EP2577071B1 - Kanal mit strömungsleitfläche - Google Patents

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EP2577071B1
EP2577071B1 EP11722448.5A EP11722448A EP2577071B1 EP 2577071 B1 EP2577071 B1 EP 2577071B1 EP 11722448 A EP11722448 A EP 11722448A EP 2577071 B1 EP2577071 B1 EP 2577071B1
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EP
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flow
diffuser
channel
fluid
section
Prior art date
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Dieter Wurz
Stefan Hartig
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ESG MBH
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    • F15D1/02—Influencing flow of fluids in pipes or conduits
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
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    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01F35/531—Mixing receptacles characterised by the configuration of the interior, e.g. baffles for facilitating the mixing of components with baffles, plates or bars on the wall or the bottom
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    • F04D29/545—Ducts
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    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet

Definitions

  • the task is to homogenize flow and state fields in fluid flows.
  • One reason for this is that the inhomogeneity of the velocity distribution in a fluid behind a system component can lead to increased pressure losses or to vibration excitation in subsequent system components.
  • inhomogeneous temperature and concentration fields in fluids can cause corrosion damage. Therefore, in some cases, regardless of the task of homogenizing the velocity distribution, the goal is to homogenize the field of state variables in a flowing fluid.
  • this fluid we refer to this fluid as the primary fluid.
  • a carrier gas suspended particulate additives which we call a secondary fluid
  • a secondary fluid as homogeneously as possible in the basic flow of a primary fluid.
  • a hotter gas should be mixed as a secondary fluid in the primary fluid, for. B. to reduce a load of the primary fluid with drops by evaporation.
  • only a relatively short running distance of the flow of the primary fluid is available for coping with this mixing task. It is known that the shorter the available mixing distance, the higher the pressure loss that the primary fluid suffers in a mixer.
  • the US 5 335 501 A describes a flowed through by a fluid channel portion with cross-sectional widening in the flow direction.
  • the channel section internals are arranged, through which the channel cross-section is divided into at least 3 sub-channels.
  • the displacement thickness of at least part of the internals increases in the flow direction.
  • From the EP 0 414 021 A2 is an inductive passage with at least one slot-shaped inlet opening and at least two outlet openings, which are bounded on sides facing each other by a bluff body, which adapted in its plan the cross-section of the inlet opening and, following the flow direction, arranged at a perpendicular distance to the plane of the inlet opening is, wherein two sheet metal plates, one of which forms a frame for the inlet opening and the other each form a frame for the outlet openings, wherein for the production of the inlet opening, the one sheet metal plate is provided with a double-T-shaped slot and the two thereby resulting tongues are each bent in the direction of an outlet opening and wherein the formation of the outlet openings, the other metal plate is provided with two U-shaped slots and the two resulting tongues are angled in the direction of the inlet opening.
  • an exhaust gas outlet channel which serves for the regulation and orientation of an air flow, wherein the cross section of the exhaust gas outlet channel widens in the flow direction.
  • a handset which represents the closure, has a pyramidal shape and divides the cross section of the exhaust gas outlet channel into two sub-channels, wherein the displacement thickness of the mobile part 7 increases in the flow direction.
  • the ring diffuser 1 here consists of a slightly widening conical housing 2 and a cylindrical inner body 3, also called hub body, which has a blunt end face 4, so that here a sudden cross-sectional widening is generated, which corresponds to a Carnot shock diffuser.
  • the hub body 3 is centered over more or less star-shaped radially oriented sheets 5 and 6 in two axial positions 7 and 8.
  • the sheets 5 can be executed curved as Nachleitschaufeln the blower, with the aim to reduce the swirl in the outflow of the primary fluid from the blades and thus to achieve a largely axial flow through the following component.
  • the ring diffuser 1 is followed in this example by a short cylindrical channel section 12 and a 90 ° bend 13.
  • the manifold is equipped with a guide grille 14. Since an aerodynamically optimized Krümmerleitgitter has a relevant pressure loss, it acts in some situations as a flow field gleichmä calldes throttle grid.
  • the axial velocity distribution 15 of the primary fluid has at the entrance into the ring diffuser 1 behind the blades 11 of an axial fan, in particular at high aerodynamic load relatively high overspeed, the maximum velocity 16 is shifted to a larger radius r vmax .
  • Inner friction in the highly turbulent flow field of the primary fluid uniforms the velocity distribution in the slim-line annular diffuser 1 shown here and thus reduces the maximum velocity 16.
  • a turbulent equilibrium velocity profile would develop characterized by large velocity gradients near the wall.
  • the maximum velocity 16 of the output profile 15 is largely degraded, and the conversion of the profile 15 into the profile 18 results in an increase in the static pressure in the direction of flow of the primary fluid, commonly referred to as pressure recovery, although the process of flow delay is, of course, associated with total pressure loss.
  • Fig. 2 shows a second ring diffuser configuration 19 according to the prior art, which is characterized by a much stronger cross-sectional widening in the direction of flow of the primary fluid.
  • the outer boundary 2 as already in the configuration Fig. 1 designed as a conically weakly divergent housing.
  • the hub body 3 is designed convergent in two sections 20 and 21 in the flow direction, as can be seen from the literature.
  • the velocity distribution 15 shown here which is characterized by low flow velocities near the wall, or more precisely by low velocity gradients and thus by a low wall shear stress TW
  • the flow along the hub body does not cope with the pressure increase in the flow direction in the illustrated example, and it comes to Flow separation with scrubströmzonen 40. In this case, if necessary achieved a low pressure recovery.
  • the slimmer diffuser according to Fig. 1 can then be superior in terms of flow technology with regard to the achievable pressure recovery.
  • Fig. 3 shows another configuration, which differs from that according to Fig. 2 differs in that a throttle grid 22, which may be constructed of rods 24, is installed in the region of the rear end 23 of the hub body.
  • a throttle grid 22 which may be constructed of rods 24, is installed in the region of the rear end 23 of the hub body.
  • This throttle grid may be configured as a so-called gradient grid, whereby an adaptation to the velocity distribution of the flow of the primary fluid at the entrance to the ring diffuser is possible. If flow separation nevertheless occurs in an intermediate section despite the installation of the throttle grille, the flow to the throttle grille re-adjoins the field boundaries.
  • Such a throttle grate suffers from two negative characteristics: it generates a considerable pressure loss. It only causes a small-scale mixing, which corresponds approximately to the mesh size of the grid.
  • the main advantage is a homogenization of the velocity distribution upstream of the downstream components, so that, for example, the pressure loss in a downstream manifold or in a register silencer scenes can be significantly reduced.
  • the present invention relates to a channel section through which a primary fluid flows with a cross-sectional widening in the flow direction and with internals, by which the channel cross section is divided into at least two subchannels, the displacement thickness of at least a portion of the internals increasing in the flow direction, the channel section comprising a slender fan diffuser having an opening angle in the range of 10 ° to 20 °, on which is followed by a greatly expanded channel section with an opening angle in the range of 20 ° to 120 °, wherein the internals are designed as radially extending V-shaped gusset plates in the greatly expanded channel section.
  • essentially radially extending V - shaped gusset plates are installed in the greatly expanded passage section, as in FIG Fig. 13 and 15 the present extension is shown.
  • This embodiment according to the invention offers in particular the large blowers for power plants with a diffuser diameter of about 5 m decisive advantages in terms of manufacturing costs.
  • V-shaped radial gussets it is additionally possible to provide guide vanes which support an allocation of the flow to the following cross-section.
  • These concentric to the diffuser main axis baffles must then be performed but not necessarily thickened in the flow direction and thus to the trailing edge. Rather, they may consist of rolled and double-curved thin-walled sheet metal ring sections, which are inexpensive to produce and require only a small additional weight.
  • the concentric displacement body which are thickened towards the trailing edge and the radially extending V-shaped gusset plates. It may be sufficient and even advantageous to install the concentric displacement body 49 only in the end portions of the V - shaped gusset plates.
  • the radially extending gussets which are made hollow for weight reasons, can be used for the supply of a secondary fluid to be mixed in the primary fluid.
  • Each gusset would then be assigned an inlet nozzle, Fig. 15 , The entirety of the nozzle would be acted upon via a not shown here ring line with the secondary fluid.
  • the task is to homogenize flow and state fields in fluid flows.
  • One reason for this is that the inhomogeneity of the velocity distribution in a fluid behind a system component can lead to increased pressure losses or to vibration excitation in subsequent system components.
  • inhomogeneous temperature and concentration fields in fluids can cause corrosion damage. Therefore, in some cases, regardless of the task of homogenizing the velocity distribution, the goal is to homogenize the field of state variables in a flowing fluid, referred to herein as primary fluid 41.
  • the primary fluid may comprise a liquid or a gas or a mixture.
  • wing-like vanes are shown, which provide an improved supply of the near-field flow field with impulse from higher-velocity zones away from the wall, without the need for a strong turbulence in the flow. Rather, fluid is scavenged as smoothly as possible from a zone with high flow velocity with the aid of aerodynamically optimized guide elements and introduced as a low-turbulence overspeed jet into the impulse-weak zones.
  • this basic principle can also be used to impulse the boundary layer on the outer wall of the diffuser, if necessary. Although this is usually not necessary with regard to avoiding flow separation on the housing wall. However, if at the entrance to the channel extension, which follows on the blower diffuser, a homogeneous velocity profile as possible to be generated, it makes sense to accelerate the wall boundary layer on the housing by feeding subsets of the pulse-rich wall remote flow.
  • Axial yorksprofil is further on each of the radially extending blades of the Nachleitrades a pulse-depleted flow wake zone ("dead water”) to determine.
  • the flow also tends to increase in a slender diffuser for flow separation from the walls. If there is a strongly divergent channel extension on the slender fan diffuser, flow separation is more likely to occur without suitable remedial measures.
  • Diffusers are channel sections with a reduction in the flow velocity in Main flow direction. In subsonic flows diffusers are characterized by an extension of the flow cross-section in the flow direction. Diffusers can be designed very differently. The simplest case is a centrically symmetrical Kreis lakediffusor, which consists only of a centric symmetric and conically divergent outer housing and is therefore designed without hub body. In such circular area diffusions, the degree of slimming is described by the total opening angle 2 x ⁇ of the tapered housing.
  • the degree of slimming or the effective opening angle are determined as follows:
  • the axial profile of the free flow cross section of the annular space between hub and housing is converted into the axial profile of the cross section in the case of a circular area diffuser.
  • This circular area diffuser is referred to as a spare circular area diffuser for the ring diffuser.
  • the opening angle of the Reason Vietnamese Bengaldiffusors then serves as a measure of the slenderness.
  • a slim diffuser is used when the replacement circular diffuser has a total opening angle of 2 ⁇ ⁇ ⁇ 10 ° to 20 °.
  • the opening angle of the Reasonnikviddiffusors is also referred to as the effective opening angle of the diffuser.
  • a channel in which a fluid is conductive, wherein the channel is bounded by channel walls, wherein the channel walls an inlet opening and a Have outlet opening through which the fluid can enter the channel and can leave the channel.
  • the fluid has a flow velocity which is smaller along the channel walls than outside the immediate wall friction layer than in the middle of the channel, so that a zone of higher flow velocity and a zone of lower flow velocity can be formed in the channel, wherein in the channel a flow guide surface is arranged, by means of which Part of the fluid from the zone of higher flow velocity can be abschöpfbar and in the zone of lower flow velocity can be mixed.
  • the fluid may comprise a liquid or a gas or a mixture.
  • the channel walls span a cross-sectional area according to an embodiment, wherein the channel has a portion whose cross-sectional area increases in the flow direction.
  • the cross-sectional area may be circular or annular.
  • a plurality of flow guide surfaces are arranged in the channel.
  • the flow guide can be arranged side by side.
  • the flow guide surface can be arranged in the section whose cross-sectional area increases in the flow direction.
  • the channel is designed as a ring diffuser for an axial fan with guide vanes.
  • the flow guide surface can be designed in particular as a guide blade.
  • the vane may include an auxiliary vane that extends downstream from the trailing edge of the vane.
  • the section has a first section with an opening angle in the range of 10 ° to 20 °, to which a second section adjoins with an opening angle in the range of 20 ° to 120 °.
  • first or second sections is at least one hollow body, in particular a radially extending wedge-shaped hollow body arranged.
  • a plurality of wedge-shaped hollow bodies may be provided, in particular at least 3 wedge-shaped hollow bodies may be provided.
  • the effective opening angle in the sub-channels between the wedge-shaped hollow bodies may be of the order of 0 ° to 18 °. In rare cases, especially with a particularly unfavorable velocity distribution at the inlet to the diffuser, an acceleration of the flow in partial channels or partial sections of a diffuser with guide surfaces according to the invention may also be advantageous. Then the effective opening angle would be negative in these sections.
  • the wedge-shaped hollow bodies can end on a ring, which is arranged concentrically around its center axis in a section designed as a ring diffuser. Along the center axis, a hub may be arranged.
  • the wedge-shaped hollow body can also end on a ring which encloses the hub of the ring diffuser concentric. Between the hollow bodies concentric baffles can be drawn to the center axis of the channel.
  • a second fluid may be introduced into the channel.
  • the second fluid can be introduced into the fluid via nozzles in the vicinity of the flow guide surfaces.
  • the second fluid can be introduced into the hollow body, wherein the hollow body contain openings to inject the second fluid into the fluid.
  • inventions may refer to a slim diffuser, which is usually located immediately behind an axial fan. Subsequently, embodiments will be described, which may find application in a subsequent greatly expanded channel section.
  • Fig. 6 of the DE 10 2010 024 091 shown in the diffuser already in the region near the trailing edge of the Fan guide vanes (trailing edge)
  • Submersible vanes installed. They can be placed on the trailing edges of the existing fan guide vanes, see Fig. 13 and Fig. 16 of the present invention. In principle, however, attachment of these auxiliary guide vanes to the diffuser wall or to the diffuser hub is also possible. These weakly curved auxiliary vanes are made slightly towards the housing wall or towards the hub.
  • the pulse is fed into the flow boundary layer.
  • a velocity profile sets in at the diffuser inlet, which is characterized by high wall-near flow velocities.
  • the near-wall velocity maximum could initially be even higher than the velocity in the middle of the ring diffuser, see Fig. 14 , It is quite advantageous if the flow boundary layer has a certain momentum surplus, because it not only has to cope with the pressure increase of the diffuser, but also overcome the wall friction forces.
  • the course of the channel between the wing and the diffuser housing in the flow direction here is not divergent, but designed to be slightly convergent, because in this embodiment, the impulse is not to be fed into the near-nip area, but in the boundary layer on the housing wall.
  • a first ring of such wings is associated with the housing wall of the diffuser.
  • a second ring is assigned to the hub of the diffuser, provided it is a ring diffuser. How large the number of wings on the outer and on the inner ring should be, can not yet be reliably predicted. It could be advantageous to match the number of vanes on these rings to the number of Nachleitschaufeln the axial fan. Since there is a certain backlog and thus also deflecting flows at the leading edges of these wing-like guide elements, which are positioned in regions with high flow velocity, an overbending of the skeleton line of these wings can be advantageous in order to ensure a low-loss, shock-free flow.
  • the outer contour of an airfoil can be constructed by superimposing the radius profile of a circle of circles, whose centers lie on the skeleton line, to a skeleton line as the center line of a body. The envelope of the circle then forms the contour of the wing.
  • an airfoil or a wing-like guide element are arranged such that the tangent to the skeleton line in the region of the profile nose runs parallel to the direction of the undisturbed flow v ⁇ at a greater distance from the profile nose.
  • the effect of the guide element can be compensated for the direction of the flow by means of an overbending of the skeleton line.
  • These wings or guide elements can in turn be designed as low-turbulence mixing elements.
  • the mixed-in second fluid can be passed via an outer ring line on the housing wall side facing the wing, Fig. 14 , From here it is mixed into the deliberately low-turbulence wake flow.
  • the second fluid can also be supplied via the hollow hub to the inner ring of wings assigned to this hub.
  • the slender fan diffuser usually follows a greatly expanding channel section, which leads to a dimensioned in the usual way flue gas duct or to a housing in which, for example, silencer scenes can be installed. While the mean flow velocities at the outlet of the diffuser of a large axial blower are in a range of approximately 40-60 m / s, the mean flow velocities in flue gas ducts are only approximately 20 m / s. This speed reduction is useful to keep the flow losses in the flue gas ducts and in particular in Kanalalkrümmern within reasonable limits. If, on the other hand, a silencer directly follows an axial fan, the flow velocity in the channel extension must be reduced even further.
  • the silencer scenes cause a cross-sectional obstruction of about 50%.
  • the flow velocity in the relatively long channels between adjacent scenes is not too high, which would lead to increased pressure losses and noise generation on the silencer scenes, you reduced the void space or the Anström 1954 the scenes to about 12 m / s.
  • the aim is to realize these speed reductions with the lowest possible total pressure losses and the greatest possible static pressure gain.
  • a relevant deceleration of the high-momentum flow would cause such a strong increase in pressure that the impulse-weak zones could not flow up the pressure mountain generated in said high-pulse zones. This would result in a very disadvantageous velocity distribution in the outflow from the greatly expanded channel section and thus an unfavorable flow of a subsequent component.
  • constant pressure refers not to the pressure profile in the flow direction, but to the synchronization of the pressure increase in the adjacent sub-channels.
  • the invention relates to a channel carrying a fluid, in particular a channel carrying a primary fluid with a more or less pronounced inhomogeneous velocity distribution and / or distribution of the state variables of the primary fluid and with a subsequent flow diffuser and optionally an adjoining one highly dilating channel portion, wherein flow control surfaces are arranged in the channel, are skimmed through the subsets of the primary fluid from zones at high speed and mixed into zones at low speed.
  • the channel carrying the primary fluid has an annular cross-section and a largely centrically symmetrical velocity distribution with a more or less pronounced maximum velocity, wherein in the annulus cross-section flow control surfaces are arranged in zones with high flow velocity, skimmed by the subsets of the primary fluid and in zones with lower Speed are mixed.
  • the flow guide can be mounted on at least one ring between radially arranged swords.
  • a primary duct leading annular channel in particular a ring diffuser is provided, which is arranged behind an axial fan with Nachleitschaufeln, wherein in zones of high flow rate auxiliary vanes at the trailing edges of the Nachleitschaufeln or in the vicinity of the trailing edges of the guide vanes on the housing of the diffuser or the hub are mounted such that subsets of the primary fluid from high-speed zones are skimmed off and fed into the slower flow boundary layers on the housing and hub.
  • the channel is part of an axial fan with guide vanes, in particular, the channel is a ring diffuser behind an axial fan with guide vanes. Between the diffuser inlet and diffuser outlet guide vanes are arranged, through the subsets of the primary fluid High velocity zones are fed into slower flow boundary layers.
  • the ring diffuser behind an axial fan with guide vanes has a slightly divergent diffuser with an effective opening angle of about 10 ° - 18 °.
  • the weakly divergent diffuser can be followed by a strong channel widening with a geometric opening angle of approx. 15 ° -120 °.
  • this channel extension at least 3 relative to the main axis approximately radially aligned and wedge-shaped in the flow direction hollow body can be installed.
  • the effective opening angle in the sub-channels between the wedge-shaped hollow bodies may be on the order of about 0 ° - 18 °.
  • the wedge-shaped hollow body can end on a ring which concentrically surrounds the hub of the ring diffuser. Between the hollow bodies concentric baffles can be drawn to the diffuser axis.
  • a secondary fluid is introduced via nozzles in the vicinity of the wings in the primary fluid.
  • a secondary fluid can be introduced into the wedge-shaped hollow body and be blown from here through openings in the primary fluid.
  • a ring diffuser is provided with a concentric ring of vanes, wherein the concentric ring of vanes divides the ring diffuser into two concentric rings of approximately equal area size and the vanes alternately direct the primary fluid flow outwardly toward the housing wall and inwardly toward the housing wall Hub lead.
  • FIG. 5 show a solution.
  • Fig. 4 shows a longitudinal section through the outlet region of an axial fan 9 with a downstream ring diffuser 1
  • Fig. 5 a cross section AB through the front portion of the ring diffuser with projection in the axial direction.
  • wing-like flow guide surfaces 24 are installed in the middle section of the diffuser. However, these do not extend as ring guide surfaces over the entire circumference, but cover only shorter sections of the circumference, as from Fig. 5 can be seen.
  • the flow guide surfaces 24 are equipped with so-called tip wings 25, which dampen the formation of swirl pegs in the wake of the wing tips, as is known from the wings of large aircraft.
  • the wing sections 24 are more or less radial over the tip wings extending swords 26 so fastened that their angular position ⁇ can be adjusted at a standstill.
  • the swords 26 are attached here to the hub body. However, they could also be mounted on the outer housing 2.
  • a secondary gaseous fluid 32 which is to be mixed into the primary gaseous fluid 35, is supplied via a pipeline 31 to the interior of the hub body 20 or 21. From here, it is injected through nozzles 33 and 34 at an adapted rate into the primary fluid, so that it is optimally involved in the mixing process generated by the flow directors.
  • the hydrofoil-shaped flow guide surfaces can also be embodied as hollow profiles, which are supplied with secondary fluid via the swords 26, which is then blown or mixed into the primary fluid via bores at the trailing edge of the guide surfaces 24.
  • the outflow from the impeller of a blower or compressor still has a significant swirl component or peripheral component.
  • the flow tends increasingly to flow separation from the hub.
  • the swords 26 can serve as rectifier surfaces. With strongly twisted flows, it makes sense to curve the leading edges of the swords such that a largely shock-free and thus aerodynamically optimized flow of the primary fluid is achieved.
  • the radial supports 5 in Fig. 1 or 4 it is preferable that the radial supports 5 in Fig. 1 or 4 to perform as flow baffles.
  • blower diffuser which is basically carried out with a small opening angle, followed by a strong cross-sectional widening with a large opening angle, z.
  • blower diffuser As in front of a heat exchanger or in front of a register of silencer backdrops, it may be useful to incorporate additional wing-shaped vanes, through whose effect the flow field assumes the strong cross-sectional extension without flow separation.
  • the ring diffuser 1 here consists of a slightly widening conical housing 2 and a cylindrical inner body 3, also called hub body, which has a blunt end surface 4, so that here in the central region an abrupt cross-sectional widening is generated, which corresponds to a Carnot shock diffuser.
  • the Nabentotwasser 13 connects.
  • the hub body 3 is centered over more or less star-shaped - radially aligned sheets 5 and 6 in two axial positions 7 and 8.
  • the sheets 5 can be designed to be curved as guide vanes of the blower, with the aim of reducing the swirl in the coordination of the primary fluid 41 from the rotor blades 11 and thus to achieve a largely axial flow through the following component.
  • the radial plates 6 at the diffuser end sometimes referred to as swords, are usually designed without curvature with axial alignment.
  • the averaged over the channel cross-section flow rate of about 80 m / s as still prevails behind impeller 10 or behind the Nachleitrad 5 in section 2.1, to an average of about 45 m / s in section 2.2 reduced.
  • the velocity distribution 15 at the diffuser inlet 2.1 shows a pronounced maximum, which results in a larger radius r Vmax. 2.1 can be relocated.
  • a lightly loaded diffuser which must be designed with a small opening angle, there is a considerable static pressure recovery with only a slightly decreasing total pressure.
  • the aim of the present invention is to provide the necessary compensation operations in a greatly expanded channel section at a small distance to the subsequent component, for. B. a slotted silencer to reduce required pressure losses as much as possible.
  • the possibility should be created to interfere with a secondary fluid 42 in this area in the primary fluid 41, especially since this succeeds with little additional pressure losses.
  • a distribution grid for the secondary fluid Of course, you could also feed the secondary fluid via a downstream separate mixer in the primary fluid. But such an additional component is expensive and causes additional pressure losses.
  • Fig. 7 shows a solution. It represents a longitudinal section through the outlet region of an axial fan 9 with a downstream ring diffuser 1, a greatly expanded channel section 18 and a register of silencer gates 20 in a housing 40.
  • the ring diffuser 1 can in a classical manner or using the principles according to the German patent application DE 10 2010 022 418 be executed.
  • annular displacement bodies 21.1, 21.2 and 21.3 are installed, at least partially a slender front edge and a thick downstream end 22.1, 22.2 and 22.3.
  • the profile of the flow cross sections 23.1, 23.2 and 23.3 between adjacent rings is dimensioned such that the static pressure in the flow direction remains largely constant. Accordingly, we speak here of an approximated constant pressure deflection or of an approximately isokinetic deflection with division of the inhomogeneous flow field still remaining at the diffuser outlet 2.2 into individual flow rings.
  • a fan diffuser which is equipped with a convergent hub in addition to a flared housing, is in many cases rather disadvantageous.
  • Fig. 8 shows a corresponding embodiment. Here are mounted on the end surfaces 22.1, 22.2, 22.3 and 22.4 deflector plates 28, through which the flow at the outlet of the annular channels 24.1, 24.2 and 24.3, see.
  • Fig. 7 is alternately deflected outwards or inwards in the circumferential direction. This is drawn only in the upper half of the cross section, while in the lower half of the velocity distribution 17 and a radial sword 27 are shown.
  • Such radial blades serve to center the ring elements 21, Fig. 7 and Fig. 8 ,
  • annular internals 21.1, 21.2 and 21.3 in Fig. 7 are usually centered over radial swords 27. But by this measure alone, in some cases, no sufficient fluid dynamic decoupling of the partial streams 26.1, 26.2 and 26.3 can be achieved. These annular partial flows tend to enter into a transient interaction with each other. This can be done by the deflector according to Fig. 8 be strongly damped. Another way of damping is in Fig. 9 in section (left) and in a view from the downstream side (right). Here are between the rings 21.1. 21.2 and 21.3, Fig. 7 , and to the hub 25 toward exit-side displacement body 29.1. 29.2 and 29.3 installed, which are usefully mounted on the already mentioned radial swords 27. By this displacement body, the largely closed flow rings are divided into ring sections, which are less prone to interaction.
  • the problem of mixing a secondary fluid 42 into the primary fluid 41 is also solved.
  • the secondary fluid 42 is connected via a pipe 30 and via the hollow displacement body 29.1, 29.2 and 29.3, cf. Fig. 10 , in the hollow running ring elements 21.1, 21.2, 21.3 and in the hub body 25, Fig. 7 , which initiated equal pressure deflection.
  • the mixing process can be greatly fanned by deflector plates 28, which according to Fig.
  • a bladed manifold 32 in particular when it has a cross-sectional widening in the flow direction to equip with guide bodies 33 having a thickened downstream side 34. Due to the displacement effect associated therewith, a constant pressure deflection with subsequent Carnot impact diffusers can likewise be generated. Here it may even be advantageous to carry out the thickening somewhat stronger than would be necessary for a constant flow cross section between the guide bodies. Due to the acceleration, which is accompanied by the reduction in cross section in the flow direction in subsonic flows, a flow separation on the suction side of the turning vanes is also avoided when a strong deflection to z. B. 90 ° to be realized.
  • the angle of attack ⁇ of the deflector plates 28 can be varied from place to place. With decreasing angle ⁇ , there is a stronger local throttling of the flow of the primary fluid as well as an intensification of the interference in adjacent zones.
  • the system with the deflector plates 28 acts as a mixer and homogenizing component within the primary fluid 41.
  • Fig. 11 are also in the fan diffuser 2 baffles 36 located, as already in a previous German patent application DE 10 2010 022 418 , please refer Fig. 1 to Fig. 5 , the same inventor was proposed.
  • a homogenization of the outflow from the annular diffuser can be achieved, and this is of considerable advantage for the flow through the subsequent manifold.
  • Fig. 12 1 shows a plan view of the outflow sides 34 of the guide vanes 33.
  • the deflector plates 28, which are alternately bent to the left or to the right, can be seen, as well as the associated blow-off bores 39 for a secondary fluid 42.
  • the supply channel 44 for the secondary fluid 42 is outside the Bend arranged.
  • Fig. 13 In particular, it also shows the additional functional elements in comparison with the inventors' earlier applications.
  • a first ring 45.1 of auxiliary vanes 45 is mounted near the housing outer wall on the guide vanes 5 of the blower.
  • a second ring 45.2 of auxiliary vanes 45 is disposed near the hub 7 at the same Nachleitschaufeln.
  • the auxiliary vanes may, for. B. be mounted on the pressure side 5.1 of the vanes 5 or both on the pressure side 5.2 and on the suction side 5.1, see.
  • the detailed representation in Fig. 16 As these auxiliary vanes in Zones are arranged with high flow velocity, they would of course be designed as aerodynamically optimized wings.
  • auxiliary guide vanes The effect of these auxiliary guide vanes is shown in a speed profile according to paragraph 46 with large speed gradients 46.1 on the housing wall or on the hub 46.2. It may even be advantageous to create near the walls a zone with slightly higher flow velocities than in the middle of the channel, as for the velocity profile 46 in FIG Fig. 13 is shown.
  • a ring 47.1 is arranged on the inner wall of individual only slightly against the flow employed guide vanes.
  • a corresponding ring 47.2 of vanes is attached to the hub 3.
  • the vanes on both rings could also be designed as delta wings 48 here.
  • delta wings As a rule, however, we would not use delta wings, but wing sections with a defined leading edge, which lie on an approximately concentric to the diffuser axis ring.
  • the wing sections could advantageously be equipped with "tip wings", whereby the Randwirbel Struktur and consequently the pressure loss are reduced, as already in the application DE10 2010 022 418 was proposed. Due to the slight adjustment against the flow, each blade generates a pulse stream directed into the flow boundary layer.
  • a plurality of rings of guide vanes or guide vanes can be attached to different axial positions of the ring diffuser.
  • auxiliary baffles 45.1 and 45.2 at the trailing edges of the guide vanes 5 of the fan and the vanes 47.1 and 47.2 in the divergent section of the ring diffuser 1 a substantially homogeneous velocity profile 17 is generated in cross-section 2.2 at the diffuser end, which is characterized in particular by strong velocity gradients in the near-wall areas 17.1 and 17.2.
  • V-shaped gusset plates 52 are provided here as internals with a radially directed and rather sharply tapering inflow or front edge 52.1.
  • the V formed by the gussets does not necessarily have to be closed at the trailing edge. If a higher dust loading occurs in the fluid, however, it may be useful to avoid accumulation of dust to perform the gusset plates as a hollow body and provide a rear cover plate 52.2, see also Fig. 13 ,
  • a second fluid if such admixture z. B. of warm air is required.
  • the second fluid may be introduced via bores 52.4 into the primary fluid stream.
  • additional vanes 52.5 are attached.
  • the gusset plates 52 terminate at a concentric ring 52.7, which also represents the next nabennste Leitelement 52.5.
  • ring 52.7 is supported by radial swords 52.8.
  • the concentric baffles 52.5 between the V - shaped gusset plates are shown with a thickened trailing edge 49.
  • This solution represents a combination of the two different concepts of avoiding flow separation in a greatly expanded channel section;
  • the V-shaped radially extending gusset plates 52 are combined with displacement bodies 49 that are concentric with the main axis 30 and thickened toward the trailing edge.
  • a secondary fluid eg hot air or ammonia
  • ports 47.3 and 47.4 are mounted for introduction of the secondary fluid in close spatial proximity to the vanes 47.1 and 47.2.
  • the primary fluid is mixed into the low turbulence skimmed streams. Since the generation of a highly turbulent flow with regard to the minimization of the pressure losses was dispensed with in this invention, a longer running distance is required for the admixing of the secondary fluid.
  • FIG. 15 showing a view looking upstream to the main flow of the primary fluid 41, the principle of introducing a secondary fluid into the primary fluid via the wedge-shaped hollow bodies 52 is shown.
  • Each hollow body 52 is associated with an inlet connection 52.3.
  • the secondary fluid exit bores 52.4 are only in Fig. 13 pictorially reproduced.
  • Figure 13 also shows the end face 52.9 of the hub body 52.6 and radial web plates 52.8, over which the ring 52.7 is supported to the hub 52.6.
  • FIGS. 17 and 18 show a special case of the configuration Fig. 13 or Fig. 14 ,
  • the guide elements 47.1 and 47.2 can be made different in size.
  • the radius of the ring concentric with the main axis 16, on which the guide elements are arranged is dimensioned so that the primary fluid flow is approximately divided into two equal-volume partial streams.
  • Fig. 19 shows a variant of Fig. 7 , According to this variant, a segmentation of the annular channel and / or the channel extension may be provided in the ring diffuser 1 or in the subsequent channel extension 18.
  • the segmentation is carried out by channel segments, which are connected via radial struts 51, 61 with the inner wall of the ring diffuser 1 or the inner wall of the channel extension 18. 50, 60.
  • the channel segments 50 which may be located in the ring diffuser 1 between the inner wall and the hub 3, be designed as cylinder segments. Alternatively, they can also run parallel to the inner wall of the ring diffuser, thus be formed as segments of a cone.
  • the channel segments 60 which are located in the channel extension downstream of the annular displacement body 21.1, 21.2 and 21.3, can also as Segments of a cone to be formed.
  • the inclination of the cone may correspond to the inclination of the cone forming the channel widening, but may also be larger or smaller, depending on the desired influence on the fluid flow through the channel widening.

Description

  • In vielen verfahrenstechnischen Anlagen stellt sich die Aufgabe, Strömungs- und Zustandsfelder in Fluidströmungen zu homogenisieren. Ein Grund hierfür liegt darin, dass die Inhomogenität der Geschwindigkeitsverteilung in einem Fluid hinter einer Anlagenkomponente zu erhöhten Druckverlusten oder auch zu Schwingungsanregung in nachfolgenden Anlagenteilen führen kann. Außerdem können durch inhomogene Temperatur- und Konzentrationsfelder in Fluiden Korrosionsschäden verursacht werden. Daher existiert in manchen Fällen auch unabhängig von der Aufgabe einer Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung das Ziel, das Feld der Zustandsgrößen in einem strömenden Fluid zu homogenisieren. Nachfolgend bezeichnen wir dieses Fluid als primäres Fluid.
  • Ferner kann es notwendig sein, gasförmige oder auch in einem Trägergas suspendierte partikuläre Additive, die wir als sekundäres Fluid bezeichnen, möglichst homogen in die Grundströmung eines primären Fluids einzumischen. In manchen Fällen soll jedoch lediglich ein heißeres Gas als sekundäres Fluid in das primäre Fluid eingemischt werden, z. B. um eine Beladung des primären Fluids mit Tropfen durch Verdunstung abzubauen. In vielen Fällen steht für die Bewältigung dieser Mischungs - Aufgabe nur eine verhältnismäßig kurze Laufstrecke der Strömung des primären Fluids zur Verfügung. Es ist bekannt, dass der Druckverlust, den das primäre Fluid in einem Mischer erleidet, in aller Regel umso höher ausfällt, je kürzer die verfügbare Mischungsstrecke ist.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung der Aufgabe angeboten, die Homogenisierung von Strömungs- und Zustandsfeldern innerhalb einer relativ kurzen Laufstrecke bei möglichst geringen Totaldruckverlusten oder in vielen Fällen sogar mit Druckrückgewinn zu bewerkstelligen. Unter Druckrückgewinn verstehen wir dabei einen Anstieg des mittleren statischen Drucks in der Primärfluid - Strömung.
    • Stand der Technik
  • Die US 5 335 501 A beschreibt einen von einem Fluid durchströmten Kanalabschnitt mit Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung. Im Kanalabschnitt sind Einbauten angeordnet, durch welche der Kanalquerschnitt in wenigstens 3 Teilkanäle aufgeteilt wird. Die Verdrängungsdicke wenigstens eines Teils der Einbauten nimmt dabei in Strömungsrichtung zu.
  • Aus der EP 0 414 021 A2 ist ein Induktivdurchlass mit mindestens einer schlitzförmigen Einlassöffnung und mindestens zwei Auslassöffnungen, die an einander zugewandten Seiten durch einen Staukörper begrenzt sind, bekannt, welcher in seinem Grundriss dem Querschnitt der Einlassöffnung angepasst und, der Strömungsrichtung folgend, in einem senkrechten Abstand zur Ebene der Einlassöffnung angeordnet ist, wobei zwei Blechplatten, von denen eine einen Rahmen für die Einlassöffnung und die andere je einen Rahmen für die Auslassöffnungen bildet, vorgesehen sind, wobei zur Erzeugung der Einlassöffnung die eine Blechplatte mit einem doppel-T-förmigen Schlitz versehen ist und die beiden dadurch entstehenden Zungen jeweils in Richtung auf eine Auslassöffnung umgebogen sind und wobei zur Bildung der Auslassöffnungen die andere Blechplatte mit zwei U-förmigen Schlitzen versehen ist und die beiden dadurch entstehenden Zungen in Richtung auf die Einlassöffnung abgewinkelt sind.
  • In der FR 2 165 330 A5 wird ein Abgasaustrittskanal offenbart, der zur Regulierung und Orientierung eines Luftstroms dient, wobei sich der Querschnitt des Abgasaustrittskanals in der Strömungsrichtung weitet. Ferner ist ein Mobilteil vorgesehen, das den Verschluss darstellt, eine pyramidale Form aufweist und den Querschnitt des Abgasaustrittskanals in zwei Teilkanäle aufteilt, wobei die Verdrängungsdicke des Mobilteils 7 in der Strömungsrichtung zunimmt.
  • Nachfolgend orientieren wir uns an der Situation, wie sie häufig stromab großer Axialgebläse 9 gemäß dem Stand der Technik angetroffen wird, Fig. 1. Dort schließt sich an das Gebläselaufrad 10 mit den Laufschaufeln 11 in aller Regel ein Ringdiffusor 1 an. In diesem Diffusor soll die mit einem Querschnittsmittelwert von ca. 80 - 100 m/s recht hohe Abströmgeschwindigkeit 35 des primären Fluids unter Druckrückgewinn abgebaut und die Geschwindigkeitsverteilung homogenisiert werden.
  • Der Ringdiffusor 1 besteht hier aus einem sich schwach erweiternden kegelförmigen Gehäuse 2 und einem zylindrischen Innenkörper 3, auch Nabenkörper genannt, der eine stumpfe Endfläche 4 besitzt, sodass hier eine sprunghafte Querschnittserweiterung erzeugt wird, die einem Carnot'schen Stoßdiffusor entspricht.
  • Der Nabenkörper 3 ist über mehr oder weniger sternförmig radial ausgerichtete Bleche 5 und 6 in zwei axialen Positionen 7 und 8 zentriert. Dabei können die Bleche 5 als Nachleitschaufeln des Gebläses gekrümmt ausgeführt sein, mit dem Ziel, den Drall in der Abströmung des primären Fluides aus den Laufschaufeln abzubauen und somit eine weitgehend axiale Durchströmung der nachfolgenden Komponente zu erreichen. An den Ringdiffusor 1 schließt sich bei diesem Beispiel ein kurzer zylindrischer Kanalabschnitt 12 sowie ein 90° - Krümmer 13 an. Der Krümmer ist mit einem Leitgitter 14 ausgerüstet. Da auch ein aerodynamisch optimiertes Krümmerleitgitter einen relevanten Druckverlust aufweist, wirkt es in manchen Situationen wie ein das Strömungsfeld vergleichmäßigendes Drosselgitter.
  • Die Axialgeschwindigkeitsverteilung 15 des primären Fluids weist am Eintritt in den Ringdiffusor 1 hinter den Laufschaufeln 11 eines Axialgebläses, insbesondere bei hoher aerodynamischer Belastung relativ hohe Übergeschwindigkeiten auf, wobei das Geschwindigkeitsmaximum 16 zu einem größeren Radius rvmax verlagert ist. In dem hier dargestellten schlanken Ringdiffusor 1 kommt es durch innere Reibung in dem hoch turbulenten Strömungsfeld des Primärfluids zu einer Vergleichmäßigung der Geschwindigkeitsverteilung und somit zu einem Abbau des Geschwindigkeitsmaximums 16. Nach einer sehr langen Laufstrecke der Strömung würde sich ein turbulentes Gleichgewichts - Geschwindigkeitsprofil herausbilden, welches durch große Geschwindigkeitsgradienten in Wandnähe gekennzeichnet ist. Man spricht hier gelegentlich von einem annähernd kastenförmigen Profil bzw. von einem Blockprofil. Das am Austritt 17 aus dem Ringdiffusor 1 dargestellte Geschwindigkeitsprofil 18 hat zwar noch nicht die Gestalt eines turbulenten Gleichgewichts - Geschwindigkeitsprofils angenommen, aber sich diesem doch bereits erheblich angenähert. Das Geschwindigkeitsmaximum 16 des Ausgangsprofils 15 ist weitgehend abgebaut und die Umwandlung des Profils 15 in das Profil 18 führt zu einem Anstieg des statischen Drucks in Strömungsrichtung des Primärfluids, nach landläufiger Ausdrucksweise zu einem Druckrückgewinn, obwohl der Prozess der Strömungsverzögerung selbstverständlich mit einem Totaldruckverlust verbunden ist.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Ringdiffusor - Konfiguration 19 nach dem Stand der Technik, die sich durch eine wesentlich stärkere Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung des Primärfluids auszeichnet. Hier ist die Außenbegrenzung 2 wie schon bei der Konfiguration nach Fig. 1 als kegelig schwach divergentes Gehäuse ausgeführt. Zusätzlich ist der Nabenkörper 3 in zwei Abschnitten 20 und 21 in Strömungsrichtung konvergent gestaltet, wie dies auch der Fachliteratur zu entnehmen ist. Bei der hier dargestellten Geschwindigkeitsverteilung 15, die durch geringe Strömungsgeschwindigkeiten in Wandnähe, oder genauer, durch niedrige Geschwindigkeitsgradienten und somit durch eine geringe Wandschubspannung TW gekennzeichnet ist, verkraftet die Strömung längs des Nabenkörpers den Druckanstieg in Strömungsrichtung bei dem dargestellten Beispiel nicht, und es kommt zur Strömungsablösung mit Rückströmzonen 40. In diesem Fall wird allenfalls ein geringer Druckrückgewinn erzielt. Der schlankere Diffusor gemäß Fig. 1 kann dann strömungstechnisch hinsichtlich des erzielbaren Druckrückgewinns überlegen sein.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Konfiguration, die sich von jener gemäß Fig. 2 dadurch unterscheidet, dass ein Drosselgitter 22, welches aus Stäben 24 aufgebaut sein kann, im Bereich des hinteren Endes 23 des Nabenkörpers eingebaut ist. Durch die Rückwirkung des Drosselgitters auf die Strömung des Primärfluids kann die Strömungsablösung an der Nabe verhindert werden. Dieses Drosselgitter kann als sogenanntes Gradientengitter konfiguriert sein, wodurch eine Anpassung an die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung des Primärfluids am Eintritt in den Ringdiffusor möglich ist. Sollte in einem Zwischenabschnitt trotz des Einbaues des Drosselgitters dennoch Strömungsablösung auftreten, legt sich die Strömung zum Drosselgitter hin wieder an die Feldberandungen an.
  • Ein derartiges Drosselgitter leidet unter zwei negativen Eigenschaften: Es erzeugt einen erheblichen Druckverlust. Es bewirkt nur eine kleinräumige Vermischung, die näherungsweise der Maschenweite des Gitters entspricht. Der wesentliche Vorteil liegt in einer Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung stromauf der nachgeschalteten Komponenten, sodass beispielsweise der Druckverlust in einem nachgeschalteten Krümmer oder in einem Register aus Schalldämpferkulissen erheblich reduziert werden kann.
  • Bereits in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 024 091 waren Maßnahmen vorgeschlagen worden, mit denen eine Verzögerung der Strömung in sich stark erweiternden Kanalabschnitten bei geringen Totaldruckverlusten bzw. bei einem relevanten statischen Druckrückgewinn zu erzielen ist. Hierfür wurden Verdrängungskörper vorgeschlagen, die als zur Hauptachse zentrisch symmetrische Ringe ausgeführt sind und die zur Hinterkante hin verdickt sind. Derartige konzentrische Verdrängungskörper sind prinzipiell bekannt. Ein zusätzliches kennzeichnendes Merkmal der Ausführung gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 024 091 besteht darin, dass die Querschnitte zwischen den zur Hauptachse konzentrischen Verdrängungskörpern auf eine bestimmte Weise bemessen sind. Und zwar sollte in allen Teilkanälen derselbe Druckverlauf erzeugt werden, unabhängig von der Geschwindigkeitsverteilung am Eintritt in diese Komponente. Aber es stellt sich natürlich auch die Frage nach einer möglichst einfachen und somit kostengünstigen Ausführung der Verdrängungskörper. Die Herstellung konzentrischer Ringe, die in Strömungsrichtung verdickt sind, ist teuer und ferner sind derartige Bauteile relativ schwer, sodass sie Probleme hinsichtlich der Statik verursachen könnten.
  • Außerdem werden derartige konzentrische Verdrängungskörper, die gleichzeitig die Funktion von Leitkörpern ausüben, in der EP 0789195 A1 beschrieben. Die Anwendung derartiger konzentrischer Verdrängungskörper beschränkt sich bisher auf Diffusoren bei Flugtriebwerken oder bei stationären Kompaktgasturbinen. Hier sind die Abmessungen vergleichsweise gering und die Fertigungskosten für derartige Ringe spielen keine entscheidende Rolle.
  • Aus dem Bestreben, die Gesamtheit der beteiligten Komponenten in ihrem Zusammenspiel zu optimieren, haben sich die Erfinder noch einmal intensiv mit einer sowohl unter aerodynamischen Aspekten als auch hinsichtlich der Fertigungskosten vorteilhaften Gestaltung der Verdrängungskörper befasst.
  • In der nachfolgend beschriebenen Lösung geht es prinzipiell darum, dass bei einem derart großen Gesamtöffnungswinkel des stark erweiterten Kanalabschnitts hinter einem schlanken Gebläsediffusor nur dann Strömungsablösung vermieden werden kann, wenn der Querschnitt durch Verdrängungskörper teilweise blockiert wird. Die Strömung tritt dann in Gestalt einzelner Jets aus den Zwischenräumen aus, die von den Verdrängungskörpern freigegeben sind. Die Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit wird nur soweit getrieben, dass keine Strömungsablösung in den Kanalabschnitten auftritt. Die Strömungsablösung wird auf definierte Kanten am Austritt der Einbauten beschränkt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen von einem Primärfluid durchströmten Kanalabschnitt mit Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung sowie mit Einbauten, durch welche der Kanalquerschnitt in wenigstens 2 Teilkanäle aufgeteilt wird, wobei die Verdrängungsdicke wenigstens eines Teils der Einbauten in Strömungsrichtung zunimmt, wobei der Kanalabschnitt einen schlanken Gebläsediffusor mit einem Öffnungswinkel im Bereich von 10° bis 20° aufweist, an welchen sich ein stark erweiterter Kanalabschnitt mit einem Öffnungswinkel im Bereich von 20° bis 120° anschließt, wobei die Einbauten als radial verlaufende V-förmige Zwickelbleche in dem stark erweiterten Kanalabschnitt ausgeführt sind.
  • Erfindungsgemäss werden anstelle von konzentrischen Verdrängungskörpern im Wesentlichen radial verlaufende V - förmige Zwickelbleche in den stark erweiterten Kanalabschnitt eingebaut, wie in Fig. 13 und 15 der vorliegenden Erweiterung dargestellt ist. Diese Ausgestaltung gemäß der Erfindung bietet insbesondere bei den großen Gebläsen für Kraftwerke mit einem Diffusordurchmesser von ca. 5 m entscheidende Vorteile hinsichtlich der Fertigungskosten. In aller Regel ist es vorteilhaft, die radialen V - förmigen Zwickel nicht bis zum Nabenkörper durchzuführen. Dies würde nahe der Nabe eine zu starke Querschnittsversperrung bewirken. Daher wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Zwickel an einem zur Diffusorachse konzentrischen Innenring enden zu lassen, der nur noch über einfache radiale Stegbleche mit der Nabe verbunden ist.
  • Aber wenn der Nabenkörper des Gebläsediffusors bereits im Endabschnitt des Gebläsediffusors abgestützt ist, könnte auf eine Abstützung der Einbauten in dem sich anschließenden stark erweiterten Kanalabschnitt zur Nabe hin verzichtet werden. Er würde dann durch die Anhängung an das Gehäuse des stark erweiterten Kanalabschnitts zentriert werden.
  • Zwischen den V - förmigen radialen Zwickeln können zusätzlich noch Leitschaufeln vorgesehen sein, die eine Zuteilung der Strömung zum nachfolgenden Querschnitt unterstützen. Diese zur Diffusorhauptachse konzentrischen Leitbleche müssen dann aber nicht unbedingt in Strömungsrichtung und somit zur Hinterkante hin verdickt ausgeführt werden. Sie können vielmehr aus gewalzten und doppelt gekrümmten dünnwandigen Blechringabschnitten bestehen, die kostengünstig herzustellen sind und nur ein geringes Zusatzgewicht bedingen.
  • In Sonderfällen, die eine Aufteilung der Strömung in einzelne Jets erfordern, können aber auch beide Lösungsansätze kombiniert werden, also die konzentrischen Verdrängungskörper, die zur Hinterkante hin verdickt sind und die radial verlaufenden V-förmigen Zwickelbleche. Dabei kann es ausreichend und sogar vorteilhaft sein, die konzentrischen Verdrängungskörper 49 lediglich in die Endabschnitte der V - förmigen Zwickelbleche einzubauen.
  • Die radial verlaufenden Zwickel, die schon aus Gewichtsgründen hohl ausgeführt sind, können für die Zuführung eines sekundären Fluids genutzt werden, welches in das primäre Fluid eingemischt werden soll. Jedem Zwickel wäre dann ein Eintrittsstutzen zugeordnet, Fig. 15. Die Gesamtheit der Stutzen würde über eine hier nicht dargestellte Ringleitung mit dem sekundären Fluid beaufschlagt werden.
  • Ausserdem können auch in einem kurzen Diffusor mit relativ starker Querschnittserweiterung Zonen mit Strömungsablösung weitgehend unterbunden werden. Es kann eine großräumige Vermischung in der Strömung des Primärfluids bewirkt werden. Es kann ein möglichst hoher Druckrückgewinn erzielt werden.
  • Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Anlagen nach dem Stand der Technik in vielen Fällen ein zusätzlicher Mischer in den Kanal hinter einem Gebläse eingebaut werden muss; dieser Mischer erzeugt natürlich einen zusätzlichen Druckverlust. Wenn dieser Mischer durch die Mischwirkung der neuartigen Diffusorkonfiguration gemäß der Erfindung entfallen kann, ist dies als Nutzeffekt der neuen Diffusorkonfiguration zu werten. Letztlich geht es ja um den Gesamtdruckverlust, der zum Erreichen eines vorgegebenen Ziels aufgewandt werden muss.
  • In vielen verfahrenstechnischen Anlagen stellt sich die Aufgabe, Strömungs- und Zustandsfelder in Fluidströmungen zu homogenisieren. Ein Grund hierfür liegt darin, dass die Inhomogenität der Geschwindigkeitsverteilung in einem Fluid hinter einer Anlagenkomponente zu erhöhten Druckverlusten oder auch zu Schwingungsanregung in nachfolgenden Anlagenteilen führen kann. Außerdem können durch inhomogene Temperatur- und Konzentrationsfelder in Fluiden Korrosionsschäden verursacht werden. Daher existiert in manchen Fällen auch unabhängig von der Aufgabe einer Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung das Ziel, das Feld der Zustandsgrößen in einem strömenden Fluid, hier als primäres Fluid 41 bezeichnet, zu homogenisieren. Das primäre Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas oder eine Mischung umfassen.
  • Ferner kann es notwendig sein, gasförmige oder auch in einem Trägergas suspendierte partikuläre Additive, die wir als sekundäres Fluid 42 bezeichnen, möglichst homogen in die Grundströmung des primären Fluids 41 einzumischen. In manchen Fällen soll jedoch lediglich ein heißeres Gas als sekundäres Fluid in das primäre Fluid eingemischt werden, z. B. um eine Beladung des primären Fluids mit Tropfen durch Verdunstung abzubauen. In vielen Fällen steht für die Bewältigung dieser Mischungs - Aufgabe nur eine verhältnismäßig kurze Strömungs - Laufstrecke bzw. Verweilzeit zur Verfügung. Es ist bekannt, dass der Druckverlust, den das primäre Fluid in einem Mischer erleidet, in aller Regel umso höher ausfällt, je kürzer die verfügbare Mischungsstrecke bzw. Verweilzeit ist.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung der Aufgabe angeboten, die Homogenisierung von Strömungs- und Zustandsfeldern innerhalb einer relativ kurzen Laufstrecke bei möglichst geringen Totaldruckverlusten oder in vielen Fällen sogar mit Druckrückgewinn zu erreichen. Unter Druckrückgewinn verstehen wir dabei einen Anstieg des mittleren statischen Drucks in der Primärfluid - Strömung. Der Totaldruck nimmt naturgemäß in Strömungsrichtung ab, sofern keine Verdichtungsarbeit zugeführt wird. Als Anwendungsgebiet kommen insbesondere erweiterte Kanalabschnitte in Frage, in denen die Strömungsgeschwindigkeit des primären Fluides 41 von relativ hohen Werten, z. B. 80 m/s, auf niedrige Weite, z. B. 10 m/s, verringert werden soll. Ein weiterer Anwendungsfall der Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung sind Kanalkrümmer mit erweitertem oder gleichbleibendem Querschnitt.
  • Es wird ausserdem ein Kanal beschrieben, der eine Strömungsleitfläche enthält.
  • In den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2010 022 418 und DE 10 2010 024 091 deren Inhalt zum integralen Bestandteil dieser Anmeldung erklärt wird, wurden die Grundüberlegungen zur Optimierung von Diffusoren, insbesondere hinter großen Axialgebläsen dargelegt. Im Zuge einer weiteren intensiven Beschäftigung mit der Aufgabenstellung wurden weitere Ausgestaltungen erarbeitet, die im Hinblick auf die großtechnische Umsetzung erhebliche Vorteile bieten.
  • Bekanntlich kommt es an den festen Berandungen eines Strömungsfeldes mit Druckanstieg zu einer beschleunigten Zunahme der Dicke der Strömungsgrenzschicht an besagter Berandung. Dies ist die Folge einer unzureichenden Versorgung der wandnahen Strömungszone mit Impuls aus der "gesunden" impulsreichen Außenströmung. Aus zahlreichen Patentanmeldungen, wie z. B. US2650752 A , DE19757187 A1 , JP63105300 A , DE4325977 A1 , DE3534268 A , DE102006048933 A1 ist prinzipiell bekannt, dass die Strömungsablösung an den Wänden eines Diffusors durch Impulseintrag in die Strömungsgrenzschicht verhindert oder stromabwärts verlagert werden kann. Es stellt sich jedoch die Frage, wie dieser Impulseintrag erfolgen sollte, damit möglichst wenig Strömungsenergie verbraucht wird. Hier bietet sich noch ein weites Entwicklungsfeld an.
  • In Fig. 4 der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 022 418 sind ungefähr auf halber Diffusorlänge tragflügelähnliche Leitelemente dargestellt, die eine verbesserte Versorgung des nabennahen Strömungsfeldes mit Impuls aus wandfernen Zonen mit höherer Strömungsgeschwindigkeit bewirken, ohne dass es zu einer starken Verwirbelung in der Strömung kommen müsste. Vielmehr wird Fluid aus einer Zone mit hoher Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe aerodynamisch optimierter Leitelemente möglichst reibungsfrei abgeschöpft und als turbulenzarmer Übergeschwindigkeitsstrahl in die impulsschwachen Zonen eingeleitet. Dieses Grundprinzip kann selbstverständlich auch dazu angewandt werden, die Grenzschicht an der Außenwand des Diffusors mit Impuls zu versorgen, sofern dies erforderlich ist. Zwar ist dies im Hinblick auf die Vermeidung einer Strömungsablösung an der Gehäusewand in der Regel nicht erforderlich. Soll jedoch am Eintritt in die Kanalerweiterung, die auf den Gebläsediffusor folgt, ein möglichst homogenes Geschwindigkeitsprofil erzeugt werden, ist es sinnvoll, auch die Wandgrenzschicht am Gehäuse durch Einspeisung von Teilmengen der impulsreichen wandfernen Strömung zu beschleunigen.
  • Durch ein homogenes Geschwindigkeitsprofil am Eintritt in die starke Kanalerweiterung, die sich in vielen Anwendungsfällen an einen schlanken Gebläsediffusor anschließt, wird hier die Aufgabe, eine möglichst gleichmäßige Anströmung der nachfolgenden Komponenten sicherzustellen, wesentlich vereinfacht. Ferner wird durch die Homogenisierung des Strömungsfeldes bereits im Diffusor erreicht, dass der massenstromgewichtete mittlere dynamische Druck am Diffusoraustritt gering ist. Somit ist mit einem derartigen Diffusor prinzipiell ein höherer Rückgewinn an statischem Druck zu erzielen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Maßnahmen, die zur Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung ergriffen werden, nicht selbst bereits mit einem höheren Druckverlust verbunden sind. Das Ziel soll mit möglichst geringen Druckverlusten erreicht werden. Maßnahmen, die mit einer starken Verwirbelung der Strömung verbunden sind, verursachen hohe Druckverluste und sind somit für die Grenzschichtbeschleunigung weniger geeignet. Dies dürfte auch der Grund dafür sein, dass die in älteren Patenten bzw. Patentanmeldungen enthaltenen Vorschläge bisher zumindest keine generelle Umsetzung gefunden haben. Zu nennen sind hier insbesondere die US2650752 A und die DE 4325977 A1 . Bei der DE 4325977 A1 wird im Hauptanspruch ausdrücklich die Erzeugung eines Vorderkantenwirbels an den Einbauflächen im Diffusor als kennzeichnendes Merkmal angeführt. In der vorliegenden Patentanmeldung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die auf eine starke Verwirbelung der Strömung in Hochgeschwindigkeitszonen verzichten.
  • Um die in der vorliegenden Erfindung enthaltenen Vorschläge leichter verständlich zu machen, soll zunächst noch kurz auf die Situation am Austritt großer Axialgebläse eingegangen werden. Es ist seit langem bekannt, dass die Verteilung der Axialgeschwindigkeit hinter dem aus einer Vielzahl von Leitschaufeln bestehenden Nachleitrad eines Axialgebläses bereits eine erhebliche Inhomogenität und eine relevante Grenzschichtdicke aufweist. Auf die Berücksichtigung des Sachverhalts, dass die Axialgeschwindigkeitsverteilung am Austritt eines Axialgebläses, präziser ausgedrückt, unmittelbar stromab des Nachleitrades eines derartigen Gebläses, in einem koaxialen Schnitt ein ausgeprägtes Maximum aufweist, Fig. 1 der Patentanmeldung DE 10 2010 022 418 , wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders geachtet.
  • Neben diesem in Umfangsrichtung gemittelten Axialgeschwindigkeitsprofil ist ferner an jeder der radial verlaufenden Schaufeln des Nachleitrades eine impulsverarmte Strömungs-Nachlaufzone ("Totwasser") festzustellen. In diesen Nachlaufzonen neigt die Strömung auch in einem schlanken Diffusor verstärkt zur Strömungsablösung von den Wänden. Folgt auf den schlanken Gebläsediffusor eine stark divergente Kanalerweiterung, so ist hier ohne geeignete Abhilfemassnahmen umso mehr mit Strömungsablösung zu rechnen.
  • Nachfolgend sollen zunächst noch die Begriffe "schlanker Diffusor" und "stark divergente Kanalerweiterung" erläutert werden. Als Diffusoren bezeichnet man Kanalabschnitte mit einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit in Hauptströmungsrichtung. Bei Unterschallströmungen zeichnen sich Diffusoren durch eine Erweiterung des Strömungsquerschnitts in Strömungsrichtung aus. Diffusoren können sehr unterschiedlich gestaltet werden. Der einfachste Fall ist ein zentrisch symmetrischer Kreisflächendiffusor, der nur aus einem zentrisch symmetrischen und kegelig divergenten Außengehäuse besteht und folglich ohne Nabenkörper ausgeführt ist. Bei derartigen Kreisflächendiffusionen wird der Schlankheitsgrad durch den Gesamtöffnungswinkel 2 x α des kegeligen Gehäuses beschrieben. Bei Diffusoren mit einem Nabenkörper werden der Schlankheitsgrad bzw. der effektive Öffnungswinkel folgendermaßen ermittelt: Der axiale Verlauf des freien Strömungsquerschnitts des Ringraumes zwischen Nabe und Gehäuse wird in den axialen Verlauf des Querschnitts bei einem Kreisflächendiffusor umgerechnet. Dieser Kreisflächendiffusor wird als Ersatzkreisflächendiffusor für den Ringdiffusor bezeichnet. Der Öffnungswinkel des Ersatzkreisflächendiffusors dient dann als Maß für den Schlankheitsgrad. Von einem schlanken Diffusor spricht man in aller Regel dann, wenn der Ersatzkreisflächendiffusor einen Gesamtöffnungswinkel von 2 x α<10° bis 20° aufweist. Den Öffnungswinkel des Ersatzkreisflächendiffusors bezeichnet man auch als effektiven Öffnungswinkel des Diffusors. Von einer starken Kanalerweiterung sprechen wir dann, wenn für den effektiven Öffnungswinkel bzw. für den Gesamtöffnungswinkel des zugeordneten Ersatzkreisflächendiffusors 2 x α > 20° bis ca. 120° gilt. Es gibt demnach einen Grenzbereich, in welchem sich die Gesamtöffungswinkel von schlanken Diffusoren und stark erweiterten Kanalerweiterungen überlappen. Dies hängt mit der Vorgeschichte der Strömung zusammen. Wenn die wandnahe Strömungszone bereits stark impulsverarmt ist, dann wirkt bereits ein Kanal mit einem geringen effektiven Öffnungswinkel wie eine starke Erweiterung und erfordert entsprechende Maßnahmen zur Optimierung des Druckrückgewinns.
  • Es werden Maßnahmen zur Optimierung der Durchströmung schlanker Diffusoren und stark erweiterter Kanalabschnitte und somit der Anströmung nachfolgender Komponenten beschrieben.
  • Hierzu ist ein Kanal vorgesehen, in welchem ein Fluid leitbar ist, wobei der Kanal von Kanalwänden begrenzt ist, wobei die Kanalwände eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweisen, durch welche das Fluid in den Kanal eintreten kann und den Kanal verlassen kann. Das Fluid weist eine Strömungsgeschwindigkeit auf, welche entlang der Kanalwände auch ausserhalb der unmittelbaren Wandreibungsschicht kleiner als in der Kanalmitte ist, sodass im Kanal eine Zone höherer Strömungsgeschwindigkeit und eine Zone niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit ausbildbar ist, wobei in dem Kanal eine Strömungsleitfläche angeordnet ist, mittels welcher ein Teil des Fluids aus der Zone höherer Strömungsgeschwindigkeit abschöpfbar und in die Zone niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit einmischbar ist. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas oder eine Mischung umfassen.
  • Die Kanalwände spannen nach einem Ausführungsbeispiel eine Querschnittsfläche auf, wobei der Kanal einen Abschnitt aufweist, dessen Querschnittsfläche in Strömungsrichtung zunimmt. Insbesondere kann die Querschnittsfläche kreisförmig oder ringförmig sein.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl von Strömungsleitflächen im Kanal angeordnet. Insbesondere können die Strömungsleitflächen nebeneinander angeordnet sein. Die Strömungsleitfläche kann in dem Abschnitt angeordnet sein, dessen Querschnittsfläche in Strömungsrichtung zunimmt.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel ist der Kanal als Ringdiffusor für ein Axialgebläse mit Nachleitschaufeln ausgebildet. Die Strömungsleitfläche kann insbesondere als eine Leitschaufel ausgebildet sein. Die Leitschaufel kann eine Hilfsleitschaufel enthalten, welche sich von der Hinterkante der Leitschaufel stromabwärts erstreckt.
  • Erfindungsgemäß weist der Abschnitt einen ersten Teilabschnitt mit einem Öffnungswinkel im Bereich von 10° bis 20° auf, an welchen ein zweiter Teilabschnitt mit einem Öffnungswinkel im Bereich von 20° bis 120° anschließt.
  • In zumindest einem der ersten oder zweiten Teilabschnitte ist zumindest ein Hohlkörper, insbesondere ein radial verlaufender keilförmiger Hohlkörper angeordnet. Des weiteren kann eine Mehrzahl von keilförmigen Hohlkörpern vorgesehen sein, insbesondere können mindestens 3 keilförmige Hohlkörper vorgesehen sein. Der effektive Öffnungswinkel in den Teilkanälen zwischen den keilförmigen Hohlkörpern kann in der Grössenordnung von 0° bis 18° liegen. In seltenen Fällen, insbesondere bei einer besonders ungünstigen Geschwindigkeitsverteilung am Eintritt in den Diffusor kann auch eine Beschleunigung der Strömung in Teilkanälen bzw. Teilabschnitten eines Diffusors mit Leitflächen nach der Erfindung vorteilhaft sein. Dann wäre der effektive Öffnungswinkel in diesen Teilbereichen negativ.
  • Die keilförmigen Hohlkörper können auf einem Ring enden, welcher in einem als Ringdiffusor ausgebildeten Abschnitt konzentrisch um dessen Mittenachse angeordnet ist. Entlang der Mittenachse kann eine Nabe angeordnet sein.
  • Die keilförmigen Hohlkörper können auch auf einem Ring enden, welcher die Nabe des Ringdiffusors konzentrisch umschliesst. Zwischen den Hohlkörpern können zur Mittenachse des Kanals konzentrische Leitbleche eingezogen sein.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel kann ein zweites Fluid in den Kanal eingeleitet werden. Insbesondere kann das zweite Fluid über Düsen in der Nähe der Strömungsleitflächen in das Fluid eingeleitet werden. Das zweite Fluid kann in die Hohlkörper einleitbar sein, wobei die Hohlkörper Öffnungen enthalten, um das zweite Fluid in das Fluid einzublasen.
  • Diese Ausführungsbeispiele können sich auf einen schlanken Diffusor beziehen, der in aller Regel unmittelbar hinter einem Axialgebläse angeordnet ist. Anschließend werden Ausführungsbeispiele beschrieben, die in einem sich anschließenden stark erweiterten Kanalabschnitt Anwendung finden können.
    • Schlanke Diffusoren:
  • Wegen des vorstehend beschriebenen Sachverhalts werden in Ergänzung zu den in Fig. 4 der DE 10 2010 022 418 bzw. Fig. 6 der DE 10 2010 024 091 (Fig. 11) gezeigten Leitschaufeln im Diffusor bereits im Bereich nahe der Abströmkante der Gebläsenachleitschaufeln (Hinterkante: "trailing edge") Hilfsleitschaufeln eingebaut. Sie können auf die Abströmkanten der bereits vorhandenen Gebläsenachleitschaufeln gesetzt werden, siehe Fig. 13 und Fig. 16 der vorliegenden Erfindung. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Befestigung dieser Hilfsleitschaufeln an der Diffusorwand bzw. an der Diffusornabe möglich. Diese schwach gekrümmten Hilfsleitschaufeln sind geringfügig zur Gehäusewand bzw. zur Nabe hin angestellt. Dadurch wird insbesondere im kritischen Bereich des Nachlauftotwassers der Leitschaufeln Impuls in die Strömungsgrenzschicht eingespeist. Demzufolge stellt sich am Diffusoreintritt ein Geschwindigkeitsprofil ein, welches sich durch hohe wandnahe Strömungsgeschwindigkeiten auszeichnet. Dabei könnte das wandnahe Geschwindigkeitsmaximum anfangs sogar höher sein als die Geschwindigkeit in der Mitte des Ringdiffusors, siehe Fig. 14. Es ist durchaus vorteilhaft, wenn die Strömungsgrenzschicht über einen gewissen Impulsüberschuss verfügt, denn sie muss ja nicht nur den Druckanstieg des Diffusors verkraften, sondern auch noch die Wandreibungskräfte überwinden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung sind die prinzipiell bereits in Fig. 4 der DE 10 2010 022 418 (entspricht Fig. 4 der vorliegenden Anmeldung) und Fig. 6 der DE 10 2010 024 091 (Fig. 11) dargestellten Leitschaufeln als aerodynamisch optimierte Flügel ausgeführt, siehe auch Fig. 13. Diese Flügel sind geringfügig gegen die Strömung angestellt, sodass es hier nicht zu einer starken Verwirbelung durch Strömungsablösung kommt. Insbesondere soll eine besonders verlustträchtige Vorderkantenablösung der Strömung vermieden werden. Im Gegensatz zur Ausführung gemäß Fig. 4 in der DE 10 2010 022 418 ist der Verlauf des Kanals zwischen Flügel und Diffusorgehäuse in Strömungsrichtung hier nicht divergent, sondern schwach konvergent ausgeführt, denn bei dieser Ausgestaltung soll ja der Impuls nicht in den nabennahen Bereich eingespeist werden, sondern in die Grenzschicht an der Gehäusewand.
  • Ein 1. Ring aus derartigen Flügeln ist der Gehäusewand des Diffusors zugeordnet. Ein 2. Ring ist der Nabe des Diffusors zugeordnet, sofern es sich um einen Ringdiffusor handelt. Wie groß die Zahl der Flügel auf dem äußeren und auf dem inneren Ring sein soll, kann derzeit noch nicht zuverlässig vorhergesagt werden. Es könnte vorteilhaft sein, die Zahl der Leitschaufeln auf diesen Ringen auf die Zahl der Nachleitschaufeln des Axialgebläses abzustimmen. Da es an den Vorderkanten dieser flügelähnlichen Leitelemente, die in Gebieten mit hoher Strömungsgeschwindigkeit positioniert sind, zu einem gewissen Aufstau und somit auch zu Ausweichströmungen kommt, kann eine Überkrümmung der Skelettlinie dieser Tragflügel vorteilhaft sein, um eine verlustarme stoßfreie Anströmung zu gewährleisten. Der aus der Literatur über die Aerodynamik der Schaufelgitter bekannte Begriff der Überkrümmung einer Skelettlinie soll hier nur kurz erläutert werden. Die Außenkontur eines Tragflügels kann man dadurch konstruieren, dass man einer Skelettlinie als Zentrallinie eines Körpers den Radiusverlauf einer Kreisschar überlagert, deren Mittelpunkte auf der Skelettlinie liegen. Die Umhüllende der Kreisschar bildet dann die Kontur des Tragflügels. Häufig werden ein Tragflügel oder ein flügelähnliches Leitelement derart angeordnet, dass die Tangente an die Skelettlinie im Bereich der Profilnase parallel zur Richtung der ungestörten Anströmung v∞ in größerem Abstand von der Profilnase verläuft. Durch die Wechselwirkung zwischen Leitelement und Anströmung kommt es zu einer Änderung der Strömungsrichtung bei Annäherung an die Profilnase bzw. Anströmkante. Um eine möglichst verlustfreie "stoßfreie" Anströmung des Leitelements zu erzielen, kann die Wirkung des Leitelements auf die Richtung der Anströmung mit Hilfe einer Überkrümmung der Skelettlinie kompensiert werden.
  • Auch diese Flügel bzw. Leitelemente können wiederum als turbulenzarme Mischelemente ausgeführt sein. Das einzumischende zweite Fluid kann über eine äußere Ringleitung auf die der Gehäusewand zugewandten Seite des Flügels geleitet werden, Fig. 14. Von hier aus wird es in die bewusst turbulenzarm gehaltene Nachlaufströmung eingemischt. Ferner kann das zweite Fluid auch über die hohle Nabe dem dieser Nabe zugeordneten inneren Ring von Flügeln zugeführt werden. Bei der Anordnung derartiger Elemente zur Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Ringdiffusor ist darauf zu achten, dass dieser Abschnitt jedenfalls bei großen Kraftwerksgebläsen für Inspektionen begehbar bleibt.
  • Durch die Kombination der Hilfsleitschaufeln an den Hinterkanten der Nachleitschaufeln des Axialgebläses und der Leitschaufeln im mittleren Bereich der Längserstreckung des Diffusors ist es möglich, am Eintritt in den sich anschließenden stark erweiterten Abschnitt ein weitgehend homogenes sogenanntes "Blockprofil" der Geschwindigkeitsverteilung zu erzeugen. Durch den Abbau der Übergeschwindigkeiten als Folge einer homogenen Füllung des Strömungsquerschnitts kann bereits im Diffusor ein erheblicher zusätzlicher Druckrückgewinn im Sinne eines Anstiegs des statischen Drucks erzielt werden. Ferner ist bei einer weitgehend homogenen Zuströmung zu einem stark erweiterten nachfolgenden Kanalabschnitt, der sich in aller Regel an den schlanken Gebläsediffusor anschließt, auch hier unter Anwendung der noch zu diskutierenden Maßnahmen gemäß dieser Erfindung ein wesentlicher Druckrückgewinn zu erzielen.
  • Hinzu kommt, dass mit einer weitgehend homogenen Abströmung aus dem stark erweiterten Kanalabschnitt auch die Zuströmung zu nachfolgenden Komponenten, z. B. zu einem Schalldämpfer oder zu einem Strömungsleitgitter in einem Rohrbogen wesentlich homogenisiert wird, sodass hier keine zusätzlichen homogenisierenden Maßnahmen in Gestalt von Drosselgittern ergriffen werden müssen, die einen weiteren Druckverlust verursachen würden. Bei der Bewertung der erreichten Verbesserung müssen alle an der Druckverlusterzeugung beteiligten Komponenten der Anlage in die Betrachtung einbezogen werden.
  • Auf den schlanken Gebläsediffusor folgt in aller Regel ein sich stark erweiternder Kanalabschnitt, der zu einem in üblicher Weise dimensionierten Rauchgaskanal überleitet oder auch zu einem Gehäuse, in welchem beispielsweise Schalldämpferkulissen eingebaut sein können. Während die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten am Austritt des Diffusors eines großen Axialgebläses in einem Bereich von ca. 40 - 60 m/s liegen, betragen die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten in Rauchgaskanälen nur ca. 20 m/s. Diese Geschwindigkeitsreduktion ist sinnvoll, um die trömungsverluste in den Rauchgaskanälen und insbesondere in Kanalkrümmern in vertretbaren Grenzen zu halten. Folgt dagegen auf ein Axialgebläse unmittelbar ein Schalldämpfer, so muss die Strömungsgeschwindigkeit in der Kanalerweiterung noch weiter reduziert werden. Die Schalldämpferkulissen bewirken eine Querschnittsversperrung von ca. 50 %. Damit die Strömungsgeschwindigkeit in den relativ langen Kanälen zwischen benachbarten Kulissen nicht zu hoch wird, was zu erhöhten Druckverlusten sowie zur Geräuscherzeugung an den Schalldämpferkulissen führen würde, verringert man die Leerraumgeschwindigkeit bzw. die Anströmgeschwindigkeit der Kulissen auf ca. 12 m/s. Grundsätzlich wird das Ziel verfolgt, diese Geschwindigkeitsreduktionen bei möglichst geringen Totaldruckverlusten und bei einem möglichst großen statischen Druckgewinn zu verwirklichen.
  • Wie in der zugehörigen Basisanmeldung DE 10 2010 024 091 ausgeführt ist, bietet die Erfindung mit dem Merkmal Gleichdruckverteiler insbesondere dann wesentliche Vorteile, wenn die Geschwindigkeitsverteilung am Eintritt in den stark divergenten Abschnitt (typischer Öffnungswinkel 2 α = 90°) hinter einem normalen Gebläsediffusor (typischer effektiver Öffnungswinkel 2 α = 12°) ausgeprägt inhomogen ist. In diesem Fall würde ja eine relevante Verzögerung der impulsstarken Strömung einen so starken Druckanstieg bewirken, dass die impulsschwachen Zonen nicht den in besagten impulsstarken Zonen erzeugten Druckberg hinauf strömen könnten. Dies hätte eine sehr nachteilige Geschwindigkeitsverteilung in der Abströmung aus dem stark erweiterten Kanalabschnitt und somit eine ungünstige Anströmung einer nachfolgenden Komponente zur Folge.
  • Ist andererseits die Geschwindigkeitsverteilung am Eintritt in den stark divergenten Kanalabschnitt weitgehend homogen, kann durchaus noch eine gewisse Verzögerung der Strömung in allen Teilkanälen verkraftet werden. Der Begriff "Gleichdruck" bezieht sich dann nicht auf den Druckverlauf in Strömungsrichtung, sondern auf den Gleichlauf des Druckanstiegs in den benachbarten Teilkanälen.
  • Letztlich kommt es im Interesse einer insgesamt optimalen Lösung darauf an, alle strömungstechnischen Optimierungsmaßnahmen im schlanken Gebläsediffusor sowie in einem sich anschließenden stark erweiterten Kanalabschnitt auf vorteilhafte Weise gemäß dieser Erfindung zu kombinieren und dabei die anlagenseitig vorgegebenen Randbedingungen zu berücksichtigen, insbesondere auch die Anströmung nachgeschalteter Komponenten wie z. B. eines Schalldämpfers oder eines Kanalkrümmers.
  • Die Erfindung betrifft somit nach einem Ausführungsbeispiel einen ein Fluid führenden Kanal, insbesondere einen ein primäres Fluid führenden Kanal mit einer mehr oder weniger stark ausgeprägten inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung und/oder Verteilung der Zustandsgrößen des primären Fluids sowie mit einem sich anschließenden Strömungsdiffusor und gegebenenfalls eines sich daran anschließenden stark erweiternden Kanalabschnitts, wobei Strömungsleitflächen im Kanal angeordnet sind, durch die Teilmengen des primären Fluids aus Zonen mit hoher Geschwindigkeit abgeschöpft und in Zonen mit niedriger Geschwindigkeit eingemischt werden.
  • Insbesondere hat der das primäre Fluid führende Kanal einen kreisringförmigen Querschnitt und eine weitgehend zentrisch symmetrische Geschwindigkeitsverteilung mit einem mehr oder weniger stark ausgeprägten Geschwindigkeitsmaximum, wobei im Kreisringquerschnitt Strömungsleitflächen in Zonen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit angeordnet sind, durch die Teilmengen des primären Fluids abgeschöpft und in Zonen mit niedriger Geschwindigkeit eingemischt werden. Die Strömungsleitflächen können auf wenigstens einem Ring zwischen radial angeordneten Schwertern befestigt sein.
  • Des weiteren ist ein das primäre Fluid führender ringförmiger Kanal, insbesondere ein Ringdiffusor vorgesehen, der hinter einem Axialgebläse mit Nachleitschaufeln angeordnet ist, wobei in Zonen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit Hilfsleitschaufeln an den Hinterkanten der Nachleitschaufeln bzw. in der Nachbarschaft der Hinterkanten der Nachleitschaufeln am Gehäuse des Diffusors bzw. der Nabe derart angebracht sind, dass Teilmengen des primären Fluids aus Hochgeschwindigkeitszonen abgeschöpft und in die langsameren Strömungsgrenzschichten an Gehäuse und Nabe eingespeist werden.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel ist der Kanal Bestandteil eines Axialgebläses mit Nachleitschaufeln, insbesondere ist der Kanal ein Ringdiffusor hinter einem Axialgebläse mit Nachleitschaufeln. Zwischen dem Diffusoreintritt und Diffusoraustritt sind Leitflügel angeordnet, durch die Teilmengen des primären Fluids aus Hochgeschwindigkeitszonen in langsamere Strömungsgrenzschichten eingespeist werden.
  • Der Ringdiffusor hinter einem Axialgebläse mit Nachleitschaufeln weist einen schwach divergenten Diffusor mit einem effektiven Öffnungswinkel von ca. 10° - 18° auf. An den schwach divergenten Diffusor kann eine starke Kanalerweiterung mit einem geometrischen Öffnungswinkel von ca. 15° -120° anschließen. Vorteilhafterweise können in diese Kanalerweiterung wenigstens 3 relativ zur Hauptachse näherungsweise radial ausgerichtete und in Strömungsrichtung keilförmige Hohlkörper eingebaut sein.
  • Der effektive Öffnungswinkel in den Teilkanälen zwischen den keilförmigen Hohlkörpern kann in der Größenordnung von ca. 0° - 18° liegen. Die keilförmigen Hohlkörper können auf einem Ring enden, welcher die Nabe des Ringdiffusors konzentrisch umschließt. Zwischen den Hohlkörpern können zur Diffusorachse konzentrische Leitbleche eingezogen sein.
  • Zwischen dem Diffusoreintritt und Diffusoraustritt können Leitflügel angeordnet sein, durch die Teilmengen des primären Fluids aus Hochgeschwindigkeitszonen in langsamere Strömungsgrenzschichten eingespeist werden und ein sekundäres Fluid über Düsen im Nahbereich der Flügel in das primäre Fluid eingeleitet wird. Des weiteren kann in einem Ausführungsbeispiel ein sekundäres Fluid in die keilförmigen Hohlkörper eingeleitet werden und von hier über Öffnungen in das primäre Fluid eingeblasen werden.
  • Gemäss eines Ausführungsbeispiels ist ein Ringdiffusor mit einem zur Hauptachse konzentrischen Ring aus Leitelementen vorgesehen, wobei der konzentrische Ring aus Leitelementen den Ringdiffusor in zwei zueinander konzentrische Ringe mit näherungsweise gleicher Flächengröße aufteilt und die Leitelemente die Primärfluidströmung abwechselnd nach außen zur Gehäusewand hin bzw. nach innen zur Nabe hin leiten.
  • Die Erfindung soll anhand der Figuren beschrieben werden, es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Axialgebläse nach dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    einen Ausschnitt aus einem Ringdiffusor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik,
    Fig. 3
    einen Ausschnitt aus einem Ringdiffusor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik,
    Fig. 4
    einen Ausschnitt aus einem Ringdiffusor nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 5
    einen Radialschnitt durch den Ringdiffusor gemäss Fig. 4,
    Fig. 6
    ein Axialgebläse nach dem Stand der Technik mit Ringdiffusor, Kanalerweiterung, Drosselgitter und Kulissenschalldämpfern,
    Fig. 7
    ein Axialgebläse mit Ringdiffusor, Kanalerweiterung mit Gleichdruckverteiler, sowie mit Kulissenschalldämpfern,
    Fig. 8
    eine Kanalerweiterung mit ringförmigem Gleichdruckverteiler und Mischerelementen,
    Fig. 9
    eine Kanalerweiterung mit ringförmigem Gleichdruckverteiler und Verdrängungskörpern auf den Radialschwertern,
    Fig. 10
    eine Kanalerweiterung mit ringförmigem Gleichdruckverteiler aus Hohlkörpern und mit hohlen Verdrängungskörpern auf den Radialschwertern für die Zufuhr eines Sekundärfluids,
    Fig. 11
    ein Axialgebläse mit Mischer- und Leitelementen im Ringdiffusor, mit Verdrängungskörpern in einer Kanalerweiterung im Bereich eines Kanalkrümmers sowie mit Einleitungsvorrichtungen für ein Sekundärfluid und Mischerelementen,
    Fig. 12
    eine Draufsicht auf die Abströmseite der Verdrängungskörper mit Mischerelementen gemäß Fig. 11,
    Fig. 13
    eine Übersichtszeichnung mit den Komponenten der Erfindung,
    Fig. 14
    eine Detaildarstellung zu Fig. 13 mit Leitelementen auf einem gehäusenahen und auf einem nabennahen Ring,
    Fig. 15
    eine Ansicht vom Austritt des stark divergenten Teils stromaufwärts,
    Fig. 16
    Nachleitschaufeln des Axialgebläses 5 mit zusätzlichen Hilfsleitschaufeln,
    Fig. 17
    schwach angestellte Leitelemente auf einem Radius, welcher die Gesamtringfläche des Diffusors in zwei näherungsweise flächengleiche zueinander konzentrische Ringe aufteilt,
    Fig. 18
    schwach angestellte Leitelemente auf einem Radius, welcher die Gesamtringfläche des Diffusors in zwei näherungsweise flächengleiche zueinander konzentrische Ringe aufteilt,
    Fig. 19
    eine Variante der Fig. 7.
  • Lösungsansätze: Fig. 4 und Fig. 5 zeigen einen Lösungsansatz. Fig. 4 stellt einen Längsschnitt durch den Austrittsbereich eines Axialgebläses 9 mit einem nachgeschalteten Ringdiffusor 1 dar, Fig. 5 einen Querschnitt AB durch den vorderen Abschnitt des Ringdiffusors mit Projektion in axialer Richtung. Im mittleren Abschnitt des Diffusors, evtl. auch in der Nähe des Diffusoraustritts sind tragflügelähnliche Strömungsleitflächen 24 eingebaut. Diese erstrecken sich jedoch nicht als Ringleitflächen über den gesamten Umfang, sondern überdecken jeweils nur kürzere Abschnitte des Umfanges, wie aus Fig. 5 zu entnehmen ist. Die Strömungsleitflächen 24 sind mit sogenannten tip wings 25 ausgestattet, welche die Bildung von Wirbelzöpfen im Nachlauf der Flügelenden dämpfen, wie von den Tragflügeln großer Flugzeuge bekannt ist. Die Tragflügelabschnitte 24 sind über die tip wings an mehr oder weniger radial verlaufenden Schwertern 26 derart befestigt, dass ihre Winkellage α im Stillstand justiert werden kann. Die Schwerter 26 sind hier am Nabenkörper befestigt. Sie könnten jedoch auch an das Außengehäuse 2 montiert werden. Zur Aussteifung sind Distanzhalter 27, die ebenfalls tragflügelförmig ausgeführt sein können, näher zur Nabe hin zwischen den Schwertern befestigt. Durch die Strömungsleitflächen 24 wird Primärfluid aus einer Zone im Bereich des Geschwindigkeitsmaximums 16 abgeschöpft und zu der in zwei Abschnitten 20 und 21 konvergent verlaufenden Nabe hin gelenkt. Dadurch wird ein ansonsten durch Strömungsablösung entstehendes Nabentotwasser aufgefüllt, eine Strömungsablösung wird unterbunden. Bei richtiger Dimensionierung der Leitflächen unter Berücksichtigung der Geschwindigkeitsverteilung 15 am Eintritt in den Ringdiffusor wird langsam strömendes Primärfluid aus dem nabennahen Bereich in den Abschnitten 20 und 21 nach außen verdrängt, Stromlinie 29 in Fig. 4 strichpunktiert dargestellt, und vermischt sich dort mit den längs des kegeligen Gehäuses strömenden Teilmengen 30 des Primärfluides.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird ein sekundäres gasförmiges Fluid 32, welches in das primäre gasförmige Fluid 35 eingemischt werden soll, über eine Rohrleitung 31 dem Innenraum des Nabenkörpers 20 bzw. 21 zugeführt. Von hier aus wird es über Düsen 33 und 34 mit einer angepassten Geschwindigkeit in das Primärfluid eingeblasen, sodass es in den Vermischungsprozess optimal einbezogen wird, welcher durch die Strömungsleitflächen generiert wird.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Vermischung von Primär- und Sekundärfluid besteht darin, die Schwerter 26 als Hohlprofile auszuführen, die an den Hinterkanten mit Bohrungen versehen sind, über welche das sekundäre Fluid in das primäre Fluid eingeblasen wird. Auch die tragflügelförmigen Strömungsleitflächen können als Hohlprofile ausgeführt sein, die über die Schwerter 26 mit Sekundärfluid versorgt werden, welches dann über Bohrungen an der Hinterkante der Leitflächen 24 in das Primärfluid eingeblasen bzw. eingemischt wird.
  • Häufig weist die Abströmung aus dem Laufrad eines Gebläses oder Verdichters noch eine erhebliche Drallkomponente bzw. Umfangskomponente auf. Bei einer hohen nabennahen Umfangskomponente neigt die Strömung verstärkt zur Strömungsablösung von der Nabe. Durch Gleichrichtung kann ein Teil der im Drall steckenden Strömungsenergie zurückgewonnen werden. Die Schwerter 26 können als Gleichrichterflächen dienen. Bei stärker verdrallten Strömungen ist es sinnvoll, die Vorderkanten der Schwerter derart zu krümmen, dass eine weitgehend stoßfreie und somit aerodynamisch optimierte Anströmung des Primärfluides erreicht wird. In aller Regel ist es jedoch vorzuziehen, die Radialstützen 5 in Fig. 1 oder 4 als Strömungsleitbleche auszuführen.
  • Selbstverständlich könnte man das einzumischende sekundäre Fluid statt über die hohle Nabe auch von außen über Bohrungen am Gehäuse einleiten, was hier nicht bildlich dargestellt ist. Und wenn auf den Gebläsediffusor, der ja grundsätzlich mit einem kleinen Öffnungswinkel ausgeführt wird, eine starke Querschnittserweiterung mit großem Öffnungswinkel folgt, z. B. vor einem Wärmetauscher oder vor einem Register aus Schalldämpferkulissen, so kann es sinnvoll sein, zusätzliche tragflügelförmige Leitelemente einzubauen, durch deren Wirkung das Strömungsfeld die starke Querschnittserweiterung ohne Strömungsablösung annimmt.
  • Nachfolgend werden zunächst der Stand der Technik anhand der Fig. 6 und anschließend Ausführungen anhand der Fig. 7 - 12 beschrieben.
    • Stand der Technik
  • Nachfolgend orientieren wir uns an der Situation, wie sie häufig stromab eines großen Axialgebläses 9 gemäß dem Stand der Technik angetroffen wird, welches das primäre Fluid 41 fördert, Fig. 6. Dort schließt sich an die Anströmnase 12 und das Gebläselaufrad 10 mit den Laufschaufeln 11 in aller Regel ein zur Hauptachse 16 konzentrischer Ringdiffusor 1 an. In diesem Diffusor soll die mit einem Querschnittsmittelwert von ca. 80 - 100 m/s recht hohe Abströmgeschwindigkeit 35 des primären Fluids 41 aus dem Axialverdichter unter einem Rückgewinn an statischem Druck möglichst weitgehend und bei geringem Totaldruckverlust abgebaut werden.
  • Der Ringdiffusor 1 besteht hier aus einem sich schwach erweiternden kegelförmigen Gehäuse 2 und einem zylindrischen Innenkörper 3, auch Nabenkörper genannt, der eine stumpfe Endfläche 4 besitzt, sodass hier im Zentralbereich eine sprunghafte Querschnittserweiterung erzeugt wird, die einem Carnot'schen Stoßdiffusor entspricht. An den Nabenkörper schließt sich das Nabentotwasser 13 an.
  • Der Nabenkörper 3 ist über mehr oder weniger sternförmig - radial ausgerichtete Bleche 5 und 6 in zwei axialen Positionen 7 und 8 zentriert. Dabei können die Bleche 5 als Nachleitschaufeln des Gebläses gekrümmt ausgeführt sein, mit dem Ziel, den Drall in der Abstimmung des primären Fluides 41 aus den Laufschaufeln 11 abzubauen und somit eine weitgehend axiale Durchströmung der nachfolgenden Komponente zu erreichen. Die Radialbleche 6 am Diffusorende, gelegentlich auch als Schwerter bezeichnet, sind meist ohne Krümmung mit axialer Ausrichtung ausgeführt. In einem derartigen Ringdiffusor wird die über dem Kanalquerschnitt gemittelte Strömungsgeschwindigkeit von ca. 80 m/s, wie sie noch hinter Laufrad 10 oder hinter dem Nachleitrad 5 im Schnitt 2.1 herrscht, auf einen Mittelwert von ca. 45 m/s im Schnitt 2.2 reduziert. Insbesondere bei einer hohen aerodynamischen Belastung des Axialgebläses 9 bzw. des Laufrades 10 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung 15 am Diffusoreintritt 2.1 ein ausgeprägtes Maximum, welches zu einem größeren Radius rVmax. 2.1 verlagert sein kann. In einem schwach belasteten Diffusor, der mit einem geringen Öffnungswinkel ausgeführt sein muss, kommt es zu einem erheblichen statischen Druckrückgewinn bei einem nur geringfügig abfallenden Totaldruck. Am Austritt 2.2 des Gebläsediffusors liegt allerdings immer noch eine von einem Blockprofil stark abweichende Geschwindigkeitsverteilung 17 vor, deren Maximum ebenfalls in aller Regel nach außen zu einem größeren rVmax 2.2 verlagert ist. Mit steigender aerodynamischer Belastung des Gebläses ist das Geschwindigkeitsmaximum in aller Regel stärker ausgeprägt und zu einem größeren Radius verlagert. Dies hat zur Folge, dass nachfolgende Komponenten je nach Betriebszustand des Gebläses mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsverteilungen angeströmt werden.
  • Durch die starke Querschnittsvergrößerung in der nachfolgenden Kanalerweiterung 18 kommt es zwangsläufig zur Strömungsablösung 19 von den Kanalwänden, und demzufolge werden die nachfolgenden Komponenten, wie hier die Schalldämpferkulissen 20, bereichsweise mit einer noch sehr hohen Geschwindigkeit vom Primärfluid angeströmt. Dies ist mit zusätzlichem Druckverlust infolge einer inhomogenen Durchströmung des Registers aus Schalldämpferkulissen sowie mit einer Beeinträchtigung der Schalldämpfung und häufig auch mit Schwingungsanregung verbunden, was zu Schäden an den Schalldämpferkulissen oder an anderen Kanaleinbauten führen kann. In der Vergangenheit hat man eine Vergleichmäßigung der Geschwindigkeitsverteilung im stark divergenten Kanalabschnitt bzw. vor Schalldämpferkulissen 20 dadurch näherungsweise verwirklicht, dass man ein Drosselgitter 43 in die Erweiterung bzw. in den Kanal 40 vor den Schalldämpferkulissen eingebaut hat. Bei der normalerweise zur Verfügung stehenden kurzen Ausgleichsstrecke vom Diffusoraustritt 2.2 zu den Schalldämpferkulissen 20 ist aber auch mit einem Drosselgitter 43 keine befriedigend homogene Geschwindigkeitsverteilung zu erreichen, jedenfalls dann nicht, wenn die zusätzlichen Druckverluste in vertretbaren Grenzen gehalten werden sollen. Man sollte sich hier vergegenwärtigen, dass ein gering erscheinender Druckverlust von 1 mbar bei dem sehr hohen Rauchgasvolumenstrom eines großen Kraftwerksblockes bereits einen zusätzlichen Aufwand an Gebläseleistung von ca. 100 kW zur Folge hat.
  • Auch der Einbau von dünnen Leitblechen oder schlanken, tragflügelähnlichen Profilen, hier nicht dargestellt, in den stark erweiterten Kanalabschnitt 18, führt nicht zu der angestrebten Vergleichmäßigung der Geschwindigkeitsverteilung. Dies haben umfangreiche Untersuchungen des Erfinders gezeigt. Durch den Einbau dünner Leitbleche wird eine Parallelschaltung von Strömungsdiffusoren erreicht. Dies hat hier negative Auswirkungen. Ein besonders starker Anstieg des statischen Druckes wird in einem beschaufelten Diffusor in jenen Bereichen erzielt, die mit besonders hoher Geschwindigkeit angeströmt werden. Der hohe statische Enddruck, der in diesen "starken" Bereichen erzielt wird, wird den benachbarten Zonen aufgeprägt, die mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit und daher auch mit einem geringeren dynamischen Druck angeströmt werden. Der dynamische Druck in besagten "schwachen" Zonen reicht dann aber nicht aus, den von den "starken" Zonen aufgeprägten Druckberg zu erklimmen. In den schwachen Zonen wird somit durch den hohen Gegendruck in den benachbarten starken Zonen ein Rückstaueffekt auf die Strömung ausgeübt. Dadurch erhöht sich die Inhomogenität der Geschwindigkeitsverteilung und es kann in Bereichen, die ohne zusätzliche Diffusorbeschaufelung noch mit geringer vorwärts gerichteter Geschwindigkeit durchströmt werden, sogar zur Rückströmung kommen.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die für notwendige Ausgleichsvorgänge in einem stark erweiterten Kanalabschnitt bei einem geringen Abstand zur nachfolgenden Komponente, z. B. eines Kulissenschalldämpfers, erforderlichen Druckverluste so weit wie möglich zu verringern. Ferner soll gemäß der Erfindung die Möglichkeit geschaffen werden, ein sekundäres Fluid 42 in diesem Bereich in das primäre Fluid 41 einzumischen, zumal dies hier mit geringen zusätzlichen Druckverlusten gelingt. Denn mit den gemäß der Erfindung in den erweiterten Kanalabschnitt einzubringenden Einbauten existiert bereits ein Verteilungsgitter für das sekundäre Fluid. Selbstverständlich könnte man das sekundäre Fluid auch über einen nachgeschalteten gesonderten Mischer in das primäre Fluid einspeisen. Aber eine derartige zusätzliche Komponente ist teuer und verursacht zusätzliche Druckverluste. Wenn derartige zusätzliche Druckverluste vermieden werden können, weil die Einbauten für den Druckrückgewinn in den erweiterten Kanal hinter dem Axialgebläse gemäß der Erfindung diese Aufgabe übernehmen, muss man die erzielten Druckverlusteinsparungen durch den dann möglichen Verzicht auf einen zusätzlichen Mischer als Erfolg der Einbauten gemäß der Erfindung werten.
  • Fig. 7 zeigt einen Lösungsansatz. Sie stellt einen Längsschnitt durch den Austrittsbereich eines Axialgebläses 9 mit einem nachgeschalteten Ringdiffusor 1, einem stark erweiterten Kanalabschnitt 18 und einem Register von Schalldämpferkulissen 20 in einem Gehäuse 40 dar.
  • Der Ringdiffusor 1 kann in klassischer Weise oder unter Anwendung der Prinzipien gemäß der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 022 418 ausgeführt sein. In den stark erweiterten Kanalabschnitt 18, der hier noch kreisrund gestaltet ist, sind ringförmige Verdrängungsköper 21.1, 21.2 und 21.3 eingebaut, die wenigstens teilweise eine schlanke Vorderkante und ein dickes abströmseitiges Ende 22.1, 22.2 und 22.3 aufweisen. Der Verlauf der Strömungsquerschnitte 23.1, 23.2 und 23.3 zwischen benachbarten Ringen ist derart dimensioniert, dass der statische Druck in Strömungsrichtung weitgehend konstant bleibt. Wir sprechen hier demnach von einer angenäherten Gleichdruckumlenkung bzw. von einer näherungsweise isokinetischen Umlenkung mit Aufteilung des am Diffusoraustritt 2.2 noch zusammenhängenden inhomogenen Strömungsfeldes in einzelne Strömungsringe. Am Austritt aus den ringförmigen Kanälen 23.1, 23.2 und 23.3 werden sprunghafte Querschnittserweiterungen 24.1, 24.2 und 24.3 angeboten, wie es von Carnot'schen Stoßdiffusoren bekannt ist. In diesen parallel geschalteten Carnot'schen Stoßdiffusoren wird ebenfalls noch ein erheblicher Druckrückgewinn erzielt. Der Endabschnitt der Nabe 25 ist hier leicht konvergent ausgeführt. Dies ist keinesfalls zwingend, sondern von der jeweiligen Einbausituation abhängig. Durch die Aufteilung des Gesamtströmungsfeldes mit der Geschwindigkeitsverteilung 17 in einzelne schmalere ringförmige Zonen 23.1, 23.2 und 23.3 gelingen der Druckrückgewinn und die Vergleichmäßigung der Geschwindigkeitsverteilung schon bei einer relativ kurzen Lauflänge, allerdings im Wesentlichen erst stromab der Einbauten 21. Die ringförmigen Strömungsfelder 26.1, 26.2 und 26.3 am Austritt aus den Teilkanälen 23.1, 23.2 und 23.3 sind dabei derart ausgerichtet, dass die Eintrittsfläche des nachfolgenden Registers von Schalldämpferkulissen 20 gleichmäßig mit dem primären Fluid 41 versorgt wird.
  • Wichtig ist für das Verständnis der vorliegenden Erfindung auch noch folgender Aspekt: In den Carnot'schen Stoßdiffusoren 24.1, 24.2 und 24.3, die auf die Gleichdruckumlenkung folgen, wird bekanntlich auch noch ein Anstieg des statischen Druckes erzielt. Dieser ist umso höher, je größer die Austrittsgeschwindigkeit aus den Teilkanälen 24 ist. Auch dieser Anstieg des statischen Drucks wird den benachbarten Zonen aufgeprägt und kann dort zu einer erheblichen Drosselwirkung führen. Deshalb ist in einer Verfeinerung des Prinzips der Gleichdruckumlenkung anzustreben, auch unter Einschluss der Wirkung der Carnot'schen Stoßdiffusoren noch eine möglichst homogene statische Gegendruckverteilung zu erzeugen. Insbesondere bei einer stärker inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung 17 am Diffusoraustritt 2.2 ist dies unter Umständen nur durch zusätzliche Drosselelemente in jenen Kanalabschnitten zu erzielen, die mit hoher Strömungsgeschwindigkeit bzw. mit einem hohen dynamischen Druck angeströmt werden. Dies zeigt, dass es nachteilig ist, wenn die Geschwindigkeitsverteilung am Austritt des Gebläse - Ringdiffusors 1 bereits stark inhomogen ist. Der Gebläse - Ringdiffusor sollte daher nicht zu hoch aerodynamisch belastet werden, weil sich dann das wandnahe Geschwindigkeitsprofil dem Ablöseprofil mit Wandschubspannung Null (Geschwindigkeitsgradient an der Wand = 0) annähert. Demzufolge ist ein Gebläsediffusor, der zusätzlich zu einem sich erweiternden Gehäuse mit einer konvergenten Nabe ausgestattet ist, in vielen Fällen eher nachteilig. Es kann dagegen sogar von Vorteil sein, den Nabenkörper innerhalb des Diffusorabschnitts 1 in Strömungsrichtung noch etwas zu erweitern und den Öffnungswinkel des Gehäuses 2 ebenfalls etwas zu vergrößern. Auf diese Weise gelingt es wesentlich besser, die Anströmfläche eines nachfolgenden Registers aus Schalldämpferkulissen in einem stark erweiterten Kanalabschnitt homogen anzuströmen. Denn dann sind die Versorgungswege zu den Rändern der Schalldämpferkulissen bzw. zum Zentralbereich derselben näherungsweise gleich lang. Aber im Einzelnen hängt dies von den Abmessungen der Anströmfläche der Schalldämpferkulissen sowie vom Abstand der Kulisseneintrittsebene zu den die Strömung vergleichmäßigenden Einbauten 21.1, 21.2 und 21.3 ab. Und ferner können ja auch ganz andere Einbauten nachfolgen, deren Anströmung anderen Erfordernissen genügen muss, sodass wir hier nicht näher auf diese Problematik eingehen wollen. Anstelle des Einbaus von Drosselelementen in Zonen mit zu hohem dynamischen Druck kann es vorteilhaft sein, durch Leitelemente hochenergetisches Fluid in Zonen mit geringerem dynamischen Druck einzuleiten. Hiermit kann ein Strahlpumpeneffekt erzielt werden, durch den langsame Fluidzonen beschleunigt und einen Druckberg hoch geschleppt werden. Fig. 8 zeigt eine entsprechende Ausgestaltung. Hier sind auf die Endflächen 22.1, 22.2, 22.3 und 22.4 Deflektorbleche 28 montiert, durch welche die Strömung am Austritt der ringförmigen Kanäle 24.1, 24.2 und 24.3, vergl. Fig. 7, in Umfangsrichtung abwechselnd nach außen bzw. nach innen umgelenkt wird. Dies ist nur in der oberen Hälfte des Querschnitts eingezeichnet, während in der unteren Hälfte die Geschwindigkeitsverteilung 17 und ein Radialschwert 27 dargestellt sind. Derartige Radialschwerter dienen der Zentrierung der Ringelemente 21, Fig. 7 und Fig. 8.
  • Ein derartiger Mischer für Teilströme unterschiedlicher Geschwindigkeit (Impulsmischer) bietet selbstverständlich auch sehr gute Voraussetzungen für die Einmischung eines sekundären Fluids 42 in das primäre Fluid 41. Hier würde sich eine Kombination der Varianten gemäß der Fig. 8 und 10 anbieten.
  • Die ringförmigen Einbauten 21.1, 21.2 und 21.3 in Fig. 7 werden üblicherweise über radiale Schwerter 27 zentriert. Aber durch diese Maßnahme alleine kann in manchen Fällen noch keine ausreichende fluiddynamische Entkopplung der Teilströme 26.1, 26.2 und 26.3 erreicht werden. Diese ringförmigen Teilströme neigen dazu, eine instationäre Wechselwirkung untereinander einzugehen. Diese kann durch die Deflektorbleche gemäß Fig. 8 stark gedämpft werden. Eine weitere Möglichkeit der Dämpfung ist in Fig. 9 im Schnitt (links) und in einer Ansicht von der Abströmseite her (rechts) dargestellt. Hier sind zwischen die Ringe 21.1. 21.2 und 21.3, Fig. 7, und zur Nabe 25 hin austrittsseitige Verdrängungskörper 29.1. 29.2 und 29.3 installiert, die sinnvollerweise auf den bereits angesprochenen Radialschwertern 27 montiert werden. Durch diese Verdrängungskörper werden die weitgehend geschlossenen Strömungsringe in Ringabschnitte aufgeteilt, die weniger stark zu Wechselwirkung neigen.
  • Mit einer Gleichdruckumlenkung gemäß Fig. 9 ist gemäß der Erfindung auch die Aufgabe gelöst, ein sekundäres Fluid 42 in das primäre Fluid 41 einzumischen. Das sekundäre Fluid 42 wird über eine Rohrleitung 30 sowie über die hohl ausgeführten Verdrängungskörper 29.1, 29.2 und 29.3, vergl. Fig. 10, in die hohl ausgeführten Ringelemente 21.1, 21.2, 21.3 und in den Nabenkörper 25, Fig. 7, der Gleichdruckumlenkung eingeleitet. Aus den Ringen 21.1, 23.2, 21.3 sowie aus dem Nabenkörper 25 tritt das sekundäre Fluid 42 in das primäre Fluid 41 über Öffnungen 31 ein. Der Vermischungsprozess kann durch Deflektorbleche 28 stark angefacht werden, die gemäß Fig. 8 austrittsseitig an den Ringelementen der Gleichdruckumlenkung befestigt sind, und die die aus den Zwischenräumen 23.1, 23.2 und 23.3 austretenden Primärfluidstrahlen 26.2, 26.2 und 26.3 abwechselnd nach außen, d. h. zu größeren Radien, und nach innen umlenken. Somit kann mit dieser Gleichdruckumlenkung gemäß der Erfindung sowohl die Aufgabe einer Homogenisierung der Strömung bei geringerem Druckverlust bzw. sogar bei einem statischen Druckrückgewinn als auch die Einmischung eines sekundären Fluids bewirkt werden. Nimmt man dagegen die Aufgabe der Einmischung eines sekundären Fluids aus der Zielrichtung der Erfindung heraus und ordnet sie einer getrennten Mischerkomponente zu, so ist dies in jedem Falle mit einem zusätzlichen Druckverlust sowie mit zusätzlichen Investitionskosten verbunden.
  • Die vorstehend beschriebenen Wirkmechanismen und Lösungskonzepte können selbstverständlich auch auf andere Konfigurationen angewandt werden, wie sie beispielsweise in Fig. 11 dargestellt sind. So ist es gemäß der Erfindung sehr vorteilhaft, einen beschaufelten Krümmer 32, insbesondere dann, wenn dieser in Strömungsrichtung eine Querschnittserweiterung aufweist, mit Leitkörpern 33 auszustatten, die eine verdickte Abströmseite 34 aufweisen. Durch die hiermit verbundene Verdrängungswirkung kann ebenfalls eine Gleichdruckumlenkung mit sich anschließenden Carnot'schen Stoßdiffusoren erzeugt werden. Hier kann es sogar vorteilhaft sein, die Verdickung etwas stärker auszuführen, als für einen gleichbleibenden Strömungsquerschnitt zwischen den Leitkörpern erforderlich wäre. Durch die Beschleunigung, die mit der Querschnittsabnahme in Strömungsrichtung bei Unterschallströmungen einher geht, wird eine Strömungsablösung auf der Saugseite der Umlenkschaufeln auch dann vermieden, wenn eine starke Umlenkung um z. B. 90° verwirklicht werden soll.
  • Selbstverständlich können alle im Zusammenhang mit der ringförmigen Gleichdruckumlenkung beschriebenen Prinzipien, insbesondere auch die Maßnahmen für die Zumischung eines sekundären Fluides, auch in einer Kanalumlenkung zur Anwendung kommen. Hierfür werden die Umlenkschaufeln 33 hohl ausgeführt und über einen Stutzen 30 an die Versorgung mit dem zuzumischenden sekundären Fluid angeschlossen, wie in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist. Auf die abströmseitigen Endflächen 34 des Gerüstes aus Umlenkschaufeln 33 können Deflektorschaufeln 28 aufgesetzt werden, die eine Intensivierung der Vermischung bewirken. Bei einer sehr inhomogenen Zuströmung zu dem Gitter aus Umlenkschaufeln 33 kann es sinnvoll sein, die Konfiguration der Deflektorschaufeln 28 an die lokale Situation derart anzupassen, sodass eine Vergleichmäßigung der Durchströmung oder jedenfalls eine Vergleichmäßigung der Abströmung vom Umlenkgitter zu der nachfolgenden Komponente bewirkt wird. Zu diesem Zweck kann nach der Erfindung der Anstellwinkel α der Deflektorbleche 28 von Ort zu Ort variiert werden. Mit abnehmendem Winkel α kommt es zu einer stärkeren lokalen Drosselung der Strömung des Primärfluides sowie zu einer Intensivierung der Einmischung in benachbarte Zonen. Wenn kein sekundäres Fluid 42 eingemischt werden soll, wirkt das System mit den Deflektorblechen 28 als Mischer und Homogenisierungskomponente innerhalb des primären Fluides 41.
  • In Fig. 11 sind auch in den Gebläsediffusor 2 Leitflächen 36 eingezeichnet, wie bereits in einer früheren deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 022 418 , siehe Fig. 1 bis Fig. 5, desselben Erfinders vorgeschlagen wurde. Hiermit kann eine Vergleichmäßigung der Abströmung aus dem Ringdiffusor erzielt werden, und dies ist von erheblichem Vorteil für die Durchströmung des nachfolgenden Krümmers.
  • Fig. 12 zeigt ausschnittsweise eine Draufsicht auf die Abströmseiten 34 der Leitschaufeln 33. Hier sind die abwechselnd nach links bzw. nach rechts abgewinkelten Deflektorbleche 28 zu erkennen sowie die zugeordneten Ausblasbohrungen 39 für ein sekundäres Fluid 42. Der Zuführungskanal 44 für das sekundäre Fluid 42 ist hier außerhalb des Krümmers angeordnet.
  • Fig. 13 dieser Erfindung stellt eine Übersichtszeichnung dar. Sie zeigt insbesondere auch die zusätzlichen Funktionselemente im Vergleich mit den früheren Anmeldungen der Erfinder. Dabei ist ein erster Ring 45.1 von Hilfsleitschaufeln 45 nahe der Gehäuseaußenwand an den Nachleitschaufeln 5 des Gebläses angebracht. Ein zweiter Ring 45.2 von Hilfsleitschaufeln 45 ist nahe der Nabe 7 an denselben Nachleitschaufeln angeordnet. Üblicherweise sind größenordnungsmäßig 20 Nachleitschaufeln vorhanden. Durch die leicht zu den jeweiligen Wänden hin geneigten Hilfsleitschaufeln wird eine Beschleunigung der wandnahen Strömungsfelder bzw. der Strömungsgrenzschichten bewirkt, ohne dass es zu einer relevanten Strömungsablösung und demzufolge zu erheblichen Druckverlusten kommen müsste. Die Hilfsleitschaufeln können z. B. auf der Druckseite 5.1 der Leitschaufeln 5 angebracht sein oder sowohl auf der Druckseite 5.2 als auch auf der Saugseite 5.1, vergl. die Detaildarstellung in Fig. 16. Da diese Hilfsleitschaufeln in Zonen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit angeordnet sind, müssten sie selbstverständlich als aerodynamisch optimierte Flügel ausgeführt sein.
  • Die Wirkung dieser Hilfsleitschaufeln zeigt sich in einem Geschwindigkeitsprofil gemäß Ziffer 46 mit großen Geschwindigkeitsgradienten 46.1 an der Gehäusewand bzw. an der Nabe 46.2. Es kann sogar vorteilhaft sein, nahe der Wände eine Zone mit etwas höheren Strömungsgeschwindigkeiten als in Kanalmitte zu erzeugen, wie dies für das Geschwindigkeitsprofil 46 in Fig. 13 dargestellt ist.
  • Im mittleren Abschnitt des divergenten Gehäuses 2 des Ringdiffusors 1 ist an der Innenwand ein Ring 47.1 von einzelnen nur geringfügig gegen die Strömung angestellten Leitschaufeln angeordnet. Ein entsprechender Ring 47.2 von Leitschaufeln ist an der Nabe 3 angebracht. Die Leitschaufeln auf beiden Ringen könnten hier auch als Deltaflügel 48 ausgeführt sein. In aller Regel würden wir jedoch keine Deltaflügel einsetzen, sondern Flügelabschnitte mit einer definierten Vorderkante, die auf einem zur Diffusorachse näherungsweise konzentrischen Ring liegen. Die Flügelabschnitte könnten vorteilhafterweise mit "tip wings" ausgestattet sein, wodurch die Randwirbelbildung und demzufolge der Druckverlust reduziert werden, wie dies bereits in der Anmeldung DE10 2010 022 418 vorgeschlagen wurde. Durch die leichte Anstellung gegen die Anströmung erzeugt jeder Flügel einen in die Strömungsgrenzschicht hinein gerichteten Impulsstrom.
  • Grundsätzlich können auch mehrere Ringe von Leitschaufelelementen bzw. Leitflügeln an unterschiedlichen axialen Positionen des Ringdiffusors angebracht werden. Durch die Maßnahmen in Gestalt der Hilfsleitbleche 45.1 und 45.2 an den Hinterkanten der Nachleitschaufeln 5 des Gebläses sowie der Leitschaufeln 47.1 und 47.2 im divergenten Abschnitt des Ringdiffusors 1 wird in Querschnitt 2.2 am Diffusorende ein weitgehend homogenes Geschwindigkeitsprofil 17 erzeugt, welches sich insbesondere durch starke Geschwindigkeitsgradienten in den wandnahen Bereichen 17.1 und 17.2 auszeichnet. Auf Basis eines derartigen Geschwindigkeitsprofils gelingt es, bei minimalen Totaldruckverlusten und bei einem bestmöglichen statischen Druckrückgewinn im nachfolgenden stark erweiterten Abschnitt 18 durch geeignete Einbauten eine weitgehend homogene Zuströmung 51 zu den nachfolgenden Komponenten, hier einem Kulissenschalldämpfer 20, zu erzeugen. Als Einbauten sind hier keilförmige Hohlkörper bzw. V - förmige Zwickelbleche 52 vorgesehen mit einer radial ausgerichteten und ziemlich scharf zulaufenden Anströmungs- bzw. Vorderkante 52.1. Das durch die Zwickelbleche gebildete V muss nicht unbedingt an der Hinterkante geschlossen sein. Wenn eine höhere Staubbeladung im Fluid auftritt, kann es jedoch zur Vermeidung von Staubansammlungen sinnvoll sein, die Zwickelbleche als Hohlkörper auszuführen und ein hinteres Deckblech 52.2 vorzusehen, vergl. auch Fig. 13.
  • In diesem Falle bilden die Zwickelbleche radial verlaufende Hohlkörper, denen über einzelne Stutzen 52.3 ein zweites Fluid zugeführt werden kann, sofern eine derartige Zumischung z. B. von Warmluft erforderlich ist. Das zweite Fluid kann über Bohrungen 52.4 in den primären Fluidstrom eingeleitet werden. Zwischen den Zwickelblechen sind zusätzliche Leitschaufeln 52.5 angebracht. Die Zwickelbleche 52 enden an einem konzentrischen Ring 52.7, der gleichzeitig das nabennächste Leitelement 52.5 darstellt. Zur Nabe 52.6 hin ist Ring 52.7 über radiale Schwerter 52.8 abgestützt. In Fig. 13 sind die konzentrischen Leitbleche 52.5 zwischen den V - förmigen Zwickelblechen mit einer verdickten Hinterkante 49 dargestellt. Diese Lösung stellt eine Kombination der beiden unterschiedlichen Konzepte dar, die Strömungsablösung in einem stark erweiterten Kanalabschnitt zu vermeiden; hier sind die V - förmigen radial verlaufenden Zwickelbleche 52 mit zur Hauptachse 30 konzentrischen und zur Hinterkante hin verdickten Verdrängungskörpern 49 kombiniert.
  • Für die Einleitung und Einmischung eines sekundären Fluids (z. B. Heißluft oder Ammoniak) in das primäre Fluid existieren mehrere Möglichkeiten.
  • In Fig. 14 sind Stutzen 47.3 und 47.4 für die Einleitung des sekundären Fluids in naher räumlicher Zuordnung zu den Leitschaufeln 47.1 und 47.2 angebracht. Das primäre Fluid wird in die mit geringer Turbulenz abgeschöpften Teilströme eingemischt. Da auf die Erzeugung einer hoch turbulenten Strömung im Hinblick auf die Minimierung der Druckverluste bei dieser Erfindung verzichtet wurde, ist für die Einmischung des sekundären Fluids eine größere Laufstrecke erforderlich.
  • In Fig. 15, welche eine Darstellung bei Blickrichtung stromauf zur Hauptströmung des primären Fluids 41 darstellt, ist das Prinzip der Einleitung eines sekundären Fluids in das primäre Fluid über die keilförmigen Hohlkörper 52 dargestellt. Jedem Hohlkörper 52 ist ein Eintrittsstutzen 52.3 zugeordnet. Die Austrittsbohrungen 52.4 für das sekundäre Fluid sind nur in Fig. 13 bildlich wiedergegeben. Fig.13 zeigt auch die Endfläche 52.9 des Nabenkörpers 52.6 sowie radiale Stegbleche 52.8, über die der Ring 52.7 zur Nabe 52.6 abgestützt ist.
  • Fig. 17 und Fig. 18 zeigen noch einen Sonderfall der Konfiguration nach Fig. 13 oder Fig. 14. Hier sind im Gebläsediffusor schwach angestellte Leitelemente näherungsweise auf einem zur Hauptachse 16 konzentrischen Ring angeordnet, durch die das Primärfluid abwechselnd nach außen auf die Gehäusewand zu bzw. nach innen zur Nabe hin geleitet wird. Dabei können die Leitelemente 47.1 und 47.2 unterschiedlich groß ausgeführt sein. Der Radius des zur Hauptachse 16 konzentrischen Ringes, auf welchem die Leitelemente angeordnet sind, wird so dimensioniert, dass der Primärfluidstrom näherungsweise in zwei gleichgroße Volumen - Teilströme aufgeteilt wird. Insbesondere bei einem inhomogenen Geschwindigkeitsprofil des Primärfluides kann es aber auch vorteilhaft sein, den Radius des Ringes so zu dimensionieren, dass er den Primärluftstrom näherungsweise in zwei gleich große Impuls - Teilströme aufteilt.
  • Fig. 19 zeigt eine Variante der Fig. 7. Gemäss dieser Variante können im Ringdiffusor 1 oder in der nachfolgenden Kanalerweiterung 18 eine Segmentierung des Ringkanals und/oder der Kanalerweiterung vorgesehen sein. Die Segmentierung erfolgt durch Kanalsegmente, welche über radiale Streben 51, 61 mit der Innenwand des Ringdiffusors 1 oder der Innenwand der Kanalerweiterung 18 verbunden sind. 50, 60. Die Kanalsegmente 50, welche sich im Ringdiffusor 1 zwischen dessen Innenwand und der Nabe 3 befinden können, als Zylindersegmente ausgebildet sein. Alternativ können sie auch parallel zur Innenwand des Ringdiffusors verlaufen, somit als Segmente eines Konus ausgebildet sein.
  • Die Kanalsegmente 60, welche sich in der Kanalerweiterung stromabwärts der ringförmigen Verdrängungskörper 21.1, 21.2 und 21.3 befinden, können ebenfalls als Segmente eines Konus ausgebildet sein. Die Neigung des Konus kann der Neigung des die Kanalerweiterung bildenden Konus entsprechen, kann aber auch größer oder auch kleiner sein, je nach der gewünschten Einflussnahme auf die Fluidströmung durch die Kanalerweiterung.
    • Nomenklatur (zu Fig. 6 bis Fig. 18)
    • 1
    Ringdiffusor
    2
    Gehäuse des Ringdiffusors
    2.1
    Eintrittsebene zum Ringdiffusor
    2.2
    Austrittsebene des Ringsdiffusors
    3
    Nabe des Ringdiffusors
    4
    Endfläche eines zylindrischen Ringdiffusors
    5
    Nachleitschaufeln des Gebläses bzw. Radialschwerter am Anfang der Nabe
    6
    Radialschwerter im Endabschnitt der Nabe
    7
    vorderer Abschnitt der Nabe
    8
    hinterer Abschnitt der Nabe
    9
    Axialgebläse
    10
    Rotor des Axialgebläses
    11
    Laufschaufeln des Axialgebläses
    12
    Anströmnase des Axialgebläses
    13
    Nachlauftorwasser hinter der zylindrischen Nase
    14
    Nachlauftotwasser hinter einer schwach konvergenten Nabe
    15
    Geschwindigkeitsverteilung in 2.1
    16
    Achse des Ventilators
    17
    Geschwindigkeitsverteilung in 2.2
    18
    stark divergenter Gehäuseabschnitt, bevorzugt kreisrund
    19
    Strömungsablösegebiet in 18
    20
    Schalldämpferkulissen
    21
    ringförmige Einbauten in 18
    22
    abströmseitige Endflächen der Einbauten 21
    23
    ringförmige Kanäle zwischen den Einbauten 18 sowie der Nabe
    24
    Camot'sche Stoßdiffusoren
    25
    schwach konvergenter Nabenabschnitt
    26
    Anströmung der Schalldämpferkulissen
    27
    Radialschwerter
    28
    Deflektorbleche
    29
    Verdrängungskörper zwischen den ringförmigen Einbauten und den Radialschwertern
    30
    Eintrittsstutzen für das sekundäre Fluid
    31
    Einströmung des sekundären Fluids in die Kanäle 23
    32
    Krümmer
    33
    Hohl - Leitkörper im Krümmer
    34
    Endflächen der Hohl - Leitkörper 33
    35
    Strömung des Primärfluides im Axialgebläse
    36
    Verdrängungskörper mit Leitwirkung im Ringdiffusor
    37
    Nachlauftotwasser hinter den Einbauten 36 im Ringdiffusor
    38
    Ausströmung des Primärfluides 41 zwischen den Einbauten 18
    39
    Ausströmbohrungen für das Sekundärfluid 42 an den ab strömseitigen Endflächen 34 der Einbauten 33
    40
    abgerundete Anströmnasen der Leitkörper 33
    41
    Primärfluid Strömung
    42
    Sekundärfluidströmung
    43
    Drosselgitter
    44
    Zuführungskanal für das sekundäre Fluid 42
    45
    Hilfsleitschaufeln
    45.1
    Hilfsleitschaufeln nahe der Gehäusewand
    45.2
    Hilfsleitschaufeln nahe der Nabe 7
    46
    Geschwindigkeitsprofil hinter den Nachleitschaufeln mit Hilfsleitschaufeln nahe dem Diffusoreintritt 2.1
    46.1
    Geschwindigkeitsprofil mit großen Geschwindigkeitsgradienten an der Gehäusewand
    46.2
    Geschwindigkeitsprofil mit großen Geschwindigkeitsgradienten an der Nabe
    47
    Leitschaufeln im mittleren Abschnitt des Ringdiffusors
    47.1
    Leitschaufeln am Gehäuse
    47.2
    Leitschaufeln an der Nabe
    47.3
    Stutzen für die Einleitung eines sekundären Fluids vom Gehäuse her
    47.4
    Stutzen für die Einleitung eines sekundären Fluids von der Nabe her
    48
    Leitblech in Gestalt eines leicht angestellten Flügels
    49
    Verdickte Hinterkantenabschnitt der Leitschaufeln 52.5
    50.1
    Strömungsgrenzschicht nahe der Gehäusewand
    50.2
    Strömungsgrenzschicht nahe der Nabe
    51
    Ausströmung aus dem stark divergenten Abschnitt 18 bzw. Zuströmung zu den Schalldämpferkulissen 20
    52
    keilförmige Hohlkörper bzw. Zwickelbleche
    52.1
    Vorderkante bzw. Anströmkante der Zwickelbleche
    52.2
    Deckblech der keilförmigen Hohlkörper am abströmseitigen Ende
    52.3
    Stutzen für die Einleitung eines sekundären Fluids in die Hohlkörper 52
    52.4
    Bohrungen zur Einleitung des sekundären Fluids in die Primärfluidströmung
    52.5
    Leitschaufeln zwischen den Zwickelblechen
    52.6
    Nabe im stark divergenten Abschnitt 18
    52.7
    zur Nabe 52.6 konzentrischer Ring
    52.8
    radiale Stützbleche zwischen der Nabe und dem Ring 52.7
    52.9
    Endfläche des Nabenabschnitts 52.6
    53
    Übergang vom kreisrunden stark divergenten Abschnitt 18 zum rechteckigen Einbauabschnitt der Schalldämpferkulissen 20

Claims (7)

  1. Von einem Primärfluid durchströmter Kanalabschnitt mit Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung sowie mit Einbauten, durch welche der Kanalquerschnitt in wenigstens 2 Teilkanäle aufgeteilt wird, wobei die Verdrängungsdicke wenigstens eines Teils der Einbauten in Strömungsrichtung zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalabschnitt einen schlanken Gebläsediffusor mit einem Öffnungswinkel im Bereich von 10° bis 20° aufweist, an welchen sich ein stark erweiterter Kanalabschnitt mit einem Öffnungswinkel im Bereich von 20° bis 120° anschließt, wobei die Einbauten als radial zur Diffusorhauptachse verlaufende V-förmige Zwickelbleche (52) in dem stark erweiterten Kanalabschnitt ausgeführt sind.
  2. Kanalabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zwickelblechen (52) ein Deckblech (52.2) vorgesehen ist, so dass das Zwickelblech (52) als ein keilförmiger Hohlkörper ausgeführt ist.
  3. Kanalabschnitt nach Anspruch 2, wobei mindestens 3 keilförmige Hohlkörper (52) angeordnet sind.
  4. Kanalabschnitt nach Anspruch 3, wobei der Öffnungswinkel in den Teilkanälen zwischen den keilförmigen Hohlkörpern (52) in der Grössenordnung von 0° bis 18° liegt.
  5. Kanalabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten (52) hohl ausgeführt und über Rohrleitungen von außen mit einem sekundären Fluid beschickt werden und dass das sekundäre Fluid über Bohrungen in der Oberfläche der Einbauten in das primäre Fluid zu Vermischungszwecken eingeblasen wird.
  6. Kanalabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Austrittsbereich der Einbauten (52) Deflektorflächen angebracht sind, die eine Mischungswirkung auf die Fluide ausüben.
  7. Kanalabschnitt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektorflächen abwechselnd nach innen bzw. nach außen abgewinkelt sind.
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