DE3587646T2

DE3587646T2 - Druckentspanner zum Stabilisieren von Fluidströmen bei Entspannung, begleitet von einer Verminderung der kinetischen Energie.

Info

Publication number: DE3587646T2
Application number: DE87114478T
Authority: DE
Inventors: Michel Pluviose
Original assignee: FRAMATOME PARIS LA DEFENSE; GEC Alsthom Electromecanique SA
Current assignee: FRAMATOME PARIS LA DEFENSE; Alstom SA
Priority date: 1984-03-01
Filing date: 1985-02-18
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2005-02-19
Also published as: DE3562816D1; EP0156672A1; US4688755A; EP0266566A3; EP0266566B1; JPS60208684A; EP0156672B1; FR2560648A1; DE3587646D1; EP0266566A2; CA1249762A; SU1450759A3; FR2560648B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei instabilen Strömungen komprimierbarer Fluids in Druckentspannern von industriellen Anlagen.
Oft erfolgt in industriellen Anlagen, in denen ein komprimierbares Fluid strömt, die Entspannung durch Öffnungen zwischen Bereichen unterschiedlichen Drucks hindurch, ohne Wiedergewinnung der kinetischen Energie.
Dies gilt insbesondere in Entspannern mit Löchern oder Sieben, wie sie z. B. in elektrischen Dampfkraftwerken verwendet werden.
Der Massendurchsatz ist meist vorgegeben, ebenso wie die Druckpegel auf beiden Seiten, und das Druckverhältnis ist oft so groß, daß sich Überschallzustände einstellen können.
Das allgemeine Prinzip solcher Vorrichtungen ist es in erster Linie, das Fluid auf Geschwindigkeit zu bringen, und in zweiter Linie, diese Geschwindigkeit durch viskose Reibung und durch Stoßwellen bei konstanter Halte-Enthalpie abzubauen.
Bei einer aus einem Loch kommenden Strömung, die in die Atmosphäre oder ein großes Volumen abströmt, ist die Form der Strömungen am Ausgang des Loches von dem Entspannungsverhältnis abhängig, jedoch liegen die Druckbedingungen zu beiden Seiten des Lochs im allgemeinen so, daß die Strömung in erster Näherung in der Austrittsebene aus dem Loch im Schallbereich liegt.
Durch viskose Mischung mit dem umgebenden Fluid baut sich der Strahl nach einer vom Entspannungsverhältnis abhängigen Länge ab, die im allgemeinen mehr als das Zehnfache des Öffnungsdurchmessers beträgt.
Im Fall einer zweidimensionalen, aus einer Öffnung in ein stromabwärts gelegenes Volumen austretenden Strömung klebt der Überschallstrahl an einer Wand oder an der anderen außerordentlich heftig an, aber ohne Instabilität. Durch viskosen Antrieb verlangsamt sich nämlich der Strahl und beschleunigt die umgebenden Fluidschichten. Die angetriebene Masse wird durch stromabwärts liegendes Fluid erneuert. Da zwischen den Mischungsschichten Unabhängigkeit herrscht, destabilisiert bereits die kleinste Störung das System.
Nimmt der Druck stromabwärts ab, dann weitet sich der Strahl so aus, daß das Volumen, das mit der stromabwärts gelegenen Seite in Verbindung bleibt, nicht mehr mit dem Fluidgemisch gespeist werden kann. Man beobachtet dann Längsschwingungen und Querschwingungen der Fluidfäden. Wenn in dieser Lage der Druck weiter abfällt, dann stabilisiert sich die Strömung und wird symmetrisch. Bei einer Strömung in einem Hohlraum werden entsprechende Beobachtungen gemacht. Sie sind aber schwieriger zu analysieren, da der Strahl in dem Hohlraum verwirbelt.
Die aus mehreren Öffnungen parallel in ein großes Volumen austretende Strömung wird systematisch in der Industrie aufgrund der hinter den Öffnungen auftretenden Erhöhung der Reibungsoberflächen verwendet, da der Verlust aufgrund der plötzlichen Kontraktion und laminaren Strömung in dem Loch im allgemeinen kleiner als der Verlust von verbleibender Geschwindigkeit ist.
Die Entspannung wird blockiert, sobald die Strömungsfäden sich treffen, und der Vorgang gleicht dann dem einer Strömung, die aus einem einzigen Loch kommt und die sich entspannt bis auf einen Druck, für den die Strömungsfäden sich vereinen, was die Reibungsoberfläche plötzlich reduziert. Außerdem ergeben sich in diesem Fall plötzliche Erhöhungen der Länge des Strahls.
Bisher bekannte Techniken ergaben keine zufriedenstellende Mischung zwischen den Strahlen und dem umgebenden Fluid und keine Stabilität der Strömungsfäden.
Die Rückströmungen entlang der Wände können also dann nicht die Überschallströme mit Mischfluid versorgen, die sich nur durch während des Aufbaus der Strömungsfäden mehr oder weniger stabile schräge oder gerade Stoßwellensysteme abbauen.
Es ist illusorisch, Strahlen mit entsprechenden Geschwindigkeiten mischen zu wollen.
Schließlich führen die instabilen Strömungen zu starken Vibrationen, die die Strukturen, insbesondere die Entspanner, in Mitleidenschaft ziehen.
Die Druckschrift FR-A-2 128 861 beschreibt ein Antiturbulenzfilter für ein vorzugsweise nicht komprimierbares Fluid, bestehend aus einer Platte die von einer Hauptseite zur anderen mittels einer Vielzahl von Kanälen perforiert ist, die die Verbindung zwischen zwei getrennten Räumen unterschiedlichen Drucks herstellen. Diese Räume sind zu beiden Seiten der Platte angeordnet, und die Platte besitzt verteilte Kanäle mit unterschiedlichen Strömungsbedingungen, derart, daß ein Kanal mit verhältnismäßig geringem Durchsatz neben mindestens einem Kanal mit relativ großem Durchsatz liegt, wobei dieses Filter dazu bestimmt ist, die Strömung so laminar wie nur möglich zu gestalten. Ein solches Filter ist nicht für die Stabilisierung der Strömungen eines komprimierbaren Fluids geeignet.
Ziel der Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile der bekannten Entspanner zu beheben, um Fluidströmungen zu kontrollieren. Hierzu schlägt die Erfindung im Rahmen eines Entspanners mit Löchern der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art vor, daß die Kanäle mit verhältnismäßig geringem Durchsatz von zumindest teilweise divergenten Überschalldüsen gebildet werden, wobei die Düsen dieser Kanäle mit verhältnismäßig geringem Durchsatz so definiert sind, daß in ihrem divergenten Bereich eine Rekompressions-Stoßwelle entsteht, die die Strömung unter die Schallgrenze absenkt.
In der Praxis ist es oft vorteilhaft, daß der divergente Bereich der Düse einen spitzbogenförmigen Querschnitt besitzt. Der sich plötzlich erweiternde Bereich kann kegelstumpfförmig sein und von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Kegelstümpfen gebildet werden, wobei der Winkel an der Spitze des stromabwärts gelegenen Kegelstumpfs geringer als der Winkel an der Spitze des ihm stromaufwärts benachbarten Kegelstumpfs ist.
Gemäß einer Variante kann man Kanäle, die dem großen und dem kleinen Durchsatz zugeordnet sind, mit einem zylindrischen Eingangsloch realisieren, das einem zentralen zylindrischen Kanal großen Durchsatzes und gleichen Durchmessers und mindestens einem seitlichen Kanal geringen Durchsatzes gemeinsam ist, der von einer in die stromabwärtige Wand des zentralen Kanals eingeschnittene Längsrinne gebildet ist.
Jedes Loch kann mehrere parallele Rinnen aufweisen, die vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.
In einer praktischen Ausführungsform weist der Entspanner mindestens einen zylindrischen Kanal großen Durchsatzes mit einem Durchmesser d neben einem Kanal mit geringem Durchsatz auf, dessen zylindrischer Eingang einen kleineren Durchmesser d&sub1; als d besitzt und der gemäß einem Winkel R zwischen 10 und 45º sich bis auf einen Durchmesser d&sub2; erweitert, der zwischen 4d&sub1; und 15d&sub1; liegt, in Form eines Spitzbogens mit einem Längsradius R gleich (d&sub2;-d&sub1;)/[2(1 - cosR], wobei die Kanäle mit großem und geringem Durchsatz die gleiche Länge l besitzen, die mindestens d&sub1; + R·sinR entspricht und damit der Mindestdicke der Platte.
Je nach den Anwendungen können die Kanäle mit großem und mit kleinem Durchsatz gleichmäßig abwechselnd über die Oberfläche der Platte verteilt sein, oder die Peripherie der Platte kann nur Kanäle mit geringem Durchsatz aufweisen, die mehrere einander benachbarte Kanäle mit großem Durchsatz umschließen.
Die Achsen der Kanäle verlaufen vorzugsweise senkrecht zur stromaufwärtigen Oberfläche der Platte, die eben oder gekrümmt sein kann und ein Sieb bilden kann.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer nicht beschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die Strömung des Fluids durch einen Entspanner mit Löchern gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Variante zu Fig. 1.
Fig. 3 zeigt schematisch im Axialschnitt eine Verteilung der Kanäle im erfindungsgemäßen Entspanner.
Fig. 4 zeigt in analoger Darstellung wie Fig. 3 eine Variante.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Platte des Entspanners gemäß Fig. 4 von der stromaufwärtigen Seite her.
Fig. 6 zeigt schematisch im Axialschnitt eine Variante des Kanals mit geringem Durchsatz in dem erfindungsgemäßen Entspanner.
Fig. 7 zeigt im Axialschnitt durch eine Platte ein komplexes Loch mit kombinierten Kanälen für großen und kleinen Durchsatz, wobei der Schnitt entlang der Linie a-b in Fig. 8 erfolgt.
Fig. 8 zeigt schematisch das Loch aus Fig. 7 der Platte von der stromabwärtigen Seite gesehen.
Die in den verschiedenen Figuren einander entsprechenden Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Entspanner mit Löchern für ein komprimierbares Gas, die in den Fig. 1 bis 8 dargestellt sind, bestehen je aus einer Platte 101, die von einer Hauptseite 102 zur anderen 103 von Kanälen mit relativ geringem Durchsatz 105 und Kanälen mit relativ großem Durchsatz 104 durchzogen sind.
Diese Kanäle stellen die Verbindung und Entspannung ohne Wiedergewinnung der kinetischen Energie zwischen zwei Räumen 106 und 107 unterschiedlichen Drucks her, die getrennt sind und sich auf der Seite der Hauptfläche 102 bzw. 103 der Platte 101 erstrecken.
In der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 6 bestehen die Kanäle mit großem Durchsatz 104 aus einfachen zylindrischen Löchern, während die Kanäle mit geringem Durchsatz 105 auf der Eingangsseite ein zylindrisches Loch 108 geringeren Durchmessers als die Löcher der Kanäle mit großem Durchsatz 104 besitzen, das stromabwärts durch eine plötzliche Erweiterung 109 verlängert ist.
In Fig. 1 ist der Verlauf des Überschallstrahls des Kanals 104 schematisch dargestellt, der von einem Raum hohen Drucks 106 in einen Raum 107 geringen Drucks übergeht. Der Überschallstrahl wird zu beiden Seiten von je einem von den Kanälen 105 kommenden Strahl im Unterschallbereich umgeben. In der Erweiterung 109 ist eine Stoßwelle 110 angedeutet. Der Druck im Raum 107 ist konstant in Höhe der Linie C.
Die Strömungen haben eine Machzahl kleiner 1 in dem Raum 106 und im wesentlichen gleich 1 am Ende der zylindrischen Kanäle 104, 108. Die Strömungen haben Überschallgeschwindigkeit im erweiterten stromabwärtigen Bereich des aus dem Kanal 104 mit großem Durchsatz kommenden Strahls sowie in dem vor den Stoßwellen 110 liegenden Bereich der Kanäle 105 mit geringem Durchsatz, während die Machzahl hinter den Erweiterungen 109 der Kanäle 105 mit geringem Durchsatz kleiner als 1 wird.
Die Druckgradienten können örtliche Ablösungen in der Nähe der Wände hervorrufen, wie dies bei D in Fig. 1 angedeutet ist.
Diese Ablösungen beeinträchtigen die allgemeine Stabilität der Strömung nicht.
Man findet ähnliche Erscheinungen jedesmal, wenn eine Überschallströmung einer Unterschallströmung benachbart ist, wie dies bei den Lochplatten gemäß den Fig. 3 bis 5 der Fall ist.
In Fig. 3 wechseln die Kanäle 104 mit großem Durchsatz mit denen geringen Durchsatzes 105 ab und in den Platten gemäß den Fig. 4 und 5 liegen die Kanäle 105 mit geringem Durchsatz im Bereich des Umfangs der Platte in der Nähe der Wände, während die Kanäle 104 mit großem Durchsatz im zentralen Bereich der Platte 101 zusammengefaßt sind.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 entspricht der gemäß Fig. 1, aber der sich erweiternde Bereich 109 des Auslaßkanals mit geringem Durchlaß hat eine Spitzbogenform 111.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel besitzt der Kanal 104 mit großem Durchsatz einen Durchmesser D von 8 mm, während das Eingangsloch d&sub1; der Kanäle 105 mit geringem Durchsatz einen Durchmesser von 2 mm hat. Der Spitzbogen 111 beginnt mit einem Winkel R von 31,5º am Ausgang des Lochs 108, um in einen Durchmesser D2 = 17,6 mm zu münden, wobei der Radius R des Spitzbogens folgenden Wert annimmt:
R = (d&sub2;-d&sub1;)/[2(1 - cosR)] = 53 mm.
Die Lochplatte 101 hat eine Mindestdicke e gleich d&sub1; + R·sinR = 29,7 mm. Aus Vereinfachungsgründen wird e = 50 mm gewählt.
In der vereinfachten Ausführungsform gemäß Fig. 6 bilden zwei Kegelstümpfe 112, 113 mit einem Winkel R und R1, wobei R1 kleiner R ist, eine Düse. Die verschiedenen Löcher können durch Elektroerosion oder beim Gießen hergestellt werden, um divergente Kanäle mit verringerter Entspannung zu bilden.
Die Konturen können genauer mit Hilfe der klassischen Kennzeichenmethode bestimmt werden,.
Für manche Anwendungen kann es ausreichen, die Erweiterungen einfach kegelstumpfförmig und nicht doppelkegelstumpfförmig wie in Fig. 6 auszubilden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausführungsform der Kanäle mit großem und geringem Durchsatz, bei der die beiden Kanäle 104 und 105 einen gemeinsamen Einlaß in Form eines zylindrischen Lochs besitzen, das die Platte 101 ganz durchquert und den Kanal 104 mit großem Durchsatz bildet.
Vier Kanäle mit geringem Durchsatz 105 ergeben sich in Form von Längsrinnen 115, die in den stromabwärtigen Bereich der Wand des zentralen Kanals 114 eingeschnitten sind.
Eine besondere Anwendung solcher Lochplatten gemäß der Erfindung liegt in den Druckentspannern von Wärme- und Kernkraftwerken, deren Platten von etwa 1,2 m Durchmesser mindestens 700 Löcher aufweisen.
In den erfindungsgemäßen Entspannern gibt das schnellere Fluid durch Viskositätseffekt einen Teil seiner Bewegungsenergie an das langsamere Fluid ab, wodurch sich eine erhebliche Verdickung der Mischzone ergibt.
Daraus resultiert eine Verbesserung der Wirksamkeit der Entspannungsvorrichtung.
Die Öffnungen der Kanäle mit großem und mit geringem Durchsatz sind alle gesättigt. So kann keine Störung von der stromabwärtigen Seite nach stromaufwärts gelangen. Es gibt also keinen Effekt der Erhöhung des Massendurchsatzes (durch viskosen Antrieb) von einem Strahl zu seinem Nachbarn, was die Mischung erheblich verbessert.
Wenn Kanäle mit geringem Durchsatz in der Nähe der Wände liegen, dann kann sich keine massive Ablösung ergeben, sondern es können nur örtliche isolierte Ablösungen existieren. Die Strukturen werden also nur schwach von der Strömung in Vibrationen versetzt. Die Stabilität der gesamten Strömung ist gewährleistet.
Die Erfindung kann vorhandene Anlagen verbessern, die Platten besitzen, welche auf klassische Weise zahlreiche zylindrische Löcher gleichen Durchmessers besitzen. Es genügt dann, einen Teil der Löcher trichterförmig nachzuarbeiten, so daß die Mischung zwischen zwei Überschallströmungen unterschiedlicher Geschwindigkeit erfolgen kann.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Sie kann vielmehr in zahlreichen dem Fachmann zugänglichen Varianten realisiert werden gemäß der in Betracht gezogenen Anwendung und ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
So wurde die Erfindung insbesondere in Anwendung auf Entspanner mit Löchern beschrieben, kann aber auch in Anwendung auf das Ende des Labyrinths der Kompressorlager und bei Vorrichtungen zur Abfuhr eines komprimierbaren Fluids Anwendung finden.

Claims

1. Druckentspanner mit Löchern für komprimierbares Fluid, bestehend aus einer Platte (101), die von einer Hauptseite (102) zur anderen (103) von einer Vielzahl von Kanälen durchzogen ist, die die Verbindung mit Entspannung und ohne Wiedergewinnung der kinetischen Energie zwischen zwei Räumen (106, 107) unterschiedlichen Drucks gewährleistet, die getrennt sind und je auf einer der Hauptseiten (102, 103) der Platte (101) liegen, wobei die Platte verteilte Kanäle mit unterschiedlichen Strömungsbedingungen besitzt, derart, daß ein Kanal (105) mit verhältnismäßig geringem Durchsatz mindestens einem Kanal (104) mit relativ großem Durchsatz benachbart ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (105) mit verhältnismäßig geringem Durchsatz von zumindest teilweise divergenten Überschalldüsen gebildet werden, wobei die Düsen dieser Kanäle (105) mit verhältnismäßig geringem Durchsatz so definiert sind, daß in ihrem divergenten Bereich (109) eine Rekompressions-Stoßwelle (110) entsteht, die die Strömung unter die Schallgrenze absenkt.

2. Entspanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (104) mit verhältnismäßig großem Durchsatz zylindrisch sind und die Kanäle (105) mit verhältnismäßig geringem Durchsatz zum Teil zylindrisch sind mit einem Durchmesser der Kanäle (105) mit geringem Durchsatz, der mindestens zehnmal kleiner als der Durchmesser der Kanäle (104) mit großem Durchsatz ist.

3. Entspanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (104) mit großem Durchsatz von zylindrischen Löchern gebildet werden, während die Kanäle (105) mit geringem Durchsatz je ein zylindrisches Eingangsloch (108) aufweisen, das sich stromabwärts in einem divergenten Bereich (109) fortsetzt.

4. Entspanner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der divergente Bereich (109) der Düse einen spitzbogenförmigen Querschnitt (111) besitzt.

5. Entspanner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der divergente Bereich (109) kegelstumpfförmig ist.

6. Entspanner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der divergente Bereich (109) von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Kegelstumpfformen (112, 113) gebildet wird, wobei der Spitzenwinkel des stromabwärts liegenden Kegelstumpfs (113) kleiner als der Spitzenwinkel des diesem stromaufwärts vorausgehenden Kegelstumpfs (112) ist.

7. Entspanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (101) mindestens ein zylindrisches Eingangsloch (114) aufweist, das einem zylindrischen zentralen Kanal (104) mit großem Durchsatz dieses Durchmessers und mindestens einem seitlichen Kanal (105) mit geringem Durchsatz gemeinsam ist, der von einer Längsrinne (115) gebildet wird, die in die stromabwärtige Wand des zentralen Kanals (114) eingeschnitten ist.

8. Entspanner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Loch mehrere parallele Rinnen (115) aufweist, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.

9. Entspanner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens einen zylindrischen Kanal (104) großen Durchsatzes mit einem Durchmesser d neben einem Kanal (105) mit geringem Durchsatz aufweist, dessen zylindrischer Eingang (108) einen kleineren Durchmesser d&sub1; als d besitzt und der gemäß einem Winkel R zwischen 10 und 45º sich bis auf einen Durchmesser d&sub2; erweitert, der zwischen 4d&sub1; und 15d&sub1; liegt, in Form eines Spitzbogens (111) mit einem Längsradius R gleich (d&sub2;-d&sub1;)/[2(1 - cosR)], wobei die Kanäle (104, 105) mit großem und geringem Durchsatz die gleiche Länge l besitzen, die mindestens d&sub1; + R·sinR entspricht und damit der Mindestdicke der Platte (101).

10. Entspanner- nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (104, 105) mit großem und geringem Durchsatz gleichmäßig abwechselnd über die Fläche der Platte (101) verteilt sind.

11. Entspanner nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 9, 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Rand der Platte (101) nur Kanäle (105) mit geringem Durchsatz vorhanden sind.

12. Entspanner nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (101) mehrere einander benachbarte Kanäle (104) mit großem Durchsatz aufweist, die zumindest teilweise von einem Gürtel von Kanälen (105) mit geringem Durchmesser umgeben sind.

13. Entspanner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kanäle (104, 105) senkrecht zur stromaufwärts gelegenen Seite (102) der Platte (101) verlaufen.

14. Entspanner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (101) eben ist.

15. Entspanner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (101) gekrümmt ist (116).