DE2636524A1

DE2636524A1 - Diffusor kurzer baulaenge fuer hohes druckverhaeltnis im unterschallbereich und verfahren zur umsetzung kinetischer energie in druck

Info

Publication number: DE2636524A1
Application number: DE19762636524
Authority: DE
Inventors: Giusto Fonda-Bonardi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-09-02
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1977-03-03
Also published as: DE2636524B2; US4029430A; FR2323041A1; JPS5232106A; NO763025L; IT1071429B; AU1737576A; SE7609488L

Description

Patentanwälte

DIPL-ING. J. RICHTER DIPL.-!»?!. ?. WEnDEiIEVlAMN DIPL-IN3. R. S^LANEMANN DIPL.-CHEM. DR. B. REITZNER Neuer Wall 10 - 2000 HAMBURG 36

2065-1-2847

-III-2848 F. 76 130 Fl 11. August 1976

Giusto Fonda-Bonardi 2075 Linda Flora Drive Los Angeles, Kalif. 90024 (V. St. v. A.)

Diffusor kurzer Baulänge für hohes Druckverhältnis im Unterschallbereich und Verfahren zur Umsetzung kinetischer Energie in Druck.

(Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser. No. 609 vom 2. September 1975 in Anspruch genommen.)

Die Erfindung betrifft einen Diffusor kurzer Baulänge für eine Strömungsmaschine, in welcher ein Teil der kinetischen Energie eines sich fortbewegenden Strömungsmittels in Druck umgesetzt wird, sowie ein entsprechendes Verfahren. Der Diffusor und das Verfahren stellen insbesondere eine Verbesserung gegenüber den in den US-PS 3 564 850 und 3 599 431 des Anmelders beschriebenen Strömungsmaschinen dar.

Die Wirkungsweise der sogenannten Diffusor ergibt sich aus der Formgebung der die Strömung eines Mediums begrenzenden festen Wände, wobei keine beweglichen Teile verwendet werden. Für Diffusoren gibt es viele interessante praktische Anwen-

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dungsmöglichkeiten wie z.B. in Schubdüsen (Ejektoren) und im Auslaßbereich von Kreiselpumpen. Ganz allgemein gilt, daß das in eine Schubdüse injizierte oder dem Laufrad einer Kreiselpumpe zugeführte Strömungsmittel sehr hohe kinetische Energie an das gepumpte Medium abgeben kann, welches somit eine hohe Geschwindigkeit annimmt. Wenn eine Schubdüse oder eine Kreiselpumpe statt Strömungsmittel hoher Geschwindigkeit einen hohen Druckanstieg liefern soll, muß die hohe Geschwindigkeit in einem Diffusor herabgesetzt und die dabei gewonnene kinetische Energie in Strömungsmitteldruck umgesetzt werden.

In der vorgenannten ÜS-PS 3 599 431 des Anmelders ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit eines Diffusors beschrieben. Bei dieser Anwendung muß im Diffusor ein Strömungsmittel wie z.B. ein kompressibles Gas, das sich bei seinem Eintritt in den Diffusor nahezu mit Schallgeschwindigkeit fortbewegt, verlangsamt, und am Auslaß des Diffusors ein in der Nähe des Stagnationsdrucks liegender statischer Druck erzeugt werden. Das einer Änderung der Machzahl von M= 1 zu M= 0,1 oder niedriger entsprechende Druckverhältnis ist (innerhalb" einiger Prozent) nahezu gleich dem kritischen Druckverhältnis des kompressiblen Mediums, und ein derartig hohes Druckverhältnis übersteigt die Möglichkeiten der meisten bekannten Diffusoren. Da die Anwendung von Diffusoren in Pumpen und anderen Strömungsmaschinen hinlänglich bekannt und nicht mit besonderen Problemen behaftet ist, wird der erfindungsgemäß vorgeschlagene Diffusor der besseren Anschaulichkeit halber im nachstehenden anhand der in der ÜS-PS 3 599 431 dargestellten Vorrichtung beschrieben. In diesem Zusammenhang sei ausdrücklich angemerkt, daß der Diffusor jedoch nicht auf den hier beschriebenen Anwendungszweck beschränkt _e sondern ganz allgemein zur Umwandlung kinetischer Energie eines sich fortbewegenden Strömungsmittels in Druck in allen entsprechenden Strömungsmittelmaschinen geeignet ist.

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Die erwünschte Umsetzung von kinetischer Energie in Druck erfolgt dann, wenn sich das Strömungsmittel (mit Unterschallgeschwindigkeit) durch einen Kanal hindurch fortbewegt, dessen Querschnitt in Fortbewegungsrichtung zunimmt. In seiner einfachsten Form besteht der Diffusor aus einem sich konisch erweiternden Kanal, und konische Diffusoren dieser Art sind bekannt und weit verbreitet. Konische Diffusoren sind jedoch hinsichtlich des höchsten, anwendbaren Druckverhältnisses stark einengenden Beschränkungen unterworfen.

Die stärkste Einschränkung ergibt sich aufgrund Grenzschichtablösung im entgegengesetzten Druckgradienten, der entlang der Diffusorwand herrscht, wie in der US-PS 3 599 431 (Spalte 2, Zeilen 18 ff.) beschrieben ist. Wenn nun versucht wird, diese Grenzschichtablösung durch Verringerung des Druckgradienten zu verhindern, muß der Diffusor eine sehr große Baulänge aufweisen (entsprechend der Faustregel, daß der konische Erweiterungs- oder öffnungswinkel klein sein und typischerweise zwischen 5 bis 7° betragen muß). Vermittels eines sehr langen konischen Diffusors mit kleinem öffnungswinkel läßt sich natürlich Grenzschichtablösung vermeiden, jedoch nur auf Kosten des Verlustes eines beträchtlichen Teils der ursprünglich zur Verfügung stehenden kinetischen Energie aufgrund von Wandreibung. Folglich liegt der Nettowirkungsgrad eines einwandfrei konstruierten konischen Diffusors selten über 80 % und nahezu in keinem Falle über 90 %.

Bei der in der US-PS 3 599 431 beschriebenen Vorrichtung ist ein Druckausbeutewirkungsgrad (pressure recovery efficiency) von 97 % oder höher zum einwandfreien Betrieb erforderlich, weswegen die Verwendung herkömmlicher Diffusoren nicht in Frage kommt. Außerdem wird aufgrund der geometrischen Ausbildung der Turbinenkupplung der Einsatz eines konischen Diffusors unmöglich gemacht, so daß ein Diffusor der in dieser US-PS beschriebenen Ausführung, insbesondere in der Ausge-

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staltung nach dem dortigen Anspruch 9, verwendet werden muß. Dieser Diffusor weist aufgrund seiner kurzen Baulänge sehr geringe Reibungsverluste auf und ermöglicht daher die Erzielung des gewünschten Druckausbeutewirkungsgrads, entwickelt jedoch andererseits aufgrund seiner kurzen Baulänge notwendigerweise hohe Druckgradienten entlang seiner Wandung und neigt daher zu Grenzschichtablösung.

Aufgabe der Erfindung ist nunmehr die Schaffung eines Diffusors kurzer Baulänge für eine Strömungsmaschine, welcher die Erzielung hoher Druckverhältnisse gestattet, keinerlei Beschränkungen aufgrund einer Grenzschichtablösung im Bereich des entgegengesetzten Druckgradienten unterworfen ist und einen Druckausbeutewirkungsgrad von über 95 % liefert, sowie eines besonders wirksamen Verfahrens zur Umsetzung kinetischer Energie in Druck.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Diffusor kurzer Baulänge ist dadurch gekennzeichnet, daß der divergierende Auslaßabschnitt des Diffusors eine kurze Baulänge, großen öffnungswinkel und eine zur Verhinderung von Grenzschichtablösung des hindurchtretenden Mediums von der Diffusorwandung dienende Vorrichtung aufweist.

Entsprechend dem weiterhin vorgeschlagenen Verfahren zur Umsetzung kinetischer Energie in Druck wird durch Einführen von Strömungsmittel an den divergierenden Kanalwänden in das sich im Kanal fortbewegende Strömungsmittel das Moment der Grenzschicht entgegengesetzt dem im Kanal vorherrschenden Druckgradienten gesteigert und dadurch ein Ablösen der Strömungsmittelgrenzschicht von den Kanalwänden beim Hindurchströmen des Strömungsmittels durch den Kanal verhindert.

Der Diffusor und das Verfahren nach der Erfindung sind im nachfolgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

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Fig. 1 ist eine schematische grafische Darstellung

der Strömungslinien und der Isobaren in einem Diffusor nach der Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht

eines Diffusors zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Strömungslinien und den Schlitzen in der Diffusorwandung.

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Diffusor.

Fig. 4 zeigt im Teilquerschnitt die Anwendung des

Diffusors von Fig. 3 auf die Strömungsmaschine der US-PS 3 599 431.

Fig. 5 ist ein Teilquerschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 4.

Die Erfindung stellt grundsätzlich eine Weiterentwicklung der in den US-PS 3 564 850 und 3 599 431 des Anmelders beschriebenen Strömungsmaschine dar, in welcher die kinetische Energie eines sich fortbewegenden Strömungsmittels in einen Strömungsmitteldruck umgesetzt wird. Der in der US-PS 3 599 431 beschriebene Diffusor ist gekennzeichnet durch axialsymmetrischen Durchfluß, wobei jede Strömungslinie eine durch Achse, Meridianebene verlaufende Ebene entlang einer Kurve schneidet, welche eine kubische Hyperbel nach der Gleichung

ζ r² = c (1)

ist, in welcher ζ der Abstand von der Endplatte, r der Halbmesser und c eine Konstante ist. Die Flächen gleichen Drucks, die Isobarenflächen, sind abgeflachte Ellipsoide, welche sämtliche Meridianebenen entlang elliptischer Kurven schneiden, deren Gleichung angegeben ist z.B. von L. Prandtl und O.G. Tietjens in "Fundamentals of Hydro- and Aeromechanics" (Grundlagen der Hydro- und Aeromechanik), Dover, N.Y., 1957, Seite 144 wie folgt:

4 z² + r² = R_t ² (2)

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In Gleichung (2) ist R. der Halbmesser am Schnittpunkt zwischen Ellipsoid und Endplatte (ζ = 0) entsprechend der Darstellung von Fig. 1, welche mehrere Strömungslinien 101 und 611, mehrere Isobaren 105, 106, die bei ζ = 0 befindliche Endplatte 102 und die Diffusorseitenwand 103 zeigt, welche in Formgebung und Lage mit einer vorbestimmten Strömungslinie der Strömungslinienfamilie zusammenfällt, wie im einzelnen in der ÜS-PS 3 599 431 (Spalte 2, Zeilen 67 ff.) beschrieben ist. In der vorliegenden Beschreibung werden für gleiche Elemente wie bei der genannten US-PS die jeweils gleichen Bezugszeichen verwendet, um Ähnlichkeiten klar erkennbar zu machen.

Zur Berechnung des an jedem Punkt der Diffusorseitenwand herrschenden statischen Drucks und damit des Druckgradienten, welcher die Neigung der Grenzschicht zu Ablösung von der Diffusorseitenwand angibt, muß der diesem Wandpunkt entsprechende wirksame Diffusorquerschnitt berechnet werden. Außerdem muß auf jeder Strömungslinie der Punkt höchsten statischen Drucks gefunden werden, da dieser Punkt wie weiter unten erläutert zur Konstruktion des Diffusors benötigt wird.

Wenn sich ein Element des Strömungsmittels entlang einer Strömungslinie fortbewegt, nimmt der Druck zunächst zu und dann wieder ab, wobei die Geschwindigkeit entsprechend zunächst ab- und dann wieder zunimmt. Der Punkt maximalen Drucks befindet sich an der Stelle, an welcher die Strömungslinie tangential zu einer Isobaren verläuft, so z.B. an Punkt T in Fig.1. Dieser Punkt läßt sich durch Differenzieren der Gleichungen (1) und (2) und Gleichsetzen der beiden Ableitungen erhalten:

= - 4z/4 . und durch Einsetzen in Gleichung (1):

Somit ergibt sich _ _aA 5,2

= r_t/ Vs" = (c/8)^1/3 (3)

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In Gleichung (3) sind z_fc und r_fc die Koordinaten des Punkts T höchsten Drucks auf der Strömungslinie. Alle diese Punkte liegen auf einer durch den Ursprung verlaufenden und mit der Achse den Winkel arc tang v8 einschließenden Geraden, wie durch die gestrichelte Linie 601 in Fig. 1 dargestellt ist. Die größere Halbachse der durch den Punkt T verlaufenden Isobarenellipse läßt sich finden durch Einsetzen von z. und r. in Gleichung (2)

Der einer die Diffusorwand schneidenden bestimmten Isobarenellipse zugeordnete Druck läßt sich ohne weiteres berechnen, wenn die wirksame Querschnittsfläche des Diffusors als Funktion der Koordinaten eines Punkts der Diffusorwand bekannt ist. Durch Integrieren der Strömung über eine Fläche konstanter Geschwindigkeit wird gefunden, daß die einem Punkt r, ζ der Diffusorwand entsprechende wirksame Fläche A ist

A = IC (2 zR - 8 z³/R)

Der effektive Endbereich des Diffusors oder die vom Durchfluß am Punkt höchsten Drucks auf einer Strömungslinie durchsetzte wirksame Querschnittsfläche läßt sich dadurch finden, daß in diese Gleichung die Koordinaten des Punkts maximalen Drucks auf der Strömungslinie, insbesondere der mit der Diffusorwand zusammenfallenden Strömungslinie eingesetzt werden:

_t = fr_t ²/ YF = 2 7Tc^2/3 / VT (5)

Es ist an dieser Stelle nicht möglich und auch nicht erforderlich, eine vollständige und detaillierte Darstellung des Zusammenhangs zwischen Druckgradient und Grenzschichtzunahme und ggf. auftretender Ablösung zu geben. Daher werden nur einige wenige signifikante Gleichungen angegeben, die in unmittelbarem Zusammenhang mit den Konstruktionsparametern für den Diffusor stehen.

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Das Anwachsen und die Ablösung einer turbulenten Grenzschicht entsprechen im Verhältnis 1:1 der Veränderung eines bestimmten Parameters, nämlich des sogenannten Formfaktors H. Insbesondere eine turbulente Grenzschicht im Bereich des Druckgradienten null ist gekennzeichnet durch den Wert H = 1,4 dieses Parameters. Die Grenzschicht löst sich ab, wenn ein entgegengesetzter Druckgradient dazu führt, daß dieser Parameter auf einen Wert H = 1,8 anwächst. Die Veränderung von H wird angegeben durch die nachstehende Differentialgleichung, welche einem Aufsatz von H. Schlichting mit dem Titel "Boundary Layer Theory" ("Grenzflächentheorie"), veröfftl. McGraw-Hill, New York, 1960, Seite 571 entnommen ist:

dH _ Γ 1 du _W1H (Bx) ^1/61 exp 5 (H - 1,4)

In dieser Gleichung ist u die freie Strömungsgeschwindigkeit, χ die Strecke (Länge) entlang der Wand und C^ der Reibungskoeffizient.

In der Klammer der Gleichung (6) stehen zwei Ausdrücke, welche den Einfluß zweier unterschiedlicher Mechanismen darstellen. Der Ausdruck -(1/u) du/dx beschreibt den Momentenverlust in Längsrichtung aufgrund des entgegengesetzten Druckgradienten, durch den die freie Strömungsgeschwindigkeit u herabgesetzt wird. Der andere Ausdruck stellt die Einwirkung des Momententransports von der Kernströmung zur Wand hin dar und ist als solcher proportional C_f, d.h. dem der Wand erteilten Moment. Das von der Kernströmung stammende Moment wirkt zu einem gewissen Grade dem Moment entgegen, das durch Einwirkung des Druckgradienten verloren geht.

Zur Vermeidung von Grenzschichtablösung darf H nicht über 1 ,8 anwachsen. Daher muß an einer vor dem Punkt, an dem H gleich 1,8 wird, liegenden Stelle in geeigneter Weise eingegriffen werden. Bei herkömmlichen konischen Diffusoren erfolgt ein solcher Eingriff in der Weise, daß der Diffusor eine solche

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Baulänge erhält, bei welcher der Druckgradient und damit du/dx im Vergleich zum zweiten Ausdruck in der Klammer von Gleichung (6) so klein sind, daß dH/dx effektiv gleich null wird und H nicht weiter anwächst. In diesem Falle gleicht die Rate des Momentenübergangs von der Kernströmung zur Grenzschicht gerade den Momentenverlust aufgrund des entgegengesetzten Druckgradienten aus. Da jedoch das von der Kernströmung subtrahierte Moment zum Zwecke der Druckausbeute verloren ist, ergibt sich für den konischen Diffusor ein verhältnismäßig niedriger Wirkungsgrad.

Das entgegengesetzte trifft bei dem hier betrachteten Fall zu. Der Diffusor'kann eine so kurze Baulänge aufweisen und der Druckgradient notwendigerweise so hoch werden, daß der zweite Ausdruck in der Klammer von Gleichung (6) im Vergleich zu du/dx vernachlässigbar klein wird und sich Gleichung (6) vereinfachen läßt zu

S - -^expS (H- 1,4) £ (7)

die unmittelbar zwischen den Grenzwerten H = 1,4 und H = 1,8 integriert werden kann, mit dem Ergebnis

^U1,8 / ^U1,4 - °'⁸⁴² ' wobei U₁ . der Wert der Kerngeschwindigkeit für H = 1,4 und

U₁ ο der Wert der Kerngeschwindogkeit für H = 1,8 ist. Das ι, ο

bedeutet, daß sich die Grenzschicht ablöst, wenn die benachbarte Kerngeschwindigkeit auf den 0,842-fachen Teil des Werts verringert wird, an dem H = 1,4 ist, so daß an dieser Stelle zur Verhinderung von Ablösung ein Eingriff erfolgen muß.

Der bevorzugte Eingriff entsprechend der Erfindung besteht darin, daß eine dünne Schicht Strömungsmittel mit hoher Geschwindigkeit durch einen tangentialen Schlitz in der Diffusorwand in die Grenzschicht eingeblasen wird. Das Strömungsmittel wird dem Schlitz mit einem Anfangsdruck ρ zugeführt, der höher ist als der an dieser Stelle im Diffusor herrschende

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statische Druck ρ, und wird folglich durch den Druckabfall ρ - ρ beschleunigt. Da der Druckgradient auf der Aufstromseite des Schlitzes für das beschleunigte Strömungsmittel günstig ist, weist die in Berührung mit der Wand des Schlitzes stehende Grenzschicht zunächst einen Wert H = 1,4 auf, und diese neue Grenzschicht verbleibt so lange an der Wand, bis ihre Strömungsgeschwindigkeit auf das 0,842-fache des am Einspritzpunkt vorhandenen Werts abgefallen ist. An dieser Stelle kann der Vorgang dann von neuem wiederholt werden.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Diffusor weist daher entsprechend der Darstellung von Fig. 2 eine Anzahl η Schlitze auf, wobei die Anzahl η der Schlitze entsprechend der Darstellung beispielsweise 3 beträgt. Die η Schlitze befinden sich an Stellen, an denen die Strömungsgeschwindigkeit Werte entsprechend einer geometrischen Reihe wie folgt aufweist:

In dieser Reihe ist q das Geschwindigkeitsverhältnis für Ablösung, q = 0,842. Die Breite jedes Schlitzes ist so eng wie möglich unter Berücksichtigung dessen bemessen, daß sie ein turbulentes Vermischen des sich langsam fortbewegenden Strömungsmittels in der Grenzschicht an dieser Stelle gestattet, Anhand Fig. 2 wird daher die ursprüngliche Diffusorseitenwand 103 in der Weise abgeändert, daß sie im Bereich eines ersten Schlitzes 602 in einen scharfkantigen Abströmrand 609 ausläuft. Dieser erste Schlitz 602 befindet sich dabei an der Stelle, an welcher die Kerngeschwindigkeit gleich ist dem q-fachen der Diffusoreintrittsgeschwindigkeit. Die Außenwand 605 des Schlitzes 602 ihrerseits läuft im Bereich eines zweiten Schlitzes 603 in einen scharfkantigen Abströmrand 610 aus. Der zweite Schlitz 603 befindet sich dabei an der Stelle, an welcher die Strömungsgeschwindigkeit gleich ist dem q-fachen

2 der Geschwindigkeit am Schlitz 602 und gleich dem q -fachen der Eintrittsgeschwindigkeit in den Diffusor. Das gleiche

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wiederholt sich für die Außenwand 606 im Bereich eines dritten Schlitzes 604. Wenn keine weiteren Schlitze erforderlich sind, ist die Außenwand 607 vom letzten Schlitz bis zum Rand des Diffusors durchgeführt.

Die Gesamtzahl η der Schlitze, die bei einer bestimmten Konstruktion benötigt sind, wird vorgegeben durch das Geschwindigkeitsverhältnis, welches eine Funktion des Druckverhältnisses zwischen Einlaß und Auslaß des Diffusors ist. Aus Gleichung (8) ergibt sich, daß

η ^ log g / (log u - log u. )

in welcher u die Strömungsgeschwindigkeit am Auslaß des Diffusors ist.

Die Profile der Außenwandsegmente 605, 606 und 607 und ggf. zur Abdeckung des gesamten Geschwindigkeitsverhältnisses erforderlicher weiterer Außenwandsegmente weisen eine solche Formgebung auf, daß sie mit typischen Strömungslinien der der Diffusorkonstruktion zugrundeliegenden Strömungslinienfamilie zusammenfallen, die insbesondere außerhalb der ursprünglichen Diffusorseitenwand verlaufen und beispielsweise der Strömungslinie 611 von Fig. 1 entsprechen. Die Profile werden berechnet durch Zuordnen entsprechender Werte c. , C₂,

C₃, c zur Konstante c in Gleichung (1), wobei c» der

der ursprünglichen Diffusorseitenwand 103 zugeordnete Wert ist. Der Verlauf der entsprechenden Strömungslinien ist in Fig. 2 dargestellt, und diese mit den Symbolen c_Q, C₁, c_ und C₃ bezeichnet. Das letzte Außenwandsegment 607 verläuft bis zu der Stelle 612, an welcher die durch die Konstante c vorgegebene, entsprechende Strömungslinie, entsprechend der Zeichnungsdarstellung η = 3 oder C₃ tangential zur Isobarenellipse 608 verläuft, d.h. die Strömungslinie und die Isobarenellipse eine durch den Ursprung verlaufende und einen Winkel arc tang Y 8 mit der Achse einschließende Gerade schneiden. Die Endplatte 102 ist verlängert von dem Ursprung-

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lichen Halbmesser R. bis zu einem neuen Halbmesser R^o/ welcher gleich ist der großen Halbachse der Ellipse 608.

Die vorstehend beschriebene Geometrie macht in der Praxis drei geringfügige, jedoch nicht vernachlässigbare konstruktive Maßnahmen erforderlich, um eine einwandfreie Arbeitsweise zu erhalten.

Die erste Maßnahme besteht darin, daß das Profil zwischen den Schlitzen so abgeändert werden muß, um die Verdrängungsdicke der Grenzschicht aufzunehmen, damit die Kernströmung möglichst gut dem theoretischen Strömungsverlauf eines auf eine flache Platte auftreffenden, axialsymmetrischen Strahls entspricht. Diese Profiländerung ist genau analog der in der US-PS 3 599 431 beschriebenen Änderung.

Die zweite Maßnahme besteht in den Einzelheiten der baulichen Ausgestaltung des Schlitzes und der Diffusorseitenwände im Bereich der Schlitze. Das turbulente Vermischen der aus den Schlitzen austretenden Strömung mit der Grenzschichtströmung erfolgt in einem Bereich hohen entgegengesetzten Druckgradienten, und die Wandkrümmung in der Meridianebene ruft Zentrifugal- und Corioliskräfte hervor, welche den Mischvorgang gleichfalls beeinflussen. Aus diesen Gründen handelt es sich bei der geometrischen Auslegung im Übergangsbereich nicht um ein triviales Problem, und die beste Lösung läßt sich anhand eines Digitalrechners ermitteln, mit dem die das turbulente Vermischen der Strömungsmittel und das Wachsen der Grenzschicht beschreibenden, verschiedenen Differentialgleichungen integriert werden.

Die dritte Maßnahme ist von Haus aus einfach, führt jedoch zu einer erheblichen Veränderung von Formgebung und Funktion der Endplatte 102. Das ist darauf zurückzuführen, daß der Druck ρ des durch die Schlitze zugeführten Strömungsmittels höher

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sein muß als der auf der Fläche der Isobarenellipse 608 herrschende Enddruck ρ , um Ablösung der Grenzschicht von dem letzten Außenwandsegment 607 zwischen dem letzten Schlitz und dem Endpunkt 612 zu verhindern. Zunächst könnte angenommen werden, daß zum Verdichten des den Schlitzen mit einem p. überschreitenden Druck zugeführten Strömungsmittels eine Pumpe erforderlich ist; es ist jedoch möglich, ohne eine kostspielige und komplizierte Pumpe auszukommen und das Merkmal, daß keine bewegten Teile vorhanden sind, beizubehalten, indem der Strömungsverlauf im Diffusor selbst entsprechend ausgenutzt wird.

Wenn die Anzahl η der Schlitze und die Schlitzabmessungen in der geeigneten Weise bemessen sind, kann der Gesamtmassedurch m durch die Schlitze gleich gemacht und gehalten werden einem verhältnismäßig kleinen Bruchteil (in der Größenordnung von 10 bis 20%) des Massedurchsatzes im Diffusor, und der Speisedruck ρ an den Schlitzen kann höher gewählt werden als der Enddruck p., jedoch niedriger als der Stagnationsdruck ρ des durch d«
mungsmittels. Wenn daher

tionsdruck ρ des durch den Diffusor hindurchtretenden Strö-

P_t < P_s < P₀ ,

gibt es innerhalb des Diffusorgehäuses eine Isobarenellipse 106 zwischen der Endellipse 105 (siehe Fig. 2) und dem mittigen Punkt 104 (siehe Fig. 3), auf welcher der Druck wie aus Fig. 3 ersichtlich dem Wert ρ entspricht oder einen höheren Wert aufweist.

Wenn der Gesamtmassedurchsatz m pf des durch die Schlitze austretenden Strömungsmittels bekannt ist, läßt sich ein durch eine Strömungslinie (Fig. 1) vorgegebener Strömungsausschnitt finden, in welchem der Massedurchsatz gleich ist m_. Da der Massedurchsatz in jedem Strömungsausschnitt proportional ist dem numerischen Wert der Konstanten c in Gleichung (1), ist der entsprechende Wert der Konstante c ,

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welche diese Strömungslinie 101 vorgibt, ganz einfach die Differenz

c=c - c (7)

g η ο ^v '

der entsprechenden Konstanten der Strömungslinien, welche jeweils dem letzten Außenwandsegment und der ursprünglichen Diffusorseitenwand entsprechen, da der Gesamtmassedurchsatz durch die Schlitze in dem Ringraum zwischen den entsprechenden Strömungsbereichen enthalten und daher gleich ist dem auf diese entfallenden Massedurchsatz.

Die durch die Konstante c vorgegebene Strömungslinie 101 und die Isobarenellipse 106 schneiden sich entsprechend der Darstellung in Fig. 3 an einem Punkt q, welcher die Eigenschaft aufweist, daß die durch einen axialsymmetrischen und durch den Punkt Q verlaufenden Kreis hindurchtretende Masseströmung gleich ist der für die Schlitze benötigten Masseströmung m , und außerdem einen statischen Druck gleich oder höher ρ aufweist. Daher kann die Lippe eines schaufelartigen Aufnehmers 613 an oder in Nähe dieses durch den Punkt Q verlaufenden Kreises angeordnet werden. Die Außenwand 614 des Aufnehmers wird dabei in der Weise profiliert, daß sie in Formgebung und Lage der Fortsetzung der durch eine Ko nstante c in Gleichung (1) vorgegebenen Strömungslinie 101 entspricht, wobei der Wert c durch Gleichung (7) vorgegeben ist. Da insbesondere der Speisedruck so hoch wie möglich sein soll, um Reibungsverluste in den Kanälen und in den Schlitzen zu berücksichtigen, ist wünschenswert, die betreffende Isobarenellipse 106 so zu wählen, daß der entsprechende Druck nicht nur höher als ρ , sondern außerdem gleich ist dem höchsten entlang der Strömungslinie 101 anzutreffenden Druck. Damit fällt die bevorzugte Lage des Punkts Q mit der Lage von Punkt T in Fig. 1 zusammen, d.h. am Schnittpunkt der Strömungslinie 101 mit dem geometrischen Ort sämtlicher Punkte Maximaldrucks, d.h. der einen Winkel arc tang ~]/8 mit der Achse eineschließenden Geraden 601.

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Der durch den Aufnehmer 613 aufgefangene Massedurchsatz in wird über einen Kanal 615 einer die Schlitze umgreifenden Sammelkammer 616 zugeführt. Der Kanal 615 muß dabei ausreichend großen Querschnitt aufweisen, damit reibungsbedingte Druckverluste des hindurchtretenden Strömungsmittels in vertretbar niedrigen Grenzen gehalten werden. In Fig. 3 ist im Querschnitt eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstands dargestellt, die unmittelbar am Auslaß beispielsweise einer Kreiselpumpe verwendbar ist, wobei die Diffusorseitenwand 103 mit dem Spiralgehäuse der Pumpe verbunden ist und das an der Endfläche 608 austretende Strömungsmittel seinem Bestimmungszweck zugeführt wird.

Der Diffusor ist gleichfalls für eine Strömungsmaschine der in der US-PS 3 599 431 dargestellten Ausführung verwendbar, die im Querschnitt in Fig. 4 dargestellt ist. Der durch die Diffusorseitenwand 103 gebildete Kanal ist dabei mit dem Schallabschnitt der in dieser PS beschriebenen Maschine verbunden. Die Endplatte 102 in dieser PS wird abgeändert und bildet eine Fläche 614, welche mit einer vorbestimmten Strömungslinie zusammenfällt, so daß der vorgeschriebene Massestrom aufgefangen und das vorgeschriebene Verhältnis zwischen dem Stagnationsdruck ρ , dem Druck ρ im Aufnehmer 613, dem Speisedruck ρ für die Schlitze in der die Schlitze umgreifenden Sammelkammer 616 und dem Enddruck p, an der Endfläche der Isobarenellipse 608 des Diffusors erhalten wird.

Die in der US-PS 3 599 431 beschriebene Vorrichtung wird nur noch dadurch abgeändert, daß der Durchmesser der Keilwellenelemente 123 und 124, siehe auch Fig. 1 der US-PS 3 599 431, größer gemacht wird, so daß die zur Lagerung dienende Welle 617 als Hohlwelle ausgebildet werden und somit den mit dem Aufnehmer 613 verbundenen Kanal 615 bilden kann, welcher das unter hohem Druck stehende, aufgefangene Strömungsmittel der Sammelkammer 616 und zu den Schlitzen 602 bis 604 zuführt.

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Außerhalb der Welle 617 durchläuft das Strömungsmittel einen Kanal oder vorzugsweise mehrere Kanäle 618 und 619, die symmetrisch zueinander um den Umfang der Maschine herum verteilt sind. Die Verwendung mehrerer Rückstromkanäle anstelle eines einzigen Kanals führt zu einer Verringerung des reibungsbedingten Druckabfalls in den Kanälen, und außerdem können die Turbinenlager 620 und 621 größer dimensioniert und symmetrisch angeordnet werden.

In diesem Falle befinden sich die Kanäle 618 und 619 in Verlängerung der Welle 117 (nach dem US-PS 3 599 431), so daß zum Abgriff der von dem Turbinenlaufrad 115 gelieferten mechanischen Arbeit andere Vorrichtungen wie z.B. (hier nicht dargestellte) Riemen oder Zahnräder vorgesehen werden müssen. Bei Verwendung der Maschine zum Erzeugen von elektrischem Strom wie anhand der US-PS 3 620 017 erläutert kann jedoch der aus Rotor 622 und Stator 623 bestehende elektrische Generator mit einer Hohlwelle ausgebildet und unmittelbar hinter dem Keilwellenelement 124 auf der den Rückstromkanal 615 bildenden Welle 617 angeordnet v/erden, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist.

In Fig. 5 ist eine abgeänderte Ausführungsform dargestellt, wenn auf die Welle 117 nicht verzichtet werden kann oder die Kraftübertragung über Riemen oder Zahnräder für den betreffenden Verwendungszweck ungeeignet ist. In diesem Falle steht der Aufnehmer 613 mit dem abgeschlossenen Raum 624 zwischen der abgeänderten Endplatte 614 und dem Turbinenlaufrad 115 in Verbindung. Der abgeschlossene Raum 624 steht seinerseits mit der Sammelkammer 616 über mehrere Kanäle 625 in Verbindung, die eine solche Formgebung aufweisen, daß sie die Funktion der in der US-PS 3 599 431 dargestellten Schaufeln 120 übernehmen. Mit anderen Worten, die Schaufeln 120 sind als verdickte Flügel 626 wie im Querschnitt von Fig. 5 dargestellt ausgebildet, wobei die Flügelhinterkanten mit der

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Tangente 126 an die Zylinderflächen 113 einen Austrittswinkel oC einschließen und die zwischen den Flügeln befindlichen Kanäle 121 einen Durchlaßbereich nahezu konstanten Querschnitts für das Strömungsmittel vorgeben* wie im einzelnen in der genannten US-PS beschrieben ist. In diesem Falle dient jedoch der verdickte Bereich jedes Flügels 626 zur Vorgabe eines axialen Hohlkanals 625, der die Verbindung zwischen dem abgeschlossenen Raum 624 und der Sammelkammer 616 bildet und dazu dient, das vom Aufnehmer 613 zugeführte Strömungsmittel den Schlitzen 602 bis 604 zuzuführen. Der gesamte freie Querschnitt sämtlicher Kanäle 625 muß ausreichend groß bemessen sein, um möglichst geringen Druckabfall zwischen Raum 624 und Sammelkammer 616 zu ergeben, damit das Strömungsmittel an den Schlitzen 602 bis 604 nicht mit ver-

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minderterLeistung austritt.

- Patentansprüche: -

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Claims

Patentansprüche :

.JDiffusor kurzer Baulänge für eine Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der divergierende Auslaßabschnitt des Diffusors eine kurze Baulänge, großen öffnungswinkel und eine zur Verhinderung von Grenzschichtablösung des hindurchtretenden Mediums von der Diffusorwandung dienende Vorrichtung (602 - 626) aufweist.
2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßabschnitt für den Durchtritt von Strömungsmittel mit Schallgeschwindigkeit ausgelegt ist.
3- Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verhinderung von Grenzschichtablösung dienende Vorrichtung zur Rückführung eines Teils des austretenden Strömungsmittels in den Auslaßabschnitt dienende Vorrichtungen (615, 616) umfaßt.
4. Diffusor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung des Moments der Grenzschicht in Richtung des vorherrschenden entgegengesetzten Druckgradienten durch Injektion einer kontinuierlichen, dünnen Strömungsmittelschicht entlang der Diffusorwandung (103) dienende Vorrichtungen vorgesehen sind.
5. Diffusor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verhinderung von Grenzschichtablösung dienenden Vorrichtungen mehrere, in Diffusorlängsrichtung in gegenseitigen Abständen angeordnete, zur Strömungsmittelinjektion in den Diffusor dienende Schlitze (602, 603, 604) umfaßt, wobei die Anzahl (n) der Schlitze eine Funktion des Geschwindigkeitsverhältnisses des Strömungsmittels zwischen Diffusoreinlaß und-auslaß ist.

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6. Diffusor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schlitz (602 - 604) die kleinstmögliche Größe für ausreichend hohe Beschleunigung des am Injektionspunkt langsam strömenden Mediums der Grenzschicht durch turbulentes Vermischen aufweist.
7. Diffusor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (602 - 604) tangential zur Diffusorwandung (103) ausgerichtet und zur Abgabe jeweils eines Strömungsmxttelstrahls geringer Dicke in die Grenzschicht ausgelegt sind.
8. Diffusor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schlitze (602 - 604) über Kanäle (615, 615) mit dem Auslaßende des Diffusors verbunden sind.
9. Diffusor nach den Ansprüchen 4 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Schlitzen (602 - 604) befindlichen Diffusorwandelemente (605, 606, 607) entsprechend der Dicke der bewegten Grenzschicht gegenüber einem aufstromseitigen Wandsegment jeweils nach außen versetzt sind und zwischen sich die tangential einmündenden Schlitze (602 604) vorgeben, und das auf der Abstromseite des letzten Schlitzes befindliche Diffusorwandsegment (607) bis zum Rand des Auslaßabschnitts durchgeführt ist.
10. Diffusor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusorwandabschnitte (605 - 607) auf der Aufstromseite jedes Schlitzes (602 - 604) einen scharfkantigen Abströmrand (609, 610) aufweisen.
11. Diffusor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schlitzen.(602 -604) Strömungsmittel unter einem höheren als dem am Injektionspunkt herrschenden statischen

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Druck und mit höherer Geschwindigkeit zuführbar ist.
12. Diffusor nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Zuführen von Strömungsmittel zu den Schlitzen (602 - 604) dienende Vorrichtung (615, 616) zwischen dem Rand des Äuslaßabschnitts und jedem Schlitz angeordnet und für das Zuführen eines kleinen Teils des Strömungsmittels zu den Schlitzen ausgelegt ist.
13. Diffusor nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umsetzung der Energie des Strömungsmittels in Arbeit dienende Vorrichtungen (617, 622, 623; 115) vorgesehen sind.
14. Verfahren zur Umsetzung eines Teils der kinetischen Energie eines sich fortbewegenden Strömungsmittels in Druck, in einem das sich fortbewegende Strömungsmittel begrenzenden Kanal mit unter einem verhältnismäßig großen Winkel divergierenden Wänden, dadurch gekennz eichnet, daß durch Einführen von Strömungsmittel an den divergierenden Kanalwänden in das sich im Kanal fortbewegende Strömungsmittel das Moment der Grenzschicht entgegengesetzt dem im Kanal vorherrschenden Druckgradienten gesteigert und dadurch ein Ablösen der Strömungsmittelgrenzschicht von den Kanalwänden beim Hindurchströmen des Strömungsmittels durch den Kanal verhindert wird.
15.Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel an mehreren, in Kanallängsrichtung in gegenseitigen Abständen angeordneten Stellen in den Kanal eingeführt wird.

Ö.Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des in einem Bereich hohen Gesamtdrucks aus dem Kanal austretenden Strömungsmittels aufgefangen und an einer zwischen den Enden des Kanals liegenden vorbestimmten Stelle wieder in den Kanal eingeführt wird.

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