DE1525969A1

DE1525969A1 - Stroemungsverteiler

Info

Publication number: DE1525969A1
Application number: DE19671525969
Authority: DE
Inventors: Josef Herzog; Johnson Robert Howard
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-01-06
Filing date: 1967-01-05
Publication date: 1969-07-10
Also published as: GB1177080A; US3519024A; FR1511690A

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsverteiler zum Einstellen einer vorbestimmten, vorzugsweise gleichmassigen Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in einer Strömung nach deren Übergang aus einem Eingangskanal in einen Ausgangskanal, eine Kammer od.dgl. mit im Vergleich zum Eingangskanal grossem Querschnitt, bestehend aus in dem Übergangsbereich angeordneten Strömungswiderstands- bzw. ~leitkörpern_e Hiermit ist es ohne Diffusorwände möglich, eine vorbestimmte Strömungsverteilung mit im wesentlichen jedem gewünschten Gesamtdruckgradienten innerhalb einer kurzen Strecke zu erzielen, die in Strömungsrichtung an die Stelle anschliesst, an der eine Zuleitung in einen Bereich mündet, in dem der Querschnitt und/oder die Richtung der Strömung sich ändert.

ij, ,je; lagen

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et- , ■ . -s. i Nf-^{1 Satz 3 des} Anderungsap-y-

Obwohl die Erfindung nachstehend an einer Dampfströmung durch einen Feuchtigkeitsabscheider beschrieben und erläutert wird, kann sie jedoch auch für die verschiedenartigsten anderen Zwecke verwendet werden, beispielsweise in Winkeidiffusoren, in dem Übergangsbereich zwischen dem Verdichter und. der Brennkammer einer Gasturbine, in Weitwinkel-Diffusoren, in kurzen Diffusorkanälen, beispielsweise solchen, in denen eine plötzliche Expansion erfolgt, sowie in Verteilern und Diffusoren mit Geschwindigkeitssteuerung, bei denen das Gas mit hoher Geschwindigkeit eintritt und der Energie-

w gehalt des Gases dadurch erhalten bleibt, dass die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umgewandelt wird, ferner in Fällen, in denen die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit in vorbestimmter Weise, insbesondere die Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt einer Strömung eingestellt bzw. gesteuert werden soll. In jedem Fall bewirkt die erfindungsgemässe Einrichtung infolge der Tatsache, dass ihr maximaler Ausfüllungsgrad ("solidity") (bedeckter Querschnitt zu Gesamtquerschnitt.) etwa 50 ⁰Jo beträgt, keine beträchtliche Scherung des hindurchtretenden Strömungsmittels, so dass dieses nicht in voneinander getrennte

k Strömungsfäden oder Tröpfchen zerteilt wird. Die Strömungsverteilung ist daher vollkommen anders als bei der Zerstäubung und Verteilung von Tröpfchen oder bei der Erzeugung von getrennten Strömungsfäden des Strömungsmittels mit Hilfe von Sprühdüsen.

Die Erfindung kann vorteilhaft auf strömende Flüssigkeiten und Gase sowie auf ein- und mehrphasige Systeme angewendet werden.

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Das durch die Erfindung gelöste Problem der Strömungsverteilung wird am besten anhand einer Strömung erläutert, die aus einer relativ schmalen Zuleitung in eine Kammer mit einem viel grösseren Querschnitt eintritt. Ein Beispiel ist der Eintritt von Nassdampf in einen Feuchtigkeitsabscheider, der eine das Innere des Feuchtigkeitsabscheiders bildende Kammer umfasst, deren Querschnitt im allgemeinen mehr als doppelt so gross ist wie der Querschnitt der Zuleitung. Der Abscheider hat den Zweck, aus dem zugeführten Dampf (z.B. Abdampf einer Hochdruckturbine eines Atomkraftwerkes) die mitgeführten Wassertröpfohen abzuscheiden, damit der Dampf anschliessend in einer Niederdruckturbine weiterverwendet werden kann. Der Wirkungsgrad der Gesamt-Turbinenanlage nimmt mit der Wirksamkeit der Feuchtigkeitsabscheidung zu. Damit dieser Abscheidungsvorgang optimal durchgeführt werden kann, muss sich die eintretende Dampfströmung mit minimalen Verlusten in einer möglichst einheitlichen Geschwindigkeit sverteilung (bezogen auf den Strömungsquerschnitt) über einen möglichst grossen Teil der in der Abscheides»- kammer angeordneten Trenneinbauten ausbreiten. Bei ungleichmässiger Geschwindigkeitsverteilung an den Flächen der Trenneinbauten wird ein Teil der Feuchtigkeit mit durchgeblasen, so dass der Wirkungsgrad der Turbine herabgesetzt wird, weil die Feuchtigkeit auf das Gas und die Laufschaufeln eine Bremswirkung und auf die umlaufenden Turbinenteile eine Erosionswirkung ausübt, welche die Form der Schaufeln verändert.

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Diese Verteilung der Strömung zu einem gewünschten Geschwindigkeitspxfofil (Geschwindigkeitsverteilung) über einen Querschnitt, der wesentlich grosser ist als der Querschnitt der Zuleitung, kann natürlich mit bekannten Diffusοτβη erzielt werden, bei denen divergierende Wände eines I7.an.als den Strömungsquerschnitt allmählich vargröasrn« Je grosser jedoch der Öffnungswinkel eines solchem wandbegrenzten Kanals ist, desto kürzer ist die Länge der Wand» die von dem Strömungsmittel in zuverlässiger Weise bestrichen wii-d, ohne dass es von de?? Wand abreiset

^ und dadurch einen labilen Zustand annimmt. Diese Grenzbedingungen für einen stabilen Betrieb von Diffuaoren sind ausführlich in den "Transactions of the ASME¹* (journal of Basic Engineering, September 1959, S. 322) beschrieben, und zwar in einem Artikel von 3. J. Kline "On the Nature of Stall" (Seiten 305 ff.) Zur Erzeugung einer Strömungserweiterung mit Hilfe eines Diffusors in einem Anwendungsfall, in dem eine starke Vergrasserung des Strömungsquerschnitts erforderlich ist, muss daher ein unerwünscht langer Kanal verwendet werden, so dass die Leitungen zu gross und. teuer werden. Je grosser die Differenz zwischen den Querschnitten der Kammer- und der in

) diese mündenden Zuleitung ist, desto stärker ist auch das Bedürfnis naoh einer Einrichtung zum zuverlässigen Verteilen der Strömung nach einem vorbestimmten Profil.

Als "oharakteristische Dimension" (CD) der Zuleitung wird diejenige Dimension der Zuleitung bezeichnet,

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die bei der Berechnung der Reynoldschen Zahl der Strömung in der Zuleitung verwendet wird. Beispielsweise ist bei einer Zuleitung mit kreisförmigem Querschnitt die CD-Zahl der Durchmesser der Zuleitung und bei einer Zuleitung mit quadratischem Querschnitt die Seitenlänge des Quadrats.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strömungsverteiler zu schaffen, mit dem ein kontinuierlicher Übergang einer Strömung aus einem engeren Eingangskanal in einen demgegenüber wesentlich weiteren Ausgangskanal bzw. eine Kammer od.dgl. so bewirkt wird, dass sich

ein vorbestimmtes, vorzugsweise gleichförmiges Strö- "

mungsgeschwindigkeitsprofil über den gesamten Querschnitt des weiteren Ausgangskanals bzw. der Kammer od.dgl. ergibt.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Strömungsverteiler erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die auf einer gemeinsamen, den Strömungsquerschnitt des Eingangskanals überspannenden Verteilerfläche angeordneten Strömungsleit- bzw. -widerstandskörper im Zentralbereich der V_erteilerfläche einen höheren Bedeckungsgrad als im Umfangsbereich der Verteiler-

fläche ergeben und hierbei mindestens im Umfangsbe- ι

reich Strömungsleitflächen bilden, wobei der von den Strömungsleit- bzw. -Widerstandskörpern strömungsundurchlässig abgedeckte Anteil der Verteilerfläche bezogen auf die gesamte Verteilerfläche (Bedeckungsgrad) in an sich bekannter Weise kleiner als etwa

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50 $ ist und die Strömungsleitflächen des Umfangsbereiohs im spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der auftreffenden Strömung ausgerichtet sind, und zwar so, dass der Öffnungswinkel zumOErzielen der maximalen Strömungsablenkung mindestens etwa kO beträgt.

Nach der deutschen Patentschrift 889 248 ist zwar ein Strömungsverteiler bekannt geworden, bei diesem erfolgt die Strömungsverteilung jedoch in verhältnismässig komplizierter und aufwendiger Weise durch mehrere hintereinander angeordnete ■Verteilervorrichtungen. Hierbei muss die Strömung aus dem engen Kanal

" zunächst, um in den demgegenüber wesentlich erweiterten Kanal übergeführt au werden, um 90 umgelenkt werden» Abgesehen vom "Leitungskniok¹¹ ist es nach dieser vorbekannten Vorrichtung erforderlich, die Strömung durch Umlenkflächen zu leiten, die im rechten Winkel zur ankommenden Strömung in gleichmässigen Abständen angeordnet sind. Diese rechtwinklige Anordnung hat einen entsprechenden Energieverlust zur Folge, da sie einen maximalen Strömungswiderstand bewirkt. Weiterhin sind mehrere ebene Siebe vorgesehen, welche die üb^i" die Umlenkflächen grob auf den Querschnitt des grossen Kanals verteilte Strömung feiner verteilen sollen. Schliesslich ist als weiteres wichtiges Verteilermittel ein gekrümmtes Sieb erforderlich, welches eine Verteilung in Querrichtung bewirken soll.

Die Vorrichtung nach der deutschen Patentschrift 889 weist zudem infolge ihrer Vielstufigkeit einen ent-

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•preohenden, nicht unbet rächt Hohen Raumbedarf auf. Diese Nachteile werden durch die Erfindung mit einer einzigen, einstufigen und darüber hinaus wirkungsvolleren Vorrichtung überwunden: ·

Bei der Erfindung ist nämlich nur ein einziges Ablenkgitter od.dgl. erforderlich, das als kompakte bauliche Einheit ohne irgendwelche zusätzlichen Leitungsführungen praktisch an jeder Stelle einer Anlage eingefügt werden kann, leicht austauschbar ist und einen minimalen Raumbedarf aufweist. Eine solche Einrichtung wird dadurch geschaffen, dass

erfindungsgemäss die Strömungsleit- bzw. -wider- ^

Standekörper im Zentralbereich der gemeinsamen Verteilerfläche einen höheren Bedeckungsgrad als im Umfangsbereich der Verteilerfläche ergeben und hierbei mindestens im Vmfangsbereich Strömungsleitflächen bilden, wobei die Strönungsleitflachen des Umfangsbereichs im spitzen Winkel zur Stromimgsrichtung der auf treffenden Strömung ausgerichtet sin·? _v νχή zwar so, dass der Öffnungswinkel zi :t Fr-'i»*l<pn der maximalen St römungs ablenkung mindeste.·, ei.. a 40 beträgt .

Auch die weiterhin vorgeschlagene Vorrichtung nach j

der deutschen Patentschrift 1 005 932 besteht aus mindestens einer Siebplatte und einer in Abstand davon angeordneten Reihe von Lenkblechen. Sine einheitliche, leicht austauschbare Vorrichtung, wie sie mit der Erfindung geschaffen worden ist, liegt also auch hier nicht vor.

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Schlieeslich ist auch bei dem Strömungsverteller nach der deutschen Auslegeschrift 1 000 194, mit dem ein Gasstrom eines engen Eintrittekanals auf eine demgegenüber wesentlich erweiterte Kammer gleichmässig verteilt werden soll, nicht erkannt worden, dass es genügt, um eine gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung; über den gesamten Querschnitt der Behandlungskammer zu erzielen* die Strömungsleit- bzw. -widerstandskörper auf einer gemeinsamer* _s einzigen Verteilerfläohe anzuordnen« Tatsächlich bandelt es sich bei der Vorrichtung nach der DAS 1 000 194 lediglich um etrömungszerteilende Körper, im vorliegenden Falle " Rohre, die im Übergangsbereioh auf mehreren hinterelnanderliögendeα Flachen angeordnet sind, jedoch nicht um im Sinne der Erfindung strömungsleitende Körper.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Figuren 1 bis 14 der Zeichnung dargestellter bevorzugter Aueführungsbeispiele näher erläutert« Die Erfindung ist jedoch, nicht auf diese Äusführungsbeispiele beschränkt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Feuchtigkeitsabscheiderj auf den die Erfindung in vorteilhafter Weise angewendet

werden kann, in perspektivischer Darstellung mit teilweise weggeschnittenen Teilen,

Fig. 2 schematisch, teilweise im Querschnitt, das Eindringen eines Strahls in Einrichtungen, in denen eine schnelle Strömung einer plötzlichen- Expansion unterworfen, wird,

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. Pig. 3 und. 4 in einer Vorderansicht bzw. einer teilweise geschnittenen Seitenansicht eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Erzeugung einer Strömungsvertexlung nach einem vorbestimmten Muster,

Fig. 5 und 6 Teildarstellungen im Quer- bzw. Längs-Vertikalschnitt einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung zur Erzeugung einer Strömungsverteilung nach einem vorbestimmten Muster,

Fig. 7 im Schnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ™

der Erfindung, in welchem der Ausfüllungsgrad und der Ablenkwinkel des hier verwendeten Umlenkschaufelgitters gleichzeitig geändert werden können,

Fig. 8 einen erfindungsgemässen Strömungsverteiler im Schnitt,

Fig. 8a eine Teildarstellung mit einer Einrichtung zum wahlweisen Einstellen des Strömungsverteilers nach Fig. 8,

Fig. 9 und 10 schematisch ein mit Hilfe der erfindungsgemässen Einrichtung erzeugtes gewünschtes Geschwindigkeitsprofil aerodynamisch (und hydrodynamisch), wobei die allmählichen Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit in diesem Profil dargestellt sind,

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Figo 11 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie eine schematische Darstellung des erzielten Strömungsmusters bei im wesentlichen gleichmässig verändertem Widerstand und allmählich zunehmendem Strömungsablenkwinkel,

Fig. 12 und 13 schematische Darstellungen der Strömungsverteilung bei Gasen, die nach Fig. 12 in bekannter Weise von dem Verdichter an die Brennkammer einer Gasturbine abgegeben werden_e sowie nach Fig. 13 die Anwendung der Erfindung zum Erzielen eines vorteilhafteren Aufbaus der Anlage,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Strömungsbedingungen in von ebenen Wänden begrenzten Diffusoren für Strömungen mit Unterschallgeschwindigkeit und dient zur Erläuterung dafür, wie die Erfindung mit Erfolg auch unter Bedingungen angewendet werden kann, unter denen bei den üblichen Diffusoren die Strömung abrei sst.

Der in Fig. 1 dargestellte Feuchtigkeitsabscheider dient zum Entfernen von Kondensattröpfchen aus Dampf, der aus der Hochdruckturbine eines Atomkraftwerkes abund. einer Niederdruckturbine zugeführt wird« Diese Abscheidung erfolgt mit Hilfe einer Reihe von in geringen Abständen voneinander eingebauten Wellblechen Im Idealfall erfolgt beim Eintritt des Dampfes über die Zuleitung 12 in den Feuchtigkeitsabscheider 10

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•ine Ausbreitung der Strömung nach Eintritt in die Kammer 13, wobei nur minimale Verluste auftreten sollen und 'bis zu der Äinbausteile der Bleche 11 oder knapp vorher «ine einheitliche Geschwindigkeitsverteilung ("velocity profile") erzielt werden •oll. Beim Durchströmen der Zwischenräume zwischen den Blechen 11 beschreibt der Dampf eine mäanderförmige Bahn. Bei diesen schnellen Umlenkungen werden die Kondens at tröpfchen durch die Fliehkraft aus der Dampfströmung ausgeschieden. Die Tröpfchen treffen auf die Bleche 11 auf und laufen an diesen herunter, worauf sie mit Hilfe von nicht dargestellten Mitteln am Boden des Mantels 15 aufgefangen werden» Der in vorbesohriebener Weise behandelte Dampf tritt über die Leitung 16 in eine nicht dargestellte Niederdrückturbine ein.

In den bekannten Abscheidern mündet die Leitung 12 direkt in die Kammer I3 und es ist nicht, wie V-ai der Erfindung ein Strömungsverteiler vorge&'ci ea. Im vorliegenden Fall wird die eintr·,andt Strömung von einem erfindungsgemässen Strömungsart eil or ""/ beeinflusst. Unter den bekannten Bedingungen ohne etrömungsverteiler hat der mit hoher Geschwindigkeit (30 - 60 m/s) eintretende Dampf eine starke Tendenz, in Form eines Strahls in die Kammer 13 einzutreten und auf die Bleche 11 aufzutreffen, wobei an allen Seiten des Strahls unbewegte oder energiearme Grenzschichten vorhanden sind. Dieser in Fig. 2 dargestellte, strahlartige Sintritt ist besonders ausgeprägt, wenn die Abscheidebleche 11 in einem relativ

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kleinen Abstand von der Stelle angeordnet sind, an der die Zuleitung 12 in die Kammer 13 mündet, weil in einem solchen Fall keine Möglichkeit für eine Diffusion und gesteuerte Verteilung vorhanden ist. Aber selbst wenn die Abscheidebleche 11 in beträchtlichem Abstand stromabwärts angeordnet sind, ist die sich über den Querschnitt der Kammer 13 unmittelbar vor dem Eintritt des Dampfes zwischen die Bleche 11 ergebende Geschwindigkeitsverteilarafj von dem erstrebten Optimum weit entfernt, Dias ist darauf zurückzuführen, dass die Geschwindigkeit des eintretenden Dampfes längs der Achse der Zuleitung 12 beträchtlich höher ist als die des weiter aussen befindlichen Dampfes, der in unterschiedlichen Abständen von der Mittellinie.entfernt ist und verlangsamt wird.

Der in Fig, 2 gezeigte Eintritt des Strömungsmittels in Form eines Strahls hat den Nachteil, dass nur ein kleiner Teil der Abscheidebleche tatsächlich mit der : Dampfströmung beaufschlagt und selbst in diesem Teil der Bleche 11 keine gute Abschexdewirkung erzielt wird, weil die Geschwindigkeit des Dampfes so hoch ist, dass ein grosser Teil der Feuchtigkeit mit dem Dampf durchgeblasen wird.

Durch die Anwendung der Erfindung kann im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Beispiel, bei dem eine plötzliche Erweiterung eines Strömungskanals erfolgt, eine genügende Steuerung der Strömung erzielt werden, und zwar mit Hilfe des Strömungsver-

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tellers 17. Der StrömungSYerteiler 17 bewirkt eine Strömungsverteilung naoh einem entsprechend vorbestimmten Muster} dadurch wird eine Steuerung der eintretenden Strömung in einem bisher unerreichten Grade ermöglicht, so dass eine für den jeweiligen Anwendungsfall ideal geeigne te Geschwindigkeitsverteilung in zuverlässiger Weise erreicht werden kann.

Bei dem Feuchtigkeitsabscheider 10 ist eine einheitliche Geschwindigkeitsverteilung von besonders vorteilhafter Wirkung. Mit verschiedenen Ausführungsformen erfindungsgemässer Strömungsverteiler erzielte, einheitliche Geschwindigkeitsverteilungen sind in den Figuren 9ι 10 und 11 dargestellt. Die Figuren 3 bis 7 zeigen mehrere Ausführungsformen von Strömungsverteilern nach der Erfindung, in denen verschieden starke Energieverluste auftreten, die aber alle zum Erzielen einer einheitlichen Geschwindigkeitsverteilung dienen. Diese Ausführungsformen können natürlich hinsichtlich der Wahl verschiedener Grossen abgeändert werden, beispielsweise des Ausfüllungsgrades, der Grosse und Verteilung des Strömungswiderstandes, des Grades der Veränderung des Ablenkwinkels als Funktion des Abstandes von dem Bereich, in dem die Strömung nicht abgelenkt wird und hinsichtlich der Grosse des maximalen Ablenkwinkels .

In der in den Figuren 3 und k gezeigten Ausführungsform des Strömungsverteilers 17 können das Ausmass und der Ausfüllungsgrad des Siebes 18 verändert

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werden, ebenso das Ausmass, der Ausfüllungsgrad und. die Neigung der Wabenstruktur 19· In dem Strömungs-Verteiler 21, der in den Figuren 5 und 6 gezeigt ist, kann man ähnliehe Veränderungen bei den Sieben 22 und 23 und den konzentrisch angeordneten Stäben 24 vornehmen. Alle diese Teile werden von Streben 26 getragen. Die Siebe 22 und 23 überlappen einander und bilden zwei Bereiche, in denen ein Strömungswiderstand vorhanden ist. Der Strömungsverteiler 27 (Fig» 7) stellt eine bevorzugte Anordnung gemäss der Erfindung dar, in welcher die gewünschte Geschwindigkeitsverteilung mit minimalen Energie- ψ · Verlusten dadurch erzielt werden kann, dass der Ausfüllungsgrad (die Abstände) und der Ablenkwinkel des Umlenkschaufelgitters geändert werden, welches aus ringförmigen Schaufeln 28 mit Flügel- bzw. Stromlinienprofil besteht. Die relativ grössten Verluste ergeben sich bei Verwendung von Sieben, kleinere EnergieVerluste erhält man bei Anwendung von Stäben und noch kleinere bei Aufbau dos Verteilers aus Flügel- bzw. Stromlinienprofilen. Bei den Ringstäben 2h und den ringförmigen Flügel- bzw. Stromlinienprofilea 28 soll das Verhältnis zwischen der Breite (Seiinenläiage G) in der Strömungsrichtung zu den Abständen zwischen den Elementen (Teilung P) in einem solchen Verhältnis stehen, dass die Strömung in entsprechender Weise abgelenkt wird. Zu diesem Zweck soll das Verhältnis C/P in denjenigen Bereichen der Strömung, in denen die Strömungsaustrittsrichtung zu den Ablenkelementen im syet 3 ent liehen parallel sein muss, aineia Wert von 1_S3 haben» Bei klaisier werdendem Ablenkwinkel der Strömung kann dieses Verhältnis bis

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auf einen niedrigen Wert von annähernd Null herabgesetzt werden. Bei den Flügelprofilen 28 kann das Verhältnis grosser sein als 1,3.

Bei den vorstellend beschriebenen Ausführungsforman erhält man eine einheitliche Geschwindigkeitsverteilung, weil die Verteilung der Verluste (oder Strömungs-Widerstände) und der Grad der Strömungsablenkung in • iner entsprechenden Beziehung zueinander stehen. Wie in den Figuren 9» 10 und Ii durch Vektoren für die Grosse und Sichtung der Geschwindigkeit dargestellt ist, wird eine einheitliche Geschwindigkeitsverteilung dadurch erzielt, dass in Bereichen, in denen sich die Strömung nur wenig ausbreitet, höhere Verluste hervorgerufen werden, und in Bereichen, in denen eich die Strömung stark ausbreitet, die Verluste niedriger gehalten werden. Bei den Ausfiihrungsformen der Erfindung nach den Figuren 9» 10 und 11 wird in dem mittleren Bereich der eintretenden Strömung ein grösserer Gesamtdruckabfall hervorgerufen ale an den Randbereichen. Mit einem niedrigere«η oder höheren Strömungswiderstand in dem mittleren Bereich der Strömung kann man selbstverständlich eine andere als die vorbeschriebene gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung erzielen, insbesondere eine vorbestimmte Geschwindigkeitsverteilung, so dass die Erfindung auch derartige Ausführungsformen umfasst.

Vorteilhafterweise is»t der erfindungsgemässe Strömungsverteiler so ausgebildet, dass ein gegebener Strömungsverteiler die Vorwahl verschiedener Veränderungen des

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Strömungswiderstandes ermöglicht. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 8 mit 31 bezeichnet. Hier sind perforierte Elemente 3², 33 relativ zueinander verstellbar, so dass eine Auswahl unter verschiedenen erreichbaren GeschwindigkeitsVerteilungen möglich ist und die Strömungswiderstände so verändert werden können, dass der Widerstand im mittleren Bereich kleiner, ebensogross oder grosser ist als der Widerstand in dem Bereich der stärksten Ablenkung der Strömung. Die Verstellung der Elemente 32, 33 relativ zueinander kann durch die Bewegung einer Stange 34 bewirkt werden, die ihrerseits einen beweglichen Ring 3$ innerhalb der durch die Schlitze 37 gegebenen Grenzen verdreht. Die Löcher 38, 39» 41 , 42 des Elements 32 können schlitz- oder kreisförmig sein. Ihre Länge ist von dem gewünschten Bereich, in welchem die Geschwindigkeitsverteilung verändert werden soll etc., abhängig.

Anhand der schematischen Darstellungen der Figuren und 13 wird, näher erläutert, dass die verschiedenen gewünschten Muster der Strömungsverteilung davon abhängig sind, welche Geschwindigkeitsverteilung erzielt werden soll. Fig. 12 zeigt einen Verdichter und ' eine Brennkammer einer üblichen Gasturbinenanlage Aus dem Verdichter 46 austretende Druckluft tritt in die Brennkammer 47 durch den Diffusor 48, der aus der Aussenwand 49 und der Innenwand 51 besteht. In diesem Fall ist zwar eine uneinheitliche Geschwindigkeitsverteilung erwünscht, doch erzielt man mit den bekannten Diffusoren nicht die optimale Geschwindig-

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keitsvert eilung«, Gemäss Fig. 13 ermöglicht die Anwendung des erfindungsgemässen Strömungsverteilers hier eine beträchtliche Verbesserung, Der Strömungsve.rteiler 52 ist ähnlich wie die Einrichtung nach Fig» 7 aus mehreren konzentrisch angeordneten Ringen 53 zusammengesetzt, die im Querschnitt ein Flügelbzw. Stromlinienprofil haben und in solchen Abständen voneinander angeordnet sind, dass die erforderliche Veränderung des Ausfüllungsgrades erzielt wird. Die Ringe sind so orientiert, dass in verschiedenen Abständen von der Mittellinie angeordnete Teile der Strömung in der gewünschten Weise abgelenkt werden, Aus einem Vergleich der Figuren 12 und I3 lässt sich ersehen, dass der gesamte aus den Wänden 4°- und 5I bestehende Diffusor 48 der Anordnung nach Fig. 12 bei Anwendung des erfindungsgemässen Strömungsverteilers entfallen kann, so dass die Gesamtlänge der Anlage herabgesetzt und das Flammrohr näher an die mit dem Verdichter 46 verbundene Eintrittsöffnung herangerückt wird. Ausser einer optimalen Geschwindigkextsvertexlung und einer beträchtlichen Verkürzung der Anlage wird noch ein weiterer Vorteil erzielt, der darin besteht, dass keine zum Strömungsabriss führenden Übergangszustände auftreten können,

die zu heissen Stellen in der Brennkammer 47 führen (

würden. Diese heissen Stellen bewirken ein Ausbrennen der Brennkammer und weiterhin eine Bildung von heissen Stellen an den nicht dargestellten Düsen der Turbine, denen die Gase von der Brennkammer 47 zugeführt werden.

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Das Abzweigen von Luft und. ihre Zuführung mit, niedriger Geschwindigkeit zum Ende des Flammrohres 47 mit Hilfe der Innenwand 51 ist nicht mehr notwendig, so dass die Stabilität der Verbrennung erhöht und eine symmetrische Verteilung der Strömung auf beiden Seiten des Flammrohres h-7 erzielt wird.

Der Erfolg dieser einfachen, aber sehr wirksamen Anordnung gemäss der Erfindung ist u.a. auf den Diffusionseffekt zurückzuführen, der in der abgelenkten Strömung selbst in Bereichen erzeugt wird, die sich in beträchtlichen Abständen stromabwärts von dem erfindungsgemässen Strömungsverteiler befinden. Dadurch wird es möglich, vorbestimmte Geschwindigkeitsunterschiede zu erzielen, die zum Erzeugen einer gewünschten Geschwindigkeitsverteilung erforderlich sind« Die Geschwindigkeit in den von dem mittleren Bereich weiter entfernten Strömungsbereichen wird am schnellsten herabgesetzt, weil sich ihr Strömungsquerschnitt nach der bekannten Beziehung Q = ¥/A (darin ist Q die Strömungsmenge, V die Strömungsgeschwindigkeit und A der Strömungsquerschnitt) am schnellsten vergrössert.

Andere, sehr ungewöhnliche Wirkungen der Erfindung sind a) die kurze Strecke, in der die gewünschte Geschwindigkeitsverteilung erzeugt werden kann und b) das Entfallen der Notwendigkeit von Diffusorwänden. Beispielsweise hat es sich gezeigt, dass in einem ' Fall, in dem der Öffnungswinkel (2θ) zum Erzielen der maximalen Strömungsablenkung 90 beträgt, die Strömung auf mindestens das Dreifache der charakteri-

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stischen Dimension (CD) der Zuleitung verteilt worden ist, wenn sich die Strömung in der Strömungsrichtung um eine Strecke CD von der Zuleitung entfernt hat.

Bei 20 = 14O war die Strömung auf eine Breite von etwa 8,8 CD verteilt, wenn sie sich von der Zuleitung in der Strömungsrichtung um eine Strecke CD entfernt hat. Die stromabwärtige Stelle, an der die gewünschte Geschwindigkeitsverteilung erhalten wird, ist eine Funktion der Einrichtung selbst und von dem Druck und der Geschwindigkeit der eintretenden Strömung relativ

unabhängig. Die Erfindung ist sowohl auf Fälle an- g

wendbar, in denen die Zuleitung und die anschliessende Leistung axialsymmetrisch ist, als auch auf axial unsymmetrische Strömungsquerschnitte.

Die Tatsache, dass die mit der Erfindung erzielten Ergebnisse überraschend sind, kann beispielsweise anhand der Fig. 14 erläutert werden, in der diese Ergebnisse dargestellt sind. Mit ausgezogenen Linien sind die Strömungsbedingungen in zweidimensionalen Diffusoren mit ebenen Begrenzungsflächen dargestellt, die für Unterschallgeschwindigkeiten bestimmt sind (gemäss Journal of Basic Engineering, September 1959»

Seite 322). Diese Werte sind auf Werte von L/W zwischen (

0,5 und 1 extrapoliert worden (gestrichelt), um so eine Grundlage für einen Vergleich mit dem Erfindungsgegenstand zu erhalten, wobei mit L die Länge der Diffusorwand und mit W. die Breite der Zuleitung bezeichnet ist. Sowohl auf der Ordinate als auch auf der Abszisse sind die Werte in logarithmischen Massstäben aufgetragen.

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Der schraffierte Bereich zwischen den Linien a-a und b-b entspricht ungefähr dem Bereich, in dem in Diffusoren der Übergang zum Abreissen der Strömung auftritt. Oberhalb der Linie b-b befindet sich annähernd der Bereich, in dem die Strömung vollkommen abgerissen ist und in dem man mit den üblichen Diffusoren nicht arbeiten kann. Der erfindungsgemässe Strömungsverteiler ermöglicht dagegen den Übergang zwischen den Strömungsbedingungen in der Zuleitung und den Strömungsbedingungen in dem anschliessenden Strömungskanal bei Winkeln von 90 und mehr und bei L/W-Werten von etwa 0,5» ohne dass ein Abreissen der Strömung stattfindet, während unter diesen Bedingungen in wandbegrenzten Diffusoren keine Diffusion möglich ist.

Durch die Erfindung wird daher ohne Anwendung von wandbegrenzten Diffusorkanälen im Bereich des Strömungsübergangs und innerhalb einer überraschend kurzen Strecke die Erzielung einer Geschwindigkeitsverteilung nach einem vorbestimmten Muster ermöglicht, und zwar durch Variation der Strömungsverluste in Beziehung zur Grosse der Strömungsablenkung von Teilen der eintretenden Strömung ohne übermässige Scherung im Strömungsmittel, wobei geschlossene und offene Querschnittsbereiche in einer derartigen Anordnung verwendet werden, dass ein Diffusor geschaffen wird, in dem der höchste Ausfüllungsgrad kleiner ist als etwa 50 und der Öffnungswinkel zur Erzielung der maximalen Strömungsablenkung mindestens etwa 40 beträgt.

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Claims

Patentansprüche

Strömungsverteiler zum Einstellen einer vorbestimmten, vorzugsweise gleiohmässigen Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in einer Strömung nach deren Übergang aus einem Eingangskanal in einen Ausgangskanal, eine Kammer od.dgl. mit im Vergleich zum Eingangskanal grossem Querschnitt, bestehend aus in dem Übergangsbereich angeordneten Strömungswiderstand^- bzw» -leitkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer gemeinsamen, den Strömungsquerschnitt des Eingangskanals überspannenden Verteilerfläche angeordneten Strömungsleit- bzw. -widerstandskörper (18,19j22-26j 28) im Zentralbereich der Verteilerfläche einen höheren Bedekkungsgrad als im Umfangsbereich der Verteilerfläche ergeben und hierbei mindestens im Umfangsbereich Strömungsleitflächen bilden, wobei der von den Strömungsleit- bzw. -Widerstandskörpern strömungsundurchlässig abgedeckte Anteil der Verteilerfläche bezogen auf die gesamte Verteilerfläche (Bedeckungsgrad) in an sich bekannter Weise kleiner als etwa 50 $ ist und die Strömungsleitflächen des Umfangsbereichs im spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der auftreffenden Strömung ausgerichtet sind, und zwar so, dass der Öffnungswinkel (2 θ in Fig. 7) zum Erzielen der maximalen Strömungsablenkung mindestens etwa 40 beträgt.

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,..,_ _Nr., _üat23des _A
2. Strömungsverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleit- bzw. -widerstandskörper (18,19}22-26j28) auf einer kegel-, kugel-, schalen- od.dgly -förmigen Verteilerfläche angeordnet sind, deren grösster Querschnitt vorzugsweise gleich dem Strömungsquerschnitt des Eingangskanals (12) ist.
3β Strömungsverteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Strömungsleit-.bzw. -widerstandskörper (18,19j22-26}28) im Umfangsbereioh der Verteilerfläohe ein Flügel- bzw. Strömungspi-of il aufweisen.
4. Strömungsverteiler nach Anspruch 1, 2 oder 31 dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Bedeckungsgrad bei etwa 2 $ liegt.
5. Strötnungsverteiler nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitbzw, -widerstandskörper (18,19*22-26) auf der Verteilerfläche in mindestens zwei, vorzugsweise konzentrischen Verteilerbereichen unterschiedlichen, jedoch innerhalb des jeweiligen Verteilerbereiches gleichen Bedeckungsgrades angeordnet sind.
6. Strömungsverteiler nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsleit- bzw. -widerstandskörper im zentralen Verteilerbereich ein Sieb (I8j 22,23) vorgesehen ist.

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7. Strömlings vert eiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsleit- bzw. -widerstandskörper mindestens im Umfangsbereioh der Verteilerfläche bzw, im ausseren Verteilerbereioh in Abständen voneinander konzentrisch um eine Mittelachse herum und unter einem Winkel zu dieser Mittelachse angeordnete Stäbe vorgesehen sind.
8. Strömungsverteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich der Verteilerfläche bzw. einer der Verteilerbereiche in seinem Bedeckungsgrad verstellbar ist.
9. Anwendung des Strömungsverteilers nach einem der Ansprüche 1 bis 8,in einem Feuchtigkeitsabscheider (10), bestehend aus einer Reihe von in dichtem Abstand vorgesehenen, vorzugsweise gewellten Platten (11) od.dgl. in einer Kammer (13)» welche einen im Vergleich zu dem das von Feuchtigkeit zu befreiende Strömungsmittel zuführenden Eingangskanal (12) grossen Querschnitt aufweist.
10. Anwendung des Strömungsverteilers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in der Verbindungsleitung zwischen einem Verdichter (46) und der zugeordneten Brennkammer (47) einer Gasturbinenanlage

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