SE509215C2 - Diffusor - Google Patents

Description

15 20 25 509 215 2 flödenas uppkomst, dels hur problemen skall bekämpas (se bl.a.

Cutler, A.D. och Johnston J.P.: "The effects of inlet conditions on the performance of straight-walled diffusers at low subsonic Mach number". Stanford University, Stanford, CA, USA, October 1981. Johnston, J.P.: "Internal Flows Chapter 3 in Turbulence 2nd Ed., Editor P.

A review Report PD-26, Bradshaw, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1978).

Dessa teorier, understödda av försök och beräkningar, visar att åtminstone en faktor som bidrar till uppkomsten av instabila flöden utgörs av s.k. avlösning i anslutning till den divergerande väggen i diffusorn. Dylik avlösning yttrar sig i att enskilda partiklar ingående i fluiden plötsligt släpper från väggen och kastas in i flödet, där de ger upphov till virvelbildningar och/eller turbulensfenomen. De instabila flödena, som uppstår då och då, ger upphov till vibrationer i stora delar av den flödesbärande konstruktionen och i synnerhet i den uppströms diffusorn befintliga rörledningen. Dessa vibrationer utsätter i sin tur konstruktionen för mekaniska påfrestningar som kan vara riskabla. I synnerhet föreligger risk att förekommande svetsar utmattas.

Det har föreslagits olika lösningar på ovan angivna pro- blem. Ett förslag går ut på att med hjälp av mekaniska medel kraftigt förstärka infästningen av åtminstone de delar av den flödesbärande konstruktionen som härbärgeras inuti reaktorinne- slutningen. Detta är emellertid ett extremt dyrbart alternativ som är komplicerat och tidskrävande att genomföra i befintliga kärnkraftverk. Ett annat förslag gär ut på att uppströms dysan insätta en roterbar (medroterande alternativt motroterande) virvelalstrare. Dylika virvelalstrare har emellertid visat sig ha en måttlig verkan med avseende på förmågan att motverka avlösning i diffusorn.

Uppfinningens syften och särdrag Föreliggande uppfinning tar sikte på att undanröja bris- terna hos ovannämnda förslag till problemlösningar och skapa en förbättrad diffusor. Ett grundläggande syfte med uppfinningen är sålunda att skapa en diffusor som med enkla och prisbilliga medel förmår effektivt motverka uppkomst av avlösningsfenomen inuti densamma och som därmed reducerar risken för att insta- 10 15 20 25 509 bila flöden skall uppstå i diffusorn jämte efterföljande utloppsrörledning. Ett ytterligare syfte är att möjliggöra ernáende av önskat resultat, dvs att undvika instabila flöden, 215 3 genom bearbetning av befintliga diffusorer i efterhand.

Enligt uppfinningen nås åtminstone det grundläggande syftet medelst de särdrag som är angivna i patentkravets 1 kän- netecknande del. Föredragna utföranden av uppfinningen är vida- re definierade i de osjälvständiga kraven.

Kort beskrivning av bifogade ritningar På ritningarna är: Fig 1 en vertikal sektion genom den övre delen av en ångge- nerator jämte en däri ingående diffusor i form av en dysa samt en nedströms dysan förefintlig rörledning, Fig 2 en förstorad sektion genom en dysa av principiellt samma slag som dysan enligt fig l, Fig 3 en sektion genom en enkel diffusor mellan två olika grova rör, Fig 4-8 extremt förstorade tvärsektioner genom ytpartier på en dysas inloppssida utförda i enlighet med uppfinningen, och Fig 9-13 schematiska vyer illustrerande olika geometriska utformningar av vulstformiga utspràng ingående i nämnda ytpartier.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföranden av uppfinningen I fig 1 betecknar 1 en takbildande överdel till en i övrigt icke närmare visad ånggenerator, varvid i denna takdel ingår en diffusor i form av en dysa generellt betecknad 2. Till dysan 2 är ansluten en utgående rörledning 3 som är vinkelfor- mad. Fluidum i form av vattenånga matas med hög hastighet (vanligen över 100 m/s) från generatorns inre genom dysan 2 och vidare genom den utgående rörledningen 3, såsom antyds medelst pilarna. På konventionellt sätt inbegriper dysan 2 ett diverge- rande hàlrum 4 som i exemplet antas ha stympat konisk grund- form, dvs hålrummet avgränsas av en koniskt formad väggyta 5. I området av dysans underdel finns ett inlopp 6, oftast benämnt hals, med en minsta tvärsnittsarea eller diameter. Hàlrummet 4 vidgar sig på nedströmssidan från denna hals. Pâ uppströmssidan 10 15 20 25 35 509 215 4 av halsen 6 förefinns en rotationssymmetrisk, välvd styryta 7 som vidgar sig på ett trumpetliknande sätt från halsen i rikt- ning mot ânggeneratorns inre. Det må även noteras att rörled- ningen 3 är förbunden med dysans 2 utloppsände via en svets 8.

I just det visade exemplet har rörledningen 3 större diameter än hålrummets 4 utloppsmynning 9. Blott såsom ett exempel må nämnas att halsen 6 kan ha en diameter av storleksordningen 400 mm samtidigt som utloppsmynningen 9 har en diameter av ca 550 mm. För en given längd av omkring S60 mm kommer vinkeln 9 (se fig 2) dylika fall l5,0°. Vid dessa dimensioner kan rörledningen 3 ha då att uppgå till 7,5°. Med andra ord är konvinkeln 26 i en innerdiameter av 750 mm, varvid rörväggens tjocklek kan ligga inom området 50-80 mm.

Beträffande konvinkeln 29 skall påpekas att tendensen till avlösning i den genomströmmande vattenàngan generellt sett ökar med ökande konvinkel.

Så långt den visade dysan 2 hittills beskrivits är den- samma i allt väsentligt tidigare känd.

Karakteristiskt för föreliggande uppfinning är att den fluidstyrande yta 7 som avgränsar dysans hålrum 4 uppvisar en av utspráng omväxlande med försänkningar uppbyggd, reliefartad ytstruktur 10 som sträcker sig åtminstone ett stycke uppströms halsen 6. Denna reliefartade, dvs icke-släta ytstruktur har till uppgift att åstadkomma små turbulenta rörelser hos de beståndsdelar i ångan som passerar i omedelbar närhet av vägg- ytan uppströms halsen. När ångan efter att ha passerat halsen träder in i det koniska hàlrummet 4 bildas därför i gränszonen mot väggytan 5 turbulensrörelser som successivt avklingar, men som motverkar tendensen hos enskilda beståndsdelar att plöts- ligt och häftigt släppa från väggytan. Denna turbulens förbättrar möjligheten till utbyten (blandning) tvärs flödesriktningen och minskar skevheten eller toppigheten i hastighetsprofilen.

Såsom kommer att beskrivas närmare med hänvisning till fig 4-13 kan den reliefartade ytstrukturen 10 förverkligas på olika sätt. Oberoende av ytstrukturens beskaffenhet bör emel- lertid densamma utbreda sig över en påtaglig area på halsens uppströmssida. Sålunda antyds i fig 1 och 2 med tjocka linjer hurusom ytstrukturen sträcker sig från en (i exemplet cirkulär) 10 15 20 25 30 509 215 5 periferi 11 hela vägen fram till själva halsen 6. I praktiken kan ytstrukturens ytterdiameter vara 2-4, lämpligen 2,5-3 gånger större än halsens 6 diameter.

I fig 3 illustreras schematiskt hurusom en reliefartad ytstruktur 10 även kan vara utformad uppströms inloppet eller halsen till en enkel diffusor i form av ett koniskt rör 2' mel- lan två rör med olika stora tvärsnittsareor. Även i detta fall utbreder sig ytstrukturen 10 ett påtagligt stycke uppströms det smala inloppet till diffusorn, dvs inuti det smala rör som ansluter sig till diffusorn.

Nu hänvisas till fig 4-8 som åskådliggör olika, alterna- tiva utföranden av ytstrukturer. I fig 4 visas sålunda hurusom de reliefbildande utspràngen kan ha formen av långsmala vulster eller àsar 12, mellan vilka avgränsas försänkningar 13. I detta fall är vulsterna i huvudsak lika breda som försänkningarna 13.

I fig 5 visas hurusom vulsterna 12 är betydligt smalare än för- sänkningarna 13. I praktiken kan den enskilda vulstens bredd uppgå till 10-40% av försänkningens bredd. Djupet eller höjden hos den enskilda vulsten är enligt utförda beräkningar avhängig av halsens 6 diameter. Sålunda bör den enskilda vulstens höjd ligga inom området 0,05-0,5, lämpligen 0,20-0,30% av halsens diameter. Fördelaktigast väljs vulstens höjd till ca 0,25% av halsens diameter. Med andra ord bör vulsten ha en höjd av ca 1 mm därest halsens diameter uppgår till 400 mm. Mera generellt uttryckt kan vulstens höjd även sägas vara kopplad till strömningstillståndet uttryckt genom flödesparametern Reynolds tal Re = gränsskiktsströmning och den så kallade Taylorskalan skulle UD/v. Utgående från information om turbulent vulstens höjd (Ä) kunna uttryckas genom ekvationen: i = k' (RJ-Ols där k är av storleksordningen 1 till 10.

I fig 6 visas hurusom den oregelbundna ytstrukturen kan ha formen av ett sàgtandmönster. I detta fall bildas den enskilda vulsten av en utskjutande yta 12 som sträcker sig väsentligen radiellt i förhållande till styrytans 7 välvning, varjämte en efterföljande försänkning avgränsas av en sned- ställd yta 13. I fig 7 visas utsprång i form av en mångfald W H 20 25 35 509 215 6 vulster med tvärsnittsvis triangulär form vilka àtskiljs medelst släta mellanytor.

Vid samtliga utföranden enligt fig 4-7 tänkes utsprången eller vulsterna vara utformade genom bearbetning av materialet i inloppsdelen av själva dysan (t ex fräsning, gnistning eller liknande). I fig 8 visas ett alternativt utförande vid vilket de enskilda vulsterna 12 utgörs av separata kroppar som på lämpligt sätt appliceras i spår i dysans välvda styryta. I analogi med utförandena enligt fig 6 och 7 kan utsidan på dessa vulstkroppar vara snedställd så att den enskilda kroppen tvårsnittsvis smalnar av i riktning nedströms. Med andra ord kommer frontytan pà den enskilda vulstkroppen att bilda ett abrupt strömningshinder som effektivt åstadkommer begränsad eller làgintensiv turbulensbildning i gränszonen mellan fluiden och styrytan 7.

Samma typ av ytstruktur eller -mönster som visas i sam- band med en konvext välvd yta i fig 4-8 kan givetvis även användas i den invändiga ytstrukturen i det klena, cylindriska röret uppströms diffusorn 2' enligt fig 3.

I fig 9, som visar ytstrukturen 10 enligt fig 1 i rikt- ning underifrån, illustreras hurusom vulsterna 12 kan ha formen av cirkulära, koncentriska ringar med olika stora diametrar. I fig 10 visas ett utförande med en enda sammanhängande vulst 12 som är spiralformig. Denna spiralform innebär att enskilda avsnitt av vulsten sträcker sig något snett i förhållande till axialriktningen genom dysan. På så sätt kommer vulsten att påföra den ankommande fluiden eller vattenángan en viss tendens att rotera i förhållande till dysans geometriska centrumaxel.

Detta innebär att den i hålrummet 4 inkommande fluiden icke blott involverar turbulensrörelser i gränszonen mot väggytan 5 utan även viss rotationsrörelse.

I fig 11 visas ett utförande vid vilket ytstrukturen bildas av vulster 12 som sträcker sig från periferin i riktning in mot den centrala halsen 6. Närmare bestämt är den enskilda vulsten rak betraktad i planprojektion enligt fig 9, men . sträcker sig i sned vinkel mot dysans centrumaxel. Genom denna snedställning av vulsterna kommer fluiden även i detta fall att påföras rotationsrörelse. Med andra ord tjänar de olika vuls- 10 U 20 25 509 215 7 terna samfällt såsom en rotationsalstrare för den ankommande fluiden.

Utförandet enligt fig 12 skiljer sig från utförandet enligt fig 11 endast däriutinnan att den enskilda vulsten 12 är åtminstone delvis bågformig istället för rak.

I fig 13 slutligen åskådliggörs ett utförande vid vilket vulster är orienterade i vinkel mot varandra och korsar varand- ra. Företrädesvis sträcker sig vulsterna snett i förhållande till diffusorns axialriktning. I det visade exemplet avgränsar de varandra korsande vulsterna försänkta områden med romboidisk form.

I ovan beskrivna utföranden är den reliefartade ytstruk- turen utformad såsom en integrerad del av själva dysan. Det är emellertid även tänkbart att utforma den önskade ytstrukturen i en separat tillsatsdel som låter sig monteras i anslutning till inloppet hos en dysa vilken på konventionellt sätt har släta ytor.

Ehuru den uppfinningsenliga diffusorn ovan exemplifie- rats i form av en dysa ingående i en ánggenerator är densamma även tillämpbar i andra sammanhang, t ex i samband med reaktor- kärl eller andra tryckkärl. Ehuru den oregelbundna ytstrukturen enligt uppfinningen med fördel bildas förmedelst långsmala vulster är det i och för sig även möjligt att åstadkomma den önskade turbulensbildningen förmedelst enskilda små utsprång i form av vårtor, knastar eller liknande. Det må även nämnas att den reliefartade ytstrukturen ej nödvändigtvis måste ända exakt i halsen, dvs det parti av passagen som har minimal tvärsnitts- area. Sålunda kan ytstrukturen ända såväl ett stycke uppströms som ett stycke nedströms den egentliga halsen.

Claims (8)

10 15 20 25 35 509 215 Patentkrav

1. l. Diffusor innefattande en tvärsnittsvis ändlös vägg (5) som vidgar sig från ett inlopp (6) för ankommande fluid till ett utlopp (9) för utgående fluid, k ä n n e t e c k n a d därav, att åtminstone ett stycke uppströms inloppet (6) uppvisar den vägg (7) som passeras av den ankommande fluiden en av utsprâng (12) omväxlande med försänkningar (13) uppbyggd, reliefartad ytstruktur (10) med uppgift att åstadkomma små turbulenta rörelser hos de beståndsdelar av fluiden som passerar i omedel- bar närhet av sagda vägg (7) i syfte att motverka avlösning av fluiden från den sig vidgande diffusorväggen (5).

2. Diffusor enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d därav, att utsprángen har formen av långsmala vulster (12).

3. Diffusor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att åtminstone två vulster (12) korsar varandra. k ä n n e t e c k n a d därav, (12) förhållande till diffusorns axialriktning i syfte att alstra

4. Diffusor enligt krav 2 eller 3, att åtminstone vissa vulster sträcker sig snett i även rotationsrörelser hos den passerande fluiden. k ä n n e - (12) diameter.

5. Diffusor enligt något av föregående krav, att det enskilda utsprànget har en t e c k n a d därav, höjd inom området 0,05-0,50% av inloppets (6)

6. Diffusor enligt något av föregående krav, k ä n n e - att den reliefbildande ytstrukturen (10) utgör en integrerad del av själva diffusorn och/eller ett till t e c k n a d därav, denna sig anslutande rör.

7. Diffusor enligt något av kraven l-5, k ä n n e t e c k - n a d därav, att den reliefbildande ytstrukturen utgör del av en separat tillsats som i sin tur är monterad i diffusorn och/eller ett till denna sig anslutande rör. 509 215

8. Diffusor enligt något av föregående krav, varvid densamma 9 utgör del av en dysa med ett inlopp i form av en hals (6) med en minsta vidd eller diameter från vilken diffusorväggen sträcker sig nedströms och på vilkens uppströmssida förefinns en rotationssymmetrisk, trumpetartat sig vidgande välvd väggyta (7), k ä n n e t e c k n a d därav, att den reliefartade ytstrukturen (10) utbreder sig från halsen (6) och utmed hela den välvda väggytan (7).