DE102010023017A1 - Humpback whale blower, method for locally improving the flow in turbomachinery and vehicles - Google Patents
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2250/00—Geometry
- F05D2250/10—Two-dimensional
- F05D2250/18—Two-dimensional patterned
- F05D2250/181—Two-dimensional patterned ridged
Abstract
Verfahren für die Strukturierung und Verbesserung der Strömung an und durch Maschinen und Apparate, insbesondere Gebläse, z. B. Trommelläufer, Profile, Tragflächen mit Grenzschichtabsaugung und Absaugeinrichtungen. Die Verbesserung bezieht sich auf Geräte-Eigenschaften wie Wirkungsgrad, Lärm, Gleitzahl, Betriebsbereich, Erfassungswirkung, etc. Als Ausführungsform wird auch ein Trommelläufer mit buckelartiger Abgriffslippe (Erweiterung des Schräglippenverfahrens) und mit buckelartig strukturierten Schaufeln im belasteten Einströmbereich vorgeschlagen; das Buckelwal-Gebläse.Process for structuring and improving the flow on and through machines and apparatus, in particular blowers, z. As drum rotor, profiles, wings with boundary layer suction and suction. The improvement relates to device properties such as efficiency, noise, glide ratio, operating range, detection effect, etc. As an embodiment, a drum rotor with hump-like tapping lip (extension of the oblique lip process) and with buckelnartig structured blades in the loaded inflow area proposed; the humpback whale blower.
Description
1. Stand der Technik1. State of the art
Bei vielen Strömungsmaschinen treten Strömungsbereiche auf, die zu Wirbelbildung, Strömungsverlusten und Geräuschentwicklung führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Strömung von einer Fläche ablöst. Diese Bereiche der Strömung möchte ich als gestört bezeichnen.In many turbomachines flow areas occur, which lead to vortex formation, flow losses and noise. This is especially the case when the flow separates from a surface. I would like to call these areas of the flow disturbed.
Ein typisches Beispiel dafür ist etwa der Trommelläufer,
Auch im Bereich der Abgriffslippe kommt es zu Ablösungen und wegen der plötzlichen Umlenkung zu Geräuschen.Also in the area of the tapping lip it comes to detachment and because of the sudden deflection to noise.
Bereits
Das gezielte Turbulentmachen der Strömung wird bei Segelflugzeugen mittels Zackenband im Bereich möglicher Ablöseblasen und vor Rudern angewandt. Strömungen mit großen Anstellwinkeländerungen finden sich insbesondere bei Buckelwalen, die bei der Jagd enge Kurven schwimmen, Fish und Lauder, 2006.The targeted turbulence of the flow is used in gliders using spiked band in the area of possible detachment bubbles and before rowing. Flows with large pitch changes can be found particularly in humpback whales swimming close in the hunt, Fish and Lauder, 2006.
Aber auch Eulen, die als Nachtjäger langsam und leise fliegen, weisen eine der Buckelwalflosse entsprechende, also eine strukturierte, in diesem Fall eine gezähnte Flügelvorderkante auf.But even owls, which fly slowly and quietly as night fighters, have one of the humpback whale corresponding, so a structured, in this case, a toothed wing leading edge.
Man kann die Polaren eines Profiles mit und ohne Buckeln vergleichen. Die Buckel bewirken höhere Gleitzahlen bei höheren Anstellwinkeln, bzw. ermöglichen höhere Anstellwinkel als das gleiche Profil mit glatter Oberfläche. Bezahlt wird dieser Vorteil unter Umständen mit etwas schlechteren Gleitzahlen in anderen Bereichen der Polare.
Ein Profil wie beim Gleitschirm, mit ähnlichen Eigenschaften wie das Buckewalprofil, beschreiben Ilya Zverkov et. al. in
Außerdem weisen derartige Profile ein besseres Hystereseverhalten auf. Das bedeutet, dass eine abgelöste Strömung schneller wieder anliegt.In addition, such profiles have a better hysteresis behavior. This means that a detached flow rests faster again.
Die Wirkungsweise der strukturierten Profile bzw. Oberflächen beruht auf der Strukturierung der Strömung in Längswirbel, dadurch dass die Geschwindigkeit in der Grenzschicht durch die Ungleichmäßigkeiten der Oberflächen ebenfalls ungleichmäßig gemacht wird. Diese Wirbel wirken als eine Art linienförmige Grenzschichtabsaugung. In den Tälern treten schwache voneinander (durch die Hügel) getrennte Ablöseblasen auf, die durch die Längswirbel kontrolliert und stabilisiert werden, vergl.
Verbesserung an den Spitzen eines transsonischen Axialverdichters (Flugzeugtriebwerke) mittels Auskerbungen beschreibt
Für die Entwicklung eines Antriebes für ein Segelflugzeug wurde von mir das Schräglippenverfahren entwickelt,
Ferner gibt es Absaugeinrichtungen, die mittels Ausblasung über Flächen arbeiten. Dies wird u. a. in
2. Erfindung2. invention
Die Erfindung beschreibt als Anwendung der mit Längswirbeln strukturierten Strömung,
- a) die Verbesserung der Strömung am Abgriff eines Gebläses
- b) an den Schaufeln eines Gebläses und
- c) bei der Anwendung der Grenzschichtabsaugung an einem Tragflügel
- d) ein allgemeines Verfahren und Maßnahmen die Strömung an turbulent durch- oder überströmten Bereichen von Maschinen oder Geräten günstiger zu gestalten.
- a) the improvement of the flow at the tap of a blower
- b) on the blades of a fan and
- c) in the application of the boundary layer suction on a wing
- d) a general method and measures to make the flow of turbulent through-flow or overflow areas of machinery or equipment cheaper.
Diese Maßnahmen machen aber nur dort Sinn, wo die Strömung tatsächlich gestört ist. Die Bereiche die „richtig”, also stationär und von der richtigen Richtung her um- bzw. durchströmt werden, sollten mit einer glatten oder nur wenig strukturierten Oberfläche versehen sein.These measures make sense only where the flow is actually disturbed. The areas that are "right", ie stationary and flowed through from the right direction should be provided with a smooth or slightly textured surface.
Wie groß diese Bereiche sind, bzw. wo sie liegen, hängt auch von den Anforderungen an die Betriebsbereiche ab.How big these areas are or where they are depends on the requirements of the operating areas.
Man kann die Abgriffslippe eines Gebläses, z. B. Trommelläufer, in Erweiterung von
Ferner kann man die Schaufeln eines Gebläses zackig, wellig oder buckelig oder vergleichbar strukturiert mittels Rauhigkeiten, Unebenheiten oder Umbördelungen so gestalten, dass das Verhalten bei gestörten, instationären Strömungszuständen und hohen Anströmwinkeln deutlich verbessert wird.Furthermore, you can make the blades of a fan jagged, wavy or bumpy or comparable structured by means of roughness, bumps or Umbördelungen so that the behavior is significantly improved at disturbed, unsteady flow conditions and high angles of attack.
Dies ist an der Schaufelkante im Bereich des Eintrittes der Fall, insbesondere bei hohen Schaufeln wie beim Trommelläufer, vergl.
Die Strömung ist auch zur Hinterkante von Tragflügelprofilen hin gestört. Das strukturierte Profil ist demselben Profil in glatter Ausführung in der Regel, also bei geringen Anstellwinkeln und stationärer Anströmung, unterlegen. Aber im Bereich der Hinterkante, kann die Strömung durch Erzeugung von Längswirbeln für Methoden der Grenzschichtbeeinflussung nach dem heutigen Stand der Technik (z. B. Grenzschicht-absaugung, -ausblasung, synthetic jets etc.) optimiert werden. Die Strömung wird dorthin gelenkt, wo beeinflusst werden kann. Das sind insbesondere die Konvergenz- und Divergenz-zonen der Längswirbel an der Oberfläche. Diese Grenzschichtbeeinflussung erfolgt also besonders zur Stabilisierung der kleinräumigen Ablösegebiete. Die Anwendung der Grenzschichtbeeinflussung wird also kleinräumiger als bisher (glatter Flügel) lokalisiert und damit deutlich vereinfacht.The flow is also disturbed towards the trailing edge of airfoils. The structured profile is inferior to the same profile in a smooth design usually, ie at low angles of attack and stationary flow. However, in the area of the trailing edge, the flow can be optimized by generating longitudinal vortices for state-of-the-art boundary layer control methods (eg, boundary layer exhaust, blow-out, synthetic jets, etc.). The flow is directed to where it can be influenced. These are in particular the convergence and divergence zones of the longitudinal vortices on the surface. This boundary layer influencing thus takes place especially for the stabilization of the small-scale detachment areas. The application of the boundary layer influencing is therefore localized smaller than before (smooth wing) and thus significantly simplified.
Bei Absaugung können dies Lochreihen, Schlitze, poröse Bereiche oder sonstige durchlässige Öffnungen im Bereich dieser Ablösegebiete sein. Im Fall der welligen Profile sind dies bevorzugt die Täler.In the case of suction, these may be rows of holes, slots, porous areas or other permeable openings in the region of these detachment areas. In the case of wavy profiles, these are preferably the valleys.
Die Strukturierung kann in Strömungsrichtung orientiert werden, bzw. so orientiert werden wie die Strömung laufen soll. (Taleffekt der Meteorologie: Wind am Boden weht bevorzugt talparallel)The structuring can be oriented in the direction of flow, or oriented as the flow should run. (Valley effect of meteorology: wind on the ground blows preferably parallel to the valley)
Ziel der Erfindung ist es mittels der Richtungsanpassung und/oder Richtungsvorgabe der Strukturierung die gestört über-, um- bzw. durchströmten Bereiche von Strömungsmaschinen, Luft- bzw. Wasserfahrzeugen so zu gestalten, dass eine Verbesserung der Strömung für die beabsichtigten Zwecke erfolgt.The aim of the invention is, by means of the directional adaptation and / or directional specification of the structuring, to design the disturbed, circulated or flow-through areas of turbomachines, aircraft or watercraft in such a way that the flow is improved for the intended purposes.
Es kann eben auch der Fall auftreten, dass man die Leistung z. B. einer Tragfläche gezielt vermindern will, etwa als Landeklappe.It may well be the case that you have the power z. B. intentionally reduce a wing, such as landing flap.
In der Regel wird es jedoch um eine Verbesserung des Wirkungsgrades gehen.In general, however, it will go to improve the efficiency.
Bei Absaugeinrichtungen geht es insbesondere um die Erhöhung der Erfassungswirkung. Bei Absaugeinrichtungen mittels Ausblasung kommt es darauf an die eingrenzende Strömung stabil zu gestalten und auf die Absaugflächen hin zu lenken. Das Ausblasen, z. B. über ein Coandarohr, kann mittels einer Strukturierung des Rohres verbessert werden, wodurch der Strömung gezielt Längswirbel aufgeprägt werden können. Diese Längswirbel erhöhen außerdem das Entrainment der Schadstoffströmung. Im Extremfall verläuft die Strukturierung der Oberfläche von der Ausblasöffnung hin zur Absaugöffnung.In particular, the purpose of suction devices is to increase the detection effect. In the case of suction devices by means of blowing, it is important to make the limiting flow stable and direct it towards the suction surfaces. The blowing, z. B. over a Coanda tube, can be improved by means of a structuring of the tube, whereby the flow can be selectively applied longitudinal vortex. These longitudinal vortices also increase entrainment of the pollutant flow. In extreme cases, the structuring of the surface runs from the exhaust opening to the suction opening.
Die Ausführung der Strukturierung kann mittels Sinusfunktionen, Fourier- und ander Reihenentwicklungen, Splines etc. erfolgen. Es kann auch eine Strukturierung mittels Freihandlinien erfolgen.The structuring can be carried out by means of sine functions, Fourier and other series developments, splines, etc. It can also be a structuring using freehand lines.
Dimensionierungsbeispiele der Strukturierung, z. B. der Wellen oder Buckel, kann man dem Stand der Technik, siehe Quellen, entnehmen.Dimensioning examples of structuring, z. As the waves or humps, you can see the state of the art, see sources.
Im folgenden wird die Erfindung mittels Zeichnungen erklärt. Dabei werden mit Absicht auch Handskizzen verwendet, um dem „Buckelprinzip” der Erfindung auch zeichnerisch Ausdruck zu verleihen. Ferner soll damit ausgedrückt werden, dass Kanten sowohl gerade als auch unregelmäßig ausgeführt sein können.In the following the invention will be explained by means of drawings. Hand sketches are intentionally used to give the "hunchback" principle of the invention also drawing. It should also be expressed that edges can be both straight and irregular.
3. Abbildungen3. Pictures
Die Täler der Strukturierung sind als gestrichelte Linien
Seitliche Aufsicht: Bei den Schaufeln
Oft werden Schaufeln von Trommelläufern aus Blech gestanzt. Eine solche Schaufel mit relativ eng verlaufenden Tälern
Die gestrichelte Linie
In der
Einen unregelmäßigen Verlauf
Es ist ein Schnitt durch einen zahnförmigen Buckel
Normalfall:Normally:
Bei Wandverlauf
Schräglippenfahl:Bevel lip Fahl:
Beim Wandverlauf
Anders ausgedrückt – Der Wandverlauf
Eine Aufsicht auf zwei achssenkrechte Schnitte,
Der Schräglippenfall, also ein hohler Abgriff, wird durch den Schnitt durch einen ausgehöhlten Buckel
Dies sind im mittleren Bereich des Flügels
Eine Beeinflussung der Grenzschicht innerhalb der strukturierten Bereiche kann über eine Absaugung an der Hinterkante
Grenzschichtbeeinflussung allgemein, hier als Ellipse
Schlitze
Die Verwendung der Strukturierung macht im Wurzelbereich
Denn der gerade Flügel ist dem strukturierten Flügel in der Regel bei homogener Anströmung überlegen. An der Flächenspitze macht eine Strukturierung über die Profiltiefe ohne Grenzschichtabsaugung Sinn bei Flugzeugen die gerade an den Flächenspitzen keinen Strömungsabriß bekommen dürfen. Dies sind insbesondere Nurflügler mit einem S-Schlag Profil, bei denen die Glockenauftriebsverteilung zu starken Leistungseinbußen führt.Because the straight wing is superior to the structured wing usually with homogeneous flow. At the surface tip, structuring over the tread depth without boundary layer extraction makes sense for aircraft that are not allowed to stall at the surface tips. These are in particular flying wings with an S-beating profile, in which the buffeting distribution leads to strong performance losses.
Man kann die Veränderung der Strukturierung entlang der Flügelkanten also anstelle einer Schränkung verwenden.It is thus possible to use the change in the structuring along the edge of the blade instead of a reduction.
Anhand der
4. Literatur4. Literature
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Custodio, D., 2007, The Effect of Humpback Whale-like leading Edge Protuberances an Hydrofoil Performance, Master Thesis, Worcester Polytechnic Institute http://www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/etd-121307-115034/unrestricted/dcustodio.pdfCustodio, D., 2007, The Effect of Humpback Whale-like Leading Edge Protuberances at Hydrofoil Performance, Master Thesis, Worcester Polytechnic Institute http://www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/etd-121307-115034/unrestricted /dcustodio.pdf -
Fish, F. E., Lauder G. V., 2006, Passive and Active Flow Control by Swimming Fishes and Mammals, Ann. Rev. Fluid Mech., 38, 193–224 http://darwin.wcupa.edu/~biology/fish/pubs/pdf/2006AnnalRevFluidMech.pdfFish, F.E., Lauder G.V., 2006, Passive and Active Flow Control by Swimming Fishes and Mammals, Ann. Rev. Fluid Mech., 38, 193-224 http://darwin.wcupa.edu/~biology/fish/pubs/pdf/2006AnnalRevFluidMech.pdf -
Kerschgens, Bruno, 2007 (?), Ähnlichkeitstheoretische Adaption eines Buckelwal-Flossenprofils für den Einsatz in kompressiblen Medien und anschließende Untersuchung der resultierenden Geometrie mittels CFD, Studienarbeit, RWTH Aachen http://pectoralfin.org/Docs/SA_Bruno.pdfKerschgens, Bruno, 2007 (?), Similarity Theoretic Adaptation of a Humpback Whale Fin Profile for Use in Compressible Media and Subsequent Examination of the Resulting Geometry Using CFD, Student Thesis, RWTH Aachen University http://pectoralfin.org/Docs/SA_Bruno.pdf -
Roth, H. W., 1981, Optimierung von Trommelläufer-Ventilatoren, Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen 29, S. 1–45, Verlag G. Braun, KarlsruheRoth, H.W., 1981, Optimization of drum rotor fans, fluid mechanics and fluid flow machines 29, pp. 1-45, Verlag G. Braun, Karlsruhe -
Zverkow, I. D., Zanin, B. Yu, 2003, Wing form effects on flow separation, S. 197–204, Bd. 10, Heft 2, Thermophysics and aeromechanics, NovorsibirskZverkow, I.D., Zanin, B.Yu, 2003, Wing Form Effects on Flow Separation, pp. 197-204, Vol. 10, No. 2, Thermophysics and Aeromechanics, Novorsibirsk
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- strukturierte Oberflächestructured surface
- 2020
- Buckelhumpback
- 3030
- Anströmkanteleading edge
- 4040
- GrateBone
- 5050
- TälerValleys
- 5555
- Bereiche zwischen den RauhigkeitenAreas between the roughnesses
- 6060
- gleichmäßige Anströmunguniform flow
- 7070
- schnellere Strömungfaster flow
- 8080
- langsamere Strömungslower flow
- 9090
- Längswirbellongitudinal vortices
- 100100
- gebogener Strukturierungsverlaufcurved structuring course
- 105105
- veränderlicher gebogener Strukturierungsverlaufvariable curved structuring course
- 110110
- Wellenliniewavy line
- 120120
- Schnittebenecutting plane
- 130130
- Schaufelshovel
- 140140
- Schaufelshovel
- 150150
- Strömung durch SchaufelnFlow through blades
- 160160
- Mittelliniecenter line
- 170170
- EinströmringEinströmring
- 180180
- LaufradWheel
- 190190
- Ende der Schaufel zur Ansaugöffnung hinEnd of the blade towards the intake port
- 200200
- Strukturierungsverläufe geradeStructuring gradients straight
- 205205
- Strukturierungsverläufe nicht geradlinigStructuring patterns not straightforward
- 210210
- Profilprofile
- 220220
- Halbkreisprofil aus KunsstoffSemicircular profile made of plastic
- 230230
- Halbkreisprofil aus BlechSemicircular profile made of sheet metal
- 240240
- Blechschaufelsheet metal shovel
- 250250
- Aufsicht von AnströmrichtungSupervision of the direction of flow
- 260260
- Schaufelshovel
- 270270
- Schaufelshovel
- 280280
- Schaufelshovel
- 290290
- Schaufelshovel
- 300300
- Schaufel mit periodischer oder fast periodischer StrukturierungBlade with periodic or almost periodic structuring
- 310310
- zackige Kanteragged edge
- 320320
- gerade KanteStraight edge
- 330330
- Spiralgehäusevolute
- 340340
- Ansaugöffnung LaufradIntake opening Impeller
- 350350
- Schaufelnshovel
- 360360
- AbgriffslippeAbgriffslippe
- 370370
- Sprungdiffusorjump diffuser
- 380380
- AustrittsquerschnittOutlet cross section
- 390390
- Mittelliniecenter line
- 400400
- Wandstrahlwall jet
- 405405
- Verlauf der Spirallippe als durchgebogene LinieCourse of the spiral lip as a bent line
- 410410
- welliger Verlauf der Spirallippewavy course of the spiral lip
- 420420
- unregelmäßiger, unsymmetrischer Verlauf der Spirallippeirregular, asymmetrical course of the spiral lip
- 430430
- - entfällt- not applicable
- 435435
- Wandverlauf, Buckel nicht ausgehöhltWall course, hump not hollowed out
- 440440
- Wandverlauf, Buckel ausgehöhltWall path, hump hollowed out
- 445445
- Wandverlauf, Buckel ausgehöhltWall path, hump hollowed out
- 450450
- Buckelhumpback
- 460460
- Profilierungprofiling
- 470470
- GrenzschichtbeeinflussungBoundary layer control
- 480480
- Ausschnittneckline
- 490490
- - entfällt- not applicable
- 500500
- Wandlverlauf im SprungdiffusorWandlverlauf in jump diffuser
- 510510
- strukturierter Abgriff, massiver Buckelstructured tap, massive hump
- 515515
- strukturierter Abgriff, hohler Buckelstructured tap, hollow hump
- 520520
- Einströmrauminflow
- 530530
- Ausströmraumoutflow
- 540540
- Linie achsparallelLine paraxial
- 550550
- Strömungsvektor in AusströmraumFlow vector in outflow space
- 560560
- Strömungsvektor in EinströmraumFlow vector in inflow space
- 570570
- Schnitt Normalspirale oder massiver BuckelCut normal spiral or massive hump
- 580580
- Schnitt ausgehöhlter BuckelCut hollowed out hump
- 590590
- Fläche mit UmbördelungenSurface with beadings
- 600600
- Fläche mit RauhigkeitsänderungSurface with roughness change
- 610610
- Fläche mit ZähnenSurface with teeth
- 620620
- Strukturierung an KantenStructuring on edges
- 630630
- Strukturierung auf OberflächeStructuring on surface
- 640640
- Anströmunginflow
- 650650
- Tragfläche mit StrukturierungWing with structuring
- 660660
- Wurzelbereichroot area
- 670 670
- RauhigkeitsänderungenRauhigkeitsänderungen
- 680680
- mittlerer Bereich des Flügelsmiddle area of the wing
- 690690
- Hinterkantetrailing edge
- 700700
- Wellenwaves
- 710710
- Fläche mit ZähnenSurface with teeth
- 720720
- Strukturierung an KantenStructuring on edges
- 730730
- Lochlinienhole lines
- 735735
- einzelne Löcherindividual holes
- 740740
- Schlitzeslots
- 745745
- Schlitzeslots
- 750750
- poröses Feldporous field
- 760760
- Längswirbellongitudinal vortices
- 770770
- Oberflächesurface
- 780780
- Kantenedge
- 790790
- LochfeldLochfeld
- 800800
- Wellenwaves
- 810810
- Laufrad KonstruktionsbeispielImpeller design example
- 820820
- gewellte Schaufelncorrugated blades
- 830830
- Bereich des AbgriffesArea of the tap
- 840840
- Spiralgehäusevolute
- 850850
- Zackenreihepink series
- 860860
- ZackenPink
- 870870
- Ausblasseiteair outlet
- 880880
- Zackenwändepink walls
- 890890
- Hohlraumcavity
- 900900
- AusblasungBlow out
- 910910
- Oberflächesurface
- 915915
- wellige Oberflächewavy surface
- 920920
- Ausströmschlitzexhaust slot
- 925925
- welliger Ausströmschlitzwavy outflow slot
- 930930
- Druckraumpressure chamber
- 940940
- Absaug- bzw. FilterflächeSuction or filter surface
- 950950
- Absaugströmungaspiration
- 960960
- Ausströmlöcheroutflow holes
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2006/0060721 [0007] US 2006/0060721 [0007]
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