DE2925941C2

DE2925941C2 - Diffusor für ein Fluidantriebsgerät

Info

Publication number: DE2925941C2
Application number: DE2925941A
Authority: DE
Inventors: Masanobu Yokosuka Kimura; Fumio Yokohama 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: 1982-11-25
Also published as: US4315715A; JPS5520607U; DE2925941A1

Description

9. Diffusor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche (B\ - B₁) der Diffusorkammer (80, 80') am Austrittsende (84, 84') etwa 14 bis 2,5mal so groß wie die Querschnittsfläche (B₃) am Einlaßende (82) der Diffusorkammer ist.

Die Erfindung betrifft einen Diffusor für ein Fluidantriebsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs

Ein derartiger Diffusor ist aus der DE-AS 19 04 438

bekannt Hier schließt sich an den axialen Diffusorabschnitt, der einen öffnungswinkel zwischen 12° und 55° besitzt ein radial endendes Umlenkstück an, das so geformt ist daß sein axialer Austrittsquerschnitt um 5% bis 15% kleiner als der an den axialen Diffusorebschr.itt

ίο anschließende Eintrittsquerschnitt es bmlenkstückes ist; dabei ist es wesentlich, daß die radiale Erstreckung des gesamten Diffusors mindestens drei- bis viermal so groß wie die radiale Höhe am Einlaßende des ringförmigen Diffusors ist

Ein solcher Diffusor verkürzt demnach die für ein Fluidantriebsgerät notwendige Baulänge, ist jedoch seiner Bauart nach nur für radiale Abströmung verwendbar und erfordert zudem ein gewissem Mindestmaß an radialem Bauraum.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Diffusor dieser Gattung zu schaffen, der sowohl für radiale als auch für axiale Abströmung einsetzbar ist und bei einfacher Herstellung, d.h. preisgünstigem Aufbau einen möglichst glatten Strömungsverlauf bei

möglichst großem Druckrückgewinnungsfaktor ergibt Der Druckrückgewinnungsfaktor wird durch den folgenden Zusammenhang definiert:

1/2 ρ V² '

wobei P, und P₁ die statischen Gasdrücke am Auslaßbzw. Einlaßende, ρ die Massendichte des Gases und V die Durchschnittsgeschwindigkeit der Gasströmung in der Diffusorkammer ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Diffusor nach dem Anspruch 1. Überraschenderweise kann also durch ein unstetig in den Diffusorkanal hineinragendes Bauteil der Strömungsverlauf in diesem so verbessert werden, daß sich die geforderte geringe 3wjgröße mit relativ einfachen Mitteln erzielen läßt

Besonders vorteilhaft wird das hineinragende Bauteil entsprechend Anspruch 2 als eine an der Innenwand befestigte ringförmige Prallplatte ausgeführt wobei vorteilhafte Weiterbildungen nach Anspruch 3 und 4 einen besonders günstigen und wärmetechnisch ausgeglichenen Aufbau ergeben.

Für einen Diffusor mit radialer Abströmung ergibt die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 5 einen besonders einfach herzustellenden Aufbau, für den der

so Anspruch 6 einen besonders günstigen Bereich ergibt während für axiale Diffusoren vorteilhafte Weiterbildungen nach Ansprüchen 7 und 8 gegeben sind, und der Anspruch 9 für diese Bauart einen besonders vorteilhaft einsetzbaren Bereich kennzeichnet Die Erfindung schafft demnach eine Reihe von Bauartformen für Diffuioren, wie sie insbesondere für raumbeschränkte Kraftfahrzeugantriebe Einsatz finden können; derartige Diffusoren können, entgegengesetzt zum Einfügen von Führungsblechen, relativ preisgünstig

6Q aufgebaut werden. Die erfindungsgemäßen Diffusoren

sind ebenso gut jedoch auch für andere Anwendungen,

z. B. stationäre Fluidantriebsgeräte, wie Zentrifiigalpumpen, -Ventilatoren oder -Kompressoren geeignet

Der Aufbau eines Fluidantriebsgerätes und Ausfüh-

rungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 als Ausführungsbeispiel für den Einsatz der Diffusoren eine Fluidantriebsanlage, d. h. eine Gasturbi-

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ne für ein Kraftfahrzeug,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Gasstrom, der in einem Diffusor de»' Turbine nach F i g. 1 auftreten kann.

Fig.3 einen Längsschnitt durch einen Diffusor mit radialer Abströmung, s

Fig.4 einen Schnitt ähnlich Fig.3 durch r-lne abgewandelte Äusführungsform eines Diffusors,

F i g. 5 einen Schnitt durch einen Diffusor mit axialer Abströmung, und

Fig.6 einen Schnitt durch eine Abwandlung des Dif fuwrs .iacL F 5 g. 5.

Zunächst soll anhand der F i g. 1 und 2 eine Gasturbinenanlage besprochen werden.

Die in F i g. 1 dargestellte Kraftfahrzeug-Gasturbine besteht aus einem nicht vollständig dargestellten Kompressorabschnitt und einer freilaufenden Antriebsturbine. Der Kompressorläufer oder -rotor besitzt eine Reihe vor; am Umfangsrand des Rotors angeordneten gekrümmten Schaufeln, saugt Frischluft an und entläßt sie verdichtet in eine Verbrennungskammer 14, die durch zwei in Radialrichtung einen Abstand voneinander aufweisende Mäntel 10 und 12 bestimmt wird. Hier wird der verdichteten Luft durch eine (nicht gezeigte) Brennstoffdüse Brennstoff zugesetzt und durch eine (gleichfalls nicht gezeigte) Zündanlage gezündet. Das 2s entstehende Verbrennungsgas mit hohem Druck und hoher Temperatur wird gegen eine in Umfangsrichtung angeordnete Reihe von stationären Leitschaufeln 16 gerichtet, die zwischen dem Innenmantel 12 und dem AuBenmantel 10 befestigt sind. Von dort gelangen die Verbrennungsgase zur Kompressorturbine 18, die einen scheibenförmigen Rotor 20 mit dem Umfang angeordneten gekrümmten Schaufeln 22 besitzt Der Scheibenrotor 20 ist über die Welle 24 mit dem Kompressorrotor zum Antrieb verbunden.

Sobald das Luft/Brennstoff-Gemisch in der Verbrennungskammer 14 gezündet ist, braucht die Zündanlage nicht mehr in Funktion zu treten, bis, etwa durch Flammenabriß, die Verbrennung in der Kammer 14 aussetzt

Der Antriebsabschnitt der Gasturbinenanlage liegt in Abstromrichtung hinter dem eben beschriebenen Abschnitt und ist axial mit diesem ausgerichtet Er enthält eine Leistungsturbine 26, die ebenfalls einen scheibenförmigen Rotor 28 am Umfang angebrachten gekrümmten Schaufeln 320 besitzt D'ese Leistungsturbine 26 hat einen etwas größeren Durchmesser als die Turbine 18. Der Rotor ist an einer Abgabewelle 31 befestigt, die zum Getriebe oder zur Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeug« führt (in Fig. 1 nicht dargestellt).

Die Verbrennungsgase werden durch einen Primäroder Zwischendiffusor 32 von der Kompressorturbine zur Leistungsturbine geleitet, der eine durch einen Außenmantel 34 und einen Innenmantel 36 bestimmte Diffusorkammer 38 aufweist, und an seiner Abstromseite, d. h. am Auslaßende, mit Leitschaufeln 40 versehen ist deren Einstellwinkel veränderbar ist. Das Verbrennungsgas tritt mit hohem Druck und bei hoher Temperatur aus dem Zwischendiffusor 32 in der durch die Leitschaufel!! 40 bestimmten Richtung aus und trifft auf die Schaufeln 30 der Leistungsturbine 26 auf.

Danach strömen die Gase weiter in einen Sekundäroder Enddiffusor 42, dessen Diffusorkammer 48 durch eine äußere Gehäusewand 44 und eine innere Gehäusewand 46 besiimmt wird. Die Diffusorkammer 48 erstreckt sich in Axialdichtung vom Schaufelbereich der Turbine 26 weg und besitzt eine ringförmige Querschnittsform, deren Fläche vom Einiaßende zum Auslaßende hin stetig zumi'Hni. (>.:» f-MsirAzink · "fpet >;ch in eine ringförmige Abgasks.iiiAer 5ö,-1ie zwi-chen t« iif getrennt von der Außenwand 44 des Enddiffusors 42 angeordneten Abgaskammer-Außenwand 52 und ein ia-eg-ral mit der Innenwand 46 verbundenen inneren Abgaskammer-Wand 54 bestimmt ist

Beide Diffusoren 32 und 42 besitzen einen sich in Gasströmungsrichtung stetig erweiternden Querschnitt

Anhand von F i g. 2 wird nun der Strömungsverlauf insbesondere im Enddiffusor 42 besprochen, die Verhältnisse gelten jedoch auch grundsätzlich für de« Zwischendiffusor 32 Wird eine kurze Baulänge angestrebt so muß der Diffusor mit einer großen Querschnittserweiterung versehen werden, um die Druckdifferenz P₁- P/in dem Druck-Rückgewinnungsfaktor möglichst groß zu halten. Dazu wird angestrebt daß die Strömung möglichst laminar veriäuft wie sie durch die Strömungslinien Fin F i g. 2 gezeigt ist jedoch tritt bei stm ker Erweiterung des Diffusorquerschnittes bereits an einer Stelle P_s eine Ablösui:^; des Gasstromes von der Innenfläche der Außenwand 44 eic-, wie es durch die Strömungspfeile F_s angezeigt ist Dadurch wird die effektive Querschnittsfläche um den nicht mehr laminaren Anteil der Gasströmung verkleinert

In Fi₁;. 3 ist nun eine grundsätzliche Ausführungsform eines Diffusors gezeigt bei dem dieses Problem beseitigt ist Es sind hier eine Außenwand 60 und eine Innenwand 62 mit starker Erweiterung des Diffusorkammerquerschnittes der dazwischen gebildeten Diffusorkammer 64 gezeigt wobei diese ein axial geöffnetes Einlaßende 66 und ein radial geöffnetes Auslaßende 68 besitzt Die Querschnittsfläche des Einlaßendes 66 hat die Größe Aj, während die Querschnittsfläche des Auslaßendes die Größe A₁ aufweist. Am Auslaßende ist an der Innenwand 62 eine ringförmige Prallplatte 70 befestigt, die in Axialrichtung in das Innere der Kammer vorsteht und so den Auslaßquerschnitt um eine Flächengröße A2 verringert. Die Befestigung der Prallplatte 70 an der Innenwand kann durch Schweißen oder durch andere (nicht dargestellte) Befestigungsmittel geschehen. Vor der Prallplatte bildet sich an der Innenwand ein Rückströmungsbereich F_c in dem Raumwinkel 72 zwischen der Innenwand 62 und der Ring-Prallplatte 70 aus. Durch die Prallplatte 70 wird die Gasströmung wieder an die Innenfläche der Außenwand 60 angelegt Der Gasstrom, der sich an der in Fig.2 gezeigten Stelle P₅ abgehoben hat, wird so wieder dazu gebracht, am Auslaßende 69 vollständig laminar aufzutreten. Es hat sich dabei gezeigt, daß ein Diffusor der dargestellten Bauart dann besonders wirksam ist wenn die nun wirksame Flächengröße des Austrittsquerschnittes, die sich aus der Differenz Αι -A, ergibt etwa den zwei- bis dreifachen Wert der Querschnittsfläche A3 am Einlaßende 66 aufweist.

Die Abwandlung des Diffusors gemäß F i g. 4 ist grundsätzlich gleichartig wie der eben besprochene Diffusor aufgebaut, jedoch ist die vor der Prallplatte 70 entstandene »tote Tasche«, in der die Gasewirbei Fe auftreten, durch einen ringförmigen Streifen 74 aus einom wärmf isolierenden Material abgedeckt. Dabei ist die der Diffrsorkammer 64 zugewendete Innenseite des Streifens 74 so ausgebildet daß sie im wesentlichen den Strömungslinien -te Gases folg;. Die in Strömungsrichtung auftretende Breite W dieses Ringstrsife <■ wird dabei nicht gröucr als 25/o des Abstandes D zwischen dem Auslaß.nde 68 der Diffusorkammer 64 und einer Stelle Pu abgelegt, an welcher die Querschnittserweite-

rung der Diffusorkammer 64 beginnt. Der so bestimmte Abstand D wird nachfolgend als »effektive Diffusorlänge« bezeichnet.

Diffusor-Bauformen mit axialer Abströmung, wie sie insbesondere als Zwischendiffusor bei der in Fig. 1 gezeigten Gasantriebseinrichtung Verwendung finden, sind in F i g. 5 und 6 dargestellt. Der Diffusor in F i g. 5 besitzt eine Außenwand 76, eine Innenwand 78, die ebenfalls in Radialrichtung einen Abstand voneinander aufweisen und zwischen denen eine Diffusorkammer 80 mit ringförmigem Querschnitt und einem EinlaOende 82 sowie einem Auslaßende 84 gebildet ist. Die Außenwand ist zumindest über einen Teil ihrer Länge kegelförmig ausgebildet und nimmt so linear in ihrem Umfang zum Auslaßende 84 hin zu, während die Innenwand 78 mit kreiszylindrischer Innenfläche, d. h. konstantem Durchmesser über die gesamte Axiallänge ausgebildet ist. Am Auslaßende ist eine ringförmige Prallplatte 86 fest mit der Innenwand 78 verbunden, beispielsweise durch die gezeigten Schrauben 88. und die Prallplatte steht so in Radialrichtung in die Diffusorkammer 80 vor, daß sie am Aiislaßende 84 einen Flächenanteil S₂ der dort vorhandenen Austrittsfläche B\ abdeckt. Die Flächengröße des Einlaßquerschnittes 82 beträgt B). Dabei hat es sich als besonders wirksam erwiesen, wenn die tatsächlich vorhandene Quer- > schnittsfläche am Auslaßende, d.h. die Größe B]-B₂ etwa 1,5 bis 2,5mal so groß wie die Querschnittsfläche Sj am Einlaßende ist. Auch hier wird wieder die unter Bildung von Gaswirbeln F, von der Innenfläche der Außenwand 76 abgehobene Gasströmung an diese

in Wand angelegt. Vor der ringförmigen Prallplatte 86 entstehen auch hier wieder Rückströmungs-Gaswirbel Ff, wenn dieses Gebiet nicht abgedeckt ist.

In Fig.6 ist eine Abwandlung dieses Diffusors dargestellt; die Außenwand 76 entspricht dabei

ι > vollständig der Außenwand 76 nach F i g. 5, während die Diffusorinnenwand 78' nach einem kreiszylindrischen Abschnitt einen schräggestellten oder kegelförmigen Abschnitt 102 aufweist, der mit unstetigem Übergang eine Verengung oder Einschnürung in der Nähe des

2i) Auslaßendes 84' bewirkt. Die Innenwand 78 kann beispielsweise durch Rippen 104 versteift sein.

Hierzu 3 Bkitt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Diffusor für ein Fluidantriebsgerät, mit äußeren und inneren Gehäuseteilen, die in Radialrichtung 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, bei dem vor dem Auslaßende eine Querschnittsverminderung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einschnürung durch ein am Auslaßende (68; 84; 84') in den Diffusorquerschnitt mit unstetigem Übergang von der Innenwand (62; 78; 78') vorsprungartig hineinragendes Bauteil (70; 86; 102) gebildet ist

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das vorsprungartig in die Diffusorkammer (64; 80) hineinragende Bauteil eine an der Innenwand (62; 78) befestigte ringförmige Prallplatte (70; 86) ist

3. Diffusorkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Prallplatte (70) ein den Raumwinkel zwischen Prallplatte und Innenwand (62) im wesentlichen ausfüllender Ringstreifen (74) befestigt ist

4. Diffusor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringstreifen (74) aus einem wärmeisolierenden Material besteht

5. Diffusor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit radialer Abi.römung und sich gegen das Auslaßende unter Krümmung erweiternder Diffusorkammer, dadurch gekennzeichnet daß die von der Innenwand (62) vorspringende Prallplatte '70) sich in Umfangsrichtung der Diffusorkammer (b4) erstreckt

6. Diffusor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche (A_x-A₂) des verengten Gasauslaßendes (68) der Diffusorkammer (64) etwa zwei- bis dreimal so groß wie die Querschnittsfläche (A₃) des Einlaßf ides (66) der Diffusorkammer ist.

7. Diffusor nach einem der Ansprüche 2 bis 4 mit axialer Abströmung und einer den Querschnitt der Diffusorkammer gegen das Auslaßende hin erweiternden kegelförmigen Innenfläche des Außenwandteils, dadurch gekennzeichnet daß die von der Innenwand (78) vorspringende Prallplatte aus einem an der Innenwand befestigten radialen Ringelement (86) gebildet ist

8. Diffusor nach Anspruch 1, mit im wesentlid en axialer Ausströmung und einer den Querschnitt der Diffusorkammer gegen das Auslaßende hin erweiternden kegelförmigen Innenfläche des Außenwandteils, dadurch gekennzeichnet, daß das vorsprungartig in die Diffusorkamrr... (80') hineinragende Bauteil ein kegelstumpfförmiger Innenwand-Endabschnitt (102) ist, der sich an die bis dorthin im wesentlichen zylindrische Innenwand (78') anschließt.