DE2925941A1

DE2925941A1 - Diffusor fuer ein fluidantriebsgeraet

Info

Publication number: DE2925941A1
Application number: DE19792925941
Authority: DE
Inventors: Masanobu Kimura; Fumio Nishiguchi; Masataka Ueno
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-07-26
Filing date: 1979-06-27
Publication date: 1980-02-07
Also published as: JPS5520607U; DE2925941C2; US4315715A

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor zur Verwendung bei einem Fluidantriebsgerät. Ein derartiger Diffusor kann vorteilhaft in jedem Fluidantriebsgerät eingesetzt werden, jedoch ergeben sich die größten Vorteile bei einer Gasturbine als Antriebsmaschine für ein Landfahrzeug, beispielsweise ein Kraftfahrzeug.

Bei einer stationären Hochleistungsgasturbine, die beispielsweise als Kraftstation für industrielle Zwecke eingesetzt wird, müssen keine begrenzten Raummöglichkeiten für den dabei verwendeten Diffusor beachtet werden. Der Diffusor bei einer solchen Kraftstation kann deswegen so entworfen und aufgebaut werden, daß er eine ausreichende axiale Längserstreckung besitzt, um ein ausreichend großes Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen der Diffusorkammer am Gaseinlaß- und am Gasauslaßende zu er-, halten. Da der Diffusor in Axialrichtung ausreichend lang ist, nimmt die Querschnittsfläche der Diffusorkammer mit begrenzter Rate vorn Gaseinlaßende bis zum Gasauslaßende zu und aus diesem Grund kann das nter hohem Druck stehende Gas, das durch den Diffusor ausgeblasen wird, in der Diffusorkammer strömen, ohne daß eine Abtrennung des Gasstroms von einer Innenfläche der Diffusorkammer erfolgt. Jeder erwünschte Druck-Rückgewinnungsfaktor kann deshalb bei einem derartigen Diffusor erreicht werden. Der hier genannte Druckrück'gewinnungsfafctor ist definiert als das Verhältnis der Differenz zwischen den statischen Drücken am Gaseinlaß- und -auslaßende der Diffusorkammer zum dynamischen Druck am Gaseinlaßende dieser Kammer:

^Pa - ^Pi

1/2·ρV²

wobei P und P. die statischen Gasdrücke am Gasauslaßa ι

bzw. am Gaseinlaßende sind, 0 die Kassendichte des Gases

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und V die Durchschnittsgeschwindigkeit des Gasstroms in der Diffusorkammer ist.

Im Gegensatz zu stationären Gasturbinen für industrielle Zwecke muß bei einer Kraft fahrzeug-Gasturbine der Raum für den Diffusor beschränkt werden und aus diesem Grund kann der Diffusor keine ausreichende Axiallänge erhalten. Es ist deswegen erforderlich, um einen Diffusor mit einem angemessenen Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen am Gaseinlaß- und -auslaßende der Diffusorkammer zur Erzielung eines erwünschten Druckrückgewinnungsfaktors zu erhalten, die Querschnittsfläche der Diffusorkammer zum Gasauslaßende hin sehr rasch anwachsen zu lassen, und dadurch besteht die Tendenz der Gasstromablösung von den Innenflächen des Diffusors. Diese Ablösung des Gasstroms von der Innenfläche eines Diffusors verringert das effektive Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen und beeinträchtigt kritisch den Druckrückgewinnungsfaktor des Diffusors.

Durch die vorliegende Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt werden und ein Diffusor geschaffen werden, der insbesondere für Land-Kraftfahrzeuge einsetzbar ist,

Erfindungsgemäß wird ein Diffusor für ein Fluidantriebsgerät geschaffen, der äußere und innere in Radialrichtung einen Abstand voneinander aufweisende und zwischen sich eine Diffusorkammer mit einem Gaseinlaß- und einem Gasauslaßende und eine zum Gasauslaßende hin zunehmende Ringquerschnittsfläche bestimmende äußere und innere Gehäuseteile aufweist und der sich durch eine Durchflußbegrenzungseinrichtung auszeichnet, die radial vom inneren Gehäuseteil nach außen vorsteht und die Diffusorkammer am Gasauslaßende einschnürt.

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Der so mit einer Durchflußbegrenzungseinrichtung versehene Diffusor kann eine sich in Axialrichtung erweiternde oder eine glockenförmige oder trompetenförmige Diffusorkammer sein oder kann eine kegelstumpfförmige Diffusorkammer besitzen. Wenn erforderlich, können die durch die vorliegende Erfindung geschaffenen Diffusoreigenschaften auch in einen Diffusor mit allgemein zylindrischer Diffusorkammer aufgenommen werden.

Die Nachteile der bekannten Diffusoren und die Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Diffusoren werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein repräsentatives Beispiel einer bekannten Gasturbine als Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug,

Figur 2 einen Längsschnitt mit idealem Gasstrom in einem in der Gasturbine nach Fig. 1 enthaltenen Diffusor,

Figur 3 einen Längsschnitt des tatsächlichen Gasstroms in einem Diffusor in der Gasturbine nach Fig.1,

Figur Jf einen Längsschnitt mit einem Teil eines bekannten Diffusors und dem darin sich ergebenden Gasstrom,

Figur 5 einen Längsschnitt durch einen Teil eines bevorzugten Diffusors mit dem darin ausgebildeten Gasstrom,

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Figur 6 einen Schnitt ähnlich Fig. 5 mit einem abgewandelten Diffusor,

Figur 7 einen Längsschnitt durch eine andere bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Diffusors mit dem darin sich ausbildenden Gasstrom,

Figur 8 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführung des Diffusors nach Fig. 7, und

Figur 9 einen Längsschnitt durch eine weitere Abwandlung des Diffusors nach Fig. 7.

Vor der Beschreibung der verschiedenen Ausführungen erfindungsgemäßer Diffusoren sollen zunächst die grundsätzlichen Eigenschaften von Gasdiffusoren bei bekannten Fluidantriebsgeräten besprochen werden.

Obwohl die erfindungsgemäßen Diffusoreigenschaften auf Diffusoren unterschiedlicher Arten und Einsatzzwecke angewendet werden können., beispielsweise Zentrifugalgebläse, -pumpen und -kompressoren, wird in der Beschreibung ein Diffusor vorausgesetzt, der in einer Gasturbine zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug enthalten ist.

V/ie dem Fachmann bekannt, wird eine als Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges verwendete Gasturbine normalerweise als einstufige Gasturbine mit getrennter Turbine ausgelegt, die zwei hintereinandergeschaltete Abschnitte besitzt. Die beiden Abschnitte bestehen aus einem Vergasungs- und Antriebsabschnitt und einem Leistungsabschnitt. Der Vergasungs- und Antriebsabschnitt umfaßt einen Luftkompressor mit einem Kompressorläufer (oder-rotor) mit einer

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Reihe von am Umfangsrand des Rotors angeordneten Blättern. Wenn der Kompressorläufer angetrieben wird, so daß er sich um seine Rotationsachse dreht, wird in den Kompressor durch den Lufteinlaß der Turbine angesaugte Luft um den Rotor gewirbelt und unter Verdichtung in eine Verbrennungskammer geblasen, die um den Kompressorrotor gebildet ist und durch in Radialrichtung einen Abstand voneinander aufweisende äußere und innere Gehäusemäntel bestimmt ist, die einen Teil des stationären Gehäuseaufbaus der Gasturbine bilden. Diese äußeren und inneren Gehäusernäntel, die die Verbrennungskammer zwischen sich bilden, sind teilweise als Mantel 10 bzw. 12 in Fig. 1 dargestellt. In die in die Verbrennungskammer 12f eingedrückte Luft wird durch eine (nicht gezeigte) in die Verbrennungskammer M\. vorstehende Brennstoffdüse Brennstoff eingesprüht. Das so in der Verbrennungskammer 1,4 durch die Verbrennung des Brennstoffes mit Hilfe der verdichteten Luft erzeugte Gas von hohem Druck und hoher Temperatur wird gegen eine Reihe stationärer Leitblätter oder -schaufeln 16 gerichtet, die ringförmig unmittelbar in Stromrichtung hinter dem Auslaßende vies Vergasungs- und Antriebsabschnitts angeordnet und an den erwähnten äußeren und inneren Gehäusemänteln 10 bzw. 12 befestigt sind. Am Auslaßende des Vergasungs- und Antriebsabschnitts des Turbinenmotors ist eine Kompressorturbine 18 angeordnet, die aus einem Scheibenrotor 20 besteht, an dessen Außsnumfang eine Reihe gekrümmter Blätter oder Schaufeln 22 angebracht ist. Der Kompressorturbinenrotor 20 ist in Axialrichtung mit dem Rotor des Luftkompressors ausgerichtet und dreht sich mit einer Kompressorantriebswelle 2.1+, an deren anderem Ende der (nicht dargestellte) Luftkompressorrotor angebracht ist. Das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende

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Gas, das an den stationären Leitschaufeln 16 austritt, wird durch diese Leitschaufeln 16 auf die gekrümmten Schaufeln 22 des Kompressorturbinenrotors 20 gerichtet und treibt damit den Turbinenrotor 20 um seine Drehachse an. Die Drehung des Turbinenrotors 20 wird durch die Kompressorantriebswelle 24 auf den Rotor des Luftkompressors übertragen und treibt damit diesen an, so daß der Luftkompressor kontinuierlich verdichtete Luft in die Verbrennungskammer IZf einleitet. Der Vergasungs- und Antriebsabschnitt des Gasturbinenmotors enthält weiter eine in die Verbrennungskammer 1Zf hineinragende (nicht dargestellte) Zündeinrichtung; wenn jedoch das Gemisch aus Brennstoff und verdichteter Luft einmal durch die Zündeinrichtung ■ gezündet ist, hält die Verbrennungsflamme in der Kammer 1Zf so lange an, wie Brennstoff zugeführt wird.

Der Leistungsabschnitt des Gasturbinenmotors liegt in Abstromrichtung hinter dem so aufgebauten Vergasungs- und Antriebsabschnitt und ist axial mit diesem ausgerichtet. Er umfaßt eine Leistungsturbine 26, die aus einem Scheibenrotor 28 mit an seinem Umfang angebrachten gekrümmten Schaufeln 30^besteht;diese Leistungsturbine 26 ist größer als die Kornpressorturbine 18 (Fig. 1). Die Leistungsturbine 28 dreht sich mit einer Turbinenabgabewelle 31 > die an dem in Fig. 1 rechten Ende mit einem Getriebe verbunden ist, das einen Teil des Kraftfahrzeuggetriebes bildet und in Fig. 1 nicht dargestellt ist.

Die Übertragung des Verbrennungsgases vom Vergasungs- und Antriebsabschni-tt auf den Leistungsabschnitt geschieht durch einen Primär- oder Zwischendiffusor 32-* Dieser wird durch

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äußere und innere Gehäuseteile oder -yrände 3k und 36 gebildet, die fest mit dem Gehäuseaufbau der Gasturbine verbunden sind und zwischen den jeweiligen Schaufelbereichen der Kompressor- und Leistungsturbinen 18 bzw. 2.6 liegen. Die äußeren und inneren Gehäuseteile 3k bzw. 36 besitzen in Radialrichtung einen Abstand voneinander und bilden zwischen sich eine Diffusorkammer 36 mit einem Gaseinlaßende, das unmittelbar in Strömungsrichtung hinter den gekrümmten Schaufeln 22 der Kompressorturbine 18 liegt und ein Gasauslaßende, das unmittelbar in Strömungsrichtung vor den gekrümmten Schaufeln 30 der Leistungsturbine 26 liegt. Die Diffusorkammer 38 besitzt einen ringförmigen Querschnitt, der in seiner Querschnittsfläche in der gezeigten Weise von dem Einlaßende zum Auslaßende hin zunimmt, wobei alle Durchmesser der inneren und äußeren Gehäuseteile 36 bzw. 3k gleichfalls nur zunehmen. Der Zwischendiffusor 32. ist mit einer Reihe von stationären gekrümmten Schaufeln ^fO mit veränderbaren Einstellwinkeln versehen, die im abstromseitigen Endabschnitt der Diffusorkammer, d.h. also unmittelbar in Strömungsrichtung vor den Schaufeln 30 des Rotors 28 der Leistungsturbine 26 liegen. Damit trifft das unter hohem Druck stehende und bei hoher Temperatur befindliche Gas, das die Blätter 22 des Rotors 20 der Kompressorturbine 18 verläßt und zur Leistungsturbine 26 hin strömt, auf diese Schaufeln ifO auf und wird dadurch gegen die gekrümmten Schaufeln 30 der Leistungsturbine 26 gerichtet. Durch das sich so ergebende Auftreffen des unter hohem Druck stehenden Gases auf die Schaufeln 30 der Leistungsturbine 26 wird der Leistungsturbinenrotor 28 zur Drehung um seine Drehachse mit hoher Geschwindigkeit angetrieben. Die Drehung des Leistungsturbinenrotors 28 wird über die Turbinenabgabewelle 32 an das Leistungsgetriebe übertragen und von dort nach einer Herabsetzung der

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Geschwindigkeit an die Antriebsräder des Fahrzeugs beispielsweise durch ein nicht gezeigtes Endantriebsgetriebe übertragen.

Damit ein Auslaß des Verbrennungsgases in Umfangsrichtung von dem Leistungsabschnitt erfolgen kann, enthält die Gasturbine weiter einen Sekundär- oder Enddiffusor !+2., der durch äußere und innere Gehäuseteile oder -wände 44 bzw. 46 gebildet wird, wobei diese sicher mit dem Gehäuseaufbau der Gasturbine verbunden sind. Die äußeren und inneren Gehäuseteile 44 bzw. 46 besitzen wiederum in Radialrichtung einen Abstand voneinander und formen so zwischen sich eine Diffusorkammer 48 mit einem unmittelbar in Abstromrichtung nach den gekrümmten Schaufeln der Leistungsturbine 26 gelegenen Gaseinlaßende. Die Diffusorkammer 48 erstreckt sich in Axialrichtung von dem Schaufelbereich der Leistungsturbine 26 weg und besitzt einen ringförmigen Querschnitt, dessen Fläche (bei gleichzeitiger Zunahme der Außen- und Innendurchmesser der Gehäuseteile 44 und 46) vom Gaseinlaßende bis zum Gasauslaßende des Diffusors zunimmt. Das Gasauslaßende öffnet sich in eine ringförmige Abgaskammer 50» die zwischen einem äußeren, getrennt von dem Außenwandteil 44 des Enddiffusors 42 aufgebauten Außenwandteil 52 und einem einstückig mit dem Innenwandteil 46 des Diffusors 42 aufgebauten inneren Gehäuseteil. J?~4 gebildet ist.

Jeder der beiden Diffusoren 32 und 42 hat eine sich allgemein erweiternde Form und insbesondere besitzt das äußere Wandteil 44 des Enddiffusors 42 einen trompeten- oder glockenförmigen Abstrom-Endabschnitt, so daß das durch den Diffusor 42 ausströmende Gas einen laminaren Gasstrom durch die gesamte Länge des Diffusors 42 bilden soll, wie es in Fig. 2 mit F bezeichnet ist. Tatsächlich neigt der unter hohem Druck

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stehende Gasstrom in der Di ff us or kammer 48 dazu, sich von der Innenfläche des trompetenförmigen Endabschnitts abzulösen, wie es in Fig. 3 mit F angezeigt ist. Demzufolge nimmt die effektive Querschnittsfläche, durch die das unter hohem Druck stehende Gas am Abstrom-Endabschnitt der Diffusorkammer 48 ausströmt, um einen V/ert ab, der der Querschnittsfläche der Grenzschicht des Gasstroms entspricht, die sich von der Innenfläche des Endabschnitts des Außenwandteils 44 abgelöst hat. Da die effektive Querschnittsfläche am Gasauslaßende des Diffusors 42 so vermindert ist, kann der Diffusor 42 nicht den angemessenen Druckwiedergewinnungsfaktor wegen der begrenzten Axiallänge des Diffusors ergeben. Der Ablösungspunkt des Gasstroms von der Innenfläche des äußeren V/andteils 4*f des Diffusors 42 ist in Fig. 3 mit P bezeichnet.

Um dieses Problem zu beseitigen,wurde bisher ein Leit- oder Führungsflügel % (Fig. 4) in ^de** Nähe des Ablösungs- oder Trennpunktes P in die Diffus ο rskammer 48 eingesetzt. Der Führungsflügel 56 ist an dem inneren V/andteil 46 des Diffusors 42 durch Klammern 58 und 58' befestigt und erstreckt sich längs der Strömungslinien in der Diffusorkammer 48 so, daß der Gasstrom des unter hohem Druck stehenden Gases in der Diffusorkammer 48 teilweise zur Innenfläche des in Abstromrichtung gelegenen Endabschnitts des äußeren Wandteils 44 zwangsgeführt wird. Durch diesen Leitflügel 56 entsteht das weitere Problern, daß die Klammern 58 und 58' an der Verbindungsstelle mit dem inneren V/andteil 46 zu Rissen oder sonstigen Beschädigungen bei ^v^ärmeeinfluß führ-en und so die Haltbarkeit des Diffusors 42 herabgesetzt wird.

Durch die vorliegende Erfindung werden zur Lösung dieser bei bekannten Diffusoren auftretenden Probleme Durchflußbegrenzungseinrichtungen am Gasauslaßende der Diffusorkammer vor-

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gesehen, so daß das Verhältnis aus Querschnittsfläche am Gaseinlaßende der Diffusors zur effektiven Querschnittsfläche am Gasauslaßende des Diffusors bedeutend verbessert wird,um so den effektiven Druckrückgewinnungsfaktor des Diffusors zu verbessern. Die so am Gasauslaßende der Diffusorkammer vorgesehene Durchflußbegrenzungseinrichtung zwingt den vom Trennpunkt der Diffusorkammer von der Innenwand des äußeren Gehäuseteils abgehobenen oder entfernten Gasstrom dazu, sich wieder an die Innenfläche anzulegen, wenn der Gasstrom sich dem eingeschnürten oder verengten Gasauslaßende der Diffusorkammer nähert. Auf diese Weise wird durch die vorgesehene Durchflußbegrenzungseinrichtung am Gasauslaßende der Diffusorkammer der Anteil des Gasstroms, der sich von dem äußeren Gehäuseteil eines Diffusors abgehoben hat, verringert, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erklärt wird.

In den Fig. 5 bis 9 der Zeichnung sind Ausführungen eines Diffusors dargestellt, der mit einer Durchflußbegrenzungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist. Jeder gezeigte Diffusor kann als Teil einer Gasturbinen-Leistungsquelle zur Verwendung bei z.B. einem Kraftfahrzeug verwendet werden, wie es bei der Gasturbine nach Fig. 1 der Fall ist. Die gezeigten Diffusoren können jedoch auch für andere Fluidantriebsgeräte, beispielsweise Zentrifugalpumpen, -Ventilatoren oder -kompressoren verwendet werden.

Bei dem Diffusor, der in Fig. 5 gezeigt ist, sind äußere und innere Gehäuseteile 60 bzw. 62 in Radialrichtung voneinander so mit Abstand versehen, daß zwischen ihnen eine diffusorkammer 6^- mit einem axial offenen Gaseinlaßende und einem zum umfang hin offenen Gasauslaßende 68 gebildet ist. Die äußeren und inneren Gehäuseteile 60 bzw. 62 sind

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so geformt, daß die dazwischen gebildete Diffusorkammer einen in seiner Flächengröße zum Auslaßende hin allmählich zunehmenden Querschnitt besitzt und daß sowohl die inneren wie die äußeren Durchmesser ebenfalls zum Gasauslaßende 68 der Diffusorkammer 6k hin anwachsen. So hat die Diffusorkammer Gk eine allgemein aufgeweitete oder trompetenförmige Gestalt, die sich allmählich in ihrer Krümmung verstärkt vom Gaseinlaßende 66 zum Gasauslaßende 68 der Kammer Gh hin. Die Durchflußbegrenzungseinrichtung ist bei dem so aufgebauten Diffusor durch eine ringförmige Drosselplatte 70 gebildet, die fest an der gesamten Umfangskante des inneren Gehäuseteils 62 am Gasauslaßende 68 der Dif fusorkammer Gh angebracht ist. Das Drosselplattenelement 70 steht in Axialrichtung ein gewisses Stück von der Umfangskante des inneren Gehäuseteils 62 zur Umfangskante des äußeren Gehäuseteils 60 längs des Gasauslaßendes 68 der Diffusorkammer 64 vor und bildet so eine Umfangs-V/inkelzone oder einen -bereich zwischen der inneren Umfangsfläche des Drosselplattenelements 70 und der Innenfläche des in Abstromrichtung gelegenen Endbereichs des inneren Gehäuseteils 62. Dieser Umfangswinkelraum ist in Fig. 5 mit 72 bezeichnet. So besitzt die Diffusorkammer Gh am Gasauslaßende 68 eine Drosselstelle längs der Umfangskante des inneren Gehäuseteils 62. Die Befestigung des Drosselplattenelements 70 am inneren Gehäuseteil 62 des Diffusors geschieht durch Anschweißen oder durch(nicht gezeigte) Befestigungsmittel

Das Drosselplattenelement 70 ergibt, wenn es in der gezeigten Weise angebracht ist, eine Rückführung des Stroms von unter hohem Druck stehenden Gases, der sich von der Innenfläche des äußeren Gehäuseteils 60 nach dem Trennpunkt oder der Trennstelle P abgehoben hat, wie es durch F in Fig. 5

S 5

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gezeigt istj zur Innenfläche des äußeren Gehäuseteils 60 zurück, wenn der abgetrennte Gasstrom das Gasauslaßende 68 der Diffusorkammer Gk erreicht. Der Gasstrom, der sich einmal von der Innenfläche des äußeren Gehäuseteils 60 abgehoben hat, wird auf diese Weise zumindest teilweise zur V/iederanlage an die Innenfläche des äußeren Gehäuseteils 60 in der Umgebung des Gasauslaßendes gezwungen. Damit kann die gedrosselte Querschnittsfläche der Diffusorkammer Gk am Gasauslaßende 68, d.h. der Unterschied zwischen der ursprünglichen Querschnittsfläche A₁ und der Drosselfläche A₂ im wesentlichen als die effektive Querschnittsfläche angesehen werden, durch die der Gasstrom in der Diffusorkammer 64 austreten kann. Wenn in diesem Fall das Drosselplattenelement 70 so bemessen und/oder angeordnet ist, daß die Differenz (A. - A) zwischen den Querschnittsflächen A.J und A_ geringer als die Querschnitts fläche A, der Diffuoorkammer Gk am Gaseinlaßende 66 ist, kann der sich ergebende Aufbau nicht als Diffusor dienen, da in dem Diffusor ja ein Teil der kinetischen Energie des Fluids in Druckenergie durch allmähliches Anwachsen des Querschnittsbereichs des Fluidstroms umgewandelt werden soll. Aus diesem Grunde müssen die Abmessungen und die Anordnung des Drosselplattenelements 70 nach Fig. 5 so eingerichtet werden, daß die gedrosselte Querschnittsfläche der Diffusorkammer Gk am Gasauslaßende 68 oder, genauer, der Unterschied zwischen der ursprünglichen Querschnittsfläche A- und der vorstehenden Drosselplattenfläche A_? größer ist als die Querschnittsfläche A~ der Diffusorkammer Gk am axial offenen Gaseinlaßende 66. Bei einem derartigen Diffusor, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, wird bevorzugte eine Größe der gedrosselten Querschnittsfläche am Gasauslaßenöe 68 der Kammer verwendet, die annähernd zwei- bis dreimal größer als der Querschnittsbereich A-, der Diffusor-

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kammer am Gaseinlaßende 66 ist.

In der Ausführung nach Fig. 5 bildet die Umfangswinkelzone 72. zwischen der inneren Umfangsfläche des ringförmigen Drosselplattenelements 70 und der Innenfläche des in Abstrom liegenden Endbereichs des inneren Gehäuseteils 62 eine "tote Tasche" längs der Innenumfangsfläche des Drosselplattenelements 70 und es entstehen dort Gaswirbel

In Fig. 6 wird eine Ausführung gezeigt, die im großen der Ausführung nach Fig. 5 entspricht, wo jedoch zur Verhinderung der Wirbelentstehung längs der Innenumfangsfläche des Drosselplattenelements 70 ein ringförmiger Streifen 7h aus einem Wärmeisolatormaterial dicht an der Innenumfangsfläche des Drosselplattenelements und die Innenfläche des in Abstromrichtung gelegenen Endabschnitts des inneren Gehäuseteils G2. des Diffusors angebracht ist. Der Ringstreifen 7h hat eine Innenumfangs fläche, die der Diffusorkammer 6^- zugewendet liegt und sein Querschnitt ist so ausgebildet, daß er im wesentlichen den Strömungslinien zum Gasauslaßende 68 der Diffusorkammer Sh in der gezeigten Weise folgt. Der Ringstreifen 7h ist vorzugsweise so bemessen und/oder im Querschnitt gestaltet, daß die Breite V/ . an der Innenfläche des in Abstromrichtung gelegenen Endabschnitts des inneren Gehäuseteils 62 annähernd gleich 25 % des Abstandes D zwischen dem Gasauslaßende 68 der Diffusorkammer 6h und einem Punkt P, ist, an dem die Aufweitung der Diffusorkammer Gh beginnt, d.h. von dem ab der Abstand zwischen innerem Gehäuseteil und äußerem Gehäuseteil 60 zuzunehmen beginnt. Dieser so bestimmte Abstand D wird von hier ab einfach als "effektive Diffusorlänge" bezeichnet.

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Statt der in Axialrichtung aufgeweiteten oder trompetenförmigen Gestalt der Diffusoren nach Fig. 5 und 6, bei der sich sowohl der Durchmesser des äußeren wie auch des inneren Gehäuseteiles 60 bzw. 62 vom Gaseinlaßende 66 zum Gasauslaßende 68 zunehmend vergrößern, kann die Durchflußbegrenzungseinrichtung auch bei einem Diffusor eingesetzt werden, dessen Diffusorkammer durch ein kegelförmiges oder kegelstumpfförmiges Außenwandteil und ein zylindrisches Innenwandteil gebildet wird. Ein derartiger Diffusor ist in Fig. 7 dargestellt.

Der ^Diffusor nach Fig. 7 umfaßt äußere und innere Gehäuseteile 76 bzw. 78, die in Badialrichtung einen Abstand voneinander aufweisen und zwischen denen deshalb eine Diffusorkammer 80 init einem ringförmigen Querschnitt und axial geöffneten Gaseinlaß-und -Auslaßenden 82 bzw. 84 gebildet wird. Das äußere Gehäuseteil 76 besitzt zumindest über einen Teilbereich eine Kegelfläche als Innenumfangsfläche, die geradlinig zum Gasauslaßende 84 in ihrem Umfang zunimmt, und das innere Gehäuseteil ¹^S besitzt eine zylindrische Innenfläche mit einem konstanten Durchmesser über die gesamte Axiallänge des Gehäuseteils 78. Ein ringförmiges Drosselplattenelement 86 ist sicher mit dem inneren Gehäuseteil 78 in enger Nachbarschaft zum Gasauslaßende 84 der Diffusorkammer 80 durch Befestigungsmittel,z.B. Schrauben 88,verbunden, so daß es an einem Endwandabschnitt des Gehäuseteils 78 in der gezeigten V/eise anliegt. Das Drosselplattenelement 86 steht in Radialrichtung ein genügendes Stück von der Umfangskante des inneren Gehäuseteils 78 zur Umfangskante des äußeren Gehäuseteils 76 längs des Gasauslaßendes 84 der Diffusorkammer 80 vor und bildet so einen Umfangswinkelbereich 90 zwischen der inneren Endfläche des Drosselplattenelements 86 und der Innenfläche eines in Abstromrichtung gelegenen Endabschnitts

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des inneren Gehäuseteils 78. Die Diffusorkammer 80 wird am Gasauslaßende 84 an der Umfangskante des inneren Gehäuseteils 78 gedrosselt oder in ihrem Durchfluß beschränkt. Das Drosselplattenelement 86 wird vorzugsweise so bemessen und/ oder angeordnet, daß die gedrosselte Fläche des Gasauslaßendes der Diffusorkammer 80, d.h. die Differenz zwischen der ursprünglichen Querschnittsfläche B, und der durch die Drosselplatte 86 eingenommenen Fläche B₂, d.h. die Größe (B, - Bp)j etwa 1,5 bis etwa 2,5mal so groß wie die Querschnittsfläche B^ am Gaseinlaßende 82 der Diffusorkammer ist.

Um die Entstehung von V/irbeln F_ in der durch den Winkelbereich 90 innerhalb des Drosselplattenelements 86 gebildeten "toten Tasche" zu verhindern, kann das Drosselplattenelement 86 nach Fig. 7 durch ein Leitelement 92 in der Aus- ■ führung nach Fig. 8 ersetzt werden. Hier sind die äußeren und inneren Gehäuseteils 76 bzw. 78 grundsätzlich gleich wie in der Ausführung nach Fig. 7 angeordnet und das Leitteil 92 ist so gestaltet, daß seine Innenfläche an die Innenfläche des inneren Gehäuseteils 78 anschließt und im Anschluß an die zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuseteil 76 bzw, 78 gebildete Diffusorkammer 80 eine Durchstrornleitkammer 94 zwischen dem äußeren Gehäuseteil 76 und der· Innenfläche des Leitteils 92 bildet. Die Innenfläche des Leitteils 92 bildet dann einen in Umfangsrichtung offenen Gasauslaß 96 zwischen der Umfangskente des ^ührungsteils und der entsprechenden Umfangskante des äußeren Gehäuseteils 76. Die Querschnittsfläche . B, der StrömungsleitkarnKer 94 am Gasauslaßende 96 der Leitkaiamer 94 ist kleiner' als die Quertchnittsfläche B- (Fig. 7) der Diffusorkar.imer 80 am (gestrichelt angezeigten) Gasauslaßende 84 der Kammer 80.

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Vorzugsweise wird die Innenfläche des Leitteils 92 vom Gasauslaßende 8k der Diffusorkammer 80 zum Gasauslaßende 96 der Durchstromleitkammer 94 aus einem Wärmeisolator gebildet und so geformt, daß sie den Strömungslinien folgt. In Fig. 8 besteht das äußere Gehäuseteil 76 des Diffusors aus einem Formteil, das mit einem Tragaufbau 98 mittels einer Schraube 100 verbunden ist.

In Fig. 9 wird eine andere Abwandlung des in Fig. 7 dargestellten Diffusors gezeigt. Der Diffusor nach Fig. 9 umfaßt ein äußeres Gehäuseteil 76, das gleichartig wie sein Gegenstück im Diffusor nach Fig. 7 aufgebaut ist und ein inneres Gehäuseteil 78' mit einem in Abstromrichtung gelegenen Endwandabschnitt 102, der eine innere Kegelfläche besitzt, die in Abstromrichtung aus der sonst zylindrischen Innenfläche des «Vandteils 78' heraustritt. Dadurch wird der strömungsbegrenzte Gasauslaß 8V zwischen der vorstehenden Kante des inneren Gehäuseteils 102 und der entsprechenden Kante des äußeren Gehäuseteils 76 gebildet. Das innere Gehäuseteil 78' ist in Fig. 9 durch Verstärkungsteile 10^. versteift.

Es ergibt sich so ein Diffusor für ein Fluidantriebsgerät, beispielsweise eine Eadial- oder Axialturbine mit äußeren und inneren, in Kadialrichtung voneinander einen Abstand aufweisenden Gehäuseteilen, zwischen denen eine Diffusorkammer mit ringförmigem Querschnitt gebildet wird, deren Querschnittsfläche vom Gaseinlaßende des Diffusors zum Gasauslaßende anwächst. Ein Durchflußbegrenzungselement ist vorgesehen oder das innere Gehäuseelement ist so geformt, daß siuh ein Durchflußdrosselabschnitt ergibt, so daß die Diffusorkammer am Gasauslaßende gedrosselt oder mit verringerter Querschnittsfläche versehen ist, um ein Ablösen des Gasstroms von der Innenfläche des äußeren Gehäuseteils* zu verhindern.

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Claims

Patentansprüche :

'1_V Diffusor für ein Fluidantriebsgerät,mit äußeren und inneren Gehäuseteilen, die in Badialrichtung einen Abstand voneinander aufweisen und zwischen sich eine Diffusorkammer mit einem Einlaßende und einem Auslaßende für Gase und einen zum Gasauslaßende hin zunehmenden ringförmigen Querschnitt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchflußbegrenzungseinrichtung (70; 86; 92; 102) in Radialrichtung vom inneren Gehäuseteil (62; 78; 78') nach außen vorsteht und die Diffusorkammer (64; QO; 80') an ihrem Gasauslaßende (68; 84; 84') einschnürt.
2. Diffusor nach Anspruch 1 mit sich unter Krümmung gegen ihr Auslaßende erweiternder Diffusorkammer, wobei das Gaseinlaßende sich in Axialrichtung und das Gasauslaßende in TJmfangsrichtung öffnet, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Durchflußdrosseleinrichtung ein an dem inneren Gehäuseteil (62) befestigtes ringförmiges Drosselplattenelement (70) umfaßt, das sich längs des Gasauslaßendes (68) der Diffusorkammer (64) in TJmfangsrichtung erstreckt.
3. Diffusor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Drosselplattenelement (70) ein Ringstreifen (74) befestigt ist, der den Umfangswinkelbereich zwischen der Innenumfangsfläche des Drosselplattenelementes (70) und der inneren Fläche des Gasauslaßendbereiches des inneren Gehäuseteils (62) ausfüllt.
4. Diffusor nach Anspruch 3, dadurch gekennzei c h n e t, daß der Ringstreifen (74) eine der Diffusorkammer (64) zugewendete innere Umfangsflache mit einem im wesentlichen stromlinienförmig zum eingeschnürten Gasauslaßende (68) der Diffusorkammer hin verlaufenden Querschnitt besitzt.
5- Diffusor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringstreifen (74) aus einem wärmeisolierenden Material besteht.
6. Diffusor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringstreifen (74) mit einer Umfangsfläche an der Innenfläche des in Abstromrichtung gelegenen Endabschnitts des inneren Gehäuseteils (62) angebracht ist, wobei die Breite (W) der befestigten Fläche des Ringstreifens (74) annähernd 25 % der effektiven Diffusorlänge (D) der Diffusorkammer (64) beträgt.

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7. Diffusor nach, einem der Ansprüche 2 "bis 6, dadurch. g e kennzei c h η e t, daß die Querschnittsfläche (A.-Ap des verengten Gasauslaßendes (68) der Diffusorkammer (6A-) etwa zwei- bis dreimal so groß wie die Querschnittsfläche (A,) des Gaseinlaßendes (66) der Diffusorkammer ist.
8. Diffusor nach Anspruch 1 mit einer den Querschnitt der Diffusorkammer gegen das Gasauslaßende hin erweiternden kegelförmigen Innenfläche des äußeren Gehäuseteils und mit sich, in Axialrichtung öffnenden Gaseinlaß- und -auslaßenden der Diffusorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußbegrenzungseinrichtung ein ringförmiges Drosselplattenelement (86) umfaßt, das an dem inneren Gehäuseteil (78)befestigt ist und sich in Umfangsrichtung des Gasauslaßendes (8A-) der Diffusorkammer (80) erstreckt.
9· Diffusor nach Anspruch 1 mit einer den Querschnitt der Diffusorkammer gegen das Gasauslaßende hin erweiternden kegelförmigen Innenfläche des äußeren Gehäuseteils und mit sich in Axialrichtung öffnenden Gaseinlaß- und -auslaßenden der Diffusorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußbegrenznngseinrichtung ein an dem inneren Gehäuseteil (78) befestigtes Leitelemeat (92) mit einer eine Leitkammer (9A-) zwischen dem äußeren Gehäuseteil (76) und der Innenfläche des Führungselementes (92) bestimmende Innenfläche umfaßt, wobei die Innenfläche des Führungsei ententes (92) sich kontinuierlich an die Innenfläche des inneren Gehäuse elements (78) anschließt und ein sich in Umfangsrichtung öffnendes Gasauslaßende (96) am Abströmende der Leitkammer (9A-) bildet.

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10. Diffusor nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Leitelements (92) im wesentlichen den Strömungslinien zu dem in Umfangsrichtung offenen Gasauslaßende (95) der Leitkammer (94) folgend ausgebildet ist.
11. Diffusor nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche (B,) der Leitkammer (94) am in Umfangsrichtung offenen Gasauslaßende (96) kleiner als die Querschnittsfläche der Diffusorkammer (80) am Gasauslaßende (84) ist.
12. Diffusor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (92) aus einem Wärmeisolator gebildet ist.
13· Diffusor nach Anspruch 1 mit einem den Querschnitt der Diffusorkammer zum Auslaßende hin vergrößernden äußeren Gehäuseteil mit einer Kegelinnenfläche und mit sich in Axialrichtung öffnenden Gaseinlaß- und Gasauslaßenden der Diffusorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußbegrenzungseinrichtung durch den in Abstromrichtung gelegenen Endabschnitt (102) des inneren Gehäuseteils (78¹) gebildet ist und daß der in Abstromrichtung gelegene Endnandabschnitt (102) eine axiale innere Kegelfläche besitzt, deren Umfang zum Gasauslaßende (84') der Diffusorkamme r (80') zunimmt.
14· Diffusor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Wandabschnitt des inneren Gehäuseteils (78*) eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche besitzt, und daß die kegelförmige Innenfläche des in Abstrornrichtung gelegenen Endwandabschnitts (102) des inneren Gehäuse-

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teils (78¹) aus der zylindrischen Innenfläche des anderen Wandabschnitts des inneren Gehäuseteils heraus anschließend gebildet ist.
15. Diffusor nach einem der Ansprüche 8, 13 oder 1lf, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche (B₁-B₂) der Diffusorkammer (80; 80') am eingeschnürten Gasauslaßende (8^5 8V) etwa 1,5 "bis 2,5malso 'groß wie die Querschnittsfläche (B^) des Gaseinlaßendes (82) der Diffusorkammer ist.
16. Diffusor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsbe reich (B, ) der Durchstrom-Leitkammer (94) am in Umfangsrichtung geöffneten Gasauslaßende (96) etwa 1,5 bis 2,5mal s.o groß wie die Quers chnitts fläche (B^) des Gaseinlaßendes (82) der Diffusorkammer (80) ist.

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