NL1017045C2 - Inrichting en werkwijze voor het aanbrengen van een gaslaag op een oppervlak. - Google Patents

Description

r τ

Korte aanduiding: Inrichting en werkwijze voor het aanbrengen van een gaslaag op een oppervlak.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor 5 het aanbrengen van een gaslaag langs een oppervlak omvattende een doorgang voor een gasstroom van een instroomzijde naar een tegenovergelegen uitstroomzijde bij het oppervlak, welke gasstroom na het verlaten van de doorgang aan de uitstroomzijde ten gevolge van het Coanda-effect afbuigt naar het oppervlak.

10 Het Coanda-effect laat zich kortweg beschrijven door het verschijnsel dat een fluïdum, zoals lucht of water, de neiging heeft om een gekromd oppervlak te volgen en daartoe af te buigen van een rechte baan.

Een voorbeeld waarbij het Coanda-effect wordt benut 15 wordt beschreven in het Amerikaanse octrooi schrift US 5,658,141. Hierin wordt een inrichting beschreven voor het spreiden van een vlam. Deze inrichting omvat een ronde buis die uitmondt in een opening van een plaat. De randen van de opening zijn als een gekromd oppervlak uitgevoerd. Zowel een verbrandingsgas dat door de doorgang wordt gevoerd als een 20 verbrandingsondersteuningsgas welke evenwijdig aan het verbrandingsgas door een ringvormige ruimte aanwezig tussen de buis en de omtreksrand van de opening wordt geblazen, worden buitenwaarts in de richting van het oppervlak afgebogen langs het gekromde oppervlak van de opening.

De Duitse octrooiaanvrage DE 34 10 078 beschrijft een 25 systeem waarbij verse lucht langs het plafond van een relatief hoge ruimte wordt geleid, waarbij de lucht langs een afgerond verloop tussen een op het plafond opgestelde koker en een flens over 90° wordt afgebogen.

Dergelijke toepassingen van het Coanda-effect worden beperkt doordat, bij een te sterke kromming van het betreffend oppervlak, 30 de fluïdumstroom zal losbreken en dientengevolge het oppervlak niet zal volgen. Bovendien zal de fluïdumstroom minder de neiging hebben een gekromd oppervlak te volgen naarmate de snelheid van de fluïdumstroom groter is. Om nu toch de gewenste afbuiging te verkrijgen zal een kromming met een grotere kromtestraal moeten worden toegepast. Hiervoor ontbreekt echter 35 veelal de ruimte.

1017045- , f 2

De uitvinding beoogt nu voor bovengenoemde bezwaren een oplossing te bieden waardoor de toepassingsmogelijkheden voor het benutten van het Coanda-effect aanzienlijk worden uitgebreid, met name voor wat betreft situaties die men in zijn algemeenheid als extremer zal 5 beschouwen, bijvoorbeeld doordat een hoge snelheid van de gasstroom is vereist of omdat voor de kromming slechts een beperkte hoeveelheid ruimte beschikbaar is. Dergelijke situaties doen zich bijvoorbeeld voor bij onderdelen van gasturbines die gekoeld en/of van een beschermende 1 uchtfilm voorzien moeten worden of bij ventilatiesystemen voor luchtverversing. 10 In verband met het bovenbeschreven oogmerk wordt de inrichting volgens de uitvinding gekenmerkt doordat stromingsmiddelen zijn voorzien voor het teweegbrengen van een spiraalvormige gasstroming in de doorgang. Door het toepassen van de spiraal vormige gasstroming kan men een gasstroming creëren met een hoge stromingssnelheid waarbij echter de axiale component beperkt 15 blijft. De verhouding tussen de tangentiële en de axiale component is met name......bepalend voor het al dan niet optreden.....van het Coanda-effect en zal slechts onder een zekere grenswaarde optreden. De gasstroming zal na het verlaten van de doorgang als het ware uitwaaieren langs en over het oppervl ak, desgewenst met een in vergel i jking tot de stand van de techniek, 20 grotere snelheid. Dit ondanks het feit dat de vereiste kromtestraal van de kromming relatief klein kan blijven.

Bij voorkeur omvatten de stromingsmiddelen ten minste één tangentieel gerichte instroomopening. Hierdoor kan op eenvoudige wijze de spiraalvormige gasstroming teweeg worden gebracht. Voor het verkrijgen 25 van de spiraalvorm dient de richting van de instroomopening ook een axiale component te hebben.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm omvatten de stromingsmiddelen een aantal zich radiaal uitstrekkende stationaire geleidingsschoepen waarmee eveneens op geschikte wijze een spiraal vormige 30 gasstroming in de doorgang kan worden bewerkstelligd.

Bij voorkeur heeft de doorgang aan de uitstroomzijde een toenemende binnendiameter. Hierdoor is het mogelijk om de axiale component van de spiraal vormige gasstroming, oftewel de spoed van de spiraal, verder te verkleinen. Naarmate deze spoed kleiner is kan een 35 scherpere afbuiging naar het oppervlak worden verkregen zonder dat het Coanda-effect verloren gaat.

10 1 70 4 5^ , ' 3

Bij voorkeur is ter plaatse van de uitmonding een afronding tussen doorgang en oppervlak aanwezig met een kromtestraal van maximaal 5 mm. Door het toepassen van een dergelijke kromtestraal worden de voordelen van de uitvinding optimaal benut doordat zo min mogelijk 5 ruimte wordt ingenomen door maatregelen om het Coanda-effect te verkrijgen. Overigens is het uiteraard ook zo dat een dergelijke afronding aangebracht kan zijn in de binnenwand van de doorgang.

Volgens een voordelige uitvoeringsvorm zijn de stromingsmiddelen binnen de doorgang opgesteld bij voorkeur aan de 10 instroomzijde ervan zodat bij toepassing van de uitvinding in branders de thermische belasting beperkt blijft. Daarnaast kan zo de lengte van de doorgang tussen de stromingsmiddelen en de uitmonding van de doorgang worden beperkt, waardoor de onvermijdelijke uitdemping van de spiraalvormige gasstroming slechts in beperkte mate zal optreden.

15 Daarnaast kan het eveneens voordelig zijn indien de stromingsmiddelen aan de instroomzijde voor de doorgang zijn opgesteld. Dit biedt de mogelijkheid om de stromingsmiddelen vanuit een radiale of tangentiële richting met een gasstroom te benaderen. Bovendien is buiten de doorgang veelal meer ruimte beschikbaar voor een optimale geometrie 20 van de stromingsmiddelen. Bij toepassing van de uitvinding in branders blijft wederom de thermische belasting op de stromingsmiddelen beperkt.

Volgens een zeer bijzondere voorkeursuitvoeringsvorm is in het oppervlak rondom de uitmonding van de doorgang een aantal brandermonden aangebracht. Dergelijke brandermonden kunnen bijvoorbeeld 25 hun toepassing hebben bij gasturbines en straalmotoren. In de verbrandings-kamers hiervan wordt brandstof gasvormig of in fijn verdeelde toestand in de verbrandingslucht gespoten teneinde een volledige verbranding te krijgen. De verbranding vindt plaats op het contactvlak tussen het brandstofrijke gebied en de omringende verbrandingslucht. Het stromings-30 patroon en de toevoer van verse lucht en brandstof is zo ingericht dat hete verbrandingsgassen van circa 1 600°C recirculeren naar het gebied van de brandermonden. Dit is nodig voor een stabiele ontsteking en verbranding, maar vormt daarentegen ook een aanzienl i jke belasting voor de brandermonden en de omgeving hiervan. Hierdoor komt het vaak voor dat ter plaatse 35 verbrandingsverschi jnselen optreden of dat er zich kool afzettingen vormen die tot grote schade leiden wanneer zij onherroepelijk afbreken en in de !*» O r T '1 -- ~ * -ij) ü t V/ Lï w 4 turbine terecht komen. Door nu, overeenkomstig de uitvinding, een gaslaag aan te brengen langs het oppervlak waarin de brandermonder zijn aangebracht, wordt een verkoelende en beschermende gasvormig oppervlakte-laag gevormd, die enerzijds voorkomt dat koolstof zich kan afzetten op 5 het oppervlak, terwijl anderzijds de temperaturen van een oppervlak beperkt kunnen blijven.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een verbrandingsinrichting, zoals een gasturbine of straalmotor, voorzien van een voorkeursinrichting zoals beschreven in bovenstaande paragraaf.

10 Daarnaast heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het aanbrengen van een gaslaag langs een oppervlak. Volgens de bovenstaand aangehaalde stand van de techniek is het reeds bekend een gasstroom te verplaatsen door een doorgang die uitmondt bij het oppervlak waarnaar de gasstroom zich na het verlaten van de doorgang ten gevolge 15 van het Coanda-effect afbuigt. De bezwaren die kleven aan een dergelijke werkwijze zijn eveneens bovenstaand reeds beschreven. Voor deze bezwaren wordt een oplossing geboden doordat de werkwijze volgens de uitvinding zich kenmerkt door het teweeg brengen van een spiraalvormige gasstroming in de doorgang in de richting van het oppervlak. De voordelen die zijn 20 verbonden aan een dergelijke spiraal vormige gasstroming zijn eveneens bovenstaand reeds beschreven.

Bij voorkeur bedraagt de snelheid van de gasstroming ten minste 20 m/sec per seconde. Bij dergelijke snelheden worden de voordelen van de uitvinding maximaal benut en is de uitvinding met name 25 geschikt voor toepassing bij branders met name van gasturbines en straalmotoren.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de navolgende figuren. Hierin toont: figuur 1 schematisch in 1angsdoorsnede een eerste 30 configuratie van een inrichting volgens de uitvinding figuur 2 een tweede configuratie figuur 3 de tweede configuratie met alternatieve stromingsmiddelen figuur 4 schematisch in vooraanzicht de uitstroming 35 van gas figuur 5A in zijaanzicht eerste stromingsmiddelen 1017045¾ 5 figuur 5B in achteraanzicht de eerste stromingsmiddelen figuur 5C een dwarsdoorsnede volgens de lijn VC-VC in

figuur 5A

figuur 6A in zijaanzicht tweede stromingsmiddelen 5 figuur 6B in achteraanzicht de tweede stromingsmiddelen

figuur 6C een dwarsdoorsnede volgens de lijn VIC-VIC

in figuur 6A

figuur 7 in perspectief en gedeeltelijk weggebroken derde stromingsmiddelen 10 figuur 8 in langsdoorsnede een eerste alternatieve doorgangsvorm voor figuur 1 figuur 9 een tweede alternatieve doorgangsvorm figuur 10 een derde alternatieve doorgangsvorm figuur 1IA in vooraanzicht een brandermond 15 figuur 11B in zijaanzicht de brandermond.

In de navolgende figuurbeschrijving zullen voor de verschillende figuren gelijke verwijzingscijfers voor overeenkomstige onderdelen en aspecten worden gehanteerd.

De figuren 1 en 2 geven schematisch twee principiële 20 configuraties van de inrichting volgens de uitvinding weer, waarmee tevens de werkwijze volgens de uitvinding kan worden toegepast. In wand 1 met voorzijde 2 en achterzijde 3 is een, zich tussen de voorzijde 2 en achterzijde 3 uitstrekkende, doorgang 4 aanwezig. In figuur 1 wordt doorgang 4 die een ronde doorsnede heeft aan de achterzijde 3 buiten wand 25 1 begrensd door eerste stromingsmiddelen 5. In de configuratie volgens figuur 2 zijn tweede stromingsmiddelen 6 opgenomen in doorgang 4 die aan de voorzijde 2 een eerste deel 4a heeft met een ronde doorsnede en aan de achterzijde 3 een tweede deel 4b heeft met een vierkante doorsnede. Dankzij de nog nader toe te lichten werkzaamheid van de stromingsmiddelen 30 5, 6 wordt binnen doorgang 4 een spiraalvormige gasstroom 7 teweeggebracht.

Deze spiraal vormige gasstroom 7 heeft een geringe axiale component. Deze axiale component is mede bepalend voor het optreden van het Coanda-effect bij het verlaten door de spiraal vormige gasstroom 7 van de doorgang 4 aan de voorzijde 2. Bij deze overgang zal de spiraalvormige gasstroom 7 35 overgaan in een tangentiële gasstroom 8 over de gehele omtrek van de uitmonding van doorgang 4. In figuur 4 zijn vier van deze tangentiële P ·' 7Π ·ί .C i L- i ( U Ή- O ^ 6 richtingen schematisch weergegeven, maar het mag duidelijk zijn dat de gasstroom 8 uitwaaiert over de gehele voorzijde 2. Dankzij het Coanda-effect zal de tangentiële gasstroom 8 zich als het ware aan het oppervlak hechten, bijvoorbeeld voor het koelen van dit oppervlak.

5 In de figuren 5A, 5B en 5C is in verschillende aanzichten een voorbeeld gegeven van een mogelijke uitvoeringsvorm van de eerste stromingsmiddelen 5 in figuur 1. Hierbij is het van belang op te merken dat de druk van de binnenatmosfeer 9 aan de achterzijde 3 hoger is dan de druk van de buitenatmosfeer 10 aan de voorzijde 2. Vanwege dit 10 drukverschil zal gas de neiging hebben om via de eerste stromingsmiddel en 5 en boring 4 van de binnenatmosfeer 9 naar de buitenatmosfeer 10 te stromen. De eerste stromingsmiddel en 5 bestaat in hoofdzaak uit een rechthoekig blok 11 waarin een centrale boring 12 is aangebracht die coaxiaal is gelegen met doorgang 4. Vanaf een zijkant 13 strekt zich een 15 tangentiële boring 14 uit die aansluit op de centrale boring 12. Vanwege de......overdruks it.uat.iszal tangentieel instromend gas 15 via tangentiële boring 14 in de centrale boring 12 terecht komen en aldaar worden omgebogen tot de spiraal vormige gasstroom 7 die naar de voorzijde 2 verloopt. Het is voordelig hiertoe om de tangentiële boring 14 ook een beperkte axiale 20 component in de richting van de voorzijde 2 te geven.

Een schematisch voorbeeld van een mogelijke uitvoeringsvorm voor de tweede stromingsmiddelen 6 in figuur 2 is weergegeven in de figuren 6A, 6B en 6C. Ook de tweede stromingsmiddelen bestaan in hoofdzaak uit een rechthoekig blok 16 met een centrale boring 17. Aangezien geen 25 van de zijkanten 18 beschikbaar is voor de instroming van een eventueel tangentieel instromend gas is aan de achterzijde een axiale boring 19 aangebracht die na een beperkte lengte ombuigt over een hoek van circa 90° naar een tangentiële boring 20. Axiaal excentrisch in de axiale boring 19 instromend gas 21 wordt tangentieel afgebogen in tangentiële boring 30 20 om vervolgens binnen de centrale boring 17 te worden afgebogen tot een spiraal vormige gasstroom 7. Alhoewel ten behoeve van de duidelijkheid in de figuren 5A tot en met 6C per centrale boring 12, 17 slechts één, tangentieel, toevoerkanaal is weergegeven, is het eveneens mogelijk om een aantal van dergelijke toevoerkanalen verdeeld over de omtrek van de 35 centrale boring aan te brengen.

ί ^ i i V.i ' 7

In figuur 3 is een configuratie weergegeven voor de uitvinding met derde stromingsmiddelen 22 die net als de tweede stromingsmiddelen 6 in figuur 2 zijn opgenomen binnen de doorgang 4 in wand 1. In figuur 7 zijn de derde stromingsmiddelen 22 weergegeven. De 5 derde stromingsmiddelen 22 bestaan uit een ring 23 die met zijn buitenzijde 24 aanligt tegen de binnenzijde van doorgang 4. Alhoewel in de weergegeven situatie de binnenzijde 25 van ring 23 en de voorzijde 26 haaks op elkaar zijn gelegen, is het ook mogelijk om de binnenzijde 25 en de voorzijde 26 een dusdanige vorm te geven dat een spiraal vormige gasstroom 7 aldaar 10 zonder abrupte overgangen overgaat naar de binnenzijde van doorgang 4. Concentrisch met ring 23 is binnen deze ring 23 een as 27 aangebracht die om nog toe te lichten redenen hol kan zijn uitgevoerd. Tussen de as 27 en de ring 23 strekt zich radiaal een viertal schoepen 28 uit ieder met een dusdanig gevormd leivlak 29 dat axiaal excentrisch instromend gas 21 15 wordt omgebogen tot een spiraal vormige gasstroom 7.

In de figuren 1, 2, 3 en 7 is eveneens een concentrisch axiaal instromend gas 30 weergegeven dat relatief ongemoeid de stromingsmiddelen 5, 6 en 7 zal passeren, waarbij wordt opgemerkt dat bij de derde stromingsmiddelen 22 as 27 hol dient te zijn uitgevoerd. Dankzij deze 20 axiale concentrische stroming binnen boring 4 kan worden voorkomen dat in het centrum van boring 4 een dusdanige onderdruk optreedt dat een instroom van gas vanaf de voorzijde 2 zou kunnen plaatsvinden bijvoorbeeld doordat de spiraal vormige gasstroom 7 naar het centrum van doorgang 4 afbuigt bij het verlaten van doorgang 4.

25 De figuren 8, 9 en 10 tonen enkele alternatieve vormen die de doorgangen 4 zouden kunnen aannemen. Alhoewel in genoemde figuren de stromingsmiddelen, overeenkomstig figuur 1, aan de achterzijde 3 buiten de doorgang 4 is aangebracht, spreekt het voor zich dat de getoonde doorgangsvormen ook zouden kunnen worden toegepast in combinatie met de 30 configuraties zoals weergegeven in de figuren 2 en 3. De doorgangen zoals getoond in de figuren 8, 9 en 10 hebben met elkaar gemeen dat de omtrek ervan van de binnenzijde 3 naar de buitenzijde 2 toeneemt. Dit heeft tot gevolg dat de axiale component van een spiraal vormige gasstroom binnen de doorgang zal afnemen waardoor het uitstromend gas eerder genegen zal 35 zijn om, dankzij het Coanda-effect, zich te hechten aan de voorzijde 2. In figuur 8 is hiertoe een taps uitlopend deel 31 voorzien. In figuur 9 8 wordt een afronding 32 toegepast aan de voorzijde 2 waardoor de overgang tussen de binnenzijde van de doorgang 4 en de voorzijde 2 minder abrupt zal zijn, hetgeen gunstig is voor het verkrijgen van het Coanda-effect. In figuur 10 wordt een taps uitlopend deel 33 gecombineerd met een 5 afronding 34.

In de figuren 1IA en 11B is in voor- en zijaanzicht een brander 40 getoond zoals deze bijvoorbeeld kan worden toegepast bij gasturbines en straalmotoren. De brander 40 is ringvormig en aangebracht in een wand 41 waarin zich veelal meerdere branders bevinden. De brander 10 40 omvat een ringvormige brandstofverdel ingskamer 42 waaraan via niet nader getoonde toevoerkanalen continu brandstof, bijvoorbeeld gasvormig, kan worden toegevoerd. De brandstof verlaat de verdelingskamer 42 via één van de in een cirkel opgestelde uitlaatopeningen 43. De uitstroomopeningen bevinden zich aan de zijde van een verbrandingskamer alwaar de brandstof 15 onder invloed van toegevoerde zuurstof verbrandt. Binnen en concentrisch met de ringvormige verdeling_s kamer 42 bevindt zich een centrale niet geheel doorlopende boring 44 waarbinnen een spiraal vormige gas, bijvoorbeeld zuurstof, stroom teweeg kan worden gebracht door het toevoeren van het gas onderdruk via twee instroomopeningen 45. Deze twee instroomopeningen 20 45 zijn tangentieel gericht ten opzichte van de centrale boring 44 (vergelijk de figuren 5A tot en met 5C) en hebben een beperkte axiale component. Het zuurstof dat aan de zijde van de verbrandingskamer de boring 44 verlaat hecht zich, dankzij het Coanda-effect aan het aangrenzende oppervlak van de brander 40 en draagt zorg voor een verkoelende laag 25 zuurstof op dit oppervlak waardoor de thermische belasting van dit oppervlak wordt beperkt.

101 704 5™

Claims (10)

1. 2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stromingsmiddelen ten minste één tangentieel ten opzichte van de doorgang gerichte instroomopening omvatten.
2. 3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stromingsmiddelen een aantal zich radiaal uitstrekkende stationaire 15 geleidingsschoepen omvatten.
3. 4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de doorgang aan de uitstroomzi jde een toenemende binnendiameter heeft.
4. 5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de binnendiameter aan de uitstroomzijde conisch uitloopt.
5. 6. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ter plaatse van de uitmonding een afronding tussen doorgang en oppervlak aanwezig is met een kromtestraal van maximaal 5 mm.
6. 7. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de stromingsmiddelen binnen de doorgang zijn 25 opgesteld.
7. 8. Inrichting volgens één der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de stromingsmiddelen aan de instroomzijde voor de doorgang zijn opgesteld.
8. 9. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met 30 het kenmerk, dat in het oppervlak rondom de uitmonding van de doorgang een aantal brandermonden is aangebracht.
9. 10. Verbrandingsinrichting voorzien van een inrichting volgens conclusie 9. II. Werkwijze voor het aanbrengen van een gaslaag langs 35 een oppervlak omvattende het verplaatsen van een gasstroom door een doorgang die uitmondt in het oppervlak waarnaar de gasstroom zich na het •2*-' ,Λ Cl-, ... * ^ ü ft O *4r O ^ * verlaten van de doorgang ten gevolge van het Coanda-effect afbuigt, gekenmerkt door het teweegbrengen van een spiraalvormige gasstroming in de doorgang in de richting van het oppervlak.
10. 12. Werkwijze volgens conclusie 11, gekenmerkt, doordat 5 de snelheid van de gasstroming ten minste 20 m/sec bedraagt. 1017045a