VORRICHTUNG ZUR BRECHUNG VON STRÖMUNGSWIRBELN AN EINER TURBULENT UMSTRÖMTEN FLÄCHE

B eschreibung

Vorrichtung zur Brechung von Strömungswirbeln an einer turbulent umströmten Fläche

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Brechung von Strömungswirbeln an einer turbulent umströmten Fläche.

An gas- oder flüssigkeitsumströmten Flächen treten oberhalb bestimmter Strömungsgeschwindigkeiten Turbu¬ lenzen auf, die mit steigender Strömungsgeschwindigkeit durch zunehmende Wirbelgröße gekennzeichnet sind. Die mit der Wirbelbildung einhergehenden Kräfte können in ungünstigen Fällen die umströmten Flächen zum Flattern anregen. Insbesondere in schnelldrehenden Maschinen können solche Kräfte unerwünschte Störungen, insbeson¬ dere Präzessions-, Nutations- und Biegeeigenfreguenzen des Systems anregen.

Besonders gravierend machen sich solche Störungen an Zentrifugen bemerkbar, wenn diese zwecks Erzielung ho¬ her Dauergeschwindigkeiten mit berührungslosen, magne¬ tischen Lagern ausgerüstet werden. Es ist dann notwen- dig, die auftretenden Störkräfte durch elektronisches Stabilisieren der Magnetlagerung auszuregeln, wobei Energieverluste auftreten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe die aus Turbulenzwirbeln an einer umströmten Fläche resultierenden Kräfte innerhalb des Eigenfrequenzbereiches der umströmten Fläche bzw. ihrer Aufhängung weitgehend unwirksam gemacht werden können, ohne daß erhöhte Energieverluste in Kauf genom¬ men werden müssen. Insbesondere sollen aus Turbulenz¬ wirbeln an einem magnetisch gelagerten zylindrischen Rotor resultierende Radialkräfte im Bereich der Lagereigenfrequenz des Magnetlagersystems abgefangen werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ange¬ gebenen Merkmale gelöst.

Dem Erfindungsgedanken liegt die Überlegung zugrunde, daß sich Turbulenzwirbei dann störend auf die stabile Lage einer umströmten Fläche auswirken, wenn sich das Frequenzspektrum der Turbulenzwirbel bzw. das Spektrum der mit den Wirbeln einhergehenden, auf die umströmte Fläche wirkenden Kräfte, insbesondere das Frequenz¬ spektrum der an einem magnetisch gelagerten Rotor angreifenden Radialkräfte, und das Eigenfrequenzspek¬ trum der Fläche bzw. des Magnetlagersystems gegenseitig überlappen. Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, durch Brechung, dh Zerkleinern der Wirbel deren Fre¬ quenzspektrum in einen Bereich zu verschieben, der ge¬ nügend weit oberhalb der kritischen Eigenfrequenzen des Systems liegt. Es wird in geringem Abstand zur um¬ strömten Fläche eine periodisch strukturierte Wand eingesetzt, insbesondere kommen als Struktur periodisch verteilte Noppen oder Stege auf der Wand und/oder Öffnungen in der Wand in Betracht, wobei die Abmessungen und gegenseitigen Abstände der Struktur¬ elemente und der Abstand der Wand von der umströmten Fläche im wesentlichen gleich groß sind. Der Abstand der Wand zur umströmten Fläche bestimmt die maximal noch entstehende bzw. für den jeweiligen Anwendungsfall noch zulässige Wirbelgröße.

Das Anbringen einer gelochten, sieb- oder gitterartig strukturierten Wand, Patentanspruch 2, in der Nähe der umströmten Fläche, insbesondere einer schnell rotieren¬ den Fläche, wie in Patentansprüchen 3 bis 5 angegeben, verhindert in erheblichem Maße die Ausbildung von län- geren und dementsprechend niederfrequenten Wirbeln im kritischen Eigenfrequenzbereich und führt zu einer Be¬ ruhigung des dynamischen Systemverhaltens, insbesondere unter den Bedingungen magnetischer Lagerung, Pa¬ tentanspruch 6.

Die Vorzüge der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mit Erfolg auch bei turbulenter Durchströmung von Rohren, Patentanspruch 7, bzw. an Flug- oder Schwimmkörpern, Patentanspruch 8, anwendbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs¬ beispielen, die in der Zeichnung schematisch darge¬ stellt sind, näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Figur 1 Lochwand vor einer Fläche mit tangen- tialer Umströmung;

Figur 2 rotierender, magnetisch gelagerter Zy¬ linder mit Lochwand; Figur 3 Strömungsrohr mit innenliegender Loch¬ wand;

Figur 4 umströmte Fläche eines Flug- oder

Schwimmkörpers mit im Strömungsraum an¬ geordneter Lochwand.. Figur 1 zeigt eine in Form eines Lochblechs struk¬ turierte Wand 1, die mit Abstand 2 von einer umströmten Fläche 3 angeordnet ist. Die Strömungsrichtung des strömenden Mediums zwischen Fläche und Wand ist mit Pfeilen 4 markiert. Der Abstand 2 zwischen Wand 1 und Fläche 3 bestimmt in der turbulenten Strömung die noch ungestört verbleibende Wirbelgröße im strömenden Me¬ dium. Wirbel, die größer als der Abstand zwischen Flä¬ che und Wand sind, werden gebrochen. Der zur Zerstörung unerwünscht großer Wirbel erforderliche Abstand 2 wird im wesentlichen empirisch ermittelt. Bei optimalem Ab¬ stand zwischen umstromter Fläche 3 und Wand 1 läßt sich ein Flattern der Fläche im Eigenfrequenzspektrum ver¬ meiden. Insbesondere bei berührungsloser magnetischer Lagerung rotierender Körper ist eine stabile Rotorlage erreichbar.

Dem erforderlichen Abstand 2 entsprechend werden an der Wand 2 vorhandene Strukturelemente 5 und deren gegen- seitige Abstände 6 bemessen. Bei der als Lochblech ge¬ stalteten strukturierten Wand 2 nach Figur 1 weisen die einzelnen Löcher als Strukturelemente 5 einen gegensei¬ tigen Abstand 6 und Durchmesser 7 auf, deren Größe der Größe des Abstandes 2 entspricht.

Figur 2 zeigt einen von einem Magnetring 8 eines magne¬ tischen Lagers berührungslos gelagerten Rotor 9, wel¬ cher in Rotationsrichtung 10 rotiert und an seiner Außenfläche infolge Reibung mit den Rotor umgebendem Gas, im Ausführungsbeispiel mit Luft, eine in Rota¬ tionsrichtung 10 gerichtete Gasströmung erzeugt. Eine konzentrisch zum Rotor 9 angeordnete, ebenfalls als Lochblech gestaltete Wand 11 ist feststehend montiert oder auch rotierend gelagert, wobei die Rotationsge- schwindigkeit der Wand 11 sehr viel geringer als die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 9 ist, zB nur ein Zehntel der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors be¬ trägt. Die Wand 11 sorgt für eine Brechung von bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten auftretenden Turbu- lenzwirbeln, soweit deren Größe die Größe von Ab¬ stand 12 zwischen Wand 11 und Rotor 9 überschreitet. Im Ausführungsbeispiel weist der Rotor 9 einen Rotor¬ durchmesser 13 von 40 mm auf, der Abstand 12 zwischen Rotor 9 und Wand 11 beträgt 2 mm, der Lochdurchmesser der Löcher im Lochblech ebenfalls 2 mm, der Lochabstand 4 mm. Beim Rotor 9 handelt es sich im Ausführungs¬ beispiel um eine rotierende Zentrifugierkammer einer Zentrifuge. Die Wand 11 ist an der äußeren Wandseite der Zentrifugierkammer außerhalb des als Arbeitsraum zum Zentrifugieren dienenden Innenraums der Kammer angeordnet.

Figur 3 zeigt ein in Strömungsrichtung 14 von einem gasförmigen oder flüssigen Medium durchströmtes Rohr 15. Innerhalb des durchströmten Rohres 15 ist zur Brechung von Turbulenzwirbeln bei hoher Durchströ¬ mungsgeschwindigkeit mit Abstand 16 zur innenliegenden Rohrfläche eine als Lochblech ausgebildete Wand 17 angeordnet. Der Abstand der Wand zur innenliegenden Rohrfläche und die Abmessungen der Löcher als Struk¬ turelemente der Wand entsprechen wieder den zur Figur 2 angegebenen Maßen.

Figur 4 zeigt ein Tragflügelprofil 18, welches an sei- ner oberen, von einem gasförmigen oder flüssigen Medium umströmten Fläche im Abströmbereich 19 des Tragflügel- profils eine wiederum als Lochblech ausgestattete Wand 20 zur Brechung von Turbulenzwirbeln im Abström¬ bereich trägt. Bezugs zeichenliste

Wand 1, 11, 17, 20

Abstand 2, 12, 16

Fläche 3

Pfeil 4

Strukturelemente 5

Abstände 6

Durchmesser 7

Magnetring 8

Rotor 9

Rotationsrichtung 10

Rotordurchmesser 13

Strömungsrichtung 14

Rohr 15

Tragflügelprofil 18

Abströmbereich 19