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Vorrichtung zur Unterdrückung strömungsinduzierter Vibrationen Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Strömungsstabilisierung bzw. auf die
Unterdrückung der Vibrationen, die in einen länglichen Körper durch die sich senkrecht
zur Achse des Körpers bewegende Strömung eines umgebenden Strömupgsmittels induziert
werden.
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Diese Vibrationen werden nachfolgend einfach "strömungsinduzierte
Vibrationen" genannt, die in Richtungen stattfinden, die senkrecht zur Achse des
Körpers und gleichzeitig senkrecht zur Richtung der Strömung des Strömungsmittels
oder, weniger oft, in einer stromweisen Richtung verlaufen. Vermutlich werden sie
einerseits durch die periodischen Vibrationen aus dem Körper nach der Karmán-Lehre
der Wirbelachleppe, wobei die Wirbeiströmungen durch den Körper in der Strömungsmittelströmung
gebildet werden, und andererseits durch die Vergrösserung der Druckschwankungen
wa den Körper herum verursacht werden, die sich aus
der Strömungsmittelströmung
ergeben. Strömungsinduzierte Vibrationen stellen ein Problem auf vielen Gebieten
dar, in welchen eine unerwünschte Vibrationsbewegung oft zur Ermüdung und zum Bruch
des betreffenden Teils führt.
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Diese Schwierigkeiten treten beispielsweise bei Transmissionsleitungen
oder Übertragungsleitungen (galoppierende Schwingungen) sowie bei Schornsteinen
und anderen hohen Konstruktionen, Wärmeaustauschern, chemischen Anlagen usw. auf,
bei welchen röhrenförmige Teile kontinuierlich einer Quer Strömung umgebender Strömungsmittel
ausgesetzt sind ("Kielwasserschalt"- und Stoßschwingungen für zwei Körper in Tandemanordnung
und "Strahlschalt"- und Strömungsmittelelastikverschiebungsschwingungen). Wenn die
Eigenperiode des vibrierenden Körpers nahe der Frequenz liegt, bei welcher die Xarmdn-Wirbelungen
aus dem Körper verbreitet werden, oder wenn der Strömungszustand ein Übergangszustand
oder ein superkritischer Zustand ist, wird das Problem einer Reduzierung oder Unterdrückung
der Schwingbewegung des Körpers von entscheidender Bedeutung.
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Es gibt drei grundsätzliche Methoden zur Lösung dieses Problems, Nach
einer Methode wird die Steifheit oder der Durchmesser des Körpers vergrössert. Für
Situationen, die mit subkritischen Reynoldszahlen verbunden sind, erhöht sich durch
die Erhöhung der Steifheit die Eigenfrequenz des Körpers, während sich durch die
Vergrösserung des Durchmessers die kritische Resonanzgeschwindigkeit vergrössert,
daß sie nicht mehr nahe der Wirbelschleppefrequenz liegt.
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Nach der zweiten Methode wird das System mechanisch geändert, indem
seine Dämpfung vergrössert wird. Bei diesen beiden Methoden ist offensichtlich zusätzliches
Material erforderlich, was erhöhte Kosten bedeutet, insbesondere dann, wenn zugeordnete
Stütz- oder Aufnahmeteile auch entsprechend steifer oder weniger biegsam gemacht
werden mÜssen.
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Nach der dritten Methode wird der Körper mit einer aerodynamischen
oder hydrodynamischen Vorrichtung einer bestimmten Art versehen, durch welche die
Wirbelbildung unterdrückt wird und/oder die Druckschwankungen herabgesetzt werden,
indem die Strömung unmittelbar stromabwärts vom Körper stabilisiert wird. Der grundsätzliche
Vorteil dieses Vorschlages gegenüber den zwei erstgenannten Vorschlägen besteht
darin, daß die Lösung des Problems bedeutend billiger ist. Frühere Versuche und
Vorschläge auf diesem Gebiet umfassen die Anordnung einer Spaltplatte, einer Grundanzapfvorrichtung,
einem Spiralgang, versetzte Drähte oder eine gelochte Hülle. Nur der Spiralgang
und die perforierte Hülle haben sich dabei bisher in der Praxis als erfolgreich
bei der Unterdrückung der Kálmán-Wirbelströmungen erwiesen, die mit einem länglichen
flexiblen Körper verbunden sind, der einer Querströmung eines Strömungsmittels ausgesetzt
ist. Es wurde jedoch in jedem Fall, in welchem der flexible Körper stromabwärts
eines ähnlich länglichen Körpers in der selben Strömungsmittelströmung angeordnet
ist, gefunden, daß der Spiralgang oder die Hülle, die am biegsamen (stromabwärts)
Körper angebracht sind, weitgehend unwirksam zur Unterdrückung der zugeordneten
Stoßschwingungen sind.
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Infolgedessen kann keine dieser Vorrichtungen erfolgreich zur Vermeidung
aller Arten querverlaufender und stromweiser Schwingungen verwendet werden. Der
Schraubengang und die perforierte Hülle können daher offensichtlich keine zufriedenstellende
Lösung im Fall eines Wärmeaustauschers,bei welchen Rohrbänke vorhanden sind, bieten,
deren Rohre in einer Strömungsmittelströmung angeordnet sind, oder im Fall einer
Reihe von Schornsteinen beispielsweise in einer Kraftanlage oder in ähnlichen Fällen
bei chemischen Anlagen. Im erstgenannten Fall würde die Verwendung einer gelochten
Umhüllung vermutlich sowieso ausser Acht gelassen, da sie
die Wärmeaustauscheigenschaften
des Wärmeaustauschers zu viel beeinträchtigen würde, Nach einem Merkmal der vorliegenden
Erfindung weist eine Vorrichtung zur Unterdrückung strömungsinduzierter Vibrationen
in einen länglichen Körper eine strömungsstabilisierende Einrichtung auf, die dem
Körper zugeordnet und so ausgebildet ist, daß sie einen niedrigen Schleppkoeffizienten
hat. Im Vergleich mit dem Fall, in welchem die erfindungsgemässe Vorrichtung nicht
vorhanden ist, besteht die Wirkung der Vorrichtung zweckmässigerweise in der Erzielung
einer bedeutenden Herabsetzung der Winkelbreite oder -Weite des flachen Teiles des
statischen Hauptdruckes über dem rückwärtigen Abschnitt des Körpers. Die strömungsstabilisierende
Linrichtung kann in Form einer Vielzahl länglicher strömungsstabilisierender Teile
vorgesehen sein, die dem Körper benachbart, jedoch in Abstand von ihm angeordnet
sind (wobei ihre Achsen im wesentlichen parallel zur Achse des länglichen Körpers
verlaufen, Diese Teile können um gleichgrosse oder verschiedene Abstände von der
Körperachse angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform sind die strömungsstabilisierenden
Teile durch zylindrische Teile (z,B. Stangen oder Rohre) kreisförmigen Querschnittes
(oder eines anderen geeigneten Querschnittes, z.B, eines Querschnittes ovaler oder
elliptischer oder einer anderen zweckmässigen nicht rechteckigen Form) gebildet
sein. Die strömungsstabilisierenden Teile können um den Körper herum in einem Kreis
angeordnet sein, der einen Teil eines gedachten rechten kreisförmigen Zylinders
bilden kann, der sich zum Körper koaxial oder nilt koaxial erstrecken kann, Wenn
es erforderlich ist, daß die strömungsstabilisierende Linrichtung gleich wirksam
für Eiiifallströmungen aus verschiedenen Richtungen sein muß, können die strömungs
51 abilisierel teile im wesentlichen in gleichem Abstand um
den
Kreis herum angeordnet sein. Ist jedoch vorweggenommen, daß die Einfallströmung
ausschließlich aus einer Richtung erfolgt, so können die strömungsstabilisierenden
Teile um den Kreis herum und folglich um den Körper herum in nichtsymmetrischer
Form angeordnet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser letzteren Anordnung sind
nur vier strömungsstabilisierende Teile vorgesehen, und zwar je zwei auf jeder Seite
des Körpers, wobei sie gegenüberliegende Winkel an der Körperachse von annähernd
550 und 1170 zur Richtung der Einfallströmung bilden.
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Nun wird eine erfindungsgemässe Ausführungsform unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen die etwas (nicht maßstabgerechte)
schematische Figur 1 einen Querschnitt eines länglichen Körpers zeigt, der mit einer
erfindungsgemässen strömungsstabilisierenden Einrichtung versehen ist. In dieser
Figur ist die Einfallströmung des Strömungsmittels durch das BezugszeichenlO angedeutet.
Der zum Schwingen geneigte Körper ist in Form eines flexiblen Rohres oder Schlauchesl2
ausgebildet, der stromabwärts eines im wesentlichen steifen Rohres 13 angeordnet
ist. Der Spalt zwischen dem Rohr 12 und dem Rohr 13 ist durch die Dimension D angedeutet.
Der Aussendurchmesser des Rohres 12 ist durch eine Dimension A dargestellt, wobei
erfindungsgemäß dieses Rohr einer Anzahl strömungsstabilisierender Stangen 14 zugeordnet
ist, die in einem Kreis um das Rohr herum angeordnet sind. Der Durchmesser dieses
Kreises ist durch die Dimension C und der Durchmesser der Stabilisierungsstangen
durch die Dimension D angedeutet.
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Die wichtigsten Konstruktionsparameter der Vorrichtungen nach der
vorLiegenden Erfindung sind ihre 11 Ring grösse'1, "Porosität" und "Kreisumfangsporo8itAtverteilung't.
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In der vorliegenden Anmeldung bzw. Beschreibung unter Berücksichtigung
der gedachten zylindrischen Oberfläche, auf welcher die Achsen der Wirbelunterdrückungsteile
liegen, bedeutet der Ausdruck "Porosität" das Verhältnis des Gesamt bereiches der
Zylinderoberfläche zwischen den strömungsstabilisierenden Einrichtungen zum Gesamtbereich
der zylindrischen Oberfläche, die durch die strömungsstabilisierenden Einrichtungen
besetzt ist. Der Ausdruck "Ringgrösse" bedeutet die Fraktion C/A, während der Ausdruck
"Kreisumfangsporositätverteilung" die Art und Weise bedeutet, in welcher die wirbelunterdrückenden
Teile um den Ring 14 herum verteilt sind.
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Bei einer ersten erfindungsgemässen Ausführungsform zur Verwendung
mit einem gasförmigen Strömungsmittel (Luft) 10 sind also die Stangen 14 in gleichem
Abstand um das Rohr 12 herum angeordnet, um eine Porosität von 63,2 % zu bilden.
Der Aussendurchmesser A des Rohres bzw. Schlauches 12 beträgt 114,30 mm (4 1/2 "),
der Durchmesser B der Stangen 14 beträgt 3,18 mm (1/2 "), während die Ringgrösse
C/A 1,25 beträgt. Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist die Anzahl der Stangen
geändert, um eine Porosität von 24,3 t zu ergeben. Sämtliche Werte zwischen diesen
beizen PorositAten sind auch für Reynoldszahlen im Bereich von annähernd 104 bis
1()# geeignet. Bei einer zweiten Ausftihrungsform zur Verwendung mit einer Flüssigkeitsstrolnung
(Wasser) 10 sind die Stangen 14 wiederum um den Schlauch herum in gleichem Abstand
voneinander angeordnet, wobei sie eine Porosität von 63,2 X bilden. Der' Aussendurchinesser
A des Schlauches 12 ist 38,10 mm (1 1/2 ") und der Durchmesser H der Stangen 14
ist 0,75 mm (L/32 ") groß. Die Riiiggrösse C/A ist wiederum 1,25. Bei einer atgewandelten
Form ist die Anzahl der Stangen 14 geändert, um eine Porositat von 24,3 t zu ergeben.
Sämtliche
Werte zwischen diesen beiden Porositäten sind auch für
Reynoldszahlen im Bereich von annähernd 103 bis 104 geeignet, wobei ihre Wirkung
in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellt ist.
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Aufgrund ihrer Axialsymmetrie eignen sich die ersten beiden Ausführungsformen
(und die Abwandlungen derselben) zur Verwendung bei einer Strömung 10 aus jeder
beliebigen querlaufenden Richtung. Bei einer dritten Ausführungform ist die Anzahl
der Stangen im Ring 14 auf vier Stangen herabgesetzt (die mit den Bezugszahlen 16,
17, 18, 19 bezeichneten). Diese Ausführungsform eignet sich nur zur Verwendung in
einer nur in einer Richtung fliessenden Strömung 10, wobei je zwei Stangen der vier
Stangen auf jeder Seite einer gedachten Bezugsebene angeordnet sind, welche die
Strömungsrichtung und die Achse des Schlauches 12 fortsetzt bzw. enthält, so daß
sich gegenseitig legende Winkel (an dieser Achse) von 54,80 (Winkel#) und 117,40
(Winkel-#) zur Strömungsrichtung bilden. Die bestimmte Version dieser letzteren
geprüften Ausführungsform wurde zur Verwendung in einer flüssigen Strömung (Wasser)
konstruiert, Der Aussendurchmesser A des Schlauches 12 war 38,10 mm (1 1/2 D, der
Durchmesser B der Stangen 14 0,75 mm (1/32 ") und das Verhältnis C/A 1,08 groß.
Diese Ausführungsform eignet sich für Reynolds-Zahlen im Bereich von annähernd 103
bis 104, wobei es vorgesehen ist, daß diese Ausführungsform sich als besonders wertvoll
als Einrichtung zur Unterdrückung strömungsinduzierter Vibrationen in Wärmeaustauscherröhren
erweisen kann, da diese hohe Porosität zusammenhängt mit der kleinen Anzahl von
Stangen im Ring 14 keine nennenswerte Andertulg der Wärmeleiteigenschaften des Rohres
ergeben wiirde. Die obigen Ausführungsformen wurden in Bezug auf ihre Anwendung
bei dem zweiten zweier länglicher Körper 1X-schrieben Obwohl bei diesen Ausführungsformen
der erste
der beidenKörper als ein starr oder unbeweglich befestigter
Körper beschrieben wurde, haben die bisher durchgeführten Versuche gezeigt, daß
die erfindungsgemässe Wirbelunterdrückungseinrichtung nicht weniger wirksam ist,
wenn das Leitrohr (13) flexibel angeordnet ist. Die verschiedenen Ausführungsformen
wurden bisher mit Spaltverhältnissen t/A) im Bereich von 0,5 bis 6,5 geprüft bzw.
untersucht.
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In Abwesenheit einer erfindungsgemässen strömungsstabilisierenden
Einrichtung treten (galoppierende) Schwingungen mit grosser Amplitude und niedriger
Frequenz im Spaltverhältnis 0,5 bis 2,5 auf, während darüber hinaus eine Stoßwirkung
(Schwingung mit kleiner Amplitude und hoher Frequenz) auftritt, Ist jedoch die erfindungsgemässe
strömungsstabilisierende Einrichtung vorgesehen, so sind die galoppierenden Vibrationen
im wesentlichen gänzlich unterdrückt.
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Auf ähnliche Weise können auch die oben erwähnten querlaufenden Stoßschwingungen
durch die Verwendung einer erfindungsgemässen strömungsstabilisierenden Einrichtung
bedeutend herabgesetzt werden. So z.B. können die Vibrationen der hinteren Röhre
bei einer Tandemanordnung zweier Röhren und in Anwesenheit typischen querlaufenden
Stoßschwingungen reduziert werden, indem die Tandemrohranordnung mit einer erfindungsgemässen
strömungsstabilisierenden Einrichtung versehen wird. Müssen auch die stromweisen
Vibrationen des hinteren Rohres, welche die querlaufenden Stoßschwingungen begleiten,
reduziert werden und muß auch das Hinterrohr vollständig stabilisiert werden, so
kann das andere Rohr ebenso mit einer erfindungsgemässen strömungsstabilisierenden
Einrichtung versehen werden.
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Auf ähnliche Weise kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auch zur
Unterdrückung einer Wirbelbildung in einem einzigen isolierten Körper verwendet
werden, d.h. einem Körper, der von einer benachbarten Konstruktion genügend entfernt
liegt,
so daß sein strömungsinduziertes Vibrationsverhalten durch diese Konstruktion nicht
beeinträchtigt bzw. beeinflußt ist. Im Vergleich mit gleichwertigen Anordnungen
einer perforierten Umhüllung und eines Schraubenganges für-einen einzigen Körper
hat die erfindungsgemässe strömungsstabilisierende Vorrichtung die Vorteile einer
kleinen Schleppwirkung infolge der Möglichkeit einer erhöhten Porosität ohne entsprechende
Herabsetzung der Wirbelunterdrückungswirkung, einer billigeren Herstellung und einer
geringeren Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung oder Versetzung bei ihrer Verwendung
in chemischen Anlagen, als es der Fall bei einer perforierten Umhüllung ist.
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Der die Unterdrückungswirksamkeit der erfindungsgemässen strömungsstabilisierenden
Einrichtung beeinflussende kritische Parameter war das Verhältnis zwischen dem strömungsstabilisierenden
Ring und dem Rohr- bzw. Schlauchdurchmesser. Es ist daher logischerweise zu erwarten,
daß jede Abweichung von dem "optimalen" Verhältnis des konzentrischen Strömungsstabilisators
zum Schlauch bzw.
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Rohr, die entweder durch die Windbelastung auf den Strömungsstabilisator
oder durch die Relativbewegung des Strömungsstabilisators verursacht ist, eine ernsthafte
Verschlechterung der Unterdrückungswirksamkeit des Strömungsstabilisators herbeiführen
kann. Die Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Exzentrizität des Kreises strO-mungsstabilisierender
Teile relativ zum Schlauch bzw.
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Rohr in jeder beliebigen Richtung und jeder beliebigen Grösse die
Amplitude der Vibration im subkritischen Strömungsbereich gegenüber dem konzentrischen
Strömungsstabilisierungssystem stets verringert. So wurden beispielsweise Exzentrizitätsverhältnisse
von 0,16, 0,31 und 0,63 untersucht.
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Es wurde gefunden, daß eine parabolische Verteilung des statischen
Durchschnittsdruckes um die stromabwärtige Seite des in Frage stehenden Körpers
herum mit einer wirksamen Unterdrückung der mit diesem Körper sonst verbundenen
Kármán-Wirbelungen verträglich ist. Nach einem anderen erfindungsgemässen Merkmal
weist demnach eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Unterdrückung strömungsinduzierter
Vibrationen eine Anzahl länglicher strömungsstabilisierender Teile auf, die nahe
am Körper, jedoch in Abstand von ihm angeordnet sind, wobei sich ihre Achsen vorzugsweise
im wesentlichen parallel zur Achse des Körpers erstrecken und die strömungsstabilisierenden
Teile eine parabolische oder im Grossen und Ganzen parabolische Verteilung des statischen
Durchschnittsdruckes um die hintere (stromabwärtige) Seite des Körpers herum herbeiführen
können.
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Bei (nicht gezeigten) Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungsformen
sind die Stangen im Ring 14 durch Rohre mit dem selben Aussendurchmesser ersetzt,
wobei der statische Durchschnittsdruck um den Strömungsstabilisator herum durch
innerhalb der Rohre angeordnete Meßvorrichtungen oder Abtaster gemessen wird. Strömungsveranschaulichungsversuche
die mit einer sehr niedrigen Reynoldszahl (Re = 750) durchgeführt wurden, zeigen
eine drastische Veränderung des Kielwassermusters hinter einem einfachen Zylinder,
wenn die erfindungsgemässe strömungsstabilisierende Einrichtung angefügt ist. Ständige
und annähernd parallele Stromlinien umschliessen nun das Kielwasser, wobei eine
gewisse Einströmung zwischen der Strömungastabilisator und dem Rohr und eine bedeutende
Verzögerung der Strömungstrennung besteht.
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Hierbei ist zu beachten, daß die Erfindung nicht auf den Fall beschränkt
ist, in welchem der Körper ortsfest ist
und das Strömungsmittel
am Körper vorbei strömte Eine Relativbewegung zwischen dem Strömun.gsmittel und
dem Kdr per ist alles, was notwendig ist, so daß der Ausdruck ~Strömungsmittelströmung"
in der vorliegenden Beschreibung bzw. Anmeldung als den Fall umfassend ausgelegt
werden soll, in welchem sowohl der Körper als auch das Strömungsmittel beweglich
sind (wie z.B. im Fall eines U-Bootsperiskops, in welchem die Erfindung durchaus
zweckmässig angewendet werden kann), sowie dem Ri1, in welchem das Strömungsmittel
im wesentlichen ruht und der Körper sich durch das Strömungsmittel hindurch bewegt.