EP0769106B1 - Verfahren zum betreiben einer strahlpumpe sowie eine strahlpumpe selber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum betreiben einer Stabpumpe mit einer Treibdüse, die ein Treibmedium, insbesondere Dampf, mit überschallgeschwindigkeit verläßt, welches sich mit einem gasförmigen Lastmedium vermischt, sowie eine Strahlpumpe selber.

Bei Strahlpumpen, bei denen ein mit großer Geschwindigkeit strömender Strahl eines treibenden Strömungsmittels eine Saugwirkung 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 Geschwindigkeit hat als der Strahl des treibenden Strömungsmittels. Die hierzu erforderliche hohe Geschwindigkeit des treibenden 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 Strömungsmittel sowie als ansaugende Strömungsmittel kommen dabei vor allem gasförmige und dampfförmige Medien in Betracht. Die Endgeschwindigkeit eines treibenden gas- oder dampfförmigen Mediums ist bei Strahlern hoher Leistung und mit großem Druckverhältnis erheblich größer als die Schallgeschwindigkeit. Dies wird erreicht durch eine Querschnittserweiterung im Überschallteil der Düse, wodurch potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird, verbunden mit einem gleichzeitigen Druckabfall. Üblicherweise besitzen Überschalldüsen einen Kreisquerschnitt mit kegeligem oder konturiertem Überschallteil.

Aus der Schrift DE 3406260 A1 ist eine Dampfstrahlpumpe bekannt, bei der der Arbeitsdampf von einer Strahldüse ausgestoßen wird, die sich zu inrem 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 Leistungsverlusten.
Eingriffe in die Überschallströmung, wie sie beispielsweise im Unterschall möglich sind, etwa mittels turbulenzauslösender Störkörper, sind im Überschallkernstrahl nicnt möglich und würden zu erheblichen Verlusten durch Verdichtungsstöße führen.

Die im Strahltriebwerksbau übliche 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 erreicht wird.

Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch den Verfahrensanspruch 1 und den Vorrichtungsanspruch 3. Die weiteren Ansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.

Bei herkömmlichen Überschallstrahlern werden an den Mischgrenzen stromabwärts vom Düsenendquerschnitt Wirbelstrukturen erzeugt, die sich torusförmig mit azimuthaler Symmetrie in Strömungsrichtung 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 Querschnittsform vergrößert. Vom Kreisquerschnitt im Transschallteil der Treibdüse ausgehend werden stromabwärtsim Überschallteil am Düsenmantel Sicken in Form von Ausbuchtungen oder Ausbeulungen vorgesehen. Diese Sicken sind in inrem Scheitel abgerundet, die Querschnittsflächen können dabei die Formen eines jeweils abgerundeten Dreiecks, Quadrates oder auch Vielecks, beispielsweise eines Sechsecks, aufweisen. Stromabwärts von diesen Wülsten entstehen Verwirbelungen, deren Drehachse in Strömungsrichtung weisen, mit denen der Mischvorgang in dem schwierigen Fall des Überschallmischens verbessert wird. Beim Einsatz eines Dampfstrahlers mit einem Mediumdruck von 10 bis 12 bar werden bei solchen Überschalldüsen Geschwindigkeiten des Treibmediums vom 4,8 bis 5,2fachen 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 Ausgestaltung wird erreicht bei einem allmählichen kontinuierlichen Übergang vom Kreisquerschnitt zum Endquerschnitt der Überschalltreibdüse. Dabei kann die veränderung des Querschnitts stromab im Überschallteil 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 schematischer Form die Anordnung einer Überschalltreibdüse 10 in einer Strahlpumpe 20. Die Strahlpumpe 20 weist baulich in Reine 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 Düsenlänge Xd sowie die rechnerische Düsenlänge Xr.
Aufgezeigt wird noch die Anfangstemperatur T0 und der Anfangsdruck P0 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 Ausbeulungen 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 Düsenendquerschnitt 14 und somit den Schnitt C D. Die Umfangslänge Lk bei einem Kreisquerschnitt konventioneller Überschalldüsen ist gestrichelt dargestellt. In allen Beispielen ist die Querschnittsfläche A des Kreisquerschnittes 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 Schenkelwinkel α von mind. 60 ° öffnen.

Positionsliste:

10

Überschalltreibdüse

11

Ünterschallteil

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

Γ

Wulstwinkel

γ

Mantelwinkel

Xd

Düsenlänge ist

Xr

rechnerische Düsenlänge

A

Querschnittsfläche

Ak

kreisförmige Querschnittsfläche

L

Umfangslänge

Lk

Umfangslänge bei kreisförmigem Querschnitt

Claims (9)

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 eine mindestens drei wulstförmige sich in Strahlrichtung erstreckende Sicken auf weisende Querschittsform des Treibstrahls vergrößert wird, wobei die jeweilige Querschnittsfläche entsprechend dem Kontinuitätsprinzip in Strahlrichtung beginnend mit einem Kreisquerschnitt im Überschallteil des Strahlers der Kreisquerschnittsfläche des Treibmediums in konventionellen Überschalldüsen 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 Anspruch 3,
   dadurcn gekennzeicnnet,
   daß der Strahlerdüsenmantel (19) in Strahlrichtung einen allmählichen kontinuierlichen Übergang vom Düsenquerschnitt (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 Winkel α von größer 60° 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 α von größer 60° voneinander beabstandet sind.
7. Strahlerpumpe nach Anspruch 4 oder 5,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Düsenlänge (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) 3-5° größer ist als der Öffnungswinkel γ 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 γ des Hauptteils des Strahldüsenmantels (19).

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