Vorrichtung zur Schalldämpfung in einem Strömungskanal
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schalldämpfung in einem Strömungskanal gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus US 6,260,658 sind Schalldämpfer bekannt, bei denen in einem Durchströmungskanal plattenformige Elemente als Schalldämpfungseinsätze angeordnet sind, die sich im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung erstrecken. Diese Schalldämpferbauart kommt beispielsweise in Ansaugkanälen von Gasturbinen zum Einsatz. Wie alle Einbauten innerhalb eines Strömungskanals stellen die plattenformigen Schalldämpfungselemente Strömungshindernisse dar, die Druckverluste verursachen. Aufgrund der
Verdrängungswirkung der plattenformigen Elemente stellt sich im Bereich des Schalldämpfers weiterhin ein wenigstens lokales Strömungsmaximum ein.
In US 6,216,443 wird vorgeschlagen, Wasser in einen Ansaugkanal einer Gasturbogruppe einzuspritzen, und zwar derart, dass Flussigkeitstropfen in den Verdichter eintreten. Die Tropfen verdunsten innerhalb des Verdichters, während des Verdichtungsprozesses, was zu einer intensiven Innenkühlung
des Verdichters führt. Neben dem massenstromerhöhenden Effekt der Verdunstungskühlung vor dem Verdichter verringert sich dadurch auch die Leistungsaufnahme des Verdichters, und es verringert sich die Verdichterendtemperatur. In der Summe resultiert daraus eine Steigerung der erreichbaren Maxi mal leistung der Gasturbogruppe, welche ja in erster Linie durch den Arbeitsmittel-Massenstrom und die zulässige Turbineneintrittstemperatur begrenzt ist. Die US 6,216,443 gibt an, das Wasser stromab eines Schalldämpfers einzuspritzen, um einen Niederschlag des eingedüsten Nebels an den Schalldämpfereinbauten zu vermeiden. Es zeigt sich aber, dass bei der dort vorgeschlagenen Lösung zusätzlich zu den
Schalldämpfereinbauten weitere Strömungshindernisse in den Strömungskanal eingebracht werden müssen.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche es ermöglicht, eine Flüssigkeit in einen Strömungskanal einzubringen, ohne weitere Druckverluste verursachende Einbauten im Strömungskanal anzuordnen. Die Flüssigkeit soll weiterhin fein zerstäubt eingebracht werden, und auf eine Weise, dass die feinen Tropfen in den stromab gelegenen Teil des Strömungskanals eintreten.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Kern der Erfindung ist also, eine Vorrichtung zur Wassereindüsung unmittelbar in die plattenformigen Elemente zur Schalldämpfung zu integrieren. Vorzugsweise sind dazu eine Mehrzahl von Eindüsungsmitteln, beispielsweise Zerstäuberdüsen, im stromabwartigen Bereich, im Bereich der stromabwartigen Kante wenigstens eines plattenformigen Elementes angeordnet. Die Anordnung sollte bevorzugt auf alle Fälle im stromabw rtigen Drittel, insbesondere im stromabw rtigen Fünftel, der Platte erfolgen. Die Eindusungsmittel sind bevorzugt so angeordnet, dass die mittlere Eindüsungsrichtung eine wesentliche Querkomponente zur Durchströmung aufweist. Der gegen die Durchströmung gebildete Winkel der mittleren Eindüsungsrichtung ist mit Vorteil grösser 30° gewählt, und insbesondere grösser 45° bevorzugt grösser 60°, beispielsweise 75° und noch darüber. Eine Eindusung, welche im wesentlichen senkrecht, also quer, zur Strömung, insbesondere zu einer Gasströmung, erfolgt, ist ganz besonders vorteilhaft. Die bevorzugten Winkel sind wie folgt zu begründen: Durch die deutlich unterschiedlichen Geschwindigkeitsvektoren der Flüssigkeit einerseits und der Kanaldurchströmung andererseits wirken an den Grenzflächen besonders hohe Scherkräfte, wodurch es zu einer nicht unerheblichen Zerstäubung der eingebrachten Flüssigkeit kommt. Weiterhin werden kleine Tropfen, welche ein hohes Strömungsfolgevermögen aufweisen, sehr schnell von der Umströmung umgelenkt und mitgerissen. Grosse Tropfen hingegen, mit einem entsprechend grossen Eigenimpuls, neigen dazu, wesentlich länger ihre Bewegungsrichtung beizubehalten, und weisen somit eine grosse Eindringtiefe in die Umströmung auf. In der Folge wird einerseits die Strähnigkeit der Flüssigkeitsverteilung geringer. Ein weiterer positiver Effekt ergibt sich aber auch dann, wenn eine Mehrzahl plattenförmiger Elemente nebeneinander angeordnet sind. Tropfen oberhalb einer bestimmten Grosse nämlich treffen bei einer solchen Konfiguration auf eine feste Wand und können dort durch geeignete Mittel abgeschieden werden. Auf diese Weise kann höchst effizient sichergestellt werden, dass nur kleine, aerosolähnliche Tropfen, beispielsweise mit
Durchmessern unter 50 μm, weiter stromab in den Strömungskanal gelangen.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind eine Mehrzahl plattenförmiger Elemente im Wesentlichen parallel zueinender im Strömungskanal angeordnet, wobei sich jedes der Elemente an sich parallel zur Durchströmungsrichtung des Strömungskanals erstreckt. Dabei weisen mehrere, bevorzugt alle, plattenformigen Elemente eine Eindüsungsvorrichtung auf. In einer anderen Ausführungsform sind mehrere Gruppen parallel angeordneter plattenförmiger Elemente im Strömungskanal angeordnet, wobei die Gruppen in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt sind. Dabei sind die Eindusungsvorrichtungen bevorzugt in Bereich der stromabwartigen Kanten der am weitesten stromab gelegenen plattenformigen Elemente angeordnet. Die Eindüsungsvorrichtung umfasst Eindusungsmittel, die bevorzugt auf einer quer zur Durchströmungsrichtung orientierten Linie angeordnet sind. Dabei sind die Eindusungsmittel in einer Ausführungsform über die gesamte Quererstreckung des plattenformigen Elementes gleichmässig verteilt. In einer weiteren Ausführungsform sind in der Mitte des plattenformigen Elementes mehr Eindusungsmittel angeordnet, als am Rand, beispielsweise den äusseren jeweils 25% der Quererstreckung; dies hat den Vorteil, dass die Verteilung des eingedüsten Flüssigkeitsmassenstroms besser der Flussverteilung der Durchströmung des Strömungskanals entspricht. In einer weiteren äusserst vorteilhaften Ausführungsform sind auf jeder Seite eines plattenformigen Elementes Eindusungsmittel angeordnet.
Besonders einfach kann die Erfindung realisiert werden, wenn die Eindüsungsvorrichtung Druckzerstäuberdüsen als Eindusungsmittel umfasst.
Die Eindüsungsvorrichtung umfasst weiterhin bevorzugt innerhalb der plattenformigen Elemente angeordnete Zuführkanäle als Flüsigkeitszuführmittel, mit denen ihrerseits die Eindusungsmittel in Fluidverbindung stehen. Ein besonders flexibler Betrieb ergibt sich, wenn in einem plattenformigen Element wenigstens zwei unabhängig voneinander mit
Flüssigkeit beaufschlagbare Flüssigkeitszuführmittel mit Eindüsungsmitteln angeordnet sind. Es ist für einen flexiblen Betrieb weiterhin von Vorteil, wenn die Eindusungsvorrichtungen verschiedener plattenförmiger Elemente unabhängig voneinander mit Flüssigkeit beaufschlagbar sind.
Wie erwähnt, ist es im Zusammenhang mit der Erfindung sehr vorteilhaft, wenn die Eindüsungsrichtung eine starke Querkomponente zur Durchströmung des Strömungskanals vorliegt. Damit trifft aber je nach vorherrschenden Verhältnissen ein Teil der eingebrachten Flüssigkeit auf andere plattenformige Elemente, und schlägt sich dort als Flüssigkeitsfilm nieder. Aus diesem Flüssigkeitsfilm werden potenziell unerwünschte grosse Tropfen und Flüssigkeitssträhnen losgerissen, und treten in den Gasstrom ein. Um dieses zu vermeiden, sind mit Vorteil an den stromabwartigen Kanten der plattenformigen Elemente Flüssigkeits-Rückhaltevorrichtungen angeordnet. Diese sind beispielsweise einfach als stromauf geöffnete und stromab der plattenformigen Elemente angeordnete Rinnen ausgeführt. In einer Ausführungsform enthalten diese weiterhin Absaugungsmittel, über die die abgeschiedene Flüssigkeit aus dem Strömungskanal abgeleitet wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich ganz besonders zur Verwendung in den Zuströmkanälen von Gasturbogruppen in Krafterzeugungsanlagen, Kraftwerksanlagen. Es ist dabei ganz besonders von Vorteil, wenn der Zuströmkanal stromab der Schalldämpfungsvorrichtung und stromauf des Verdichters im Wesentlichen einbautenfrei ist, derart, dass keine Strömungshindemisse angeordnet sind, an denen sich der feinzerstäubte Flüssigkeitsnebel als Film oder in Form grösser Tropfen niederschlagen kann. In einer Ausführungsform ist stromauf der Schalldämpfungsvorrichtung ein Luftfilter angeordnet; weiterhin finden sich stromauf der Schaldämpfungsvorrichtung und stromab des Luftfilters Mittel zur Kühlung des Ansaugluftstroms, insbesondere ein Verdunstungskühler.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung erschliessen sich im Lichte der Unteransprüche und der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen
Figur 1 eine Gasturbogruppe, welche in ihrem Ansaugtrakt eine erfindungsgemässe Schalldämpfungsvorrichtung aufweist;
Figur 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemässe
Schalldämpfungsvorrichtung im Ansaugkanal der Gasturbogruppe aus Figur 1 ; Figur 3 eine Seitenansicht eines zur Schalldämpfung verwendeten plattenformigen Elementes in erfindungsgemässer Ausführung; und
Figur 4 ein vorteilhaftes Detail einer erfindungsgemässen
Schalldämpfungsvorrichtung.
Für das Verständnis der Erfindung nicht unmittelbar notwendige Elemente sind weggelassen. Die Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen, und sollen nicht zu einer Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbogruppe mit einem Verdichter 1 , einer Brennkammer 2, und einer Turbine 3, sowie einem Generator 4. Der Verdichter 1 saugt Luft über einen Zuströmkanal 5 an. Dieser
umfasst seinerseits Abdecklamellen 6 an seinem stromaufwärtigen Ende, welche das Eindringen von gröbstem Schmutz und insbesondere Regen oder Schnee bei Starkniederschlägen verhindern sollen. Daran schliesst sich ein Luftfilter 7 an. Weiter stromab ist eine Schalldämpfungsvorrichtung 8 angeordnet. Diese besteht in einer weit verbreiteten Bauart aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter plattenförmiger Elemente, welche parallel zur Durchströmungsrichtung des Strömungskanals orientiert sind. Diese Bauart ist beispielsweise aus der US 6,260,658 bekannt. Weiterhin ist in dem Zuströmkanal eine Einspritzvorrichtung 9 angeordnet, über die Wasser oder eine andere Flüssigkeit in den Zuströmkanal eingedüst werden kann. Die Wassermenge wird dabei auf an sich bekannte Weise so bemessen, dass bis zur Schalldämpfungsvorrichtung 8 die gesamte Flüssigkeit verdunstet ist, wodurch eine Kühlung der Ansaugluft erzielt wird.
Es ist weiterhin auch bekannt, Wassermengen in die Ansaugluft einzubringen, die diese übersättigen, dergestalt, dass Flüssigkeitstropfen in den Verdichter eintreten, und dort während der Verdichtung zu einer Innenkühlung führen.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Ansaugschalldämpfer 8. Der Strömungskanal 10 wird von Wänden 11 begrenzt. Innerhalb des
Strömungskanals sind eine Anzahl plattenförmiger Elemente 12 parallel zueinander angeordnet. Die plattenformigen Elemente sind so im Strömungskanal 10 eingebaut, dass sie sich parallel zur Richtung der Durchströmung 16 erstrecken, damit der Durchströmungsquerschnitt möglichst gering versperrt wird. Zudem sind die plattenformigen Elemente an den Kanten aerodynamisch abgerundet, damit sie der Durchströmung möglichst wenig Widerstand entgegensetzen. Im stromabwartigen Teil jedes plattenformigen Elementes sind Flüssigkeits-Zufuhrkanäle 13, 14 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur stromabw rtigen Kante eines Elementes verlaufen. Mit Vorteil sind die beiden Kanäle jedes plattenformigen Elementes unabhängig voneinander mit Flüssigkeit beaufschlagbar, und können unabhängig
voneinander angesteuert werden. Die Zuführkanäle stehen jeweils mit einer Reihe hier nicht dargestellter Eindusungsmittel auf jeder Seite des plattenformigen Elementes in Fluidverbindüng, durch die Flüssigkeit, welche in die Kanäle gefördert wird, in Form von Sprühstrahlen 15 in den Strömungskanal 10 austritt. Aufgrund der durch die Schalldämpfereinbauten 12 hervorgerufene Verengung des Strömungsquerschnitts kommt es im Bereich des Schalldämpfers zu eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit; weiterhin erfolgt die Einspritzung der Flüssigkeit mit einer starken Querkomponente zur Durchströmung 16. Dadurch bewirkt die Luftströmung 16 eine starke Nachzerstäubung der eingespritzten Flüssigkeitsstrahlen, und reist einen fein zerstäubten Flüssigkeitsnebel 17 mit sich. Geichzeitig besteht die Möglichkeit, dass sich Wandfilme auf den plattenformigen Elementen bilden, und von dort grosse Sekundärtropfen und Flüssigkeitssträhnen mitgerissen werden. Um zu vermeiden, dass diese unerwünschterweise in die stromabwärtige Strömung eindringen, sind stromab der stromabwartigen
Kanten der plattenformigen Elemente Flüssigkeits-Rückhaltevorrichtungen 18 angeordnet, welche vorliegend die Form von stromauf geöffneten Rinnen haben, und in denen sich derartige aus einem Wandfilm herausgerissenen Flüssigkeitsfragmente sammeln. Diese weisen darüberhinaus eine Absaugungsvorrichtung 19, beispielsweise in Form eines perforierten Rohres, auf, welches auf nicht dargestellte, dem Fachmann aber an sich geläufige Weise, mit einem Saugapparat in Verbindung steht, wodurch angesammelte Flüssigkeit unmittelbar entfernt und gegebenenfalls wieder aufbereitet und neu eingespritzt wird.
Eine Seitenansicht eines im Ansaugkanal 10 installierten plattenformigen Elementes 12 zeigt Figur 3. Im stromab gelegenen Bereich des Elementes 12 sind zwei Reihen von als Eindusungsmittel angeordneten Zerstäuberdüsen 23, 24 dargestellt. Die Eindusungsmittel werden über die hier nicht dargestellten im Inneren des plattenformigen Elementes angeordneten Flüssigkeitszuführungen 13 und 14 mit Flüssigkeit versorgt. Die vorliegend nicht sichtbaren
Flüssigkeitszuführungen 13 und 14 verlaufen innerhalb des plattenformigen Elementes von oben nach unten; das heisst sie erstrecken sich im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung der Kanalströmung 16 über die im Wesentlichen gesamte Quererstreckung des plattenformigen Elementes. Dabei steht auf hier nicht dargestellte, aber an sich geläufige Weise die erste Flüssigkeitszuführung 13 mit ersten Zerstäuberdüsen 23 und die Flüssigkeitszuführung 14 mit zweiten Zerstäuberdüsen 24 in Fluidverbindüng. In der Figur sind die Zufuhrleitungen 13a und 14a angedeutet. Über eine Pumpe 25 wird Flüssigkeit herangeführt, und deren Zuströmung zu der Gruppe von ersten Düsen 23 und der Gruppe von zweiten Düsen 24 wird über die Absperr- und/oder Stellorgane 26 und 27 gesteuert. Deutlich erkennbar sind mehr erste Düsen 23 als zweite Düsen 24 angeordnet. Wenn die Düsen weitgehend identisch sind, heisst das, dass bei gleichem Flüssigkeitsvordruck der Flüssigkeitsmassenstrom durch die ersten Düsen proportional zur Düsenanzahl grösser ist als der Flüssigkeitsmassenstrom durch die zweiten Düsen. Besonders vorteilhaft sind die Auslegungsmassenströme der beiden Düsengruppe wie 1 :2 gestuft; es kann dann sehr einfach bei gleichem Flüssigkeitsvordruck durch Schalten von Absperrorganen 26, 27 eine Massenstromstufung im Verhältnis 0:1:2:3 realisiert werden. Die Düsen sind vorliegend etwa gleichmässig über die Quererstreckung des plattenformigen Elementes 12 verteilt; in einer anderen Ausführungsform sind in der Mitte mehr Düsen angeordnet als am Rand. Stromab der stromabwartigen Kante des plattenformigen Elementes ist noch eine Rückhaltevorrichtung 18 angeordnet, in Form eines U-Profils, mit einer Absaugevorrichtung 19. Letztere ist mit einem Anschlussstutzen 19a aus dem Strömungskanal 10 herausgeführt, und steht mit einem Sauggebläse 28 oder einer anderen geeigneten Saugapparat in Verbindung. Dies ist in einer Blickrichtung in Strömungsrichtung nochmals in Figur 4 dargestellt. Die Auffangvorrichtung besteht aus der U-förmigen und stromauf geöffneten Rinne 18, welche an ihrem Grund Öffnungen 29 aufweist, welche eine Verbindung mit der Absaugungsvorrichtung 19 herstellen. Flüssigkeitssträhnen, welche sich unter Unständen vom plattenformigen
Element 12 lösen, werden in der Rinne 18 aufgefangen und werden vom Sauggebläse 28 durch die Öffnungen 29 und das Rohr 19 abgeleitet.
Im Lichte der oben gemachten Ausführungen eröffnen sich dem Fachmann über die Ausführungsbeispiele hinausgehende Ausführungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung.
Bezugszeichenliste
1 Verdichter
2 Brennkammer
3 Turbine 4 Generator
5 Zuströmkanal; Aπsaugtrakt
6 Abdecklamellen
7 Luftfilter
8 Schalldämpfungsvorrichtung, Ansaugschalldämpfer 9 Einspritzvorrichtung
10 Strömungskanal
11 Kanalwand
12 plattenförmiges Element, Schalldämpfungselement
13 Flüssigkeits-Zuführkanal 13a Zuführleitung
14 Flüssigkeits-Zuführkanal 14a Zuführleitung
15 Sprühstrahl
16 Durchströmung, Gasströmung 17 Flüssigkeitsnebel
18 Flüssigkeits-Rückhaltevorrichtung, Auffangrinne
19 Absaugungsleitung
19a Absaugeleitung; Anschlussstutzen
23 erste Eindusungsmittel; Zerstäuberdüsen
24 zweite Eindusungsmittel; Zerstäuberdüsen
25 Pumpe
26 Absperr- und/oder Stellorgan
27 Absperr- und/oder Stellorgan
28 Sauggebläse
29 Öffnungen