Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen durchströmten Kanal mit einem Wirbel-Generator.
Stand der Technik
Als Wirbel-Generator im weitesten Sinn kann ein Deltaflügel angesehen werden, der in einer kanalisierten Strömung angestellt ist. Werden derartige Flügel von der Spitze her angeströmt, so entsteht einerseits stromabwärts des Flügels ein Totwassergebiet und andererseits erfährt die Strömung durch die angestellte Fläche einen nicht unbeträchtlichen Druckabfall. Das Anordnen eines solchen Deltaflügels in einem Kanal muss über strömungsbeeinträchtigende Hilfsmittel wie Streben, Rippen oder dergleichen erfolgen. Darüberhinaus ergeben sich beispielsweise in einer Heissgasströmung Probleme mit der Kühlung solcher Elemente.
Als Mischelemente von zwei oder mehreren Strömungen sind derartige Deltaflügel nicht brauchbar. Die Mischung einer Sekundärströmung mit einer in einem Kanal vorliegenden Hauptströmung geschieht in der Regel durch radiale Eindüsung der Sekundärströmung in den Kanal. Der Impuls der Sekundärströmung ist indes so gering, dass eine nahezu vollständige Durchmischung erst nach einer Strecke von ca. 100 Kanalhöhen erfolgt ist.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, in einem durchströmten Kanal einen 3-dimensionalen Wirbel-Generator zu schaffen, mit dem Längswirbel ohne Rezirkulationsgebiet erzeugt werden können.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht,
- dass der Wirbel-Generator drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche und die beiden andern die Seitenflächen bilden,
- dass die Seitenflächen mit einer gleichen Kanalwand bündig sind und miteinander den Pfeilwinkel  einschliessen,
- dass die Dachfläche mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante an der gleichen Kanalwand anliegt wie die Seitenwände,
- und dass die längsgerichteten Kanten der Dachfläche, die bündig sind mit den in den Strömungskanal hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel zur Kanalwand verlaufen.
Der Vorteil der Erfindung ist in der besonderen Einfachheit des Elementes in jeder Hinsicht zu sehen. Fertigungstechnisch ist das aus drei umströmten Wänden bestehende Element völlig problemlos. Die Dachfläche kann mit den beiden Seitenflächen auf verschiedenste Arten zusammengefügt werden. Auch die Fixierung des Elementes an ebenen oder gekrümmten Kanalwänden kann im Falle von schweissbaren Materialien durch einfache Schweissnähte erfolgen. Selbstverständlich können die Wirbel-Generatoren auch zusammen mit den begrenzenden Wandungen vergossen werden. Vom strömungstechnischen Standpunkt her weist das Element beim Umströmen einen sehr geringen Druckverlust auf und es erzeugt Wirbel ohne Totwassergebiet. Schliesslich kann das Element durch seinen in der Regel hohlen Innenraum auf die verschiedensten Arten und mit diversen Mitteln gekühlt werden.
Es ist für gewisse Anwendungen zweckmässig, wenn der Anstellwinkel der Dachfläche und/oder der Pfeilwinkel alpha der Seitenflächen so gewählt sind, dass noch im Bereich des Wirbel-Generators der von der Strömung erzeugte Wirbel aufplatzt. Mit der möglichen Variation der beiden Winkel hat man ein einfaches aerodynamisches Stabilsierungsmittel in der Hand, unabhängig von der Querschnittsform des durchströmten Kanals, welcher sowohl breit und niedrig als auch schmal und hoch sein kann, und mit ebenen oder gekrümmten Kanalwänden versehen sein kann.
Es ist sinnvoll, wenn die beiden den Pfeilwinkel alpha einschliessenden Seitenflächen symmetrisch um eine Symmetrieachse angeordnet sind. Damit werden drallgleiche Wirbel erzeugt.
Wenn die beiden den Pfeilwinkel alpha einschliessenden Seitenflächen eine zumindest annähernd scharfe Verbindungskante miteinander bilden, wird der Durchströmquerschnitt kaum durch Sperrung beeinträchtigt.
Ist die scharfe Verbindungskante die austrittsseitige Kante des Wirbel-Generators und verläuft sie senkrecht zu jener Kanalwand, mit welcher die Seitenflächen bündig sind, so ist die Nichtbildung eines Nachlaufgebietes von Vorteil. Eine senkrechte Verbindungskante führt überdies zu ebenfalls senkrecht auf der Kanalwand stehenden Seitenflächen, was dem Wirbel-Generator die einfachst mögliche und fertigungstechnisch die günstigste Form verleiht.
Es ist angebracht, das Verhältnis Höhe h der Verbindungskante der beiden Seitenflächen zur Kanalhöhe H so zu wählen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators die volle Kanalhöhe oder die volle Höhe des dem Wirbel-Generators zugeordneten Kanalteils ausfüllt.
Vorzugsweise ohne Zwischenräume sind über der Breite des durchströmten Kanals mehrere Wirbel-Generatoren nebeneinanderangeordnet. Mit dieser Massnahme wird kurz hinter den Wirbel-Generatoren der ganze Kanalquerschnitt von den Wirbeln voll beaufschlagt.
Wenn die Symmetrieachse parallel zur Kanalachse verläuft, und die Verbindungskante der beiden Seitenflächen die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators bildet, während die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante der Dachfläche die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagte Kante ist, so werden an einem Wirbel-Generator zwei gleiche gegenläufige Wirbel erzeugt. Es liegt ein drallneutrales Strömungsbild vor, bei welchem der Drehsinn der beiden Wirbel im Bereich der Verbindungskante aufsteigend ist, so dass die Wirbel auf die nicht mit Wirbel-Generatoren bestückte, gegenüberliegende Wand auftreffen, die auf diese Weise beispielsweise gekühlt werden kann.
Wenn indes die Verbindungskante der beiden Seitenflächen die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagte Kante ist und die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante der Dachfläche stromabwärts angeordnet ist, so werden an einem Wirbel-Generator ebenfalls zwei gegenläufige Wirbel erzeugt, deren Drehsinn so gerichtet ist, dass die Wirbel auf die mit Wirbel-Generatoren bestückte Wand auftreffen.
Ein Wirbel-Generator eignet sich besonders als Mischelement wenn eine Sekundärströmung - welche einen wesentlich kleineren Massenstrom aufweist als die Hauptströmung - im unmittelbaren Bereich des Wirbel-Generators in die Hauptströmung eingeleitet wird.
Der durchströmte Kanal kann die Brennkammer einer Gasturbine sein, wobei die Hauptströmung ein gasförmiges Mittel und die Sekundärströmung ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff ist, und wobei die Sekundärströmung zumindest annähernd senkrecht zur Hauptströmung in den Kanal eingedüst wird.
Mit dem neuen statischen Mischer ist es möglich, ausserordentlich kurze Mischstrecken bei gleichzeitig geringem Druckverlust zu erzielen. Bereits nach einer vollen Wirbelumdrehung ist eine grobe Durchmischung der beiden Ströme vollzogen, während eine Feinmischung infolge von turbulenter Strömung und molekularer Diffusionsprozesse nach einer Strecke vorliegt, die einigen wenigen Kanalhöhen entspricht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Wirbel-Generators;
Fig. 2 eine Anordnungsvariante des Wirbel-Generators;
Fig. 3a-c die gruppenweise Anordnung von Wirbel-Generatoren in einem Kanal im Längsschnitt, in einer Draufsicht und in einer Hinteransicht;
Fig. 4a-c eine Ausführungsvariante einer gruppenweisen Anordnung von Wirbel-Generatoren in gleicher Darstellung wie Fig. 3 mit einer Variante der Sekundarströmungsführung;
Fig. 5 eine zweite Variante der Sekundarströmungsführung;
Fig. 6 eine dritte Variante der Sekundarströmungsführung;
Fig. 7 die Ringbrennkammer einer Gasturbine mit eingebauten Wirbel-Generatoren;
Fig. 8 einen teilweisen Längsschnitt durch die Brennkammer nach Linie 8-8 in Fig. 7.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In den Fig. 1, 2, 5 und 6 ist der eigentliche Kanal, der von einer mit grossem Pfeil symbolisierten Hauptströmung durchströmt wird, nicht dargestellt. Gemäss diesen Figuren besteht ein Wirbel-Generator im wesentlichen aus drei frei umströmten dreiekkigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 10 und zwei Seitenflächen 11 und 13. In ihrer Längserstrec kung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung.
In sämtlichen gezeigten Beispielen stehen die beiden Seitenflächen 11 und 13 senkrecht auf der Kanalwand 21, wobei angemerkt wird, dass dies nicht zwingend ist. Die Seitenwände, welche aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf dieser Kanalwand 21 fixiert, vorzugsweise gasdicht. Sie sind so orientiert, dass sie an ihren Schmalseiten einen Stoss bilden unter Einschluss eines Pfeilwinkels alpha . Der Stoss ist als scharfe Verbindungskante 16 ausgeführt und steht ebenfalls senkrecht zu jener Kanalwand 21, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel alpha einschliessenden Seitenflächen 11, 13 sind symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung und sind beidseitig einer Symmetrieachse 17 angeordnet (Fig 3b, 4b). Diese Symmetrieachse 17 ist gleichgerichtet wie die Kanalachse.
Die Dachfläche 10 liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden und sehr spitz ausgebildeten Kante 15 an der gleichen Kanalwand 21 an wie die Seitenwände 11, 13. Ihre längsgerichteten Kanten 12, 14 sind bündig mit den in den Strömungskanal hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen. Die Dachfläche verläuft unter einem Anstellwinkel THETA zur Kanalwand 21. Ihre Längskanten 12, 14 bilden zusammen mit der Verbindungskante 16 eine Spitze 18.
Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er auf geeignete Art an der Kanalwand 21 befestigt ist. Eine derartige Bodenfläche steht indes in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Elementes.
In Fig. 1 bildet die Verbindungskante 16 der beiden Seitenflächen 11, 13 die stromabwärtige Kante des Wirbel-Genera tors. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante 15 der Dachfläche 10 ist somit die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagte Kante.
Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators ist folgende: Beim Umströmen der Kanten 12 und 14 wird die Hauptströmung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt. Deren Wirbelachsen liegen in der Achse der Hauptströmung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down), sofern letzteres überhaupt gewünscht wird, werden bestimmt durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels THETA und des Pfeilwinkels alpha . Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens wandert stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel THETA und alpha durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozess selbst vorgegeben. Angepasst werden muss dann nur noch die Höhe h der Verbindungskante 16 (Fig. 3a, 4a).
In den Fig 3a und 4a, in welchen der durchströmte Kanal mit 20 bezeichnet ist, ist erkennbar, dass der Wirbel-Generator unterschiedliche Höhen gegenüber der Kanalhöhe H aufweisen kann. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungskante 16 so mit der Kanalhöhe H abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Grösse erreicht, dass die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird. Ein weiteres Kriterium, welches Einfluss auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Es versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.
Im Gegensatz zu Fig. 1 ist in Fig. 2 die scharfe Verbindungskante 16 jene Stelle, die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagt wird. Das Element ist um 180 DEG gedreht. Wie aus der Darstellung erkennbar, haben die beiden gegenläufigen Wirbel ihren Drehsinn geändert.
In Fig. 3 ist gezeigt, wie über der Breite des durchströmten Kanals 20 mehrere, hier 3 Wirbel-Generatoren ohne Zwischenräume nebeneinander angeordnet sind. Der Kanal 20 hat in diesem Fall Rechteckform, was jedoch erfindungsunwesentlich ist.
Eine Ausführungsvariante mit 2 vollen und beidseitig daran angrenzenden 2 halben Wirbel-Generatoren ist in Fig. 4 gezeigt. Bei gleicher Kanalhöhe H und gleichem Anstellwinkel THETA der Dachfläche 10 wie in Fig. 3 unterscheiden sich die Elemente insbesondere durch ihre grössere Höhe h. Bei gleichbleibendem Anstellwinkel führt dies zwangsläufig zu einer grösseren Länge L des Elementes und demzufolge auch - wegen der gleichen Teilung - zu einem kleineren Pfeilwinkel alpha . Im Vergleich mit Fig. 3 werden die erzeugten Wirbel eine geringere Drallstärke aufweisen, jedoch innert kürzerem Intervall den Kanalquerschnitt voll ausfüllen. Falls in beiden Fällen ein Wirbelaufplatzen beabsichtigt ist, beispielsweise zum Stabilisieren der Strömung, wird dies beim Wirbel-Generator nach Fig. 4 später erfolgen als bei jenem nach Fig. 3.
Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kanäle könnten beispielsweise Brennkammern sein. Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass die Form des durchströmten Kanals für die wirkungsweise der Erfindung nicht wesentlich ist. Statt des gezeigten Rechtecks könnte es sich beim Kanal auch um ein Ringsegment handeln, d.h. die Wände 21a und 21b wären gekrümmt. Die obige Aussage, dass die Seitenflächen senkrecht auf der Kanalwand stehen, muss in einem solchen Fall selbstverständlich relativiert werden. Massgebend ist, dass die auf der Symmetrielinie 17 liegende Verbindungskante 16 senkrecht auf der entsprechenden Wand steht. Im Fall von ringförmigen Wänden würde die Verbindungskante 16 somit radial ausgerichtet sein, wie dies auf der später zu beschreibenden Fig. 7 dargestellt ist.
In den genannten Fig. 3 und 4 sind die Wirbel-Generatoren als Mischer zweier Strömungen verwendet. Die Hauptströmung in Form von Brennluft attackiert in Pfeilrichtung die quergerichteten Eintrittskanten 15. Die Sekundärströmung in Form eines beispielsweise flüssigen Brennstoffs weist einen wesentlich kleineren Massenstrom auf als die Hauptströmung. Sie wird im unmittelbaren Bereich der Wirbel-Generatoren senkrecht in die Hauptströmung eingeleitet.
Gemäss Fig. 3 geschieht diese Eindüsung über Einzelbohrungen 22a, die in der Wand 21a angebracht sind. Bei der Wand 21a handelt es sich um jene Wandung, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Bohrungen 22a befinden sich auf der Symmetrielinie 17 stromabwärts hinter der Verbindungskante 16 jedes Wirbel-Generators. Bei dieser Konfiguration wird der Brennstoff in die bereits bestehenden gross-skaligen Wirbel eingegeben.
Bei der geschilderten Brennkammer könnte es sich desweiteren um eine selbstzündende Nachbrennkammer stromabwärts einer Hochtemperatur-Gasturbine handeln. Der hohe Energieinhalt deren Abgase ermöglicht die Selbstzündung. Voraussetzung für eine Optimierung des Verbrennungsprozesses, insbesondere hinsichtlich einer Minimierung der Emissionen, ist ein effektives, schnelles Mischen der Heissgasströmung mit dem eingedüsten Brennstoff.
Wird eine Brennkammerkonfiguration gemäss Fig. 3 mit dann allerdings ringförmigen Kanalwänden 21a und 21b zugrundegelegt, bei welcher je Wirbel-Generator eine Brennstoffzuführung vorgesehen ist, so werden die Wirbel-Generatoren so ausgelegt, dass Rezirkulationszonen grösstenteils vermieden werden. Dadurch ist die Verweilzeit der Brennstoffpartikel in den heissen Zonen sehr kurz, was sich günstig auf minimale Bildung von NOX auswirkt. Der über die Wandbohrungen 21a eingedüste Brennstoff wird von den Wirbeln mitgeschleppt und mit der Hauptströmung vermischt. Er folgt dem schraubenförmigen Verlauf der Wirbel und wird stromabwärts der Wirbel in der Kammer gleichmässig feinverteilt.
Dadurch reduziert sich die - bei der eingangs erwähnten radialen Eindüsung von Brennstoff in eine unverwirbelte Strömung - Gefahr von Aufprallstrahlen an der gegenüberliegenden Wand und die Bildung von sogenannten "hot spots".
Da der hauptsächliche Mischprozess in den Wirbeln erfolgt und weitgehend unempfindlich gegen den Eindüsungsimpuls der Sekundärströmung ist, kann die Brennstoffeinspritzung flexibel gehalten werden und an andere Grenzbedingungen angepasst werden. So kann im ganzen Lastbereich der gleiche Eindüsungsimpuls beibehalten werden. Da das Mischen durch die Geometrie der Wirbel-Generatoren bestimmt wird, und nicht durch die Maschinenlast, im Beispielsfall die Gasturbinenleistung, arbeitet der so konfigurierte Nachbrenner auch bei Teillastbedingungen optimal. Der Verbrennungsprozess wird durch Anpassen der Zündverzugszeit des Brennstoffs und Mischzeit der Wirbel optimiert, was eine Minimierung der Emissionen gewährleistet.
Desweiteren bewirkt das wirkungsvolle Vermischen ein gutes Temperaturprofil über dem durchströmten Querschnitt und reduziert überdies die Möglichkeit des Auftretens von thermoakustischer Instabilität. Allein durch ihre Anwesenheit wirken die Wirbel-Generatoren als Dämpfungsmassnahme gegen thermoakustische Schwingungen.
Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante einer Brennkammer, bei der die Sekundärströmung ebenfalls über Wandbohrungen 22b eingedüst wird. Diese befinden sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren in jener Wand 21b, an der die Wirbel-Generatoren nicht angeordnet sind, also an der der Wand 21a gegenüberliegenden Wand. Die Wandbohrungen 22b sind jeweils mittig zwischen den Verbindungskanten 16 zweier benachbarter Wirbel-Generatoren angebracht, wie aus Fig. 4 ersichtlich. Auf diese Weise gelangt der Brennstoff auf die gleiche Art in die Wirbel wie bei der Ausführung nach Fig. 3. Allerdings mit dem Unterschied, dass er nicht mehr in die Wirbel eines von einem gleichen Wirbel-Generator erzeugten Wirbelpaares eingemischt wird, sondern in je einen Wirbel zweier benachbarter Wirbel-Generatoren.
Da die benachbarten Wirbel-Generatoren indes ohne Zwischenraum angeordnet sind und Wirbelpaare mit gleichen Drehsinn erzeugen, sind die Eindüsungen nach den Fig. 3 und 4 wirkungsgleich.
Die Fig. 5 und 6 zeigen weitere mögliche Formen der Einführung der Sekundärströmung in die Hauptströmung. Die Sekundärströmung wird hier über nicht gezeigte Mittel durch die Kanalwand 21 ins hohle Innere des Wirbel-Generators eingeleitet.
Gemäss Fig. 5 wird die Sekundärströmung über Wandbohrungen 22c in die Hauptströmung eingedüst, wobei die Bohrungen im stromabwärtigen Bereich der Längskanten 12 und 14 angeordnet sind.
In Fig. 6 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 22c und 22d, die sich in den Seitenflächen 11 und 13 einerseits im Bereich der Längskanten 12 und 14 und andererseits im Bereich der Verbindungskante 16 befinden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen vereinfacht eine Brennkammer mit ringförmig durchströmten Kanal 20. An beiden Kanalwänden 21a und 21b ist jeweils eine gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren in Umfangsrichtung so aneinandergereiht, dass die Verbindungskanten 16 von zwei gegenüberliegenden Wirbel-Genera toren in der gleichen Radialen liegen. Werden gleiche Höhen h für gegenüberliegende Wirbel-Generatoren vorausgesetzt, so zeigt Fig. 7, dass die Wirbel-Generatoren am inneren Kanalring 21b eine kleinere Pfeilung haben. Im Längsschnitt in Fig. 8 ist erkennbar, dass dies durch einen grösseren Anstellwinkel kompensiert werden könnte, wenn drallgleiche Wirbel im inneren und äusseren Ringquerschnitt erwünscht sind. Der Brennstoff könnte bei dieser Ausführung nach den Methoden der Fig. 5 oder 6 in die Hauptströmung eingeführt werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und gezeigten Beispiele beschränkt. Bezüglich der Anordnung der Wirbel-Generatoren im Verbund sind viele Kombinationen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Auch die Einführung der Sekundärströmung in die Hauptströmung kann auf vielfältige Weise vorgenommen werden. In Abweichung von den in Fig. 3, 4, 5 und 6 dargestellten Eindüsungen könnte im Falle der Fig. 8 auch eine zentrale Eindüsung vorgesehen werden. Der Brennstoff, in der Regel \l, würde dann über eine zentrale Brennstofflanze eingedüst werden, deren Mündung sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren im Bereich deren Spitze befinden.
Technical field
The invention relates to a flow channel with a vortex generator.
State of the art
A delta wing that is employed in a channelized flow can be regarded as a vortex generator in the broadest sense. If such wings are flown from the tip, a dead water area is created on the one hand downstream of the wing and, on the other hand, the flow experiences a not inconsiderable drop in pressure through the surface employed. The arrangement of such a delta wing in a channel must be carried out using flow-restricting aids such as struts, ribs or the like. In addition, problems arise with the cooling of such elements in a hot gas flow, for example.
Such delta wings cannot be used as mixing elements of two or more flows. The mixing of a secondary flow with a main flow present in a channel usually takes place by radial injection of the secondary flow into the channel. The momentum of the secondary flow is so small, however, that an almost complete mixing only takes place after a distance of approx. 100 channel heights.
Presentation of the invention
The object of the invention is therefore to create a 3-dimensional vortex generator in a flow-through channel, with which longitudinal vortices can be generated without a recirculation area.
According to the invention, this is achieved by
that the vortex generator has three free-flowing surfaces which extend in the direction of flow and one of which forms the roof surface and the other two form the side surfaces,
- that the side surfaces are flush with the same duct wall and enclose the arrow angle miteinander,
that the roof surface abuts the same channel wall as the side walls with an edge running transversely to the flow channel,
- And that the longitudinal edges of the roof surface, which are flush with the longitudinal edges of the side surfaces protruding into the flow channel, run at an angle of attack to the channel wall.
The advantage of the invention can be seen in the particular simplicity of the element in every respect. In terms of production technology, the element consisting of three walls with flow around it is completely problem-free. The roof surface can be joined with the two side surfaces in a variety of ways. The element can also be fixed to flat or curved channel walls in the case of weldable materials by simple weld seams. Of course, the vortex generators can also be cast together with the limiting walls. From a fluidic point of view, the element has a very low pressure drop when flowing around and it creates vortices without a dead water area. Finally, due to its generally hollow interior, the element can be cooled in a variety of ways and with various means.
It is expedient for certain applications if the angle of attack of the roof surface and / or the arrow angle alpha of the side surfaces are selected such that the vortex generated by the flow bursts in the region of the vortex generator. With the possible variation of the two angles, you have a simple aerodynamic stabilizing means in your hand, regardless of the cross-sectional shape of the flow channel, which can be both wide and low as well as narrow and high, and can be provided with flat or curved channel walls.
It makes sense if the two side surfaces including the arrow angle alpha are arranged symmetrically about an axis of symmetry. This creates swirls of equal swirl.
If the two side surfaces enclosing the arrow angle alpha form an at least approximately sharp connecting edge with one another, the flow cross-section is hardly affected by blocking.
If the sharp connecting edge is the exit-side edge of the vortex generator and it runs perpendicular to the channel wall with which the side surfaces are flush, then the non-formation of a wake area is advantageous. A vertical connecting edge also leads to side surfaces that are also perpendicular to the channel wall, which gives the vortex generator the simplest possible form and the most favorable form in terms of production technology.
It is appropriate to choose the ratio of the height h of the connecting edge of the two side surfaces to the channel height H so that the vortex generated fills the full channel height or the full height of the channel part assigned to the vortex generator immediately downstream of the vortex generator.
Preferably, without gaps, a plurality of vortex generators are arranged side by side across the width of the channel through which the flow passes. With this measure, shortly after the vortex generators, the entire channel cross section is fully loaded by the vortexes.
If the axis of symmetry runs parallel to the channel axis, and the connecting edge of the two side surfaces forms the downstream edge of the vortex generator, while the edge of the roof surface running transversely to the channel through which the flow flows is the edge that is first acted upon by the channel flow, then two will be created on a vortex generator generated the same opposite vortex. There is a swirl-neutral flow pattern in which the direction of rotation of the two vortices is ascending in the region of the connecting edge, so that the vortices impinge on the opposite wall which is not equipped with vortex generators and which can be cooled in this way, for example.
If, however, the connecting edge of the two side surfaces is the edge first acted upon by the channel flow and the edge of the roof surface running transversely to the channel through which the flow is flowing, two vortexed vortices are also generated on a vortex generator, the direction of rotation of which is directed in such a way that the Impact the vortex on the wall equipped with vortex generators.
A vortex generator is particularly suitable as a mixing element if a secondary flow - which has a substantially smaller mass flow than the main flow - is introduced into the main flow in the immediate area of the vortex generator.
The channel flowed through can be the combustion chamber of a gas turbine, the main flow being a gaseous medium and the secondary flow being a gaseous or liquid fuel, and the secondary flow being injected into the channel at least approximately perpendicular to the main flow.
With the new static mixer, it is possible to achieve extremely short mixing distances with little pressure loss. A coarse mixing of the two streams takes place after just one full vortex revolution, while a fine mixing due to turbulent flow and molecular diffusion processes occurs after a distance that corresponds to a few channel heights.
Brief description of the drawing
Several exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawing.
Show it:
Figure 1 is a perspective view of a vortex generator.
2 shows a variant of the arrangement of the vortex generator;
3a-c the grouped arrangement of vortex generators in a channel in longitudinal section, in a top view and in a rear view;
4a-c show an embodiment variant of a group-wise arrangement of vortex generators in the same representation as FIG. 3 with a variant of the secondary flow guidance;
5 shows a second variant of the secondary flow guidance;
6 shows a third variant of the secondary flow guidance;
7 shows the annular combustion chamber of a gas turbine with built-in vortex generators;
8 is a partial longitudinal section through the combustion chamber along line 8-8 in Fig. 7th
Way of carrying out the invention
1, 2, 5 and 6, the actual channel, through which a main flow symbolized by a large arrow flows, is not shown. According to these figures, a vortex generator essentially consists of three freely flowing triangular surfaces. These are a roof surface 10 and two side surfaces 11 and 13. In their longitudinal extension, these surfaces run at certain angles in the direction of flow.
In all of the examples shown, the two side surfaces 11 and 13 are perpendicular to the channel wall 21, it being noted that this is not mandatory. The side walls, which consist of right-angled triangles, are fixed with their long sides on this channel wall 21, preferably gas-tight. They are oriented in such a way that they form a joint on their narrow sides, including an arrow angle alpha. The joint is designed as a sharp connecting edge 16 and is also perpendicular to the channel wall 21 with which the side surfaces are flush. The two side surfaces 11, 13 including the arrow angle alpha are symmetrical in shape, size and orientation and are arranged on both sides of an axis of symmetry 17 (FIGS. 3b, 4b). This axis of symmetry 17 is rectified like the channel axis.
The roof surface 10 lies with a very pointed edge 15 running transversely to the flow through the channel on the same channel wall 21 as the side walls 11, 13. Its longitudinal edges 12, 14 are flush with the longitudinal edges of the side surfaces projecting into the flow channel. The roof surface extends at an angle of inclination THETA to the duct wall 21. Its longitudinal edges 12, 14 together with the connecting edge 16 form a tip 18.
Of course, the vortex generator can also be provided with a bottom surface with which it is fastened in a suitable manner to the channel wall 21. However, such a floor area is not related to the mode of operation of the element.
In Fig. 1, the connecting edge 16 of the two side surfaces 11, 13 forms the downstream edge of the vortex generator. The edge 15 of the roof surface 10 which runs transversely to the flow through the channel is thus the edge which is first acted upon by the channel flow.
The vortex generator works as follows: When flowing around edges 12 and 14, the main flow is converted into a pair of opposing vortices. Their vortex axes lie in the axis of the main flow. The number of swirls and the location of the vortex breakdown (if the latter is desired at all) are determined by appropriate selection of the angle of attack THETA and the arrow angle alpha. With increasing angles, the vortex strength or the number of swirls is increased and the location of the vortex burst moves upstream into the area of the vortex generator itself. Depending on the application, these two angles THETA and alpha are predetermined by the structural conditions and by the process itself. It is then only necessary to adjust the height h of the connecting edge 16 (FIGS. 3a, 4a).
In FIGS. 3a and 4a, in which the channel through which flow is indicated is 20, it can be seen that the vortex generator can have different heights compared to the channel height H. As a rule, the height h of the connecting edge 16 will be coordinated with the channel height H such that the vortex generated immediately downstream of the vortex generator already has such a size that the full channel height H is filled. Another criterion that can influence the ratio h / H to be selected is the pressure drop that occurs when the vortex generator flows around. It goes without saying that the pressure loss coefficient also increases with a larger ratio h / H.
In contrast to FIG. 1, the sharp connecting edge 16 in FIG. 2 is the point which is first acted upon by the channel flow. The element is rotated by 180 °. As can be seen from the illustration, the two opposite vortices have changed their sense of rotation.
In Fig. 3 it is shown how several, here 3 vortex generators are arranged side by side without gaps over the width of the flow channel 20. The channel 20 has a rectangular shape in this case, but this is not essential to the invention.
An embodiment variant with two full and two half vortex generators adjoining it on both sides is shown in FIG. 4. With the same duct height H and the same angle of attack THETA of the roof surface 10 as in FIG. 3, the elements differ in particular by their greater height h. If the angle of attack remains the same, this inevitably leads to a greater length L of the element and consequently - because of the same division - to a smaller arrow angle alpha. In comparison with FIG. 3, the vortices generated will have a lower swirl strength, but will fill the channel cross section completely within a shorter interval. If a vortex burst is intended in both cases, for example to stabilize the flow, this will take place later in the vortex generator according to FIG. 4 than in that according to FIG. 3.
The channels shown in FIGS. 3 and 4 could be combustion chambers, for example. It is pointed out once again that the shape of the channel through which flow passes is not essential to the operation of the invention. Instead of the rectangle shown, the channel could also be a ring segment, i.e. the walls 21a and 21b would be curved. In such a case, the above statement that the side surfaces are perpendicular to the channel wall must of course be relativized. It is important that the connecting edge 16 lying on the line of symmetry 17 is perpendicular to the corresponding wall. In the case of annular walls, the connecting edge 16 would thus be aligned radially, as is shown in FIG. 7 to be described later.
3 and 4, the vortex generators are used as mixers of two flows. The main flow in the form of combustion air attacks the transverse inlet edges 15 in the direction of the arrow. The secondary flow in the form of a liquid fuel, for example, has a substantially smaller mass flow than the main flow. It is introduced vertically into the main flow in the immediate area of the vortex generators.
3, this injection takes place via individual bores 22a, which are made in the wall 21a. The wall 21a is the wall on which the vortex generators are arranged. The bores 22a are located on the line of symmetry 17 downstream behind the connecting edge 16 of each vortex generator. With this configuration, the fuel is fed into the already existing large-scale vortices.
The described combustion chamber could also be a self-igniting afterburning chamber downstream of a high-temperature gas turbine. The high energy content of their exhaust gases enables self-ignition. Effective, rapid mixing of the hot gas flow with the injected fuel is a prerequisite for optimizing the combustion process, particularly with regard to minimizing emissions.
If a combustion chamber configuration according to FIG. 3 is used, but with annular channel walls 21a and 21b, in which a fuel supply is provided for each vortex generator, the vortex generators are designed so that recirculation zones are largely avoided. As a result, the residence time of the fuel particles in the hot zones is very short, which has a favorable effect on minimal NOx formation. The fuel injected via the wall bores 21a is dragged along by the vortices and mixed with the main flow. It follows the helical course of the vertebrae and is evenly finely distributed in the chamber downstream of the vertebrae.
This reduces the risk of impinging jets on the opposite wall and the formation of so-called "hot spots" - in the case of the radial injection of fuel into an undisturbed flow mentioned at the beginning.
Since the main mixing process takes place in the vortices and is largely insensitive to the injection pulse of the secondary flow, the fuel injection can be kept flexible and adapted to other boundary conditions. In this way, the same injection pulse can be maintained throughout the load range. Since the mixing is determined by the geometry of the vortex generators and not by the machine load, in the example the gas turbine output, the afterburner configured in this way works optimally even under partial load conditions. The combustion process is optimized by adjusting the ignition delay time of the fuel and mixing time of the vortices, which ensures a minimization of emissions.
Furthermore, the effective mixing results in a good temperature profile over the cross section through which the flow is flowing and also reduces the possibility of the occurrence of thermoacoustic instability. Due to their presence alone, the vortex generators act as a damping measure against thermoacoustic vibrations.
4 shows an embodiment variant of a combustion chamber in which the secondary flow is also injected via wall bores 22b. These are located downstream of the vortex generators in that wall 21b on which the vortex generators are not arranged, that is to say on the wall opposite the wall 21a. The wall bores 22b are each made centrally between the connecting edges 16 of two adjacent vortex generators, as can be seen in FIG. 4. In this way, the fuel enters the vortex in the same way as in the embodiment according to FIG. 3, but with the difference that it is no longer mixed into the vortex of a pair of vertebrae generated by the same vortex generator, but in one Vortex of two neighboring vortex generators.
Since the adjacent vortex generators are arranged without a gap and generate vortex pairs with the same direction of rotation, the injections according to FIGS. 3 and 4 have the same effect.
5 and 6 show further possible forms of introducing the secondary flow into the main flow. The secondary flow is introduced here through means not shown through the channel wall 21 into the hollow interior of the vortex generator.
5, the secondary flow is injected into the main flow via wall bores 22c, the bores being arranged in the downstream region of the longitudinal edges 12 and 14.
6, the injection takes place via wall bores 22c and 22d, which are located in the side surfaces 11 and 13 on the one hand in the region of the longitudinal edges 12 and 14 and on the other hand in the region of the connecting edge 16.
7 and 8 show a combustion chamber with a channel 20 through which flow flows in a simplified manner. On both channel walls 21 a and 21 b, an equal number of vortex generators are lined up in the circumferential direction so that the connecting edges 16 of two opposite vortex generators are in the same Radials lie. If the same heights h are assumed for opposite vortex generators, FIG. 7 shows that the vortex generators on the inner channel ring 21b have a smaller sweep. In the longitudinal section in FIG. 8 it can be seen that this could be compensated for by a larger angle of attack if swirl-like vortices in the inner and outer ring cross-section are desired. In this embodiment, the fuel could be introduced into the main flow according to the methods of FIGS. 5 or 6.
Of course, the invention is not limited to the examples described and shown. With regard to the arrangement of the vortex generators in the network, many combinations are possible without leaving the scope of the invention. The introduction of the secondary flow into the main flow can also be carried out in a variety of ways. In deviation from the injections shown in FIGS. 3, 4, 5 and 6, a central injection could also be provided in the case of FIG. 8. The fuel, usually \ l, would then be injected via a central fuel lance, the mouth of which is located downstream of the vortex generators in the area of the tip thereof.