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Die Erfindung betrifft ein Strömungsgitter, welches geeignet ist, die Größe der Wirbel in einem Fluidstrom zu reduzieren, insbesondere zur Anwendung am Eintritt von Strömungsmaschinen oder vor Filtern.
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Zur Minderung der Strömungsgeräusche von Ventilatoren als primären Schallquellen sind Strömungsgleichrichter bekannt. Bei der Ansaugung von wirbelbehafteter Luft kann es aufgrund der zeitlich variablen Anströmung an den Spitzen und Kanten der Laufräder zu einer Erhöhung der Schallabstrahlung, zumindest jedoch zu psychoakustisch negativ auffälligen Geräuschen kommen.
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Die Schallentstehung von Ventilatoren wird hauptsächlich durch den Vorderkantenschall der Laufräder definiert. Bei ungünstigen Anströmverhältnissen werden durch Ablösungen des Fluides an stromaufwärts vor dem Ventilator liegenden Kanten und anderen Hindernissen Wirbel erzeugt. Diese Wirbel interagieren mit den rotierenden Schaufeln und führen im einfachsten Fall zu einer höheren Schallleistung gegenüber der Auslegung und im ungünstigsten Fall zu einer instationären Laufradströmung.
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Bekannte Strömungsgleichrichter, die diesem Problem entgegenwirken, sind in oder vor der Ansaugöffnung des Ventilators angeordnet und erzeugen eine gleichmäßige Wirbelstraße im Nachlauf des Gleichrichters. Der Strömungsgleichrichter gemäß
DE 1 052 624 B , beispielsweise, ist durch sternförmig angeordnete Leitbleche gekennzeichnet. Aus
DE 10 2014 102 370 A1 ist ein Strömungsgleichrichter bekannt, der aus einem runden, fluidundurchlässigen Zentralabschnitt, radial von diesem abgehende Stege und konzentrisch um den Zentralabschnitt angeordneten Ringen besteht. Auch
EP 0 547 253 B1 zeigt einen Strömungsgleichrichter für einen Ventilator, der konzentrisch angeordnete Ringe oder orthogonal zueinander angeordnete Stege umfasst.
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Diese Gitter zeigen alle einen regelmäßigen Aufbau, der eine gleichmäßige Wirbelstraße im Nachlauf des Gitters erzeugen soll. Die Struktur dieser Wirbelstraße führt zu einem zwar schmalbandigen akustischem Abstrahlverhalten der Ventilatorflügel, doch ist der erzeugte Schall aufgrund des vergleichsweise niedrigen Frequenzbereichs nur unzureichend mittels Schalldämpfern kontrollierbar. Zudem werden einzelne schallintensive Frequenzen innerhalb eines ansonsten gleichmäßigen Frequenzbandes als unangenehm empfunden.
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Bei Filtern ist es ebenfalls wünschenswert, die Filtereintrittsfläche gleichmäßig anzuströmen, sodass das Filtermedium gleichmäßig mit dem zu reinigenden Fluid beaufschlagt wird, um so eine lokal begrenzte „Verstopfung“ des Filtermediums zu vermeiden und dadurch das Filtermedium möglichst lange nutzen zu können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strömungsgitter zur Reduktion der Wirbelgröße in einem sich relativ zu dem Strömungsgitter bewegenden Fluid bereitzustellen, welches innerhalb des anströmenden Fluids ausgebildete Wirbel effektiv hin zu kleineren Dimensionen zerstreuen kann, sodass sich eine Kaskade stetig kleiner werdender Wirbelstrukturen bildet.
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Die Aufgabe wird durch ein Strömungsgitter mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 12; besonders vorteilhafte Verwendungen der Erfindung werden in den Ansprüchen 13 und 14 aufgezeigt.
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Nach Maßgabe der Erfindung weist das Strömungsgitter zur Reduktion der Wirbelgröße in einem Fluid eine Vielzahl miteinander verbundener, selbstähnlicher Gitterstrukturen auf, wodurch eine fraktale Grundstruktur der Öffnungen, durch die das Fluid strömt, gebildet ist.
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Das Strömungsgitter umfasst einen Rahmen, der der Querschnittsform des Fluidkanals, in welchem das Strömungsgitter zur Anwendung vorgesehen ist, angepasst sein kann. Innerhalb des Rahmens, d. h. in dem von dem Rahmen umschlossenen Bereich, sind die Gitterstrukturen nach Art eines Fraktals angeordnet, das in der von dem Rahmen umrandeten Fläche ausgebildet ist. Somit liegen alle Gitterstrukturen des Strömungsgitters in derselben, von dem Rahmen umrandeten Fläche, nachfolgend „Gitterfläche“ genannt. Die Gitterfläche ist hierbei als diejenige Fläche definiert, auf die im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Strömungsgitters die Strömungslinien der Fluidströmung weitestgehend senkrecht stehen, wobei der Rahmen zwar vollständig innerhalb der Gitterfläche liegt, dieselbe jedoch auch eine „gekrümmte Fläche“, z. B. eine Sphäre sein kann.
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Eine einzelne Gitterstruktur besitzt hierbei eine vorgegebene geometrische Grundform in der Gitterfläche. Beispielsweise ist eine einzelne Gitterstruktur bei Ansicht senkrecht auf die Gitterfläche strichförmig, dreieckig, kreisförmig oder sternförmig ausgebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die geometrische Grundform ein geschlossenes Polygon, z. B. ein Viereck oder ein Fünfeck, ist.
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Die Gitterstrukturen des Strömungsgitters sind durch charakteristische Abmessungen ihrer geometrischen Grundform gekennzeichnet. Beispielsweise ist eine strichförmige Gitterstruktur durch ihre Strichlänge, eine kreisförmige Gitterstruktur durch den Kreisdurchmesser gekennzeichnet. Analog ist eine polygonförmige Gitterstruktur, neben der Anzahl an Ecken, insbesondere durch die Kantenlängen bzw. ihren Flächeninhalt definiert.
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Anhand dieser charakteristischen Abmessungen ihrer geometrischen Grundform sind die Gitterstrukturen in unterschiedliche Größenklassen einteilbar, wobei für jede Größenklasse die charakteristischen Abmessungen identisch sind. Die Größenklassen werden im Folgenden auch als „Generationen“ bezeichnet, wobei eine nachfolgende Generation der nächstkleineren Größenklasse entspricht.
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Erfindungsgemäß ist das Strömungsgitter aus Gitterstrukturen wenigstens zweier Größenklassen zusammengesetzt, d. h., die Gitterstrukturen des Strömungsgitters zeigen in der Gitterfläche die gleiche geometrische Grundform, wobei es Gitterstrukturen mit einer ersten charakteristischen Abmessung, Gitterstrukturen mit einer zweiten charakteristischen Abmessung, etc. gibt.
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Hierbei ist vorgesehen, dass das Strömungsgitter Gitterstrukturen mit maximal acht unterschiedlichen Größenklassen, bevorzugt wenigstens drei, insbesondere genau vier Größenklassen, umfasst.
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Die die Gitterstrukturen bildenden Stege können im Querschnitt rechteckig, ellipsenförmig oder stromlinienförmig ausgebildet sein.
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Die durch die Gitterstrukturen bzw. deren Stege in der Gitterfläche definierten Gitteröffnungen, d. h. die von dem Fluid durchströmbaren Flächenanteile innerhalb des Rahmens des Strömungsgitters, können einen Anteil zwischen 50 % und 90 % der Anströmfläche einnehmen.
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Bei einer Verwendung des Strömungsgitters z. B. im Zulauf einer Strömungsmaschine wird die Breite der Stege vorzugsweise anhand Rotordrehzahl, Flügelanzahl, Strouhal-Zahl der Streben und Anströmgeschwindigkeit derart dimensioniert, dass es keine Interferenzen gibt. Die maximale Größe der Gitteröffnungen ergibt sich aus der Länge der Schaufeleintrittskanten, dem Schaufelabstand, der Drehzahl und der Anströmgeschwindigkeit.
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Der Vorteil der Erfindung ist, dass in einer Fluidströmung fraktal strukturierte Turbulenzen erzeugt werden. Es erfolgt eine Verschiebung der Wirbelgröße von großskaligen Wirbeln auf der Eintrittsseite des Strömungsgitters zu Wirbeln mit kleineren Längenskalen auf der Austrittsseite des Strömungsgitters, d. h., die vor dem Strömungsgitter turbulente Strömung mit großskaligen Wirbeln erhält ein gleichmäßiger verteiltes Energiespektrum der turbulenten kinetischen Energie.
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Liegt das Strömungsgitter in einem Fluidstrom auf der Eintrittsseite einer Strömungsmaschine, z. B. eines Ventilators, so führt diese Wirbelstruktur zu einem breitbandigeren, jedoch insgesamt zu höheren Frequenzen verschobenen, akustischen Abstrahlverhalten. Höhere Frequenzen können durch akustische Maßnahmen, wie Schalldämpfer, einfacher gedämpft werden als tiefe Frequenzen.
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Die Erfindung kann derart ausgebildet sein, dass die fraktale Gesamtstruktur ein Pythagoras-Baum ist, d. h., die Gitterstrukturen weisen in der Gitterfläche die Form eines Quadrates auf, wobei jeweils drei Quadrate - gemäß des bekannten Satzes von Pythagoras - derart sich an ihren Ecken berührend angeordnet sind, dass von ihnen ein z. B. gleichschenkliges Dreieck eingeschlossen ist.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind entlang des Randes der Gitterstrukturen einer vorgegebenen Größenklasse - nachfolgend Eltern genannt - Gitterstrukturen der nachfolgenden Generation, d. h. der nächstkleineren Größenklasse, - nachfolgend Kinder genannt - angeordnet, wobei die Kinder gegenüber den Eltern in der Gitterfläche um einen Winkel gedreht sein können. Hierbei sind auf dem Rand jeder Eltern-Gitterstruktur wenigstens zwei Kinder gleichmäßig zueinander beabstandet angeordnet. Vorzugsweise sind die Kinder auf dem Rand ihrer Eltern derart angeordnet, dass ihr Flächenschwerpunkt - als Flächenschwerpunkt ist hierbei der Mittelpunkt der von den Stegen der Gitterstruktur in der Gitterfläche umrandete Flächenbereich bezeichnet - auf dem Rand der Eltern liegt.
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Gemäß dieser Ausgestaltung können die Gitterstrukturen gleichseitige Polygone, d. h. Vielecke, sein, wobei die Kinder mit ihrem Flächenschwerpunkt z. B. jeweils auf den Eckpunkten der Eltern angeordnet sind.
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Die Gitterstrukturen können auch Ellipsen, insbesondere Kreise, sein, wobei sich die Kinder jeder Eltern-Gitterstruktur gegenseitig berühren.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das Strömungsgitter bezüglich der durch den Rahmen aufgespannten Ebene konvex gewölbt ist, d. h., die Gitterfläche ist schirmartig gewölbt. Bei Anordnung des Strömungsgitters in einem Fluidkanal mit der konvexen Seite in Richtung zu dem anströmenden Fluid ist hierdurch eine optimale Verkleinerung der in der Fluidströmung vorhandenen Wirbel ermöglicht. Die konvexe Krümmung des Strömungsgitters wird hierbei derart gewählt, dass das anströmende Fluid vorzugsweise senkrecht auf das Strömungsgitter auftrifft. Somit ist die Wölbungskurve durch die zu erwartenden Stromlinien der Fluidströmung vorgegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Strömungsgitter genau eine Gitterstruktur der größten Größenklasse auf, wobei dieselbe zentral innerhalb des Rahmens angeordnet ist. Die charakteristischen Abmessungen dieser einen Gitterstruktur sind derart gewählt, dass die Gitterstrukturen der nachfolgenden Generationen den Rahmen des Strömungsgitters vollständig ausfüllen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die am Rahmen angeordneten bzw. den Rahmen berührenden Gitterstrukturen nur unvollständig ausgebildet sind, wobei sie vom Rahmen quasi „abgeschnitten“ werden.
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Weiter kann die Erfindung derart ausgestaltet sein, dass durch eine Größenklasse nicht nur die charakteristischen Abmessungen der geometrischen Grundform sondern auch die Stegbreiten der Gitterstrukturen in der Gitterfläche festgelegt sind, wobei die Stegbreiten mit den charakteristischen Abmessungen skalieren. Somit werden die Stegbreiten der Gitterstrukturen in der Gitterfläche mit zunehmender Generation, d. h. kleiner werdender Größenklasse, schmaler. Hierbei ist bevorzugt die Steghöhe, d. h. die Ausdehnung der Stege senkrecht zur Gitterfläche, unabhängig von der Größenklasse der Gitterstruktur.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Stegbreite in einem festen Verhältnis zu der charakteristischen Abmessung steht, d. h. das Verhältnis Abmessung zu Stegbreite für alle Größenklassen identisch ist. Das Verhältnis zwischen hydraulischem Durchmesser einer Gitterstruktur und der Breite der die Gitterstruktur berandenden Stege beträgt vorzugsweise 10 : 1.
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Das Strömungsgitter kann weiter derart ausgebildet sein, dass die Steghöhe der Gitterstrukturen senkrecht zur Gitterfläche vom Rand des Rahmens zum Rahmenzentrum hin zunimmt, d. h., die axiale Erstreckung der Gitterstrukturen ist im Zentrum des Strömungsgitters größer als am Rand.
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Das erfindungsgemäße Strömungsgitter kann vorteilhaft zum Reduzieren von Wirbeln in einem Fluidstrom am Eintritt von Strömungsmaschinen oder vor einer Filtereinrichtung verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
- 1: eine Querschnittsdarstellung eines Fluideintritts einer Strömungsmaschine,
- 2: eine Querschnittsdarstellung einer Gitterstruktur des Strömungsgitters,
- 3: das Strömungsgitter in Draufsicht gemäß einer Ausgestaltung, und
- 4: das Strömungsgitter in perspektivischer Ansicht gemäß einer Ausgestaltung.
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1a zeigt einen Axialverdichter und 1b einen Radialverdichter im Querschnitt. In beiden Fällen ist das Strömungsgitter 1 am Einlauf des Verdichters über dessen Eintrittsöffnung 3 angeordnet. Hierbei ist das Strömungsgitter 1 derart in Richtung zur Anströmung konvex gewölbt, dass die Strömungslinien 2 des anströmenden Fluids weitestgehend senkrecht auf die Eintrittsseite 10 des Strömungsgitters 1 auftreffen.
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Auf der Austrittseite 12 trifft das Fluid nach der Vergleichmäßigung der Fluidströmung durch das Strömungsgitter 1 auf die Eintrittskante 5 der an der Rotorwelle 6 befestigten Rotorschaufeln 4.
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2 zeigt den Querschnitt des in 1 dargestellten Strömungsgitters 1 im Detail. Das Strömungsgitter 1 ist derart konvex gewölbt, dass die im Schnittpunkt zwischen Strömungsgitter 1 und Strömungslinie 2 an die Strömungslinie 2 angelegte Tangente 9 senkrecht zum Strömungsgitter 1 steht.
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Die Stege 11 des Strömungsgitters 1 sind im Querschnitt gemäß 2a rechteckig, gemäß 2b rund und gemäß 2c stromlinienförmig ausgebildet.
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In 3 ist eine Ausgestaltung des Strömungsgitters 1 in Draufsicht dargestellt. Es umfasst die innerhalb des Rahmens 7 angeordneten, kreisförmigen Gitterstrukturen 8, wobei das Strömungsgitter 1 in diesem Beispiel Gitterstrukturen der ersten 8.1, zweiten 8.2, dritten 8.3 und vierten 8.4 Generation beinhaltet. Das dargestellte Strömungsgitter 1 umfasst genau eine Gitterstruktur der 1. Generation 8.1, die zentral innerhalb des Rahmens 7 angeordnet ist. Entlang ihres Randes sind die sechs Gitterstrukturen der 2. Generation 8.2 angeordnet, wobei sich benachbart angeordnete Gitterstrukturen der 2. Generation 8.2 gegenseitig berühren. Analog gilt dies für die Gitterstrukturen der 3. Generation 8.3 und der 4. Generation 8.4, wobei diese Gitterstrukturen der 3. Generation 8.3 und der 4. Generation 8.4 zum Teil bereits durch den Rahmen 7 abgeschnitten sind.
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Das Strömungsgitter 1 gemäß der perspektivischen Darstellung in 4 entspricht der zweidimensionalen Draufsicht der 3. Die Gitterfläche ist sphärisch geformt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsgitter
- 2
- Stromlinien der Fluidströmung
- 3
- Eintrittsöffnung
- 4
- Rotorschaufel
- 5
- Eintrittskante der Rotorschaufel
- 6
- Rotorwelle
- 7
- Rahmen
- 8
- Gitterstruktur
- 8.1
- Gitterstruktur der 1. Generation
- 8.2
- Gitterstruktur der 2. Generation
- 8.3
- Gitterstruktur der 3. Generation
- 8.4
- Gitterstruktur der 4. Generation
- 9
- Stromlinientangente
- 10
- Eintrittsseite des Strömungsgitters
- 11
- Steg der Gitterstruktur
- 12
- Austrittseite des Strömungsgitters
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1052624 B [0004]
- DE 102014102370 A1 [0004]
- EP 0547253 B1 [0004]
