旋渦發生器的製作方法

2023-05-20 10:15:41

專利名稱：旋渦發生器的製作方法
旋渦發生器
本發明涉及一種旋渦發生器(vortex generator ),該旋渦發生器被設計 成將介質引入到受控的旋渦流動。該旋渦發生器具有將所述介質導引到所 述旋渦發生器中的入口段，該入口段包含具有彎曲幾何形狀的旋轉對稱 腔，所述旋渦發生器進一步包括被連接到所述入口段的旋渦室，在該旋渦 室內建立所述旋渦流動。本發明還涉及一種淨化水的方法。
背景技術：
使用用於將介質引入到旋渦流動的旋渦發生器的已經建立的技術是以 許多不同方法予以實現的。最常用的一個方法是通過^f吏用施加壓力的導軌 迫使所述介質在所述旋渦室內流動。該方法的問題在於所述導軌一進入到 端部所述壓力也就會消失。另一種建立方法是將所述介質切向地吹入到所 述旋渦室中作為具有高壓力和高流動性的均 一物質。該方法使所述介質產 生旋轉，其類似於固體的旋轉並最終引起湍流。然而另一種方法是使用一 種圓盤，該圓盤高速旋轉因此用它推動所述介質。這導致在周圍產生較高 的壓力，其會引起結構化的旋渦快速分解為湍流。
因此這些困難出現在將所述流動介質保持為受控旋渦流動是很重要的 情況下。當達到水力分離器，例如，噴氣式發動機中的燃燒室，已經使用 了將所述介質切向地吹入到所述旋渦室作為均一物質， 一(旦是該方法的問題 之一在於該情況下，即中斷流動，引起湍流。在水力分離器中，這幹擾離 心分離效應，並引起顆粒被吸入到所述接收流中。在噴氣式發動機中，這 引起燃料和空氣的混合的質量較差，其會導致效果降低。如果與能夠控制 所述旋渦流動相比，這還會導致該過程需要更多能量和更高效率地利用原 料。使用導軌導引所述流動不是很有效，因為所述導軌一進入端部所述導 向效應就消失。另 一個問題在於當所述流動介質被吹入或推入到均一的和 更多或更少層流流動中的旋渦室中，所述旋渦不會形成螺旋流動模型，但 在此情況下還會開始以固體方式旋轉從而最終變為湍流流動。
建立的旋渦發生器的例子，其目的是要處理可飲用的液體，描述於DE-U-20 218 674中。
被稱為馬丁旋渦發生器(Martin Vortex Generator)的另一旋渦發生器 以Wirbelwasser (www.wirbelwasser.de)商才示名字上市的。在該力走滿發生 器中的水以類似於固體的方式運動。

發明內容
本發明的目的是實現一種旋渦發生器，該旋渦發生器在不同類型的 情況下表示以上提到的該組問題的較好的解決方案，在此方式下所述流動 介質變為受控旋渦流動。
該目的是使用在該文件開始描述的那種旋渦發生器予以實現的，其已 被給出在專利權利要求l中定義的特徵。優選實施例放置在從屬權利要求 2-11中。對於特定的應用領域，該目的還通過描述於專利權利要求12中 的方法予以實現。
根據本發明的設計，所述旋渦發生器具有入口段，其包含至少一個螺 旋形的錐形通道(spiral-shaped conic channel)用於將所述介質從所述旋轉 對稱腔導引到所述旋渦室。所述旋渦室(vortex chamber )是喇叭形的或卵 形的，並以此方式被設計成以使所述旋渦室內部的喇p八形的縱向的橫截面 用函數表示為/(x) = "x^,其中這些參數的以下變量表示所述旋渦室的喇叭 形的縱向橫截面的限定區域8500<=k<=9000， -l.l<=y<=-1.0,該函數被 限定在初始值X0和X0 + 250長度單位之間，在此X0根據以下變化 70<=X0<=170,並且所述旋渦室的卵形的內部由函數表示為
= C ,其中這些參數的以下變化表示旋渦室的卵形的縱向
的橫截面的限定區域18<=C<=21,如果乂=0.005， ^口果XX)，貝'J， k!〉二0.002且k2>=0.005。
通過設計本發明，所示介質接收朝向自組織的推動力，類似於當浴室 清空時形成的旋渦，所述內部旋渦流動是通過由外部容器的表面引起的減 速效應維持的。通過以該方式給流動介質一個推動力，持久且結構較好的 旋渦能被建立、維持並使在給定初始推動力之後繼續更長時間。根據本發 明的設計，與通過已經建立的技術予以實現的相比，所述旋渦發生器能以 相當低的壓力和流動產生結構較好的旋渦。還允許獲得液體和氣體的有效 混合，其產生成本更有效的不同處理，因為它們需要能量較少且使用的原料較少。而且，因為構造所述旋渦發生器的方法，在中心形成旋渦壓力減 小，起到真空泵的作用，例如，其能被用於分離氣體或顆粒。 所述介質應當優選液態或者氣態的。
根據本發明的實施例，所述旋渦發生器還包括旋渦集中器，其被連接 到所述入口段，且該旋渦集中器被布置成以使在其外表面處，它被從所述 入口段的螺旋形的錐形通道導卩1到所述旋渦室的介質流所包圍。所述旋渦 集中器的外表面被設計成以使所述流動減速從而能在其附近形成壓力降 低。所述旋渦集中器還增加了所形成的旋渦的穩定性。
根據本實施例，所述入口段具有用於連接所述旋渦集中器的斜邊。這 意味著連接所述旋渦集中器較容易。
所述旋渦發生器的入口段可包含中心通道，用於將所述介質的次要流 從所述入口段的旋轉對稱腔導引到所述旋渦集中器的內部。在此情況下，
所述旋渦集中器還具有用於將所述次要流(secondary flow )從所述旋渦集 中器的內部導引到所述旋渦室的出口段，以及位於所述中心通道和所述旋 渦集中器的內部之間的通道盤(channel disc),該通道盤具有至少一個傾 斜通道，用於將所述次要流從所述中心通道導引到所述旋渦集中器。採用 該設計，能在所述旋渦集中器的內部產生旋渦，且當該次要流離開旋渦集 中器時，與所述旋渦室中的壓力相比由於在是所述旋渦集中器的內部存在 更高的壓力因此它將高速且旋轉地加速並射出到所述旋渦室中。所述旋渦 室中的主旋渦將因此被進一步地集中。
所述旋渦集中器的內部優選包含旋轉對稱室。通過這樣做，加強了所 述旋渦集中器內的旋渦的形成。
根據本發明的實施例，具有至少一個旋渦通道的噴嘴位於所述旋渦集 中器內，所述旋渦集中器出口的上遊。在該噴嘴的幫助下，在所述旋渦集 中器內部形成的旋渦得以集中。
部。通過具有該附加部分，導引到所述入口段的介質被給定推動力，加速 旋渦的形成。
所述翼部應當優選位於所述入口段的旋轉對稱腔的上遊。所述介質因 此被給定一較早推動力(impulse),以使即使在所述介質達到所述入口段 的腔之前所述旋渦運動就被開始。在轉向所述旋渦室內部的 一個表面上，所述入口 ^殳可具有圓形凹部。 該凹部形成所述旋渦室的一部分內部幾何，並具有進一步穩定所述旋渦的 作用。
本發明的旋渦發生器優選被布置成以通過在所述旋渦的中心中收集汙 染物來淨化水。
根據本發明的用於淨化水的方法，受汙染的水被導引到所述旋渦發生 器，其是根據本發明的設計予以構造的。汙染物被有效地收集在所述旋渦 的中心並能導引走，同時所述淨化後的水會徑向通過所述汙染物的外部。


在這些附圖中
圖1和圖2示出了具有兩個不同幾何的旋渦室的整體結構的橫截面， 且示出了不同的旋渦是如何形成和構造的，以及入口段、旋渦集中器和外 部容器是如何相對於彼此而被組裝的；
圖3表示從下面具有用於螺旋形和錐形的通道的出口孔的入口段和通 道盤的詳細圖像，其中所述通道盤51起從中心流過以旋轉的次要流。
圖4表示具有產生推動力的翼部、帶有彎曲幾何形狀的對稱室以及用 於不同次要流的通道的入口段的橫截面。
圖5表示從下面的入口段以及所述不同的次要流如何切向射入到所述 旋渦室中。
圖6再次表示所述入口段的橫截面，但此時表示不同的旋渦是如何形 成並且是在何處形成的，以及它們是如何形成在所述旋轉對稱腔內的，以 及它們隨後是穿過這些通道的入口噴射到所述螺旋形的通道中的。
圖7表示所述旋渦集中器的詳細圖像，以及表示所述不同旋渦是如何 產生並形成在所述旋渦集中器的周圍和內部的。
具體實施例方式
本發明的更詳細的特徵和優點通過以下的詳細描述將會顯而易見。本 發明包含一種新型的旋渦發生器，如圖1和圖2所示，其目的是將流動介 質引入到所述受控旋渦運動，並具有喇叭形的旋渦室4a或卵形的旋渦室 4b。介質被給定初始旋轉同時在所述入口段自身1內建立了較細結構的旋 渦。通過以下面更詳細描述的方式導引，其被圍繞主旋渦5的軸旋轉，其 同時圍繞其自己在複雜運動中流動的軸旋轉。所述旋渦的連續運動是通過
從所述旋渦室4 (a和b)的外壁的減速效果予以維持的。
可以說所述流動介質經受以其被給定朝向自組織的推動力而開始的過 程。流過入口段1中的開口的介質被設定為由翼部103的初始旋轉。由於 在這些翼部的壓力減小的側部上的相對壓力較低， 一些介質^C吸入小型的 微旋渦中，這些微旋渦構成所述較細結構的旋渦。這些微旋渦將它們自己 部分地結合成幾束旋渦絲(vortexthread),這些旋渦絲構成形成於通道 102 (a和b)中的較大旋渦的核心。
當具有多束旋渦絲109的旋轉介質流入旋轉對稱腔101中時，所述介 質被推向彎曲幾何體108的周邊。所述旋轉介質平靠腔101的彎曲的外 部，接著隨著所述曲線再次向上轉彎而巻曲，因此，具有多束旋渦絲的旋 轉環形成在所述旋轉對稱腔內。因為所述介質被推入到具有一定量的過壓 力的入口段l，所述環的外部^皮推入到多個通道102 (a和b)中，其入口 102a位於所述旋轉對稱室的側部上。這些通道102 (a和b)是錐形的和螺 旋形的。並切向引導到旋渦室4 (a和b)中。通道102 (a和b)的錐形形 狀使得通道的出口段102b的表面面積小於它們的入口段102a。壓入所述 通道內的旋轉介質形成更大的旋渦，該更大的旋渦部分由腎形的幾何構 成，以及部分由微旋渦構成，這些微旋渦構成該旋渦的核心。所述通道 102 (a和b)的腎形幾何將這些旋渦保持在內部並促使它們聚集。因為這 些通道是錐形形狀，因此這些旋渦被以隨著半徑尺寸減小而漸增的速度旋 轉。因為這些通道是螺旋形的，且它們的流動的軸被切向放置，因此所述 介質沿著方向110被推入到旋渦室4 (a和b)中。
不同的次要流被推入到旋渦室4 (a和b)，其由外部容器3的內側、 旋渦集中器2的外側以及不被旋渦集中器2蓋住的入口段1的底部部分構 成。從入口段的螺旋形的通道102 (a和b)流出的介質沿著方向110切向 流動，且正好在入口段的柔性成形的連接件105之下開始旋轉到所述旋渦 室。該介質然後被迫使向下流動且將在此點圍繞旋渦集中器2旋轉。當其 在圍繞旋渦集中器2的外表面旋轉時，該介質將會受到附壁效應的影響。 該結果在於所述介質被當做一種制動器的表面吸附到該表面，其在正好鄰近所述表面使壓力減小並形成向下朝向所述旋渦集中器的尖端的三維運動 的旋渦。
同樣地，壓力減小建立在鄰近旋渦室4 (a和b)的外表面，但是由於 從一開始所述旋渦具有圍繞旋渦集中器2的更多運動，壓力減小不會強烈 影響主旋渦5。這導致旋渦圍繞所述旋渦集中器構成，以及當所述介質圍 繞將所述介質從所述周邊吸向所述旋渦集中器的表面的旋渦集中器掃掠時 形成壓力減小。
所述介質的次要流穿過筆直通道104流入旋渦集中器2中，並穿過噴 嘴被推入到所述旋渦集中器中，其中所述噴嘴由具有傾斜通道的通道盤 106組成，這些傾斜通道將次要流向上導引到甚至更小的流動中，其按照 它們的順序被切向向內推到旋渦集中器2的內側之上。該內側以和所述外 部相同的方式形成其形狀，因此建立了旋轉對稱腔201。當所述介質的流 動被推壓這些側部時，它們開始旋轉並形成旋渦。當所述旋渦達到旋渦集 中器的內側的尖端時，能穿過出口孔202向外移動到4t渦室4a或4b中。 因為所述旋轉對稱室內部的壓力高於旋渦室的壓力，因此所述旋渦將在旋 渦集中器中加速並以高速且旋轉從所述尖端射出。
從旋渦集中器2的尖端流出的旋渦由一個或多個次要流組成，當它們 在出口孔202的內部相遇時這些次要流像繩股一樣扭絞在一起。這些次要 流在旋渦集中器內的噴嘴203內部形成。在所述噴嘴內部，存在至少一個 旋渦通道204,其俘獲和形成次要旋渦。所述噴嘴在這些通道向圍繞的旋 渦開口的位置處形成錐形。所述旋渦中的介質#1推入這些通道中並在此建
立較小的旋渦，這些較小的旋渦被壓力壓向所述出口孔。當不同的次要旋 渦在所述出口孔相遇時，它們纏結成粘性旋渦(cohesive vortex )。所述旋 渦部分通過其更高的旋轉和中心流，將形成壓力減小，其將進一步地集中 主旋渦。
從旋渦集中器2的尖端流出的中心旋渦6在主旋渦5的中心處形成適 當的核心，其是由於所述次要流聚集在所述旋渦集中器2的周圍而形成 的。
旋渦室4 U和b)的內部將具有對所述介質的周邊產生減速效果，其 降低了周邊流的速度。外部容器接觸介質並具有提供穩定層的表面，該穩 定層提供形成前述效果的基礎。這導致形成螺旋形的可見流，且旋渦的連續運動得以維持。旋渦室4 (a或b)的內側的縱向橫截面被描述成喇。八 形，或者另外的卵形，其還構成用於控制旋渦加速的合適的幾何形狀。
喇叭形4a的;^走渦室401的內部的縱向一黃截面用函悽史表示為 f(x)=k*xy ，在此參數的以下變化表示所述旋渦室的喇叭形縱向橫截面的定 義區域8500<=k<=9000, -l.l<=y<=-1.0。所述函數定義在長度的初始值 X0和XO+250單位之間，在此XO根據70<=X0<=170變化。另夕卜，旋渦室 4b的卵形幾何402被定義為函數f(x) = & +/fc2 -C ,將所述旋渦的加 速針對某些應用是較合適的，在此這些參數的以下變化表示所述旋渦室的 卵形的縱向橫截面的定義區域18<=C<=21，如果乂=0.002 JL/t2>=0.005。
根據給定的喇叭形或卵形的函數，當半徑會沿著從入口段朝向出口 410的方向減小時，旋渦的角頻率將根據規定幾何形狀增加，因為動量不 變。所述旋渦室周邊附近的減速效應仍會起作用，結果所述螺旋形的流線 仍進一步扭絞在一起。通過用不同方法形成所述幾何形狀，能夠控制所述 旋渦的角頻率的加速，以使保持周邊速度的初始值。
所述旋渦室4a或4b的幾何效應以及所述周邊處的減速效應具有這樣 的結果，即所述旋渦將向內朝向所述旋渦中心增加其旋轉頻率，其由此使 得所述流線從在平面內的旋轉縱向運動到具有沿著所述中心軸拉長的旋轉 的流線。所述旋渦室內的壓力高於外側上的壓力，其是為何所述介質受壓 力影響以使不經受和內表面同樣的減速效應的中心部分實現更高的軸向速 度。所述旋渦從具有很小增加的螺旋形旋轉轉變為具有更多軸向的旋轉， 以及具有高速的軸向流動。
喇p八形幾何和卵形的幾何之間的不同在於喇叭形的幾何實現了更高的 軸向速度。結果所述卵形狀更適合於噴嘴的場合，在此例如所述介質被噴 射成具有合適的分散圖像。所述喇叭形的幾何適合於應用在需要流動介質 的初始速度較高的場合，例如，噴氣式發動機中的燃燒室，或者噴水應用 中。
通過以上述方式給流動介質推動力，能建立和維持持久且結構較好的 旋渦， 一個將繼續更遠的距離超過推動力提供者本身。而且與已經建立的 可比較的技術相比，所述旋渦在相當低的壓力和流動下形成，且具有相同 容積的旋渦室，與已經存在的技術相比，使用該本發明的優點之一是能以恰高於0bar的較低壓力工作，例如水力分離器，其僅以相對較高的壓 力開始展示所述效應。
導引到所述旋渦發生器中的介質可以是氣體或者液體，但它還可以是 液體和氣體的混合物。
根據本發明的設計，所述旋渦發生器能用於幾種領域中。它特別適合 於水淨化，即適合於汙水淨化又適合於生成飲用水。使用所述旋渦發生 器，可以從水中有效地除去顆粒。這些顆粒聚集在所述旋渦的中心能被排 走。淨化後的水能從雜質的外部徑向地流過。實驗還表明溶質例如鐵離子 能從水中被去除。
由於在所述旋渦的中心建立了壓力減小，因此所述旋渦發生器看用於 例如氣體或者顆粒的分離。該特性例如能用於冰場內的冰。要被傾倒到水
上的水通過減小壓力被去除氣泡，改變水的流動特性，其意味著能在較低 溫度下利用水。儘管其溫度較低，但是水能容易地流過所述冰中的孔和裂 縫。這依次導致水更快和均勻地凍結，其意味著製冰機使用的時間較短。 這節省了能量並降低了維護成本。該脫氣效果還能用於使用造雪炮製造 雪，以及製造工業)水。
而且，旋渦中心的壓力減小還能用來將氣體引入到液體。如果允許將 空氣吸入到水中，該裝置用於池塘中，水中發生較強的充氣，這對魚是有 利的，但還對分解水中的養分的細菌是有利的。因此，能夠控制藻類的生 長。來自池塘的水能得以淨化，且在水返回到池塘之前加入氧氣。因此， 池塘的生態平tf能夠得以維持。
旋渦中心處的壓力減小還能以用於混合物質的更常用的方法使用。例 如，粉末能被加入並與液體混合，氣體能糹皮加入並與液體混合，或者液體 或氣體能被加入並與氣體混合。
因此，應用領域之一是灌溉，例如，在此在使用之前，化肥能與水混 合。當在製造冰的時候，水的流動特性還能受到影響，以使所述水更適合 於灌溉疏水性土壤。脫氣效應還能用於製造水泥，由於處理過的水會更好 的滲入到水泥，因此增加了成品水泥的持久性。
所述旋渦發生器還能用來根除藻類和其他微生物。旋渦中心處的壓力 減小具有殺菌效果，由於藻類好其他生物首先經受壓力然後壓力減小。藻 類不能不能經受壓力的改變，結果死去。另一殺菌效果是利用旋渦中心處的壓力減小將臭氧從臭氧發生器吸入 到旋渦發生器中。在此情況下，所述臭氧能在水中得以有效地分布，這就 是為何迅速根除了藻類的原因所在。
微生物的根除在例如處理船舶中的壓艙水是有用的。微生物在壓艙水 中存活和繁殖，當船舶將壓艙水傾倒在不同於船舶在此填裝水的水中時存 在這些微生物蔓延的風險。因此，在排水之前希望殺死所述微生物。
例如，所述旋渦發生器還能用來減小水管中的石灰比例。穿過所述旋 渦發生器的水含有較小量的方解石和較大量的文石。與方解石相比，文石 形成石灰比例的傾向性較'J 、。
權利要求
1.一種用於將介質引入到受控旋渦運動的旋渦發生器，該旋渦發生器包含用於將所述介質導引到所述旋渦發生器中的入口段(1)，該入口段包含具有彎曲幾何(108)的旋轉對稱腔(101)，且所述旋渦發生器還包括連接到入口段(1)的旋渦室(4a，4b)，所述旋渦運動在該旋渦室中建立，其特徵在於，入口段(1)包含至少一個螺旋形的錐形通道(102a，102b)，用於將所述介質從所述旋轉對稱腔(101)導引到所述旋渦室，所述旋渦室是喇叭形(4a)或卵形(4b)，以此方式使得喇叭形旋渦室(4a)內側(401)的縱向橫截面用函數表示為f(x)＝k*xy，其中這些參數的以下變化表示所述旋渦室(4a)的喇叭形的縱向橫截面的限定區域8500＜＝k＜＝9000，-1.1＜＝y＜＝-1.0，該函數被限定在初始值X0和X0+250長度單位之間，在此X0根據以下變化70＜＝X0＜＝170，所述卵形的旋渦室(4b)的內側(402)由函數表示為f(x)＝k1*x2+k2*y2-C，其中這些參數的以下變化表示卵形的旋渦室(4b)的縱向橫截面的限定區域18＜＝C＜＝21，如果X＜＝0，則，k1＞＝0.003且k2＞＝0.005，如果X＞0，則，k1＞＝0.002且k2＞＝0.005。
2. 如權利要求1所述的旋渦發生器，其中使用的介質是液態或者氣態的。
3. 如權利要求1或2所述的旋渦發生器，還包括被連接到入口段(1) 的旋渦集中器(2)，該旋渦集中器(2)被布置成在其外表面處被從 所述入口段(1)的螺旋形的錐形通道(102a， 102b)導引到旋渦室(4a， 4b)的介質流所包圍，且所述旋渦集中器的外表面被布置成以使所述流動 減速從而能在所述外表面形成降低的壓力。
4. 如權利要求3所述的旋渦發生器，其中所述入口段(1)具有用於 連接所述旋渦集中器(2)的斜邊(107)。
5. 如權利要求3或4所述的旋渦發生器，其中所述入口段(1)還包 括中心通道(104)，用於將所述介質的次要流從所述入口段(1)的旋轉 對稱腔(101)導引到所述旋渦集中器(2)的內部，且在所述旋渦集中器(2) 中具有用於將所述次要流從所述旋渦集中器(2)的內部導引到所述 旋渦室(4a， 4b)的出口 (202),以及位於所述中心通道(104)和所述旋渦集中器(2)的內部之間的通道盤(106)，該通道盤(106)具有至少 一個傾斜通道，用於將所述次要流從所述中心通道(104)導引到所述旋 渦集中器(2)的內部。
6. 如權利要求5所述的旋渦發生器，其中所述旋渦集中器(2)的內 部包括旋轉對稱腔(201 )。
7. 如權利要求5或6所述的旋渦發生器，其中具有至少一個旋渦通道 (204)的噴嘴(203 )位於所述旋渦集中器(2)的內部，位於所述旋渦集中器(2)的出口 (202)的上遊。
8. 如前述權利要求的任一項所述的旋渦發生器，其中所述入口段 (1)的內部包括在所述入口段(1 )內突起的至少一個翼部(103)。
9. 如前述權利要求的任一項所述的旋渦發生器，其中翼部(103)位 於入口段(1 )的旋轉對稱腔(101 )的上遊。
10. 如前述權利要求的任一項所述的旋渦發生器，其中所述入口段 (1)在其向內轉向所述旋渦室(4a, 4b)的一側上具有圓形凹部(105 )。
11. 如前述權利要求的任一項所述的旋渦發生器，其被布置成通過在 所述旋渦的中心中收集汙染物來淨化水。
12. —種淨化水的方法，其中汙水被導引到根據前述權利要求中的任 一項所述旋渦發生器中。
全文摘要
一種旋渦發生器，被設計成以將介質引入到受控旋渦運動，具有入口段(1)以將所述介質引入到所述旋渦發生器。該入口段包含具有彎曲幾何(108)的旋轉對稱腔(101)。而且旋渦室(4a，4b)，在該旋渦室中建立了所述旋渦運動，被連接到所述入口段。入口段(1)包含至少一個螺旋形的錐形通道，用於將所述介質從旋轉對稱腔導引到所述旋渦室中。所述旋渦室是喇叭形(4a)或卵形(4b)的。
文檔編號B04C3/00GK101516784SQ200680055983
公開日2009年8月26日 申請日期2006年9月28日 優先權日2006年9月28日
發明者柯特·哈爾伯格, 莫滕·奧維森 申請人:沃雷科有限責任公司