EP0999367B1 - Strömungskanal mit Querschnittssprung - Google Patents

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EP0999367B1
EP0999367B1 EP98811112A EP98811112A EP0999367B1 EP 0999367 B1 EP0999367 B1 EP 0999367B1 EP 98811112 A EP98811112 A EP 98811112A EP 98811112 A EP98811112 A EP 98811112A EP 0999367 B1 EP0999367 B1 EP 0999367B1
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EP
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vortex
generating elements
heat generator
main flow
pitch dimension
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Franz Dr. Joos
Jakob Prof.Dr. Keller
Bettina Dr. Paikert
Christian Oliver Dr. Paschereit
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General Electric Switzerland GmbH
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Alstom Schweiz AG
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to a heat generator in which Heat generator in operation flows through a medium through a flow channel wherein the flow channel at least one discontinuous cross-sectional expansion has in the direction of a main flow, such that at least one wall delimiting the flow channel is essentially transverse to Main flow direction stage.
  • thermoacoustic vibrations play a decisive role Role in the safe operation of the combustion chambers, and their controllability is an essential prerequisite for the construction of gas turbine and combined cycle power plants.
  • the object of the present invention is therefore in a heat generator which heat generator is in operation through a flow channel a medium flows in, the flow channel at least one discontinuous Cross-sectional expansion in the direction of a main flow, that at least one wall delimiting the flow channel is an Has essentially transverse to the main direction of the stage that Emergence of the high pressure fluctuations discussed above in a narrow Prevent frequency range.
  • this is achieved in that a number of vortex-generating elements are arranged upstream of the stage, the vortex-generating elements being arranged spaced apart from one another with a lateral division dimension on a line running transversely to the main flow direction, and that for the purpose of disturbing coherent periodic detachment vortexes, the detachment frequency of which is below one Cutoff frequency lies, the lateral pitch is less than half the wavelength which is assigned to the cutoff frequency in the main flow downstream of the stage, so that the condition t ⁇ u C 2f G in which relationship t the lateral division dimension of the arrangement of the vortex-generating elements, u C the velocity of the main flow downstream of the stage, and f G the cut-off frequency represent.
  • the vortex-generating elements are no further than 20% of the lateral division dimension are arranged upstream of the step, so these vertebrae do not dissipate themselves before reaching the stage.
  • the height of the vortex generating elements should not be more than 20% of the pitch, so as not to cause excessive pressure losses cause; the introduction of eddies into the boundary layer is already sufficient to achieve the desired effect.
  • the vortex-generating elements are low Distance in the direction of flow to offset each other to the phase of Vertebrae shift relative to each other, and the damping continues to increase improve.
  • a preferred geometry of the vortex generators is in EP 0 745 809 A1 described.
  • a wall 8 of a flow channel is shown by a Flow flows in the direction of the arrow marked U. Out the one essentially transverse to the direction of the main flow U. Step 10 of the wall 8 results in a discontinuous cross-sectional expansion of the Flow channel at which flow separation occurs.
  • the geometry shown as a vertical step is not mandatory; the stage can also have a negative or positive undercut, whereby especially in the case of a negative undercut, the overall length limiting factor.
  • Periodic detachments occur at high speed.
  • Periodic detachments occur at high speed.
  • a smooth step across the flow creates coherent separation vortices, whose phase position is almost constant over the entire transverse extent, and which, as described at the beginning, move almost undamped in the direction of the Spread main flow.
  • a uniform distance between the vortex generating elements is not essential to the invention.
  • the height h of the vortex-generating elements is advantageously quite small chosen in order not to generate undesirable pressure losses.
  • a dimension h 0.2 t is completely sufficient, because according to the invention there should be no vertebrae be induced in the main flow, but only small ones Vortices are generated which interfere with the release vortices on the step and theirs disrupt lateral coherence. It is therefore sufficient to influence a part of the Boundary layer for the inventive function.
  • the size of the vortex generating elements can vary widely Limits lie, and must be the above to fulfill the task not necessarily meet the condition; however, they are vortex generating elements then less efficient.
  • Fig. 2 shows an alternative arrangement of the vortex generating elements. This do not necessarily have to be directly at the as shown in Fig. 1 Level may be arranged, but their tips 218 may well be one Distance s to be arranged upstream of the step, this distance s being quite does not always have to be the same size: different vortex producing Elements can have different positions in the main flow direction. However, the dimension s for the most upstream is preferred Element not more than 20% of the pitch t.
  • the geometry of the vortex generating elements likewise not primarily essential to the invention.
  • 3 shows one Particularly simple variant in terms of production technology, with notches of depth h are milled into the step at a lateral distance t.
  • a vortex-generating element has three freely flowing surfaces 212, 213, 214, two of which are the side surfaces 213, 214 and one is the roof surface 212 form.
  • the extension of the side surfaces 213, 214 from the channel wall 8 out increases in the direction of flow while the distance between the Side surfaces decrease, and the height reaches a maximum at a downstream location where the side surfaces meet.
  • the roof surface 212 is triangular, and represents one in the flow direction of the wall 8 is a pioneering ramp.
  • the greatest extension h des is found vortex generating element from the wall 8; tip 218 is defined there.

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Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeerzeuger, in welchen Wärmeerzeuger im Betrieb durch einen Strömungskanal ein Medium einströmt, wobei der Strömungskanal mindestens eine unstetige Querschnittserweiterung in Richtung einer Hauptströmung aufweist, dergestalt, dass mindestens eine den Strömungskanal begrenzende Wand eine im Wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Stufe aufweist.
Stand der Technik
In der Verbrennungstechnik ist es häufig notwendig, mit stark unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zu arbeiten. Während in den Wärmeerzeugern selbst die Strömungsgeschwindigkeit aus Gründen der Flammenstabilität auf recht niedrige Werte begrenzt ist, ist es aus verschiedenen Gründen oft notwendig, die Zuströmung zu den Wärmeerzeugern mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten auszuführen. Aufgrund der Anforderungen an die Baugrösse ist es meist nicht möglich, die Anströmung eines Wärmeerzeugers kontinuierlich zu verzögern. Sehr häufig werden daher Stossdiffusoren mit unstetigen Querschnittserweiterungen eingesetzt, die zwar erhebliche Totaldruckverluste verursachen, aber sehr kompakt bauen. Weiterhin sind in Stossdiffusoren erzeugte Rückströmungen insbesondere in Wärmeerzeugern zur Flammenstabilisierung durchaus erwünscht. Ein Wärmeerzeuger, der durch Querschnittssprünge im Strömungskanal verursachte Rückströmungen zur Flammenstabilisierung nutzt, ist aus der EP 669 500 bekannt.
Gleichwohl können Wirbelstrukturen, die in Stossdiffusoren entstehen, unter bestimmten Bedingungen auch extrem schädliche Folgen nach sich ziehen, insbesondere dann, wenn der Stossdiffusor einfach als unstetige Querschnittserweiterung eines Strömungskanals ausgelegt ist. In diesem Fall existiert im Strömungskanal eine wesentlich quer zur Hauptströmung verlaufende Stufe, die als Abrisskante der Strömung fungiert. Bei einer hinreichend grossen Geschwindigkeit der Anströmung dieser Kante bilden sich parallel zu dieser Kante verlaufende periodische Ablösewirbel. Die so entstehenden kohärenten Wirbelstrukturen können sich weitgehend ungedämpft in Strömungsrichtung ausbreiten. Erreichen diese periodischen Wirbelstrukturen den Ort der Wärmezufuhr - im allgemeinen die Flamme - so werden die periodischen Druckschwankungen, in denen sich die Wirbel manifestieren, aufgrund der resultierenden starken Volumenausdehnung verstärkt. Im Resultat entstehen thermoakustische Schwingungen hoher Amplitude, die eine hohe Schwingungsenergie in einem schmalen Frequenzband konzentrieren, und die Struktur eines Wärmeerzeugers potentiell nachhaltig schädigen.
Gerade in der modernen Gasturbinentechnik, wo lokal hohe Strömungsgeschwindigkeiten, hohe Wärmefreisetzungsraten, und hohe Drücke vorliegen, spielen diese thermoakustischen Schwingungen eine entscheidende Rolle beim sicheren Betrieb der Brennkammern, und ihre Beherrschbarkeit ist eine wesentliche Voraussetzung zum Bau von Gasturbinen- und Kombi-Kraftwerken.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, in einem Wärmeerzeuger, in welchen Wärmeerzeuger im Betrieb durch einen Strömungskanal ein Medium einströmt, wobei der Strömungskanal mindestens eine unstetige Querschnittserweiterung in Richtung einer Hauptströmung aufweist, dergestalt, dass mindestens eine den Strömungskanal begrenzende Wand eine im Wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Stufe aufweist, die Entstehung der oben diskutierten hohen Druckschwankungen in einem engen Frequenzbereich zu verhindern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass stromauf der Stufe eine Anzahl wirbelerzeugender Elemente angeordnet sind, wobei die wirbelerzeugenden Elemente zueinander beabstandet mit einem lateralen Teilungsmass auf einer quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Linie angeordnet sind, und, dass zur Störung kohärenter periodischer Ablösewirbel, deren Ablösefrequenz unterhalb einer Grenzfrequenz liegt, das laterale Teilungsmass kleiner als die halbe Wellenlänge ist, die der Grenzfrequenz in der Hauptströmung stromab der Stufe zugeordnet ist, so, dass die Bedingung t ≤ uC 2fG erfüllt ist, in welcher Beziehung t das laterale Teilungsmass der Anordnung der wirbelerzeugenden Elemente, uC die Geschwindigkeit der Hauptströmung stromab der Stufe, und fG die Grenzfrequenz darstellen. Aufgrund der Störungen, die diese in die Anströmung einbringen, liegt an der Stufe kein homogenes Strömungsfeld vor, so, dass an der Stufe keine Ablösewirbel mehr auftreten können, die über die gesamte Quererstreckung der Stufe eine konstante Phasenlage aufweisen. Somit werden Gradienten des Strömungsfeldes quer zur Hauptströmungsrichtung induziert, wodurch die Ablösewirbel einerseits wesentlich schneller dissipiert werden; zudem erreichen Ablösewirbel die Flamme nicht mehr in Phase, wodurch die Entstehung der eingangs beschriebenen schädlichen thermoakustischen Schwingungen wirksam verhindert wird.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die wirbelerzeugenden Elemente nicht weiter als 20% des lateralen Teilungsmasses stromauf der Stufe angeordnet sind, damit diese Wirbel nicht vor dem Erreichen der Stufe selbst dissipiert werden.
Weiterhin sollte die Höhe der wirbelerzeugenden Elemente nicht mehr als 20% des Teilungsmasses betragen, um keine übermässigen Druckverluste zu verursachen; das Einbringen von Wirbeln in die Grenzschicht ist bereits ausreichend, um den angestrebten Effekt zu erreichen.
Es ist weiterhin von Vorteil, die wirbelerzeugenden Elemente eine geringe Strecke in Strömungsrichtung gegeneinander zu versetzen, um die Phase der Wirbel relativ zueinander zu verschieben, und die Dämpfung weiter zu verbessern.
Eine Vorzugsgeometrie der Wirbelerzeuger ist in der EP 0 745 809 A1 beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung einer Wand eines Strömungskanals mit einer Stufe und wirbelerzeugenden Elementen.
  • Fig. 2 und 3 zeigen alternative Anordnungen von wirbelerzeugenden Elementen.
  • Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Geometrie der wirbelerzeugenden Elemente.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
    In Fig. 1 ist eine Wand 8 eines Strömungskanals dargestellt, der von einer Strömung in Richtung des mit U gekennzeichneten Pfeils durchströmt wird. Aus der im wesentlichen quer zur Richtung der Hauptströmung U verlaufenden Stufe 10 der Wand 8 resultiert eine unstetige Querschnittserweiterung des Strömungskanals, an der es zur Strömungsablösung kommt. Dabei ist die dargestellte Geometrie als senkrechte Stufe nicht zwingend; die Stufe kann durchaus auch eine negative oder positive Hinterschneidung aufweisen, wobei insbesondere im Falle einer negativen Hinterschneidung die Baulänge einen begrenzenden Faktor darstellt.
    Beim Überströmen einer solchen Stufe durch eine Strömung hoher Geschwindigkeit kommt es zu periodischen Ablösungen. Insbesondere über einer quer zur Anströmung glatten Stufe bilden sich kohärente Ablösewirbel, deren Phasenlage über die gesamte Quererstreckung nahezu konstant ist, und die, wie eingangs beschrieben, sich nahezu ungedämpft in Richtung der Hauptströmung ausbreiten. Treffen die Ablösewirbel auf den Ort der Wärmezufuhr, werden die mit ihnen verbundenen Druckschwankungen verstärkt, und es entstehen die eingangs beschriebenen thermoakustischen Schwingungen.
    Die Bildung der kohärenten Ablösewirbel kann vermieden werden, indem stromauf der Stufe wirbelerzeugende Elemente 20 auf einer quer zur Hauptströmung verlaufenden Linie angeordnet werden. An den Spitzen 218 der wirbelerzeugenden Elemente 20, welche mit einem lateralen Teilungsmass t angeordnet sind, entstehen Ablösewirbel, welche das Entstehen von kohärenten Ablösewirbeln vermeidet, deren Abstand voneinander in der Hauptströmung stromab der Stufe grösser als das doppelte Teilungsmass t ist. Ablösefrequenzen, die grösser als eine Grenzfrequenz fG sind, wobei fG durch den Zusammenhang fG = uC / 2t werden somit wirkungsvoll gedämpft. uC ist in dieser Gleichung die Konvektionsgeschwindigkeit der Ablösewirbel, also die Geschwindigkeit der Hauptströmung stromab der Stufe.
    Wie aus den physikalischen Zusammenhängen leicht erkennbar ist, kann für das Teilungsmass eine recht grosse Toleranz gewählt werden: Ein gleichmässiger Abstand zwischen den wirbelerzeugenden Elementen ist nicht erfindungswesentlich.
    Die Höhe h der wirbelerzeugenden Elemente wird mit Vorteil recht klein gewählt, um keine unerwünschten Druckverluste zu erzeugen. Ein Mass h = 0.2 t ist vollkommen ausreichend, denn erfindungsgemäss sollen keine Wirbel in der Hauptströmung induziert werden, sondern es werden lediglich kleine Wirbel erzeugt, die mit den Ablösewirbeln an der Stufe interferieren und deren laterale Kohärenz stören. Somit genügt eine Beeinflussung eines Teils der Grenzschicht zur erfindungsgemässen Funktion der Erfindung. Selbstverständlich kann die Grösse der wirbelerzeugenden Elemente in weiten Grenzen liegen, und muss zur Erfüllung der Aufgabenstellung die oben gestellte Bedingung nicht unbedingt erfüllen; jedoch sind die wirbelerzeugenden Elemente dann weniger effizient.
    Fig. 2 zeigt eine alternative Anordnung der wirbelerzeugenden Elemente. Diese müssen nicht notwendigerweise wie in Fig. 1 dargestellt unmittelbar an der Stufe angeordnet sein, sondern ihre Spitzen 218 können durchaus auch eine Strecke s Stromauf der Stufe angeordnet sein, wobei diese Strecke s durchaus nicht immer gleich gross sein muss: Unterschiedliche wirbelerzeugende Elemente können in Hauptströmungsrichtung unterschiedliche Lagen haben. Bevorzugt beträgt jedoch das Mass s für das am weitesten stromauf liegende Element nicht mehr als 20% des Teilungsmass t.
    Wie in Fig. 2 angedeutet, ist die Geometrie der wirbelerzeugenden Elemente ebenfalls nicht primär erfindungswesentlich. So zeigt Fig. 3 eine herstellungstechnisch besonders einfache Variante, bei der Kerben der Tiefe h im lateralen Abstand t in die Stufe eingefräst sind.
    Sollen die wirbelerzeugenden Elemente hingegen erhaben ausgeführt werden, so kann mit Vorteil auf die in Fig. 4 dargestellte Variante zurückgegriffen werden, die aus der EP 0 745 809 A1 bekannt ist. Hierbei weist ein wirbelerzeugendes Element drei frei umströmte Flächen 212, 213, 214 auf, von denen zwei die Seitenflächen 213, 214 und eine die Dachfläche 212 bilden. Die Erstreckung der Seitenflächen 213, 214 aus der Kanalwand 8 heraus nimmt in Strömungsrichtung zu, während der Abstand zwischen den Seitenflächen abnimmt, und die Höhe erreicht ein Maximum an einer stromab gelegenen Stelle, an der die Seitenflächen aufeinandertreffen. Entsprechend ist die Dachfläche 212 dreiecksförmig, und stellt eine in Strömungsrichtung von der Wand 8 wegweisende Rampe dar. An einer Stelle, an der alle drei Flächen 212, 213, 214 aufeinandertreffen, findet sich die grösste Erstreckung h des wirbelerzeugenden Elements von der Wand 8; dort ist die Spitze 218 definiert.
    Bezugszeichenliste
    8
    Wand eines Strömungskanals
    10
    Stufe
    20
    Wirbelerzeugendes Element
    212
    Dachfläche
    213
    Seitenfläche
    214
    Seitenfläche
    218
    Spitze
    fG
    Grenzfrequenz
    h
    Höhe eines wirbelerzeugenden Elements
    s
    Mass stromauf der Stufe 10
    t
    Teilungsmass
    uC
    Konvektionsgeschwindigkeit
    U
    Hauptströmung

    Claims (5)

    1. Wärmeerzeuger, in welchen Wärmeerzeuger im Betrieb durch einen Strömungskanal ein Medium einströmt, wobei der Strömungskanal mindestens eine unstetige Querschnittserweiterung in Richtung einer Hauptströmung aufweist, welche Querschnittserweiterung eine Rückströmzone zur Flammenstabilisierung im Wärmeerzeuger hervorruft, dergestalt, dass mindestens eine den Strömungskanal begrenzende Wand eine im Wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Stufe aufweist, wobei stromauf der Stufe eine Anzahl wirbelerzeugender Elemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die wirbelerzeugenden Elemente mit einem lateralen Teilungsmass auf einer quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Linie angeordnet sind, und, dass zur Störung kohärenter periodischer Ablösewirbel, deren Ablösefrequenz unterhalb einer Grenzfrequenz liegt, das laterale Teilungsmass kleiner als die halbe Wellenlänge ist, die der Grenzfrequenz in der Hauptströmung stromab der Stufe zugeordnet ist, so, dass die Bedingung t ≤ uC 2fG erfüllt ist, in welcher Beziehung t das laterale Teilungsmass der Anordnung der wirbelerzeugenden Elemente, uc die Geschwindigkeit der Hauptströmung stromab der Stufe, und fG die Grenzfrequenz darstellen.
    2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtigen Kanten der wirbelerzeugenden Elemente weniger als 20% des lateralen Teilungsmasses stromauf der Stufe angeordnet sind.
    3. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der wirbelerzeugenden Elemente weniger als 20% des lateralen Teilungsmasses beträgt.
    4. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirbelerzeugenden Elemente um ein Mass, das kleiner als 20% des lateralen Teilungsmasses ist, in Haupströmungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.
    5. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der wirbelerzeugenden Elemente an der Stelle der Stufe eine Anzahl von Einfräsungen in die den Strömungskanal begrenzende Wand eingearbeitet sind, wobei der Abstand der Einfräsungen voneinander dem lateralen Teilungsmass entspricht.
    EP98811112A 1998-11-06 1998-11-06 Strömungskanal mit Querschnittssprung Expired - Lifetime EP0999367B1 (de)

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