WO2010000237A1 - Sonde und verfahren zum strömungsvisualisieren - Google Patents

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WO2010000237A1
WO2010000237A1 PCT/DE2009/000919 DE2009000919W WO2010000237A1 WO 2010000237 A1 WO2010000237 A1 WO 2010000237A1 DE 2009000919 W DE2009000919 W DE 2009000919W WO 2010000237 A1 WO2010000237 A1 WO 2010000237A1
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probe
guide channel
housing
flow
aerosol
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PCT/DE2009/000919
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French (fr)
Inventor
Florian Arztmann
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
    • G01M9/065—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing dealing with flow
    • G01M9/067—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing dealing with flow visualisation

Definitions

  • the invention relates to a probe for flow visualization, in particular in a gas turbine, the type specified in the preamble of claim 1 and a method for flow visualization specified in the preamble of claim 14.
  • Such a probe for flow visualization is known from the prior art and serves to introduce an aerosol into a gas flow.
  • the introduction of aerosols into gas flows is considerably more complicated.
  • probes used for this purpose in wind tunnels for introducing steam, smoke, oil droplets or other particles such as PMMA or TiO 2 are known.
  • the probes have a guide channel which extends along a longitudinal region of the probe and comprises an inlet opening which can be coupled to a feed line for introducing the aerosol into the guide channel and an outlet opening arranged at a distance from the inlet opening for discharging the aerosol into the gas flow.
  • a vaporized in an electrically heated tube water-alcohol mixture is brought via the supply line in the guide channel.
  • the vapor condenses and creates a highly visible plume of smoke along a streamline.
  • aerodynamic properties and potentials of a component for example a car model or a gas turbine, can be specifically assessed and possibly optimized.
  • a disadvantage of the known probes is to look at the fact that the aerosol introduced only relatively inflexible in the gas flow and the flow can therefore be visualized only insufficient.
  • Object of the present invention is therefore to provide a probe and a method of the type mentioned, which allow a more flexible introduction of the aerosol into the gas flow and thus improved flow visualization.
  • a probe which allows a more flexible introduction of an aerosol into a gas flow and thus an improved flow visualization is inventively provided in that it comprises at least one further guide channel, the outlet opening of the guide channel and the outlet opening of the further guide channel at different heights of the probe are arranged. This makes it possible to introduce the aerosol simultaneously at different locations in the gas flow, whereby even complex flow fields can be visualized improved. Depending on the distance between the outlet openings, particle size agglomerates of different sizes can also be produced with the aid of the probe according to the invention, thereby providing additionally improved adaptability to different gas flows.
  • the visualized gas flow can then be measured accurately with suitable, preferably non-contact, methods.
  • the guide channels different aerosols are supplied with different properties, whereby even complex, cavitation, for example, gas flows are easily visualized.
  • the probe according to the invention also offers the advantage that the guide channels can be arranged compactly, whereby the probe on the one hand has a small space requirement and on the other hand, the gas flow as little as possible influenced.
  • the supply of the aerosol can be controlled by the individual guide channels w Beerden so that the guide channels can be switched on or off specifically. As a result, the aerosol can be locally introduced variably into the gas flow without having to move the probe and thus without disturbing the gas flow.
  • the probe comprises at least four and preferably six guide channels, the Auslassöf ⁇ hungen are arranged in different heights of the probe.
  • the Auslassöf ⁇ hungen are arranged in different heights of the probe.
  • inlet openings of the guide channels being arranged at the same height of the probe and / or adjacent to one another. This allows a simple and space-saving coupling of the inlet openings with the corresponding o supply lines. Of course, it can also be provided that two or more inlet openings can be coupled to the same supply line.
  • the probe has, at least over a length range, a cross-sectional profile adapted to a wind pressure, in particular a mirror-symmetrical and / or elliptical and / or cartridge-shaped profile.
  • the probe is at least partially aerodynamically designed so low that it has the lowest possible flow resistance coefficient.
  • the aerosol can be introduced locally metered into the gas flow, wherein it does not affect the course of the gas flow or not to an appreciable extent flow and has the desired aerodynamic compatibility.
  • At least one guide channel comprises a first blind hole extending from the inlet opening to the height of the outlet opening and starting from this a second blind hole extending to the outlet opening, which is preferably arranged substantially perpendicular to the first blind hole.
  • a structurally simple possibility is created to exactly comply with the intended depth of each guide channel.
  • each guide channel over its length may have different cross-sections, whereby a structurally simple way to influence the flow of the aerosol is given.
  • the blind holes can be drilled, pressed or cast, for example.
  • a structurally simple and cost-effective way of influencing and optimizing the outflow behavior of the aerosol is provided in a further refinement by providing a diaphragm that can be detachably fixed to the probe, by means of which an outlet cross-section of at least one outlet opening can be changed. It can be provided that the diaphragm is designed to be interchangeable and / or fixable at different positions of the probe.
  • the probe is received in a housing which is round in cross-section and is movable along an inner circumference of the housing, at least over an angular range, in particular between 0 ° and 180 °, preferably substantially 180 °.
  • the probe can be connected in a particularly simple and streamlined manner to circular flow machines which are round in cross-section - for example compressors, combustion chambers or turbines of jet engines - and moved to at least an angular range for further improved flow visualization.
  • the housing is a housing of the turbomachine.
  • the aerosol can be introduced in this way both circumferentially displaced and variably in different radial heights of the housing in a gas flow.
  • the housing comprises at least one outer and one inner annular region, between which the probe is arranged.
  • a turbomachine for example a compressor, a combustion chamber or a turbine.
  • the probe is associated with a drive device by means of which the probe is movable relative to the housing. In this way, the probe can be selectively moved into adjustable angular positions, whereby a high degree of automation with the appropriate cost reductions with increased precision of the flow measurement is possible.
  • the drive device comprises a motor, which is coupled via a transmission at least indirectly to the probe. This allows a particularly fast, precise and reliable positioning of the probe relative to the housing.
  • the probe is coupled to a driving ring, which is movably mounted in the housing and rotatable relative to the housing.
  • the probe and the driving ring are integrally formed.
  • the probe may be releasably secured to the drive ring, thereby providing a simplified assembly and the probe is easily removable from the mounting ring or interchangeable.
  • a plurality of probes are coupled to the driver ring at different circumferential positions and are movable together.
  • this carrier ring additionally exchangeable plates for generating a radial pressure distribution and a circumferential pressure disturbance are attached.
  • This has the advantage that 3 functions (aerosol, radial Pressure distribution, circumferential pressure disturbance) are provided by one unit.
  • At least one sealing element in particular an O-ring, with respect to the housing, it can advantageously also be used in situations in which different pressures prevail or prevail inside and outside the housing.
  • the housing comprises a mecanicsöfrhung, through which at least one supply line to an inlet opening of the probe can be guided.
  • This is a structurally particularly simple and cost-effective way to couple at least one supply line with the associated inlet opening, without restricting the relative mobility between the probe and the housing.
  • a further aspect of the invention relates to a method for flow visualization, in particular in a gas turbine, in which an aerosol is introduced through a feed line into an inlet opening of a guide channel of a probe and through an outlet opening of the guide channel of the probe in a gas flow arranged at a distance from the inlet opening wherein, according to the invention, a more flexible introduction of the aerosol into the gas flow and an improved flow visualization is made possible by using a probe according to one of the preceding embodiments.
  • a flow and / or turbulence field of the gas flow is determined on the basis of the aerosol discharged into the gas flow.
  • both methods with and without flow control can be used to determine the aerodynamic characteristics of the gas flow.
  • a particularly reliable and precise determination of the flow and / or turbulence field of the gas flow is achieved by determining a contactless and / or reaction-free and / or optical measuring method, in particular a particle image velocimetry and / or a laser-induced Fluorescence and / or a laser 5 Doppler anemometry method is used.
  • even complex flow fields can be determined quickly and precisely in this way.
  • Fig. 1 is a schematic and transparent perspective view of a probe according to a 15 Ausbowungsbeispiel;
  • FIG. 2 shows a schematic and opaque perspective view of the probe shown in FIG. 1, wherein additionally a shutter arranged in the region of outlet openings is shown;
  • Figure 3 is a schematic frontal view of a round cross-section housing in which the probe is movably received.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view along the section plane 25 IV-IV shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic and transparent perspective view of a probe 100 for flow visualization according to an exemplary embodiment.
  • the probe 100 comprises six guide channels 10a-f, each of which extends along a length range of the probe 100, and one inlet port 14af, which can be coupled to a supply line 12 (see FIG arranged outlet openings 16a-f.
  • An aerosol 18 (see Fig. 4) can be introduced into one or all inlet openings 14a-f via the supply lines 12 and discharged through the corresponding outlet openings 16a-f into a gas flow 20 (see Fig.
  • Each guide channel 10 in the present exemplary embodiment consists of a first blind hole 22a extending from the respective inlet opening 14 to the height of the outlet opening 16 and a second blind hole 22b extending from the latter and extending to the outlet opening 16.
  • the second blind holes 22b are each arranged essentially perpendicular to their corresponding first blind holes 22a, wherein the first blind holes 22a are circular in cross-section and the second blind holes 22b are oval in cross-section to ensure reliable mixing of the aerosol before discharging into the gas flow 20 ,
  • the guide channels 10a-f thereby have individually different lengths, whereby a collision with each other within the probe 100 is reliably avoided. This makes it possible to accommodate the six guide channels 10a-f space-saving in the probe 100.
  • the probe 100 has a cartridge-shaped cross-sectional profile adapted to a wind pressure over its length range exposed to the gas flow 20.
  • the probe 100 is detachably coupled via screw connections 23 to a driver ring 24, the exact function of which will be explained in more detail below.
  • FIG. 2 shows a schematic and opaque perspective view of the probe 100 shown in FIG. 1, with an aperture 26 arranged in the region of the outlet openings 16a-f being additionally shown.
  • the panel 26 is releasably secured to the probe 100 via corresponding screwed connections (countersunk holes 28) and can be screwed in front of one or more of the outlet openings 16a-f.
  • the outlet cross-section of the outlet openings 16a-f can thus be changed, so that the diaphragm 26 enables a subsequent optimization of the outflow behavior of the aerosol.
  • the concrete design of the Aperture 26 can thus be easily and inexpensively adapted to the particular circumstances.
  • FIG. 3 shows a schematic frontal view of a housing 30, which is round in cross-section, in which the probe 100 shown in FIGS. 1 and 2 is received and movable over an angular range along an inner circumference of the housing 30 according to the arrows IHa, HIb.
  • FIG. 3 will be explained below in conjunction with FIG. 4, which shows a schematic sectional view along the sectional plane FV-IV shown in FIG.
  • the housing 30 comprises an outer annular region 32a and an inner annular region 32b, between which the gas flow 20 is guided in an annular space.
  • the probe 100 is arranged in sections in the gas flow 20 and extends from the outer to the inner ring region 32a, 32b.
  • the probe 100 is further associated with a drive device 34, by means of which the probe 100 is movable relative to the housing 30.
  • the drive device 34 comprises an electrically actuable motor 36, which can rotate about the central axis M in the circumferential direction of the housing 30 via a toothed ring gear 38 coupled to the probe 100 Mit Meetingring 24.
  • the housing 30 comprises a slot-shaped guide opening 40, which extends in the illustrated embodiment over an angular range of 150 ° and through which the supply lines 12 through the driver ring 24 to their associated inlet openings 14a-f the probe 100 are guided.
  • the travel of the probe 100 in the circumferential direction of the housing 30 is limited by the extent of the guide opening 40 and the number of supply lines 12 to about 100 °.
  • the probe 100 or the driving ring 24 coupled with it are sealed off from the housing 30 by means of two circumferential sealing elements 42 designed as O-rings. This makes it possible that between the annular regions 32a, 32b, through which the gas flow 20 is guided and between which the probe 100 is disposed, and an outer space of the housing 30 different pressures prevail.
  • the entire housing 30 is coupled to, for example, a compressor, combustor, or turbine of a flow turbine (not shown), and the aerosol 18 is fed through the supply lines 12 into the inlet ports 14a-f the guide channels 10a-f are introduced, from where the aerosol 18 is discharged at different heights into the gas flow 20 through the spaced-apart outlet openings 16a-f.
  • a compressor, combustor, or turbine of a flow turbine not shown
  • the aerosol 18 is fed through the supply lines 12 into the inlet ports 14a-f the guide channels 10a-f are introduced, from where the aerosol 18 is discharged at different heights into the gas flow 20 through the spaced-apart outlet openings 16a-f.
  • non-contact, non-reactive measuring methods such as particle image velocimetry (PIV), laser-induced fluorescence, laser Doppler anemometry or the like can be used as the measuring method, with a suitable choice of the aerosol 18 in principle cold and reactive flow fields can be determined.
  • PAV particle image velocimetry
  • laser-induced fluorescence laser-induced fluorescence
  • laser Doppler anemometry or the like

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonde (100) zum Strömungsvisualisieren, insbesondere bei einer Gasturbine, mit einem Führungskanal (10a), welcher sich entlang eines Längenbereichs der Sonde (100) erstreckt und eine mit einer Zuführleitung koppelbare Einlassöffnung (14a) zum Einleiten eines Aerosols in den Führungskanal (10a) sowie eine in einem Abstand zur Einlassöffnung (14a) angeordnete Auslassöffnung (16a) zum Ausleiten des Aerosols in eine Gasströmung umfasst, wobei die Sonde (100) zumindest einen weiteren Führungskanal (10b-f) umfasst, wobei die Auslassöffnung (16a) des Führungskanals (10a) und die Auslassöffnung (26b-f) des weiteren Führungskanals (10b-f) in unterschiedlichen Höhen der Sonde (100) angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Strömungsvisualisieren.

Description

Sonde und Verfahren zum Strömungsvisualisieren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Sonde zum Strömungsvisualisieren, insbesondere bei einer Gasturbine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Strömungsvisualisieren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 14 angegebenen Art.
Eine derartige Sonde zum Strömungsvisualisieren ist dabei aus dem Stand der Technik be- kannt und dient zum Einbringen eines Aerosols in eine Gasströmung. Im Gegensatz zu Flüssigkeitsströmungen, bei welchen entweder genug natürliche Streukörper vorhanden oder zusätzliche einfach in einen Vorratsbehälter gegeben werden können, ist das Einbringen von Aerosolen in Gasströmungen erheblich aufwändiger. Bekannt sind zu diesem Zweck beispielsweise Sonden, die in Windkanälen zum Einleiten von Wasserdampf, Rauch, Öltröpfchen oder sonstigen Partikeln wie PMMA oder TiO2 verwendet werden. Die Sonden weisen hierzu einen Führungskanal auf, welcher sich entlang eines Längenbereichs der Sonde erstreckt und eine mit einer Zuführleitung koppelbare Einlassöffhung zum Einleiten des Aerosols in den Führungskanal sowie eine in einem Abstand zur Einlassöffnung angeordnete Auslassöffnung zum Ausleiten des Aerosols in die Gasströmung umfasst. Bei den sogenannten Rauchsonde wird beispielsweise ein in einem elektrisch beheizten Rohr verdampftes Wasser- Alkohol-Gemisch über die Zuführleitung in den Führungskanal gebracht. Nach dem Austritt aus der Auslassöffnung kondensiert der Dampfund erzeugt eine gut sichtbare Rauchfahne entlang einer Stromlinie. Auf diese Weise können beispielsweise aerodynamische Eigenschaften und Potentiale eines Bauteils, beispielsweise eines Auto- modells oder einer Gasturbine, gezielt beurteilt und eventuell optimiert werden.
Als nachteilig an den bekannten Sonden ist dabei der Umstand anzusehen, dass das Aerosol nur vergleichsweise unflexibel in die Gasströmung eingebracht und die Strömung daher nur unzureichend visualisiert werden kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sonde sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche ein flexibleres Einbringen des Aerosols in die Gasströmung und damit eine verbesserte Strömungsvisualisierung ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sonde zum Strömungsvisualisieren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Strömungsvisualisieren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Sonde - soweit an- wendbar - als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
Eine Sonde, welche ein flexibleres Einbringen eines Aerosols in eine Gasströmung und damit eine verbesserte Strömungsvisualisierung ermöglicht, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass diese zumindest einen weiteren Führungskanal umfasst, wobei die Aus- lassöffnung des Führungskanals und die Auslassöffnung des weiteren Führungskanals in unterschiedlichen Höhen der Sonde angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, das Aerosol gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen in die Gasströmung einzubringen, wodurch auch komplexe Strömungsfelder verbessert visualisiert werden können. Je nach Abstand der Auslassöffnungen können mit Hilfe der erfϊndungsgemäßen Sonde zudem unterschiedlich große Partikelagglomerate erzeugt werden, wodurch eine zusätzlich verbesserte Anpass- barkeit an unterschiedliche Gasströmungen gegeben ist. Die visualisierte Gasströmung kann dann mit geeigneten, vorzugsweise berührungslosen, Verfahren exakt vermessen werden. Dabei kann zudem vorgesehen sein, dass den Führungskanälen unterschiedliche Aerosole mit unterschiedlichen Eigenschaften zugeführt werden, wodurch auch komplexe, beispielsweise kavitationsbehaftete, Gasströmungen problemlos visualisierbar sind. Die erfindungsgemäße Sonde bietet zudem den Vorteil, dass die Führungskanäle kompakt angeordnet werden können, wodurch die Sonde einerseits einen geringen Bauraumbedarf besitzt und andererseits die Gasströmung so wenig wie möglich beeinflusst. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann die Zuleitung des Aerosols durch die einzelnen Führungskanäle gesteuert bzw. geregelt durchgeführt w ßerden, so dass die Führungskanäle gezielt zu- bzw. abgeschaltet werden können. Hierdurch kann das Aerosol örtlich variabel in den Gasstrom eingebracht werden, ohne die Sonde bewegen zu müssen und somit ohne die Gasströmung zu stören.
5 In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sonde zumindest vier und vorzugsweise sechs Führungskanäle umfasst, deren Auslassöfϊhungen in jeweils unterschiedlichen Höhen der Sonde angeordnet sind. Hierdurch ist eine besonders gute Strömungsvisualisierung ermöglicht, so dass beispielsweise gleichzeitig die Gasströmungen in einem Wandbereich eines Bauteils und in einem oder mehreren Abständen von o diesem Wandbereich sichtbar gemacht werden können. Die konkrete Anzahl der Führungskanäle kann dabei optimal an die jeweilige Problemstellung angepasst werden, wobei sich eine Anzahl von vier bzw. sechs Führungskanälen in der Regel als ausreichend erwiesen hat. Durch die in individuell unterschiedlichen Höhen angeordneten Auslassöffnungen wird zudem eine Überschneidung der Führungskanäle zuverlässig verhindert. Grundsätz-5 lieh können jedoch auch sieben oder mehr Führungskanäle vorgesehen sein.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Einlassöffhungen der Führungskanäle in derselben Höhe der Sonde und/oder zueinander benachbart angeordnet sind. Dies erlaubt eine einfache und bauraumsparende Kopplung der Einlassöffnungen mit den entsprechenden o Zufuhrleitungen. Dabei kann natürlich auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Einlassöffnungen mit derselben Zufuhrleitung koppelbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sonde zumindest über einen Längenbereich ein an einen Winddruck angepasstes, insbesondere 5 spiegelsymmetrisches und/oder elliptisches und/oder patronenformiges, Querschnittsprofil besitzt. Mit anderen Worten ist die Sonde zumindest bereichsweise aerodynamisch so günstig gestaltet, dass sie einen möglichst geringen Strömungswiderstandskoeffizienten besitzt. Hierdurch kann das Aerosol örtlich dosiert in die Gasströmung eingebracht werden, wobei sie den Verlauf der Gasströmung nicht oder nicht in nennenswertem Umfang beein-0 flusst und die gewünschte aerodynamische Verträglichkeit aufweist. Weitere Vorteile ergeben sich, indem zumindest ein Führungskanal ein sich von der Ein- lassöffhung zur Höhe der Auslassöffnung erstreckendes erstes Sackloch und von diesem ausgehend ein sich zur Auslassöffhung erstreckendes zweites Sackloch umfasst, welches vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zum ersten Sackloch angeordnet ist. Hierdurch ist eine konstruktiv einfache Möglichkeit geschaffen, die jeweils vorgesehene Tiefe jedes Führungskanals exakt einzuhalten. Zudem kann jeder Führungskanal über seine Länge unterschiedliche Querschnitte aufweisen, wodurch eine konstruktiv einfache Möglichkeit zu Strömungsbeeinflussung des Aerosols gegeben ist. In Abhängigkeit der Ausgestaltung der Sonde können die Sacklöcher dabei beispielsweise gebohrt, gepresst oder mitgegossen werden.
Eine konstruktiv einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Beeinflussung und Optimierung des Ausströmverhaltens des Aerosols ist in weiterer Ausgestaltung dadurch gegeben, dass eine lösbar an der Sonde festlegbare Blende vorgesehen ist, mittels welcher ein Aus- lassquerschnitt wenigstens einer Auslassöffhung veränderbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Blende austauschbar und/oder an unterschiedlichen Positionen der Sonde festlegbar ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sonde in einem im Querschnitt runden Gehäuse aufgenommen und zumindest über einen Winkelbereich, insbesondere zwischen 0° und 180°, bevorzugt im Wesentlichen 180°, entlang eines Innenumfangs des Gehäuses bewegbar ist. Hierdurch kann die Sonde besonders einfach und strömungsgünstig an im Querschnitt runde Strömungsmaschinen - beispielsweise Verdichter, Brennkammern oder Turbinen von Strahltriebwerken - angebunden und zur weiter verbesserten Strömungsvisualisierung zumindest über einen Winkelbereich bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse ein Gehäuse der Strömungsmaschine ist. Das Aerosol kann auf diese Weise sowohl umfangstraversiert als auch in unterschiedlichen radialen Höhen des Gehäuses variabel in eine Gasströmung eingebracht werden. Dabei kann in weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Gehäuse zumindest einen äußeren und einen inneren Ringbereich umfasst, zwischen welchen die Sonde angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige und exakte Strömungsvisualisierung in einem zwischen dem äußeren und dem inneren Ringbereich angeordneten, gasdurchströmba- ren Ringraum einer zu vermessenden Strömungsmaschine, beispielsweise einem Verdichter, einer Brennkammer oder einer Turbine.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sonde eine Antriebsvorrichtung zugeordnet ist, mittels welcher die Sonde relativ zum Gehäuse bewegbar ist. Hierdurch kann die Sonde gezielt in einstellbare Winkelstellungen bewegt werden, wodurch ein hoher Automatisierungsgrad mit den entsprechenden Kostensenkungen bei gesteigerter Präzision der Strömungsvermessung ermöglicht ist.
Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn die Antriebsvorrichtung einen Mo- tor umfasst, welcher über ein Getriebe zumindest mittelbar mit der Sonde gekoppelt ist. Dies erlaubt eine besonders schnelle, präzise und zuverlässige Positionierung der Sonde gegenüber dem Gehäuse.
Eine besonders hohe mechanische Stabilität ist in weiterer Ausgestaltung dadurch sicher- gestellt, dass die Sonde mit einem Mitnehmerring gekoppelt ist, welcher bewegbar im Gehäuse gelagert und gegenüber dem Gehäuse verdrehbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Sonde und der Mitnehmerring einteilig ausgebildet sind. Alternativ kann die Sonde lösbar am Mitnehmerring festgelegt sein, wodurch eine vereinfachte Montage gegeben und die Sonde einfach vom Montagering abnehmbar bzw. austauschbar ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mehrere Sonden an unterschiedlichen Umfangspositionen mit dem Mitnehmerring gekoppelt und gemeinsam bewegbar sind.
Es kann vorgesehen sein, dass dieser Mitnehmerring (Wabenträger) zusätzlich noch austauschbare Bleche zum Erzeugen einer radialen Druckverteilung sowie einer Umfangs- druckstörung angebracht sind. Dies hat zum Vorteil, dass 3 Funktionen (Aerosol, radiale Druckverteilung, Umfangsdruckstörung) umfangstravesiert von einer Einheit erbracht werden.
Indem die Sonde mittels zumindest eines Dichtelements, insbesondere eines O-Rings, ge- genüber dem Gehäuse abgedichtet ist, kann sie vorteilhaft auch in Situationen verwendet werden, bei welchen innerhalb und außerhalb des Gehäuses unterschiedliche Drücke herrschen bzw. herrschen sollen.
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn das Gehäuse eine Führungsöfrhung umfasst, durch welche wenigstens eine Zuführleitung zu einer Einlassöffnung der Sonde führbar ist. Dies stellt eine konstruktiv besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, wenigstens eine Zuführleitung mit der zugeordneten Einlassöffnung zu koppeln, ohne die relative Bewegbarkeit zwischen Sonde und Gehäuse einzuschränken.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strömungsvisualisieren, insbesondere bei einer Gasturbine, bei welchem ein Aerosol durch eine Zuführleitung in eine Einlassöffnung eines Führungskanals einer Sonde eingeleitet und durch eine in einem Abstand zur Einlassöffnung angeordnete Auslassöffnung des Führungskanals der Sonde in ei- ne Gasströmung ausgeleitet wird, wobei erfindungsgemäß ein flexibleres Einbringen des Aerosols in die Gasströmung und eine verbesserte Strömungsvisualisierung dadurch ermöglicht wird, dass eine Sonde gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele verwendet wird. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorstehenden Beschreibungen zu entnehmen und gelten - soweit anwendbar - für das erfindungsgemäße Verfahren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand des in die Gasströmung ausgeleiteten Aerosols ein Strömungs- und/oder Turbulenzfeld der Gasströmung ermittelt wird. Dabei können grundsätzlich sowohl Verfahren mit als auch ohne Strömungsbeeinflussung verwendet werden, um die aerodynamischen Charakteristika der Gasströmung zu ermitteln. Eine besonders zuverlässige und präzise Ermittlung des Strömungs- und/oder Turbulenzfelds der Gasströmung wird dadurch erreicht, dass zum Ermitteln ein berührungsloses und/oder rückwirkungsfreies und/oder optisches Messverfahren, insbesondere ein Particle- Image-Velocimetry- und/oder ein Laser-Induced-Fluorescence- und/oder ein Laser- 5 Doppler- Anemometrie- Verfahren, verwendet wird. In Verbindung mit der Verwendung der erfindungsgemäßen Sonde können auf diese Weise auch komplexe Strömungsfelder schnell und präzise ermittelt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nach- l o folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische und transparente Perspektivansicht einer Sonde gemäß einem 15 Ausfuhrungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische und opake Perspektivansicht der in Fig. 1 gezeigten Sonde, wobei zusätzlich eine im Bereich von Auslassöffhungen angeordnete Blende dargestellt ist;
20
Fig. 3 eine schematische Frontalansicht eines im Querschnitt runden Gehäuses, in welchem die Sonde bewegbar aufgenommen ist; und
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht entlang der in Fig. 3 gezeigten Schnittebene 25 IV-IV.
Fig. 1 zeigt eine schematische und transparente Perspektivansicht einer Sonde 100 zum Strömungsvisualisieren gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel. Die Sonde 100 umfasst sechs Führungskanäle lOa-f, die sich jeweils entlang eines Längenbereichs der Sonde 100 erstre- 3 o cken und jeweils eine mit einer Zufuhrleitung 12 (s. Fig. 4) koppelbare Einlassöffnung 14a- f sowie in jeweils unterschiedlichen Abständen zu diesen angeordneten Auslassöffhungen 16a-f umfasst. Über die Zufuhrleitungen 12 kann ein Aerosol 18 (s. Fig. 4) gezielt in eine oder alle Einlassöffhungen 14a-f eingeleitet und durch die entsprechenden Auslassöffnungen 16a-f in einen die Sonde 100 umströmenden Gasstrom 20 (s. Fig. 4) ausgeleitet werden. Die Einlassöffhungen 14a-f der Führungskanäle 10a-f sind dabei in derselben Höhe der Sonde 100 zueinander benachbart angeordnet, wohingegen die Auslassöffhungen 16a-f in unterschiedlichen Höhen der Sonde 100 angeordnet sind. Jeder Führungskanal 10 bestehet im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel aus einem sich von der jeweiligen Einlassöffhung 14 zur Höhe der Auslassöffhung 16 erstreckenden ersten Sackloch 22a und einem von diesem ausgehenden und sich zur Auslassöffhung 16 erstreckenden zweiten Sackloch 22b. Die zweiten Sacklöcher 22b sind jeweils im Wesentlichen senkrecht zu ihren korrespondierenden ersten Sacklöchern 22a angeordnet, wobei die ersten Sacklöcher 22a im Querschnitt kreisförmig und die zweiten Sacklöcher 22b im Querschnitt oval ausgebildet sind, um eine zuverlässige Durchmischung des Aerosols vor dem Ausleiten in den Gasstrom 20 sicherzustellen. Die Führungskanäle 10a-f besitzen hierdurch individuell unterschiedliche Längen, wodurch eine Kollision untereinander innerhalb der Sonde 100 zuverlässig vermieden wird. Dies ermöglicht es, die sechs Führungskanäle 10a-f bauraumsparend in der Sonde 100 unterzubringen. Um die Anforderungen an die aerodynamische Verträglichkeit der Sonde 100 zu erfüllen, besitzt die Sonde 100 dabei über ihren der Gasströmung 20 ausgesetzten Längenbereich ein an einen Winddruck angepasstes, patronenförmiges Quer- schnittsprofil. Die Sonde 100 ist im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel über Schraubverbindungen 23 lösbar mit einem Mitnehmerring 24 gekoppelt, dessen genaue Funktion im Folgenden näher erläutert werden wird.
Fig. 2 zeigt eine schematische und opake Perspektivansicht der in Fig. 1 gezeigten Sonde 100, wobei zusätzlich eine im Bereich der Auslassöffhungen 16a-f angeordnete Blende 26 dargestellt ist. Die Blende 26 ist dabei über entsprechende Verschraubungen (Senklöcher 28) lösbar an der Sonde 100 festlegbar und kann vor eine oder mehrere der Auslassöffhungen 16a-f geschraubt werden. Mit Hilfe der Blende 26 sind somit die Auslassquerschnitt der Auslassöffhungen 16a-f veränderbar, so dass die Blende 26 eine nachträgliche Optimie- rung des Ausströmverhaltens des Aerosols ermöglicht. Die konkrete Ausgestaltung der Blende 26 kann somit einfach und kostengünstig auf die jeweiligen Gegebenheiten abgestimmt werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Frontalansicht eines im Querschnitt runden Gehäuses 30, in welchem die in Fig. 1 und 2 gezeigte Sonde 100 aufgenommen und gemäß den Pfeilen IHa, HIb über einen Winkelbereich entlang eines Innenumfangs des Gehäuses 30 bewegbar ist. Fig. 3 wird im Folgenden in Zusammenschau mit Fig. 4 erläutert werden, welche eine schematische Schnittansicht entlang der in Fig. 3 gezeigten Schnittebene FV-IV zeigt. Das Gehäuse 30 umfasst einen äußeren Ringbereich 32a und einen inneren Ringbereich 32b, zwischen welchen der Gasstrom 20 in einem Ringraum geführt wird. Die Sonde 100 ist abschnittsweise im Gasstrom 20 angeordnet und erstreckt sich vom äußeren zum inneren Ringbereich 32a, 32b. Der Sonde 100 ist weiterhin eine Antriebsvorrichtung 34 zugeordnet, mittels welcher die Sonde 100 relativ zum Gehäuse 30 bewegbar ist. Die Antriebsvorrichtung 34 umfasst hierzu einen elektrisch betätigbaren Motor 36, welcher über ein Zahn- kranzgetriebe 38 den mit der Sonde 100 gekoppelten Mitnehmerring 24 um die Mittelachse M in Umfangsrichtung des Gehäuses 30 verdrehen kann. Um eine einfache Bewegung der Sonde 100 zu ermöglichen, umfasst das Gehäuse 30 eine schlitzförmige Führungsöffnung 40, die sich im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Winkelbereich von 150° erstreckt und durch welche die Zuführleitungen 12 durch den Mitnehmerring 24 zu ihren zugeordne- ten Einlassöffnungen 14a-f der Sonde 100 geführt sind. Der Verfahrweg der Sonde 100 in Umfangsrichtung des Gehäuses 30 wird durch die Erstreckung der Führungsöffnung 40 sowie der Anzahl der Zuführleitungen 12 auf etwa 100° begrenzt. Die Sonde 100 bzw. der mit ihr gekoppelte Mitnehmerring 24 sind über zwei umlaufende, als O-Ringe ausgebildete Dichtelemente 42 gegenüber dem Gehäuse 30 abgedichtet. Hierdurch ist es möglich, dass zwischen den Ringbereichen 32a, 32b, durch welche der Gasstrom 20 geführt wird und zwischen welchen die Sonde 100 angeordnet ist, und einem Außenraum des Gehäuses 30 unterschiedliche Drücke herrschen.
Zum Strömungsvisualisieren wird das gesamte Gehäuse 30 beispielsweise mit einem Ver- dichter, einer Brennkammer oder einer Turbine eines Strömungstriebwerks (nicht gezeigt) gekoppelt und das Aerosol 18 durch die Zuführleitungen 12 in die Einlassöffnungen 14a-f der Führungskanäle 10a-f eingeleitet, von wo aus das Aerosol 18 durch die beabstandet angeordneten Auslassöffhungen 16a-f in unterschiedlichen Höhen in die Gasströmung 20 ausgeleitet wird. Dies ermöglicht es im Weiteren, ein Strömungs- und/oder Turbulenzfeld des Gasstroms 20 mit Hilfe eines geeigneten Messverfahrens zu ermitteln und präzise Aussagen über die aerodynamischen Eigenschaften des Strömungstriebwerks zu treffen. Als Messverfahren können beispielsweise berührungslose, rückwirkungsfreie Messverfahren wie Particle-Image-Velocimetry (PIV), Laser-Induced-Fluorescence, Laser-Doppler- Anemometrie oder dergleichen verwendet werden, wobei bei geeigneter Wahl des Aerosols 18 grundsätzlich kalte und reagierende Strömungsfelder ermittelt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Sonde (100) zum Strömungsvisualisieren, insbesondere bei einer Gasturbine, mit
5 einem Führungskanal (10a), welcher sich entlang eines Längenbereichs der Sonde (100) erstreckt und eine mit einer Zuführleitung (12) koppelbare Einlassöffiiung (14a) zum Einleiten eines Aerosols (18) in den Führungskanal (10a) sowie eine in einem Abstand zur Einlassöffnung (14a) angeordnete Auslassöffnung (16a) zum Ausleiten des Aerosols (18) in eine Gasströmung (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (100) zumindest0 einen weiteren Führungskanal (10b-f) umfasst, wobei die Auslassöffnung (16a) des Führungskanals (10a) und die Auslassöffnung (26b-f) des weiteren Führungskanals (10b-f) in unterschiedlichen Höhen der Sonde (100) angeordnet sind.
2. Sonde (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest vier5 und vorzugsweise sechs Führungskanäle (10a-f) umfasst, deren Auslassöffhungen (16a-f) in jeweils unterschiedlichen Höhen der Sonde (100) angeordnet sind.
3. Sonde (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen (14a-f) der Führungskanäle (lOa-f) in derselben Höhe der Sonde (100) und/oder o zueinander benachbart angeordnet sind.
4. Sonde (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest über einen Längenbereich ein an einen Winddruck angepasstes, insbesondere spiegelsymmetrisches und/oder elliptisches und/oder patronenförmiges, Querschnittsprofil5 besitzt.
5. Sonde (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Führungskanal (10a-f) ein sich von der Einlassöffnung (14a-f) zur Höhe der Auslassöffnung (16a-f) erstreckendes erstes Sackloch (28a) und von diesem ausgehend ein0 sich zur Auslassöffnung (16a-f) erstreckendes zweites Sackloch (28b) umfasst, welches vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zum ersten Sackloch (28a) angeordnet ist.
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6. Sonde (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine lösbar an der Sonde (100) festlegbare Blende (26) vorgesehen ist, mittels welcher ein Auslassquerschnitt wenigstens einer Auslassöffhung (16a-f) veränderbar ist.
5
7. Sonde (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem im Querschnitt runden Gehäuse (30) aufgenommen und zumindest über einen Winkelbereich, insbesondere zwischen 0° und 180°, entlang eines Innenumfangs des Gehäuses (30) bewegbar ist. 0
8. Sonde (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) zumindest einen äußeren und einen inneren Ringbereich (32a, 32b) umfasst, zwischen welchen die Sonde (100) angeordnet ist. 5
9. Sonde (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Antriebsvorrichtung (34) zugeordnet ist, mittels welcher die Sonde (100) relativ zum Gehäuse (30) bewegbar ist.
10. Sonde (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrich- o tung (34) einen Motor (36) umfasst, welcher über ein Getriebe (38) zumindest mittelbar mit der Sonde (100) gekoppelt ist.
11. Sonde (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einem Mitnehmerring (24) gekoppelt ist, welcher bewegbar im Gehäuse (30) gela- 5 gert und gegenüber dem Gehäuse (30) verdrehbar ist.
12. Sonde (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese mittels zumindest eines Dichtelements (42), insbesondere eines O-Rings, gegenüber dem Gehäuse (30) abgedichtet ist. 0
13. Sonde (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) eine Führungsöffhung (40) umfasst, durch welche wenigstens eine Zufuhrleitung (12) zu einer Einlassöffiiung (14a-f) der Sonde (100) fuhrbar ist.
5 14. Verfahren zum Strömungsvisualisieren, insbesondere bei einer Gasturbine, bei welchem ein Aerosol (18) durch eine Zufuhrleitung (12) in eine Einlassöffhung (14) eines Führungskanals (10) einer Sonde (100) eingeleitet und durch eine in einem Abstand zur Einlassöffnung (14a) angeordnete Auslassöffhung (16) des Führungskanals (10) der Sonde (100) in eine Gasströmung (20) ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonde0 (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des in die Gasströmung (20) ausgeleiteten Aerosols (18) ein Strömungs- und/oder Turbulenzfeld der Gasströmung (20) ermittelt wird. 5
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Strömungs- und/oder Turbulenzfelds ein berührungsloses und/oder rückwirkungsfreies und/oder optisches Messverfahren, insbesondere ein Particle-Image-Velocimetry- und/oder ein Laser-Induced-Fluorescence- und/oder ein Laser-Doppler-Anemometrie- Verfahren, o verwendet wird.
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