DE20018375U1

DE20018375U1 - Swirl flow generator adjustable intensity

Info

Publication number: DE20018375U1
Application number: DE20018375U
Authority: DE
Original assignee: FLEIGE HANS ULRICH
Current assignee: FLEIGE HANS ULRICH
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2010-10-28

Description

HUF 002 19.10.2000HUF 002 19.10.2000

BeschreibungDescription

Drallströmungserzeuger einstellbarer IntensitätSwirl flow generator with adjustable intensity

Es handelt sich um eine Erfindung aus dem Bereich der Strömungstechnik.
Drallerzeuger dienen häufig zur Stabilisierung von Flammen in Brennern und Brennkammern unterschiedlichster Anwendungsbereiche. Drallerzeuger üblicher Bauart sind entweder nur für einen festen Drallwinkel ausgelegt oder verursachen, sofern sie verschiedene Drallstärken erzeugen können, abseits vom Auslegungspunkt stark ungleichmäßige Abströmungen mit Gebieten deutlich verringerter Geschwindigkeit ("Nachlaufdellen") und hohen aerodynamischen Verlusten (Mundus, B.; Kremer, H.: Untersuchungen der strömungstechnischen Eigenschaften unterschiedlicher Bauformen von Drallerzeugem. Die Industriefeuerung, Heft 49, pp. 33-39, 1989 und Leuckel, W.: Swirl Intensities, swirl types and energy losses of different swirl generating devices. 1973).
Ein weiteres Anwendungsgebiet für einstellbare Drallerzeuger besteht in der Vordrall regelung von Pumpen und Turbinen. Beispielsweise werden die Turbinen von Turboladern mit derartigen Drallerzeugem als verstellbare Leitschaufelreihe versehen. Bei der heute üblichen Bauart werden einzeln gelagerte, verdrehbare Leitschaufeln fester Geometrie verwendet, die bei den meisten Anströmungswinkeln, wie oben erwähnt, hohe aerodynamische Verluste erzeugen (EP 0 226 444)).It is an invention from the field of fluid dynamics.
Swirl generators are often used to stabilize flames in burners and combustion chambers in a wide variety of applications. Swirl generators of conventional design are either only designed for a fixed swirl angle or, if they can generate different swirl intensities, cause highly uneven outflows away from the design point with areas of significantly reduced speed ("wake dips") and high aerodynamic losses (Mundus, B.; Kremer, H.: Investigations of the flow-technical properties of different designs of swirl generators. Die Industriefeuerung, Issue 49, pp. 33-39, 1989 and Leuckel, W.: Swirl Intensities, swirl types and energy losses of different swirl generating devices. 1973).
Another application area for adjustable swirl generators is the pre-swirl control of pumps and turbines. For example, the turbines of turbochargers are equipped with such swirl generators as an adjustable row of guide vanes. The design commonly used today uses individually mounted, rotatable guide vanes of fixed geometry, which, as mentioned above, generate high aerodynamic losses at most angles of flow (EP 0 226 444).

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen einstellbaren Drallerzeuger zu schaffen, der über einen weiten Bereich der eingestellten Drallwinkel mit geringen aerodynamischen Verlusten arbeitet und eine gleichmäßige Abströmung erzeugt.The invention specified in claim 1 is based on the problem of creating an adjustable swirl generator which operates over a wide range of set swirl angles with low aerodynamic losses and produces a uniform outflow.

Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen (die Leitbleche werden elastisch verformt und sind im vorderen Bereich unabhängig von der Abströmdrallstärke immer gleichbleibend (z.B. radial) ausgerichtet und somit immer optimal angeströmt) gelöst.This problem is solved with the features listed in claim 1 (the guide plates are elastically deformed and are always aligned consistently (e.g. radially) in the front area regardless of the outflow swirl strength and are therefore always optimally flown against).

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist in Schutzanspruch 2 angegeben. Dadurch, daß alle Leitbleche mit dem Leitblechträgemng fest verbunden sind und somit nur ein einziges bewegliches Teil darstellen, entsteht eine wesentlich einfachere Konstruktion, was die Zuverlässigkeit im Betrieb erhöht und den ProduktionsaufwandA further advantage of the invention is specified in claim 2. The fact that all guide plates are firmly connected to the guide plate support and thus represent only a single moving part results in a much simpler construction, which increases reliability in operation and reduces production costs.

hufoo2 19.10.2000hufoo2 19.10.2000

senkt. Diese Ausführung der Erfindung hat zudem den in Schutzanspruch 3 angegeben Vorteil der Möglichkeit zur stufenlosen Verstellung auch während des Betriebes.This embodiment of the invention also has the advantage specified in claim 3 of the possibility of stepless adjustment even during operation.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur 1 und 2 erläutert.An embodiment of the invention is explained with reference to Figures 1 and 2.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1: Die Seitenansicht eines Drallerzeugers mit anschließender Umlenkung in dieFig. 1: The side view of a swirl generator with subsequent deflection into the

axiale Richtung
Fig. 2: Das Prinzip der Drallwinkelverstellung durch elastisches Verformen deraxial direction
Fig. 2: The principle of twist angle adjustment by elastic deformation of the

LeitblecheBaffles

Die Vorrichtung besteht aus zwei parallelen Scheiben (1) und zwei koaxialen Umlenkungen (2) in Form von Torus-Vierteln zur Umlenkung in die axiale Richtung. In den zwischen den Scheiben befindlichen Strömungsraum (3) tritt das strömende Fluid radial ein und wird dann in die axiale Richtung umgelenkt. Der Drall ist auch während des Betriebes stufenlos und in beide Drehrichtungen einstellbar.
Der Drallerzeuger ist hierzu mit einer Leitschaufelverstellvorrichtung ausgerüstet, die eine Variation des Abströmdrallwinkels erlaubt. Hierzu sind im parallelen Ringraum am Eintritt des Drallerzeugers radial angeordnete Bleche (4) aus Federstahl angebracht. Die Bleche sind auf ungefähr dem ersten Fünftel ihrer Länge fest mit dem äußeren Ring (Leitblechträgerring [5]) verbunden. Bei ca. 4/5 Länge der Blechschaufeln stützen sich diese gegen zwei dünne Stifte (6) ab, die im feststehenden Teil des Drallerzeugers in den Strömungsraum hineinragen. Wird nun der äußere Ring (Leitschaufelträger [5]) verdreht, so verbiegen sich alle Blechschaufeln gleichmäßig zu einer sanften, splineartigen Wölbung (Fig. 2b). Von Vorteil ist bei dieser Konstruktion insbesondere die stets radiale Ausrichtung der Vorderkante, da es sonst bei Verwendung unprofilierter Blechschaufeln schon bei geringen Anströmwinkeln schnell zu Ablösungen an der Vorderkante kommen würde. Die sich hierdurch ergebenden Nachlaufströmungen würden eine starke Ungleichförmigkeit in der Abströmung aus dem Drallerzeuger bewirken. Zudem bilden alle Schaufeln zusammen mit den seitlichen Ringen (5) einen Schaufelträger als einziges bewegtes Teil, was die Konstruktion stark vereinfacht und die Zuverlässigkeit im Betrieb erhöht. Die verbogenen Blechschaufeln erzeugen eine Umfangskomponente in der bis dahin rein radial gerichteten Strömung. Diese Umfangskomponente bleibt auch nach der Umlenkung der Hauptströmung in dieThe device consists of two parallel disks (1) and two coaxial deflections (2) in the form of quarters of a torus for deflection in the axial direction. The flowing fluid enters the flow space (3) between the disks radially and is then deflected in the axial direction. The swirl can also be continuously adjusted during operation and in both directions of rotation.
The swirl generator is equipped with a guide vane adjustment device that allows the outflow swirl angle to be varied. For this purpose, radially arranged spring steel plates (4) are mounted in the parallel annular space at the inlet of the swirl generator. The plates are firmly connected to the outer ring (guide vane carrier ring [5]) for approximately the first fifth of their length. At approximately 4/5 of the length of the sheet vanes, they are supported against two thin pins (6) that protrude into the flow space in the fixed part of the swirl generator. If the outer ring (guide vane carrier [5]) is now twisted, all sheet vanes bend evenly to a gentle, spline-like curvature (Fig. 2b). A particular advantage of this design is that the leading edge is always aligned radially, since otherwise, if unprofiled sheet vanes were used, separation at the leading edge would quickly occur even at low angles of attack. The resulting wake flows would cause a strong non-uniformity in the outflow from the swirl generator. In addition, all blades together with the side rings (5) form a blade carrier as the only moving part, which greatly simplifies the design and increases reliability in operation. The bent sheet metal blades create a circumferential component in the previously purely radial flow. This circumferential component remains even after the main flow is diverted into the

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axiale Richtung erhalten. Mit Hilfe des Drallsatzes und der Kontinuitätsgleichung läßt sich zeigen, daß bei der einwärts gerichteten Strömung die Umfangskomponente in gleicherweise wie die radiale Komponente, nämlich proportional zu 1/r, beschleunigt wird. Der Strömungswinkel bleibt also konstant. Der nach der Umlenkung in die axiale Richtung gewünschte mittlere Strömungswinkel muß also in gleicher Größe am Austritt der Blechschaufeln erreicht werden. Hierbei muß beachtet werden, daß der Schaufelwinkel nicht genau dem Abströmwinkel entspricht und, abhängig vom Teilungsverhältnis, um die sogenannte Winkelübertreibung größer gewählt werden muß. Das für den gewünschten maximalen Strömungswinkel optimale Teilungsverhältnis und die notwendige Winkelübertreibung können mit Hilfe einschlägiger Literatur zur Auslegung von Turbinengittern (z.B. Traupel, W.: Thermische Turbomaschinen. Erster Band: Thermodynamisch-strömungstechnische Berechnung. Springer-Verlag, 3. Aufl. 1988) bestimmt werden.axial direction. Using the angular momentum theorem and the continuity equation, it can be shown that in the inward flow the circumferential component is accelerated in the same way as the radial component, namely proportional to 1/r. The flow angle therefore remains constant. The desired mean flow angle after the deflection in the axial direction must therefore be achieved in the same size at the outlet of the sheet metal blades. It must be noted here that the blade angle does not correspond exactly to the outflow angle and, depending on the pitch ratio, must be selected to be larger by the so-called angle exaggeration. The optimal pitch ratio for the desired maximum flow angle and the necessary angle exaggeration can be determined with the help of relevant literature on the design of turbine cascades (e.g. Traupel, W.: Thermal Turbomachines. First volume: Thermodynamic-fluid-technical calculation. Springer-Verlag, 3rd edition 1988).

Claims

1. Swirl flow generator of adjustable intensity with radial inflow, characterized in that the guide plates are elastically deformed and are consistently aligned in the front area regardless of the swirl strength.

2. Swirl flow generator according to claim 1, characterized in that all guide plates are firmly connected to the guide plate carrier ring and thus represent only a single moving part.

3. Swirl flow generator according to claim 1, characterized in that the angle of rotation of the guide plate carrier ring and thus the intensity of the swirl flow can be continuously adjusted or changed even during operation.