DE102004007145B4

DE102004007145B4 - Strömungsleitelement und eine damit ausgestattete strömungstechnische Anlage

Info

Publication number: DE102004007145B4
Application number: DE102004007145A
Authority: DE
Inventors: Noorkami Jamshid
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: DE102004007145A1; US7399155B2; US20050226722A1

Abstract

Ein Strömungsleitelement (1) mit einer Eintrittsöffnung (2) und einer Austrittsöffnung (3), mit einer an einer Innenwandfläche (4) des Strömungsleitelementes (1) angeordneten, mit Vertiefungen (5) und/oder Erhebungen (6) ausgestatteten Strukturierung, die eine als Steigung ausgeführte vorbestimmte Neigung (7) gegenüber der Längsachse (8) des Strömungsleitelementes (1) aufweist, wobei die jeweiligen Querschnittsflächen der Eintrittsöffnung (2) und der Austrittsöffnung (3) voneinander abweichen und das Strömungsleitelement (1) als ein Diffusor oder eine Düse ausgeführt ist, wobei die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) eine zwischen der Eintrittsöffnung (2) und der Austrittsöffnung (3) stetig zunehmende oder abnehmende Breite (b) aufweisen und dass die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) einen stetigen Verlauf in der Querschnittsebene des Strömungsleitelementes (1) aufweisen und aus Kreissegmenten zusammengesetzt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein insbesondere als ein Diffusor oder eine Düse ausgeführtes Strömungsleitelement mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung, deren jeweilige Querschnittsflächen voneinander abweichen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine mit einem solchen Strömungsleitelement ausgestattete strömungstechnische Anlage.
Ein solches als ein Diffusor oder eine Düse ausgeführtes Strömungsleitelement wird in der Praxis insbesondere bei großtechnischen Anlagen zur Energiegewinnung sowie bei Brennkraftmaschinen bereits vielfach eingesetzt und zählt daher durch offenkundige Vorbenutzung zum Stand der Technik.
Der Diffusor dient dabei der Rückgewinnung kinetischer Strömungsenergie, wobei in Strömungsrichtung eine Zunahme des statischen Drucks erfolgt. Dabei findet eine Umsetzung von kinetischer Energie in potentielle Energie statt. Diese Energieumsetzung ist bei vielen technischen Anwendungen erwünscht.
So setzt der Leitapparat (Diffusor) eines Verdichters die hohe kinetische Energie des strömenden Fluides am Laufradaustritt möglichst vollständig und verlustarm in statischen Druck um. Im Bereich der Unterschallströmungen hat ein Diffusor die Form eines Kanals, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung erweitert. Der in einer Diffusorströmung erreichbare Druckgewinn hängt von mehreren Parametern ab. Er wird sowohl vom Diffusoröffnungswin kel als auch von den Strömungsverhältnissen und der Grenzschichtdecke im Diffusoreintritt beeinflusst.
Aus der Grenzschichttheorie ist bekannt, dass Strömungen mit Druckanstieg stark ablösungsgefährdet sind. Solche Ablösungen führen jedoch zu großen Strömungsverlusten.
Insbesondere führt eine plötzliche Querschnittserweiterung aufgrund des großen Druckgradienten zur Ablösung der Strömung. Es werden daher in der Praxis zumeist Diffusoren eingesetzt, die eine langsame Erweiterung des Strömungsquerschnittes, meist in konischer Form, aufweisen. Es sind dabei Öffnungswinkel von maximal 10° üblich.
Als nachteilig erweist sich bei sehr kleinen Erweiterungswinkeln hingegen die damit verbundene große Baulänge und der große Reibungsverlust infolge der Wandreibung.
Das Auftreten von Ablösungen in Diffusoren hängt überwiegend vom Druckanstieg ab und ist somit eine Frage der Diffusorgeometrie.
Es ist weiterhin auch bereits eine Bauform eines Diffusors bekannt, dessen Innenwandflächen mit Querrippen ausgestattet sind, um eine intensive Strömungsablösung zu erreichen. Hierdurch soll eine Umgestaltung des Geschwindigkeitsprofils entlang des gesamten Kanals hervorgerufen und der Wirkungsgrad von Diffusorströmungen durch die intensive Ablösung der Strömung verbessert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein als ein Diffusor oder eine Düse ausgeführtes Strömungsleitelement den Wirkungsgrad bei zugleich reduzierter Baulänge zu verbessern. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechend ausgeführte strömungstechnische Anlage zu schaffen.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Strömungsleitelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.
Erfindungsgemäß hat also ein Strömungsleitelement eine an einer Innenwandfläche des Strömungsleitelementes angeordnete, mit Vertiefungen und/oder Erhebungen ausgestattete Strukturierung, die eine vorbestimmte Neigung, insbesondere also eine Steigung, gegenüber der Längsachse des Strömungsleitelementes aufweist.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass das als Diffusor oder Düse ausgeführte Strömungsleitelement bei einem großen Öffnungswinkel dann ohne Verringerung des Wirkungsgrades realisierbar ist, wenn mittels der Strukturierung ein Drall der Strömung erzeugt wird. Dabei beruht die Verbesserung des Wirkungsgrades auf der Vergleichmäßigung der Strömung beim Durchtritt des Strömungsleitelementes. Die Verbesserung des Wirkungsgrades ist dabei umso größer, je ungleichmäßiger die Zuströmung ist. Eine mögliche Erklärung für diesen überraschenden und für die Fachwelt unerwarteten Effekt der Wirkungsgradverbesserung ist in der dünneren Grenzschicht zu suchen, da durch die Drallkomponente der Impulsaustausch mit den äußeren Stromflächen verbessert wird, wodurch sich ein Ablösen an der Wand erst bei größeren Öffnungswinkeln einstellt. Die Erhöhung der auftretenden Scherkräfte führt zu einer homogenen Verteilung des Fluides und der Temperatur innerhalb des Strömungsleitelementes.
Erfindungsgemäß wird hierdurch eine Umfangskomponente der Geschwindigkeit erzeugt, welche die Turbulenzproduktion an der Innenwandfläche verstärkt und Ablöse-Tendenzen unterdrückt. Außerdem führt dieser Effekt zu einer homogenen Verteilung der Fluidpartikel, weil die Scherkraft optimiert wird. Weiterhin führt die Umfangskomponente zu der homogenen Verteilung der Strömung.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind hierzu die Vertiefungen oder Erhebungen wendel- oder spiralförmig an der Innenwandfläche angeordnet. Hierdurch wird die eintretende Fluidströmung in die gewünschte Rotation um die Mittellängsachse des Strömungsleitelementes versetzt, ohne dass dabei zugleich eine Ablösung der Strömung zu befürchten ist. Die Steigung der Vertiefungen oder Erhebungen ist dabei wesentlich abhängig von den Parametern der Zuströmung.
Die Vertiefungen oder Erhebungen könnten lediglich abschnittsweise beispielsweise im Bereich der Eintrittsöffnung angeordnet sein. Besonders praxisgerecht ist hingegen eine Ausgestaltung, bei der die Vertiefungen oder Erhebungen durchgehend zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung verlaufend angeordnet sind, so dass die Rationsbewegung besonders effektiv erfolgen kann und eine Strömungsablösung innerhalb des Strömungsleitelementes ausgeschlossen ist.
Die Vertiefungen oder Erhebungen könnten durch Nuten oder Einfräsungen in der Innenwandfläche gebildet sein oder in Form von Rippen an der ansonsten glatten Innenwandfläche angeordnet sein. Besonders effektiv ist hingegen eine Ausgestaltung, bei der die Vertiefungen oder Erhebungen einen stetigen Verlauf in der Querschnittsebene des Strömungsleitelementes aufweisen. Hierdurch wird insbesondere eine unerwünschte Strömungsablö sung, die nach den bisherigen Erkenntnissen zu Strömungsverlusten und damit zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades führen.
Grundsätzlich sind Ausführformen denkbar, bei denen die Vertiefungen oder Erhebungen zwischen der Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung eine konstante Breite sowie Geometrie aufweisen, wobei aufgrund der abweichenden Querschnittsflächen die Anzahl der Vertiefungen oder Erhebungen ebenfalls unterschiedlich ist. Besonders einfach ist demgegenüber eine Weiterbildung, bei der die Breite der Vertiefungen oder Erhebungen von den Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung stetig zunimmt oder abnimmt, so dass die abweichende Größe der Eintritts- gegenüber dem Austrittsquerschnitt durch eine entsprechende Veränderung der Breite oder Geometrie der Vertiefungen oder Erhebungen erreicht wird.
Dabei erweist es sich zudem als besonders praxisnah, wenn die die Vertiefungen oder Erhebungen über den Innenumfang der Innwandfläche gleichverteilt sowie symmetrisch zu Mittellängsachse angeordnet sind und daher eine über den Querschnitt des Strömungsleitelementes einheitliche Rotationsprofil zu erreichen, welcher zu eine weiter verbesserten Wirkungsgrad führt.
Ebenso erweist es sich zur Erzielung einer optimalen Angleichung der Strömung über den Querschnitt des Strömungsleitelementes als besonders zweckmäßig, wenn die Vertiefungen oder Erhebungen in der Querschnittsebene übereinstimmende Abmessungen aufweisen und daher insbesondere geometriebedingte Abweichungen ausgeschlossen sind.
Hierzu ist die Strukturierung derart ausgeführt, dass sie Vertiefungen oder Erhebungen aufweist, die aus Kreissegmenten zusammengesetzt sind, wobei insbesondere die Steigungsdifferenzen konstant sind. Örtliche Druckdifferenzen können so in optimaler Weise ausgeschlossen werden.
Die Vertiefungen oder Erhebungen können bis in die Eintrittsöffnung oder die Austrittsöffnung fortgeführt werden. Besonders praxisgereicht ist hingegen eine Ausführungsform, bei der die Eintrittsöffnung oder die Austrittsöffnung eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen, um so die Anbindung an bereits vorhandene Strömungsleitelemente, beispielsweise Rohrstutzen, wesentlich zu vereinfachen. Dabei schließt die Strukturierung insbesondere unmittelbar an die kreisförmige Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung oder die Austrittsöffnung an.
Das Strömungsleitelement könnte von seiner Grundsform entsprechend einem Kegeldiffusor oder Kegeldüse ausgeführt werden. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch auch erreicht, wenn das Strömungsleitelement als ein Ringdiffusor ausgeführt ist.
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer strömungstechnischen Anlage, insbesondere Turbomaschine, mit einem als ein Diffusor oder eine Düse ausgeführten Strömungsleitelement, dessen Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung voneinander abweichende Querschnittsflächen aufweisen, wobei eine Innenwandfläche eine Strukturierung aufweist, die über die Innenwandfläche verteilte Vertiefungen oder Erhebungen aufweist, die eine Steigung gegenüber der Mittellängsachse aufweisen. Dabei wird aufgrund des durch die Vertiefungen oder Erhebungen erzeugten Dralls eine Vergleichmäßigung der Zuströmung erreicht, die insbesondere wesentliche Verbesserungen der Effektivität im Vergleich zu handelsüblichen Diffusoren ermöglichen. Dabei kann auf vorhandene Konstruktionen an sich bekannter Anlagen uneingeschränkt zurückgegriffen werden, so dass sich das Strömungsleitelement auch zum Austausch bei bereits vorhandenen Anlagen eignet.
Beispielsweise kann die strömungstechnische Anlage als eine Brennkraftmaschine ausgeführt sein.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Strömungsleitelementes;
2 einen Querschnitt durch das in 1 gezeigte Strömungsleitelement;
3 eine vergrößerte Darstellung eines lediglich Ausschnittsweise dargestellten Querschnitts des in 1 gezeigten Strömungsleitelementes.
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein insbesondere als ein Diffusor ausgeführtes erfindungsgemäßes Strömungsleitelement 1. Das Strömungsleitelement 1 hat eine Eintrittsöffnung 2 und einer Austrittsöffnung 3, deren jeweilige in 2 und 3 näher dargestellte Querschnittsflächen voneinander abweichen. Außenseitig ist dabei eine sich innenseitig abbildende, an einer Innenwandfläche 4 des Strömungsleitelementes 1 spiralförmig angeordne te, mit Vertiefungen 5 und Erhebungen 6 ausgestattete Strukturierung, die eine vorbestimmte Neigung 7 gegenüber einer Längsachse 8 des Strömungsleitelementes 1 aufweisen. Die Vertiefungen 5 oder Erhebungen 6 verlaufen durchgehend, stetig zwischen der Eintrittsöffnung 2 und der Austrittsöffnung 3 wobei die Breite b der Vertiefungen 5 und Erhebungen 6 von der Eintrittsöffnung 2 zu der Austrittsöffnung 3 stetig zunimmt. Hierdurch lässt sich ein großer Öffnungswinkel ohne Einschränkung des Wirkungsgrades realisieren.
Die 2 und 3 zeigen jeweils einen Querschnitt durch das in 1 gezeigte Strömungsleitelement 1, wobei die 2 einen vergrößerten Ausschnitt zeigt. Zu erkennen sind die an der Innenwandfläche 4 des nicht weiter dargestellten Strömungsleitelementes 1 angeordneten Vertiefungen 5 und Erhebungen 6. Hierbei sind die Vertiefungen 5 und Erhebungen 6 über den Innenumfang der Innenwandfläche 4 gleichverteilt angeordnet und weisen eine einheitliche Breite b auf. Die Vertiefungen 5 oder Erhebungen 6 sind aus Kreissegmenten zusammengesetzt, die sich zwischen dem Radius R_a des Außenhüllkreises und dem Radius R_i des Innenhüllkreises erstrecken. Der Winkel α entspricht dabei dem Verhältnis von 360° zu der Anzahl der Vertiefungen 5 und Erhebungen 6 während der Winkel β dem Winkelabstand der Vertiefungssegmente entspricht.

Claims

Ein Strömungsleitelement (1) mit einer Eintrittsöffnung (2) und einer Austrittsöffnung (3), mit einer an einer Innenwandfläche (4) des Strömungsleitelementes (1) angeordneten, mit Vertiefungen (5) und/oder Erhebungen (6) ausgestatteten Strukturierung, die eine als Steigung ausgeführte vorbestimmte Neigung (7) gegenüber der Längsachse (8) des Strömungsleitelementes (1) aufweist, wobei die jeweiligen Querschnittsflächen der Eintrittsöffnung (2) und der Austrittsöffnung (3) voneinander abweichen und das Strömungsleitelement (1) als ein Diffusor oder eine Düse ausgeführt ist, wobei die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) eine zwischen der Eintrittsöffnung (2) und der Austrittsöffnung (3) stetig zunehmende oder abnehmende Breite (b) aufweisen und dass die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) einen stetigen Verlauf in der Querschnittsebene des Strömungsleitelementes (1) aufweisen und aus Kreissegmenten zusammengesetzt sind.
Strömungsleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) wendel- oder spiralförmig an der Innenwandfläche (4) angeordnet sind.
Strömungsleitelement (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) durchgehend zwischen der Eintrittsöffnung (2) und der Austrittsöffnung (3) verlaufend angeordnet sind.
Strömungsleitelement (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) über den Innenumfang der Innenwandfläche (4) gleich verteilt angeordnet sind.
Strömungsleitelement (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) symmetrisch zur Mittellängsachse angeordnet sind.
Strömungsleitelement (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) in der Querschnittsebene übereinstimmende Abmessungen aufweisen.
Strömungsleitelement (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (2) und/oder die Austrittsöffnung (3) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen.
Strömungsleitelement (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (1) als ein Ringdiffusor ausgeführt ist.
Strömungstechnische Anlage mit einem Strömungsleitelement (1), dessen Innenwandfläche (4) eine Strukturierung aufweist, die über die Innenwandfläche (4) verteilte Vertiefungen (5) und/oder Erhebungen (6) aufweist, die eine Steigung gegenüber der Längsachse (8) aufweisen, wobei das Strömungsleitelement (1) als ein Diffusor oder eine Düse ausgeführt ist und dessen Eintrittsöffnung (2) sowie dessen Austrittsöffnung (3) voneinander abweichende Querschnittsflächen aufweisen, wobei die Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) eine zwischen der Eintrittsöffnung (2) und der Austrittsöffnung (3) stetig zunehmende oder abnehmende Breite (b) aufweisen, wobei Vertiefungen (5) und/oder die Erhebungen (6) einen stetigen Verlauf in der Querschnittsebene des Strömungsleitelementes (1) aufweisen und aus Kreissegmenten zusammengesetzt sind.
Strömungstechnische Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungstechnische Anlage als eine Brennkraftmaschine ausgeführt ist.
Strömungstechnische Anlage nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungstechnische Anlage eine Turbomaschine ist.