DE102010010790A1

DE102010010790A1 - Fluidischer Oszillator

Info

Publication number: DE102010010790A1
Application number: DE102010010790A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Staudacher Stephan; Dr.-Ing. Rose Martin; Tobias Ries
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen fluidischer Oszillator, umfassend eine Strömungskammer (1) für ein Fluid, die eine Einlassöffnung (2) aufweist und in der eine Strömungsführung (3) zur oszillierenden Umlenkung des von der Einlassöffnung (2) kommenden Fluids zu einem ersten oder einem zweiten Strömungskanal (4, 5) angeordnet ist. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ausbildung einer oszillierenden Fluidströmung am Strömungskanal (4, 5) ein abzweigender Zusatzströmungskanal (6) für das Fluid angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidischen Oszillator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein fluidischer Oszillator der eingangs genannten Art ist nach der EP 0 381 344 A2 bekannt. Dieser besteht aus einer Strömungskammer für ein Fluid, die eine Einlassöffnung aufweist und in der eine Strömungsführung zur oszillierenden Umlenkung des von der Einlassöffnung kommenden Fluids zu einem ersten oder einem zweiten Strömungskanal angeordnet ist, wobei die Strömungskanäle darüber hinaus (und wie auch bei der erfindungsgemäßen Lösung) mit einer Auslassöffnung verbunden sind.
Ein solcher fluidischer Oszillator, der nach dem so genannten Coanda-Effekt arbeitet, wurde von P. H. Wright [(1980), The Coanda meter – a fluidic digital gas flow meter, Journal of Physics E Scientific Instruments, Vol. 13, pp. 433–437] ausführlich beschrieben, und zwar im Zusammenhang mit der Messung des Volumenstroms eines Fluids, insbesondere eines Gases.
Weiterhin ist ein solcher fluidischer Oszillator für eine Anwendung aus der Luftfahrttechnik nach Ries et al. [(2009), LP Turbine Laminar Separation with Actuated Transition; DNS, Experiment and Fluidic Oscillator CFD (Computational Fluid Dynamics), ASME Paper No. GT2009-59600] bekannt. Bei dieser Verwendung dient der fluidische Oszillator dazu, den Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung in einer Grenzschichtströmung zu beschleunigen, um die Gefahr einer Strömungsablösung zum Beispiel von einer Turbinenschaufel zu reduzieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fluidischen Oszillator der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe ist mit einem fluidische Oszillator der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass zur Ausbildung einer oszillierenden Fluidströmung am Strömungskanal ein abzweigender Zusatzströmungskanal für das Fluid angeordnet ist.
Mit anderen Worten ist der erfindungsgemäße fluidische Oszillator mit mindestens einem Zusatzströmungskanal versehen, um eine oszillierende Fluidsäule bzw. -strömung bereit zu stellen, die im zeitlichen Mittel (vorzugsweise) keinen Massenstrom erzeugt bzw. zur Folge hat. In Bezug auf die oben beschriebene Anwendung zur Beeinflussung einer Grenzschichtströmung hat diese Maßgabe im Vergleich zur vorbekannten Lösung den Vorteil, dass die erwünschte Wirkung einer (reinen) Oszillation nicht durch den überlagerten Massenstrom gestört oder sogar verhindert wird und es so nicht zu einer Verschlechterung der Effizienz der Strömungsmaschine (Triebwerk, Tragfläche etc.) kommt.
Um zu gewährleisten, dass im zeitlichen Mittel tatsächlich kein Massenstrom über den Zusatzströmungskanal ab- bzw. zugeführt wird, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Zusatzströmungskanal rechtwinklig vom Strömungskanal abzweigend und senkrecht zur Austrittsoberfläche (zum Beispiel Saugseite einer Turbinenschaufel) ausmündend ausgebildet ist.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass der statische Druck am freien Ende bzw. Auslass des Zusatzströmungskanals so hoch ist, dass er, abgesehen vom Totaldruckverlust im Zusatzkanal, im Mittel über eine Periode so hoch ist wie der mittlere Druck an der Abzweigung zwischen Strömungskanal und Zusatzströmungskanal.
Weiterhin kann der erfindungsgemäße Zusatzströmungskanal auch an beiden Strömungskanälen vorgesehen sein.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen fluidischen Oszillators ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Der erfindungsgemäße fluidische Oszillator einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt
1 im Schnitt (entlang der Linie A-A gemäß 2) zwei mit dem fluidischen Oszillator versehene Turbinenschaufeln und
2 in Draufsicht eine der beiden Turbinenschaufeln (bei abgenommener Abdeckplatte).
Der in den 1 und 2 dargestellte fluidische Oszillator besteht in an sich bekannter Weise aus einer Strömungskammer 1 für ein Fluid (zum Beispiel Luft), die eine Einlassöffnung 2 aufweist und in der eine Strömungsführung 3 zur oszillierenden Umlenkung des von der Einlassöffnung 2 kommenden Fluids zu einem ersten oder einem zweiten Strömungskanal 4, 5 angeordnet ist. Die Strömungsführung 3 weist einen scharfkantigen Übergang zwischen dem ersten und zweiten Strömungskanal 4, 5 auf. Weiterhin sind die beiden Strömungskanäle 4, 5 beidseitig der Einlassöffnung 2 zurück in die Strömungskammer 1 einmündend ausgebildet. Ein von der Einlassöffnung 2 kommendes Fluid wird somit an der scharfkantigen Strömungsführung 3 in einen der beiden Strömungskanäle 4, 5 gelenkt, durchströmt diesen, gelangt zurück zur Einlassöffnung 2 und beeinflusst dort das weiterhin einströmende Fluid, so dass dieses diesmal an der Strömungsführung 3 in den anderen Strömungskanal geleitet wird. Es ergibt sich auf diese Weise eine selbstanregende periodische Umlenkung des Fluids und damit die für den fluidischen Oszillator typische Wirkung, wobei der fluidische Oszillator bzw. die beiden Strömungskanäle 4, 5 darüber hinaus mit (mindestens) einer Auslassöffnung 13 verbunden sind, so das ein kontinuierlicher Massenstrom gewährleistet ist.
Wesentlich für den erfindungsgemäßen fluidischen Oszillator ist nun, dass zur Ausbildung einer oszillierenden Fluidströmung am Strömungskanal 4, 5 ein abzweigender Zusatzströmungskanal 6 für das Fluid angeordnet ist. Wie eingangs erwähnt, ist es mit diesem Zusatzströmungskanal 6 möglich, eine oszillierende Fluidsäule bereit zu stellen, die im zeitlichen Mittel keinen Massenstrom aufweist und daher besonders gut zur massenstromlosen Grenzschichtbeeinflussung geeignet ist.
Dabei ist vorgesehen, dass der fluidische Oszillator in einem von einem Fluid umströmten Profil 7 mit einer Saugseite 8 und einer Druckseite 9 angeordnet ist, wobei das Profil 7 besonders bevorzugt, und wie in den 1 und 2 dargestellt, Teil einer Turbinenschaufel eines Triebwerks ist. Nicht dargestellt, aber ebenfalls möglich, ist vorgesehen, dass das Profil 7 Teil einer Tragfläche eines Flugzeugs ist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der fluidische Oszillator als unterhalb einer Oberfläche 10 der Saugseite 8 des Profils 7 erstrecktes Kanalsystem ausgebildet ist, das beispielsweise durch Funkenerosion oder dergleichen in die Turbinenschaufel eingearbeitet und mit einer genau passenden Abdeckplatte oder dergleichen abgedeckt sein kann.
Um der Maßgabe, im zeitlichen Mittel eine massenstromlose Fluidsäule bereit stellen zu können, exakt zu entsprechen, ist der Zusatzströmungskanal 6 rechtwinklig vom Strömungskanal 4, 5 abzweigend und außerdem senkrecht zur Oberfläche 10 der Saugseite 8 ausmündend ausgebildet.
Weiterhin ist der Zusatzströmungskanal 6 (in Hauptströmungsrichtung gesehen) kurz vor einem strömungsablösungsgefährdeten Bereich auf der Saugseite 8 des Profils 7 oder – in Bezug auf eine Turbine noch etwas genauer ausgedrückt – stromaufwärts eines engsten Querschnitts 11 zwischen zwei Turbinenschaufeln auf der Saugseite 8 des Profils 7 ausmündend ausgebildet. In der Umgebung dieses engsten Querschnitts 11 ist der statische Druck am geringsten. Davor wird das die Schaufeln umströmende Fluid beschleunigt, danach wieder verzögert. Diese Verzögerung kann zur Ablösung der Strömung führen. Um dies zu verhindern, ist die Auslassöffnung des Zusatzströmungskanals 6 für die oszillierende Fluidsäule, die so genannte Instabilitätsmoden in der Grenzschicht hervorruft, erfindungsgemäß ein deutliches Stück stromauf des engsten Querschnitts 11 angeordnet, wobei die Auslassöffnung 13 stromabwärts kurz hinter dem engsten Querschnitt 11 auf der Saugseite 8 des Profils 7 ausmündend ausgebildet ist, um ein maximales Druckgefälle über die Länge des Oszillators zur Verfügung zu haben. Die Einlassöffnung 2 ist schließlich, wie dargestellt, im Bereich einer saugseitigen Zuströmseite 12 des Profils 7 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Strömungskammer
2: Einlassöffnung
3: Strömungsführung
4: Strömungskanal
5: Strömungskanal
6: Zusatzströmungskanal
7: Profil
8: Saugseite
9: Druckseite
10: Oberfläche
11: engster Querschnitt
12: Zuströmseite
13: Auslassöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0381344 A2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. H. Wright [(1980), The Coanda meter – a fluidic digital gas flow meter, Journal of Physics E Scientific Instruments, Vol. 13, pp. 433–437] [0003]
Ries et al. [(2009), LP Turbine Laminar Separation with Actuated Transition; DNS, Experiment and Fluidic Oscillator CFD (Computational Fluid Dynamics), ASME Paper No. GT2009-59600] [0004]

Claims

Fluidischer Oszillator, umfassend eine Strömungskammer (1) für ein Fluid, die eine Einlassöffnung (2) aufweist und in der eine Strömungsführung (3) zur oszillierenden Umlenkung des von der Einlassöffnung (2) kommenden Fluids zu einem ersten oder einem zweiten Strömungskanal (4, 5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer oszillierenden Fluidströmung am Strömungskanal (4, 5) ein abzweigender Zusatzströmungskanal (6) für das Fluid angeordnet ist.
Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem von einem Fluid umströmten Profil (7) mit einer Saugseite (8) und einer Druckseite (9) angeordnet ist.
Fluidischer Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (7) wahlweise Teil einer Turbinenschaufel eines Triebwerks oder Teil einer Tragfläche eines Flugzeugs ist.
Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzströmungskanal (6) rechtwinklig vom Strömungskanal (4, 5) abzweigend ausgebildet ist.
Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzströmungskanal (6) senkrecht zur Oberfläche (10) der Saugseite (8) ausmündend ausgebildet ist.
Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzströmungskanal (6) vor einem strömungsablösungsgefährdeten Bereich auf der Saugseite (8) des Profils (7) ausmündend ausgebildet ist.
Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzströmungskanal (6) stromaufwärts eines engsten Querschnitts (11) zwischen zwei Turbinenschaufeln auf der Saugseite (8) des Profils (7) ausmündend ausgebildet ist.
Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (2) im Bereich einer vorzugsweise saugseitigen Zuströmseite (12) des Profils (7) angeordnet ist.
Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4, 5) mit einer Auslassöffnung (13) verbunden sind.
Fluidischer Oszillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (13) vorzugsweise stromabwärts eines engsten Querschnitts (11) zwischen zwei Turbinenschaufeln auf der Saugseite (8) des Profils (7) ausmündend ausgebildet ist.