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Dokumentenidentifikation DE4430574A1 22.02.1996
Titel Überschallvorrichtung
Anmelder Mannesmann AG, 40213 Düsseldorf, DE
Erfinder Beylich, Alfred E., 52076 Aachen, DE
Vertreter P. Meissner und Kollegen, 14199 Berlin
DE-Anmeldedatum 18.08.1994
DE-Aktenzeichen 4430574
Offenlegungstag 22.02.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.1996
IPC-Hauptklasse F04F 5/00
IPC-Nebenklasse F04F 5/12   F04F 5/46   B05B 1/02   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Überschallvorrichtung mit einem langgestreckten rohrförmigen Mischer- und Diffusorgehäuse, in dem axial eine erste und zu dieser in Reihe eine mit einem Verdrängungskörper versehene zweite Treibdüse angeordnet ist.
Um mit konstruktiv einfachen Mitteln eine deutliche Leistungssteigerung in Relation zum einzusetzenden Treibmedium zu erzielen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß beide Treibdüsen (11, 12) in je einem zylindrischen Bereich (21, 22) des Mischer- und Diffusorgehäuses (20) angeordnet sind,
daß sich an dem die erste Treibdüse (11) einhüllenden Gehäuseteil (21) ein konisch sich verjüngender, eine erste Mischzone (32) umhüllender Gehäuseteil (23) anschließt,
daß in diesem konischen Gehäuseteil (23) der mit der zweiten Treibdüse (12) verbundene Verdrängungskörper (14) hineinragt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Überschallvorrichtung mit einem langgestreckten rohrförmigen Mischer- und Diffusorgehäuse, in dem axial eine erste und dieser in Reihe eine mit einem Verdrängungskörper versehene zweite Treibdüse angeordnet ist.

Mehrfachejektoren, die aus einem Satz aus mindestens zwei Düsen bestehen, die in Flußrichtung der Größe nach in Reihe hintereinander angeordnet sind, lassen sich für verschiedene Einsatzzwecke einsetzen. So ist aus der DE 30 25 525 A1 eine Ejektorvorrichtung bekannt, die aus mindestens zwei von einer entsprechenden Anzahl axial aufeinander folgender Strahldüsen zunehmender Größe gebildeten Ejektoren innerhalb eines gemeinsamen langgestreckten Gehäuses bekannt, das nach dem Baukastensystem aus mehreren in Längsrichtung aneinander anschließenden und beliebig miteinander kombinierbaren Sektionen besteht, die jeweils höchstens eine Querwand enthalten. Diese aus der genannten Schrift bekannte Ejektorvorrichtung wird beispielsweise zum Erzeugen von Überdruck und Unterdruck beim maschinellen Bewegen von Papierbögen in Druckereien eingesetzt, also nur zum Erzeugen von sehr geringen Unterdrücken, d. h. sehr kleinen Druckverhältnissen, und sehr kleinen Mengenströmen. Die in den Düsen stattfindende Umsetzung von Druck in kinetische Energie ist nur gering und nicht vergleichbar mit Hochleistungs-Überschalldüsen, die große Druckverhältnisse erzeugen können.

Eine klassische Überschallvorrichtung mit zwei Treibdüsen ist aus der Dissertation H. R. Löser der Technischen Hochschule Darmstadt, 08.11.1965, bekannt. Die aus dieser Schrift bekannte Überschallvorrichtung besitzt die Bauform eines konventionellen zweistufigen Überschallejektors, der sich aus zwei Einzelstufen mit zentralen Primärdüsen und zylindrischen Mischkammern zusammensetzt. An die Mischkammer der zweiten Stufe schließt sich der übliche Unterschallkegeldiffusor an. Die Verzögerung der aus der ersten Stufe austretenden Strömung des zweistufigen Überschallejektors wird in einem Unterschall-Doppelkegeldiffusor vorgenommen, der zugleich die konstruktive Verbindung der Einzelstufen darstellt.

Als Ergebnis dieser Dissertation ist festzuhalten, daß kleine Sekundärdruckverhältnisse nur bei großem Primäraufwand, d. h. kleinen Massenverhältnissen, erreichbar sind und durch Erhöhung des Primärdruckes verbessert werden können. Sinnvoll läßt sich somit der zweistufige Ejektor insbesondere nur für kleine Massenverhältnisse anwenden.

Darüber hinaus ist der zweistufige Überschallejektor noch mit dem Nachteil belastet, daß im ersten Überschalldiffusor zunächst verlustreich verzögert und dann im anschließenden Teil wieder beschleunigt wird.

Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Überschallvorrichtung zu schaffen, bei der mit konstruktiv einfachen Mitteln eine deutliche Leistungssteigerung in Relation zum einzusetzenden Treibmedium erzielt wird.

Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Überschallvorrichtung.

Bei der erfindungsgemäßen Strahlpumpe ragt die Spitze des Verdrängungskörpers der zweiten in Reihe geschalteten Treibdüse in die Kern- und Mischzone der ersten Treibdüse hinein. Durch diese Anordnung der mit dem Verdrängungskörper versehenen zweiten Treibdüse werden Verluste durch Abbau der senkrechten Verdichutngsstöße vermieden. Durch diesen Abbau der senkrechten Verdichtungsstöße wird eine erhebliche Drucksteigerung dieser in Form eines Tandems aufgebauten Strahlpumpe erreicht. Während bisherige Hochleistungs-Strahlpumpen üblicherweise ein Druckverhältnis von maximal π=12 aufweisen, lassen sich beim Tandemstrahler bei gleichem Treibdampfverbrauch Druckverhältnisse von π=20-30 erzielen. Darüber hinaus benötigt der Tandemstrahler, ausgelegt beispielsweise für ein Druckverhältnis von π=12, nur etwa die halbe Dampfmenge des konventionellen Strahlers, was bei einer Anlage mit zwei Stufen bereits eine Gesamtdampfersparnis von etwa 70% bedeutet.

Das mit dem Tandemstrahler zu erreichende Druckverhältnis von π=20-30 wird über einen konventionellen Strahler nicht nur zu einem unwirtschaftlichen Dampfverbrauch führen, sondern praktisch gar nicht zu erreichen sein.

Bei der erfindungsgemäßen Überschallvorrichtung sind beide Treibdüsen jeweils in einem zylindrischen Bereich des Mischer- und Diffusorgehäuses angeordnet. Der zweiten Treibdüse ist ein konischer Verdrängungskörper in Form eines Überschallkegels oder -keils vorgeschaltet, dessen Spitze bzw. Schneide in die konisch sich verjüngende erste Mischzone des Diffusors hineinragt, und zwar so weit, daß sie noch einen Teil des Kernstrahls der ersten Treibdüse erreicht.

Mit der integrierten Form des erfindungsgemäßen Tandemstrahlers mit Überschallkegel- bzw. -keildiffusor arbeitet erheblich verlustärmer als der klassische Mischer mit Stoßdiffusorrohr. Weiterhin ist die Baulänge des integrierten Tandemstrahlers kleiner als die bekannten, einschließlich des zweistufigen Systems. Darüber hinaus erzielen konische Gleichstrommischkammern deutlich bessere Wirkungsgrade als die bekannten zylindrischen Mischkammern für Hochleistungs-Strahlpumpen.

Die in ihren Abmessungen mindestens um das 0,8fache kleinere zweite Treibdüse ist im ersten transsonischen Bereich des Tandemstrahls angeordnet. Dieser zylindrische Teil erstreckt sich noch über das Düsensende der zweiten Treibdüse hinaus, und zwar so weit, daß die zweite Mischzone gerade nicht berührt wird. An diesen zylindrischen Teil des Diffusorgehäuses schließt sich dann der konisch sich verjüngende Teil der Mischzone 2 an, dem der zweite transsonische Bereich folgt, an den schließlich der Unterschalldiffusor sich anschließt.

Die zweite Treibdüse ist durch mindestens drei, vorzugsweise zur sicheren Fixierung des Strahlers mit insgesamt sechs Streben am Gehäuse befestigt. Eine der Streben ist dabei als Dampfzufuhrleitung ausgebildet.

In vorteilhafter Weise sind die Querschnitte der Streben die Strömung möglichst wenig behindernd ausgestaltet. Eine Ausgestaltungsform ist ein rhombischer Querschnitt, wobei die der Strömung zugeneigten Flächen vorzugsweise noch einen kleineren Winkel zueinander aufweisen. Um die Behinderung der Strömung noch weiter zu mindern, wird vorgeschlagen, die Streben schräg anzuordnen, und zwar in der Weise, daß der Winkel zwischen den Streben und der Treibdüse kleiner 70° beträgt.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargelegt. Dabei zeigt die

Fig. 1 das Schema der Überschallvorrichtung,

Fig. 2 die Anordnung der Streben,

Fig. 3 Gehäuse mit rechteckigen Treibdüsen.

Die Fig. 1 zeigt ein Mischer- und Diffusorgehäuse 20, das koaxial zu zwei in Reihe angeordneten Treibdüsen 11 und 12 angeordnet ist. Das Gehäuse 20 weist dabei einen ersten zylindrischen Teil 21 zur Laststromzuführung auf, daran anschließend einen in Strömungsrichtung sich verjüngenden ersten Mischerteil 23, einen daran anschließenden zweiten zylindrischen Teil 22 im Bereich der transsonischen Mischzone, hieran anschließend einen zweiten Mischerteil 24, dem ein Stoßdiffusor 25 und abschließend ein Unterschalldiffusor 26 folgt.

Im ersten zylindrischen Teil 21 ist die erste Treibdüse 11 angeordnet und weist eine in Reihe geschaltete und innerhalb des zweiten zylindrischen Teils 22 angeordneten zweiten Treibdüse 12 auf. Die Treibdüse 12 ist dabei über Streben 15, 16 an den zylindrischen Teil 21 des Gehäuses 20 befestigt. In der vorliegenden Skizze sind am Kopf- und Fußende der Treibdüse 12 Streben 15 angeordnet, von der eine als Treibmittelzufuhrstrebe 16 ausgebildet ist, die an die rohrförmige Treibmittelzufuhr 13 angeschlossen ist.

Die Treibdüse 12 weist an seiner der Treibdüse 11 zugeneigten Stirnfläche einen konischen oder keilförmigen Verdrängungskörper 14 mit einem Halbwinkel und einer Gesamtlänge L auf.

Durch gestrichelte Linien sind im ersten Mischerteil 23 des Gehäuses 20 ein erster Kernstrahl 31 mit einer ersten Mischzone 32 und im zweiten zylindrischen Teil 22 sowie im zweiten Mischerteil 24 ein zweiter Kernstrahl 33 und eine zweite Mischzone 34 dargestellt.

Weiterhin ist mit dem Buchstaben A der Abstand der Mündung der zweiten Treibdüse 12 zur Austrittsmündung des zweiten Mischteils 24 bezeichnet.

Die Fig. 2 zeigt im Detail die Befestigung der zweiten Treibdüse 12 im zylindrischen Teil 22 des Mischer- und Diffusorgehäuses. In der vorliegenden Skizze sind am Kopf- und Fußende der Treibdüse 12 Streben 15 angeordnet, von der eine als Treibmittelzufuhrstrebe 16 ausgebildet ist, die an die rohrförmige Treibmittelzufuhr 13 angeschlossen ist. Im oberen Teil des Bildes sind die Streben unter einem Strebwinkel α, im unteren Teil des Bildes rechtwinklig angeordnet.

Der Schnitt A zeigt die Querschnittsfläche einer Strebe 15, die in einer Weise ausgestaltet und angeordnet ist, daß dem strömenden Medium ein möglichst geringer Widerstand entgegengesetzt wird. Im oberen Teil der Schnittzeichnung ist die Querschnittsfläche räumlich ausgebildet, im unteren Teil sind die der Strebung zugeneigten Flächen größer und mit einem spitzeren Winkel zueinander angeordnet als die übrigen beiden Flächen.

Der Schnitt BB zeigt, daß am Umfang der Treibdüse insgesamt drei Streben verteilt sind, und zwar zwei Streben 15 und eine Treibmittelzufuhrstrebe 16 innerhalb des zweiten zylindrischen Teils 22.

Die Fig. 3 zeigt den Aufbau des Mischer- und Diffusorgehäuses 20 wie in der Fig. 1 in perspektivischer Darstellung. In dem Gehäuse 20 ist im Bereich des ersten zylindrischen Teils 21 eine Treibmitteldüse 11 angeordnet, die einen rechteckigen Austrittsquerschnitt besitzt. Weiterhin ist in Reihe geschaltet eine zweite Treibdüse 12, die ebenfalls einen rechteckigen Austrittsquerschnitt besitzt und eine Gehäusegröße aufweist, die an den Schmalseiten unmittelbar bis zur Gehäusewand des zweiten zylindrischen Teils 22 ragt. Stirnseitig an diese rechteckförmige zweite Treibdüse 12 ist ein Verdrängungskörper 14 angeordnet, der in Form eines Keils 18 mit einem Winkel ρ kleiner 5 Grad ausgebildet ist. Die Schneide des Keils 18 ist dabei senkrecht zum rechteckigen Austrittsquerschnitt der Treibdüse 11 angeordnet.

Die Treibmittelzufuhr 13 ist unmittelbar durch die Wandung des Gehäuses 20 und die Treibdüse 12 geführt.

Positionsliste:

10 Ejektor

11 Treibdüse 1

12 Treibdüse 2

13 Treibmittelzufuhr, rohrförmig

14 Verdrängungskörper

15 Streben

16 Treibmittelzufuhrstrebe

17 Konus

18 Keil

19 Treibmittelzufuhr, unmittelbar

20 Mischer- und Diffusorgehäuse

21 erster zylindrischer Teil, Laststromzuführung

22 zweiter zylindrischer Teil, transsonische Mischzone

23 erster Mischerteil

24 zweiter Mischerteil

25 Stoßdiffusor

26 Unterschalldiffusor

30 Strahl

31 Kernstrahl 1

32 Mischzone 1

33 Kernstrahl 2

34 Mischzone 2

l Länge (14)

L Länge (23)

A Abstand (12 zu 25)

B Breite des Keils 18

D Durchmesser des Mischer- und Diffurosgehäuses 20

α Halbwinkel

ρ Strebwinkel


Anspruch[de]
  1. 1. Überschallvorrichtung mit einem langgestreckten rohrförmigen Mischer- und Diffusorgehäuse, in dem axial eine erste und zu dieser in Reihe eine mit einem Verdrängungskörper versehene zweite Treibdüse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

    daß beide Treibdüsen (11, 12) in je einem zylindrischen Bereich (21, 22) des Mischer- und Diffusorgehäuses (20) angeordnet sind,

    daß sich an dem die erste Treibdüse (11) einhüllenden Gehäuseteil (21) ein konisch sich verjüngender, eine erste Mischzone (32) umhüllender Gehäuseteil (23) anschließt,

    daß in diesen konischen Gehäuseteil (23) der mit der zweiten Treibdüse (12) verbundene Verdrängungskörper (14) hineinragt.
  2. 2. Überschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (14) eine Länge (l) aufweist, die dem 0,4-0,5fachen der Länge (L) des ersten Mischerteils (23) entspricht.
  3. 3. Überschallvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichent, daß der Verdrängungskörper (14) als Konus (17) ausgebildet ist und einen Halbwinkel und α kleiner 5° aufweist.
  4. 4. Überschallvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (14) als Keil (18) ausgebildet ist und einen Halbwinkel α von kleiner 5° aufweist.
  5. 5. Überschallvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (17) eine Breite (B) besitzt, die dem Durchmesser (D) des ersten Mischerteils (23) des Mischer- und Diffusorgehäuses (20) entspricht.
  6. 6. Überschallvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Treibmittelzufuhr (19) vorgesehen ist, die unmittelbar an die zweite Treibdüse (12) anschließbar ist.
  7. 7. Überschallvorrichtung nach einem der vorbenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Treibdüse (11) einen rechteckigen Austrittsquerschnitt besitzt und dabei in der Weise angeordnet ist, daß die lange Kante senkrecht zur Schneide des Keils (18) steht.
  8. 8. Überschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische zweite Gehäuseteil (22) im Bereich der zweiten Treibdüse (12) in Strömungsrichtung sich über das Düsenende hinaus bis 0,4-0,6 des Abstandes (A) der zweiten Treibdüse (12) zum an den zweiten Mischerteil (24) anschließenden Stoßdiffusorbereich (25) erstreckt.
  9. 9. Überschallvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Treibdüse (12) durch mindestens drei am Umfang verteilte Streben (15) am zweiten zylindrischen Teil (22) befestigt ist, wobei eine Strebe (15) als Treibmittelzufuhrstreb (16) ausgebildet ist.
  10. 10. Überschallvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (15, 16) ein die Strömugn minimal behinderndes Profil aufweisen.
  11. 11. Überschallvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (15, 16) im Querschnitt rhombusförmig ausgestaltet sind.
  12. 12. Überschallvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungszugeneigten Flächen des rhombischen Querschnitts der Streben (15, 16) einen kleineren Winkel zueinander aufweisen, als die der Strömung abgeneigten Flächen.
  13. 13. Überschallvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (15, 16) an der zweiten Treibdüse (12) in Strömungsrichtung unter einem Winkel β von kleiner 70° angeordnet sind.
  14. 14. Überschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Treibdüse (12) im Querschnitt mindestens um den Faktor 0,8 kleiner ist als die erste Treibdüse (11).






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