EP0450543A1 - Structural member with elements for reducing air resistance - Google Patents
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- F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
- F15D1/00—Influencing flow of fluids
- F15D1/10—Influencing flow of fluids around bodies of solid material
Definitions
- the invention relates to a box-shaped component with a polygonal box profile and with elements associated with at least individual edges of the component for reducing flow resistance.
- box-shaped components have a large drag coefficient because of their unfavorable flow and therefore have a relatively high flow resistance.
- edges of the component are each provided with guide surfaces running along these edges, which have a profile encompassing the edges and are arranged at a distance from the component walls. These guide surfaces ensure that the flow in the critical area of the edges is kept largely turbulent, so that the dead water and vortex zone in the outflow area is narrow and the resistance therefore remains relatively low.
- the profile of the guide surfaces is curved substantially uniformly and runs approximately parallel to the wall surfaces forming the respective edge of the component.
- the guide surfaces according to the invention can each be assigned to individual, critical edges, improving the flow around this edge in the manner described. However, it can also make sense to cover several or all edges of a component with corresponding guide surfaces, the individual Control surfaces can interact so that the overall effect can be better than the sum of the individual effects of the individual control surfaces.
- the invention provides that at least the longitudinal edges of this component are provided with guide surfaces.
- a solid wall girder has essentially the same good resistance, compared to a girder without guiding surfaces, for all flows directed transversely to the girder axis, since both the flow in the inflow area and in the outflow area is guided through baffles and vortex formation is reduced or prevented.
- a component with an approximately cuboid structure for example the driver's cab of a high crane, essentially all edges of the component which are exposed to the flow are provided with guide surfaces.
- the profiles of the guide surfaces can be quarter-circle profiles; these are therefore particularly suitable for the cladding of edges which are formed by walls at right angles to one another.
- Quarter-circle profiles of this type can be produced in a particularly advantageous manner from sections of longitudinally divided tubes.
- Such tubes are standard components that are common in many sizes; slitting is possible in a simple and inexpensive manner with relatively simple technical facilities.
- the guide surfaces are fastened to the respective components via connecting struts detachably connected to the guide surfaces on the one hand and / or the components on the other hand.
- the longitudinal edges 3a to 3d of the profile carrier 2a to 4d are each assigned guide surfaces 4.
- the guide surfaces 4a to 4d each have a quarter circle profile, which comprises the associated longitudinal edges of the profile carrier 2, the end edges of the quarter circle profile each running parallel to the wall surfaces of the profile carrier 2 forming the assigned longitudinal edges.
- part 6 of the streamlines runs outside the guide surfaces, which have the effect of rounded edges for these streamlines 6 and therefore form a relatively low resistance.
- Another part 8 of the streamlines occurs between the two flow-side guide surfaces 4a, 4b and divides into two streams 10, 12, which flow between the flow-side guide surfaces 4a, 4b and the associated wall sections of the profile support 2 and then from the flow-side guide surfaces 4c , 4, which are received and passed around the rear edges 3c, 3d of the profile carrier 2 in the direction of flow.
- the streams 10, 12 combine again with the streams identified by the streamlines 6.
- FIG. 2 shows the arrangement according to FIG. 1 with a modified flow directed towards an edge 3b of the profiled beam 2.
- the guide surface 4b assigned to the edge 3b of the profiled beam 2 which flows against it, acts like a rounded edge which divides the flow into two inner streams 14, 16 with little resistance, which are divided by the two outer guide surfaces 4a, 4c are guided with low resistance around the associated edges 3a, 3c to the outflow zone, where they unite again with the outer streams identified by the streamlines 18.
- Fig. 3 shows a perspective view of a profile beam 2 with a rectangular box profile, the four longitudinal edges 3 of the profile beam 2 each having guide surfaces 4 with a quarter circle profile.
- the guide surfaces 4 are each connected to the walls of the profile support 2 via connecting struts 20.
- the connecting struts 20 are detachably connected to the guide surfaces 4 and / or the profile support 2 in a manner known per se and therefore not shown in detail, for example by screws, so that the guide surfaces e.g. can be attached or removed even after assembly of the structure formed from the supports.
- Fig. 4 shows a profile carrier 22 with a triangular box profile.
- the two front edges 26, 28 in the direction of flow 24 are each assigned guide surfaces 30, 32, which likewise include the assigned edges again in such a way that their inlet and outlet edges run parallel to the walls forming the edges 26, 28 of the profiled support 22.
- the rear edge 34 in the direction of flow 24 has no guide surfaces, since it itself represents a shape which is favorable for the outflow.
- An arrangement according to FIG. 4 is suitable, for example, for carriers which are preferably exposed to a constant flow direction 24.
- An application example is a bridge support or the like standing in a river.
- FIG. 5 shows a driver's cab 36 for a high crane which is exposed to high wind speeds.
- Guide surfaces 38 are arranged, which act in horizontal wind directions as described with reference to FIGS. 1 and 2.
- the edges delimiting the ceiling wall of the driver's cab 36 are correspondingly assigned guide surfaces 40, the edges delimiting the bottom wall guide surfaces 42.
- the guide surfaces assigned to rectangular edges can be produced from tube profiles quartered in the longitudinal direction.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein kastenförmiges Bauteil mit vieleckigem Kastenprofil sowie mit zumindest einzelnen Kanten des Bauteils zugeordneten Elementen zur Strömungswiderstandsverminderung.The invention relates to a box-shaped component with a polygonal box profile and with elements associated with at least individual edges of the component for reducing flow resistance.
Es ist bekannt, daß derartige kastenförmige Bauteile wegen Ihrer strömungsungünstigen Form einen großen Widerstandsbeiwert und deshalb einen verhältnismäßig hohen Strömungswiderstand aufweisen.It is known that such box-shaped components have a large drag coefficient because of their unfavorable flow and therefore have a relatively high flow resistance.
Es ist bereits ganz allgemein bekannt, Bauteile mit aerodynamisch günstigen Verkleidungen zu versehen. Derartige Verkleidungen sind jedoch herstellungstechnisch und montagetechnisch sehr aufwendig und deshalb teuer. Außerdem ist es in vielen Fällen aus funktionalen Grün-den nicht möglich, derartige Bauteile vollkommen zu verkleiden. Als Beispiele seien Vollwandträger genannt, die im Kranbau, im Brückenbau oder ganz allgemein im Stahlbau verwendet werden und wobei z.B. bestimmte Flächen des Trägers als Laufflächen für Laufkatzen oder dergleichen frei bleiben müssen. Ein weiteres Beispiel ist ein in großer Höhe an einem Kran angeordnetes Fahrerhaus oder Maschinenhaus, welche erheblichen Windlasten ausgesetzt sind und deshalb in beachtlichem Maße an den auf den Kran wirkenden Windkräften beteiligt sind.It is already generally known to provide components with aerodynamically favorable claddings. However, such claddings are very complex in terms of production technology and assembly technology and are therefore expensive. In addition, in many cases it is not possible for functional reasons to completely clad such components. Examples are solid wall girders that are used in crane construction, bridge construction or in general in steel construction and, for example, certain surfaces of the girder must remain free as running surfaces for trolleys or the like. Another example is a driver's cab or engine house, which is arranged at a high height on a crane and which is exposed to considerable wind loads and is therefore considerably involved in the wind forces acting on the crane.
Durch die DE-OS 19 26 248 ist es bereits bekannt, Kanten von Vollwandträgern für Kranbrücken oder Förderbänder mit Abrundungselementen auszustatten, die die Umströmung verbessern sollen. Diese Abrundungselemente haben im wesentlichen die Aufgabe, den Kanten eines Vollwandträgers eine günstigere Form zu geben, um so die Wirbelbildung an diesen Kanten zu vermindern. Für die bekannten Träger wurden deshalb verhältnismäßig komplizierte Querschnittsprofile entwickelt, die jedoch einerseits derartige Träger herstellungstechnisch aufwendig und deshalb teuer machen und die andererseits die Verwendungsmöglichkeiten derartiger Träger verringern. So kann es beispielsweise sein, daß die bekannten Abrundungselemente zwar für eine bestimmte Anströmrichtung eine Verringerung des Windwiderstandes des Trägers bringen, wobei dies jedoch dadurch erkauft wird, daß der Windwiderstand bei anderen als den idealen Anströmrichtungen größer als bei einfachen Kastenprofilen ist.From DE-OS 19 26 248 it is already known to equip edges of solid wall girders for crane bridges or conveyor belts with rounding elements which are intended to improve the flow around. These rounding elements essentially have the task of giving the edges of a solid wall girder a more favorable shape so as to reduce the formation of eddies at these edges. Relatively complicated cross-sectional profiles have therefore been developed for the known carriers, which on the one hand make such carriers complex in terms of production technology and therefore expensive, and on the other hand reduce the possible uses of such carriers. For example, it may be the case that the known rounding elements bring a reduction in the wind resistance of the carrier for a certain inflow direction, but this is purchased by the fact that the wind resistance is greater than that of simple box profiles for flow directions other than ideal.
Es ist auch schon bei Körpern, die stets eine bestimmte Ausrichtung zu einer Strömung haben, bekannt, durch vorflügelartige Leitflächen in bestimmten Bereichen einer in der Strömung liegenden Fläche ein besseres Anliegen der Strömung zu bewirken (DE 82 02 119.8 U1). Eine solche Einrichtung ist jedoch nur für einen engen Bereich der Anströmungsrichtung wirksam, so daß die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nicht lösen kann.It is also known in the case of bodies which always have a specific orientation to a flow to effect a better fit of the flow in certain areas of a surface lying in the flow by means of slat-like guide surfaces (DE 82 02 119.8 U1). However, such a device is only effective for a narrow range of the flow direction, so that the object on which the present invention is based cannot be achieved.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, welches herstellungstechnisch einfach und damit billig ist, welches vielseitig verwendbar ist und welches unabhängig von der jeweiligen Anströmrichtung eine deutliche Verbesserung des Strömungswiderstandsbeiwertes bringt.It is the object of the present invention to provide a component of the type mentioned in the preamble of claim 1, which is technically simple and therefore cheap, which is versatile and which brings about a significant improvement in the drag coefficient regardless of the respective inflow direction.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 enthaltenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features contained in claim 1.
Das Bauteil wird selbst in seiner Form nicht verändert, sondern es behält seine ihm beispielsweise aus herstellungstechnischen oder aus funktionalen Gründen gegebene Form bei. Einzelne Kanten des Bauteils werden jeweils mit längs diesen Kanten verlaufenden Leitflächen versehen, welche ein die Kanten umgreifendes Profil haben und mit Abstand zu den Bauteilwänden angeordnet sind. Diese Leitflächen bewirken, daß die Strömung im kritischen Bereich der Kanten weitgehend turbulenzarm gehalten wird, so daß die Totwasser- und Wirbelzone im Abströmbereich schmal und der Widerstand deshalb verhältnismäßig gering bleibt.The shape of the component itself is not changed, but it retains its shape, for example, for manufacturing or functional reasons. Individual edges of the component are each provided with guide surfaces running along these edges, which have a profile encompassing the edges and are arranged at a distance from the component walls. These guide surfaces ensure that the flow in the critical area of the edges is kept largely turbulent, so that the dead water and vortex zone in the outflow area is narrow and the resistance therefore remains relatively low.
Das Profil der Leitflächen ist gemäß einer vorgesehenen Ausgestaltung im wesentlichen gleichmäßig gekrümmt und läuft zu den die jeweilige Kante des Bauteils bildenden Wandflächen etwa parallel aus. Dadurch kann das das Bauteil umströmende Medium weitgehend stoßfrei in den Raum zwischen der Bauteilwand und der Leitfläche einströmen; es wird durch die gleichmäßig gekrümmte Leitfläche stetig umgelenkt und strömt wiederum weitgehend parallel zur Wandfläche des Bauteils aus dem Raum zwischen dieser Wand und der Leitfläche ab.According to a proposed embodiment, the profile of the guide surfaces is curved substantially uniformly and runs approximately parallel to the wall surfaces forming the respective edge of the component. As a result, the medium flowing around the component can flow largely smoothly into the space between the component wall and the guide surface; it is continuously deflected by the evenly curved guide surface and in turn flows largely parallel to the wall surface of the component from the space between this wall and the guide surface.
Die erfindungsgemäßen Leitflächen können jeweils einzelnen, kritischen Kanten zugeordnet werden, wobei sie die Umströmung um diese Kante in der beschriebenen Weise verbessern. Es kann jedoch auch sinnvoll sein, mehrere oder alle Kanten eines Bauteils mit entsprechenden Leitflächen zu verkleiden, wobei die einzelnen Leitflächen zusammenwirken können, so daß die Gesamtwirkung besser sein kann als die Summe der Einzelwirkungen der einzelnen Leitflächen.The guide surfaces according to the invention can each be assigned to individual, critical edges, improving the flow around this edge in the manner described. However, it can also make sense to cover several or all edges of a component with corresponding guide surfaces, the individual Control surfaces can interact so that the overall effect can be better than the sum of the individual effects of the individual control surfaces.
Für einen herkömmlichen Vollwandträger mit rechteckigem Kastenprofil ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zumindest die Längskanten dieses Bauteils mit Leitflächen versehen sind. Ein derartiger Vollwandträger hat im wesentlichen für alle quer zur Trägerachse gerichteten Strömungen einen gleich guten, gegenüber einem Träger ohne Leitflächen verringerten Widerstand, da sowohl die Strömung im Anströmbereich als auch im Abströmbereich jeweils durch Leitbleche geführt und eine Wirbelbildung verringert oder verhindert wird. Bei einem Bauteil mit etwa quaderförmigem Aufbau, beispielsweise dem Fahrerhaus eines Hochkrans, sind im wesentlichen alle der Strömung ausgesetzten Kanten des Bauteils mit Leitflächen versehen.For a conventional solid wall girder with a rectangular box profile, the invention provides that at least the longitudinal edges of this component are provided with guide surfaces. Such a solid wall girder has essentially the same good resistance, compared to a girder without guiding surfaces, for all flows directed transversely to the girder axis, since both the flow in the inflow area and in the outflow area is guided through baffles and vortex formation is reduced or prevented. In the case of a component with an approximately cuboid structure, for example the driver's cab of a high crane, essentially all edges of the component which are exposed to the flow are provided with guide surfaces.
Die Profile der Leitflächen können erfindungsgemäß Viertelkreisprofile sein; diese sind damit insbesondere für die Verkleidung von Kanten geeignet, die durch rechtwinklig aufeinanderstehende Wände gebildet werden. Derartige Viertelkreisprofile lassen sich in besonders günstiger Weise aus Abschnitten längsgeteilter Rohre herstellen. Derartige Rohre sind Standardbauelemente, die in vielen Größenabmessungen marktüblich sind; das Längsteilen ist in einfacher und billiger Weise mit verhältnismäßig einfachen technischen Einrichtungen möglich.According to the invention, the profiles of the guide surfaces can be quarter-circle profiles; these are therefore particularly suitable for the cladding of edges which are formed by walls at right angles to one another. Quarter-circle profiles of this type can be produced in a particularly advantageous manner from sections of longitudinally divided tubes. Such tubes are standard components that are common in many sizes; slitting is possible in a simple and inexpensive manner with relatively simple technical facilities.
Insbesondere wenn stumpfwinklige oder spitzwinklige Kanten verkleidet werden sollen, kann es jedoch günstiger sein, die Leitflächen als diesen Kantenprofilen angepaßte Strangziehprofile aus Metall oder Kunststoff herzustellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Leitflächen als Blechbiegeteile herzustellen.In particular if obtuse-angled or acute-angled edges are to be clad, it may be more favorable, however, to use metal or plastic extruded profiles adapted to these edge profiles to manufacture. Another possibility is to manufacture the guide surfaces as bent sheet metal parts.
Die Leitflächen werden gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung über lösbar mit den Leitflächen einerseits und/oder den Bauteilen andererseits verbundene Verbindungsstreben an den jeweiligen Bauteilen befestigt.According to one embodiment of the invention, the guide surfaces are fastened to the respective components via connecting struts detachably connected to the guide surfaces on the one hand and / or the components on the other hand.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- schematisch ein Vollwandkastenprofil mit an den vier Längskanten angeordneten, viertelkreisförmigen Leitblechen und symmetrischer Anströmung;
- Fig. 2
- eine Anordnung gemäß Fig. 1 mit einer demgegenüber geänderten Strömungsrichtung;
- Fig. 3
- schematisch ein Kastenprofil mit Leitblechen etwa gemäß den Fig. 1 und 2 in einer perspektivischen Darstellung, wobei Verbindungsstreben zum Befestigen der Leitflächen am Vollwandträger zu erkennen sind;
- Fig. 4
- einen Vollwandträger mit dreieckigem Kastenprofil und mit zwei an bevorzugten Kanten angeordneten Leitblechen;
- Fig. 5
- ein Fahrerhaus für einen Hochkran mit an den Längskanten und einzelnen Querkanten angeordneten Leitflächen.
- Fig. 1
- schematically a solid wall box profile with quarter-circular baffles arranged on the four longitudinal edges and symmetrical flow;
- Fig. 2
- an arrangement according to Figure 1 with a changed direction of flow.
- Fig. 3
- schematically a box profile with baffles approximately according to Figures 1 and 2 in a perspective view, connecting struts for attaching the baffles to the solid wall support can be seen;
- Fig. 4
- a solid wall girder with a triangular box profile and with two guide plates arranged on preferred edges;
- Fig. 5
- a driver's cab for a high crane with guide surfaces arranged on the longitudinal edges and individual transverse edges.
Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils einen Träger 2 mit einem rechteckigen Kastenprofil. Den Längskanten 3a bis 3d des Profilträgers 2a bis 4d sind jeweils Leitflächen 4 zugeordnet. Die Leitflächen 4a bis 4d haben jeweils ein Viertelkreisprofil, welches die zugeordneten Längskanten des Profilträgers 2 umfaßt, wobei die Endkanten des Viertelkreisprofils jeweils parallel zu den die zugeordneten Längskanten bildenden Wandflächen des Profilträgers 2 auslaufen.1 and 2 each show a
Bei der in Fig. 1 dargestellten symmetrischen Anströmung des Profilträgers 2 verläuft ein Teil 6 der Stromlinien außerhalb der Leitflächen , die für diese Stromlinien 6 die Wirkung von abgerundeten Kanten haben und deshalb einen verhältnismäßig geringen Widerstand bilden. Ein anderer Teil 8 der Stromlinien tritt zwischen die beiden anströmungsseitigen Leitflächen 4a, 4b ein und teilt sich in zwei Ströme 10, 12, die zwischen den anströmungsseitigen Leitflächen 4a, 4b und den zugeordneten Wandabschnitten des Profilträgers 2 hindurch strömen und sodann von den abströmungsseitigen Leitflächen 4c, 4der aufgenommen und um die in Strömungsrichtung hinteren Kanten 3c, 3d des Profilträgers 2 herumgeleitet werden. In der Abströmungszone vereinigen sich die Ströme 10, 12 wieder mit den durch die Stromlinien 6 gekennzeichneten Strömen.In the case of the symmetrical inflow of the
Fig. 2 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 1 bei geänderter, auf eine Kante 3b des Profilträgers 2 gerichteter Strömung. Auch hier wirkt die der angeströmten Kante 3b des Profilträgers 2 zugeordnete Leitfläche 4b wie eine abgerundete Kante, die die Strömung widerstandsarm in zwei innere Ströme 14, 16 teilt, die durch die beiden äußeren Leitflächen 4a, 4c widerstandsarm um die zugeordneten Kanten 3a, 3c herum zur Abströmungszone geleitet werden, wo sie sich mit den durch die Stromlinien 18 gekennzeichneten äußeren Strömen wieder vereinigen.FIG. 2 shows the arrangement according to FIG. 1 with a modified flow directed towards an
Fig. 3 zeigt perspektivisch einen Profilträger 2 mit rechteckigem Kastenprofil, wobei den vier Längskanten 3 des Profilträgers 2 jeweils Leitflächen 4 mit einem Viertelkreisprofil zugeordnet sind. Die Leitflächen 4 sind jeweils über Verbindungsstreben 20 mit den Wänden des Profilträgers 2 verbunden. Die Verbindungsstreben 20 sind in an sich bekannter und deshalb nicht näher dargestellter Weise mit den Leitflächen 4 und/oder dem Profilträger 2 lösbar verbunden, beispielsweise durch Schrauben, so daß die Leitflächen z.B. auch nach Montage der aus den Trägern gebildeten Konstruktion angebaut oder abgebaut werden können.Fig. 3 shows a perspective view of a
Fig. 4 zeigt einen Profilträger 22 mit einem dreieckigen Kastenprofil. Den beiden in Strömungsrichtung 24 vorderen Kanten 26, 28 sind jeweils Leitflächen 30, 32 zugeordnet, die die zugeordneten Kanten ebenfalls wieder so umfassen, daß ihre Einlauf- und Auslaufkanten parallel zu den die Kanten 26, 28 des Profilträgers 22 bildenden Wänden auslaufen. Die in Strömungsrichtung 24 hintere Kante 34 hat in diesem Ausführungsbeispiel keine Leitflächen, da sie selbst eine für die Abströmung günstige Form darstellt. Eine Anordnung gemäß der Fig. 4 ist beispielsweise für Träger geeignet, die vorzugsweise einer stets gleichbleibenden Anströmrichtung 24 ausgesetzt sind. Ein Anwendungsbeispiel ist eine in einem Fluß stehende Brückenstütze oder dergleichen.Fig. 4 shows a
Fig. 5 zeigt ein Fahrerhaus 36 für einen Hochkran, welches hohen Windgeschwindigkeiten ausgesetzt ist. An den vier senkrechten Längskanten des Fahrerhauses 36 sind Leitflächen 38 angeordnet, die bei horizontalen Windrichtungen wie anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben wirken. Den die Deckenwand des Fahrerhauses 36 begrenzenden Kanten sind in entsprechender Weise Leitflächen 40, den die Bodenwand begrenzenden Kanten Leitflächen 42 zugeordnet.5 shows a driver's
Wie bereits beschrieben, können insbesondere die rechtwinkligen Kanten zugeordneten Leitflächen aus in Längsrichtung geviertelten Rohrprofilen hergestellt werden.As already described, in particular the guide surfaces assigned to rectangular edges can be produced from tube profiles quartered in the longitudinal direction.
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