变横截面的流动通道

摘要

在高频加热器和燃烧器中,需要一个流动通道的不连续的横截面延伸。当流动(U)经过成形在该流动通道的壁(8)上的阶梯(10),在此形成的连贯的侧向分离涡旋被沿该阶梯的下游几乎无减弱的传播并且经常表示造成高度放大的热声振动。根据本发明,具有一个侧向间距尺寸的涡旋产生元件(20)被横截于主流动(U)布置在该阶梯的一个距离(s)的上游处。如果给定一个有利的间距尺寸的选择,该分离涡旋的侧向连贯永久地被消灭。

说明书

本发明涉及一个高频加热器，在这个高频加热器之内一个介质在运行期间流过一个流动通道，该流动通道至少具有在一个主流动的方向不连续的横截面延伸，其具有这样的一个方式，即限定流动通道的至少一个壁具有一个实质上横截于主流动方向伸展的阶梯。

在燃烧技术中，经常在广泛的变化的流速范围内工作。但是，由于火焰稳定性的原因，在高频加热器中的流速被限制在十分低的数值，由于不同的原因经常必须向高频加热器提供具有高速的入口流动。因为对安装尺寸的要求，通常不可能以一个连续的方式将入口流动减速达到一个高频加热器。结果，十分经常采用具有不连续的横截面延伸突然扩张的扩散管。尽管这些实质上将造成总压力上损失，它们提供了十分简单的安装。另外，十分希望在突然扩张的扩散管中产生回流，特别是对于在高频加热器中火焰稳定性。

可是，出现在突然扩张的扩散管中的涡流结构在特定的情况下也可能会带来破坏的结果，特别是当突然扩张扩散管作为一个不连续的横截面延伸的流动通道被简单地设计。在这种情况下，在该流动通道中存在一个实质上横截于主流动方向扩展的阶梯并且这个阶梯作为一个用于流动的分离边缘。在一个具有足够大流速的入口流动流向这个阶梯的情况中，形成周期分离的旋涡，其平行于这个边缘伸展。这样产生的连贯的旋涡结构实质上能够无阻尼地沿着流动的方向扩展。当这些周期的旋涡结构达到热量供应位置-一般为火焰-由于因此得到的体积上的增大，则由这些旋涡产生的周期压力波动被明显表现并被放大。结果，出现高振幅的热声振动并且这些集中在一个窄的频段内的高水平的振动能量和具有潜在的永久的对高频加热器的结构的破坏。

现有的精确的燃气涡轮机技术-局部具有高流速，高放热率和高压力-这样对于燃烧室的可靠工作，这些热声振动起到一个决定性的作用。因此对于燃气涡轮机站和组合动力站的生产制造，对它们的掌握是基本的先决条件。

因此，本发明的一个目的是，如上所述，防止在一个高频加热器中在一个狭窄的频率范围内出现高压力波动，在这个高频加热器之中一个介质在工作期间流过一个流动通道，该流动通道至少具有在一个主流动的方向不连续的横截面延伸，其具有这样的一个方式，即限定流动通道的至少一个壁具有一个实质上横截于主流动方向伸展的阶梯。

根据本发明，这可以通过一个结构来完成，其中在该阶梯的上游布置许多的涡流产生元件，涡流生产元件被布置得横截于主流动方向沿直线延伸，相互之间具有一个侧向间距尺寸的距离，和其中，为了干涉连贯的周期分离涡旋，该涡旋的分离频率低于一个限制频率，该侧向间距尺寸比与在该阶梯的主流动的下游中的限制频率相关的波长的一半要小，所以下列条件被满足：$$ >>t>\le >>>u>c>>>2>>f>G>\; >\; >$$

其中比例t代表该涡旋产生元件结构的侧向间距尺寸，u_c代表该阶梯的主流动下游的速度和f_G代表限制频率。由于这些元件引入到入射流动中的扰动，使在该阶梯处不存在均匀的流场，所以在该阶梯处，不能出现更多的分离涡旋，该分离涡旋在该阶梯的整个横截的范围上具有恒定的相位位置。结果，在横截于主流动方向导致了流场中的梯度，以便于在另一方面，分离涡旋实质上被更快地消散；另外，同相的分离涡旋不再到达火焰，所以更有效地防止在开始描述的热声振动的破坏的出现。

另外，有利的是，对于涡旋产生元件布置在该阶梯上游的不超过侧向间距尺寸的20％处，以便于这些涡旋在达到该阶梯之前不能自身消散。

另外，该涡旋产生元件的高度应当不超过该间距尺寸的20％，以便于不会造成过多的压力损失；引入到边界层中的涡旋自身足够达到所需的效果。

将涡旋产生元件相对于另一个涡旋产生元件在流动方向偏移一个小的距离也是有利的，以便于将涡旋的相位相对于另一个涡旋的相位发生移动并进一步增进衰减。

在欧洲专利EP0745809A1中描述了一个涡旋产生元件的优选几何结构，其代表一个组成部分的公布公告结合到本说明书中。

通过结合附图参考以下详细的描述将会容易得到并更好理解本发明的一个更加全面的评价和附带的优点，其中：

图1显示了根据本发明的结构的一个例子，其具有产生涡流的元件和一个阶梯的流动通道壁。

图2和3显示了生产涡流元件的可选的布置。

图4显示了产生涡流元件的优选的几何形状。

现参考附图，其中在全部的几幅图中相同的参考数字指示相同的或相应的部件，一个流动通道，流体会沿图1中箭头U所指示的方向流过该流动通道。管壁8的阶梯10实质上横向于主流动方向U扩展，以造成一个不连续的流动通道的横截面延伸。在这个扩展上出现流体的分离。在这个布置中，作为一个垂直阶梯代表的几何形状不是必不可少的；对于阶梯具有一个负的或正的下部切开，具有一个表示一个限制因素的安装长度，特别是在负下部切开的情况下，这也是十分可能的。

在流体高速流过这样一个阶梯的情况下，会出现周期的分离。在一个横截于入射流体的平滑阶梯上方，特别是，连贯的分离涡旋所形成的它的相位位置在整个横截范围上几乎是恒定的，如开始所述的，其在主流动方向上的扩散几乎没有减弱。如果分离涡旋达到热量供应的位置，与它们相关的压力波动将被放大并且出现前面所述的热声振动。

通过在该阶梯的上游布置涡旋产生元件20，该涡旋产生元件20横向于主流动方向直线布置，就可以避免连贯的分离涡旋的形成。分离涡旋出现在涡旋产生元件20的尖端218处，该分离涡旋布置得具有一个侧向间距尺寸t。这些分离涡旋可以避免连贯分离涡旋的形成，该连贯分离涡旋在该阶梯的主流动下游与另一个连贯分离涡旋之间的距离大于该间距尺寸t的两倍。大于一个限制频率f_G的分离频率于是被有效地减弱，f_G可由关系式f_G＝u_c/2t得到。在这个方程中，u_c是分离涡流的对流速度，即该阶梯的主流动下游的速度。因为可以从物理关系中容易地认识到，对于该间距尺寸能够选择一个极大的公差-在涡旋产生元件之间的均匀的距离不是本发明的基本之处。

该涡旋产生元件的高度h优选选择具有相当小的尺寸，以便于不产生不合需要的压力损失。h＝0.2t的尺寸是完全足够的，因为根据本发明在主流动中不应当引入涡旋，但是只产生小的涡旋，其与在该阶梯处的分离涡旋相互干涉并且破坏了它们的侧向连贯。结果，这足够影响用于根据本发明的发明功能的边界层的一部分。当然，该涡旋产生元件的大小能够位于一个宽的限制之内并且它不是用于执行以上设置条件的绝对需要，以为了满足所设定的目的；可是该涡旋产生元件然后降低了效果。

图2显示了该涡旋产生元件的一个可选的结构。这些元件不需要必须直接布置在该阶梯上，如图1所示，它们的尖端218可以十分好地布置在该阶梯上游的一个距离s处。这个距离s当然不是一直必须相同-不同的涡旋产生元件能够在主流动方向具有不同的位置。可是，对于位于上游最远处的元件，尺寸s优选不超过间距尺寸t的20％。

如图2所指示的，该涡旋产生元件的几何结构对于本发明可能首先不是基本的。如一个例子，图3所示的一个变化，其相对于生产技术特别简单并且其中深度h的凹口以一个侧向距离分隔t被切削到该阶梯之中。

如果，在另一方面，该涡旋产生元件具有一个升高的结构，在图4中描述了该变化，和从欧洲专利EP0745809A1所知的结构，则能够被有利地使用。EP0745809A1代表了一个整体结合到本发明的组成部分。在其中，一个涡旋产生元件具有三个面212，213和214，在该流动周围自由出现，在这些面中两个形成了侧面213和214，和一个形成了顶面212。侧面213和214在该管壁8的外面的延伸沿着流动方向增加，然而侧面之间的距离减少并且高度在一个下游点处达到最大，在该点处，两个侧面会合。顶面212是相对的三角形并且代表一个在流动方向离开壁8的倾斜的削尖。离开壁8的涡旋产生元件的最大h的范围出现在一个位置，在该位置所有的三个面212，213和214会合；尖端218被限定在该点处。

很明显，根据上述的说明，可以对本发明作大量的修改和变化。因此，要理解的是，在所附的权利要求的范围内，除了这里所进行的具体描述，本发明另外可以被实施。

                              标号列表说明8      流动通道的管壁10     阶梯20     涡旋产生元件212    顶面213    侧面214    侧面218    尖端f_G    限制频率h      涡旋产生元件的高度s      阶梯10的上游上的尺寸t      间距尺寸u_c    对流速度U      主流动