DE2625422C3

DE2625422C3 - Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie

Info

Publication number: DE2625422C3
Application number: DE762625422A
Authority: DE
Inventors: Ernst-August Dipl.- Ing. 2114 Hollenstedt Bielefeldt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-06-05
Filing date: 1976-06-05
Publication date: 1979-03-01
Also published as: DE2625422A1; US4190078A; CH623896A5; AU2563877A; ES459506A1; AU2565877A; DD130167A5; SE7704456L; IT1082365B; FR2353738A1; ZA773289B; DE2625422B2; JPS52149601A; AU506452B2; GB1541952A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckcnergic.

Bei Anlagen zur Stofftrennung mittels Fliehkraft tritt beim Verlassen des Abtrenngehäuses je nach Art der Anlage eine mehr oder weniger stark drallbehaflctc Strömung in die Rohrleitungen ein. Da die Drallenergie innerhalb der Rohrleitung an sich verloren ist, kann es unter Umständen sinnvoll sein, die Drallenergie durch geeignete Einrichtungen zurückzugewinnen. Hierdurch kann der Energiebedarf der Anlage stark gesenkt werden. Es sind auch schon verschiedene Lösungen zur Rückverwandlung von Drall- in Druckenergie bekanntgeworden.

Es ist in dem vorliegenden Zusammenhang beispielsweise bekannt, sogenannte Dralldiffusoren zu verwenden. Hier wird die Drallströmung in ein sich erweiterndes Rohr geleitet. Dabei werden die Umfangsund die Meridiankomponente der Strömungsgeschwindigkeit infolge der anwachsenden Querschnitisfläche verzögert, so daß Druckenergie zurückgewonnen werden kann. Der Dralldiffusor hat jedoch den Nachteil ungünstiger Strömungsführung. Außerdem weist die austretende Strömung noch immer einen Restdrall auf. Hierdurch ist ein unmittelbarer Übergang auf eine parallele Rohrströmung nicht möglich.

Eine andere Art der Rückgewinnung von Drallenergie arbeitet mit Hilfe eines Spiralgehäuses. Hier tritt die

lu Drailströmung senkrecht zur Ebene der Spirale in deren Zentrum in das meist flache Gehäuse ein und verläßt dieses durch eine tangentiale Austrittsöffnung. Ein Nachteil derartiger Gehäuse besteht darin, daß die Strömung auf ihrem Weg vom Zentrum der Spirale zu

r> deren Außenwand ungünstig geführt ist. Hierdurch treten Strömungsverluste auf, durch die die Wirksamkeit des Gehäuses stark herabgemindert wird. Konstruktive Nachteile ergeben sich dadurch, daß Ein- und Austrittskanal einen rechten Winkel bilden.

2n Ein weiteres Verfahren zur Rückgewinnung von Drallenergie arbeitet mit Hilfe eines Axial-Leitapparates. Hier wird die drehende Rohrströmung durch Anordnung eines Zentralkörper in eine Ringströmung umgewandelt und dann mit Hilfe eines Leitschaufcl-

2") kranzes in die Längsrichtung umgelenkt. Hierdurch kann die Umfangskomponente weitgehend abgebaut werden, so daß am Ende des Zentralkörper eine hinreichend parallele Rohrströmung vorherrscht. Diese Einrichtung arbeitel jedoch bei höheren Umfangsge-

JIi schwindigkeitcn mit größeren Verlusten, da die Umwandlung von Drall- in Druckenergie hier auf sehr kurzem Strömungsweg erfolgt. Außerdem erfordert die kurze Umwandlungsstrecke eine sorgfältige Anpassung der Leitschaufeln an einen vorgegebenen Bctriebszu-

r> stand. Bei Abweichungen von diesem Betriebszustand arbeitet dieser Apparat immer mit höheren Slrömungsvcrluslen.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Rückverwandlung von Drall-

•lo strömi/ngsenergic in Druckenergie zu realisieren, die sich durch folgende Merkmale auszeichnet:

1. Parallele Rohrströmung am Ausgang der Einrichtung und

2. gute Wirksamkeit auch bei höheren Umfangsgcr> schwindigkeiten der Drailströmung.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein drehsymmetrischer Zentralkörper derart innerhalb einer drehsymmetrischen Erweiterung einer Rohrleitung angeordnet ist, daß der verbleibende drehsymme-■,ii irische Hohlraum für ein stromab bewegtes Volumenelement nacheinander folgende Abschnitte bildet:

1. Einen sanften Übergang von axialer auf radial nach außen verlaufender Strömung,

2. einen Plattendiffusor,

γ, 3. eine ringförmige Umlenkzone.

4. einen Führungsbereich mit radial nach innen gerichteter Strömungskomponente und

5. einen sanften Übergang vom Führungsbercich auf axiale Rohrströmung,

ho wobei im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten Leitschaufeln mit meridional ausgerichteten Hinterkanten angeordnet sein können.

Die Erfindung isl anhand der folgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt

h^r) Fig. I einen Fliehkraftabscheider mit /wc erfindungsgemäßen Einrichtungen;
F i g. 2 Schnitt A-A aus Fig. I:
Fig. 3 Schnitt B-Baus Fig. I;

Fig.4 eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ohne Beschleunigung im Führungsbereich und

F i g. 5 eine weitere Ausgestaltung mit großem AustrittsquerschnitL

Fig. 1 und 2 zeigen eine Wirbelabscheidekammer 1, z. B. nach der DE-OS 21 60 415 mit zwei aufgesetzten erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Rückverwandlung von Drallenergie in Druckenergie. Die Wirkungsweise der Abscheidekammer 1 wird durch Fig. 2 erläuteri. Der Wirbel im Innern der Kammer 1 wird durch die Tangentialströmung x-y und eine Absaugung durch die Tauchrohre 2 angetrieben. Die erfindungsgemäßen Einrichtungen sind überall dort einsetzbar, wo rückgewinnbare Drallenergie innerhalb strömender Medien anfällt, z. B. auch bei Zyklonen. Die Einrichtungen bestehen jeweils aus einem Tauchrohr 2, mit einem sanften Übergang 3 von axialer auf radial nach außen verlaufender Strömung, einem Plattendiffusor 4, einer ringförmigen Umlenkzone 5, einem Führungsbereich 6 mit radial nach innen gerichteter Strömung, einem sanften Übergang 7 vom Führungsbereich 6 auf axiale Strömung und einer Austrittsleitung 8. Die Strömung innerhalb der Wirbelkammer I weist einen sehr hohen Drall auf. Unter dem Einfluß einer Absaugung tritt ein drullbchafteter Medienstrom in das Tauchrohr 2 ein. Nach kurzer axialer Laufstrecke tritt die Drallströmung in den sanften Übergang 3 ein, der die Drallströmung mit geringstmöglichen Energievcrlusten in eine ringförmige Drallströmung umwandelt, die schließlich in radiale Richtung übergeht. In dieser Richtung triil die Drallströmung bereits mit einem gewissen Rückgewinn an Druckenergie (da sich ja die radiale Distanz, bereits geändert hat) in den Plattendiffusor 4 ein, in dem der weitaus größte Teil der Drallcnergie in Druckenergie zuriickverwandelt wird. Dies beruht auf der Abnahme der Umfangsgeschwindigkeit // bei zunehmendem Radius /etwa nach der Beziehung

Konst.

wobei der Exponent m einen Wert um 1 annehmen kann. An seinem Umfang mündet der Platiendiffusor in die strömungstechnisch günstig geformte Umlenkzone 5. liier wird die Strömung weiter verzöger¹, gleichzeitig umgelenkt in die Richtung radial nach innen und dabei wieder etwas beschleunigt, was geringere Umlenkverluste ergibt. In der Kammer 5 wirkt sich deren Rotationssymmetrie auf das Strömungsfeld verlustmindcrnd aus. An jeder Stelle des Umfangs herrscht gleichartige, also quasi zweidimensionale Strömung. Nach der Umlenkung um 180" oder etwa um 180' nach innen gelangt die Strömung in den Führungsbereich 6. Hier sind Leitschaufel 9 mit radial nach innen ausgerichteten Hinterkanten angeordnet, wie dies aus Fi g. 3. einem Schnitt vorwiegend durch den Führungsbereich, zu ersehen ist. Die radialen Leitschaufeln sind im dargestellten Beispiel mit stumpfen Vorderkanten verschen. Hierdurch sollen eventuelle Umfangskomponcnten der Strömungsgeschwindigkeit mit möglichst geringen Strömungsablösungcn in den Nasenbereichen in Radialkomponenten verwandelt werden. Die Schaufeln 9 sind hier am Beispiel einer einfacheren Einrichtung gerade ausgeführt. Zwecks besserer Anpassung an besondere Strömungsbedingungen sind auch gekrümmte Schaufeln 9 mit schärferen Nasen denkbar. Die Anzahl der Schaufeln 9 ist nicht durch das dargestellte Beispiel festgelegt, sondern ergibt sich aus den jeweiligen Auslegungskriterien. Nach dem Verlas-") sen des Führungsbereiches 6 mit den Schaufeln 9 gelangt die Strömung in den Übergangsbereich 7, wo sie als reine Meridianströmung in die parallele Rohrströ mung 8 umgewandelt wird.

Fig.4 zeigt eine andere Ausgestaltung der Einrich-

ni tung zur Rückverwandlung von Drallcnergie mit dem Tauchrohr 20, dem Übergangsbereich 21, dem Plattendiffusor 22, der Umlenk- und Verzögerungskammer 23, dem Führungsbereich 24, dem Übergangsbereich 25 und der Austrittsleuung 26. Hier ist die Strömung gegenüber

i> der vorbeschriebenen Beispielsausführung ab Austritt P!-attendiffusor derart verändert, daß sowohl in der Verzögerungskammer 23 als auch im Führungsbereich 24 keine nennenswerte Beschleunigung mehr stattfindet. Durch geeignete Auslegung des Strömungsquer-

2" Schnitts kann hier die Meridiangeschwindigkeit konstant gehalten oder sogar verzögert werden, so daß diese Bereiche ebenfalls als Diffusor wirken. Die im Führungsbereich 24 angeordneten Leitschaufeln können in der Gestaltung dem vorherrschenden Strö-

-'"> mungsfeld angepaßt werden. An den Hinterkanten müssen die Schaufeln jedoch in Meridian-Richtung ausgerichtet sein, damit die abfließende Strömung keine Umfangskomponente aufweist. Nach der sanften Umlenkung innerhalb des Übergangsbereiches 25

i» gelangt das strömende Medium drallfrei in die Austrittsleitung 26. Zum weiteren Druckrückgewinn kann noch ein hier nicht dargestellter Rohrdiffusor nachgeschaltct werden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfin-

i'i dung mit dem Tauchrohr 30, dem Plattendiffusor 31, dem Zentralkörper 32. der Umleiikzonc 33. dem Führungsbereich 34, dem Diffusor 35 und der Auslrittsleilung 36. Diese Form der Einrichtung ergibt sich, wenn die Außenwand der Einrichtung nach Fig. 4 ab der

■in Umlenkzone 23 bis zur Austritlsleitung 26 auf den konstanten Durchmesser d aufgeweitet und der Zentralkörper stromab verlängert wird. Hier erfolgt der Ströniungsverlauf vom Tauchrohr 30 bis zur Umlcnkzone 33 wie /.. B. bei der Einrichtung nach Fig.4. An die

·)"> Umlenkzone 33 schließt sich der mit Leilschaufeln ausgestattete Führungsbereich 34 an, der unmittelbar in den Diffusor 35 mit vorwiegend axialer Strömung übergeht. Der Diffusor 35 stellt gleichzeitig einen sanften Übergang vom Führungsbereich 34 auf die

vi axiale Strömung innerhalb der Austrittsleitung 36 dar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der sich stromab verjüngende Teil des Zentralkörper 32 in einfacher Weise durch eine Kugelfläche entsprechend der Kontur a gebildet. Der Wirkungsgrad des Diffusors

■)■■> kann erhöht werden, wenn der Zentralkörper 32 entsprechend einer Kontur ^ausgestaltet wird.

Da die Umlenkvcrlusie durch die Schaufeln bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit ν mit ΐ^Λ> anwachsen, ist es zweckmäßig, die Schaufeln in einen

Mi Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu legen. Dies ist in allen gezeigten Beispielausführungen der Fall. Eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Umfenkverluste besteht darin, daß die Schaufeln in diem Bereich mit beschleunigter Strömung, d. h. mit

■ή negativem Druckgradienten angeordnet werden, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist. Hierdurch werden Strömungsverlustc infolge Strömungsablösung weitgehend vermieden. Unter bestimmten Umstanden kann es

zweckmäßig sein, daß man einen gewissen Anteil von Drnllcncrgie in der die Einrichtung verlassenden Strömung toleriert, um zu einfacheren Ausführungen zu gelangen. In diesen Fallen können die Schaufeln weggelassen werden.

2 IViall Zeichtiur.in.ii

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehsymmetrischer Zentralkörper (Z) derart innerhalb einer drehsymmetrischen Erweiterung (E) einer Rohrleitung angeordnet ist, daß der verbleibende drehsymmetrische Hohlraum für ein stromab bewegtes Volumcnelement nacheinander folgende Abschnitte bildet:

a) Einen sanften Übergang (3, 21, 3Oa^ von axialer auf radial nach außen verlaufende Strömung,

b) einen Plattendiffusor(4,22,31),

c) eine ringförmige Umlenkzone (5,23,33),

d) einen Führungsbereich (6, 24, 34) mit radial nach innen gerichteter Strömungskomponente und

e) einen sanften Übergang (7, 25, 35) vom Führungsbereich auf axiale Rohrströmung.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Führungsbereiches (6, 24, 34) Leitschaufel mit meridional ausgerichteten Hinterkanten angeordnet sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strömungsquerschnitt innerhalb des Führungsbcrcichcs (6, 24) stromab verengt.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt innerhalb des Fühningsbcreiches (6, 24) stromab konstant bleibt.

'S. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strömungsquerschnitt innerhalb des Führungsbcreiches (6, 24) stromab erweitert.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich (34) unmilielbar in den Diffusor (35) übergeht, der durch die Außenwand und den kegelig verlängerten Teil des Zentralkörper«, gebildet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (32) in allen zentralen Längsschnitten eine nach innen eingebogene Kontur ^aufweist.