CH659864A5

CH659864A5 - Lochplatte zur vergleichmaessigung der geschwindigkeitsverteilung in einem stroemungskanal.

Info

Publication number: CH659864A5
Application number: CH3835/82A
Authority: CH
Inventors: Bernhard Matt; Theo Woringer; Gerassime Dr Zouzoulas
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1982-06-23
Filing date: 1982-06-23
Publication date: 1987-02-27
Also published as: DE3320753C2; GB2123981A; JPH0337650B2; JPS599306A; DE3320753A1; GB8316792D0; US4559275A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lochplatte zur Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Strömungskanal, die mit mehreren gleichmässig angeordneten Strömungslöchern versehen ist.

Lochplatten dieser Art werden verwendet, um eine ungleichmässige 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 Beschaufelung einer Gasturbine.

Lochplatten der eingangs genannten Art sind bekannt.

Eine Ausführung ist in der Zeitschrift «Chemie-Ing.-Technik», 44. Jahrgang 1972/Nr. 1 +2, Seiten 72 bis 79, gezeigt und beschrieben.

Bei dieser Lösung sind gleichmässig angeordnete Strömungslöcher entweder zylindrisch mit einem scharfkantigen oder abgerundeten Locheinlauf, oder mit einem Einlaufbzw. Auslaufkegel versehen, wobei die Lochdurchmesser normalerweise gleich oder grösser als die Plattendicke sind. Durch die Verwendung von zylindrischen Löchern wird die Blockierung bzw. das Flächenverhältnis vom versperrten zum lichten Störmungsquerschnitt an der Zuströmseite der Platte gleich derjenigen an der Abströmseite. Je grösser die Blockierung einer Lochplatte ist, um so grösser 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 Druckverlust-beiwert eine möglichst vollkommene Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsverteilung bei einer relativ kurzen Rückströmzone erreicht wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei der ersten Variante dadurch gelöst, dass die Strömungslöcher parallel zueinander angeordnet und in der Strömungsrichtung stufenweise derart erweitert sind, dass sie ein- oder mehrstufige Stossdiffusoren bilden.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass durch die Diffusorwirkung s 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 Austrittsblockie-10 rung wird ausserdem eine relativ kurze Rückströmzone erreicht.

Eine andere Lösung der Aufgabe zeichnet sich nach der zweiten erfindungsgemässen Variante dadurch aus, dass die Strömungslöcher parallel zueinander angeordnet und als Dif-15 fusoren 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. 20 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 25 keine Gebiete mit unterschiedlicher Blockierung entstehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.

Es zeigen:

30 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 ;

35 Fig. 3 einen Schnitt A-A nach Fig. 1, wobei die Strömungslöcher mit einem einstufigen Stossdiffusor versehen sind;

Fig. 4 einen gleichen Schnitt wie in Fig. 3, wobei die Strömungslöcher mit einem strömungsgünstigen Diffusor versehen sind;

40 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 45 bezeichnet. Erfindungsunwesentliche Teile wie beispielsweise Kanalwände, Lochplatten-Befestigungselemente usw. sind fortgelassen.

Eine Lochpaltte 1 besteht aus einer Metallplatte, deren Form und Dicke vom Querschnitt des nicht gezeigten Strö-50 mungskanals 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.

ss Soweit sind die Lochplatten bekannt. Gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung können die Strömungslöcher als einstufige Stossdiffusoren ausgeführt sein. Die an der Zuströmseite 3 der Lochplatte 1 abgerundeten Strömungslöcher 2 mit einem Lochdurchmesser d sind in Abströ-60 mungsrichtung 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 65 Erweiterungswinkels (10-12°) nicht überschritten ist.

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

3

659 864

den Einbau in einen ringförmigen Strömungskanal mit einem Aussenradius Ri und einem Innenradius Rz. Im vorliegenden Fall ist vorzugsweise eine rotationssymmetrische Lochanordnung gewählt, da bei der viereckigen oder dreiek-kigen Lochanordnung in einem kreis- oder ringförmigen Strömungskanal Zonen mit ungleichmässiger Blockierung im Bereich der Innen- und Aussenwand des Strömungskanals entstehen würden. Da aber nur eine konstante Blockierung über dem ganzen Kanalquerschnitt eine tadellose Vergleichmässigung der Strömung gewährleistet, werden die Lochdurchmesser und Lochabstände so bemessen, das 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 Lochaustrittsdurchmeser 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 Grösse 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. Grundsätzlich ist die Eintrittsblockierung unter anderem von der Ungleich-mässigkeit 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 Lösungsmöglichkeit dar. Bei gleicher Lochanordnung und gleichem Locheintrittsdurchmesser d sowie Lochaustrittsdurchmesser D wie in Fig. 3, d.h. bei gleicher Eintritts- und Austrittsblok-kierung 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 Hersellungskosten 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 grosse Eintrittsblockierung entsteht an der Zuströmseite 3 der Lochplatte 1 eine Staudruckzone und demzufolge eine wesentliche Vergleichmässigung der 5 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 Austrittsloch-lo länge Lauf den Lochaustrittsdurchmesser D aus. Durch den stufenartigen Übergang zwischen dem Locheintrittsdurchmesser d und dem Lochaustrittsdurchmesser D erhält man parallel geschaltete Stossdiffusoren. Am Anfang des vergrös-serten Loches entsteht eine Wirbelzone 6, die einen Einfluss 15 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.

Wegen der Diffusorwirkung wird eine günstige Strömung an der Abströmseite 4 der Lochplatte 1 bzw. eine sehr kurze Rückströmzone sowie 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 Blok-kierung von 61% bei einer Reynolds-Zahl von etwa 10x 105 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.

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

25

30

35

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

659864

PATENTANSPRÜCHE

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