DE69213648T2

DE69213648T2 - Stromverbesserer

Info

Publication number: DE69213648T2
Application number: DE69213648T
Authority: DE
Inventors: Patrice Ligneul
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Schlumberger SA
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1992-10-06
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2012-10-07
Also published as: ES2094279T3; ATE142748T1; EP0538929A1; FR2683003B1; DK0538929T3; DE69213648D1; JPH05202912A; EP0538929B1; US5309946A; CA2079621A1; FR2683003A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die Strömungsgleichrichter genannt wird und dafür vorgesehen ist, an einer von einem Fluid durchströmten Leitung angebracht zu werden, um eine Strömung zu erhalten, die keine Wirbel aufweist, die eventuelle Durchflußmessungen oder andere Messungen stören können.
Es gibt nämlich zwei Arten von Fehlern, die eine Strömung haben kann und die beim Ausführen von Messungen, insbesondere Durchflußmessungen, störend sind.
Ein erster Fehler liegt in der Asymmetrie der Verteilung der Geschwindigkeiten des Fluids in einer zur Strömungsrichtung senkrechten Ebene. Eine solche Asymmetrie wird beispielsweise durch eine Krümmung der Leitung oder das Verschlußelement eines halbgeschlossenen Ventils hervorgerufen, beispielsweise eines Schieberventils.
Ein weiterer Fehler liegt in dem Vorhandensein von zur Leitung koaxialen Wirbeln, die sowohl spontan im Verlauf des Strömens des Fluides als auch nach dem Durchqueren eines halbgeschlossenen Ventils, wie oben dargestellt, entstehen können.
Eine Fehlerart liegt jedoch niemals alleine vor, sondern die beiden Fehler liegen immer zusammen in den Turbulenzen vor, die das Fluid in Bewegung setzen.
Es sind mehrere Vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen, das Geschwindigkeitsprofil einer Fluidströmung in der Leitung gleichmäßiger zu machen.
Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, in der Leitung eine zylindrische Kammer anzuordnen, die Längsrippen aufweist, die gleichmäßig auf der Innenfläche der Kammer angeordnet sind. Diese Rippen weisen eine in der Strömungsrichtung anwachsende radiale Erstreckung auf. Diese Art von Vorrichtung weist den Hauptnachteil auf, daß sie eine große Längserstreckung in der Größe des Vier- bis Fünffachen des Durchmessers der Eingangsleitung hat. Diese Längserstreckung ist notwendig, um eine sehr gleichmäßige Strömung zu erhalten. Es ist jedoch zu sehen, daß diese Erstreckung die notwendigen Abmessungen der Meßbaugruppe in nachteiliger Weise erhöht.
Es ist eine weitere, sogenannte Bienenwaben-Vorrichtung bekannt, die eine große Anzahl von Rohren aufweist, die in einer an der Leitung angebrachten zylindrischen Kammer in Längsrichtung angeordnet sind.
Abgesehen von der Tatsache, daß die Herstellung und Montage eines solchen Aufbaus teuer sind, weist eine Bienenwaben- Vorrichtung in gleicher Weise wie die vorhergehende Vorrichtung eine große Längserstreckung auf.
Es ist auch eine Vorrichtung bekannt, die Stern-Gleichrichter genannt wird und eine zylindrische Kammer aufweist, die an der Leitung angebracht ist und in der gleichmäßig Wände so angebracht sind, daß sie im Schnitt vier oder mehr Durchmesser bilden. Diese Vorrichtung arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Bienenwaben-Vorrichtung und weist die gleichen Nachteile auf.
Diese verschiedenen Vorrichtungen wurden in dem Werk von R.W. Miller, "Flow measurement engineering handbook", Mc Graw Hill, New York, 1989, überprüft.
Der Artikel von K. Akaski und anderen, "Development of a new flow rectifier for shortening upstream straight pipe length of flowmeters", IMEKO Tokyo, SIC, 12b-5, Seiten 279 bis 284 (1979), beschreibt eine Vorrichtung mit sehr viel kleineren Abmessungen. Es handelt sich um eine einfache Platte, in der Öffnungen mit einem konstanten Durchmesser gebildet sind, die in einer bestimmten räumlichen Verteilung angeordnet sind. Diese Vorrichtung ist zwar kompakt, weist aber den Nachteil auf, daß sie einen hohen Druckverlustkoeffizienten in der Größenordnung von 2 aufweist. Der unvermeidbare Druckabfall beim Durchgang der Strömung durch die Platte führt zu einem großen Energieverlust.
Der Artikel von C.R. SMITH und anderen, "Using passive vortex generation devices", 5th International IMEKO Conference on Flow Measurement - Düsseldorf 1989, beschreibt eine Vorrichtung, die zwei Reihen von Flügeln aufweist, die dafür vorgesehen sind, eine gleichmäßigere Strömung zu erzielen.
Auf der Innenseite der Leitung parallel zu deren Achse sind vier Flügel angebracht. Ihre Aufgabe besteht darin, die Drehung der Gruppe in vier Randwirbel umzusetzen. Es wird keine Vorrichtung mit Flügeln nahegelegt, die Wirbel erzeugt, die sich gegenüber den vorhergehenden in der entgegengesetzten Richtung drehen (wodurch die Möglichkeit für Sekundär-Randwirbel besteht, sich erneut zusammenzusetzen, um eine Strömung mit einer Drehung in der entgegengesetzten Richtung auszubilden). Die Längserstreckung dieser Flügel soll das Zweifache des Durchmessers der Leitung betragen.
Nach dieser ersten Reihe von Flügeln sind an der Innenseite der Leitung senkrecht zur Achse der Leitung vier Flügel angebracht, die mit einem Meridian der Leitung einen Winkel von 30º einschließen. Jeder Flügel bedeckt einen Teil von etwa 1/8 des Umfangs der Leitung, und die Längserstreckung seiner Projektion auf die Achse der Leitung beträgt etwa 1/6 des Durchmessers.
Am Ansatz jedes Flügels wird unabhängig von der Gesamtdrehung der Strömung ein "Haarnadel"-Wirbel mit Längsachse erzeugt, der zu einem starken turbulenten Umwälzen führt, wodurch die axiale Geschwindigkeitsverteilung gleichmäßiger gemacht werden soll.
Um die Strömung gleichzurichten, erzeugt diese Vorrichtung ein turbulentes Gemisch, das eine Energie dissipiert, die der axialen Komponente der Fluidgeschwindigkeit entnommen wird, was zu einem nicht vernachlässigbaren dynamischen Druckverlust führt.
Diese Vorrichtung weist eine Längserstreckung von etwa dem Vierfachen des Durchmessers der Leitung auf, was erheblich ist.
Aus dem Dokument FR-A-2 306 356 ist ein Strömungsgleichrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, der dafür vorgesehen ist, an einer Leitung mit kreisförmigem Querschnitt angebracht zu werden, die von einem hochviskosen Fluid durchströmt wird, und der beispielsweise zwei Platten aufweist, die quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind, relativ zueinander verschoben sind und jeweils durch ringförmige Streifen mit steigenden Durchmessern gebildet sind, die in gleichmäßigen Abständen an einem Gitter angeordnet sind.
An der ersten Platte sind die Streifen mit Wandelementen versehen, die senkrecht zur Strömungsrichtung in den Intervallen hervorstehen, die zwischen den verschiedenen ringförmigen Streifen enthalten sind, und die nach innen gerichtet sind.
Auch an der zweiten Platte sind die ringförmigen Streifen in analoger Weise mit Wandelementen versehen, die diesmal nach innen gerichtet sind.
Ein solcher Gleichrichter ermöglicht, die Strömung gleichmäßiger zu machen, indem lokal zufällige Störungen erzeugt werden; er ermöglicht jedoch nicht, Wirbelstrukturen mit Längsachse zu zerstören, die in der Strömung über eine sehr kurze Distanz in Längsrichtung vorhanden sind.
Die Erfindung hat folglich einen Strömungsgleichrichter zur Aufgabe, der dafür vorgesehen ist, das Profil der Geschwindigkeiten einer Fluidströmung in einer Leitung gleichmäßiger zu machen, wobei dies über eine im Vergleich zum Durchmesser dieser Leitung sehr kurzen Distanz geschehen soll, wodurch die Abmessungen einer Meßbaugruppe vermindert werden können.
Außerdem ermöglicht die Erfindung, das Profil der Geschwindigkeiten gleichmäßiger zu machen, ohne einen hohen Druckverlustkoeffizienten hervorzurufen.
Die Erfindung bezieht sich genau gesagt auf einen Strömungsgleichrichter, der dafür vorgesehen ist, an einer von einem Fluid durchströmten Leitung mit kreisförmigem Querschnitt angebracht zu werden, und der in einem Ring erste Mittel aufweist, um eine erste Reihe von Querwirbeln zu erzeugen, die alle eine erste Drehrichtung haben, und zweite Mittel, um eine zweite Reihe von Querwirbeln zu erzeugen, die alle eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung haben und mit den von den ersten Mitteln erzeugten Wirbeln paarweise zusammengeführt werden, wie im Patentanspruch 1 angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit, einen in der Strömung vorliegenden Hauptwirbel in mehrere Wirbel mit verminderten Abmessungen umzusetzen.
Die benachbarten, sich in zueinander entgegengesetzter Richtung entwickelnden Wirbel haben die Neigung, sich zu vernichten, was die Wirksamkeit erhöht und die Distanz vermindert, ab der die Strömung gleichmäßig ist.
Gemäß der Erfindung sind die Wirbel der ersten und der zweiten Reihe im wesentlichen in einem Umfangskranz des Ringes verteilt.
Die Rotationsgeschwindigkeit der mit Wirbeln versehenen Flüssigkeit wächst von der Mitte zum Innenrand der Leitung an. Durch Erzeugen der Sekundärwirbel in einem Umfangskranz wird die maximale Wirksamkeit erzielt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die ersten Mittel zum Erzeugen einer ersten Reihe von Wirbeln eine erste Reihe von Flügeln auf, die radial ausgerichtet und gleichmäßig auf der Innenfläche des Rings verteilt sind.
Vorteilhafterweise weisen die zweiten Mittel zum Erzeugen einer zweiten Reihe von Wirbeln eine zweite Reihe von Flügeln auf, die radial ausgerichtet und entlang einem auf die Mitte des Rings zentrierten Umfang ausgerichtet sind.
Vorteilhafterweise läßt die zweite Reihe von Flügeln einen kreisförmigen axialen Durchgang frei.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten Mittel zum Erzeugen einer ersten Reihe von Wirbeln eine erste Reihe von Flügeln auf, die radial ausgerichtet und gleichmäßig auf der Innenfläche des Rings verteilt sind, und die zweiten Mittel zum Erzeugen einer zweiten Reihe von Wirbeln enthalten einen kreisförmigen Träger, der auf die Mitte des Rings zentriert ist, wobei der kreisförmige Träger einen axialen Durchgang abgrenzt, sowie eine zweite Reihe von Flügeln, die radial ausgerichtet und gleichmäßig auf dem kreisförmigen Träger verteilt sind und zur Innenfläche des Rings zeigen, wobei die Flügel der zweiten Reihe bezüglich der Flügel der ersten Reihe im Winkel versetzt sind.
Bei dieser Ausführungsform sind vorzugsweise die erste Reihe von Flügeln in einem Umfangskranz enthalten, und die Enden der Flügel der zweiten Reihe dringen in diesen Umfangskranz ein.
Gemäß einer Variante dieser Ausführungsform enthält der Gleichrichter Innenflügel, die an dem kreisförmigen Träger befestigt sind und sich in den axialen Durchgang erstrecken.
Vorzugsweise sind die Innenflügel Fortsätze der Flügel der zweiten Reihe.
Die Erfindung wird besser durch das Lesen der nachfolgenden, beispielhaft und nicht einschränkend gegebenen Beschreibung verstanden, die sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht. In dieser zeigen:
- Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung; und
- Fig. 2 schematisch diese Ausführungsform in einer Seitenansicht.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 wird nun eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Gleichrichter 1 weist einen Ring 10 auf, der geeignet ist, in der Leitung angebracht zu werden, durch die die Strömung fließt, die gleichmäßiger gemacht werden soll.
Auf der Innenseite des Rings 10 ist eine erste Reihe von Flügeln 12 gleichmäßig radial angeordnet. Mit D korrespondiert der Durchmesser der (nicht dargestellten) Leitung und bei dieser Ausführungsform der Innendurchmesser des Rings 10, wobei die Flügel bei diesem Beispiel eine Länge von 0,15 D und eine Längserstreckung von 0,2 D aufweisen.
An einem auf die Mitte des Rings 10 zentrierten kreisförmigen Träger 16 ist eine zweite Reihe von Flügeln 14a gleichmäßig und radial angeordnet.
Die Flügel 14a zeigen zur Innenfläche des Rings 10. Sie sind gegenüber den Flügeln 12 der ersten Reihe im Winkel versetzt; in Figur 1 ist jeder Flügel 14a der zweiten Reihe in der Mitte zwischen zwei benachbarten Flügeln 12 angeordnet.
Das Ende jedes Flügels 14a der zweiten Reihe dringt in den Kranz ein, der von den Enden der Flügel 12 der ersten Reihe abgegrenzt ist.
Der kreisförmige Träger 16 grenzt einen axialen Durchgang 18 ab, dessen Durchmesser beispielsweise gleich 0,6 D ist. In diesem Durchgang 18 zeigen die Innenflügel 14b, die Fortsätze der Flügel 14a der zweiten Reihe sind, zur Mitte des Rings 10.
Die Flügel 14a der ersten Reihe weisen beispielsweise eine Länge von 0,075 D und eine Längserstreckung von 0,2 D auf. Die Innenflügel 14b weisen bei dieser Ausgestaltung eine Länge und eine Längserstreckung auf, die identisch mit den vorhergehenden sind.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist der kreisförmige Träger 16 an der Innenfläche des Rings durch vier Befestigungen 20 befestigt. Bei diesem Beispiel sind die Befestigungen 20 gleichmäßig auf dem Umfang des Ringes verteilt, und sie nehmen den Platz eines Flügels 14a ein.
Der Ring 10, der Träger 16, die Befestigungen 20 und die Flügel 12, 14a, 14b bestehen aus gegossenem Kunststoff oder einem beliebigen anderen Material, das den durch die Strömung hervorgerufenen Belastungen widerstehen kann.
Wenn die Fluidströmung eine Bewegung mit einem Hauptwirbel aufweist, bildet sich auf Höhe des Endes jedes Flügels 12 der ersten Reihe ein Randwirbel mit einer Drehrichtung, die entgegengesetzt zu derjenigen des auftreffenden Wirbels ist.
Auf der Höhe des Endes jedes Flügels 14a der zweiten Reihe bildet sich ein Randwirbel mit einer Drehrichtung, die entgegengesetzt zur Drehrichtung der Wirbel ist, die von der ersten Reihe von Flügeln gebildet werden.
Diese Wirbel werden in einem Umfangskranz erzeugt, der im wesentlichen durch den kreisförmigen Träger 16 abgegrenzt ist, also in der Zone, in der die Drehgeschwindigkeit des Fluides aufgrund des Hauptwirbels am größten ist. Auf diese Weise wird durch die Umsetzung des Hauptwirbels in mehrere Randwirbel mit kleinen Abmessungen eine maximale Wirkung erhalten, um das Fluid gleichmäßig zu machen; da jeder Wirbel aufgrund eines Flügels 14a der zweiten Reihe paarweise mit einem Wirbel aufgrund eines Flügels 12 der ersten Reihe zusammengeführt wird, ist die resultierende Gesamtwirkung, daß das Fluid nach einer Distanz von etwa 1,5 D gleichmäßig ist.
Die Anzahl der Flügel ist so gewählt, daß sie zum Erhalten des gewünschten Effektes ausreichend ist; bei der in Figur 1 dargestellten Ausführung werden zwölf Flügel der ersten Reihe bei acht Flügeln 14a der zweiten Reihe gezählt, wobei vier dieser Flügel durch die Befestigungen 20 ersetzt sind.
Aufgrund dieser doppelten Reihe von Flügeln wird ein symmetrisches Querprofil für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides erhalten, das jedoch in seinem Mittelabschnitt einen Vorsprung aufweist, der dem Durchqueren des axialen Durchgangs entspricht. Dieser Vorsprung in dem Geschwindigkeitsprofil beseitigt sich von selbst nach einer Distanz von 2 bis 3 D. Die in dem axialen Durchgang 18 angeordneten Innenflügel 14b ermöglichen, diesen Abstand durch die Erzeugung von Randwirbeln zu vermindern.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführung wird eine im wesentlichen ebene Querverteilung der Geschwindigkeit nach einer Distanz von etwa 1,5 D nach dem Durchgang durch den Gleichrichter erhalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit extrem geringer Längserstreckung von etwa 0,2 D und einem niedrigen Druckverlustkoeffizient in der Größenordnung von 0,1 ermöglicht, eine Fluidströmung nach einer nach dem Gleichrichter zurückgelegten kurzen Distanz von etwa 1,5 D gleichmäßig zu machen.

Claims

1. Strömungsgleichrichter (1), der dafür vorgesehen ist, an einer von einem Fluid durchströmten Leitung mit kreisförmigem Querschnitt angebracht zu werden, mit:

- ersten Mitteln (12) zum Erzeugen einer ersten Reihe von Querwirbeln, die alle eine erste Drehrichtung haben,

- zweiten Mitteln (14a) zum Erzeugen einer zweiten Reihe von Querwirbeln, die alle eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung haben,

dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Mittel in einem Ring (10) enthalten sind, der eine Innenseite aufweist, die dem Durchmesser der Leitung entspricht, und sich beide in einer Richtung erstrecken, die der Längserstreckungsrichtung des Ringes entspricht, wobei die Wirbel der ersten und der zweiten Reihe paarweise zusammengeführt werden, so daß sie sich gegenseitig vernichten.

2. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel der ersten und der zweiten Reihe im wesentlichen in einem Umfangskranz des Ringes verteilt sind.

3. Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel zum Erzeugen einer ersten Reihe von Wirbeln eine erste Reihe von Flügeln (12) aufweisen, die radial ausgerichtet und gleichmäßig auf der Innenfläche des Ringes (10) verteilt sind.

4. Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel zum Erzeugen einer zweiten Reihe von Wirbeln eine zweite Reihe von Flügeln (14a) aufweisen, die radial ausgerichtet und entlang einem auf die Mitte des Ringes (10) zentrierten Umfang ausgerichtet sind und zur Innenfläche des Ringes zeigen.

5. Gleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Reihe von Flügeln (14a) einen kreisförmigen axialen Durchgang (18) freiläßt.

6. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- die ersten Mittel zum Erzeugen einer ersten Reihe von Wirbeln eine erste Reihe von Flügeln (12) aufweisen, die radial ausgerichtet und gleichmäßig auf der Innenfläche des Ringes (10) verteilt sind,

- die zweiten Mittel zum Erzeugen einer zweiten Reihe von Wirbeln enthalten: einen kreisförmigen Träger (16), der auf die Mitte des Ringes (10) zentriert ist, wobei der kreisförmige Träger (16) einen axialen Durchgang (18) abgrenzt, sowie eine zweite Reihe von Flügeln (14a), die radial ausgerichtet und gleichmäßig auf dem kreisförmigen Träger (16) verteilt sind und zur Innenfläche des Ringes (10) zeigen, wobei die Flügel (14a) der zweiten Reihe bezüglich der Flügel (12) der ersten Reihe im Winkel versetzt sind.

7. Gleichrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reihe von Flügeln (12) in einem Umfangskranz enthalten ist und daß die Enden der Flügel (14a) der zweiten Reihe in diesen Umfangskranz eindringen.

8. Gleichrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er Innenflügel (14b) enthält, die an dem kreisförmigen Träger (16) befestigt sind und sich in den axialen Durchgang (18) erstrecken.

9. Gleichrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflügel (14b) Fortsätze der Flügel (14a) der zweiten Reihe sind.