DE19806698A1

DE19806698A1 - Vorrichtung zur Verminderung von Ablösewirbeln an Strömungsendkanten

Info

Publication number: DE19806698A1
Application number: DE19806698A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Neubrand
Original assignee: Voith Sulzer Papiertechnik Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-08-19
Also published as: WO1999042654A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für Verminderung von Ablösewirbeln an Strömungsendkanten, insbesondere im Bereich eines Stoffauflaufes einer Papiermaschine, insbesondere an der Ober beziehungsweise Unterlippe eines Stoffauflaufes.

An Strömungsmaschinen befinden sich regelmäßig Strömungsendkanten, an denen sich eine bis dahin laminare Strömung bricht, wobei es zu Wirbelüberlagerungen der sonst laminar verlaufenden Strömung kommt. Handelt es sich dabei um ausgedehnte Kanten, so können die Wirbelablösungen in periodischer Weise auftreten und zu unerwünschten Erscheinungen führen. Diese unerwünschten Erscheinungen können je nach betrachteter Strömungsmaschine zum Beispiel unangenehme und unerwünschte Strömungsgeräuschen sein wie sie zum Beispiel an den Endkanten von Propellern, Schiffsschrauben, Flügelkanten von Flugzeugen oder auch Karosseriekanten von Fahrzeugen entstehen. Im Bereich des Papiermaschinenbaues, genauer im Bereich der Stoffsuspensionsaufgabe auf ein Sieb, führen derartige periodischen Ablösungen durch Wellenbildung zu einer ungünstigen Beeinflussung der Gleichmäßigkeit eines Stoffsuspensionsstrahls am Stoffauflauf und somit zu Fehlern bei der Herstellung einer Papierbahn.

Zur Vermeidung von periodischen Ablöseerscheinungen an einer Lamelle eines Stoffauflaufes wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 29 810 (entspricht US 5,639,352) vorgeschlagen, den hinter der Lamelle liegenden Totraum mit einer Vielzahl von aus dem Hauptstrom abgezweigten Teilströmen zu bespülen, wobei die Teilströme durch Kanäle erzeugt werdend die in die Oberfläche der Lamelle eingearbeitet sind, beziehungsweise die dem Totraum hinter einer Lamelle zugeführte Strömung über in die Oberfläche eingearbeitete Stufen zu leiten. Ebenso wird vorgeschlagen, die Lamelle im Endbereich mit Nuten zu versehen, die die unterschiedlichsten Ausbildungen haben können oder auch an der Lamelle im Endbereich eine Bürstenleiste vorzusehen, die entsprechend dem dort dargestellten Beispiel in der Fig. 12 aus einem Bündel kompakt und mehrlagig angeordneter, gleich langer Borsten besteht.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welches zu einer Verminderung von Ablösewirbeln an den Strömungsendkanten von Strömungsmaschinen, insbesondere an den Strömungsendkanten eines Stoffauflaufes einer Papiermaschine, insbesondere an der Ober beziehungsweise Unterlippe eines Stoffauflaufes führt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 beziehungsweise durch die Merkmale des ersten Verfahrensanspruches gelöst.

Gemäß dem Erfindungsgedanken wird eine Strömungsendkante einer Strömungsmaschine dahingehend ausgestaltet, daß im Bereich des Strömungsabflusses eine Vielzahl von einzeln stehenden Fäden angeordnet ist. Diese Fäden führen zu einer kleinen Störung im Strömungsabfluß, so daß die ohne diese kleinen Störungen in periodischen Abständen auftretenden Strömungsabrisse reduziert werden. Eine derartige Ausbildung einer Strömungsendkante in einer Strömungsmaschine sorgt dafür, daß die Stärke der auftretenden Wirbel im Bereich des Strömungsabrisses vermindert wird und dadurch ein ruhigeres Laufverhalten beispielsweise eines Propellers, einer Schiffsschraube oder einer ähnlichen Vorrichtung erreicht wird. Die Reduktion dieser Störungen bedeutet gleichzeitig eine Geräuschminderung der entsprechenden Strömungsmaschinen. Dies kann beispielsweise im Bereich des Fahrzeugbaues an Karosserien oder im Bereich des Flugzeugbaues an Flügelenden oder Propellern beziehungsweise Turbinen zu einer wesentlichen Geräuschminderung führen. Ebenfalls können derartige geräuschmindernde Maßnahmen für Schiffsschrauben eingesetzt werden. Neben dem Effekt der Geräuschreduktion wird auch der Strömungswiderstand reduziert, da die Gesamtintensität der erzeugten Wirbel reduziert wird. Dadurch werden Energieeinsparungen und/oder Wirkungsgradsteigerungen bei Windkraftmaschinen, beziehungsweise Geschwindigkeitserhöhungen bei Flugzeugen und Schiffen, möglich.

Vorteilhaft ist außerdem, insbesondere bei einem Stoffauflauf einer Papiermaschine, daß die Reduktion der periodischen Wirbelablösungen auch der Tendenz der Bauteile, zu Schwingen und Vibrationen angeregt zu werden, vermindert wird. Hiermit werden vorteilhaft auch Materialermüdungen und Schädigungen reduziert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens können die Fäden mit unterschiedlicher Länge ausgestattet werden. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der Fäden untereinander mindestens das 0,1fache der Fadenlänge, vorzugsweise das 0,1 bis 10fache der Fadenlänge, vorzugsweise das 0,5 bis 5fache der Fadenlänge beträgt.

Eine andere oder auch kombiniert anwendbare vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die Fäden in einer einzigen Reihe im Bereich der Strömungsendkante anzuordnen. Hierbei und bei den anderen, oben geschilderten, Ausführungen ist es von Vorteil, wenn die Fäden in ungleichen Abständen zueinander angeordnet werden. Das Material aus dem die Fäden hergestellt sind richtet sich nach den jeweiligen Anwendungsgebieten und den Umgebungsverhältnissen der Fäden. So kann in Strömungsmaschinen, deren Strömung im wesentlichen aus gasförmigen Fluiden besteht, beispielsweise ein Kunststoffaden, Nylonfaden oder auch Gewebefaden, wie zum Beispiel Baumwolle oder ähnliches verwendet werden. Im Bereich flüssiger Strömungen, die zum Teil auch abrasive Wirkung zeigen, kann es vorteilhaft sein, metallische Fäden zu verwenden.

Es kann weiterhin, insbesondere für eine kostengünstigere Fertigung, von Vorteil sein, wenn die Fäden Teile eines Gewebebandes sind, welches flächig mit der Strömungsmaschine verbunden ist, beziehungsweise in das Material der Strömungsmaschine eingearbeitet ist.

Eine besonders vorteilhafte Variante der Verwendung der oben dargestellten Vorrichtung liegt in einer Verwendung in einem Stoffauflauf einer Papiermaschine. Hierbei kann es äußerst vorteilhaft sein, als Strömungsendkante die Oberlippe und/oder die Unterlippe des Stoffauflaufes mit den oben angegebenen Fäden auszustatten. In diesem Fall wird die Strömungskante auf der einen Seite von einem flüssigen Medium und auf der anderen Seite von einem gasförmigen Medium angeströmt, wobei durch die Fäden eine regelmäßige Wellenbildung der aus dem Stoffauflauf austretenden Stoffsuspension weitestgehend verhindert wird.

Eine andere vorteilhafte Anwendung der oben beschriebenen Fäden betrifft die stromabwärts liegende Kante von Lamellen innerhalb eines Stoffauflaufes.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 und in den nachfolgenden Figurenbeschreibungen dargestellt.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 Anwendungsbeispiel der Erfindung an einem Windrad;

Fig. 2 Ausführungsbeispiel mit Gewebeband;

Fig. 3 Stoffauflauf mit erfindungsgemäßer Oberlippe im Querschnitt und in der Draufsicht;

Fig. 4 Stoffauflauf mit erfindungsgemäßer Ober- und Unterlippe im Querschnitt und in der Draufsicht;

Fig. 5 Stoffauflauf mit erfindungsgemäßer Lamelle im Querschnitt und in der Draufsicht;

Fig. 6 Stoffauflauf sowohl mit erfindungsgemäßer Ober- und Unterlippe als auch Lamelle im Querschnitt und in der Draufsicht.

Fig. 1 zeigt ein Windrad 1, wie es beispielsweise zur Erzeugung von Windenergie benutzt wird. Das Windrad 1 steht auf einem Ständer 2, wobei die drei Flügel 3.1, 3.2 und 3.3 über eine Nabe 4 am Ständer 2 drehbar gelagert sind. Die Drehrichtung ist durch den Pfeil 7 angegeben. An der Hinterkante der Flügel 3.1 bis 3.3 (Strömungsendkante) sind jeweils erfindungsgemäße Fäden 5 angebracht, die die Bildung von periodischen Wirbelablösungen an der Strömungsendkante der Flügel verhindern und somit für einen wesentlich leiseren Betrieb eines solchen Windrades sorgen. Außerdem wird die Tendenz zu Vibrationen vermieden.

Die Ausführung eines Propellers oder eines Flugzeugflügels oder ähnlicher Vorrichtungen, die mit Strömungsabrißkanten versehen sind, ist entsprechend, wobei die Länge der Fäden und deren Abstände untereinander auf die vorherrschende Strömungsgeschwindigkeit und das umströmende Fluid angepaßt werden sollte.

In der Fig. 2 ist eine spezielle Ausführung zur Anbringung der Fäden an einem Flügel oder an einer sonstigen Strömungsabrißkante dargestellt. Da derartige Vorrichtungen sehr häufig in einer Verbundbauweise hergestellt werden, ist es leicht möglich, im Bereich einer Strömungsabrißkante ein Gewebe einzulagern, welches aus längs verlaufenden Kettfäden 5.1 besteht, der mit einem Faden mit langen und kurzen Schüssen 5.2 und 5.3 verwebt ist. Das Gewebe wird derart in das Verbundmaterial eingelegt, daß die langen Schüsse 5.2 aus der Strömungsendkante 6 heraus ragen, während die kurzen Schüsse 5.3 vom Verbundmaterial vollständig umschlossen bleiben. Nachdem das Verbundmaterial mit dem innenliegenden Gewebe verschweißt worden ist, stehen über die Strömungsabrißkante die langen Schüsse 5.2 über. Durch entsprechendes Durchschneiden der langen Schüsse 5.2 können dann einzelne Fäden 5 erzeugt werden, die aus dem Verbundmaterial heraus stehen und sicher mit diesen verbunden sind. In der beispielhaften Darstellung sind auf der linken Seite noch geschlossene, lange Schüsse dargestellt (Bereich I). In der Mitte (Bereich II) sind die langen Schüsse bereits getrennt worden, so daß die einzelnen Fäden 5 mit ihren Fadenenden herausstehen. Auf der rechten Seite (Bereich III) ist die Durchtrennung der Schüsse so durchgeführt worden, daß eine ungleiche Länge der einzelnen Fäden 5 entsteht.

In der Fig. 3 ist eine beispielhafte Ausführung eines Stoffauflaufes 10 im Querschnitt und in der Draufsicht gezeigt. Im Querschnitt ist der Stoffauflauf 10 im vorderen Düsenbereich zu sehen. Die Stoffauflaufdüse verfügt über eine Oberlippe 13, eine Unterlippe 14, zwischen denen die Stoffsuspension auf ein Sieb 11 aufgebracht wird, welches über eine Brustwalze 12 unter dem Stoffauflauf hindurchgeführt wird. Die Oberlippe 13 verfügt erfindungsgemäß über eine Vielzahl von Fäden 15.1, die für eine Beruhigung der Stoffsuspensions oberfläche sorgen und dadurch Störungen im fertigen Papier vermeiden.

Im unteren Teil der Fig. 3 ist die Situation in der durchbrochenen Draufsicht gezeigt.

Fig. 4 zeigt einen Stoffauflauf entsprechend der Fig. 3, jedoch ist hier zusätzlich zu den Fäden 15.1 der Oberlippe 13 auch eine Vielzahl von Fäden 15.2 an der Unterlippe 14 des Stoffauflaufes angebracht. Entsprechendes ist in der darunter gezeigten, durchbrochenen Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Stoffauflauf, beziehungsweise Düse des Stoffauflaufes, zu erkennen.

Fig. 5 zeigt oben einen Stoffauflauf im Bereich der Stoffauflaufdüse im Querschnitt und unten eine Aufsicht dieses Bereiches. Dieser Stoffauflauf verfügt über eine innenliegende Lamelle 16, an deren Strömungsendkante die erfindungsgemäßen Fäden 15.3, zur Reduktion der periodischen Wirbelablösungen, angebracht sind. In der dargestellten Form weisen die Fäden 15.3 eine Länge auf, die insgesamt aus der Stoffauflaufdüse herausragt. Jedoch können sowohl die Länge der Fäden 15.3 als auch die Position der Lamelle 16 variiert werden, so daß die Enden der Fäden 15.3 auch zwischen dem Ende der Stoffauflauf-Oberlippe 13 und dem Ende der Stoffauflauf-Unterlippe 14 positioniert werden können. Ebenso ist es möglich, die Lamelle 16 und die Fäden 15 vor der Endkante der Oberlippe 13 und Unterlippe 14 enden zu lassen.

Fig. 6 zeigt ebenfalls einen Querschnitt und darunterliegend eine durchbrochene Aufsicht eines Stoffauflaufes im Düsenauslaufbereich, mit einer Brustwalze 12 und einem darüber laufenden Sieb 1. Der Stoffauflauf ist in diesem Ausführungsbeispiel, ebenso wie der Stoffauflauf der Fig. 5, mit einer innenliegenden Lamelle 16 und daran angebrachten Fäden 15.3 versehen. Zusätzlich sind die Oberlippe 13 und die Unterlippe 14 ebenfalls an ihren Strömungsendkanten mit Fäden 15.1. und 15.2 versehen, so daß auch hier eine Verminderung der periodischen Strömungsablösungen erreicht wird. Ebenso wie zur Fig. 5 beschrieben, können auch hierbei die Fadenlängen an allen Strömungsendkanten und die Position der Strömungsendkanten selbst in beliebiger Weise variiert werden.

Insgesamt wird also mit den gezeigten Ausführungsformen der Strömungsendkanten von Strömungsmaschinen, insbesondere im Stoffauflauf einer Papiermaschine, eine Verminderung von Ablösewirbeln an den Strömungsendkanten erreicht. Damit wird eine Strömungsoptimierung mit dem Effekt eines reduzierten Widerstandsbeiwertes und eines erhöhten Wirkungsgrades der Strömungsmaschine bewirkt.

Bezugszeichenliste

1

Windrad

2

Ständer

3.1

,

3.2

,

3.3

Flügel

4

Nabe

5

Fäden

5.1

Kettfäden

5.2

lange Schüsse

5.3

kurze Schüsse

6

Strömungsendkante

7

Drehrichtung

10

Stoffauflauf

11

Sieb

12

Brustwalze

13

Oberlippe

14

Unterlippe

15.1

Fäden der Oberlippe

15.2

Fäden der Unterlippe

15.3

Fäden der Lamelle

16

Lamelle

Claims

1. Strömungsendkante einer Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Strömungsabrisses eine Vielzahl von einzeln stehenden Fäden (5; 15) angeordnet sind.

2. Strömungsendkante gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (5; 15) unterschiedliche Längen aufweisen.

3. Strömungsendkante gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Fäden (5; 15) untereinander mindestens das 0,1fache der Fadenlänge beträgt.

4. Strömungendkante gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Fäden (5; 15) untereinander das 0,1 bis 10fache der Fadenlänge beträgt.

5. Strömungsendkante gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Fäden (5; 15) das 0,5 bis 5fache der Fadenlänge beträgt.

6. Strömungsendkante gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (5; 15) in einer einzigen Reihe entlang der Strömungsendkante (6) angeordnet sind.

7. Strömungsendkante gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (5; 15) untereinander zumindest teilweise ungleiche Abstände aufweisen.

8. Strömungsendkante gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (5; 15) aus Kunststoff oder Metall bestehen.

9. Strömungsendkante gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden Teil eines Gewebebandes sind, welches flächig mit der Strömungsmaschine verbunden ist.

10. Strömungsendkante einer Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine ein Flugzeugpropeller oder ein Propeller einer Windkraftmaschine ist.

11. Strömungsendkante einer Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine ein Flügel eines Flugzeuges ist.

12. Strömungsendkante einer Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine eine Schiffsschraube ist.

13. Strömungsendkante einer Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine eine Turbine ist.

14. Strömungsendkante einer Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine eine Karosserie ist.

15. Strömungsendkante einer Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine ein Stoffauflauf (10) ist.

16. Strömungsendkante eines Stoffauflaufes gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsendkante die Oberlippe (13) und/oder Unterlippe (14) ist.

17. Stoffauflauf mit mindestens einer Strömungsendkante gemäß einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsendkante (6) auf einer Seite von einem flüssigen Medium und auf der anderen Seite von einem gasförmigen Medium angeströmt ist.

18. Verfahren zur Verminderung von Störungen im erzeugten Papier an einem Stoffauflauf (10) einer Papiermaschine, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Strömungsabrisse durch das Anbringen einer Vielzahl von einzelnen Fäden (5; 15) eine periodische Wirbelablösung verhindert wird.

19. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Fäden (5; 15) untereinander zwischen dem 0,1 bis 10fache, vorzugsweise zwischen dem 0,5 bis 5fache der Fadenlänge gewählt wird.

20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (5; 15) in einer einzigen Reihe hintereinander angeordnet werden.

21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (5; 15) an der Strömungsendkante (6) angebracht werden, indem an einem mit der Strömungsendkante (6) verbundenen Gewebeband der lange Schuß (5.2) des Gewebebandes gleichlang oder ungleichlang durchtrennt wird.