DE3320753A1

DE3320753A1 - Lochplatte zur vergleichmaessigung der geschwindigkeitsverteilung

Info

Publication number: DE3320753A1
Application number: DE19833320753
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 7884 Rickenbach Matt; Theo Dipl.-Ing. 8049 Zürich Woringer; Gerassime Dr.-Ing. 8038 Zürich Zouzoulas
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1982-06-23
Filing date: 1983-06-09
Publication date: 1983-12-29
Also published as: GB8316792D0; GB2123981A; JPS599306A; US4559275A; JPH0337650B2; DE3320753C2; CH659864A5

Description

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Lochplatte zur Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsverteilung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lochplatte zur Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Strömungskanal, die mit mehreren gleicnmässig oder rotationssymmetrisch angeordneten Strömungslöcher versehen ist.

Lochplatten dieser Art werden verwendet, um eine ungleichmassige Geschwindigkeitsverteilung und eventuell eine drallbehaftete Strömung in einem Strömungskanal in eine achsparallele Strömung mit gleichmässiger Geschwindigkeitsverteilung umzuwandeln. Solche Lochplatten werden normalerweise senkrecht an die Hauptstromrichtung im Strömungskanal angeordnet. Eine bevorzugte Verwendung von Lochplatten dieser Art ist die Vergleichmässigung und Stabilisierung der Strömung zwischen der Brennkammer und Beschaufeiung einer Gasturbine.

Lochplatten der eingangs genannten Art sind bekannt. Eine Ausführung ist in der Zeitschrift "Chemie-Ing.-Technik", 44. Jahrgang 1972 / Mr. 1+2, Seiten 72 bis 79, gezeigt und beschrieben.

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Bei dieser Lösung sind gleichmässig angeordnete Strömungslöcher entweder zylindrisch mit einem scharfkantigen oder abgerundeten Locheinlauf, oder mit einem Einlauf- bzw. Auslaufkegel versehen, wobei die Lochdurchmesser normalerweise gleich oder grosser als die Plattendicke sind. Durch die Verwendung von zylindrischen Löchern wird die Blockierung bzw. das Flächenverhältnis vom versperrten zum lichten Strömungsquerschnitt an der Zuströmseite der Platte gleich derjenigen an der Abströmseite. Je grosser die Blockierung einer Lochplatte ist, umso grosser ist der erzeugte Druckabfall und die ausgleichende Wirkung auf die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung. Nachteile der Lochplatten grosser Blockierung sind die hohen Druckverluste und lange Rückströmzonen hinter den Stegen der Lochplatte sowie die Gefahr der Vereinigung mehrerer Einzelstrahlen hinter der Lochplatte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lochplatte zu schaffen, mit welcher bei einem günstigen Druckverlustbeiwert eine möglichst vollkommene Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsverteilung bei einer relativ kurzen Rückströmzone erreicht wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Strömungslöcher in der Strömungorichtung stufenweise derart erweitert sind, dass sie parallel geschaltete ein- oder mehrstufige Stossdiffusoren bilden.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass durch die Diffusorwirkung der Strömungslöcher ein grosser Teil der Geschwindigkeitsenergie des beschleunigten Arbeitsmediums im erweiterten Teil der Strömungslöcher wieder in Druckenergie zurückverwandelt wird, wodurch der Gesamtdruckverlust der Lochplatte vermindert wird. Durch die kleine Austrittsblockierung wird ausserdem eine relativ kurze Rückströmzone erreicht.

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Eine andere Lösung der Aufgabe zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömungslöcher als strömungstechnisch günstig profilierte Diffu^oren mit stetiger Erweiterung des Strömungsquerschnittes ausgebildet sind. Hier erzielt man den Vorteil, dass bei gleichbleibender Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsverteilung der Druckwiderstandsbeiwert im Vergleich mit Stossdiffusoren noch weiter reduziert wird.

Bei rotationssymmetrischer Lochanordnung in einem kreis- oder ringförmigen Strömungskanal ist es zweckmässig, die Loch-Abstände und -Durchmesser so zu bemessen, dass eine konstante Blockierung am ganzen Strömungsquerschnitt erreicht wird, d.h., dass über dem Lochplattenumfang keine Gebiete mit unterschiedlicher Blockierung entstehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht von der Zuströmseite eines Segmentes einer ringförmigen Lochplatte mit einer rotationssymmetrischen Lochanordnung;

Fig. 2 eine Ansicht von der Abströmseite des Segments nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt A-A nach Fig. 1, wobei die Strömungs·· löcher mit einem einstufigen Stossdiffusor versehen sind;

Fig. 4 einen gleichen Schnitt wie in Fig. 3, wobei die

Strömungslöcher mit einem strömungsgünstigen Diffusor versehen sind;

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Fig. 5 einen gleichen Schnitt wie in Fig. 3 im vergrösserten Massstab, mit eingezeichneten Strömungslinien.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszahlen versehen. Die Strömungsrichtungen sind mit Pfeilen bezeichnet. Erfindungsunwesentliche Teile wie beispielsweise Kanalwände, Lochplatten-Befestigungselemente usw. sind fortgelassen.

Eine Lochplatte 1 besteht aus einer Metallplatte, deren Form und Dicke vom Querschnitt des nicht gezeigten Strömungskanals abhängig ist. Beispielsweise kann eine Lochplatte kreisförmig, rechteckig oder ringförmig sein. Die Lochanordnung kann rechteckig, dreieckig oder rotationssymmetrisch sein. Die Löcher sind normalerweise gestanzt oder gebohrt.

Soweit sind die Lochplatten bekannt. Gemäss der Erfindung sind nun die Strömungslöcher als einstufige Stossdiffusoren ausgeführt. Die an der Zuströmseite 3 der Lochplatte 1 abgerundeten Strömungslöcher 2 mit einem Lochdurchmesser d sind in Abströmungsrichtun«: auf den Lochdurchmesser D erweitert. Voraussetzung dafür, dass sich eine Stossdiffusorwirkung einstellt, ist jedoch, dass die Austrittslochlänge L so bemessen wird, dass die Strömung vor deren Ende wieder anliegt, bzw. dass der in der Strömungstechnik bekannte Grenzwert des Erweiterungswinkels (10 -12°) nicht

25 überschritten ist.

Die dargestellte ringförmige Lochplatte 1, von welcher nur ein Segment in Ansicht von der Zuströmseite 3 in Fig. und von der Abströmseite 4 in Fig. 2 gezeigt ist, eignet sich für den Einbau in einen ringförmigen Strömungskanal

mit einem Aussenradius

und einem Innenradius R

vorliegenden Fall ist vorzugsweise eine rotationssymmetrische Lochanordnung gewählt, da bei der viereckigen oder

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dreieckigen Lochanordnung in einem kreis- oder ringförmigen StrömungsVanal Zonen mit ungleichmässiger Blockierung im Bereich der Innen- und Aussenwand des Strömungskanals entstehen würden. Da aber· ;ur eine konstante Blockierung über dem ganzen Kanalquerschnitt eine tadellose Vergleichmässigung der Strömung gewährleistet, werden die Lochdurchmesser und Lochabstände so bemessen, dass sowohl Eintritts- als auch Austrittsblockierung auf allen Radien konstant sind. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Lochdurchmesser d und D bzw. Lochabstände eine steigende lineare Funktion des Radius sind. Dabei wird die Eintrittsblockierung auf den Locheintrittsdurchmesser d und die Austrittsblockierung auf den Lochaustrittsdurchmesser D bezogen.

In Fig. 3 ist ein Umfangschnitt nach Linie A-A gemäss Fig.

1 gezeigt. Die Strömungslöcher 2 sind an der Zuströmseite 3 der Lochplatte 1 mit strömungsgünstigem Einlauf versehen. Die Locheintrittsdurchmesser d und Lochaustrittsdurchmesser D sowie die Lochabstände in radialer und tangentialer Richtung sind eine Funktion der vorgegebenen Eintritts- bzw. Austrittsblockierung der Lochplatte 1. Die Grosse der Eintritts- und Austrittsblockierung bzw. deren Verhältnis kann infolge seiner Abhängigkeit von allzu zahlreichen Strömungsparametern hier nicht angeführt werden; indes ist es vom Fachmann ohne weiteres zu bestimmen. Grundsätzlieh ist die Eintrittsblockierung unter anderem von der Ungleichmässigkeit der aufgetretenen Strömung sowie vom gewünschten Vergleichmässigungseffekt abhängig. Hingegen ist die Austrittsblockierung vom zulässigen Druckverlust an der Lochplatte sowie von einer zulässigen Länge der Rückströmzone abhängig.

Die Austrittslochlänge L wird so bemessen, dass die Strömung kurz vor dem Lochaustrittsrand wieder anliegt.

Die Ausführung nach Fig. 4 stellt eine zweite Lösungsmög-

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lichkeit dar. Bei gleicher Lochanordnung und gleichem Locheintrittsdurchmesser d sowie Lochaustrittsdurchmesser D wie in Fig. 3, d.h. bei gleicher Eintritts- und Austrittsblockierung sind die Strömungslöcher als strömungstechnisch günstig profilierte Diffusoren mit stetiger Erweiterung des Strömungsquerschnittes ausgebildet. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass bei gleichbleibenden Vergleichmässigungs-Effekt und Länge der Rückströmzone der Druckverlustbeiwert noch günstiger wird. Die Herstellungskosten sind jedoch im Vergleich mit der in Fig. 3 dargestellten Ausführung etwas höher.

Die Wirkungsweise und die Strömungsvorgänge an der erfindungsgemässen Lochplatte gehen aus folgendem hervor. Durch die 'gros.se Eintrittsblockierung entsteht an der Zuströmseite 3 der Lochplatte 1 eine Staudruckzone und demzufolge eine wesentliche Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsverteilung in den Strömungslöchern 2. Nach dem Eintritt in die Strömungslöcher 2 schnüren sich gemäss Fig. 5 wegen der Abrundung der Locheintrittskante die Stromlinien auf den Durchmesser d zusammen und weiten sich anschliessend bei ausreichender Austrittslochlänge L auf den Lochaustrittsdurchmesser D aus. Durch den stufenartigen Uebergang zwischen dem Locheintrittsdurchmesser d und dem Lochaustrittsdurchmesser D erhält man parallel geschaltete Stossdiffusoren. Am Anfang des vergrösserten Loches entsteht eine Wirbelzone 6, die einen Einfluss auf den Gesamtdruckverlust hat.

Stromabwärts der Lochplatte 1 benötigt die Strömung eine bestimmte Strecke, um sich wieder dem lichten Querschnitt des Strömungskanals anzupassen. Diese Strecke, die von der Dicke des Steges 5 zwischen den Löchern bzw. von der Auslegung des Stossdiffusors abhängig ist, wird Rückströmzone 7 genannt. Bei manchen Strömungsapparaten ist es sehr wichtig, die Rückströmzone 7 möglichst kurz zu halten.

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Wegen der Diffusorwirkung wird eine günstige Strömung an der Abströmseite 4 der Lochplatte 1 bzw. eine sehr kurze Rückströmzone sⁿwie ein niedriger Druckverlustbeiwert erreicht .

Wenn die Strömungslöcher als strömungsgünstige Diffusoren mit stetiger Erweiterung des Strömungsquerschnittes gemäss Fig. 3 ausgebildet sind, verschwindet die Wirbelzone 6 und deren Einfluss auf den Gesamtdruckverlust.

So hätte z.B. eine zum Stand der Technik zählende Lochplatte mit zylindrischen Löchern und einer konstanten Blokkierung von 61 % bei einer Reynolds-Zahl von etwa 1x10 einen Druckverlustbeiwert von etwa 5. Wenn die Lochplatte nun mit gleicher Eintrittsblockierung von 61 % mit einer Erweiterung des Lochaustrittsquerschnittes derart bemessen ist, dass eine Austrittsblockierung von 21,6 % erreicht wird, so wird bei gleichbleibenden Strömungsverhältnissen vor der Lochplatte der Druckverlustbeiwert auf den Wert 3,2 reduziert und die Rückströmzone wesentlich kürzer. Ausserdem besteht im Bereich der vorerwähnten Austrittsblockierungen keine Gefahr der Vereinigung der Einzelströme an der Abströmseite der Lochplatte.

Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch Lochplatten mit einer gleichmässigen viereckigen oder dreieckigen Lochanordnung sowie solche Strömungslöcher, die in Form eines zwei- oder mehrstufigen Stossdiffusors ausgeführt sind.

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Patentansprüche

Lochplatte zur Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Strömungskanal, die mit mehreren gleichmässig oder rotationssymmetrisch angeordneten Strömungslöcher (2) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungslöcher (2) in der Strömungsrichtung stufenweise derart erweitert sind, dass sie parallel geschaltete ein- oder mehrstufige Stossdiffusoren bilden.

,2. Lochplatte zur Vergleichmässigung der Geschwindigkeits-10. . verteilung in einem Strömungskanal, die mit mehreren gleichmässig oder rotationssymmetrisch angeordneten Strömungslöcher (2) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungslöcher (2) als strömungstechnisch günstig profilierte Diffusoren mit stetiger Erweiterung des Strömungsquerschnitts ausgebildet sind.

3. Lochplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei rotationssymmetrischer Lochanordnung die Loch-Abstände und -Durchmesser so bemessen sind, dass die lokalen Flächenverhältnisse vom versperrten zum lichten Strömungsquerschnitt an der Zuström- und Abströmseite der Lochplatte an der ganzen Querschnittsfläche des Strömungskanals konstant sind.