Strahlpumpe
Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe umfassend eine Treibdüse zum Beschleunigen eines Treibmediums, wobei die Treibdüse ein konvergierendes Eintrittsteil und ein mit dem konvergie renden Eintrittsteil verbundenes Austrittsteil aufweist, wobei das Austrittsteil, gemäß dem Ober begriff von Anspruch 1 , einen von einer Innenwand umschlossenen unter einem Öffnungswinkel divergierenden Innenraum umfasst.
Strahlpumpen verwenden einen Fluidstrahl aus einem Treibmedium, um ein Saugmedium an zusaugen und zu beschleunigen. Die Saugwirkung wird durch ein Vorbeiströmen des Treibme diums an dem Saugmedium bewirkt, wobei das Saugmedium von dem Treibmedium mitgeris sen wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Treibmediums ausreichend hoch ist. Um ein Treibmedium zu beschleunigen, wird es unter Druck durch eine Düse geführt, die das Treibme dium beschleunigt. Wenn der Saugdruck und der Treibdruck ein unterkritisches Druckverhältnis
aufweisen, wird eine konvergente Düse zur Beschleunigung des Treibmediums in der Strahl pumpe verwendet. Bei überkritischen Druckverhältnissen wird eine konvergent-divergente Düse, eine sog. Laval-Düse, genutzt, um das im konvergenten Teil der Laval-Düse auf Schall geschwindigkeit beschleunigte Treibmedium weiter zu beschleunigen. Eine Laval-Düse führt bei Treibmedien, die mit Unterschallgeschwindigkeit fließen, zu einer Verzögerung der Strömungs geschwindigkeit, da der divergente Abschnitt der Laval-Düse für das Treibmedium als Diffusor wirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Strahlpumpe bereitzustellen, die einen Betrieb bei unterkritischen und überkritischen Druckverhältnissen erlaubt.
Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Aus gestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.
Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe umfassend eine Treibdüse zum Beschleunigen eines Treibmediums, wobei die Treibdüse ein konvergierendes Eintrittsteil und ein mit dem konvergie renden Eintrittsteil verbundenes Austrittsteil aufweist, wobei das Austrittsteil einen von einer In nenwand umschlossenen unter einem Öffnungswinkel divergierenden Innenraum umfasst, wo bei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Öffnungswinkel derart ausgebildet ist, dass ein mit Unterschallgeschwindigkeit durch das Austrittsteil strömendes Treibmedium von der Innen wand gelöst ist und ein mit Überschallgeschwindigkeit durch das Austrittsteil strömendes Treib medium von der Innenwand geführt wird.
Mit der Erfindung wird eine Strahlpumpe mit einer Treibdüse bereitgestellt, dessen konvergen tes Eintrittsteil ein durch das konvergente Eintrittsteil strömendes Treibmedium beschleunigt, wobei das Treibmedium vor dem Durchströmen des Eintrittsteils mit Unterschallgeschwindigkeit strömt. Wenn das Treibmedium nach dem Durchströmen des Eintrittsteils und der Beschleuni gung darin weiterhin Unterschallgeschwindigkeit aufweist, durchströmt es das Austrittsteil eben falls mit Unterschallgeschwindigkeit. Das Austrittsteil der Treibdüse weist dabei eine divergente Innenwand auf, d. h., dass sich der Querschnitt des Austrittsteils von dem konvergenten Ein trittsteil ausgehend vergrößert. Die Treibdüse kann dabei eine speziell ausgebildete Laval-Düse sein. Der Öffnungswinkel der divergenten Innenwand ist dabei so groß, dass sich ein mit Unter schallgeschwindigkeit durch das Austrittsteil strömendes Treibmedium von der Innenwand des Austrittsteils löst. Das Austrittsteil der T reibdüse wirkt für das mit Unterschallgeschwindigkeit
strömende Treibmedium damit nicht als Diffusor, so dass keine Verzögerung der Geschwindig keit des Treibmediums beim Durchströmen des Austrittsteils bewirkt wird. Vielmehr wirkt ledig lich das konvergente Eintrittsteil der Treibdüse auf das mit Unterschallgeschwindigkeit strö mende Treibmedium. Die Treibdüse wirkt auf das Treibmedium, das mit Unterschallgeschwin digkeit strömt, als konvergente Düse. Wird das Treibmedium durch das konvergente Eintrittsteil auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt, wird es durch den divergierenden Innenraum des Aus trittsteils weiter beschleunigt. Das Treibmedium wird dabei durch die divergente Innenwand des Austrittsteils geführt, da es in diesem Fall nicht von der Innenwand gelöst ist. Dabei wirkt das Austrittsteil als Düse für das mit Überschallgeschwindigkeit strömende Treibmedium und be schleunigt das Treibmedium weiter. Damit wirkt die Treibdüse für mit Überschallgeschwindigkeit strömendes Treibmedium als Laval-Düse.
Mit der Erfindung wird damit eine Strahlpumpe bereitgestellt, die sowohl bei unterkritischen Druckverhältnissen, d. h. wenn das Treibmedium mit Unterschallgeschwindigkeit die Saugwir kung bewirkt, als auch bei überkritischen Druckverhältnissen, d. h. wenn das Treibmedium mit Überschallgeschwindigkeit die Saugwirkung bewirkt, mit einer einzigen Treibdüse betrieben wird. Die Wirkung des Austrittsteils auf das strömende Treibmedium wird dabei automatisch durch den Öffnungswinkel der Innenwand eingestellt. Durch die Erfindung wird damit eine auto matische, kostengünstige und einfache Umschaltung der Strahlpumpe auf verschiedene Druck verhältnisse bereitgestellt.
Die Innenwand des Austrittsteils kann so ausgebildet sein, dass sich das durch das Austrittsteil strömende Treibmedium bei einem Übergang von Überschallgeschwindigkeit zu Unterschallge schwindigkeit von der Innenwand löst. Anders ausgedrückt kann die Innenwand des Austritts teils so ausgebildet sein, dass sich das durch das Austrittsteil strömende Treibmedium bei ei nem Übergang von einem überkritischen Druckverhältnis zu einem unterkritischen Druckver hältnis von der Innenwand löst.
Damit kann der Druck während des Betriebs der Strahlpumpe von dem überkritischen Druck verhältnis zu dem unterkritischen Druckverhältnis geändert werden, wobei Druckstöße bei dem Umschaltvorgang vermieden werden. Dies bewirkt eine zusätzliche Erweiterung des Einsatzbe reiches der Strahlpumpe.
Weiter kann die Innenwand des Austrittsteils so ausgebildet sein, dass sich das durch das Aus trittsteil strömende Treibmedium bei einem Übergang von Unterschallgeschwindigkeit zu Über schallgeschwindigkeit an die Innenwand anlegt und von der Innenwand geführt wird. In anderen Worten kann die Innenwand des Austrittsteils so ausgebildet sein, dass sich das durch das Aus trittsteil strömende Treibmedium bei einem Übergang von dem unterkritischen Druckverhältnis zu dem überkritischen Druckverhältnis an die Innenwand anlegt und von der Innenwand geführt wird.
Damit kann ein reibungsloser Übergang von dem unterkritischen Druckverhältnis zu dem über kritischen Druckverhältnis erfolgen. Dies erweitert den Einsatzbereich der Strahlpumpe weiter.
Weiter kann ein Druckverhältnis von einem Treibdruck des Treibmediums zu einem Saugdruck an dem Austrittsteil zwischen 1 ,05 und 5, vorzugsweise zwischen 1 ,1 und 2,5, betragen.
Damit kann die Strahlpumpe in einem weiten Druckbereich betrieben werden, wobei die Druck verhältnisse im Verhältnis zu einem gewünschten Saugdruck unterkritisch oder überkritisch sein können.
Damit wird sowohl bei einem niedrigen Druckverhältnis, bei dem das Treibmedium mit Unter schallgeschwindigkeit strömt, als auch bei einem hohen Druckverhältnis, bei dem das Treibme dium mit Überschallgeschwindigkeit strömt, ein ausreichender Saugdruck für den Betrieb der Strahlpumpe bereitgestellt.
Die Strahlpumpe weist damit einen unterkritischen und einen überkritischen Betriebsbereich auf, in dem sie betrieben werden kann. Damit kann die Strahlpumpe in einem weiten Einsatzbe reich betrieben werden.
Vorteilhafterweise beträgt der Öffnungswinkel mehr als 7°.
Mit Öffnungswinkeln von mehr als 7° wird das Ablösen des durch das Austrittsteil mit Unter schallgeschwindigkeit strömende Treibmedium von der Innenwand weiter begünstigt. Damit wird ein Anhaften des durch das Austrittsteil strömenden Treibmediums an die Innenwand des Austrittsteils bei Unterschallgeschwindigkeiten vermieden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Strahlpumpe,
Fig. 2a, b schematische Darstellungen der Treibdüse, und
Fig. 3a, b schematische Darstellungen von Beispielen des Austrittsteils.
In Figur 1 ist eine Strahlpumpe in schematischer Schnittdarstellung gezeigt, wobei die Strahl pumpe in ihrer Gesamtheit mit dem Referenzzeichen 10 bezeichnet wird.
Die Strahlpumpe 10 weist einen Treibmedium-Tank 12, eine Treibdüse 14, einen Saugmedium- Tank 18, eine Mischkammer 20 und einen Diffusor 22 auf.
In dem Treibmedium-Tank 12 wird das Treibmedium bereitgestellt. Das Treibmedium kann da bei ein kompressibles Treibmedium sein. Das Treibmedium kann in dem Treibmedium-Tank 12 mit einem Druck beaufschlagt werden oder unter Druck in dem Treibmedium-Tank 12 gelagert werden. Das Druckverhältnis kann z. B. zwischen 1 ,05 und 5, vorzugsweise zwischen 1 , 1 und 2,5, betragen. Unter diesem Treibdruck strömt das Treibmedium beim Betrieb der Strahlpumpe 10 von dem Treibmedium-Tank 12 zu der Treibdüse 14. Dies wird durch den Pfeil 30 darge stellt.
Die Treibdüse 14 weist dabei ein konvergentes Eintrittsteil 28 und ein Austrittsteil 26 mit einem divergenten Innenraum 40 auf. Das Austrittsteil 26 und das konvergente Eintrittsteil 28 sind mit einander verbunden. Die Verbindungsstelle des konvergenten Eintrittsteils 28 mit dem Austritts teil 26 weist den kleinsten Querschnitt der Treibdüse 14 auf.
Das konvergente Eintrittsteil 28 weist einen sich verjüngenden Querschnitt auf. Das Treibme dium strömt zunächst in einen Bereich des konvergenten Eintrittsteils 28 mit einem großen Querschnitt. Durch die Verjüngung des Querschnitts des konvergenten Eintrittsteils 28 wird das durch das konvergente Eintrittsteil 28 strömende Treibmedium beschleunigt.
In Abhängigkeit des Treibdrucks wird das Treibmedium mittels des konvergenten Eintrittsteils 28 auf eine Unterschallgeschwindigkeit oder eine Schallgeschwindigkeit beschleunigt, wenn das Treibmedium durch das konvergente Eintrittsteil 28 strömt.
Das Austrittsteil 26 schließt sich an dem verjüngten Ende des konvergenten Eintrittsteils 28 an. Dabei umfasst das Austrittsteil 26 eine Innenwand 38, die den Innenraum 40 seitlich um schließt. Die Innenwand 38 kann in einem Ausführungsbeispiel den Innenraum 40 dabei in Form einer konischen Mantelfläche umschließen, wie in Figur 3a dargestellt. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Innenwand 38 den Innenraum 40 in Form einer eine Mantelfläche einer Glockenform umschließen, wie in Fig. 3b dargestellt.
Der Innenraum 40 weist dabei eine Eintrittsöffnung auf, die mit der Austrittsöffnung des konver genten Eintrittsteils 28 verbunden ist. Weiter weist der Innenraum 40 eine Austrittsöffnung auf, die größer als die Eintrittsöffnung des Innenraums 40 ist. Zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung des Innenraums 40 erstreckt sich die Innenwand 38. Der Innenraum 40 ist da mit divergent ausgebildet und divergiert unter einem Öffnungswinkel 16. Die Innenwand 38 defi niert den Öffnungswinkel 16 direkt nach dem engsten Querschnitt an der Eintrittsöffnung des Innenraums 40. Der Öffnungswinkel 16 der Innenwand 38 kann sich dabei mit zunehmendem Abstand von der Eintrittsöffnung ändern.
Der Öffnungswinkel 16 ist dabei so gewählt, dass ein mit Unterschallgeschwindigkeit durch das Austrittsteil 26 strömendes Treibmedium von der Innenwand 38 gelöst ist und ein mit Über schallgeschwindigkeit durch das Austrittsteil 26 strömendes Treibmedium von der Innenwand 38 geführt wird. D. h. die Innenwand 38 beeinflusst ein mit Unterschallgeschwindigkeit durch das Austrittsteil 26 strömendes Treibmedium nicht. Vielmehr ist das mit Unterschallgeschwin digkeit strömende Treibmedium von der Innenwand 38 gelöst und strömt als Strahl aus der Austrittsöffnung des konvergenten Eintrittsteils 28 durch das Austrittsteil 26 und aus der Treib düse 14.
Der Öffnungswinkel 16 ist weiter so gewählt, dass ein mit Überschallgeschwindigkeit durch das Austrittsteil 26 strömendes Treibmedium von der Innenwand 38 geführt wird. Eine senkrecht zur Strömungsrichtung erfolgende Expansion des durch das Austrittsteil 26 strömenden Treibmedi ums wird dabei durch die Innenwand 38 begrenzt. Ein Außenbereich der Strömung des Treib mediums strömt daher an der Innenwand 38 entlang.
Dabei kann der Öffnungswinkel 16 mindestens 7° betragen. Eine obere Grenze des Öffnungs winkels 16 kann z. B. zwischen 8° und 45° liegen.
Durch die senkrecht zur Strömungsrichtung erfolgende und die Innenwand 38 begrenzte Ex pansion wird das Treibmedium weiter beschleunigt und strömt mit erhöhter Überschallge schwindigkeit aus dem Austrittsteil 26 aus.
Nach dem Austritt aus dem Austrittsteil 26 strömt das Treibmedium an einer Öffnung des Saug- medium-Tanks 18 vorbei und bewirkt dabei einen Saugdruck.
Das Saugmedium wird mit dem an dem Saugmedium-Tank 18 vorbeiströmenden Treibmedium mitgerissen und beschleunigt. Dadurch gelangen das Treibmedium und das Saugmedium in die Mischkammer 20. Während das Treibmedium und das Saugmedium die Mischkammer 20 durchströmen, vermischen sich das Treibmedium und das Saugmedium.
An die Mischkammer 20 schließt sich ein Diffusor 22 an, in dem das Treibmedium und das mit ihm vermischte Saugmedium verzögert werden. Der Diffusor 22 umfasst eine Auslassöffnung 24. Das Treibmedium und das Saumedium können durch die Auslassöffnung 24 aus der Strahl pumpe 10 ausströmen.
Die Figur 2a und 2b zeigen in schematischer Weise einen Querschnitt durch die Treibdüse 14, wobei die Strömung des Treibmediums durch die Treibdüse 14 mittels Stromlinien 32, 34 ange zeigt wird.
Dabei wird das Treibmedium in Figur 2a mittels des konvergenten Eintrittsteils 28 auf Schallge schwindigkeit beschleunigt. In dem konvergenten Eintrittsteil 28 wird dies durch die zusammen laufenden Stromlinien 32 angezeigt. Von dem konvergenten Eintrittsteil 28 strömt das auf Schallgeschwindigkeit beschleunigte Treibmedium in das Austrittsteil 26. In dem Austrittsteil 26 laufen die Stromlinien 32 auseinander. Die äußeren Stromlinien 32 verlaufen dabei entlang der Innenwand 38, wodurch anzeigt wird, dass das Treibmedium entlang der Innenwand 38 durch den Innenraum 40 geführt wird. Das Treibmedium wird dabei expandiert und die Geschwindig keit damit weiter auf Überschallgeschwindigkeit erhöht.
In Figur 2b wird das Treibmedium mittels konvergenten Eintrittsteils 28 ebenfalls beschleunigt, jedoch verbleibt die Geschwindigkeit des Treibmediums unterhalb der Schallgeschwindigkeit.
Das Treibmedium strömt daher mit Unterschallgeschwindigkeit aus dem konvergenten Eintritts teil 28 aus. Die Stromlinien 34 verdichten sich in dem konvergenten Eintrittsteil 28.
Da der Öffnungswinkel 16 der divergierenden Innenwand 38 so gewählt ist, dass ein mit Unter schallgeschwindigkeit strömendes Treibmedium von der divergierenden Innenwand 38 gelöst ist, wird das Treibmedium in dem Austrittsteil 26 nicht expandiert, sondern strömt als freier Strahl durch das Austrittsteil 26. Dies wird durch die Stromlinien 34 in dem Austrittsteil 26 dar gestellt, die im Wesentlichen parallel zu einander verlaufen. Der freie Strahl hat in dem Aus trittsteil 26 eine nahezu konstante Breite 36.
Die Breite 36 der Unterschallströmung des Treibmediums in dem Austrittsteil 26 ist daher klei ner als eine lichte Weite des seitlich durch die Innenwand 38 begrenzten Innenraums 40, wobei sich die lichte Weite aufgrund der divergierenden Innenwand 38 vergrößert.
Damit wird vermieden, dass die Innenwand 38 als Diffusor für das mit Unterschallgeschwindig keit fließende Treibmedium wirkt und das Treibmedium durch das Austrittsteil 26 abgebremst wird.
Der Druck des Treibmediums in dem konvergenten Eintrittsteil 28 kann während des Betriebs vergrößert oder verringert werden. Die Innenwand 38 des Austrittsteils 26 ist dabei so ausgebil det, dass sich das durch das Austrittsteil 26 strömende Treibmedium bei einem Übergang von dem überkritischen Druckverhältnis zu dem unterkritischen Druckverhältnis von der Innenwand 38 löst. Umgekehrt wird sich das durch das Austrittsteil 26 strömende Treibmedium bei einem Übergang von einem unterkritischen Druckverhältnis zu einem überkritischen Druckverhältnis an die Innenwand 38 anlegen und von der Innenwand 38 geführt werden.
Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit des Treibmediums im Austrittsteil 26 zwischen Über schallgeschwindigkeit und Unterschallgeschwindigkeit wechseln kann, ohne dass eine Störung des Betriebs der Strahlpumpe 10 erfolgt. Die Strahlpumpe 10 ist damit sowohl mit einem über kritischen Druckverhältnis als auch mit einem unterkritischen Druckverhältnis betreibbar.
Dabei kann bei einem Saugdruck von 0,98 bar und einem Treibdruck von 1 , 1 bar ein unterkriti sches Druckverhältnis eingestellt sein, bei dem das Treibmedium mit Unterschallgeschwindig keit durch das Austrittsteil 26 strömt, wobei das strömende Treibmedium von der Innenwand 38 gelöst ist.
Bei einem Saugdruck von 0,98 bar und einem Treibdruck von 2,5 bar kann damit ein überkriti sches Druckverhältnis eingestellt werden, bei dem das Treibmedium mit Überschallgeschwin digkeit durch das Austrittsteil 26 strömt, wobei das strömende Treibmedium durch die Innen- wand 38 geführt wird.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merk male und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Ver fahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfin dungswesentlich sein.
Bezu gszei chen l iste
10 Strahlpumpe
12 Treibmedium-Tank
14 Treibdüse
16 Öffnungswinkel
18 Saugmedium-Tank
20 Mischkammer
22 Diffusor
24 Auslassöffnung
26 Austrittsteil
28 konvergierendes Eintrittsteil
30 Strömungsrichtung
32 Überschall-Stromlinien
34 Unterschall-Stromlinien
36 Breite freier Strahl
38 Innenwand
40 Innenraum