mit radial nach innen gerichteter Strömung einem sanften tlbergang7 vom Fünrungsbereich 6 auf axiale Strömung und einer Austrittsleitung 8. Die Strömung innerhalb der Wirbelkammer 1 weist einen sehr hohen Drall auf. Unter dem Einfluß einer Absaugung tritt ein drallbehafteter Medienstrom in das Tauchrohr 2 ein. Nach kurzer axialer Laufstrecke tritt die Drallströmung in den sanften Mbergang 3 ein, der die Drallströmung mit geringstmöglichen Energievarlusten in eine ringförmige Drallströmung umwandelt, die schließlich in radiale Richtung übergeht. In dieser Richtung tritt die Drallströmung bereits mit einem gewissen Rückgewinn an Druckenergie (da sich ja die radiale Distanz bereits geändert hat) in den Plattendiffusor 4 ein, in dem der weitaus größte Teil der Drallenergie in Druckenergie zurückverwandelt wird. Dies beruht auf der Abnahme der Umfangsgeschwindigkeit u bei zunehmendem Radius r etwa nach der Beziehung

_ Konst.

wobei der Exponent m einen Wert um 1 annehmen kann. An seinem Umfang mündet der Plattendiffusor in die strömungstechnisch günstig geformte Ümlenkzone 5. Hier wird die Strömung weiter verzögert, gleichzeitig umgelenkt in die Richtung radial nach innen und dabei wieder etwas beschleunigt, was geringere Umlenkverluste ergibt. In der Kammer 5 wirkt sich deren Rotationssymmetrie auf das Strömungsfeld verlustmindernd aus. An jeder Stelle des Umfangs herrscht gleichartige, also quasi zweidimensionale Strömung. Nach der Umlenkung um 180° oder etwa um 180° nach innen gelangt die Strömung in den Führungsbereich 6. Hier sind Leitschaufeln 9 mit radial nach innen ausgerichteten Hinterkanten angeordnet, wie dies aus Abb. 3, einem Schnitt vorwiegend durch den FUhrungsbereich, zu ersehen ist. Die radialen Leitschaufeln sind im dargestellten Beispiel mit stumpfen Vorderkanten versehen. Hierdurch sollen eventuelle Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit mit möglichst geringen Strömungsablösungen in den Nasenbereichen in Radialkomponenten verwandelt werden. Die Schaufeln 9 sind hier am Beispiel einer einfacheren Einrichtung gerade ausgeführt. Zwecks besserer Anpassung an besondere Strömungsbedingungen sind auch gekrümmte Schaufeln 9

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mit schärferen Nasen denkbar. Die Anzahl der Schaufeln 9 ist nicht

durch das dargestellte Beispiel festgelegt, sondern ergibt sich aus den jeweiligen Auslegungskriterien. Nach dem Verlassen des Fiihrungsberelches 6 mit den Schaufeln 9 gelangt die Strömung in den Ubergangsbereich 7, wo sie als reine Meridianströmung in die parallele Rohrströmung 8 umgewandelt wird.

Abb. 4 zeigt eine andere Ausgestaltung der Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallenergie mit dem Tauchrohr 20, dem Ubergangsbereich 21, dem Plattendiffusor 22, der Umlenk- und Verzögerungskammer 23, dem Führungsbereich 24, dem Ubergangsbereich 25 und der Austrittsleitung 26. Hier ist die Strömung gegenüber der vorbeschriebenen Beispielsausführung ab Austritt Plattendiffusor derart verändert, daß sowohl in der Verzögerungskammer 23 als auch im FUhrungsbereich 24 keine nennenswerte Beschleunigung mehr stattfindet. Durch geeignete Auslegung des Strömungsquerschnitts kann hier die Meridiangeschwindigkeit konstant gehalten oder sogar verzögert werden, so daß diese Bereiche ebenfalls als Diffusor wirken. Die im Führungsbereich 24 angeordneten Leitschaufeln können in der Gestaltung dem vorherrschenden Strömungsfeld angepaßt werden. An den Hinterkanten müssen die Schaufeln jedoch in Meridian-Richtung ausgerichtet sein, damit die abfließende Strömung keine Umfangskomponente aufweist. Nach der sanften Umlenkung innerhalb des Ubergangsbereiches 25 gelangt das strömende Medium drallfrei in die Austrittsleitung 26. Zum weiteren Druckrückgewinn kann noch ein hier nicht dargestellter Rohrdiffusor nachgeschaltet werden.

Abb. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit dem Tauchrohr 30, dem Plattendiffusor 31, dem Zentralkörper 32, der Umlenkzone 33, dem FUhrungsbereich 34, dem Diffusor 35 und der Austrittsleitung 36. Diese Form der Einrichtung ergibt sich, wenn die Außenwand der Einrichtung nach Abb. 4 ab der Umlenkzone 23 bis zur Austrittsleitung 26 auf den konstanten Durchmesser d aufgeweitet und der Zentralkörper stromab verlängert wird. Hier erfolgt der Strömungsverlauf vom Tauchrohr 30 bis zur Umlenkzone wie z.B. bei der Einrichtung nach Abb. 4. An die Umlenkzone 33 schließt sich der mit Leitschaufeln ausgestattete Führungsbereich 34 an, der unmittelbar in den Diffusor 35 mit vorwiegend axialer

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Strömung übergeht. Der Diffusor 35 stellt gleichzeitig einen sanften übergang vom Führungsbereich 34 auf die axiale Strömung innerhalb der Austrittsleitung 36 dar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der sich stromab verjüngende Teil des Zentralkörpers 32 in einfacher Weise durch eine Kegelfläche entsprechend der Kontur a gebildet. Der Wirkungsgrad des Diffusors kann erhöht werden, wenn der Zentralkörper 32 entsprechend einer Kontur b ausgestaltet wird.

Da die Umlenkverluste durch die Schaufeln bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit ν mit ν anwachsen, ist es zweckmäßig, die Schaufeln in einen Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu legen. Dies ist in allen gezeigten Beispielausführungen der Fall. Eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Umlenkverluste besteht darin, daß die Schaufeln in einem Bereich mit beschleunigter Strömung, d.h. mit negativem Druckgradienten angeordnet werden, wie dies in Abb. 1 dargestellt ist. Hierdurch werden Strömungsverluste infolge Strömungsablösung weitgehend vermieden. Unter bestimmten Umständen kann es zweckmäßig sein, daß man einen gewissen Anteil von Drallenergie in der die Einrichtung verlassenden Strömung toleriert, um zu einfacheren Ausführungen zu gelangen. In diesen Fällen können die Schaufeln weggelassen werden.

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Patentansprüche

Claims

MESSERSCHMITT-BÖLKOW-BLOHM - /- Ottobrunn, 3. Juni 1976 GESELLSCHAFT /BT014 - Frc/Schö MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG MÜNCHEN 8004 262^422 Patentansprüche

1.) Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehsymmetrischer Zentralkörper (Z) derart innerhalb einer drehsymmetrischen Erweiterung (E) einer Rohrleitung angeordnet ist, daß der verbleibende drehsymmetrische Hohlraum für ein stromab bewegtes Volumenelement nacheinander folgende Abschnitte bildet:

a) Einen sanften übergang (3, 21, 30a)

von axialer auf radial nach außen verlaufende Strömung,

b) einen Plattendiffusor (4, 22, 31),

c) eine ringförmige Umlenkzone (5, 23, 33),

d) einen Führungsbereich (6, 24, 34) mit radial nach innen gerichteter Strömungskomponente und

e) einen sanften übergang (7, 25, 35) vom Führungsbereich auf axiale Rohrströmung.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Führungsbereiches (6, 24, 34) Leitschaufeln mit meridional ausgerichteten flinterkanten angeordnet sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strömungsquerschnitt innerhalb des Führungsbereiches (6, 24) stromab verengt.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt innerhalb des Führungsbereiches (6, 24) stromab konstant bleibt.

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CRJGiNAL INSPECTED

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5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strömungsquerschnitt innerhalb des Führungsbereiches (6, 24) stromab erweitert.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich

(34) unmittelbar in den Diffusor (35) übergeht, der durch die Außenwand und den kegelig verlängerten Teil des Zentralkörpers gebildet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (32) entsprechend einer Kontur (b) ausgestaltet ist.

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