DE2606479A1 - Zylindrischer koerper mit mitteln zur unterdrueckung von schwingungen - Google Patents

Zylindrischer koerper mit mitteln zur unterdrueckung von schwingungen

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Description

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HENKEL, KERN, FEILER & HÄNZEL
BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND
^CTCV n< 10 an-) HMK-T D _„,, . r, r-» n^uuin CTUACQC O WECHSELBANK MÜNCHEN Nr. 318-85111
TELEX: 05 29 802 HNKL D EDUARD-SCHMID-S 1 RASbL· Z DRESDNER BANK MÜNCHEN 3 914 975 TELEFON: (0 89) 66 3197, 66 30 91 - 92 Π-8 00,0 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MÜNCHEN 162147 - 809 TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN
Nederlandse Organisatie voor '* Ή WS
Toegepast-Natuurwetenschappelijk
Onderzoek ten behoeve van Nijverheid,
Handel en Verkeer
Den Haag, Niederlande
Zylindrischer Körper mit Mitteln zur Unterdrückung von Schwingungen
Die Erfindung betrifft einen zylindrischen Körper, dessen Mantelfläche mit Mitteln zur Unterdrückung bzw. zum Kompensieren von im Körper selbst sowohl in Strömungs- bzw. Anströmrichtung als auch senkrecht dazu auftretenden, von einer Querströmung gegen den Körper herrührenden Schwingungen besetzt ist.
Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung bei der Konstruktion bzw. beim Bau von Rohrbündeln für Wärmetauscher, bei in Flüssen verlegten Rohrleitungen, bei Pfeilern von Ölbohrtürmen, Hängeseilen oder Stützen bzw. Säulen von Brücken, Schornsteinen, bzw. Schloten und dgl.
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Bei solchen Körpern treten Schwingungen infolge von gleichzeitig oder abwechselnd an der linken und rechten Seite des zylindrischen Körpers vorkommenden Wirbelabrissen auf, die mit der Strömung mitgeführt und zu jedem Zeitpunkt gleichzeitig oder abwechselnd zu beiden Seiten dieses Körpers sowie hinter ihm gebildet werden.
Wenn die Abreißfrequenz dieser sog. Karmanschen Wirbel(straßen) der Eigenfrequenz der Biegeschwingungen des zylindrischen Körpers entspricht, können diese Schwingungen durch Verstärkung so große Amplituden erreichen, daß im zylindrischen Körper ein Ermüdungsoder Überlastungsbruch auftritt.
Wenn ein Wirbelabriß über größere Längen des zylindrischen Körpers hinweg gleichzeitig auftritt, werden heftige Schwingungen hervorgerufen, so daß dieser Körper großen Biegeschwingungsmomenten unterworfen ist.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die aufgrund von Querströmung in Schornsteinen bzw. Kaminen, Rohrkonstruktionen und dgl. auftretenden Schwingungen durch Anordnung langer, wendeiförmiger Rippen an der Mantelfläche einer solchen Rohrkonstruktion zu reduzieren.
Diese wendeiförmigen Rippen legen jedoch einen großen Winkel zum Querschnitt einer solchen Rohrkonstruktion fest, wobei durch die Anordnung solcher Rippen der durchschnittliche Strömungswiderstand eines zylindrischen Körpers erheblich erhöht wird.
603835/0362
Im Fall von überkritischen Strömungsbedingungen ist es möglich, daß dieser Widerstand sogar um einen Faktor von 2-3 ansteigt.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung von Elementen zur Verhinderung eines koordinierten (zusammenhängenden) Wirbelabrisses über größere Stücke der Länge eines Zylinderkörpers hinweg sowie zur Verhinderung der hiervon herrührenden Schwingungen im Zylinderkörper, ohne dabei seinen (Strömungs-)Widerstand wesentlich zu vergrößern, so daß im Fall von unterkritischen Strömungsbedingungen eine beträchtliche Verringerung des Widerstands erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem zylindrischen Körper, dessen Mantelfläche mit Elementen zur Unterdrückung von in diesem Körper sowohl in Strömungs- bzw. Anströmrichtung als auch senkrecht dazu auftretenden, von einer Queranströmung des Körpers herrührenden Schwingungen besetzt ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elemente kleine Flächen bilden, die praktisch senkrecht zur Mantelfläche des Körpers angeordnet sind und gegenüber seinem Querschnitt einen Winkel von 5 - 25° festlegen.
Ein vorteilhaftes Merkmal besteht dabei darin, daß die Oberfläche der senkrecht abstehenden bzw. Vertikalflächen höchstens 2,5$ der Querschnittsfläche des zylindrischen Körpers und ihre Länge höchstens 2o# des Durchmessers des zylindrischen Körpers beträgt.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren Pig. 1 bis 4 einige spezielle Ausführungsformen bezüglich der Form und Lage von erfindungsgemäß an der Mantelfläche eines zylindrischen Körpers montierten Flächen veranschaulichen.
Gemäß Fig. 1 sind zahlreiche senkrechte bzw. Vertikalflächen 2 an der Mantelfläche eines zylindrischen Körpers 1 montiert, der in Richtung des Pfeils quer zu seiner Längsachse von einem Strömungsmittel angeströmt wird.
Diese Flächen 2 liegen auf Verteilungs- bzw. Bezugslinien (describing lines) 3 und 4-, die - von der vorderen Schublinie aus betrachtet - unter einem Winkel CC von 9o° nach rechts und unter einem Winkel £ von 3o° nach links gegenüber der in Strömungsrichtung durch die Achse des zylindrischen Körpers verlaufenden Symmetrieebene versetzt sind.
In Fig. 2, die einen Querschnitt durch den zylindrischen Körper zeigt, sind diese Winkel CC und S sowie die Lage · von zwei Vertikalflächen 2 dargestellt.
Die auf der Linie 3 liegenden Vertikalflächen sind gleichgerichtet, während die Vertikalflächen auf der Linie 4 gruppenweise entweder in die gleiche Richtung wie die Flächen auf der Linie 3 oder entgegengesetzt dazu gerichtet sind.
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Gemäß Iig. 1 liegen die flächen 2 unter einem Winkel von 25° zum Querschnitt des zylindrischen Körpers
Anstatt der asymmetrischen Anordnung der Bezugslinien 3 und 4 gegenüber der Strömungsrichtung, wie in Fig. 2 gezeigt, können diese Linien auch unter Winkeln von zwischen 3o und 9o symmetrisch zur Strömungsrichtung (Schublinie) liegen.
Die auch als "Wirbelerzeuger" zu bezeichnenden Vertikal flächen können aus mehr oder weniger plattenartigen Elementen bestehen, und sie werden vorzugsweise mit strömungsgünstigem Querschnitt ausgebildet.
Diese Flächen können in Aufsicht rechteckig sein, aber
einen e '
auch eine andere Umrißform, z.B.^dreieckigen, halbkreis förmigen, ellipsoidförmigen oder anderen Umriß besitzen, wie dies in Fig. 4- bei a bis d dargestellt ist.
Da diese Wirbelerzeuger einen kleinen Winkel im Bereich von 5 - 25° zum Querschnitt des zylindrischen Körpers festlegen, werden sie vom Strömungsmittel unter äiesem Winkel angeströmt, wobei sie als Flügel mit kleinem Aspekt- bzw. Streckungsverhältnis (d.h. Verhältnis von Flügelfläche zur mittleren Sehnenlänge der Flächen) wirken, hinter denen starke Schraubenwirbel erzeugt werden.
Diese an der Anströmseite des Zylinders gebildeten
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Schraubenwirbel strömen um die Mantelfläche des Zylinders herum nach hinten, wobei sie verhindern, daß ein Abreißen von Karmanschen Wirbeln bzw. Wirbelstraßen an der Abströmseite des Zylinders über größere Stücke der Länge binweg koordiniert auftritt.
Zur möglichst günstigen Unterbrechung der Karmanschen Wirbel, d.h. zur gewünschten Verminderung von Schwingungen bei möglichst kleinem mittleren Widerstand, werden die Wirbelerzeuger in einem bestimmten Schema angebracht.
Es kann vorausgesetzt werden, daß beim erfindungsgemäßen zylindrischen Körper die Lage der Wirbelerzeuger ziemlich willkürlich gewählt v/erden kann, solange ein bestimmter Verteilungsgrad pro Längeneinheit des zylindrischen Körpers eingehalten wird; aus lertigungsgründen werden jedoch meist regelmäßige Schemata angewandt.
Die Abstände zwischen den einzelnen Wirbelerzeugern in Längsrichtung des zylindrischen Körpers sollten vorzugsweise bei nicht weniger als dem o,5-fachen und nicht mehr als dem Doppelten des Durchmessers des zylindrischen Körpers liegen.
Das gewählte Verteilungsschema hängt außerdem von zahlreichen Faktoren ab, beispielsweise von der Strömungsrichtung (gleichbleibend oder veränderlich), der Art der Strömung (laminar oder turbulent), der Reynoldschen Zahl der Strömung (unter-, über- oder trans-
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kritisch.), der richtigen oder genauen Form des Zylinderteils des Körpers, der Art der zu unterdrückenden Schwingungen (in Strömungsrichtung oder senkrecht dazu) und der Möglichkeit der Schwingungsdämpfung im zylindrischen Körper selbst.
Mit der Anordnung der Wirbelerzeuger gemäß Fig. 1 wird eine Ausführungsform geschaffen, die vorzugsweise im Fall einer gleichbleibenden bzw. konstanten Strömungsrichtung gegen den zylindrischen Körper angewandt wird.
Wenn die Strömungsrichtung gleichbleibend ist, werden die Wirbelerzeuger erfindungsgemäß vorzugsweise auf an der Anströmseite des zylindrischen Körpers gelegenen Verteilungs- oder Bezugslinien angeordnet, die - von der vorderen Schublinie her gesehen - in einem Bereich zwischen 3o° und 9o° nach links und rechts zu der durch die Achse des zylindrischen Körpers verlaufenden Symmetrieebene in Strömungsrichtung lEgen.
Außerdem können die Wirbelerzeuger an der linken und rechten Seite in gleichen Höhenlagen angeordnet sein oder sämtlich mit einem Anstellwinkel von 5-25 aufwärts oder abwärts geneigt sein.
Ebenso können sie auf der linken und rechten Bezugslinie in unterschiedlichen Höhenlagen, beispielsweise um den halben gegenseitigen Abstand zueinander ver-
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setzt angeordnet und auf jeder Bezugslinie verschieden oder auf einer Bezugslinie in verschieden geneigten Gruppen angeordnet sein (vergl. Fig. 1).
In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Wirbelerzeuger zudem auf der gleichen Bezugslinie abwechselnd aufwärts und abwärts geneigt, so daß sich die an der gleichen Seite der Mantelfläche des zylindrischen Körpers erzeugten Schraubenwirbel abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen drehen.
Wenn die Anströmung durch Wind veränderlich ist,z.B. im ITaIl von Schornsteinen bzw. Schloten und dgl., werden die Wirbelerzeuger vorzugsweise auf mehreren Wendellinien mit einem Steigungswinkel von 5-15° angeordnet.
I1Ur die Anordnung und Ausrichtung der Wirbelerzeuger gelten dann die gleichen Regeln, wie sie vorstehend in Verbindung mit der Anordnung auf den Bezugslinien beschrieben wurden.
]?ig· 3 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung von Wirbelerzeugern an einem zylindrischen Körper, der einer veränderlichen Anströmung durch ein Strömungsmittel ausgesetzt ist.
Am Umfang des zylindrischen Körpers 5 sind dabei Wirbelerzeuger 2 auf drei Wendellinien 6* 7 und 8 mit einem Steigungswinkel O von 15° montiert.
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Die Wirbelerzeuger auf der Wendellinie 6 sind gemäß 5"ig. 3 abwechselnd in entgegengesetzte Richtung angestellt, während die Wirbelerzeuger auf der Wendellinie 7 eine den Wirbelerzeugern auf der Wendellinie δ entgegengesetzte Anstellrichtung besitzen.
Schließlich ist zu erwähnen, daß es für die Schwingungsunterdrückung bei Kaminen bzw. Schloten und dgl. nicht immer erforderlich ist, die Wirbelerzeuger über die Gesamtlänge einer solchen Konstruktion hinweg anzuordnen, vielmehr hat es sich als in vielen Fällen ausreichend erwiesen, wenn die Wirbelerzeuger z.B. über ein Drittel der Länge einer solchen Konstruktion hinweg angeordnet werden.
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Claims (8)

- Ίο Pat entansprüehe
1.J Zylindrischer Körper, dessen Mantelfläche mit _y Elementen zur Unterdrückung von in diesem Körper sowohl in Strömungs- "bzw. Anströmrichtung als auch senkrecht dazu auftretenden, von einer Queranströmung des Kgrpers herrührenden Schwingungen besetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (2) kleine Flächen bilden, die praktisch senkrecht zur Kantelfläche des Körpers (1) angeordnet sind und gegenüber seinem Querschnitt einen Winkel von 5 - 25° festlegen.
2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der senkrecht abstehenden bzw. Yertikalflachen (Elemente 2) höchstens 2,5$ der Querschnittsfläche des zylindrischen Körpers (1) und ihre Länge höchstens 2c$ des Durchmessers des zylindrischen Körpers beträgt.
3. Körper nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalflachen (Elemente 2) einen strömungsgünstigen Querschnitt besitzen.
4-, Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand zwischen den Vertikalflächen. (2), in Längsrichtung des zylindrischen Körpers (1) gesehen, mindestens das o,5-
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fache und höchstens das Doppelte des Durchmessers dieses Körpers beträgt.
5. Körper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalflächen (2) auf Verteilungs- bzw. Bezugslinien (3, 4-) angeordnet sind, die an der Anströmseite des Körpers unter einem Winkel von 3o - 9o° links und rechts von der durch die Achse des zylindrischen Körpers verlaufenden Symmetrieebene in Strömungsrichtung ' liegen.
6. Körper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalflächen (2) ' auf mehreren Wendellinien (6, 7, 8) mit Steigungswinkeln von 5-15 angeordnet sind.
7. Körper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalflächen (2) auf der einen Bezugslinie oder der einen Wendellinie Neigungs- oder Anstellwinkel besitzen, die entweder in derselben Richtung oder in entgegengesetzter Richtung zu den Vertikalflächen auf der anderen Bezugs- oder Wendellinie verlaufen.
8. Körper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalflächen (2) auf jeder Bezugs- oder Wendellinie jeweils einzeln oder gruppenweise abwechselnd entgegengesetzt gerichtete Anstellwinkel besitzen.
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