DE19525910C2 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung und energetischen Nutzung von Wirbelströmungen hoher Zirkulation in parallelen Hauptströmungen - Google Patents

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 33 30 899 C2 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 WO 92/00450 wurde ein Verfahren und eine Einrichtung bekannt, nach welchen in Strömungsmodulen Drehströmungen aus paralleler 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 Potentialwirbels 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.

Mit der DE 43 09 588 A1 wird ein Verfahren und eine Einrichtung beschrieben, welche die Erzeugung und energetische Nutzung von Wirbelströmungen ermöglicht, wobei die Einrichtung ein Strömungsmodul zur Herstellung eines Potentialwirbels und eine in der Wirkrichtung des Potentialwirbels angeordnete Turbine aufweist. Das Strömungsmodul umfaßt einen aus mehreren Diffusorsäulen aufgebauten äußeren Hohlkörper, an oder zwischen denen Klappen angeordnet sind, wobei der äußere Hohlkörper mit Platten abgedeckt ist, die eine oder mehrere Ausströmöffnungen haben. Die Turbine ist im Bereich einer oder mehrerer Ausströmöffnungen derart angeordnet, daß etwa die halbe Breite der Rotorkörper von den Platten abgedeckt ist. Der auf den äußeren Hohlkörper wirkende Staudruck erzeugt eine Drehströmung, wobei an den Diffusorsäulen Staudrücke sowie Zirkulationen entstehen. Die innen erzeugte Drehströmung treibt durch Spaltdüsen Strahlströmungen, welche aufgrund der Form der Diffusorsäulen sowie der Klappen drehmomentbehaftet sind und eine Drehströmung um das Strömungsmodul erzeugen. Aufgrund der größeren Wandscherungen der Strahlströmungen und der resultierenden äußeren Drehströmung werden starke Wirbel erzeugt.

Nachteilig an dieser Lösung ist, daß die Erzeugung der starken Wirbel technisch recht aufwendig ist.

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 äußeren 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 inneren 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 angeordneten, seitlich geöffneten 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 spiralförmigen 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 bleiben. 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 seinem Erzeugerradius, auf den 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 beispielsweise für Induktionsprozesse in herzustellenden Wirbelspulen vollständig genutzt werden.

Nach der Erfindung ist es möglich, Wirbelströmungen in Zirkulation und Raumbedarf 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 Wirbelwirkung unter Anströmungsdruck und spiralförmigem Einrollen der Wirbel schichten 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 einen 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 ein 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 Energieerhaltung 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 10 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 Drehimpulserhaltungssatz die Zirkulation auf, die im Hohlzylinder 2 eingestellt worden ist.

Dieser Potentialkernwirbel wird in den Unterdruckkern des Hüllwirbels 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 aus strömenden Potentialkernwirbels im Bereich der Ausströmöffnung 6 angeglichen, so daß eine 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

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 einzelnen Drehachsen der Wirbel um eine gemeinsame Drehachse 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 energetischer 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 geöffneten 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 4, 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 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Grundflächen (1) in einer oder mehreren Ebenen mit Wirbel erzeugenden Elementen (2; 3) als eine rotationssymmetrische Einheit drehbar angeordnet sind.