DE69826707T2

DE69826707T2 - Oszillierende strahlen

Info

Publication number: DE69826707T2
Application number: DE69826707T
Authority: DE
Inventors: Jianchun Mi; Estcourt Russell LUXTON; Jerrold Graham NATHAN
Original assignee: Luminis Pty Ltd
Current assignee: Luminis Pty Ltd
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-11-18
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2018-11-19
Also published as: US6685102B1; AUPP042197A0; CA2308494C; EP1032789A4; CN1279756A; AP2000001819A0; JP2001523559A; CN1189698C; EP1032789A1; NZ504470A; ATE278155T1; DE69826707D1; WO1999026021A1; CA2308494A1; WO1999026021A8; EP1032789B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft oszillierende Strahlen.
Technischer Hintergrund
Oszillierende Strahlen sind Strahlen, welche angeregt werden, um dynamische Oszillationsmodi auszuführen. Während oszillierende Strahlen potenziell angeregt werden können, um unterschiedliche Oszillationsmodi auszuführen, beinhalten Illustrationsbeispiele von oszillierenden Strahlen den "flatternden Strahl", worin die Strahlsäule in einer quasiplanaren Weise von Seite zu Seite "flattert" und den "präzessierenden Strahl", worin die Strahlsäule insgesamt um eine andere Achse als ihre eigene rotiert (oder "präzessiert").
Oszillierende Strahlen, wie etwa der präzessierende Strahl und der flatternde Strahl, haben aufgrund ihrer verbesserten Mischcharakteristiken relativ zu herkömmlichen nicht-oszillierenden Strahlen ein breites Potenzial industrieller Anwendbarkeit beim Mischen von Fluiden. Beispiele industrieller Prozesse, in denen oszillierende Strahlen eine potenzielle Anwendbarkeit haben, beinhalten Verbrennungssysteme, chemische Reaktoren, Wärme- und Massenaustauscher, Fluidmischer und Sprühsysteme.
Die potenziell weit verbreitete praktische Anwendung oszillierender Strahlen zum Vermischen von Fluiden ist zumindest teilweise durch die Entwicklung einfacher Fluidikvorrichtungen erleichtert worden, die in der Lage sind, oszillierende Strahlen anzuregen. Z. B. offenbart die internationale Patentpublikation WO88/08104 des vorliegenden Anmelders verschiedene einfache Fluidikvorrichtungen, die in der Lage sind, ohne akustische oder mechanische Anregungstechniken einen oszillierenden Strahl anzuregen.
Insbesondere verwenden die in der WO88/08104 offenbarten Fluidikvorrichtungen die Trennung eines Primärflusses in einer Kammer zum Anregen eines präzessierenden Strahls mit großem Ausmaß und niedriger Frequenz.
Während die industrielle Anwendung der Fluidikvorrichtungen, wie in WO88/08104 offenbart, als Brenner in rotierenden Zementöfen aufgezeigt hat, dass eine präzessierende Gasstrahlflamme hochstabil ist und die NO_x-Emissionen in Bezug auf herkömmliche nicht-oszillierende Flammen signifikant reduziert, ist die breitere industrielle Anwendung des präzessierenden Strahls durch die fehlende Möglichkeit behindert worden, die Evolutions- und Mischcharakteristiken des Strahls direkt zu manipulieren und zu regulieren. Diesbezüglich wird ersichtlich, dass die Fähigkeit zum Anpassen und Regulieren der Mischcharakteristiken eines Strahls wesentlich ist, wenn die Leistung des Strahls für irgend eine gegebene industrielle Anwendung optimiert werden soll.
Das obige Beispiel des präzessierenden Strahls veranschaulicht klar, dass die breite industrielle Anwendung oszillierender Strahlen allgemein nicht lediglich von der Entwicklung einfacher Fluidikvorrichtungen abhängig ist, sondern auch von der Entwicklung einer Fähigkeit, wodurch die Evolutions- und Mischcharakteristiken der oszillierenden Strahlen, die durch solche Vorrichtungen angeregt werden, einfach und zuverlässig angepasst werden, um Fluide in einer vorbestimmten Weise zu mischen, die für irgend einen gegebenen industriellen Prozess optimal ist.
In den internationalen Patentpublikationen WO94/07086 und WO96/27761 des vorliegenden Anmelders sind verschiedene Fluidikvorrichtungen vorgeschlagen worden, die sich mit dem obigen technischen Problem im Kontext der präzessierenden Strahlbrenner befassen. Diese Fluidikvorrichtungen sind Verbesserungen der in WO88/08104 offenbarten Fluidikvorrichtungen, worin eine präzessierende Strahlflamme in Kombination mit einer eng benachbarten nicht-oszillierenden Strahlflamme verwendet wird, um die Charakteristika der kombinierten Flamme zu beeinflussen. Während die in WO94/07086 und WO96/72261 offenbarten Fluidikvorrichtungen vorteilhaft die Leistung des präzessierenden Strahls in Verbrennungssystemen, wie etwa rotierenden Zementöfen, verbessern, erleichtern sie nicht direkt die Optimierung der Leistung des präzessierenden Strahls für andere spezifische industrielle Anwendungen, weil sie die Fähigkeit der direkten einfachen Anpassung und Regulierung der Mischcharakteristik des präzessierenden Strahls nicht selbst bereitstellen.
Gegenüber dem obigen Hintergrund hat der vorliegende Anmelder festgestellt, dass es einen Bedarf nach einer einfachen Fluidikvorrichtung gibt, um einen oszillierenden Strahl anzuregen, dessen Oszillationsmodus und Mischcharakteristiken derart bestimmt werden können, dass die Leistung des oszillierenden Strahls für jede gegebene industrielle Anwendung optimiert werden kann. Wichtig ist, dass die Vorrichtung nicht nur in der Lage sein sollte, die obigen illustrativen Beispiele des flatternden Strahls und des präzessierenden Strahls anzuregen, sondern einen breiten Bereich oszillierender Strahlen, deren besondere dynamischen Oszillationsmodi und Mischcharakteristiken für spezifische industrielle Anwendungen optimal sind.
Offenbarung der Erfindung
Allgemein wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der Herstellung einer Fluidikvorrichtung zum Anregen eines oszillierenden Strahls mit vorbestimmten Oszillations- und Mischcharakteristiken angegeben, wobei die Fluidikvorrichtung eine Kammer mit einem derart angeordneten Fluideinlass enthält, dass im Gebrauch sich Fluid, das in die Kammer durch den Fluideinlass eintritt, von der Innenoberfläche der Kammer löst, um einen oszillierenden Strahl anzuregen, wobei das Verfahren den Schritt enthält, die Geometrie des Fluideinlasses zu konfigurieren, um den Modus der Oszillations- und Mischcharakteristiken des oszillierenden Strahls zu bestimmen, durch Auswahl einer nicht kreisförmigen Querschnittsform aus der Gruppe, die dreieckig, rechteckig, polygonal, elliptisch, kreuz- und sternförmig umfasst. Bevorzugt kann die Geometrie des Querschnitts des Fluideinlasses ferner selektiv konfiguriert werden, indem die Dimensionen des Querschnitts des Fluideinlasses verändert werden.
In einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Fluidikvorrichtung zum Anregen eines oszillierenden Strahls vor, dessen Charakteristiken zur Erfüllung von betriebsmäßigen Erfordernissen bestimmt werden können, wobei die Fluidik-Vorrichtung eine Kammer mit einem Fluideinlass aufweist, derart, dass im Gebrauch sich Fluid, das in die Kammer durch den Fluideinlass eintritt, von der Innenoberfläche der Kammer löst, um einen oszillierenden Strahl anzuregen, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Geometrie des Fluideinlasses derart zu verändern, dass der Oszillationsmodus und die Mischeigenschaften des oszillierenden Strahls zum Erfüllen der betriebsmäßigen Anforderungen bestimmt werden können, wobei der Fluideinlass eine nicht kreisförmige Querschnittsform aufweist, die aus der Gruppe gewählt ist, die dreieckig, rechteckig, polygonal, elliptisch, kreuz- und sternförmig umfasst.
Bevorzugt umfassen die Mittel, die zum Variieren der Geometrie des Fluideinlasses vorgesehen sind, eine Mehrzahl von Elementen, die innerhalb der Kammer alternativ entfernbar angeordnet sein können, wobei jedes der Elemente mit einer Öffnung versehen ist, die den Fluideinlass darstellt, wenn die jeweiligen Elemente in der Kammer entfernbar angeordnet sind. Bevorzugt besitzen die Öffnungen der jeweiligen Elemente unterschiedliche Geometrien.
Sobald die Fluidikvorrichtung zum Betrieb in einer bestimmten industriellen Anwendung installiert worden ist, kann günstigerweise die Geometrie des Fluideinlasses einfach und leicht dadurch variiert werden, dass ein Element durch ein anderes ersetzt wird, das eine unterschiedlich konfigurierte Öffnung aufweist. Aus dem obigen Verfahren der vorliegenden Erfindung ist entnehmbar, dass das selektive Variieren der Geometrie des Fluideinlasses die Manipulation und Regulation des Oszillationsmodus und der Mischcharakteristiken der durch die Fluidikvorrichtung angeregten oszillierenden Strahlen erleichtert. Dementsprechend kann die Leistung des durch die Fluidikvorrichtung angeregten oszillierenden Strahls optimiert und/oder variiert werden, um spezifische Betriebsanforderungen für jede gegebene praktische Anwendung zu erfüllen.
Als eine Alternative der Anwendung entfernbar positionierbarer Öffnungen könnten Mittel integral in der Fluidikvorrichtung vorgesehen sein, um die Geometrie des Fluideinlasses in situ durch mechanische oder fluidische Mittel zu variieren, sodass der Oszillationsmodus und die Mischeigenschaften des oszillierenden Strahls bestimmt werden können, um betriebsmäßige Anforderungen zu erfüllen.
Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nun nur als Beispiel in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht einer Fluidikvorrichtung zum Anregen eines gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten oszillierenden Strahls;
2(a–h) zeigen die Auswahl alternativer Ausführungen von Fluidikvorrichtungen zum Anregen eines gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten oszillierenden Strahls;
3(a) und 3(b) sind jeweils eine Seiten- und eine Endansicht zweier Ausführungen einer Fluidikvorrichtung zum Anregen eines gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten oszillierenden Strahls;
4 ist eine schematische Ansicht einer Fluidikvorrichtung zum Anregen eines oszillierenden Strahls, dessen Charakteristiken durch die Anwendung austauschbarer Komponenten bestimmt werden können, um betriebsmäßige Anforderungen zu erfüllen;
5 ist eine schematische Ansicht einer Fluidikvorrichtung zum Anregen eines oszillierenden Strahls, dessen Charakteristiken durch die Verwendung mechanischer Mittel zum Verändern der Form des Einlasses bestimmt werden können, um betriebsmäßige Anforderungen zu erfüllen. 5(a) erreicht diese Veränderung mittels austauschbarer Komponenten, und 5(b) erreicht diese mittels Einstellungen, die in situ möglich sind;
6 ist eine schematische Ansicht einer Fluidikvorrichtung zum Anregen eines oszillierenden Strahls, dessen Charakteristiken in situ durch die Verwendung von Fluidikmitteln zum Verändern der Form des Einlassstrahls verändert werden können, um betriebsmäßige Anforderungen zu erfüllen.
Beste Arten zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch eine einfache Fluidikvorrichtung 2 zum Anregen eines oszillierenden Strahls, der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Die Fluidikvorrichtung 2 umfasst allgemein eine Kammer 4 mit einem Fluidauslass 6, der mit Längsabstand von einem Fluidabstand 8 angeordnet ist. Der Querschnitt der Kammer 4 und/oder des Fluidauslasses 6 kann selektiv als kreisförmig, rechteckig, polygonal, elliptisch, sechseckig oder achteckig konfiguriert werden (in einigen Ausführungen können vorteilhaft andere geometrische ebene Figuren benutzt werden). Der Querschnitt der Kammer 4 ist vorteilhaft konstant, obwohl in einigen Ausführungen vorteilhaft der Querschnitt entlang der Länge der Kammer 4 verändert werden kann.
Während der tatsächliche Formungsmechanismus oszillierender Strahlen innerhalb der Kammer 4 hoch komplex ist, kann die allgemeine Funktion der Fluidikvorrichtung 2 in Bezug auf 1 beschrieben werden, worin der Fluidstrahl 10, der durch den Fluideinlass 8 in die Kammer 4 eintritt, anfänglich von der Innenoberfläche der Kammer 4 getrennt wird. Danach dehnt sich der Strahl 10 durch Mitnahme des umgebenden Fluids aus. Dies erzeugt einen positiven Rückkopplungsprozess innerhalb der Kammer 4, der bewirkt, dass der aus dem Fluidauslass 6 austretende Strahl 12 oszilliert. Der oszillierende Strahl 12 entlädt sich in das Umgebungsfluid stromab vom Fluidauslass 6 und vermischt sich hier mit dem Umgebungsfluid primär durch eine groß bemessene Einwicklung. Aus dieser Beschreibung ist entnehmbar, dass die Fluidikvorrichtung 2 den Austritt eines oszillierenden Strahls 12 ohne akustische oder mechanische Anregungstechniken erleichtert.
Die 2(a–h) zeigen eine Auswahl alternativer Ausführungen von Fluidikvorrichtungen 2 zum Anregen eines oszillierenden Strahls (nicht gezeigt), der gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Für eine asymmetrische Kammer 4 mit konstantem Querschnitt liegen typische geometrische Verhältnisse d_e/D, L/D und d₂/D jeweils in den Bereichen: d_e/D ≤ 0,5; L/D ≥ 0,5; d_e/D < d₂/D ≤ 1 (worin L und D die Kammerlänge und den Durchmesser repräsentieren, de ein äquivalenter Durchmesser des Fluideinlasses ist, definiert als der Durchmesser eines virtuellen asymmetrischen Fluideinlasses mit der gleichen Fläche A wie der tatsächliche nicht-achssymmetrische Fluideinlass, d. h.
und d₂ den Durchmesser des Fluidauslasses bezeichnet).
Wie in den 2(a–h) gezeigt, ist die Kammer 4 derart konfiguriert, dass es eine Diskontinuität oder eine andere schnelle Querschnittsänderung um den Fluideinlass 8 herum gibt. Wie oben diskutiert, induziert die Diskontinuität oder die andere schnelle Querschnittsänderung um den Fluideinlass 8 herum einen Fluidstrahl 10, der in die Kammer eintritt, um sich anfänglich von der Innenoberfläche der Kammer zu trennen. Dementsprechend kann der Fluideinlass 8 selektiv als eine Öffnung (2(a–c)) relativ kurzer Länge in Richtung des Fluidflusses im Vergleich zur Länge der Kammer konfiguriert werden. Der Fluideinlass 8 kann auch als glatte Konstruktion mit (2(d)) oder ohne Lippen (2(e)) konfiguriert sein, oder als einfaches Rohr oder Passage (2(f–g)) wesentlicher Länge in Richtung des Fluidflusses. Der Fluideinlass kann eine einwärts gerichtete verengende Lippe aufweisen (2(d)) oder einen auswärts divergierenden Rand (2(a), 2(b), 2(c)). Wie auch in den 2(a–b) und den 2(d–h) gezeigt, kann eine einwärts gerichtete Lippe 14 am Fluidauslass 6 vorgesehen sein, um eine Auslassöffnung bzw. -düse zu definieren. Die Lippe 14 kann die Größe des Fluidauslasses 6 glattgängig kontrahieren (2(d)) oder kann eine einwärts gerichtete Lippe 14 enthalten, die die Größe des Fluidauslasses 6 abrupt reduziert, oder eine Kombination von beiden (2(a), 2(e), 2(f), 2(g)). Die Lippe 14 kann auch einen stromabwärtigen Abschnitt enthalten, der die Größe des Fluidauslasses glattgängig erweitert (2(b)).
2(h) zeigt eine Ausführung, worin die Struktur in der Form eines Mittelkörpers 16 in der Kammer 4 stromauf von dem Fluidauslass 6 angeordnet ist. Der Mittelkörper 16 erleichtert das Einführen von ein oder mehreren Fluiden in die Kammer 4. Insbesondere können ein oder mehrere Fluide in den Mittelkörper 16 über hohle Elemente eingeführt werden, die sowohl den Mittelkörper 16 tragen als auch ein oder mehrere Fluide in die Kammer 4 einspeisen. Es wird ersichtlich, dass beim Betrieb das eine oder die mehreren Fluide, die in die Kammer 4 über den Mittelkörper 16 eingeführt werden, durch den innerhalb der Kammer 4 gebildeten oszillierenden Strahl stromab von dem Fluideinlass 8 mitgerissen werden. Das Einführen von ein oder mehreren Fluiden in die Kammer kann alternativ erleichtert werden, indem die Kammer 4 mit Löchern (nicht gezeigt) versehen wird, sodass das Fluid außerhalb der Kammer 4 in das Kammerinnere eintreten kann. Ferner oder alternativ kann das eine oder können die mehreren Fluide in die Kammer aus einer zweiten Kammer (nicht gezeigt) eintreten, welche die Kammer 4 zumindest teilweise umgibt.
Während die allgemeine Struktur und die Funktion der Fluidikvorrichtung 2 zum Anregen eines oszillierenden Strahls beschrieben wurde, wird nun der Schritt der Bestimmung der Eigenschaften des oszillierenden Strahl 12 gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
Insbesondere werden der Oszillationsmodus und die Mischeigenschaften des oszillierenden Strahls 12, der durch die Fluidikvorrichtung 2 angeregt wird, bestimmt, indem die Geometrie des Fluideinlasses 8 selektiv konfiguriert wird. Insbesondere werden die Charakteristika des oszillierenden Strahls 12 manipuliert und reguliert, indem die geometrische Konfiguration (d. h. Form und/oder Dimensionen) des Querschnitts des Fluideinlasses 8 empirisch variiert werden. Bevorzugt wird die Querschnittsform des Fluideinlasses 8 nicht kreisförmig konfiguriert. Dementsprechend kann in Abhängigkeit vom jeweiligen Oszillationsmodus und den Mischcharakteristiken, die der oszillierende Strahl 12 aufzeigen soll, die Querschnittsform des Fluideinlasses 8 als dreieckig, polygonal oder elliptisch ausgewählt werden (in einigen Ausführungen können vorteilhaft andere geometrische ebene Figuren angewendet werden, wie etwa Kreuze und Sterne). Wie auch oben gesagt, wird bevorzugt die Querschnittsgeometrie des Fluideinlasses 8 ferner durch Variieren der Dimensionen des Querschnitts selektiv konfiguriert.
Der Schritt der Konfiguration der Geometrie des Fluideinlasses, um die Charakteristika des oszillierenden Strahls 12 zu bestimmen, wird nun im weiteren Detail nur als Beispiel in Bezug auf die 3(a) und 3(b) beschrieben. Die 3(a) und 3(b) zeigen jeweilige Seiten- und Endansichten zweier Ausführungsbeispiele einer Fluidikvorrichtung 2 zum Anregen eines oszillierenden Strahls. Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren ist die detaillierte Geometrie der jeweiligen Fluideinlässe 8 dieser zwei Ausführungen derart konfiguriert worden, dass:
der Querschnitt des Fluideinlasses eine allgemein rechteckige Form hat, mit einem Höhenaspektverhältnis (w/h) im Bereich von 6 und 15;
die kurzen (h) und die langen (w) Seiten des Einlassquerschnitts sind parallel zu den entsprechenden Seiten (H, W) des Kammerquerschnitts dort, wo die Kammer im Querschnitt rechteckig ist (3(a));
die lange Seite (w) des Fluideinlassquerschnitts ist kürzer als die lange Seite (W) des Kammerquerschnitts dort, wo die Kammer im Querschnitt rechteckig ist (3(a)), und die lange Seite (w) des Fluideinlassquerschnitts ist kürzer als der Kammerdurchmesser (D) dort, wo die Kammer im Querschnitt kreisförmig ist (3(b));
die Wandstruktur, die Kammer und die Querschnitte des Fluideinlasses und des Fluidauslasses sind um ihre jeweiligen zwei zueinander orthogonalen Koebenen, d. h. ihre Mittelebenen, jeweils symmetrisch angeordnet;
das Verhältnis der Höhe H zur Höhe h des Fluideinlasses ist größer oder gleich 4, d. h. H/h ≥ 4, wo die Kammer im Querschnitt rechteckig ist (3(a)), ein Verhältnis des Durchmessers D der Kammer zur Höhe h des Einlasses ist größer oder gleich 8, D/h ≥ 8, wo die Kammer im Querschnitt kreisförmig ist (3(b));
der Abstand (L_f) zwischen dem Fluideinlass zu der Austrittsebene und dem Fluidauslass von der Einlassebene ist größer als angenähert 0,3 H, wo die Kammer im Querschnitt rechteckig ist (3(a)), und der Abstand L_f ≥ 0, wo die Kammer im Querschnitt kreisförmig ist (3(b)).
Wenn die Geometrie des Fluideinlasses 8 in der obigen Weise konfiguriert wird, haben der Oszillationsmodus und die Mischcharakteristiken des oszillierenden Strahls, der durch die beiden in den 3(a) und 3(b) gezeigten Fluidikvorrichtungen 2 angeregt wird, eine quasiplanare Eigenschaft. Wie oben diskutiert, ist ein solcher oszillierender Strahl allgemein flatternder Strahl genannt worden. Es ergibt sich hier, dass flatternde Stahlen eine potenzielle praktische Anwendbarkeit in industriellen Prozessen haben, die das quasiplanare Mischen von Fluiden beinhalten, aufgrund ihrer verbesserten Mischeigenschaften relativ zu herkömmlichen nicht-flatternden Strahlen. Ein Beispiel eines industriellen Prozesses, wo flatternde Strahlen potenziell vorteilhaft genutzt werden könnten, ist die Herstellung von Glasscheiben, wo Glasrohmaterial durch Flachflammenbrenner erhitzt werden. Dementsprechend haben die in den 3(a) und 3(b) dargestellten Fluidikvorrichtungen 2 eine potenzielle vorteilhafte praktische Anwendbarkeit als oszillierende Flachflammenbrenner bei der Herstellung von Glasscheiben.
Bevorzugt können der Oszillationsmodus und die Mischcharakteristiken des oszillierenden Strahls, der durch die in den 3(a) und 3(b) dargestellten Fluidikvorrichtungen 2 angeregt wird, ferner dadurch bestimmt werden, dass die Geometrie der Kammer 4 selektiv verändert wird. Z. B. sind geometrische Verhältnisse L ≥ H für die rechteckige Kammer der in 3(a) dargestellten Ausführung vorteilhaft, während geometrische Verhältnisse L ≥ 0,5D für die kreisförmige Kammer der in 3(b) dargestellten Ausführung vorteilhaft sind. Ferner kann die Winkelverlagerung des flatternden Strahls (der "Flatterwinkel"), der durch die Fluidikvorrichtung 2 mit einer rechteckigen Kammer (3(a)) angeregt wird, vergrößert werden, indem die kürzeren Seiten des Querschnitts der rechteckigen Kammer so konfiguriert werden, dass sie in der stromabwärtigen Richtung divergieren. Ferner wird der oszillierende Strahl, der durch die Fluidikvorrichtung 2 mit einer rechteckigen Kammer (3(a)) angeregt wird, im Wesentlichen in zwei Dimensionen von Seite zu Seite flattern, wenn L/H ≥ 1,0. Alternativ wird der oszillierende Strahl, der durch die Fluidikvorrichtung 2 mit einer kreisförmigen Kammer (3(b) angeregt wird, in einem überwiegend zweidimensionalen Modus flattern, wenn L/D im Bereich von 0,5 ≤ L/D ≤ 1,0 beträgt. Wenn jedoch L/D ≥ 1,0, wird der oszillierende Strahl dreidimensional oszillierend.
Der Oszillationsmodus und die Mischcharakteristiken des flatternden Strahls, der durch die in 3(a) dargestellten Ausführungen der Fluidikvorrichtung 2 angeregt wird, kann ferner durch das Hinzufügen eines Mittelkörpers des Typs modifiziert werden, der schematisch in 2(h) dargestellt ist. Insbesondere, wenn ein Mittelkörper stromauf von oder an der Fluidauslassaustrittsebene montiert wird, derart, dass die Mittelkörperachse parallel zu der Hauptachse des Fluideinlasses ist und diese zwei Achsen in einer der Symmetrieebenen des Gesamtsystems fluchten (siehe 2(h)), wird der Bereich der kreisförmigen Kammer L/D oder der Bereich der rechteckigen Kammer L/H, über den der oszillierende Strahl flattert, ausgedehnt. Ferner kann die Strahlflatterfrequenz durch die Verwendung eines Mittelkörpers stromauf von oder an der Auslassaustrittsebene erhöht werden (siehe 2(h)).
Es versteht sich, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht auf die selektive Konfiguration der detaillierten Geometrie von Fluideinlässen mit rechteckigem Querschnitt beschränkt ist, wie sie oben beschrieben sind. Insbesondere kann der obige Schritt der Konfiguration der Geometrie des Fluideinlasses einer Fluidikvorrichtung zur Bestimmung des Oszillationsmodus und der Mischcharakteristiken eines oszillierenden Strahls vorteilhaft für Fluideinlässe ausgeführt werden, die einen unterschiedlichen Bereich von Querschnitten haben. Z. B. erleichtert die selektive Konfiguration der detaillierten Geometrie eines Fluideinlasses mit der dreieckigen Querschnittsform die Manipulation und Regulation eines austretenden oszillierenden Strahls, dessen Oszillationsmodus und Mischcharakteristiken dreidimensionaler Natur sind. Wie oben diskutiert, wird ein solcher oszillierender Strahl allgemein als präzessierender Strahl bezeichnet.
Zusammengefasst sehen die bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer einfachen Fluidikvorrichtung vor, um einen oszillierenden Strahl anzuregen, dessen Oszillationsmodus und Mischcharakteristiken einfach und leicht bestimmt werden können, sodass die Leistung des oszillierenden Strahls für jede gegebene industrielle Anwendung optimiert werden kann.
4 zeigt schematisch eine Fluidikvorrichtung 2' zum Anregen eines oszillierenden Strahls 12', dessen Charakteristiken bestimmt werden können, um betriebsmäßige Anforderungen zu erfüllen. Die Fluidikvorrichtung 2' ist ein Analog der Fluidikvorrichtung 2, und dementsprechend wird die vorstehende allgemeine Beschreibung der Konfiguration und der Funktion der Fluidikvorrichtung 2 hierin unter Bezugnahme aufgenommen. Die Fluidikvorrichtung 2' unterscheidet sich von der oben beschriebenen Fluidikvorrichtung 2 darin, dass die Geometrie des Fluideinlasses 8' nicht fixiert ist, sondern im Betrieb selektiv variiert werden kann, sodass der Oszillationsmodus und die Mischcharakteristiken des oszillierenden Strahls 12' bestimmt werden können, um betriebsmäßige Anforderungen zu erfüllen.
In der dargestellten Ausführung wird die Geometrie des Fluideinlasses 8' im Betrieb durch alternatives entfernbares Positionieren eines der Scheibenelemente 18 innerhalb der Kammer 4' variiert. Jedes Scheibenelement 18 ist mit einer Öffnung versehen, die den Fluideinlass 8' darstellt, wenn die jeweiligen Scheibenelemente 18 in der Kammer 4' entfernbar angeordnet werden. Wie dargestellt, besitzen die Öffnungen der jeweiligen Scheibenelemente 18 unterschiedliche Geometrien. Bevorzugt sind die in den jeweiligen Scheibenelementen 18 vorgesehenen Öffnungen im Querschnitt nicht kreisförmig. Alternativ kann die Querschnittsform der Öffnung so ausgewählt werden, dass sie dreieckig, rechteckig, polygonal oder elliptisch ist (in anderen Ausführungen können vorteilhaft andere geometrisch ebene Figuren angewendet werden, wie etwa Kreuze und Sterne). Sobald die Fluidikvorrichtung 2' zum Betrieb in einer bestimmten industriellen Anwendung installiert worden ist, kann bequemerweise die Geometrie des Fluideinlasses 8' einfach und zuverlässig variiert werden, indem ein Scheibenelement 18 durch ein anderes mit einer unterschiedlich konfigurierten Öffnung ersetzt wird. Aus der obigen Beschreibung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist ersichtlich, dass die selektive Veränderung der Geometrie des Fluideinlasses 8' die Manipulation und Regulation des Oszillationsmodus und die Mischcharakteristiken des oszillierenden Strahls 12', der durch die Fluidikvorrichtung 2' angeregt ist, erleichtert. Dementsprechend kann die Leistung des durch die Fluidikvorrichtung 2' angeregten oszillierenden Strahls 12' optimiert und/oder verändert werden, um spezifische Betriebsanforderungen für jede gegebene praktische Anwendung zu erfüllen.
Es versteht sich, dass die Scheibenelemente 18 lediglich dazu dienen, einen Bereich einfacher herkömmlicher Mittel darzustellen, durch die die Geometrie des Fluideinlasses 8' in Anpassung an betriebsmäßige Anforderungen verändert werden könnte, sobald die Fluidikvorrichtung 2' zum Betrieb in einer bestimmten industriellen Anwendung installiert worden ist. Z. B. könnten Mittel integral in der Fluidikvorrichtung 2' vorgesehen sein, um die Geometrie des Fluideinlasses 8 in situ zu variieren.
5 zeigt eine weitere Ausführung einer Fluidikvorrichtung 2'' zum Anregen eines oszillierenden Strahls, dessen Charakteristiken bestimmt werden können, um betriebsmäßige Anforderungen zu erfüllen. Die Fluidikvorrichtung 2'' ist ein weiterer Analog der oben beschriebenen Fluidikvorrichtungen 2 und 2' und die vorstehende allgemeine Beschreibung ist anwendbar und wird nicht wiederholt. Die Fluidikvorrichtung 2'' ist durch zwei Kammerelemente 4''a, 4''b gebildet, die an Flanschen 5''a und 5''b verbunden sind. Die Flansche 5''a und 5''b sind durch Bolzen 7'' mit Abstand um die Flansche herum lösbar aneinander gesichert. Eine Ringnut 9'' ist innerhalb der Vorrichtung 2'' zwischen den Kammerelementen 4''a und 4''b gebildet. Ein Scheibenelement 18'' wird in der Ringnut 9'' gefangen gehalten, wenn die Flansche 4''a und 4''b aneinander gesichert sind. Wie in Bezug auf 4 beschrieben, enthält die Scheibe 18'' eine Öffnung, die einen Fluideinlass 8'' darstellt. Diese Anordnung erlaubt, dass der Fluideinlass 8'' im Betrieb variiert wird, indem die Scheibe 18'' durch eine Scheibe mit einer Öffnung unterschiedlicher Geometrie ersetzt wird. 5(a) zeigt einige mögliche Öffnungsgeometrien für die Scheibe 18'', welche dreieckige, rechteckige, rhombische, elliptische, polygonale, kreuzförmige und sternförmige Öffnungen enthalten. 5(b) zeigt eine Scheibe 18'', die mit einstellbaren Laschen versehen ist, um die Form der Öffnung und daher des Fluideinlasses 8'' zu variieren. Die dreieckigen Laschen 19 sind an Gewindeschrauben 20 angebracht, die mit der Scheibe 18'' in Eingriff stehen, sodass der Grad des Vorsprungs der Lasche 18 in eine kreisförmige Blende 21 in der Scheibe 18'' eingestellt werden kann. Diese Variante der Scheibe 18'' erlaubt die in situ Einstellung der Form des Fluideinlasses 8''. Es sind drei mögliche Konfigurationen der Laschen gezeigt, worin die Laschen in einer Ebene quer zur Richtung des Fluidflusses mit gleichem Abstand angeordnet sind.
6 zeigt eine weitere Ausführung der Fluidikvorrichtung 2''' zum Anregen eines oszillierenden Strahls gemäß dem Verfahren dieser Erfindung. Der allgemeine Betrieb der Fluidikvorrichtung 2''' bei der Erzeugung eines oszillierenden Strahls ist der gleiche wie oben beschrieben. Die Fluidikvorrichtung 2''' hat einen Fluideinlass 8''', der an dem Ende einer zylindrischen Passage 22 ausgebildet ist. Kleine Hilfsseitenstrahlen 23 sind in den Fluideinlass 8''' gerichtet, um die Form des Strahls zu steuern. Drei Konfigurationen von zwei-, drei- und vierseitigen Strahlen 26 sind in 6 gezeigt. Bei 24 gezeigte Ventile sind vorgesehen, um den Fluidfluss durch die Seitenstrahlen 23 zu steuern. Die Seitenstrahlen 23 können zur Fluidiksteuerung der Fluideinlassform und Größe verwendet werden, um eine aerodynamische Blockage oder Verengung zu erzeugen. Die Fluidiksteuerung der Fluideinlassform und Größe erlaubt eine in situ Einstellung und vermeidet den Bedarf nach einer Einstellung oder des Ersatzes von Komponenten in der Brennerumgebung. Drei Konfigurationen der Seitenstrahlen sind gezeigt, worin die Seitenstrahlen in einer Ebene quer zur Fluidflussrichtung mit gleichem Abstand angeordnet sind und jeweils zur Mitte des Fluideinlasses 8''' hin ausgerichtet sind.
Zusammengefasst sieht die vorliegende Erfindung auch eine einfache Fluidikvorrichtung zum Anregen eines oszillierenden Strahls vor, dessen Oszillationsmodus und Mischcharakteristiken einfach und zuverlässig bestimmt werden können, sodass sie nach der Installation zu betriebsmäßigen Anforderungen passen.
Die obigen Ausführungen sind nur als Beispiel beschrieben worden, und innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist, sind Modifikationen möglich.

Claims

Verfahren der Herstellung einer Fluidik-Vorrichtung (2) zum Anregen eines oszillierenden Strahls (12) mit vorbestimmten Oszillations- und Mischeigenschaften, wobei die Fluidik-Vorrichtung eine Kammer (4) mit einem derart angeordneten Fluideinlass (8) enthält, dass im Gebrauch sich Fluid (10), das in die Kammer (4) durch den Fluideinlass (8) eintritt, von der Innenoberfläche der Kammer (4) löst, um einen oszillierenden Strahl (12) anzuregen, wobei das Verfahren den Schritt enthält, die Geometrie des Fluideinlasses (8) zu konfigurieren, um den Modus der Oszillations- und Mischeigenschaften des oszillierenden Strahls (12) zu bestimmen, durch Auswahl einer nicht kreisförmigen Querschnittsform aus der Gruppe, die dreieckig, rechteckig, polygonal, elliptisch, kreuz- und sternförmig umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Fluideinlass (8) durch eine Öffnung relativ kurzer Länge in Richtung des Fluidflusses im Vergleich zur Länge der Kammer (4) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin der Fluideinlass (8) durch eine Passage wesentlicher Länge in der Richtung des Fluidflusses gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin ein stromabwärtiges Ende des Fluideinlasses (8) eine einwärts gerichtete Begrenzungslippe enthält.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin ein stromabwärtiges Ende des Fluideinlasses (8) einen nach außen divergierenden Rand enhält.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Passage einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt hat.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Passage zu einem stromabwärtigen Ende hin glattgängig eingeengt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Kammer (4) einen Fluidauslass (6) enthält, der durch eine sich einwärts erstreckende Lippe (14) definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die sich einwärts erstreckende Lippe (14) die Größe des Fluidauslasses (6) glattgängig einengt.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die sich einwärts erstreckende Lippe (14) sich allgemein orthogonal zur innenseitigen Kammerwand (4) erstreckt, um die Größe des Fluidauslasses (6) abrupt zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Lippe (14) einen inneren Abschnitt enthält, der die Größe des Fluidauslasses glattgängig einengt.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Lippe (14) einen stromabwärtigen Abschnitt enthält, der die Größe des Fluidauslasses stromab der abrupten Reduktion glattgängig aufweitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das ferner den Schritt enthält, einen Körper (16) in dem Mittelbereich der Kammer stromab von dem Fluideinlass (8) zu positionieren, wobei der Körper (16) dazu ausgelegt ist, ein oder mehrere Fluide in die Kammer (4) zur Mitnahme in den oszillierenden Strahl (12) zu fördern.
Verfahren nach Anspruch 13, worin der Körper (16) in der Kammer durch hohle Elemente gehalten ist, die auch eine Fluidflussverbindung zu dem Körper (16) vorsehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin der Fluideinlass (8) eine Fläche A aufweist, wobei die Kammer (4) allgemein zylindrisch ist und einen Durchmesser D und eine Länge L aufweist und einen Fluidauslass (6) des Durchmessers d₂ enthält, und worin de/D ≤ 0,5 L/D ≥ 0,5 de/D < d2/D ≤ 1worin d_e ein äquivalenter Durchmesser des Fluideinlasses ist, gegeben durch
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, worin der Fluideinlass (8) rechteckig ist und ein Aspektverhältnis von Breite zu Höhe im Bereich von 6 bis 15 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, worin die Kammer (4) im Querschnitt rechteckig ist und entsprechende Seiten des Fluideinlasses (8) und der rechteckigen Kammer im Wesentlichen parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 16, worin die Kammer (4) im Querschnitt kreisförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die Breite des Fluideinlasses (8) kleiner als die Breite der rechteckigen Kammer (4) ist.
Verfahren nach Anspruch 18, worin die Breite des Fluideinlasses (8) kleiner als der Durchmesser der Kammer (4) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, worin die Querschnitte der Kammer (4) und des Fluideinlasses (8) um jede ihrer zueinander orthogonalen gemeinsamen Ebenen symmetrisch angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 19, worin das Verhältnis der Höhe der Kammer (4) zur Höhe des Fluideinlasses größer als oder gleich 4 ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 20, worin das Verhältnis des Durchmessers der Kammer (4) zur Höhe des Fluideinlasses (8) größer als oder gleich 8 ist.
Verfahren nach Anspruch 22, worin sich der Fluideinlass (8) in die Kammer (4) über einen Weg erstreckt, der größer ist als etwa das 0,3-fache der Höhe des Fluideinlasses (8).
Verfahren nach einem der Ansprüche 17, 19 oder 22, worin die Länge der Kammer (4) von dem stromabwärtigen Ende des Fluideinlasses (8) zu dem Fluidauslass (6) aus der Kammer (4) größer als die oder gleich der Höhe der Kammer (4) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18, 20 oder 23, worin das Verhältnis der Länge der Kammer (49 von dem stromabwärtigen Ende des Fluideinlasses (8) zu dem Fluidauslass (6) aus der Kammer (4) zu dem Durchmesser der Kammer (4) größer als oder gleich 0,5 und kleiner als oder gleich 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18, 20 oder 23, worin das Verhältnis der Länge der Kammer (4) von dem stromabwärtigen Ende des Fluideinlasses (8) zu dem Fluidauslass (6) aus der Kammer (4) zu dem Durchmesser der Kammer (4) größer als 1 ist.
Fluidik-Vorrichtung (2) zum Anregen eines oszillierenden Strahls (12), dessen Charakteristiken zur Erfüllung von betriebsmäßigen Erfordernissen bestimmt werden können, wobei die Fluidik-Vorrichtung (2) eine Kammer (4) mit einem Fluideinlass (8) aufweist, derart, dass im Gebrauch sich Fluid (10), das in die Kammer (4) durch den Fluideinlass (8) eintritt, von der Innenoberfläche der Kammer (4) löst, um einen oszillierenden Strahl (12) anzuregen, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Geometrie des Fluideinlasses (8) derart zu verändern, dass der Modus der Oszillations- und Mischeigenschaften des oszillierenden Strahls (12) zum Erfüllen der betriebsmäßigen Anforderungen bestimmt werden können, wobei der Fluideinlass (8) eine nicht kreisförmige Querschnittsform aufweist, die aus der Gruppe gewählt ist, die dreieckig, rechteckig, polygonal, elliptisch, kreuz- und sternförmig umfasst.
Fluidik-Vorrichtung (2) nach Anspruch 28, worin die Mittel zum Variieren der Geometrie des Fluideinlasses (8) ein austauschbares Element (18) enthalten, in dem der Fluideinlass ausgebildet ist.
Fluidik-Vorrichtung (2) nach Anspruch 29, worin das austauschbare Element (18) sich im Wesentlichen quer über die Kammer (4) transversal zur Richtung des Fluidflusses (10) erstreckt.
Fluidik-Vorrichtung (2'') nach Anspruch 30, worin das austauschbare Element (18'') in einer in einer Wand oder in Wänden der Kammer gebildeten Nut (9'') festgehalten wird.
Fluidik-Vorrichtung (2'') nach Anspruch 31, worin die Vorrichtung (2'') durch zwei Teile (4a'', 4b'') gebildet ist, die zur Bildung der Nut (9'') lösbar verbunden sind.
Fluidik-Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 30 bis 32, worin der Fluideinlass (8) durch eine Öffnung relativ kurzer Länge in Richtung des Fluidflusses im Vergleich zur Länge der Kammer gebildet ist.
Fluidik-Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 30 bis 32, worin die Kammer (4) einen Fluidauslass (6) enthält, der durch eine sich einwärts erstreckende Lippe (14) definiert ist.
Fluidik-Vorrichtung (2) nach Anspruch 34, worin die sich einwärts erstreckende Lippe (14) die Größe des Fluidauslasses (6) glattgängig einengt.
Fluidik-Vorrichtung (2) nach Anspruch 34, worin die sich einwärts erstreckende Lippe (14) sich allgemein orthogonal zur Innenseite der Kammerwand (4) erstreckt, um die Größe des Fluidauslasses (6) abrupt zu reduzieren.
Fluidik-Vorrichtung (2) nach Anspruch 36, worin die Lippe (14) einen inneren Abschnitt enthält, der die Größe des Fluidauslasses glattgängig einengt.
Fluidik-Vorrichtung (2) nach Anspruch 36, worin die Lippe (14) einen stromabwärtigen Abschnitt enthält, der die Größe des Fluidauslasses stromab der abrupten Reduktion glattgängig aufweitet.
Fluidik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 38, worin der Fluideinlass (8) eine Fläche A aufweist, wobei die Kammer (4) allgemein zylindrisch ist und einen Durchmesser D und eine Länge L aufweist und einen Fluidauslass des Durchmessers d₂ enthält, und worin de/D ≤ 0,5 L/D ≥ 0,5 de/D < d2/D ≤ 1worin d_e ein äquivalenter Durchmesser des Fluideinlasses ist, gegeben durch
Fluidik-Vorrichtung (2'') nach Anspruch 28, worin die Mittel zum Verändern der Geometrie des Fluideinlasses (8'') ein oder mehrere Laschen (19) aufweisen, die zur selektiven Einstellung angebracht sind, um in den Fluideinlass (8'') vorzustehen.
Fluidik-Vorrichtung (2'') nach Anspruch 40, die zumindest zwei Laschen (19) enthält, die mit gleichem Abstand in einer Ebene transversal zur Richtung des Fluidflusses angeordnet sind.
Fluidik-Vorrichtung (2'') nach Anspruch 40, einschließlich oder Anspruch 48, worin die oder jede Lasche (19) einen dreieckigen Querschnitt aufweist.
Fluidik-Vorrichtung (2''') nach Anspruch 28, worin die Mittel zum Verändern der Geometrie des Fluideinlasses (8''') ein oder mehrere Seitenstrahlen (23) enthalten, die angeordnet sind, um selektiv einen Fluidfluss in den Fluideinlass (8''') allgemein transversal zur Richtung des Fluidflusses durch den Einlass (8''') zu richten.
Fluidik-Vorrichtung (2''') nach Anspruch 43, die zuminest zwei Seitenstrahlen (23) enthält, die mit gleichem Abstand in einer Ebene transversal zur Richtung des Fluidflusses angeordnet sind und jeweils im Wesentlichen zur Mitte des Fluideinlasses (8''') hin gerichtet sind.