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EP0769106A1 - Verfahren zum betreiben einer strahlpumpe sowie eine strahlpumpe selber - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer strahlpumpe sowie eine strahlpumpe selber

Info

Publication number
EP0769106A1
EP0769106A1 EP95924858A EP95924858A EP0769106A1 EP 0769106 A1 EP0769106 A1 EP 0769106A1 EP 95924858 A EP95924858 A EP 95924858A EP 95924858 A EP95924858 A EP 95924858A EP 0769106 A1 EP0769106 A1 EP 0769106A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
jet
nozzle
cross
section
supersonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP95924858A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0769106B1 (de
Inventor
Alfred E. Beylich
Martin Blanke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mannesmann AG filed Critical Mannesmann AG
Publication of EP0769106A1 publication Critical patent/EP0769106A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0769106B1 publication Critical patent/EP0769106B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles
    • F04F5/465—Arrangements of nozzles with supersonic flow

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a rod pump with a propellant nozzle, the propellant, in particular steam, at supersonic speed
  • the velocity of the flowing fluid is achieved
  • Gaseous and vaporous media come into consideration as the driving current medium and as the suction current medium.
  • the final speed of a driving gaseous or vaporous medium is considerably greater than the speed of sound in high-power lamps with a high pressure ratio. This is achieved by widening the cross section in the overspill part of the nozzle, whereby potential energy is converted into kinetic energy, combined with a simultaneous pressure drop, usually have
  • Overscnalldusen a circular cross-section with a conical or contoured overview part.
  • a steam jet pump is known from the document DE 3406260 A1, in which the working steam is expelled from a jet nozzle, which widens towards the end.
  • the working steam reaches its critical speed when it passes through the neck part of the nozzle. H. the speed of sound.
  • the pressure energy is completely converted into kinetic energy and the steam is expelled into a chamber at supersonic speed.
  • the invention has set itself the goal of creating a method for operating a jet pump and a jet pump itself, in which an increase in the mixing of propellant and load medium is achieved with simple constructional means.
  • Vortex structures are generated that lead to an improvement in the mixture and expansion of the mixing zone. The interaction of this
  • Vortex structures that have an axis of rotation in the direction of flow, with the toroidal vortexes that are usually generated, that is, vortexes with an azimuthal axis of rotation, lead to pulsating unsteady processes. While maintaining the cross-sectional area compared to the respective circular cross-section and thus the secondary mass flow rate and the local state (pressure, temperature, Mach number), the circumferential length of the respective cross-sectional shape is increased. From the circular cross section in The transsonic part of the propellant nozzle becomes downstream in the
  • Rounded triangles, squares or polygons for example a 5-sided hexagon, have turbulences downstream of these beads, the axis of rotation of which points in flow direction, with which the mixing process is improved in the difficult case of supersonic mixing.
  • speeds of the propellant medium of 4.8 to 5.2 times the speed of sound are achieved with such supersonic nozzles (hypersonic state).
  • the bulges or bulges are rounded off in their apex.
  • the pressure at the nozzle outlet is a factor of 3 to 5 above the suction pressure of the load medium
  • the final cross-section is reduced accordingly; This means that the nozzle length can be shorter by a factor of 0.2 compared to the calculated length with full expansion to the suction pressure.
  • FIG 1 shows the arrangement of the entire jet pump
  • Figure 3 different cross-sectional shapes.
  • Figure 1 shows the arrangement of a in schematic form
  • the jet pump 20 has a cylindrical part arranged in series one behind the other
  • the nozzle length Xd and the calculated nozzle length are also shown
  • the starting temperature TO and the initial pressure PO of the load medium and the final pressure P4 at the outlet of the pump are also shown.
  • FIG. 2 shows a diagram of the supersonic drive nozzle 10.
  • the neck 12 of the transonic area adjoins the entry of the subsonic part 11, to which an expanding part 13 of the supersonic area adjoins the outlet 14 and thus the
  • Nozzle end cross section connects.
  • Figure 3 shows the nozzle end section 14 and thus the section C D.
  • the circumferential length Lk with a circular cross section is more conventional
  • Ultrasonic nozzles are shown in dashed lines. In all examples it is
  • Cross-sectional area A of the circular cross section in the case of a conventional supersonic nozzle is the same as that of the nozzle provided with beads.
  • the beads 18 are designed in the form of bulges 17.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Jet Pumps And Other Pumps (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)

Description

Verfahren zum Betreiben einer Strahlpumpe sowie eine Strahlpumpe selber
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum betreiben einer Stabpumpe mit einer Treibdüse, die ein Treibmedium, insbesondere Dampf, mit Überschallgeschwindigkeit
verläßt, weiches sich mit einem gasförmigen Lastmedium vermischt, sowie
eine Strahlpumpe selber.
Bei Strahlpumpen, bei denen ein mit großer Geschwindigkeit strömender
Strahl eines treibenden Stromungsmittels eine Sauawirkung auf ein
anzusaugendes Strömungsmittel ausübt und dabei dieses Strömungsmittel
mitreißt, gibt das treibende Strömungsmittel durch Strahlmischung und
Impulsübertragung kinetische Energie an das angesaugte Strömungsmittel
ab, so daß ein Mischstrahl der beiden Strömungsmittel am Ende des
Mischungsprozesses eine geringere Geschwιndigkeit hat als der Strahl des
treibenden Strömungsmittels. Die hierzu erforderliche hohe
Geschwindigkeit des tretenden Strömungsmittels wird dadurch erreicht,
daß in einer sog. Treibdüse Druckenergie in kinetische Energie
umgewandelt wird. Schließlich wird dann die verbleibende kinetische
Energie des Mischstrahles in einem sog. Diffusor wieder in Druckenergie umgewandelt.
Als treibende Stromungsmittel sowie als ansaugende Stromungsmittel Kommen dabei vor allem gasformige und dampfförmige Medien in Betracht. Die Endgeschwindigkeit eines treibenden gas- oder dampfförmigen Mediums ist bei Strahlern hoher Leistung und mit großem Druckverhaltnis erheblich großer als die Schallgescnwindiαkeit. Dies wird erreicht durch eine Querschnittserweiterung im uberscnallteil der Düse, wodurch potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird, verbunden mit einem gleichzeitigen Druckabfall, üblicherweise besitzen
uberscnalldusen einen Kreisquerschnitt mit kegeligem oder konturiertem überschauteil.
Aus der Schrift DE 3406260 A1 ist eine Dampfstrahlpumpe bekannt, bei der der Arbeitsdampf von einer Strahldüse ausgestoßen wird, die sich zu ihrem Ende hin verbreitert. Der Arbeitsdampf erreicht beim Durchtritt durch den Halsteil der Düse seine kritische Geschwindigkeit, d. h. die Schallgeschwindigkeit. Da der Dampf durch den sich erweiternden Teil der Düse geht, wird die Druckenergie vollständig in kinetische Energie umgewandelt und der Dampf wird mit Überschallgeschwindigkeit in eine Kammer ausgestoßen.
Bei den großen Differenzen der Geschwindigkeiten von Last- und
Treibmassenstrom ist bei dieser bekannten Ausgestaltung des Strahlers bei Hochleistungsstrahlpumpen der Mischungsprozeß ineffizient und darüber hinaus verlangsamt. Dies führt zu Verlusten im Prozeß,
insbesondere zu Reibungsverlusten, und zu großen Baulängen der
Strahlpumpe, bzw. zu unvollständigem Mischen und damit zu
Leistungsveriusten.
Eingriffe in die uberschallstromung, wie sie beispielsweise im
Unterschall möglich sind, etwa mittels turbulenzauslosender Störκörper, sind im überschallkernstrahi nicht möglich und wurden zu erheblichen Verlusten durch Verdichtungsstöße führen. Die im Strahttriebwerκsbau übucne Vergrößerung der Mischungsfläche zwischen Treib- und Sekundärstrahl durch rosettenförmige Düsenformen, sog. Hypermixing, ist nur im Unterschallbereich möglich. Im
Hyperschallbereich würde eine solche Maßnahme sofort zu einer
Vernichtung des Strahlimpulses durch Verdichtungsstöße und damit zu einer funktionsunfähigen Pumpe führen.
Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, ein Verfahren zum Betreiben einer Strahlpumpe und eine Strahlpumpe selber zu schaffen, bei denen mit einfachen konstruktiven Mitteln eine Steigerung der Vermischung von Treib- und Lastmedium erreicnt wird.
Die Erfindung erreicnt dieses Ziel durch den Verfahrensanspruch 1 und oen vorrichtungsanspruch 3. Die weiteren Ansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
Bei herkömmlichen überschallstrahlern werden an den Mischgrenzen stromabwärts vom Düsenendguerscnnitt Wirbelstrukturen erzeugt, die sich torusförmig mit azimuthaler Symmetrie in Stromungsrichtung bewegen. Ohne die überschallströmung zu zerstören, wird erfindungsgemäß in diese azimuthale Symmetrie eingegriffen, indem möglichst große
Wirbelstrukturen erzeugt werden, die zu einer Mischungsverbesserung und Aufweitung der Mischzone führen. Die Wechselwirkung dieser
Wirbelstrukturen, die eine Drehachse in Strömungsrichtung besitzen, mit den üblicherweise erzeugten torusförmigen Wirbeln, also Wirbel mit azimuthaler Drehachse, führt zu pulsierenden instationären Prozessen. Unter Beibehaltung der Querschnittsfläche im Vergleich zum jeweiligen Kreisquerschnitt und damit des sekundlichen Massendurchsatzes und des lokalen Zustandes (Druck, Temperatur, Machzahl) wird die Umfangslänge der jeweiligen Querscnnittsform vergrößert. Vom Kreisquerschnitt im Transschallteil der Treibdüse ausgenend werden stromabwärtsim
überschallteil am Düsenmantel Sicken in Form von Ausbuchtungen oder Ausbeulungen vorgesehen. Diese Sicken sind in ihrem Scheitel abgerundet, die Querschnittsflächen können dabei die Formen eines jeweils
abgerundeten Dreiecks, Quadrates oder auch Vielecks, beispielsweise eines 5echsecks, aufweisenXstromabwärts von diesen Wülsten entstehen Verwirbetungen, deren Drehachse in Strömungsricntung weisen, mit denen der Mischvorgang in dem scnwierlgen Fall des überschallmischens verbessert wird. Beim Einsatz eines Dampfstrahlers mit einem Mediumdruck von 10 bis 12 bar werden bei solchen uberschalldüsen Geschwindigkeiten des Treibmediums vom 4,8 bis 5,2facnen der Schallgeschwindigkeit erreicht (Hyperschallzustand).
In vorteilhafter weise werden zur Vermeidung von dicken Grenzschichten und Verdichtungsdüsen die wulstförmigen Ausbuchtungen bzw. Ausbeulungen in ihrem Scheitel abgerundet.
Bei der erfindungsgemäßen Strahlerpumpe liegt der Druck am Düsenausgang um ein Faktor 3 bis 5 über dem Ansaugdruck des Lastmediums, der
Endquerschnitt ist entsprechend verkleinert; somit kann im vergleich zur rechnerischen Länge bei vollständiger Expansion auf den Ansaugdruck die Düsenlänge um den Faktor 0,2 kürzer sein. Die Intensivierung der
Vermischung führt als Folge dieser Maßnahme nicht nur zu einer
Verkürzung des Mischers, sondern auch einer Verbesserung des
Druckverhältnisses von ebenfalls etwa 20 %.
Eine vorteilhafte Ausgestattung wird erreicht bei einem allmählichen kontinuierlichen Übergang vom Kreisquerschnitt zum Endquerschnitt der überschalltreibdüse. Dabei kann die Veränderung des Querschnitts stromab im überschauteil querschnittsmäßig dem einer kegeligen oder einer konturierten Düse entsprechen. Ein Beispiel der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargelegt.
Dabei zeigen die
Figur 1 die Anordnung der gesamten Strahlpumpe
Figur 2 überschalltreibdüse
Figur 3 verschiedene Querschnittsformen.
Die Figur 1 zeigt in schematiscner Form die Anordnung einer
überschalltreibdüse 10 in einer Strahlpumpe 20. Die Strahlpumpe 20 weist baulich in Reihe hintereinander angeordnet einen zylindrischen Teil
21 und einen stark konischen Teil 22 sowie einen schwach konischen Teil
23 des Mischers, auf dem sich ein Stoßdiffusor 24 und ein
unterschalldiffusor 25 anschließen.
Aufgezeigt sind noch die Düseniange Xd sowie die rechnerische Düsenlänge
Xr.
Aufgezeigt wird noch die Anf anαstemperatur TO und der Anfangsdruck PO des Lastmediums sowie der Enddruck P4 am Ausgang der Pumpe.
In der Figur 2 ist ein Schema der überschalltreibdüse 10 dargelegt.
Dabei schließt sich an den Eintritt des Unterschallteils 11 der Hals 12 des transsonischen Bereichs an, dem sich ein sich erweiternder Teil 13 des Überschallbereichs mit dem Austritt 14 und damit dem
Düsenendquerschnitt anschließt.
Im oberen Teil der überschalltreibdüse 10 sind im Mantel 19, der einen
Mantelwinkel γ aufweist, Sicken 18 in Form von Auspeulungen 16
vorgesehen, die den Wulstwinkel β besitzen.
Im unteren Bereich der überschalltreibdüse 10 sind im Mantel 19 der den
Mantelwinkel besitzt, Sicken 18 in Form von Ausbuchtungen 17
vorgesehen, die den Wulstwinkel β besitzen.
In der Figur 2 ist noch der Schnitt A B dargestellt, der die kreisförmige Querschnittsfläche Ak und die entsprechende Umfangslänge Lk besitzt.
Die Figur 3 zeigt den Düsenendduerschnitt 14 und somit den Schnitt C D.
Die Umfangslänge Lk bei einem Kreisquerschnitt konventioneller
uberschalldüsen ist gestrichelt dargestellt. In allen Beispielen ist die
Querscnmttsflache A des Kreisαuerschnittes bei konventioneller überschalldüse gleich dem der mit Sicken versehenen Düse.
Im oberen Bereich sind Beispiele aufgeführt mit drei bzw. vier Sicken 18 in Form von Ausbeulungen 16.
Im unteren Bereicn sind die Sicken 18 in Form von Ausbuchtungen 17 ausgeführt.
Weiterhin dargestellt sind noch Schenkel 15, die sich unter einem
Scheπkelwinkel α von mind. 60 öffnen.
Positionsliste:
10 überschalltreibdüse
11 Unterschaltteil
12 Hals, transsonischer Bereich
13 sich erweiternder Teil, Überschallbereich
14 Austritt, Düsenendquerschnitt
15 Schenkel
16 Ausbeulung
17 Ausbuchtung
18 Sicke
19 Mantellinie
20 Strahlpumpe
21 zylindrische Zuführung des Lastmediums
22 Mischer stark konisch
23 Mischer schwach konisch
24 Stoßdiffusor
25 Unterschalldiffusor
α Schenkelwinkel
Wulstwinkel
ɣ Mantelwinkel
Xd Düsenlänge ist
Xr rechnerische Düsenlänge
A Querschnittsflache
Ak kreisförmige Querschnittsfläche
L Umfangslänge
Lk Umfangslänge bei kreisförmigem Querschnitt

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betreiben einer Strahlpumpe mit einer Treibdüse, die ein Treibmedium, insbesondere Dampf, mit Überschallgeschwindigkeit verläßt,welches sich mit einem gasförmigen Lastmedium vermischt, dadurch gekennzeichnet,
daß stromab vom Austritt der Düse im Mischbereich zur Aufhebung der azimuthalen Symmetrie der Wirbelstruktur des Treibmediums die Umfangslänge durch ein vom Kreis abweichende Querschnittsform des Treibstrahls vergrößert wird, wobei die jeweilige
Querschnittsfläche entsprecnend dem Kontinuitätsprinzip in
Strahlrichtung beginnend mit einem Kreisquerschnitt im
überschallteil des Strahlers der Kreisquerschnittsfläche des Treibmediums in konventionellen uberschalldüsen entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die eine größere Umfangslänge aufweisende Querschnittsform des Treibstrahls eine Wirbelstruktur mit Drehachse in Strömungsrichtung erzeugt.
3. Strahlpumpe, insbesondere Dampfstrahlpumpe, mit einer vom Hals zu ihrem Ende hin sich erweiternden Strahldüse, die von einer koaxial angeordneten Mischkammer umgeben ist, an welche sich ein konisch sich verjüngender Diffusorteil anschließt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittsform des sich erweiternden Teils (13) der Strahldüse (10) von einem Kreisquerschnitt (Ak) mit entsprechender Umfangslänge (Lk) aufweisenden Hals (12) des Transschallteils strahlabwärts in der weise ausgestaltet ist, daß bei jeweiliger gegebener Querschnittsfläche (A) der Umfang im Vergleich zur Kreisform eine größere Länge (Lx) aufweist und im Strahldüsenmantel (19) mindestens drei wulstförmige, sich in Strahlrichtung
erstreckende Sicken (18) vorgesehen sind.
4. Strahlerpumpe nach Ansoruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlerdüsenmantel (19) in Strahlrichtung einen
altmählichen kontinuierlichen Übergang vom Dusenquerschnitt (A) in
Kreisform zum mit Sicken (18) versehenen aufweist.
5. Strahlerpumpe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sicken (18) wulstförmige Ausbeulungen (16) sind, die in ihrem Scheitel Abrundungen besitzen, und
daß ihre Schenkel ( 15) unter einem Winkelo(^von größer 60º voneinander beabstandet sind.
6. Strahlerpumpe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sicken (18) wulstförmige Ausbuchtungen (17) sind, die in ihrem Scheitel Abrundungen besitzen und daß ihre Schenkel (15) unter einem Winkel ©<»von größer 60° voneinander beabstandet sind.
7. Strahlerpumpe nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Düsentänge (Xd) im Vergleich zu einer Länge (Xr),
gerechnet für vollständige Expansion auf den Ansaugdruck, um einen
Faktor größer 0,2 kürzer ist.
8. Strahlerpumpe nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der öffnungswinkel β der Scheitellinie der wulstförmigen
Ausbeulung (16) 3-5º größer ist als der Öffnungwinkel ɣ des
Hauptteils des Strahldüsenmantels (19)
9. Strahlerpumpe nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Öffnungswinkel β der Scheitellinie der wulstförmigen Ausbuchtung (17) 3-5° kleiner ist als der öffnungswinkel ɣ des Haupttεils des Strahldüsenmantels (19).
EP95924858A 1994-07-06 1995-07-05 Verfahren zum betreiben einer strahlpumpe sowie eine strahlpumpe selber Expired - Lifetime EP0769106B1 (de)

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DE4425601A DE4425601A1 (de) 1994-07-06 1994-07-06 Verfahren zum Betreiben einer Strahlpumpe sowie eine Strahlpumpe selber
DE4425601 1994-07-06
PCT/DE1995/000923 WO1996001374A1 (de) 1994-07-06 1995-07-05 Verfahren zum betreiben einer strahlpumpe sowie eine strahlpumpe selber

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0769106A1 true EP0769106A1 (de) 1997-04-23
EP0769106B1 EP0769106B1 (de) 1998-09-23

Family

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Country Status (7)

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US (1) US5820353A (de)
EP (1) EP0769106B1 (de)
JP (1) JPH10502426A (de)
AT (1) ATE171522T1 (de)
AU (1) AU2920995A (de)
DE (2) DE4425601A1 (de)
WO (1) WO1996001374A1 (de)

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