CN1325807C - 用于产生涡流的装置以及用于运行该装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在一流动介质(S)中产生和/或消灭涡流的装置，利用该装置应该在保持尽可能小的压力降的同时以特别简单的方式以及特别小的能耗在所述流动介质(S)中产生或消灭涡流。为此，该装置包括一个或多个用于使所述流动介质(S)绕流的成型件(1)，其中，所述成型件(1)为了以一个圆周频率ω相对于流动介质(S)周期性地运动而配设有一外部驱动装置。因此所述成型件(1)通过一外部驱动装置以所述圆周频率ω周期性地运动。

Description

用于产生涡流的装置以及用于运行该装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在一流动介质中产生和/或消灭涡流的装置，该装置包括一个或多个设置在一流动通道中的用于使流动介质绕流的成型件(Profile)。本发明还涉及一种特别适合于运行该装置的方法。
背景技术
相宜地产生或消灭涡流在许多流体技术应用领域中具有重要意义。因为涡流产生旋转能量以及因此不仅接收能量，而且释放能量，所以可以利用涡流相宜地将能量从一被绕流的成型件传输到流动介质上或一临界层中以及例如用于交换能量、尤其是热量或不同流动区域之间的物质。
为了有效地传输流动介质例如采用一些由搅动的涡流发生器构成的系统，这些系统通过产生涡流将能量传送到流动介质上。在此希望：流动介质沿由涡流发生器构成的系统流动的压力损失保持尽可能小。尤其是平均的质量流相对于压力损失应该尽可能大。
通过在流动通道中使用涡流发生器可以使流动介质也具有速度变化。这些例如通过在涡流发生器上产生的冲击波而形成的速度变化明显提高了在流动介质中横向于流动方向的热交换和物质交换。因此通过在流动通道中有目的地安装涡流发生器可以达到增强流动冷却一些尤其承受热负荷的构件的效果。其中，涡流发生器应该这样定位和设计尺寸，即，使得热传递系数相对于流动介质沿由涡流发生器构成的系统流动的压力损失保持尽可能大。以这种方式例如通过在一燃气轮机中使用由涡流发生器构成的系统，不仅在燃烧室的区域内而且在透平叶片的区域内节省冷却空气以及进而在提高燃气轮机效率的同时降低了燃气轮机的NOX的排放量。
在具有速度变化的流动介质中横向于流动方向增强物质交换可以用于增强对流动介质的掺和。例如可以通过在燃气轮机设备中特别基本地混合燃气和空气达到充分燃烧燃气以及进而降低NOX的排放量。
涡流发生器或涡流消灭器的技术用途的多样性决定了更多地关注对涡流的产生和开发的理论计算。尤其有必要在考虑到涡流发生器或涡流消灭器对流动介质作用的情况下最优地设计其形状和定位。涡流的计算通常要么清楚地通过该问题的Navier-Stokes方程式的解(但这是一个尤其在三维应用中太复杂且太费事的方式方法)实现，要么通过传统机翼理论的相应模型实现。
在传统的机翼理论范畴内，虽然描述了在一些固定的亦即被消极绕流和没有被加速的构件旁的涡流。然而对于主动、且加速运动的构件而言，传统的机翼理论不适用。也就是说，该理论以流动介质在所述被绕流的成型件处的平滑流出(所谓的Kutta条件)、一最终绕流速度以及一似乎难以实现的线性处理方法为前提条件。如在不稳定的流动过程中在一些被加速运动的成型件处所发生的那样，介质流从被绕流的成型件上脱离以及所产生的涡流的展开在理论上不能操作。因此在一些技术用途中通常采用一些可借助于传统的气体动力学来描述的主动被绕流的涡流发生器。然而主动被绕流的涡流发生器具有比较高的动力学阻力。如果其设置在一流动通道内，则因此引起流动介质内所不期望的压力降。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种上述类型的用于在一流动介质中产生涡流的装置，利用该装置可以在保持尽可能小的压力降的同时以特别简单的方式以及特别小的能量消耗在一流动介质中产生涡流。另外，还要提供一种特别适合于运行该装置的方法。
根据本发明第一方面，提供了一种用于在一流动介质中产生和/或消灭涡流的装置，该装置包括一个或多个设置在一流动通道中的被该流动介质绕流的成型件，其中，为所述或各个成型件对应配设一个用于使该成型件相对于流动介质以一圆周频率ω产生一周期性摆动运动的外部驱动装置。
优选地，这样选择所述成型件的形状和尺寸，即，使得在运行时在所述成型件的一个运动周期内的平均流速与在成型件后缘处的最大流速之比具有一规定的值。
优选地，所述成型件的周期性的摆动运动是围绕一垂直于流动介质的流动方向的转动轴线作一个角度的回转摆动运动。
优选地，在所述流动通道中设置两个以相同圆周频率ω和相反相位围绕其各自的转动轴线摆动的成型件，以及这些转动轴线互相平行地定向。
优选地，所述周期性的摆动运动由所述成型件垂直于流动介质的流动方向的一种周期性的平移运动构成。
优选地，所述周期性的摆动运动由所述成型件平行于流动介质的流动方向的一种周期性的平移运动构成。
优选地，所述周期性的摆动运动是一种由所述成型件相对于流动通道的一种平移运动和该成型件围绕一转动轴线的旋转运动构成的组合运动。
优选地，沿流动介质流向看在该装置后设有一用于消灭涡流的装置。
根据本发明第二方面，提供了一种用于传输一流动介质的传输段，其中，在其流动通道内设置一按照本发明第一方面所述的装置，该装置包括一定数量的以相同圆周频率ω和相同相位进行周期性摆动运动的成型件。
根据本发明第三方面，提供了一种用于传输一流动介质的传输段，其中，在其流动通道内设置一按照本发明第一方面所述的装置，该装置包括一定数量的以相同圆周频率ω和相反相位进行周期性摆动运动的成型件。
根据本发明第四方面，提供了一种用于供一流动介质流过的轴向叶栅，其中，沿流动介质流向看在该叶栅前设有一按照本发明第一方面所述的装置，该装置包括一定数量的以相同圆周频率ω和相同相位进行周期性摆动运动的成型件。
根据本发明第五方面，提供了一种用于冷却一些承受热负荷的构件的冷却装置，该冷却装置包括一流动通道、一被导引流过该流动通道的冷却流以及一设置在该流动通道内的按照本发明第一方面所述的装置。
根据本发明第六方面，提供了一种或多种流动介质的混合段，该混合段包括一可供所述流动介质流通用的流动通道以及一按照本发明第一方面所述的装置。
根据本发明第七方面，提供了一种具有按照本发明第一至第六所述装置的燃气轮机。
根据本发明第八方面，提供了一种通过在一流动通道内所设置的一个或多个被一流动介质绕流的成型件使该流动介质中产生涡流的方法，其中，所述成型件通过一外部驱动装置周期性地以圆周频率ω摆动。
优选地，所述运动的成型件与流动介质之间的能量传递的方向，通过在运行时在所述成型件的一个运动周期内就该成型件的中间横截面处所平均求得的平均流速与在成型件后缘处的最大流速之比来调整。
优选地，所述运动的成型件与流动介质之间的能量传递的方向，通过在该成型件后缘处的最大流速与所述被绕流的成型件的纵向尺寸的乘积除以该流动介质的运动粘度所得到的值来调整。
优选地，所产生的涡流在其形成于流动通道内的位置的下游又完全或部分地被消灭。
优选地，该方法用于传输一流动介质通过一流动通道。
优选地，该方法用于提高所述流动介质通过一设置在所述流动通道内的叶栅的叶栅绕流效率。
优选地，该方法通过采用一流动介质来冷却一些承受热负荷的构件。
优选地，该方法用于混合在一流动通道内的一种或多种流动介质。
上述有关装置的技术问题按照本发明是这样解决的，即，该装置包括一个或多个设置在一流动通道中的为流动介质绕流的成型件，其中，所述成型件为了以一个圆周频率ω相对于流动介质周期性地运动而配设有一机械的、电磁的或电气液压的驱动装置。
在此“成型件”可以是在所述流动通道内任意的、适当设计尺寸和结构的装配件，这些装配件尤其在其造型方面要适应于设计所限定的在流动通道内所期望的流动状态。
在此，本发明是基于如下思想，即，为了使所述涡流发生器具有一高效率，流动介质的平均流通量相对于其该流动介质沿流动通道的压力降要尽可能大。为了保持较低的压力降，应该相应地改善从涡流发生器到流动介质的能量传递。一种改善能量传递的方法是增大所产生涡流的能量含量。如已强调的那样，可以借助于一些主动式的、亦即被加速的涡流发生器不仅在层流中、而且在涡流中通过使涡流在脱离所述涡流发生器的成型件前被加速来获得更高的能量含量。因此一些具有特别高效率的涡流发生器应该相对于流动通道加速地运动。在此，可以以特别简单的方式通过所述涡流发生器的一种周期性的运动来实现满足上述这些要求的一种均匀地产生涡流。
为了理解周期性运动的涡流发生器的过程，可以利用如下知识，即，由这样一涡流发生器产生并抛出的涡流可以很好地通过一具有一稳定核心的体积被限定的涡流来描述，即一所谓的“有限性边缘涡流(FiniterKantenwirbel)”。这样一种涡流在其在所述被绕流的成型件的后缘上形成后直接通过在涡流中心流过的流动介质一直扩充到其在继续随时间变化的过程中一恒定的增大半径a。由此涡流被置于旋转中并且其旋转速度在接下来的“附着阶段”中继续增大。此时，该涡流获得流动介质的一净涌流(Netto-Durchstrmung)以及从成型件后缘的方向流出的部分增大，一直增大到一最大值。在该涡流达到其固定的大小后，它一直附着在成型件上，直到达到上述这个最大值为止，然后被抛出。
当所述涡流还附着在成型件上时，其旋转引起一沿成型件表面的切向流，即所谓的“表层流”。该表层流与所述入流到该成型件上的流动介质流之间的气体动力学相互作用产生一对正交的作用力(推动力和阻力)。根据两个力中哪个占上风，来改变流动介质与成型件之间的相互作用的特征。因此例如在成型件以一个相对较高的圆周频率运动时所述相互作用的推动力特征占上风并且将能量从涡流发生器传递到流动介质上。而当成型件以一个较低的圆周频率运动时所述相互作用的阻力特征占上风并且能量是从流动介质转移到涡流发生器上。
这些在所述所谓的“有限边缘涡流的模型”范畴内的知识在采用一些新的特征参数时被利用。在所述成型件的一个运动周期内就该成型件的平均横截面(中间横截面)处所平均得到的平均流速与在该成型件后缘处的最大流速之比适合作为描述流动特性的推动力和阻力特征的特征参数。如果该参数f：＝Vm/Vmax界于0.2与0.5之间，则这种流动具有推动力特征。而如果该参数大于0.5，则这种流动具有阻力特征。
可以采用所述最大的边缘绕流的雷诺数、减小的频率和斯特劳哈尔数作为其他重要的参数。其中，所述最大的边缘绕流的雷诺数作为在成型件后缘处的最大流动速度与该被绕流的成型件的纵向长度的乘积除以流动介质的运动粘度来确定，所述减小的频率是所述被绕流的成型件周期性运动的圆周频率与其纵向长度的乘积除以在该成型件的一个运动周期内就该成型件的中间横截面处所平均得到的平均流速，以及所述斯特劳哈尔数是所述被绕流的成型件周期性运动的频率与其纵向长度的乘积除以在该成型件的一个运动周期内在该成型件的中间横截面处所平均得到的平均流速。采用上述参数代替在传统气体动力学中所采用的外部的、恒定的成型件入流速度以及允许非常精确和真实描述所述引发的流动。
这样有利地选择所述成型件的形状、数量和尺寸，即，使得在涡流发生器运行时，在所述成型件的一个运动周期内就该成型件的中间横截面(平均横截面)处所平均求得的平均流速与在成型件后缘处的最大流速之比具有一规定的值。尤其可以这样选择该数值，即，根据技术用途的类型来产生具有阻力特征或推动力特征的流动。
根据涡流发生器所要解决的技术问题，可以考虑采用实施不同类型周期性运动的成型件，并且这样也是有利的。周期性运动的一些有利的基本形式是成型件垂直于流动介质的流动方向的周期性平移运动、以摆动一个转角的形式围绕一垂直于流动方向的转动轴线的旋转运动、一些成型件对以相同的圆周频率ω和相同相位围绕其各自的相互之间反平行的转动轴线的旋转运动、以及成型件平行于流动介质的流动方向的周期性平移运动。
为了改进所述涡流发生器的效率以及为了使其最佳地适应于它所要解决的技术问题，所述成型件必要时设计为上述周期性运动的基本形式的组合。一成型件的所述周期性运动有利地特别是该成型件相对于流动通道的一种平移运动和围绕一转动轴线的旋转运动的组合。
在一些用途中，在所产生的涡流经过流动通道内的某一区段后再被消灭是有利的。这例如在需要充分利用尾流(Nachlauf)残余能量的情况下。在这样一种情况下沿流动介质的流向看在涡流发生器之后连接一用于消灭涡流的装置。
基于一些主动式涡流发生器在具有微小驱动功率的情况下能够特别有效的传递能量和物质，所以这些涡流发生器可以应用在很多技术领域中。在通过一流动通道或管道输送流动介质时，人们例如追求在流动介质中发生小的压力损失的同时达到尽可能高的质量流。然而正是借助于一主动式涡流发生器可以实现在具有小的压力损失的同时达到期望提高流动介质的流动速度的目的。因此在一传输段的流动通道内有利地设置一用于主动产生涡流的装置，该装置包括一定数目的以相同圆周频率ω和相同相位进行周期性运动的涡流发生器。此外，也可以相反地选择所述涡流发生器的相位，也就是说，相互相反地移动180度。
主动式涡流发生器的另一个重要的用途是提高叶栅绕流(Gitterstrmung)的流动效率。为了在尽可能小的压力损失的同时实现使一轴向叶栅的平均效率最大化，而采用叶栅绕流。为此，例如沿流动介质方向在一燃气轮机的工作叶片前连接一些导向叶片。为了进一步提高叶栅效率有利地沿流动介质的流向在该轴向叶栅前连接一用于主动产生涡流的装置，该装置包括一定数目的以相同圆周频率ω和相同相位进行周期性运动的成型件。尤其是以这种方式可以产生周期性的流动脉冲，这些流动脉冲的周期和长度最佳地与同样是周期性的固有叶栅绕流相协调。此外，还可以采用所述提高叶栅效率的、理论上还未被普遍理解的所谓“时钟脉冲效应(Clocking-Effekt)”，该效应在各相互相对运动的叶栅相互交互作用时起作用。
可以利用代表流动介质的速度波动来有效地冷却承受强烈热负荷的构件。这样的速度波动可以以特别有效的方式通过一些主动式涡流发生器来产生和提高，这提高了在流动介质中横向于流动方向的热交换和物质交换。因此通过相宜地在流动通道内安装主动式涡流发生器可以达到有效地冷却尤其承受热负荷的构件。为此，一冷却装置有利地包括一流动通道、一通过该流动通道导引的冷却流以及一设置在该流动通道内的具有用于主动产生涡流的一个或多个周期性运动的成型件的装置。
代表流动介质的速度波动也增强了横向于流动方向的物质交换。这种效果可以相宜地用于增强流动介质的混合。通过采用主动式涡流发生器来形成速度波动，可以达到在低压力损失的同时实现特别高的混合质量。多数情况下希望，在结束混合后消灭通过已产生的涡流来反映流动介质的速度波动。因此一混合区段有利地包括一用于主动产生涡流的装置，沿流动介质流向在该装置后连接一用于消灭涡流的装置。
利用一主动式涡流发生器在例如在一压缩机中混合燃烧气体和空气时或在冷却尤其承受热负荷的构件时可以以特别有效的方式在低压力降的同时在流动介质内部产生或增强物质流和能量流。因此所述主动式涡流发生器有利地应用在燃气轮机中。
上述有关方法的技术问题是这样解决的，即，在一流动通道内设置的一个或多个用于使流动介质绕流的成型件通过一外部驱动装置周期性地以所述圆周频率ω运动。
一些在所述所谓的“有限性边缘涡流的模型(Finiten KantenwirbelModells)”范畴内的新知识表明，可以达到影响围绕运动成型件的介质流表现出的阻力或推动力特征，也就是说影响成型件与流动介质之间的能量传递的方向。在该模型内的一个重要的参数是在所述成型件的一个运动周期内就该成型件的中间横截面处所平均求得的平均流速与在成型件后缘处的最大流速之比。通过该比例值可有利地调整运动成型件与流动介质之间的能量传递方向。另外，运动成型件与流动介质之间的能量传递方向也可以通过在成型件后缘处的最大流动速度与该被绕流的成型件的纵向长度的乘积除以流动介质的运动粘度来调整。
当产生的涡流在介质流动的后续过程中引起相对高度的湍流时，在一些技术应用领域中是不利的。因此要在流动通道内产生涡流的位置的上游又全部或部分地消灭所产生的涡流。
如在所述所谓的“有限性边缘涡流的模型”范畴内的计算所表明的那样，可以通过采用主动式涡流发生器特别有效和在相对低压力降的情况下在流动介质内部产生或增强物质流和能量流。因此通过采用主动式涡流发生器产生涡流的方法特别适用于不同的技术用途，例如用于输送或混合流动介质、用于提高叶栅绕流的效率以及用于冷却尤其承受热负荷的构件。
通过本发明所达到的优点尤其在于，通过采用本发明规定的周期性运动的涡流发生器可以以相当低的能耗产生涡流。在此，所述成型件的周期性运动可以在技术上相当简单地通过采用一外部机械的、电动的或电气液压的驱动装置转变而成。与被动式的涡流发生器相反，采用主动式涡流发生器可以在流动介质内部发生特别低的压力损失的情况下在流动介质内部产生和/或极为有效地增强物质流和能量流。所述低的压力损失在此可以归结为由于主动式涡流发生器具有极低的阻力。
主动式涡流发生器由于上述有利的技术特性而具有广泛的用途。通过采用主动式涡流发生器例如可以更有效地设计构造一燃气轮机的压缩机中的叶栅绕流以及强化利用所述时钟脉冲效应。也可以通过采用主动式涡流发生器改善冷却承受热负荷的构件的效果以及因此节省冷却空气。另外，通过采用主动式涡流发生器实现在燃烧前更彻底地混合例如燃烧气体和空气，以减少NOX的排放量。因此达到以相对低的技术费用提高燃气轮机的效率和降低其排放量。
附图说明
下面借助附图对本发明的实施方式予以详细说明，附图中：
图1示出一个被流动介质绕流的成型件，在该成型件的后缘处产生一涡流；
图2示出一个包含一个或多个成型件的、用于在一流动介质中产生涡流的装置的不同设计方案；
图3示出一段用于传输流动介质的区段，该区段包含一用于产生涡流的装置；
图4示出另一种用于传输流动介质的区段；
图5表示一通过燃气轮机的导向叶片组和工作叶片组剖开示出的在视图平面内滚动的圆柱形剖面，在其前连接一用于产生涡流的装置；
图6示出一用于冷却承受热负荷的构件的装置；
图7示出一用于混合流动介质的装置。
具体实施方式
在所有附图中相同的构件均以相同的附图标记标注。
图1示出一用于产生涡流的具有一个被一流动介质S绕流的成型件1的装置，该成型件例如可以位于一个图1中未示出的流动通道内。流动介质S的流动方向通过流线形式的箭头2表示。该成型件1可通过一个在图1中未示出的外部驱动装置来运动，该运动基本上由该成型件1经过一段距离X的移动和该成型件1经过一个转角的旋转运动合成的。该运动以一个圆周频率ω周期性地进行。在成型件1相对于流动介质S运动时在运动的每个周期中都在该成型件1的后缘4处产生两个在形成后迅速增大、短时间地附着在该后缘4上以及随后脱离的涡流。
所形成的涡流可相对逼真地借助于“有限性边缘涡流的模型”来描述。在该模型范围内在该成型件1的后缘4处产生的涡流不代表理想的涡流，而代表具有严格限定的半径和固定旋转核心的涡流。在图1中示出了一个这样的所述的有限边缘涡流6。该有限边缘涡流6在其在被绕流的成型件1的后缘4处形成后直接通过在其中心绕流的流动介质S一直扩充到其半径a并且处于旋转中。其旋转速度在接下来的“附着阶段”期间继续增大，在此该有限边缘涡流6获得流动介质的一净涌流并且从后缘4的方向流出的介质流部分增大到一最大值。所述有限边缘涡流6在达到该最大值的瞬间与该后缘脱离。在附着阶段期间该有限边缘涡流6的旋转引起一沿成型件表面的切向流，即所谓的“表层流”。该表层流与所述入流的流动介质相互作用，同时产生一对正交的作用力(通过箭头8表示的推动力V和通过箭头10表示的阻力W)。
流动介质S与成型件1之间的相互作用的特性关键取决于这两个作用力中的哪一个占上风。如在所述“有限性边缘涡流的模型”范畴内的理论研究和实验结果表明的那样，在成型件1以一个相对较高的圆周频率ω运动时所述相互作用的推动力特征占上风并且将能量从该成型件1传递到流动介质上。反之，当成型件1以一个较低的圆周频率ω运动时所述相互作用的阻力特征占上风并且能量是从流动介质S传递到成型件1上。
与传统的机翼理论不同，相对简单的“有限性边缘涡流的模型”允许描述一被加速运动的成型件1的绕流情况，因此可以实现有目的地采用一些也就是包含一定量的被加速运动的成型件1的主动式涡流发生器。与一固定不动的成型件相反，一个被加速运动的成型件1具有明显更小的动力学阻力。换句话说，与一固定不动的成型件相比，一个被加速运动的成型件1导致在流动介质S内一明显更小的压力损失。因此能够例如有效地传输和掺和流动介质S，同时基于成型件1具有明显更小的动力学阻力而达到在更低压力损失的情况下在流动介质方面一相对更高的流通量。
也可以考虑采用不同形式的成型件1的周期性运动。图2表示出成型件1相对于流动介质S的周期性运动的各种可能性。流动介质S沿箭头2所示方向流过一流动通道12。如在图2a中所示出的那样，通过使一成型件1垂直于流动方向周期性地移动一段距离x，也就是实施一单纯的平移运动，可以在流动介质S中产生一有限边缘涡流6。
图2b表示出成型件1的另一种周期性运动的可能性，其中该成型件1实施一种单纯的围绕一垂直于流动方向的转动轴线14旋转一个角度的旋转运动。在一些技术应用领域中也可能采用平移运动和旋转运动的组合是有利的。也可以如图2c所示的那样，采用多个用于产生涡流的成型件1。通过图2c中所示的一对在一设置在流动通道12中的其他流动通道16的出口处的成型件1以相反节拍或相同节拍摆动，可以例如有效地混合和/或传输在流动通道12和流动通道16中流动的两种流动介质。在这样一种结构中在成型件1的每个摆动周期内都从成型件后缘4上甩出两对有限性边缘涡流6并且在流动通道12内形成一所谓的尾流。图2d一种无周期性运动部件的用于产生有限边缘涡流6的装置。在此在一流动通道12内还设有一其他的供一流动介质S流过的流动通道16。但是该其他的流动通道16内的流动介质S以一周期性变化的流量m流过。在该其他流动通道的出口22处在每个周期内形成一对在附着阶段后甩出并在流动通道12内形成尾流18的有限性边缘涡流6。
如在有限边缘涡流的模型范畴内所计算出的那样，成型件1在其形状和尺寸设计方面要遵循一定的规律。特别是成型件1要具有一尽可能长的、但是尖锐的后缘4，使得流动介质在该后缘4处的最大流动速度尽可能高以及所产生的有限边缘涡流6具有一相对更小的半径。其中，为了达到该有限边缘涡流6具有一长时间的附着阶段以及一高的推动力，不是在任何情况下都希望成型件1具有一协调的摆动形式。根据该涡流发生器的具体应用领域，在成型件1旋转和具有通常形状时必须要这样优化摆动频率和摆动幅度、所述转动轴线14的位置，使得以尽可能小的外部驱动装置和较低的压力降时最佳地进行成型件1和流动介质S之间的能量传递。
基于所述有限性边缘涡流6的有利特性，可以利用该涡流的生成例如用于传输流动介质。图3表示出一段用于传输流动介质的区段，该区段包含一用于产生有限边缘涡流6的装置。如从图3a中所看到的那样，在一流动通道12中设置多个、例如3个以相同节拍实施一周期性运动的成型件1。该周期性运动可以是一种围绕一转动轴线14旋转一个角度的旋转运动或者也可以是该成型件1的旋转运动与一周期性平移运动的组合。在所述以相同节拍摆动的成型件1的各后缘4上在每个周期内各产生两个有限边缘涡流6。利用通过形成涡流由成型件1传递到流动介质S上的能量来输送流动介质S通过流动通道12。当成型件1进行一种单纯的旋转运动时，这些成型件可以通过在图3b中所示的外部驱动装置来驱动。为此，这些成型件1以其后缘4的部分安装在一个通过一铰接杠杆24与一曲柄驱动装置26连接的连接杆23上。在涡流发生器工作时该曲柄驱动装置26来回移动该连接杆23以及进而促使成型件1围绕其各自的转动轴线14旋转。
相反，当成型件1进行一种由平移运动和旋转运动构成的合成运动时，这些成型件可以通过在图3c中所示的外部驱动装置来驱动。为此，所示驱动装置包括一连接杆23和另一连接杆30，所述一个或多个成型件1以其后部段安装在该连接杆23上，而另一连接杆30将这些成型件1的前部段相互连接起来。所述连接杆23和另一连接杆30在该装置处于运行状态时进行一种沿向前或向后方向的周期性运动，该运动是通过一电磁驱动装置27以及通过另一电磁驱动装置28产生的。为了实现使成型件1围绕所述转动轴线14旋转，所述电磁驱动装置27和另一电磁驱动装置28不是同相性地工作。而是该电磁驱动装置27与另一电磁驱动装置28相比超前一90度的相位。因此这些成型件1在流动通道12内实施一种由进行一段距离x的平移运动和旋转一个角度的旋转运动合成的合成运动。
通过采用图3中所示的装置可以特别有效地使流动介质S传导通过一流动通道12。如在有限性边缘涡流的模型范畴内所计算出的那样，即，所述成型件1的周期性的运动确保了特别有效地将能量从这些成型件1传递到流动介质S上。尤其是以这种方式使流动介质S流过流动通道12的流通量相对于压力损失而言达到最大化。
如图4所示的那样，一些以相反节拍摆动的成型件1也适合于有效地传输流动介质通过一流动通道12。图4a示出了另一种用于有效传输流动介质S的区段。在一流动通道12内部例如在中央设有另一流动通道16，在该流动通道的出口处设有一对分别周期性地实施旋转运动的成型件1。此外，这一对成型件1以相反节拍、也就是以一个180度的相位差摆动并且在每个周期内在其后缘4上各形成两个有限性边缘涡流6，这些边缘涡流在经过附着阶段后从成型件后缘4上甩出并在流动通道12内形成一尾流18。在一些技术用途中，例如为了利用所述尾流的残余能量完全或部分地再次消灭所述被甩出的涡流是有利的。为此可以沿流动介质的流向在所述成型件1之后连接一在图4中未示出涡流消灭器。
图4b示出了一种适合于运行图4a所示的涡流发生器的驱动装置。为此，该驱动装置包含一个电磁驱动器27和两个铰接杠杆24，该电磁驱动器控制一个以液压方式工作的工作缸32，所述铰接杠杆安装在成型件1上并且通过由工作缸32引起的运动而促使成型件1围绕其各自的转动轴线14旋转。
除了有效地传输流动介质外，主动式涡流发生器还可以应用于其他不同的技术领域。图5表示采用一些主动式涡流发生器来有效提高叶栅绕流的原理。为此在一个在图5a中通过一圆柱形的在平面内滚动的剖面表示的轴向叶栅前连接一些主动式涡流发生器。图5a表示出一燃气轮机的一个包含一定数量导向叶片34的导向叶片组33，沿流动介质的流向在该导向叶片组之后连接一个包含一定数量工作叶片36的工作叶片组35。该导向叶片组34和工作叶片组36安置在一个未详细示出的、有流动介质S沿箭头2表示的方向流过的流动通道内。一个包含一定数量成型件1的涡流发生器组38沿流动方向连接在导向叶片组34前。这样设计成型件1，使得这些成型件1通过一外部驱动装置的驱动围绕其各自的转动轴线14旋转。当成型件全部处于摆动周期中时，各成型件1在其后缘4处产生两个有限性边缘涡流6，该边缘涡流在经过附着阶段后甩出并且在通过箭头40表示的轨迹上运动通过流动通道。所述有限性边缘涡流6通过由成型件1传递到其上的能量在其轨迹上运动绕过导向叶片34并且投掷到沿流动介质方向连接在导向叶片34之后的工作叶片36上，涡流在这些工作叶片上释放出其能量。当所述叶栅相互间处于一精确规定的位置中时，以这种方式产生的流动冲量或许通过采用还未被普遍理解的所谓的“时钟脉冲效应”提高了叶栅绕流的效果，该效应与所述气体动力学的交互作用互为基础。导向叶片34相对于工作叶片36定位时已经采用的时钟脉冲效应由于产生持续和脉冲式的适合于使工作叶片36运动的流动冲量通过所述成型件1得到进一步加强。该流动冲量可测量地提高了叶栅绕流的效率以及因此可以有助于提高例如燃气轮机的效率以及进而降低该燃气轮机的排放量。
在图5b中示出了一种用于图5a所示成型件1的可能的驱动装置。这些成型件1以其后缘4的部段安装在一共同的连接杆23上以及以其前部段可围绕其各自的转动轴线14旋转地安置在另一连接杆30上。在涡流发生器运行时所述电磁驱动器27通过以液压方式工作的工作缸32使连接杆23向上或向下运动。这引起所述成型件1围绕其各自的转动轴线14同相位地转动。
在一流动介质中的横向于其流动方向的热交换和物质交换可以通过流动介质表现出的速度波动明显地提高。这样的速度波动通过采用主动式涡流发生器可以特别简单以及在流动介质中具有一相对较小的压力损失地表现出来。图6示出一种装置，在该装置中可以采用由成型件1所产生的有限性边缘涡流6来冷却尤其承受热负荷的构件。为此在例如一燃气轮机的流动通道12将一定数量的、例如三个成型件1安置在一个共同的连接杆23上。该连接杆23可以通过一外部驱动装置沿通过箭头42表示的方向周期性地向上运动已经接下来又向下运动。其中该连接杆23的驱动装置可以如图6a所示设计为机械式的或者也可以如图6b所示设计为电磁式的。成型件1在运行时基于所述外部驱动装置在流动介质S内实施一种经过一段距离x的平移运动以及由此在流动介质S方面表现出速度断面图p。在成型件1的运动的后缘4上产生的以及从这些成型件1上甩出的有限边缘涡流6在所述速度断面图p上表现出周期性的速度波动，该速度波动明显地提高所述横向于流动方向的热交换以及进而有助于希望改进对通道壁44的冷却。介质流动的冷却效果的改进尤其归结为通过采用涡流发生器使层流式涡流的过渡点逆流而上地移动。由此明显提高了热交换系数以及改进了冷却效果。因此在所述通道壁44具有相同温度的情况下节省流动介质S或者在耗费同样多的流动介质S的情况下可以达到提高燃气轮机的功率和效率的目的。
所述通过采用涡流发生器而提高的横向于流动方向的物质交换也可以被用于流动介质间的相互混合。为此如图7a所示在一有流动介质S沿箭头2方向流过的流动通道12内安置一通过外部驱动装置驱动而周期性运动的成型件1。在此，该驱动装置如图7b所示通过一个曲柄滑环机构机械式地实现。该周期性运动的成型件1在每个周期内产生两个在其后缘4处形成的以及在经过附着阶段后甩出的有限性边缘涡流6。以这种方式相宜地产生的涡流确保有效地混合例如可以由多种成分，如空气、燃烧气体或轻型燃料油和水组成的流动介质S，这些成分要相互混合。在对于燃气轮机的情况通过特别彻底地混合燃烧气体和空气可以达到充分燃烧该燃烧气体以及进而达到降低该燃气轮机的NOX的排放量。如果在后续的过程中不希望存在涡流，那么在用于产生涡流的成型件1之后沿流动介质流向可以连接一个在图7中未表示的用于消灭涡流的成型件。

Claims (23)

1.一种用于在一流动介质(S)中产生和/或消灭涡流的装置，该装置包括一个或多个设置在一流动通道(12)中的被该流动介质(S)绕流的成型件(1)，其中，为所述或各个成型件(1)对应配设一个用于使该成型件(1)相对于流动介质(S)以一圆周频率ω产生一周期性摆动运动的外部驱动装置。
2.如权利要求1所述的装置，其中，这样选择所述成型件(1)的形状和尺寸，即，使得在运行时在所述成型件(1)的一个运动周期内的平均流速与在成型件后缘(4)处的最大流速之比具有一规定的值。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述成型件(1)的周期性的摆动运动是围绕一垂直于流动介质(S)的流动方向的转动轴线(14)作一个角度的回转摆动运动。
4.如权利要求3所述的装置，其中，在所述流动通道(12)中设置两个以相同圆周频率ω和相反相位围绕其各自的转动轴线(14)摆动的成型件(1)，以及这些转动轴线(14)互相平行地定向。
5.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述周期性的摆动运动由所述成型件(1)垂直于流动介质(S)的流动方向的一种周期性的平移运动构成。
6.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述周期性的摆动运动由所述成型件(1)平行于流动介质(S)的流动方向的一种周期性的平移运动构成。
7.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述周期性的摆动运动是一种由所述成型件(1)相对于流动通道(12)的一种平移运动和该成型件(1)围绕一转动轴线(14)的旋转运动构成的组合运动。
8.如权利要求1或2所述的装置，其中，沿流动介质流向看在该装置后设有一用于消灭涡流的装置。
9.如权利要求4所述的装置，其中，沿流动介质流向看在该装置后设有一用于消灭涡流的装置。
10.一种用于传输一流动介质(S)的传输段，其中，在其流动通道(12)内设置一按照权利要求1至3中或5至9中任一项所述的装置，该装置包括一定数量的以相同圆周频率ω和相同相位进行周期性摆动运动的成型件(1)。
11.一种用于传输一流动介质(S)的传输段，其中，在其流动通道(12)内设置一按照权利要求1至9中任一项所述的装置，该装置包括一定数量的以相同圆周频率ω和相反相位进行周期性摆动运动的成型件(1)。
12.一种用于供一流动介质(S)流过的轴向叶栅，其中，沿流动介质流向看在该叶栅前设有一按照权利要求1至3中或5至9中任一项所述的装置，该装置包括一定数量的以相同圆周频率ω和相同相位进行周期性摆动运动的成型件(1)。
13.一种用于冷却一些承受热负荷的构件的冷却装置，该冷却装置包括一流动通道(12)、一被导引流过该流动通道的冷却流以及一设置在该流动通道(12)内的按照权利要求1至9中任一项所述的装置。
14.一种用于相互混合一种或多种流动介质(S)的混合段，该混合段包括一可供所述流动介质(S)流通用的流动通道(12)以及一按照权利要求1至9中任一项所述的装置。
15.一种具有按照权利要求1至14中任一项所述装置的燃气轮机。
16.一种通过在一流动通道(12)内所设置的一个或多个被一流动介质(S)绕流的成型件(1)使该流动介质(S)中产生涡流的方法，其中，所述成型件(1)通过一外部驱动装置周期性地以圆周频率ω摆动。
17.按照权利要求16所述的方法，其中，所述运动的成型件(1)与流动介质(S)之间的能量传递的方向，通过在运行时在所述成型件(1)的一个运动周期内就该成型件(1)的中间横截面处所平均求得的平均流速与在成型件后缘(4)处的最大流速之比来调整。
18.按照权利要求16所述的方法，其中，所述运动的成型件(1)与流动介质(S)之间的能量传递的方向，通过在该成型件后缘(4)处的最大流速与所述被绕流的成型件(1)的纵向尺寸的乘积除以该流动介质(S)的运动粘度所得到的值来调整。
19.如权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所产生的涡流在其形成于流动通道(12)内的位置的下游又完全或部分地被消灭。
20.如权利要求16至18中任一项所述的方法，该方法用于传输一流动介质(S)通过一流动通道(12)。
21.如权利要求16至18中任一项所述的方法，该方法用于提高所述流动介质(S)通过一设置在所述流动通道(12)内的叶栅的叶栅绕流效率。
22.如权利要求16至18中任一项所述的方法，该方法通过采用一流动介质(S)来冷却一些承受热负荷的构件。
23.如权利要求16至18中任一项所述的方法，该方法用于混合在一流动通道(12)内的一种或多种流动介质(S)。
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