DE19525910A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung und energetischen Nutzung von Wirbelströmungen hoher Zirkulation in parallelen Hauptströmungen - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung und energetischen Nutzung von Wirbelströmungen hoher Zirkulation in parallelen HauptströmungenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und zur
Nutzung von induzierenden Wirbelströmungen hoher Zirkulation in
parallelen Hauptströmungen, beispielsweise in parallelen und/oder
spiraligen Drehströmungen in angeströmten Strömungsmodulen mit
tangentialen Einströmklappen und mindestens einer Ausströmöffnung
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches und auf eine Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung ermöglichen die
Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Umwandlung einer parallelen
Strömung in Wirbelströmungen hoher Zirkulation sowie die
Herstellung stabiler Wirbelströmungen und deren Einlagerung in die
erzeugende Hauptströmung. Eine freie Anströmung der Einrichtungen
zur Durchführung des Verfahrens durch die Hauptströmung sollte
gewährleistet sein. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist in
Strömungsmodulen einsetzbar, die Anzahl hängt von der Baugröße
und dem zur Verfügung stehenden Bauraum ab.
Baugröße und Anzahl der angeordneten Einrichtungen bestimmen im
Wesentlichen die Stärke der Zirkulation der hergestellten
Wirbelströmungen. Die erfindungsgemäßen Einrichtungen können
auch in laminar fließenden Parallelströmungen angeordnet sein. Die
erzeugten Wirbelströmungen werden dann stromabwärts energetisch
genutzt, beispielsweise zu induzierenden Wirbelspulen
weiterverarbeitet, um Fluid aus tieferen Schichten an die Oberfläche
zu fördern.
In der Strömungsmechanik sind Turbulenzen bekannt, welche im
Unterschied zum laminaren Fließen eines Fluids Wirbel zur Grundlage
haben. Technisch werden Wirbel erzeugt, um beispielsweise zur
Konzentration von Windenergie Wirbelspulen in einer Windströmung
zu erzeugen, wie das in der DE-PS 33 30 899 beschrieben ist. Hier
werden tragflügelartige Elemente in Sternform angeordnet, so daß auf
einem Innenkreis Wirbel abreißen und von der Windströmung
mitgerissen werden. Eine stromab resultierende Wirbelspule
beschleunigt die Strömungsgeschwindigkeit im kleineren Kreis,
nachgewiesen bis auf das Zweifache. Die so
geschwindigkeitskonzentrierte Strömung besitzt ein größeres
Leistungsvermögen gegenüber der unbeschleunigten Strömung.
Nachteilig ist, daß die konzentrierende Anordnung eine sehr viel
größere projizierte Anströmfläche aufweist als eine freifahrende
Turbine gleicher Nennleistung. Wie bei allen Tragflügeln ist die
Kennlinie des Auftriebs und damit der Wirbelbildung vom
Anstellwinkel und der Anströmgeschwindigkeit abhängig. Es
resultieren Regelungs- und Steuerungsaufwendungen.
Schallemissionen sind nicht zu verhindern.
Bei steigendem Leistungsentzug durch einen Propeller wurde ein
Wirbelaufplatzen erkennbar, welches zur Leistungsminderung bis zur
Zerstörung der Wirbelspule führen kann. Es wurde nur eine kleinere
Versuchsanlage bekannt.
Mit der PCT/DE92/00450 wurde ein Verfahren und eine
Einrichtung bekannt, nach welchen in Strömungsmodulen
Drehströmungen aus paraller Anströmung erzeugt werden. In den
inneren Drehströmungen sind Wirbelerzeuger auf konzentrischen
Kreisen angeordnet, wobei die Wirbelerzeuger nach verschiedenen
Anströmungen Wirbelfäden generieren, Kanten- oder Schlauchwirbel
herstellen. Diese werden dann durch die parallele Drehströmung zu
Wirbelspulen in den Strömungsmodulen aufgewickelt, welche eine
axiale Zusatzgeschwindigkeit induzieren. Es resultiert eine
Verstärkung des Axialstromes und eine Erhöhung der
Umfangsgeschwindigkeit in den Strömungsmodulen. Dabei wird ein
innerer Hohlkörper angeströmt, in den ein Axialstrom sowie eine
Vielzahl von induzierenden Wirbelströmungen gesaugt werden, so
daß im Wirkungsbereich des Potentialwirbel eine Turbine angeordnet
oder der Hohlkörper direkt als Turbine genutzt werden kann.
Der Wirkungsgrad dieser Einrichtungen hängt im wesentlichen von
der Zirkulation der Wirbel erzeugenden Elemente ab.
Es erwies sich als nachteilig, daß die bekannten Wirbel erzeugenden
Elemente strömungsmechanisch langsam reagieren, so daß die
Generierung stabiler, induzierender Wirbelströmungen größere freie
Fließstrecken erforderte. Der Wachstumsprozeß dieser
Wirbelströmungen ist außerdem von der Form der angeströmten
Körper und den Druckverhältnissen am Ort der Überleitung in die
Hauptströmung abhängig.
Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Erhöhung der Zirkulation von
Wirbelströmungen den inneren Hohlkörper mit mehreren
Einströmöffnungen zu versehen, Wirbelerzeuger direkt am Umfang
des Hohlkörpers anzuordnen und als Turbine zu nutzen. Die erzielten
Wirkungen bestehen in der Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit
der parallelen Drehströmung bei Energieentzug durch die Turbine und
gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades einer derartigen
Turbine.
Weiterhin wurde vorgeschlagen, eine solche Turbine mit mehreren,
schaufel- sowie tragflügelartigen Trennwänden auszurüsten, um
direkt Wirbelströmungen größerer Zirkulation einzuleiten und die
strömungsmechanischen Vorteile der Auftriebsnutzung umströmter
Tragflügel auch in Wirbelströmungen mit Vertikalachsenrotoren
auszunutzen.
Die bei Energieentzug durch eine derartige Turbine eingetretenen
Erhöhungen der Umfangsgeschwindigkeit der parallelen
Drehströmung als antreibendes Drehfeld bewirken eine weitere
Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine. Durch die
Auftriebsnutzung wird die Turbinenleistung gegenüber reiner
Widerstandsnutzung erhöht. Die Anordnung der Wirbel erzeugenden
Elemente ist auf den Bauraum der Turbine begrenzt, wodurch der
Leistungssteigerung bautechnische Grenzen gesetzt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Erzeugung energetisch nutzbarer Wirbelströmungen
hoher Zirkulation sowie zur Sicherung ihrer energetischen Nutzbarkeit
während und nach der Überleitung in eine Hauptströmung sowie in
induzierende Wirbelspule zu schaffen.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, die
Anwendungsgebiete des Verfahrens zu erweitern und eine
Einrichtung zu schaffen, welche in Strömungsmodulen und/oder in
der anströmenden Parallelströmung zur Erzeugung und energetischen
Nutzung erfindungsgemäßer Wirbelströmungen vielfach angeordnet
werden kann.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Hauptanspruchs und des nebengeordneten
Einrichtungsanspruches gelöst.
Erfindungsgemäß werden in einer laminaren Parallelströmung
und/oder in Strömungsmodulen hergestellten Drehströmungen, in
einer oder mehreren Einrichtungen zeitgleich mit unterschiedlichen
Wirkungen der kinetischen Energie der Strömung verschiedene, auf
eine Drehachse fixierte, Wirbelströmungen erzeugt und in Translation
zu einer neuen Wirbelform vereinigt, indem ein drehachsennaher, in
der Geschwindigkeitskonzentration einstellbarer Potentialkernwirbel
konzentrisch unter Überdruck auf einem Innenkreis eines
Hohlzylinders mit spiralförmiger Einströmöffnung erzeugt sowie
gleichzeitig ein drehachsenfernerer, größerer Hüllwirbel spiralig unter
Strömungsdruck auf einer äußerem Schneckenlinie in gleicher Länge
generiert werden, wobei das Auge der Schneckenlinie größer als der
Hohlzylinderdurchmesser ist und eine äußere Umströmung des
Hohlzylinders bewirkt, der Potentialkernwirbel mit seinem
Geschwindigkeitsfeld innen und der Hüllwirbel außen, mit innerem
Radien des Geschwindigkeitsfeldes eine beispielsweise
stumpfkegelmantelförmige, feststehende oder rotierende,
fluiddurchlässige oder fluiddichte Deckfläche des Hohlzylinders
zeitgleich in Grenzschichten beaufschlagen, an dieser Deckfläche die
Umfangsgeschwindigkeit der Wirbel erhöht wird, bis zu einer mittigen
Ausströmung des Potentialkernwirbels die
Umfangsgeschwindigkeiten des Potentialkernwirbels sowie des
Hüllwirbels auf dem Ausströmradius so eingestellt werden, daß der
Hüllwirbel den Potentialkernwirbel antreibt, der Potentialkernwirbel in
den Unterdruckkern des Hüllwirbels einfließt und Überdruck in
kinetische Energie gewandelt wird, der Hüllwirbel die
strömungsmechanischen Existenzbedingungen für den
Potentialkernwirbel herstellt, aufrechterhält und ein Aufplatzen des
geschwindigkeitskonzentrierten Potentialkernwirbels verhindert, beide
Wirbelformen zu einem Potentialschlauchwirbel mit aufgeprägter
hoher Zirkulation und hoher Geschwindigkeitskonzentration im
Wirbelkern vereinigt werden, im Wirbelerzeuger des Hüllwirbels eine
Translation zur Abströmöffnung erhalten, unter Strömungsdruck in
die erzeugende Hauptströmung abgelenkt ausfließen, in die
Hauptströmung wirbelströmungsstabil eingelagert und zu einer
induzierenden Wirbelspule aufgewickelt oder in anderer Form
energetisch genutzt werden.
Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens aus einem über einer Drehachse angeordnetem, seitlich
geöffnetem Hohlzylinder gebildet, welcher im Auge einer
Schneckenlinie liegt. Die Einströmöffnung des Hohlzylinders ist
senkrecht zur Anströmung angeordnet, die Grundfläche ist
geschlossen. An der anderen Stirnseite des Hohlzylinders ist eine
Deckfläche mit einer mittigen Ausströmöffnung angeordnet, welche
beispielsweise als Kegelstumpf ausgebildet sein kann. Die Deckfläche
kann fluiddurchlässig und drehbar angeordnet sein.
Dieser Hohlzylinder wird durch die Mantelfläche eines, mit gleicher,
geschlossener Grundfläche angeordneten, eine Schneckenlinie
bildendes Hüllwirbelerzeugerelementes derart umschlossen, daß eine
Umströmung des Hohlzylinders erfolgen kann. Im Bereich der
spiralförmig oder als einfacher Kreisbogen ausgebildeten
Einströmöffnung des Hohlzylinders ist diese Mantelfläche so
ausgespart, daß eine freie Anströmung der Einströmöffnung durch die
Hauptströmung erfolgt und der aus der Umströmung des
Hohlzylinders resultierende Volumenstrom auf die kleineren Radien
der Einströmöffnung gerichtet wird.
Im Bereich der Deckfläche des Hohlzylinders ist die Mantelfläche des
Hüllwirbelerzeugers in der für die Schlauchwirbelbildung
erforderlichen Schneckenlinie ausgebildet, so daß sich über der
Deckfläche ein Schlauchwirbel herstellen läßt und die vom
Hohlzylinder aufgeprägte Drehströmung auf die Deckfläche
übertragen wird. Der Hüllwirbelerzeuger besitzt zur Herstellung einer
stabilen Wirbelströmung eine strömungsmechanisch gegenüber dem
Hohlzylinder definierte größere Höhe, die minimal etwa der doppelten
Höhe des Hohlzylinders entsprechen sollte.
Wird die erfindungsgemäße Einrichtung von einer Parallelströmung,
von einer parallelen Drehströmung oder von einer spiralförmigem
Drehströmung angeströmt, so wird diese Strömung in drei
unterschiedlich wirkende Volumenströme unterteilt. Im Bereich der
Grundfläche bis unterhalb der Deckfläche des Hohlzylinders erzeugt
die senkrechte Anströmung durch die Einströmöffnung im
Hohlzylinder Überdruck, es wird eine äußere Umfangsgeschwindigkeit
im Hohlzylinder erzeugt, welche kleiner als die
Anströmgeschwindigkeit ist. Zugleich erfolgt die spiralförmige äußere
-Anströmung des Hohlzylinders im Hüllwirbelerzeuger, wodurch sich
im unteren Bereich um den Hohlzylinder eine Drehströmung auf
konzentrischen Kreisen herausbildet. Diese Drehströmung verstärkt
den in den Hohlzylinder einfließenden Volumenstrom durch die
gegenüber der senkrechten Anströmung höhere
Umfangsgeschwindigkeit der Drehströmung. Gegenüber der
senkrechten Anströmung stellt sich ein größerer Anfangswert der
Umfangsgeschwindigkeit auf dem äußeren Radius des Hohlzylinders
ein.
Die hergestellte äußere Drehströmung am Hohlzylinder wird durch die
spiralförmig fließende Strömung des Hüllwirbels über der Deckfläche
des Hohlzylinders aufrechterhalten. Mit Radienverringerung wird die
Umfangsgeschwindigkeit größer.
Es entsteht durch die Fliehkraftwirkungen ein Unterdruckkern über der
Drehachse, welcher an der Ausströmöffnung des Hohlzylinders durch
die Rotation festgemacht ist und in diese Ausströmöffnung
hineinwirkt und an der Einströmöffnung des Hohlzylinders einen
Saugeffekt auslöst.
Zeitgleich erfolgt im Hohlzylinder in Richtung Ausströmöffnung die
Herstellung einer Zirkulation in einem Potentialwirbel ohne
Translationseinflüsse aus der äußeren Anströmung. Die Zirkulation ist
nach dem Drehimpulssatz berechenbar, konstruktiv einstellbar und
muß nach den Helmholz′schen Wirbelsätzen bei
Querschnittsänderungen der Wirbelröhre gleich bleiben. Die
Ausströmöffnung stellt insofern eine Querschnittsänderung dar, als
sie zugleich auch eine Richtungsänderung in Form der Translation
durch den darüber angeordneten Unterdruck vorgibt.
Es wurde gefunden, daß in und durch einen Potentialwirbel, trotz
nach innen hin ansteigender Umfangsgeschwindigkeiten und damit
ansteigender Fliehkraftwirkungen, ein Massenstrom mit einem
natürlichem Transportmechanismus durchsetzbar ist.
Die konzentrischen Kreise der Stromlinien des Geschwindigkeitsfeldes
sind zugleich Bahnlinien der Masseteilchen, die konzentrischen Kreise
stellen also Normpotentiale nach dem Drehimpulserhaltungssatz dar,
welche sich durch die Umfangsgeschwindigkeiten unterscheiden
lassen.
Erfolgen im Inneren des Potentialwirbels Platzwechsel von
Masseteilchen in Translation, so müssen die fehlenden Massen aus
Gründen des Energieerhaltungssatzes ersetzt werden, gleichzeitig
muß aus gleichen Gründen das natürliche Normpotential auf den
konzentrischen Kreisen des Geschwindigkeitsfeldes erhalten blieben.
Der Transportmechanismus läßt sich als eine Vielzahl von gegen die
Drehrichtung des Potentialwirbels verlaufenden, spiralförmigen
Platzwechsel von Masseteilchen beschreiben, in dem die
Masseteilchen von einer geringeren Umfangsgeschwindigkeit in die
Wirkung einer größeren Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt
werden. Die Platzwechsel erfolgen mindestens mit
Impulsgeschwindigkeit, so daß die Normpotentiale aufgrund ihres
Trägheitsmomentes erhalten bleiben und die Fliehkräfte gegen den
Massestrom keine Sperrwirkung ausüben können. Der Massestrom
wird tatsächlich ohne Energieverlust realisiert und ist lediglich vom
Unterdruck des Hüllwirbels größenabhängig.
Es ist bekannt, daß sich ein Wirbelkern, abhängig von seinen
Erzeugerradius, auf dem Wert 0,65 * Radius herausbildet. Dieser
Radius ist durch die Ausströmöffnung des Hohlzylinders bestimmt, so
daß erfindungsgemäß ein Potentialkernwirbel erzeugt wird, dessen
höchste Umfangsgeschwindigkeit auf 0,65 * Radius der
Ausströmöffnung liegt.
Ausströmquerschnitt und wirkender Unterdruckkern des Hüllwirbels
bestimmen die Translationsgeschwindigkeit des Potentialkernwirbels
in den Unterdruckkern des Hüllwirbels.
Die Grenzschicht zwischen Rotation und Unterdruckkern des
Hüllwirbels stellt zugleich eine strömungsmechanische Wand für den
Potentialkernwirbel her, an welcher dieser sich beim Einfließen
abstützen kann. Aufgrund der oberhalb der Deckfläche freien
Drehströmung, darunter soll eine Drehströmung unter
Anströmungsdruck verstanden sein, ist die Umfangsgeschwindigkeit
auch nicht um den Betrag der Geschwindigkeit gemindert, der für die
Herstellung des Überdrucks im Hohlzylinder gewandelt werden muß.
Daraus folgt, daß die innere Umfangsgeschwindigkeit des Hüllwirbels
an der Grenzschicht zum Unterdruckkern größer eingestellt ist als die
äußere Umfangsgeschwindigkeit des einfließenden
Potentialkernwirbels. Der unter Überdruck gegenüber dem Hüllwirbel
quellende Potentialkernwirbel wird damit an seinem äußeren Umfang
vom Hüllwirbel angetrieben.
Die potentielle Energie des Überdrucks, unter dem der
Potentialkernwirbel im Hohlzylinder erzeugt wurde, kann demzufolge
nicht radial wirksam werden und eine Expansion des
Potentialkernwirbels einleiten.
Der Überdruck hat nur eine freie Wirkrichtung zwischen der äußeren,
antreibenden sowie der inneren, kleineren Umfangsgeschwindigkeit in
der Grenzschicht. Der Druckgradient ist dadurch eine Resultierende in
Richtung der Umfangsgeschwindigkeit, so daß Überdruck nur in
kinetische Energie zur Beschleunigung des Potentialkernwirbels
gewandelt werden kann.
Es resultiert eine stabile, konstruktiv eingestellte und gewachsene
Wirbelströmung hoher Zirkulation im Hüllwirbelerzeuger, welche eine
äußere spiralige Zuströmung aufweist.
Alle Existenzbedingungen für die neue Wirbelform sind vor
Abströmen in die Hauptströmung hergestellt. Diese Wirbelströmung
ist bereits beim Abströmen in die Hauptströmung ohne
Druckunterschiede zwischen Wirbel und Hauptströmung in die
erzeugende Hauptströmung eingelagert.
Die Zirkulation dieser Wirbelströmungen kann beispielweise für
Induktionsprozesse in herzustellenden Wirbelspulen vollständig
genutzt werden.
Nach der Erfindung ist es möglich, Wirbelströmungen in Zirkulation
und Raum bedarf den konstruktiven und energetischen Erfordernissen
anzugleichen.
Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultiert die neue Wirkung,
einen zeitabhängigen Geschwindigkeitskonzentrationsprozeß unter
Überdruck in einem quasi abgeschlossenen Raum mit einem
Wachstumsprozeß einer äußeren Wirbelbildung unter
Anströmungsdruck und spiralförmigem Einrollen der Wirbelschichten
über einer gemeinsamen Drehachse zu vereinen und damit Energie zur
Beschleunigung der inneren Wirbelströmung während der
stabilisierten Überleitung der erzeugten neuen Wirbelströmungsform
in die erzeugende Hauptströmung verfügbar zu machen.
Voraussetzungen für eine hohen Standardisierungsgrad für Wirbel
erzeugende Elemente sind damit geschaffen worden, wodurch eine
wirtschaftlich günstige Serienfertigung solcher Elemente möglich
wird. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann in allen Strömungen
eingesetzt werden, in denen Energiekonzentrationen hergestellt
werden sollen, wodurch die Wirtschaftlichkeit in großem Umfang
verbessert werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt, und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Einrichtung in einer schematischen Darstellung
Fig. 2 einen Querschnitt nach dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1
In Fig. 1 ist eine erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, bei der auf einer Grundfläche 1 ein Hohlzylinder 2 sowie ein spiralförmiger Hüllwirbelerzeuger 3 angeordnet sind. Der Hohlzylinder 2 weist eine Einströmöffnung 4 an seiner äußeren Mantelfläche auf und ist stirnseitig mit einer Deckfläche 5 abgedeckt. Mittig in der Deckfläche 5 ist eine Ausströmöffnung 6 angeordnet. Mit dem Radius der Ausströmöffnung 6 sowie dem Außenradius des Hohlzylinders 2 ist die Geschwindigkeitskonzentration eines herzustellenden Potentialkernwirbels einstellbar. Die Zirkulation hängt dagegen nur vom äußeren Radius des Hohlzylinders 2 und von der äußeren Umfangsgeschwindigkeit ab.
In Fig. 1 ist eine erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, bei der auf einer Grundfläche 1 ein Hohlzylinder 2 sowie ein spiralförmiger Hüllwirbelerzeuger 3 angeordnet sind. Der Hohlzylinder 2 weist eine Einströmöffnung 4 an seiner äußeren Mantelfläche auf und ist stirnseitig mit einer Deckfläche 5 abgedeckt. Mittig in der Deckfläche 5 ist eine Ausströmöffnung 6 angeordnet. Mit dem Radius der Ausströmöffnung 6 sowie dem Außenradius des Hohlzylinders 2 ist die Geschwindigkeitskonzentration eines herzustellenden Potentialkernwirbels einstellbar. Die Zirkulation hängt dagegen nur vom äußeren Radius des Hohlzylinders 2 und von der äußeren Umfangsgeschwindigkeit ab.
Die einmal hergestellte Zirkulation muß bei Querschnittsveränderung
und Translation einer Wirbelströmung aus Gründen der
Energiehaltung gleich bleiben.
Auf der Grundfläche 1 ist mit gleicher Drehachse eines Hüllwirbels
ein Hüllwirbelerzeuger 3 angeordnet. Er besteht aus einem einseitig
geöffnetem Zylinder 7, dessen Querschnitt 8 spiralförmig ist.
Im Zylinder 7 ist der Hohlzylinder 2 mit gleichem Mittelpunkt
angeordnet. Die äußere Mantelfläche des Hohlzylinders 2 und die
innere, spiralig öffnende Mantelfläche des Zylinders 7 weisen einen
strömungsmechanisch definierten Abstand über der
Einströmöffnung 4 des Hohlzylinders 2 auf. Der so gebildete
Strömungsraum 9 dient der Herstellung einer äußeren Umströmung
des Hohlzylinders 2.
Im Bereich der Einströmöffnung 4 des Hohlzylinders 2 ist die
Mantelfläche 10 des Zylinders 7 ausgespart. Die Aussparung 11
endet mit der Einströmöffnung 4 unterhalb der Deckfläche 5
Die Deckfläche 5 besteht vorzugsweise aus einer
Kegelstumpfmantelfläche, deren kleinster Durchmesser durch die
Ausströmöffnung 6 gebildet ist. Die Mantelfläche 10 des spiralig
einseitig geöffneten Zylinders 7 ragt strömungsmechanisch definiert,
aber mindestens mit etwa doppelter Länge des Hohlzylinders 2 über
diesen hinaus. Die optimale Gesamthöhe ist dann gegeben, wenn die
ausströmende Wirbelströmung stabil in die erzeugende
Hauptströmung eingelagert abfließt. Hier werden experimentelle
Untersuchungen für verschiedene Baugrößen erforderlich.
Die Mantelfläche 10 stellt einen Anströmquerschnitt 12 her, welcher
senkrecht zur Hauptströmung angeordnet ist. Dieser
Anströmquerschnitt 12 ist durch die Aussparung 11 vergrößert, so
daß die Einströmöffnung 4 ebenfalls senkrecht von der
Hauptströmung angeströmt werden kann.
Wird die erfindungsgemäße Einrichtung angeströmt, sind in der
Anfahrphase drei Volumenströme auf gleicher Drehachse wirksam.
Der in die Einströmöffnung 4 einströmende Teilvolumenstrom erzeugt
Überdruck und eine entsprechend verringerte äußere
Umfangsgeschwindigkeit im Hohlzylinder 2, aus der eine Zirkulation
im Hohlzylinder 2 resultiert.
Der im Bereich der Einströmöffnung 4 in den Anströmquerschnitt 12
einströmende Teilvolumenstrom erzeugt durch die spiralige
Einströmung in den Zylinder 7 eine Drehströmung um den
Hohlzylinder 2, welche eine Translationskomponente aufweist und
über die Deckfläche 5 hinaus erhalten bleibt. Gleichzeitig wird die
senkrechte Einströmung an der Einströmöffnung 4 durch diese
Drehströmung überlagert, so daß die äußere Umfangsgeschwindigkeit
im Hohlzylinder 2 ansteigt und die Zirkulation erhöht wird.
Der im Bereich des Anströmquerschnittes 12 oberhalb der
Aussparung 11 einströmende Teilvolumenstrom stellt einen
drallförmigen Schlauchwirbel her. Dieser Schlauchwirbel erzeugt über
der Ausströmöffnung 6 eine schnelle Rotation, wodurch sich ein
Unterdruckkern herausbildet und über der Ausströmöffnung 6 wirkt.
Sind nach der Anfahrphase alle Strömungszustände ausgebildet,
beginnt ein Ansaugvorgang über die Ausströmöffnung 6 in die
Einströmöffnung 4 des Hohlzylinders 2 zu wirken, der durch die
Größe des Unterdrucks im Unterdruckkern des drallförmigen
Hüllwirbels über der Ausströmöffnung 6 bestimmt wird.
Der im Hohlzylinder 2 hergestellte Potentialwirbel bildet mit der Größe
0,65 * Radius der Ausströmöffnung einen Wirbelkern aus, auf dem
die höchste Umfangsgeschwindigkeit herrscht.
Der so translationsfähige Potentialkernwirbel weist nach dem
Drehimpulserhaltungsatz die Zirkulation auf, die im Hohlzylinder 2
eingestellt worden ist.
Dieser Potentialkernwirbel wird in den Unterdruckkern des Hüllwirbel
gezogen, wodurch eine Beschleunigung der Umfangsgeschwindigkeit
im Hohlzylinder 2 eintritt. Gleichzeitig treibt der Hüllwirbel aufgrund
seiner höheren Umfangsgeschwindigkeit in der Grenzschicht Rotation
zum Unterdruckkern den einfließenden Potentialkernwirbel außen an,
so daß der Überdruck im Potentialkernwirbel in kinetische Energie
abgebaut wird und eine stabile Beschleunigung eintritt.
Erfindungsgemäß wird der Unterdruckkern des Hüllwirbels durch die
kegelstumpfförmige Deckfläche 5 und die Ausströmöffnung 6 an den
Durchmesser des ausströmenden Potentialkernwirbel im Bereich der
Ausströmöffnung 6 angeglichen, so, daß ein angeordnete
Grenzschicht wirksam wird. Damit ist ein ungestörtes Einfließen des
Potentialkernwirbels in den Unterdruckkern möglich.
Die Vereinigung beider Wirbelströmungen zu einer neuen Wirbelform
erfolgt ohne äußere, störende Einflüsse.
Bezugszeichenliste
1 Grundfläche
2 Hohlzylinder
3 Hüllwirbelerzeuger
4 Einströmöffnung
5 Deckfläche
6 Ausströmöffnung
7 Zylinder
8 Querschnitt
9 Strömungsraum
10 Mantelfläche
11 Aussparung
12 Anströmquerschnitt
2 Hohlzylinder
3 Hüllwirbelerzeuger
4 Einströmöffnung
5 Deckfläche
6 Ausströmöffnung
7 Zylinder
8 Querschnitt
9 Strömungsraum
10 Mantelfläche
11 Aussparung
12 Anströmquerschnitt
Claims (6)
1. Verfahren zur Erzeugung und energetischen Nutzung von
Wirbelströmungen hoher Zirkulation in parallelen Hauptströmungen,
welche direkt als Parallelströmung oder indirekt als aus der
Parallelströmung hergestellte parallele Drehströmung und/oder als
spiralförmige Drallströmung in Strömungsmodulen nutzbar sind,
wobei zur indirekten Nutzung Strömungsmodule durch eine
Parallelströmung angeströmt werden, ein Einströmöffnungen
bildendes Klappensystem zur selbsttätigen Nachführung
unterschiedlicher Anströmrichtungen aufweisen, welches auf der
Abströmseite alle Klappen schließt, so daß innen über den Staudruck
eine Drehströmung herstellbar ist, in einer Hauptströmung
Wirbelströmungen generiert und zu induzierenden Wirbelspulen
aufgewickelt werden und mindestens eine konzentrische
Ausströmöffnung vorhanden ist, durch welche ein Massenstrom in
die Hauptströmung abfließt,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einer Hauptströmung auf einer Vielzahl von senkrecht zur
Anströmung festgelegten Drehachsen auf jeweils einer Drehachse
mindestens zwei Wirbelströmungen hergestellt werden, eine innere
Wirbelströmung in einem Hohlzylinder als Potentialwirbel unter
Überdruck und eine umhüllende, äußere Wirbelströmung in einem
einseitig spiralig geöffneten Zylinder als Hüllwirbel unter
Strömungsdruck hergestellt wird, der Potentialwirbel auf der
Drehachse eine strömungsmechanisch definierte Strecke getrennt und
vom Hüllwirbel beschleunigt generiert und ein Potentialkernwirbel
hoher Zirkulation mit im Durchmesser fixierten Wirbelkern hergestellt
wird, dieser Durchmesser fest eingestellt oder durch den Überdruck
geregelt wird, gleichzeitig im Hüllwirbel über dem Potentialkernwirbel
ein Unterdruckkern ausgebildet wird, der Unterdruck auf die
Querschnittsfläche des Potentialkernwirbels in einer Ausströmöffnung
des Hohlzylinders wirkt und den Potentialkernwirbel in den
Unterdruckkern saugt, der Potentialkernwirbel durch die höhere
Umfangsgeschwindigkeit des Hüllwirbels sowie durch einen
Druckgradienten des Überdrucks beschleunigt wird,
in die erzeugende Hauptströmung stabil abströmen und in dieser
Hauptströmung, beispielsweise durch Aufwickeln zu einer
induzierenden Wirbelspule, energetisch genutzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gesamtheit der Wirbel erzeugenden Elemente gedreht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf
einer Drehachse mehrere Hüllwirbel energetische Konzentratorstufen
bilden.
4. Einrichtung zur Erzeugung und energetischen Nutzung von
Wirbelströmungen hoher Zirkulation, mit senkrecht zur Anströmung
durch eine Hauptströmung angeordneten Anströmquerschnitten und
mit mindestens zwei Wirbel erzeugenden Elementen,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf einer Grundfläche (1) konzentrisch zu einer Drehachse ein
Hohlzylinder (2) mit einer Einströmöffnung (4) und einer,
vorzugsweise kegelstumpfartigen Deckfläche (5) sowie ein, den
Hohlzylinder (2) umschließender Hüllwirbelerzeuger (3), welcher aus
einem einseitig geöffnetem Zylinder (7) mit einer Mantelfläche (10),
dessen Querschnitt (8) spiralförmig ist, gebildet ist und den
Hohlzylinder (2) überragt, angeordnet sind,
zwischen dem Hohlzylinder (2) und dem Hüllwirbelerzeuger (3) ein
Strömungsraum (9) gebildet ist, ein Anströmquerschnitt (12) des
Hüllwirbelerzeugers (3) durch eine Aussparung (11) in der
Mantelfläche (10) unterbrochen ist, innen hinter der Aussparung (11)
eine Einströmöffnung (4) des Hohlzylinders (2) in Drehrichtung in
einem Winkel, vorzugsweise im Winkel von 30° zur senkrechten
Anströmlinie, angeordnet ist und daß eine Ausströmöffnung (6) des
Hohlzylinders (2) höchstens auf halber Höhe des Hüllwirbelerzeugers
(3) angeordnet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Vielzahl von Grundflächen (1) mit Hohlzylindern (2) und
Hüllwirbelerzeugern (3) auf konzentrischen Kreisen einer Ebene und in
mehreren Ebenen angeordnet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Grundflächen (1) in einer oder mehreren Ebenen mit Wirbel
erzeugenden Elementen (2; 3) als eine rotationssymmetrische Einheit
drehbar angeordnet sind.
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CN107762722A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-03-06 | 中国船舶科学研究中心上海分部 | 一种带有螺旋侧板的风力助航转筒 |
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WO1992000450A1 (en) * | 1990-07-02 | 1992-01-09 | Caterpillar Inc. | Tappet retainer assembly |
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- 1995-07-06 DE DE19525910A patent/DE19525910C2/de not_active Expired - Fee Related
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1998
- 1998-01-14 LT LT98-007A patent/LT98007A/xx unknown
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CN107762722A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-03-06 | 中国船舶科学研究中心上海分部 | 一种带有螺旋侧板的风力助航转筒 |
Also Published As
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LT98007A (en) | 1999-07-26 |
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