DE19757187A1

DE19757187A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieanreicherung in einer an einer umströmten Oberfläche anliegenden Grenzschicht

Info

Publication number: DE19757187A1
Application number: DE1997157187
Authority: DE
Inventors: Jonathan Lloyd
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1999-06-24
Also published as: EP0926356A3; EP0926356A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieanreicherung in einer an einer umströmten Oberfläche anliegenden Grenzschicht, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine dazu geeignete Vorrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Stand der Technik

In der Strömungslehre wird eine Grenzschicht allgemein als unmittelbar an einem festen Körper liegende dünne Fluidschicht definiert. Sie spielt eine besondere Rolle bei der Entstehung von Wirbeln und für den Strömungswiderstand der fe sten Körper. In vielen Bereichen der Strömungslehre besteht das Bedürfnis, Grenzschichten so zu beeinflussen, daß wenig Wirbel erzeugt und somit Druck verluste verringert werden. Mit zunehmender Größe bzw. Länge neigen die Grenzschichten jedoch dazu, sich von dem entsprechenden festen Körper abzu lösen. Dies kommt insbesondere bei Diffusoren vor, bei denen die Grenzschicht aufgrund starker, turbulenter Fluktuationen bereits nach relativ kurzer Lauflänge in einen turbulenten, zur Ablösung neigenden Strömungszustand umschlägt.

Um eine Ablösung der Strömungsgrenzschicht und die damit verbundene Wirbel bildung sowie Zunahme des Strömungswiderstands des festen Körpers zu ver hindern sind zahlreiche Maßnahmen zur Grenzschichtbeeinflussung bekannt. Solche Verfahren sind beispielsweise die Grenzschichtabsaugung und die Grenz schichtabblasung. Eine Vielzahl bekannter Lösungen zielt auch auf die Energiean reicherung in der Grenzschicht ab, d. h auf die turbulente Vermischung der ener giearmen Grenzschicht mit der energiereichen Hauptströmung durch besondere Wirbelerzeuger oder Turbulenzgeber (US 3974646). Infolge der Plazierung eines oder mehrerer solcher Elemente im Bereich der Hauptströmung bilden sich strom ab jedoch Wirbel aus, welche sowohl im Winkel von 90° zur als auch entgegen der Hauptströmung ausgerichtet sind. So kann zwar die Ablösung der Grenz schichten verhindert werden, doch geht dieser Vorteil häufig mit Druckverlusten einher.

Um dies zu verhindern wurde mit der DE-C2 35 34 268 eine Lösung geschaffen, bei der - ausgehend von flügel- oder keilförmigen, fest auf der umströmten Ober fläche angebrachten Wirbelerzeugern - nunmehr federnde oder gelenkig gelagerte Elemente mit annähernd L-Förmigem Querschnitt verwendet werden. Dies ist je doch eine technisch relativ aufwendige und daher teuere Lösung, welche zudem entgegen der Strömungsrichtung ausgerichtete Wirbel erzeugt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine ebensolche Vorrichtung zur Energie anreicherung in einer an einer umströmten Oberfläche anliegenden Grenzschicht zu schaffen, welche einerseits eine Ablösung der Grenzschicht verhindern und andererseits erhöhten Druckverlusten entgegenwirken.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zunächst die von der Hauptströmung abge trennte Teilströmung um annähernd 180° gedreht und dabei in die Grenzschicht eingeleitet wird. Gleichzeitig mit der Abzweigung der Teilströmung von der Hauptströmung wird auch von der Grenzschicht eine Teilströmung abgezweigt, letztere um annähernd 180° gedreht und schließlich in die Hauptströmung einge leitet.

Infolge dieses Austauschs eines Teils des relativ energiearmen Fluids der Grenz schicht mit einem Teil des vergleichsweise energiereicheren Fluids der Haupt strömung kommt es zu einer Energieanreicherung in der Grenzschicht. Da diese Energieanreicherung jedoch ohne eine wesentliche Massenzunahme realisiert wird, können frühzeitige Ablösungserscheinungen verhindert werden. Die 180°- Drehung der von der Hauptströmung abgetrennten Teilströmung hat zur Folge, daß eine gute Durchmischung des verbleibenden Teils der Grenzschicht mit der von der Hauptströmung abgezweigten Teilströmung und damit eine gleichmäßige Verteilung des energiereichen Fluids in der neugebildeten Grenzschicht erreicht wird. Dadurch kann die Ablösung der Grenzschicht weiter verzögert werden. Ein anderer wesentlicher Vorteil ist der, daß keine entgegen der Hauptströmungsrich tung ausgerichteten Wirbel erzeugt und damit Druckverluste verhindert werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3, das in der Hauptströmung angeordne te Element sich vorwiegend in Strömungsrichtung der Hauptströmung erstreckt und als ein auf seiner Länge um 180° gewundenes Strömungsleitelement ausge bildet ist. Es besitzt einen etwa J-Förmigen Querschnitt, mit einem kurzen und ei nem langen Schenkel, wobei der lange Schenkel auf der Länge des Strömungs leitelements zumindest an einem Punkt rechtwinklig zur Oberfläche angeordnet ist und an diesem Punkt eine das Strömungsleitelement mit der Oberfläche verbin dende Halterung angreift. Zudem weist das Strömungsleitelement eine Höhe rechtwinklig zur Hauptströmung auf, welche maximal der fünffachen Schichthöhe der Grenzschicht entspricht.

Aufgrund dieser Ausbildung des Strömungsleitelements kommt es zunächst zu einer Verdichtung und Beschleunigung der Grenzschicht, wodurch nach dem Aus tausch der beiden Teilströmungen eine verbesserte Einmischung der energierei chen Teilströmung in die Grenzschicht erfolgt. Im Gegensatz zu den bekannten Turbulenzerzeugern des Standes der Technik wird die Vermischung der energie armen Grenzschicht mit der energiereichen Hauptströmung in erster Linie jedoch nicht durch eine Verwirbelung beider Strömungen, sondern durch den Austausch von Teilströmungen der Grenzschicht und der Hauptströmung realisiert. Weil da bei die jeweiligen Teilströmungen in der Strömungsrichtung der Hauptströmung verbleiben, können sowohl die Druckverluste als auch das Auftreten von Scher schichten minimiert werden. Die erfindungsgemäße Höhe des Strömungsleit elements führt vorteilhaft zu einer Bauteilgröße, welche mit Standard-Bearbei tungswerkzeugen gefertigt werden kann. Zudem kann ein solches Strömungsleit element relativ einfach an der umströmten Oberfläche befestigt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrmals nacheinander eine Teilströmung der Hauptströmung in die Grenzschicht sowie eine Teilströmung der Grenzschicht in die Hauptströmung eingeleitet wird, wobei die jeweiligen Teilströmungen nach ihrer Abzweigung um annähernd 1800 gedreht werden. Auf diese Weise können Ablösungen der Grenzschicht von der gesamten umströmten Oberfläche noch nachhaltiger vermieden werden. Dazu werden in Strömungsrichtung der Haupt strömung mehrere erfindungsgemäß ausgebildete Strömungsleitelemente nach einander angeordnet.

Schließlich ist die umströmte Oberfläche mit Vorteil in einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage angeordnet und als Diffusorwand einer Turbine ausgebildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Grenz schicht an einer einseitig von Heißgas umgebenen Diffusorwand der Turbine ei ner Gasturbinenanlage dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse im Diffusor;

Fig. 2 einen Ausschnitt der Diffusorwand, mit dem erfindungsgemäßen Strö mungsleitelement;

Fig. 3 eine Querschnitt durch das Strömungsleitelement, entlang der Linie III- III in Fig. 1;

Fig. 4 eine Querschnitt durch das Strömungsleitelement, entlang der Linie IV- IV in Fig. 1;

Fig. 5 eine Querschnitt durch das Strömungsleitelement, entlang der Linie V- V in Fig. 1.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Turbine sowie die Gasturbinenanlage. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Durch den Innenraum 1 eines Diffusors, von dem nur eine als Wand ausgebildete Oberfläche 2 ausschnittsweise dargestellt ist, wird zum Zwecke der Druckrück gewinnung zuvor in einer Turbine entspanntes und als Heißgas ausgebildetes Fluid 3, in Form einer Hauptströmung 4 geleitet. Dabei wird zwischen der Wand 2 und der Hauptströmung 4 eine ebenfalls fluidische Grenzschicht 5 ausgebildet. Die Schichthöhe 6 der Grenzschicht 5 ist definiert als der Abstand von der Wand 2, in dem die Geschwindigkeit der Grenzschicht 5 etwa 99% der Geschwindigkeit der Hauptströmung 4 erreicht (Fig. 1).

Beabstandet von der der Wand 2 ist ein um 180° schraubenförmig gewundenes Strömungsleitelement 7 mittels einer Halterung 8 befestigt (Fig. 2). Das Strö mungsleitelement 7 besitzt eine Höhe 9 rechtwinklig zur Hauptströmung 4, welche etwa der vierfachen Schichthöhe 6 der Grenzschicht 5 entspricht (Fig. 3, Fig. 4). Es weist einen etwa J-Förmigen Querschnitt auf und besteht aus einem kurzen so wie einem langen Schenkel 10, 11 (Fig. 5). Auf der Länge des Strömungsleitele ments 7 ist der lange Schenkel 11 an einem Punkt 12 rechtwinklig bzw. in einem Bereich 13 unmittelbar stromauf sowie stromab nahezu rechtwinklig zur Oberflä che 2 angeordnet. In diesem Bereich 13 greift die das Strömungsleitelement 7 mit der Oberfläche 2 verbindende Halterung 8 an (Fig. 2, Fig. 4).

Beim Betrieb der Gasturbinenanlage zweigt das Strömungsleitelement 7 eine Teil strömung 14 der turbinenseitig zuströmenden Hauptströmung 4 des Heißgases 3 ab (Fig. 3). Die Teilströmung 14 wird entlang der Oberfläche des gewundenen Strömungsleitelements 7 geführt, dabei um 180° gedreht und in die Grenzschicht 5 eingeleitet. Durch die Anordnung des Strömungsleitelements 7 zwischen der Hauptströmung 4 und der Grenzschicht 5 wird letztere zunächst leicht verdichtet, was zu einer leichten Beschleunigung des Fluids der Grenzschicht 5 führt. Dies hat eine verbesserte Einmischung der Teilströmung 14 in die Grenzschicht 5 zur Folge.

Gleichzeitig mit der Abzweigung der Teilströmung 14 von der Hauptströmung 4 wird durch das Strömungsleitelement 7 eine Teilströmung 15 von der Grenz schicht 5 abgezweigt, um 180° gedreht und dabei in die Hauptströmung 4 einge leitet. Auf diese Weise erfolgt ein Austausch eines Teils des energiereicheren Fluids der Hauptströmung 4 mit einem Teil des energieärmeren Fluids der Grenz schicht 5, wobei letztere keine Massenanreicherung erfährt.

In Strömungsrichtung der Hauptströmung 4 können auch mehrere Strömungsleit elemente 7 nacheinander angeordnet sein (nicht dargestellt). Dadurch laufen die oben beschriebenen Vorgänge mehrmals hintereinander ab, so daß sich Ablö sungen der Grenzschicht 5 von der gesamten umströmten Oberfläche 2 noch nachhaltiger vermeiden lassen.

Natürlich kann das Strömungsleitelement 7 mit ähnlichen Wirkungen auch an ei ner anderen fluidumströmten Oberfläche 2 angeordnet werden. Eine solche Ober fläche 2 kann beispielsweise Teil eines sonstigen Diffusors, einer Flugzeugtragflä che oder eines Flugzeugrumpfes sein.

Bezugszeichenliste

1

Innenraum

2

Oberfläche, Wand

3

Fluid, Heißgas

4

Hauptströmung

5

Grenzschicht

6

Schichthöhe, von

5

7

Element, Strömungsleitelement

8

Halterung

9

Höhe, von

7

10

kurzer Schenkel, von

7

11

langer Schenkel, von

7

12

Punkt, von

7

13

Bereich, von

7

14

Teilströmung, von

4

15

Teilströmung, von

5

Claims

1. Verfahren zur Energieanreicherung in einer an einer umströmten Oberflä che anliegenden Grenzschicht, bei dem von einer Hauptströmung (4) eines die Oberfläche (2) umströmenden Fluids (3) eine Teilströmung (14) abge zweigt und in die Grenzschicht (5) eingeleitet wird, dadurch gekennzeich net, daß

a) die Teilströmung (14) nach der Abzweigung von der Hauptströmung (4) um annähernd 180° gedreht und dabei in die Grenzschicht (5) eingeleitet wird,
b) gleichzeitig mit der Abzweigung der Teilströmung (14) von der Hauptströmung (4) eine Teilströmung (15) von der Grenzschicht (5) abgezweigt, um 180° gedreht und in die Hauptströmung (4) eingelei tet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrmals nacheinander eine Teilströmung (14) der Hauptströmung (4) in die Grenz schicht (5) sowie eine Teilströmung (15) der Grenzschicht (5) in die Haupt strömung (4) eingeleitet wird, wobei die jeweiligen Teilströmungen (14, 15) nach ihrer Abzweigung um annähernd 180° gedreht werden.

3. Vorrichtung zur Energieanreicherung in einer an einer umströmten Oberflä che anliegenden Grenzschicht mit einer Schichthöhe (6), bei welcher beab standet von der Oberfläche (2) ein Element (7) in der Hauptströmung (4) angeordnet und an der Oberfläche (2) befestigt ist, dadurch gekennzeich net, daß das Element (7) sich vorwiegend in Strömungsrichtung der Hauptströmung (4) erstreckt und als ein auf seiner Länge um annähernd 180° gewundenes Strömungsleitelement ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strö mungsleitelement (7) einen etwa J-Förmigen Querschnitt, mit einem kurzen und einem langen Schenkel (10, 11) besitzt, der lange Schenkel (11) auf der Länge des Strömungsleitelements (7) zumindest an einem Punkt (12) rechtwinklig zur Oberfläche (2) angeordnet ist und an diesem Punkt (12) ei ne das Strömungsleitelement (7) mit der Oberfläche (2) verbindende Halte rung (8) angreift.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Strö mungsleitelement (7) eine Höhe (9) rechtwinklig zur Hauptströmung (4) auf weist, welche maximal der fünffachen Schichthöhe (6) der Grenzschicht (5) entspricht.

6. Vorrichtung einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung der Hauptströmung (4) mehrere Strömungsleitelemente (7) nacheinander angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die umströmte Oberfläche (2), die innere Oberfläche einer Strömungs maschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die umströmte Oberfläche (2) als eine Diffusorwand ausgebildet ist.