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DE60028138T2 - Vertikaler Windkanal - Google Patents

Vertikaler Windkanal

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Publication number
DE60028138T2
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DE
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Grant
Patent type
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Active
Application number
DE2000628138
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English (en)
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DE60028138D1 (de )
Inventor
Chris J. Waynesville Landon
Harold C. Larsen
John H. Larsen (legal rep.), Dayton
Ben Alpha Stone
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Vertical Wind Tunnel Corp
Original Assignee
Vertical Wind Tunnel Corp
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Publication date
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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING STRUCTURES OR APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/02Wind tunnels
    • G01M9/04Details

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • [0001]
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umlenken einer Luftströmung, und sie bezieht sich mehr im einzelnen auf eine Vorrichtung, um in effizienter Weise eine horizontale, ebene, radial nach innen gerichtete Luftströmung um 90° zu einer in vertikaler Richtung gerichteten Luftströmung umzulenken, die ein im wesentlichen gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil aufweist. Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung bereit, um eine dreidimensionale, nach innen gerichtete Luftströmung zu einer ebenen, radial nach innen gerichteten Strömung zu lenken, und auch eine Vorrichtung, um eine Luftströmung, die ein im wesentlichen gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil aufweist, zu dem Einlaß eines ummantelten Gebläses zu lenken.
  • [0002]
    Windkanäle können im allgemeinen in Form eines offenen Kreises ausgelegt sein, wobei die Luft von der umgebenden Atmosphäre angesaugt und in diese abgegeben wird, oder als geschlossener Kreislauf ausgelegt sein, in dem die Luft zurückgeführt wird. Im Falle einer Auslegung in Form eines offenen Kreises ist bei aus dem Stand der Technik bekannten Windkanälen, um eine in vertikaler Richtung abgegebene Luftströmung zu erzeugen, ein in vertikaler Richtung ausgerichtetes Gebläse verwendet worden, um unmittelbar die Luft zu beschleunigen, die an einen oberen Austrittsquerschnitt ausgestoßen wird. Windkanäle wie diese wurden und werden für Freizeitzwecke verwendet, wie etwa um eine Umgebung des freien Falls zum Trainieren von Skydivern zu erzeugen, oder für wissenschaftliche und forschungsbezogene Zwecke. Wenn ein solcher Windkanal für Freizeit- oder Trainingszwecke eingesetzt wird, wird ein Benutzer unmittelbar in der beschleunigten Luftströmung angeordnet, die auf den Körper des Benutzers mit einer ausreichenden Kraft einwirkt, um den Körper des Benutzers in einer bestimmten Höhe zu tragen. Der Benutzer wird auf diese Weise in der angehobenen Position gehalten, bis der Benutzer aus der Luftströmung herausgenommen wird, oder bis die Luftströmung verlangsamt oder abgestellt wird. Bei einem Einsatz für Forschungszwecke wird ein zu untersuchender Gegenstand in der Luftströmung angeordnet, so daß Messungen vorgenommen werden können. In üblicher Weise werden auch Rauchspurenerzeuger eingesetzt, so daß die Luftströmung um den Gegenstand herum beobachtet werden kann. Bei beiden Verwendungen ist ein relativ gleichmäßiges bzw. gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil in hohem Maße wünschenswert.
  • [0003]
    Bestehende vertikale Windkanäle, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, haben allerdings mehrere Nachteile im Hinblick auf diese Verwendungen. Zum Beispiel wird der Benutzer unter freizeitbezogenen Umständen entweder unmittelbar über oder unmittelbar unter das Gebläse oder den Gebläsemotor angehoben und ist daher Geräuschniveaus ausgesetzt, die hoch genug sind, daß Ohrstöpsel benötigt werden, um den Schall auf ein erträgliches Niveau abzusenken. Weiterhin ist die Luftströmung, die aus dem Gebläse herauskommt, im allgemeinen recht turbulent und hat ein unebenes Geschwindigkeitsprofil, was zu rauhen Bedingungen für den Benutzer und zu unvorhersehbaren Abweichungen für den Forscher führen kann. Diese Probleme werden durch die Tatsache verschärft, daß die meisten vertikalen Windkanäle dieser Bauart einen standardmäßigen Propeller eines Luftfahrzeugs verwenden, um die Luft zu beschleunigen, was weiterhin zu den erhöhten Geräuschleveln und den unebenen Geschwindigkeitsprofilen beiträgt.
  • [0004]
    Außerdem bringt die Positionierung des Gebläsemotors in einer vertikal aufrechten Orientierung ihre eigene Menge von ingenieurmäßigen Problemen mit sich. Zunächst kann, um die gewünschte laminare Stimmung zu erzeugen, die Länge der gesamten Anordnung von dem Antriebsmotor des Gebläses bis zu dem oberen Austrittsquerschnitt ziemlich groß sein. Aus diesem Grunde muß, um die notwendige Ausrüstung unterzubringen und um den oberen Austrittsquerschnitt des Windkanals an einer ohne weiteres zugänglichen Stelle anzuordnen, entweder eine erhebliche Ausschachtung oder eine Konstruktion einer erhöhten Struktur vorgenommen werden, die die Kosten und die Komplexität der Konstruktion des Windtunnels erheblich erhöhen können. Weiterhin müssen zusätzliche Leitungen bzw. Ummantelungen gebaut werden, um Einlaßluft für das Gebläse bereitzustellen, was den Aufwand der Konstruktion weiterhin erhöht. Sogar von noch größerer Bedeutung ist allerdings die Tatsache, daß die vertikale Orientierung des Gebläsemotors eine höhere Beanspruchung auf die Motorlagerungen bringt als dies bei einer horizontalen Orientierung der Fall wäre, so daß dadurch die Wartungskosten erhöht werden und die Lebensdauer des Motors reduziert wird.
  • [0005]
    Um diese Probleme zu überwinden, sind Windkanäle gebaut worden, um vertikale Luftströmungen zu erzeugen, wobei im wesentlichen horizontal orientierte Gebläse verwendet werden. Als Beispiel sind im Stand der Technik Windkanäle gebaut worden, um eine vertikale Luftströmung zu erzeugen, unter Verwendung von horizontalen Gebläsen, wobei das horizontale Gebläse die Luft durch einen Abschnitt eines horizontalen Kanals beschleunigt, nach dem die Luft in eine vertikale Richtung umgelenkt wird, wobei ein in vertikaler Richtung abgewinkeltes Leitblech oder eine Leitvorrichtung verwendet wird. Allerdings sind bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, bei denen dieses Verfahren eingesetzt worden ist, Probleme aufgetreten. Beispielsweise ist das Geschwindigkeitsprofil der Luftströmung, die den Windkanal verläßt, nicht so gleichförmig oder einheitlich, wie es im allgemeinen gewünscht ist oder benötigt wird. Weiterhin sind die Leitbleche, die dazu verwendet werden, um die Strömung umzulenken, sehr ineffizient, was zu nicht hinnehmbaren Energieverlusten führt und somit zu Geschwindigkeiten der Luftströmung, die niedriger als gewünscht sind.
  • [0006]
    Es besteht daher ein Bedarf an einer Vorrichtung zum Erzeugen einer vertikalen Luftströmung, die relativ gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt, die relativ ruhig im Betrieb ist, die einfach ausgelegt und aufgebaut ist und die zu niedrigen Kosten zusammengesetzt und gewartet werden kann. Demgemäß besteht auch eine Notwendigkeit an einer Vorrichtung, die in effizienter Weise Luft ausgehend von einer im wesentlichen horizontalen Richtung in eine im wesentlichen vertikale Richtung umlenken kann. Außerdem besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung, die eine dreidimensionale, nach innen gerichtete Luftströmung zu einer im wesentlichen ebenen, radial einwärts gerichteten Luftströmung umlenken kann. Weiterhin besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung, die eine Luftströmung auf die vorstehend genannten Weisen in einer effizienten Weise umlenken kann, wobei relativ hohe Energieverhältnisse beibehalten werden.
  • [0007]
    Aus der WO99/06274 ist eine vertikale Windkanalanordnung bekannt, bei der eine Anzahl von Gebläsen in jeweiligen Leitungen oder Ummantelungen angeordnet sind, die sich radial in bezug auf die vertikale Achse eines vertikalen Luftauslasses erstrecken, wobei die Gebläse und ihre Leitungen bzw. Ummantelungen in regelmäßigen Intervallen um diese Achse herum angeordnet sind, und wobei die einzelnen radialen Leitungen an das untere Ende des Luftauslasses über entsprechende Biegungen angeschlossen sind.
  • [0008]
    Aus der WO083/01380 ist eine ähnliche Vorrichtung bekannt, bei der allerdings drei Motor-/Gebläseeinheiten, die in entsprechenden Leitungen angebracht sind, unter gleichen Winkeln um die vertikale Achse des vertikalen Luftauslasses herum beabstandet angeordnet sind, wobei die Motor-/Gebläseeinheiten auch jeweils nach oben geneigt sind, von ihren jeweiligen Einlässen zu ihren Auslässen, und die entsprechenden Leitungen die Form von Biegungen annehmen, die dazu dienen, die Luftströmung nach und nach in Richtung auf eine vertikale Richtung zu führen, so daß die Luftströmung zu dem Zeitpunkt vertikal ist, wenn sie das untere Ende des vertikalen Luftauslasses erreicht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • [0009]
    Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Umlenken einer Luftströmung von einer im wesentlichen horizontalen Strömung zu einer im wesentlichen vertikalen Strömung auf eine effiziente Weise bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung lenkt auch in effizienter Weise eine dreidimensionale, nach innen gerichtete Luftströmung zu einer im wesentlichen ebenen, radial einwärts gerichteten Luftströmung um.
  • [0010]
    Gemäß der vorliegenden Erfindung, die in Anspruch 1 festgelegt ist, wird eine vertikale Windkanalvorrichtung bereitgestellt, mit einer ebenen horizontalen Stützfläche; einer konvergierenden Düse, die eine vertikale zentrale Achse aufweist und mit einem Einlaß an ihrem unteren Ende und mit einem Auslaß an ihrem oberen Ende versehen ist, wobei die Düse in einem Abstand von der genannten Stützfläche angeordnet ist, um einen Eintritt für Luft in den genannten Einlaß zu bilden, wobei eine Schnecke das Einlaßende der konvergierenden Düse umschließt, wobei der Boden der Schnecke durch die genannte ebene horizontale Stützfläche gebildet wird, wobei die genannte Vorrichtung mit einem Einlaßabschnitt versehen ist, der einen Eintritt für Luft in die genannte Schnecke bildet, und wobei die Vorrichtung mit einem Gebläseabschnitt versehen ist, mit einem Gebläse, das um eine horizontale Achse drehbar ist, um Luft entlang eines sich in horizontaler Richtung erstreckenden Diffusorabschnitts zu dem genannten Einlaßabschnitt und von dort zu der genannten Schnecke zu lenken.
  • [0011]
    Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 beschrieben.
  • [0012]
    Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung lenkt eine Luftströmung ausgehend von einer im wesentlichen horizontal gerichteten Strömung zu einer im wesentlichen vertikal gerichteten Strömung um, dadurch, daß zunächst eine dreidimensionale, horizontal gerichtete Luftströmung ausgehend von einem horizontal angebrachten, ummantelten Gebläse erzeugt wird. Diese dreidimensionale Strömung wird dann in den Boden einer vertikal orientierten Düse in einer radial einwärts gerichteten Weise gelenkt. Schließlich wird die radial einwärts gerichtete Strömung in eine vertikal auswärts gerichtete Strömung umgewandelt und wird durch die Düse herausgedrückt. Die Umlenkung der Strömung von einer radial einwärts gerichteten zu einer vertikal auswärts gerichteten Richtung wird mit Hilfe einer Stagnationszone erreicht, die in der Düse durch das Aufeinandertreffen aller einwärts gerichteten Strömungen aufeinander erzeugt wird. Die Umlenkung von einer dreidimensionalen einwärts gerichteten Strömung zu einer im wesentlichen ebenen, radial einwärts gerichteten Strömung wird durch die Schnecke erzeugt.
  • [0013]
    Während die Schnecke eine beliebige Form aufweisen kann, die in der Lage ist, die dreidimensionale Strömung in eine im wesentlichen ebene, radial einwärts gerichtete Strömung umzuwandeln, ist sie in bevorzugter Weise in der Form von zwei symmetrischen Kammern oder einer Spirale, oder weiter bevorzugt in Form einer hyperbolischen Spirale. Wenn die symmetrischen Kammern genutzt werden, wird die horizontal gerichtete dreidimensionale Strömung aufgeteilt, bevor sie die Düse erreicht, und so geleitet, daß jede Kammer ungefähr eine Hälfte der Strömung erhält. Jede Kammer arbeitet dann so, daß sie in effizienter Weise die Luft radial einwärts auf einer Ebene zu dem Mittelpunkt der Düse verteilt, die gleichmäßig oberhalb der beiden Kammern verteilt wird.
  • [0014]
    Alternativ, wenn eine hyperbolische Spirale verwendet wird, wird die horizontal gerichtete dreidimensionale Strömung um den Umfang der Düse herum abgelenkt, so daß die Luft proportional auf einer Ebene in die Düse hinein verteilt wird, bis die Strömung im wesentlichen dissipiert ist, wobei etwa verbleibende Luft so gelenkt wird, daß sie sich der ankommenden Strömung anschließt. In jedem Falle tritt die Strömung in den Boden der Düse auf einer im wesentlichen horizontalen Ebene ein und wird radial nach innen gelenkt, wenn sie in die Düse eintritt, durch eine Reihe von geformten Führungsschaufeln.
  • [0015]
    Beim Erreichen des Mittelpunkts der Düse wird eine Stagnationszone gebildet, wenn die einzelnen radial nach innen gerichteten Strömungen aufeinander auftreffen. Diese Stagnationszone weist einen hohen Grad an statischem Druck auf und nimmt die Form eines nach oben vorstehenden Kegels an, was dahingehend wirkt, daß die Luft gleichmäßig und effizient nach oben durch die Öffnung in der Düse gelenkt wird. Auf diese Weise wird die Strömung, die aus der Düse austritt, effizient in eine vertikale Richtung umgelenkt und weist ein im wesentlichen gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil auf.
  • [0016]
    Die Verwendung von Düsen zum Lenken einer Fluidströmung ist auf dem vorliegenden Gebiet der Technik gut bekannt. Insbesondere ist es bekannt, eine konvergierende Düse in einer Verbrennungskraftmaschine dazu zu verwenden, um Luft in den Vergaser zu lenken.
  • [0017]
    Allerdings ist bei den meisten aus dem Stand der Technik bekannten Anwendungen, bei denen Düsen verwendet werden, der Einlaß zu der Düse mit einem relativ großen Beruhigungsraum verbunden. Bei diesen Anwendungen wird es als in hohem Maße wünschenswert angesehen, Versperrungen von dem Einlaß der Düse wegzuhalten, so daß das Fluid in einer ungestörten laminaren Strömung in die Düse strömt. Demzufolge hätte ein Konstrukteur von diesen aus den Stand der Technik bekannten Systemen nicht den Gedanken, eine Düse so zu positionieren, wie sie in der vorliegenden Erfindung positioniert ist, nämlich mit dem Einlaß in großer Nähe zu einer ebenen, festen Oberfläche. Diese Anordnung wäre tatsächlich das Gegenteil von dem, was im allgemeinen als ein zweckmäßiges Auslegungsmerkmal betrachtet wird. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß, obwohl Leitschaufeln bei aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen für Windkanäle mit geschlossenem Kreislauf bekannt sind, um Luftströmungen um die Eckbereiche der Kanäle des geschlossenen Kreislaufs zu lenken, angenommen wird, daß die Verwendung von Leitschaufeln, wie sie in der vorliegenden Erfindung offenbart ist, um radial einwärts gerichtete Strömungen zu erzeugen, die aufeinander auftreffen, um eine Stagnationszone zu erzeugen, bis heute nicht bekannt ist.
  • [0018]
    Die vorliegende Erfindung stellt weiter einen Windkanal bereit, der einen horizontalen Einlaß mit einem Auslaß aufweist, der senkrecht zu dem Einlaß ist. Diese Anordnung schafft die Möglichkeit, daß der Motor und das Gebläse entfernt von dem Benutzer angeordnet werden kann, und stellt eine wesentlich ruhigere Umgebung bereit, als sie bei aus dem Stand der Technik bekannten vertikalen Konfigurationen bereitgestellt wird. Weiterhin ermöglicht der horizontale Abschnitt auch eine größere Kontrolle über die Luftströmung. Auf diese Weise können eine im wesentlichen ebene, gleichmäßige Strömung erzeugt werden. Auch vermeidet der horizontale Einlaßabschnitt nach der vorliegenden Erfindung die Probleme, die mit einer tiefgehenden Ausbaggerung zusammenhängen, die bei vollständig vertikal orientierten Windkanälen gemäß dem Stand der Technik notwendig ist.
  • [0019]
    Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung die Möglichkeit der Verwendung eines ummantelten Gebläses anstelle von Gebläsen mit standardmäßigen Propellern, wie sie im Stand der Technik verwendet werden. Ummantelte Gebläse sind deshalb zweckmäßig, weil die Geometrie um das ummantelte Gebläse, einschließlich der Einlaßleitungen des Gebläses, leichter kontrolliert werden kann, und auch aufgrund der Tatsache, daß ummantelte Gebläse ruhiger sind und einen höheren Wirkungsgrad haben als standardmäßige Propeller. Aus diesem Grunde kann dadurch, daß ein Einlaßdom verwendet wird, der eine geeignete Form aufweist, die Strömung in das Gebläse beeinflußt werden, um eine Strömung zu erzeugen, die aus dem Gebläse herauskommt und das gewünschte gleichmäßigere bzw. gleichförmigere Geschwindigkeitsprofil aufweist. Demgemäß besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Einlaßdom bereitzustellen, der einen Aufbau aufweist, der ähnlich der äußeren Düse der vorliegenden Erfindung ist, die eine Stagnationszone verwendet, um Luft in effizienter Weise in den Einlaß eines ummantelten Gebläses umzulenken.
  • [0020]
    Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Umlenken einer Luftströmung von einer im wesentlichen dreidimensionalen, einwärts gerichteten Strömung zu einer im wesentlichen ebenen, radial einwärts gerichteten Strömung bereit, und dann zu einer vertikal nach außen gerichteten Strömung, die ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil aufweist. Die Vorrichtung weist eine im wesentlichen ebene Stützfläche und eine konvergierende Düse auf, die so angeordnet ist, daß die Düsenachse im wesentlichen senkrecht zu der Stützfläche ist. Die Düse ist in einem Abstand von der Stützfläche angeordnet, um eine Düsenöffnung zu erzeugen, um die radial nach innen gerichtete Luftströmung aufzunehmen. Die Düse weist eine Krümmung auf, die in bevorzugter Weise eine ellipsoide Form aufweist, und die so gewählt ist, daß eine dreidimensionale Druckverteilung oder eine Stagnationszone in dem unteren Abschnitt der Düse erzeugt wird, wenn Luft radial nach innen durch die Düsenöffnung strömt, so daß dies dazu beiträgt, daß die Luft in vertikaler Richtung nach außen umgelenkt wird.
  • [0021]
    Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Zeichnungen und die angehängten Ansprüche in vollem Maße verständlich und deutlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • [0022]
    1 zeigt eine seitliche Ansicht einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die eine Schnecke in Form einer hyperbolischen Spirale aufweist;
  • [0023]
    2 zeigt eine Draufsicht von oben auf die Vorrichtung nach 1;
  • [0024]
    3 zeigt eine seitliche Ansicht eines Querschnitts des horizontalen, die Luft beschleunigenden Abschnitts der Vorrichtung, entlang der Linie A-A in 2;
  • [0025]
    4 zeigt eine seitliche Ansicht des Düsenabschnitts der vorliegenden Erfindung, wie sie in 1 dargestellt ist; und
  • [0026]
    5 zeigt eine Draufsicht von oben auf eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die eine Schnecke in Form von zwei symmetrischen Kammern aufweist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • [0027]
    1 bis 5 zeigen bevorzugt Ausführungsformen der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die im ganzen mit 10 bezeichnet ist. Wie am besten anhand von 1 und 2 ersichtlich ist, weist die Vorrichtung 10 eine innere Kammer 15 auf, die durch ein äußeres Gehäuse 17 festgelegt ist. Die Vorrichtung 10 weist ferner einen Motor 12 auf, der mit einer horizontal orientierten Ausgangswelle 14 versehen ist. Die Ausgangswelle 14 treibt das Gebläse 16 an, welches mit einer Reihe von Schaufeln 18 versehen ist. Die rotierenden Schrauben 18 beschleunigen die einströmende Luft, die in 2 durch Pfeile A angedeutet ist, in der stromab gerichteten Richtung, die durch Pfeile B in 1 und 2 dargestellt ist. Eine Anzahl von ortsfesten, in radialer Richtung mit Abstand angeordneten Begradigungsschaufeln 20 sind stromab von dem Gebläse 16 angeordnet und dienen dazu, den Luftstrom zu begradigen, der von den Schaufeln 18 angetrieben wird, und neigen dazu, drehende Komponenten in der Luftströmung, die durch die Schaufeln 18 eingeleitet werden, herauszunehmen. Die Begradigungs- oder Glättungsschaufeln 20 sind in bevorzugter Weise mit gleichmäßigem Abstand um den Umfang der Schaufeln 18 herum angeordnet.
  • [0028]
    Wie in 2 und 5 dargestellt ist, tritt Luft in die Vorrichtung 10, wie durch die Pfeile A dargestellt ist, mit Hilfe der Einlaßanordnung ein, die im ganzen mit 22 bezeichnet ist. Die Einlaßanordnung 22 weist zwei Einlaßkammern 24, 26 auf, die zur umgebenden Luft hin offen sind. Luft tritt in die Vorrichtung 10 über diese Kammern 24, 26 ein. Jede Kammer 24, 26 ist in bevorzugter Weise mit einem Filter 23, 25 versehen, um Fremdpartikel aus der Luft zu entfernen. Die Filter 23, 25 können aus einem Stahlgitter hergestellt sein, welches mit darin verteilt angeordnetem Stahlfiltermaterial angeordnet ist, so daß auf diese Weise Fremdkörper daran gehindert werden, durch die rotierenden Gebläseschaufeln 18 in die Vorrichtung 10 gesaugt zu werden. Wenn Luft in die Einlaßanordnung 22 eintritt, wird sie durch ein Paar von Führungsflächen 41, 43 radial einwärts geführt, wie am besten in 3 dargestellt ist.
  • [0029]
    In bevorzugter Weise umfaßt die Einlaßanordnung 22 weiterhin eine vertikale Wand 30 und eine konvergierende Einlaßdüse 32 auf, die eine im wesentlichen elliptische Form aufweist. Die Achse der Einlaßdüse 32 ist im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der Wand 30. Demgemäß wird dann, wenn der Gebläsemotor 12 in Betrieb gesetzt wird, so daß auf diese Weise die Gebläseschaufeln 18 gedreht werden, eine dreidimensionale Druckverteilung 31 entlang der Wand 30 erzeugt, durch das Auftreffen der Strömungen A gegeneinander. Diese Druckverteilung oder Stagnationszone 31 ist auf einem Abschnitt der Wand 30 zentriert, die der Achse der konvergierenden Düse 32 und der Ausgangswelle 14 des Motors entspricht. Die Einlaßkammern 24, 26, die Wand 30 und die konvergierende Düse 32 wirken so, daß diese Druckvereilung 31 auf der Mitte der Wand 30 erzeugt wird, wenn sich die Gebläseschaufeln 18 drehen. Die Druckverteilung 31, die auf diese Weise erzeugt wird, trägt dazu bei, die Luftströmung ausgehend von einer horizontalen, im wesentlichen radial nach innen gerichteten Strömung, die durch die Pfeile A dargestellt ist, in eine im wesentlichen dreidimensionale, horizontal gerichtete Ausgangsströmung, die durch die Pfeile B dargestellt ist, und die parallel zu der Ausgangswelle 14 ist, umzulenken.
  • [0030]
    Wie am besten in 1 und 5 dargestellt ist, trifft die Luft, wenn sie aus der Einlaßdüse 32 in der horizontalen Richtung austritt, wie vorstehend beschrieben ist, auf einen Vorsprung 36. Der Vorsprung 36 stellt einen konvergierenden Abschnitt bereit, in dem die Luft beschleunigt wird und sich radial nach außen bewegt, wobei die Luft in Richtung auf die Gebläseschaufeln 18 geführt wird. Der Luftstrom wird dann durch die rotierenden Gebläseschaufeln 18 in die Begradigungsschaufeln 20 getrieben, nach denen er in den Diffusorabschnitt 40 des Gebläses eintritt. Der Vorsprung 36 setzt sich in den Diffusorabschnitt 40 hinein fort und verjüngt sich nach innen, um eine Gondel bzw. einen Leitkörper 42 zu bilden. Die Verjüngung des Leitkörpers 42 ist so geformt, um die Menge an Turbulenz zu verringern, die durch die Luft erzeugt wird, die von der Oberfläche des Leitkörpers 42 abströmt. Die allmähliche Verringerung des Radius des Leitkörpers 42 in der stromab weisenden Richtung vergrößert die Querschnittsfläche des Diffusorabschnitts 40 und der inneren Kammer 15, so daß dadurch der Luftstrom, der durch die Pfeile C angedeutet ist, auf eine kontrollierte Weise verzögert wird. Selbstverständlich geht die Abnahme der Geschwindigkeit der Luftströmung mit einem entsprechenden Anstieg der statischen Energie einher, was von Bedeutung ist, da die Geschwindigkeit der Luftströmung verringert werden muß, um die Möglichkeit zu schaffen, die Luft auf eine effiziente Weise umzulenken.
  • [0031]
    Sobald die Luftströmung aus dem Diffusorabschnitt 40 austritt, tritt sie in den Übergangsdiffusor 46 ein. Der Übergangsdiffusor 46 setzt die Zunahme der Querschnittsfläche der inneren Kammer 15 fort, während er die Geometrie der inneren Kammer 15 ausgehend von der zylindrischen Geometrie, die durch das Gebläse 16 vorgegeben ist, in eine bevorzugte rechteckige Geometrie umwandelt. Der Übergangsdiffusor 46 verzögert die Luftströmung weiterhin und vergrößert ihre statische Energie, bevor die Luftströmung in die Schnecke 48 gelenkt wird.
  • [0032]
    In Abhängigkeit davon, ob die Schnecke 48 in Form eines Paars von symmetrischen Kammern, wie in 5 dargestellt ist, gestaltet ist, oder in Form einer hyperbolischen Spirale, wie in 2 dargestellt ist, oder nicht, wird der Weg der Luft in der nachfolgend beschriebenen Weise beeinflußt, um die Luftströmung gleichmäßig um den Umfang 55 der konvergierenden Austrittsdüse 57 herum zu verteilen.
  • [0033]
    Im Falle der symmetrischen Kammern, wobei auf 5 verwiesen sei, wird die Luft, die aus dem Übergangsdiffusor 46 austritt, wie durch die Pfeile D dargestellt ist, im allgemeinen in zwei Luftströmungen aufgeteilt: Ungefähr die Hälfte der Luft tritt in die erste Kammer 50 ein, und die verbleibende Hälfte tritt in die zweite Kammer 52 ein. Jede Kammer ist so geformt, daß die Querschnittsfläche der Kammer abnimmt, während sich die Luftströmung in der stromab weisenden Richtung fortsetzt, so daß dadurch zu der Verteilung der Luftströmung auf eine relativ gleichmäßige Weise um den Umfang 55 der Düse 57 herum beigetragen wird. Der Eintritt der Luft in die Kammern 50, 52 wird durch eine Anzahl von drehbaren Schaufeln 54, 56 gelenkt. Die drehbaren Schaufeln 54, 56 sind in bevorzugter Weise gekrümmte Stücke aus Metallblech und sind im wesentlichen in ihrer Form identisch. Auf diese Weise wird die Luftströmung, wenn sie aufgeteilt und in die Kammern 50, 52 umgelenkt wird, in einer Richtung um die äußeren Wände der Kammern 50, 52 herum und in Richtung auf den Umfang 55 der Düse 57 gelenkt. Die Düse 57 ist so positioniert, daß sie oberhalb des Bodens 60 der Schnecke 48 aufgehängt ist, so daß dadurch die Möglichkeit besteht, daß die Luftströmung um den Umfang 55 der Düse 57 herum unter der Bodenfläche 49 der Düse 57 in Richtung auf die zentrale Achse 59 der Düse 57 eintritt, wie durch die Pfeile E dargestellt ist.
  • [0034]
    In ähnlicher Weise wird im Falle der bevorzugten hyperbolischen Spiralform 47, wobei auf 2 verwiesen sei, die Luftströmung um die äußere Wand der Spirale 47 herum gelenkt, die sich spiralförmig um die zentrale Achse 59 der Düse 57 herum windet. Da sich die Querschnittsfläche der Spirale 47 proportional mit der radialen Bewegung um den äußeren Umfang 55 der Düse 57 herum verkleinert, wird die Luftströmung proportional und gleichmäßig unter der Bodenfläche 49 der Düse 57 in Richtung auf die zentrale Achse 59 der Düse 57 geleitet. Die verbleibende Luft, soweit vorhanden, bei der Beendigung der Luftströmung um die Spirale 47 herum wird so gelenkt, daß sie sich der ankommenden Luftströmung in die Schnecke 48 an einem Wiedereintrittspunkt 51 anschließt. Diese hyperbolische Spiralform 47 für die Schnecke 48 wird bevorzugt, da die Energieverluste und die Störungen der Luftströmung geringer sind als die, die bei Verwendung der vorstehend beschriebenen symmetrischen Kammern 50, 52 angetroffen werden.
  • [0035]
    Allerdings ist es so, daß unabhängig davon, welche Form einer Schnecke verwendet wird, wenn Luft um den Umfang 55 der Düse 57 herum zirkuliert, die untersten Bereiche der Strömung unter der Bodenfläche 49 der Düse 57 unmittelbar in die Düse 57 eintreten. Die oberen Bereiche der Luftströmung in der Schnecke 48 gehen dann nach unten, um die abgegangene Luftströmung zu ersetzen. Die Strömung der Luft in die Düse 57 hinein, die durch die Pfeile E dargestellt ist, wird durch eine Anzahl von Düsenleitschaufeln 53 unterstützt. Die Düsenleitschaufeln 53 sind so geformt, daß sie die Luftströmung auf einen im wesentlichen radial nach innen gerichteten Weg in Richtung auf die zentrale Achse 59 der Düse 57 in die Düse 57 hinein lenken.
  • [0036]
    Wenn die radial nach innen gerichtete Luft in die Düse 57 eintritt, wie durch die Pfeile E dargestellt ist, treffen die einzelnen Luftströmungen aufeinander, um eine im wesentlichen konisch geformte Stagnationszone 62 zu bilden, die sich nach oben ausgehend von dem Boden 60 der Schnecke erstreckt, ungefähr auf der zentralen Achse 59 der Düse 57, wie am besten aus 4 hervorgeht, wobei die Stagnationszone 62 dafür zuständig ist, daß die Luft ausgehend von einem im wesentlichen radial einwärts gerichteten Weg in eine axiale Strömung umgelenkt wird, senkrecht zu dem Boden 60 der Schnecke 48. Die Krümmung der Düse 57 ist so gewählt, so daß die geeignete Stagnationszone 60 in dem unteren Bereich der Düse 57 erzeugt wird. Sobald die Luft durch die Geometrie des Bodens 60, der Düse 57 und der Stagnationszone 62 umgelenkt wird, wird die Luft in vertikaler Richtung beschleunigt und tritt aus der Oberseite 65 der Düse 57 aus, wie durch die Pfeile F dargestellt ist. In bevorzugter Weise hat die Luft, die aus der Düse 57 austritt, ein ziemlich gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil mit sehr geringen Verlusten an Geschwindigkeit in der Nähe der Ränder der Strömung. In höchst bevorzugter Weise wird die Luftströmung kontrolliert und ist weniger turbulent, und sie wird auf eine effizientere Weise erzeugt, als dies bei aus dem Stand der Technik bekannten, vertikal abgebenden Windkanälen der Fall ist.

Claims (13)

  1. Vertikale Windkanalvorrichtung mit einer ebenen horizontalen Stützfläche (60); einer konvergierenden Düse (57), die eine vertikale zentrale Achse (59) aufweist und mit einem Einlaß an ihrem unteren Ende und mit einem Auslaß an ihrem oberen Ende (65) versehen ist, wobei die Düse in einem Abstand von der genannten Stützfläche (60) angeordnet ist, um einen Eintritt für Luft in den genannten Einlaß zu bilden, wobei eine Schnecke (48) das Einlaßende der konvergierenden Düse (57) umschließt, wobei der Boden der Schnecke durch die genannte ebene horizontale Stützfläche (60) gebildet wird, wobei die genannte Vorrichtung mit einem Einlaßabschnitt (46) versehen ist, der einen Eintritt für Luft in die genannte Schnecke bildet, wobei die Vorrichtung mit einem Gebläseabschnitt (22, 20) versehen ist, mit einem Gebläse (16), das um eine horizontale Achse drehbar ist, um Luft entlang eines sich in horizontaler Richtung erstreckenden Diffusorabschnitts (40) zu dem genannten Einlaßabschnitt und von dort zu der genannten Schnecke zu lenken.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Anzahl von Leitschaufeln (53), die auf der genannten Stützfläche (60) unterhalb des genannten Einlasses angeordnet sind, um die genannte Luftströmung entlang der genannten Stützfläche in einer im wesentlichen radial nach innen weisenden Richtung zu der genannten zentralen Achse (59) der Düse zu führen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Düseneinlaß eine kreisförmige Form aufweist und mit einem äußeren Umfang versehen ist, wobei der mittlere Punkt des genannten Düseneinlasses koaxial mit der genannten zentralen Achse der Düse ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schnecke in Form einer hyperbolischen Spirale geformt ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte, als hyperbolische Spirale geformte Schnecke eine äußere Wand aufweist, die um den äußeren Umfang des genannten Düseneinlasses herum positioniert ist, so daß die Querschnittsfläche zwischen der genannten äußeren Wand und dem äußeren Umfang des genannten Düseneinlasses im Verhältnis zu dem Winkel um die genannte zentrale Achse (59) der Düse ausgehend von dem genannten Einlaßabschnitt abnimmt, so daß die genannte Luftströmung entlang der Stützfläche gleichmäßig in Richtung auf die genannte zentrale Achse der Düse verteilt wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schnecke (48) aus zwei symmetrischen Kammern (50, 52) zusammengesetzt ist, wobei jede der genannten Kammern einen Einlaß, eine äußere Wand und eine Anzahl von Luftleitblechen (54, 56) aufweist, die in der Nähe des genannten Einlasses angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Einlaßabschnitt (46) in einer gemeinsamen Ebene mit der genannten Stützfläche (60) liegt, um eine Luftströmung zu der genannten Schnecke zu leiten.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der genannten Kammern stromab von der genannten Luftströmung abnimmt, so daß dadurch eine gleichmäßige Verteilung des genannten Luftstroms in den genannten Düseneinlaß hinein erleichtert wird.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Gebläse ein Mantelgebläse ist.
  10. Vorrichtung Anspruch 9, weiter umfassend einen Satz von Begradigungsschaufeln (20), die um den genannten Gebläseabschnitt herum angeordnet sind, um die genannte Luftströmung, die durch das Mantelgebläse erzeugt wird, zu begradigen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Begradigungsschaufeln (20) gleichmäßig in Umfangsrichtung um den genannten Gebläseabschnitt herum beabstandet angeordnet sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, weiter umfassend eine Einlaßanordnung (22), die vor dem genannten Gebläseeinlaß positioniert ist und angeordnet ist, um Luft zu dem genannten Gebläseeinlaß zu leiten.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einlaßanordnung (22) obere und untere Führungsflächen (41, 43) aufweist, die in der genannten Einlaßanordnung (22) angeordnet sind und so eingerichtet sind, daß sie im Gebrauch Luft, die in die genannte Einlaßdüse in einer im wesentlichen radialen, einwärts gerichteten Richtung eintritt, zu dem genannten Gebläseeinlaß lenkt.
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