Die gezielte Erzeugung oder Vernichtung von Wirbeln spielt in vielen strömungstechnischen Anwendungen eine wichtige Rolle.

Da Wirbel Rotationsenergie enthalten und somit sowohl Energie aufnehmen als auch abgeben können, können sie zur gezielten Übertragung von Energie von einem umströmten Profil auf das Strömungsmedium oder in eine Grenzschicht beziehungsweise zum Austausch von Energie, insbesondere auch Wärme, oder Stoffen zwischen verschiedenen Bereichen einer Strömung eingesetzt werden.

Für den effizienten Transport eines Strömungsmediums werden beispielsweise Systeme aus ruhenden Wirbelerzeugern einge- setzt, die durch die Erzeugung von Wirbeln Energie auf das Strömungsmedium übertragen. Dabei ist es wünschenswert, den Druckverlust, den das Strömungsmedium entlang des Systems aus Wirbelerzeugern erfährt, möglichst gering zu halten. Insbe- sondere soll der mittlere Massenstrom bezogen auf den Druck- verlust möglichst groß sein.

Durch den Einsatz von Wirbelerzeugern im Strömungskanal las- sen sich einem Strömungsmedium auch Geschwindigkeitsschwan- kungen aufprägen. Solche Geschwindigkeitsschwankungen, die beispielsweise durch an Wirbelerzeugern entstehende Schock- wellen erzeugt werden, erhöhen sowohl den Wärme-als auch den Stoffaustausch im Strömungsmedium quer zur Strömungsrichtung

erheblich. Durch die gezielte Anbringung von Wirbelerzeugern im Strömungskanal kann somit eine verstärkte Kühlwirkung der Strömung auf thermisch besonders belastete Bauteile erzielt werden. Dabei sollten die Wirbelerzeuger derart positioniert und dimensioniert sein, dass der auf den Druckverlust, den das Strömungsmedium entlang des Systems aus Wirbelerzeugern erfährt, bezogene Wärmeübergangskoeffizient möglichst groß ist. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise durch den Ein- satz des Systems aus Wirbelerzeugern in einer Gasturbine so- wohl im Bereich der Brennkammer als auch im Bereich der Tur- binenschaufeln Kühlluft einsparen und somit bei gleichzeiti- ger Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine ihre Nox-Emi sionen senken.

Der verstärkte Stoffaustausch quer zur Strömungsrichtung in einem Strömungsmedium mit Geschwindigkeitsschwankungen kann zur verstärkten Mischung des Strömungsmediums genutzt werden.

Beispielsweise kann durch die besonders gründliche Mischung von Brenngas und Luft in einer Gasturbinenanlage eine voll- ständige Verbrennung des Brenngases erreicht und somit ihre NOx-Emissionen gesenkt werden.

Die Vielfalt der technischen Anwendungen von Wirbelerzeugern oder-vernichtern bedingt ein großes Interesse an der theore- tischen Berechnung der Entstehung und Entwicklung von Wir- beln. Sie sind insbesondere notwendig, um Form und Positio- nierung von Wirbelerzeugern und-vernichtern im Hinblick auf ihre Wirkung auf ein Strömungsmedium optimal zu gestalten.

Die Berechnung turbulenter Strömungen erfolgt üblicherweise entweder explizit über die Lösung der Navier-Stokes-Gleichung des Problems, eine Verfahrensweise, die aber vor allem bei dreidimensionalen Anwendungen zu komplex und zu aufwendig ist, oder aber über entsprechende Modelle der klassischen Tragflügeltheorie.

Im Rahmen der klassischen Tragflügeltheorie lassen sich zwar turbulente Strömungen an starren, also passiv umströmten und

nicht beschleunigten, Bauteilen beschreiben. Allerdings ver- sagt die klassische Tragflügeltheorie bei aktiven, also be- schleunigt bewegten Bauteilen. Sie setzt nämlich die glatte Abströmung des Strömungsmediums an der Hinterkante des um- strömten Profils, die so genannte Kutta-Bedingung, voraus, sowie eine endliche Anströmgeschwindigkeit und eine quasista- tische, lineare Behandlung. Ein Ablösen der Strömung von dem umströmten Profil und ein Aufrollen von entstehenden Wirbeln, wie es bei instationären Strömungsvorgängen an beschleunigt bewegten Profilen geschieht, kann im Rahmen der Theorie nicht behandelt werden. Bei technischen Anwendungen werden daher üblicherweise passiv umströmte Wirbelerzeuger eingesetzt, die sich mittels der klassischen Aerodynamik beschreiben lassen.

Passiv umströmte Wirbelerzeuger weisen allerdings vergleichs- weise hohe dynamische Widerstände auf. Werden sie in einem Strömungskanal platziert, so resultiert daher ein unerwünscht großer Druckabfall im Strömungsmedium.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich- tung zur Erzeugung von Wirbeln in einem Strömungsmedium der oben genannten Art anzugeben, mit der auf besonders einfache Weise und mit besonders geringem Energieaufwand bei möglichst geringem Druckabfall in einem Strömungsmedium Wirbel erzeugt werden können. Des Weiteren soll ein zum Betreiben der Vor- richtung besonders geeignetes Verfahren angegeben werden.

Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung ein oder mehrere in ei- nem Strömungskanal angeordnete, zur Umströmung mit dem Strö- mungsmedium vorgesehene Profile umfasst, wobei die Profile für eine periodische Bewegung relativ zum Strömungsmedium mit einer Kreisfrequenz ? mit einem mechanischen, elektromagne- tischen oder elektro-hydraulischen Antrieb versehen sind.

Als können dabei beliebige, geeignet dimensionierte und konturierte Einbauten im Strömungskanal vorgesehen sein, die insbesondere hinsichtlich ihrer Formgebung an die ausle-

gungsbedingt im Strömungskanal erwarteten Strömungsverhält- nisse angepasst sind.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für ei- ne hohe Effizienz des Wirbelerzeugers der mittlere Durchsatz an Strömungsmedium bezogen auf dessen Druckverlust entlang des Strömungskanals möglichst groß sein sollte. Um den Druck- verlust gering zu halten, sollte die Übertragung von Energie vom Wirbelerzeuger auf das Strömungsmedium konsequent verbes- sert werden. Eine bessere Übertragung von Energie kann da- durch erreicht werden, dass der Energieinhalt des erzeugten Wirbels vergrößert wird. Wie sich herausgestellt hat, lassen sich mit aktiven, also beschleunigten, Wirbelerzeugern sowohl in laminaren als auch in turbulenten Strömungen höhere Ener- gieinhalte dadurch erzielen, dass der Wirbel vor seiner Ablö- sung von dem Profil des Wirbelerzeugers beschleunigt wird.

Daher sollten Wirbelerzeuger für eine besonders hohe Effizi- enz relativ zum Strömungskanal beschleunigt bewegt werden.

Eine gleichmäßige Wirbelerzeugung, die diesen Anforderungen gerecht wird, lässt sich dabei auf besonders einfache Weise durch eine periodische Bewegung des Wirbelerzeugers errei- chen.

Um die Vorgänge an periodisch bewegten Wirbelerzeugern zu verstehen, lässt sich die Erkenntnis nutzen, dass ein von ei- nem solchen Wirbelerzeuger erzeugter und sich ablösender Wir- bel gut durch einen räumlich begrenzten Wirbel mit einem starren Kern beschrieben werden kann, einen so genannten"Fi- niten Kantenwirbel". Ein solcher Wirbel wird unmittelbar nach seiner Bildung an der Hinterkante des umströmten Profils durch auf sein Zentrum zuströmendes Strömungsmedium bis zu seinem im Weiteren zeitlichen Verlauf als konstant angenomme- nen Radius a aufgefüllt. Dadurch wird der Wirbel in Rotation versetzt und seine Rotationsgeschwindigkeit nimmt während der anschließenden"Haftungsphase"weiter zu. Dabei erfährt der Wirbel eine Netto-Durchströmung mit Strömungsmedium und die Komponente der Strömung aus der Richtung der Profilhinterkan-

te nimmt bis zu einem maximalen Wert zu. Der Wirbel haftet, nachdem er seine stabile Größe erreicht hat, solange an dem Profil, bis dieser maximale Wert erreicht ist, und löst sich dann ab.

Während der Wirbel noch am Profil haftet, induziert seine Ro- tation eine Tangentialströmung entlang der Profiloberfläche, die so genannte"Mantelströmung. Die aerodynamische Wechsel- wirkung der Mantelströmung mit der Anströmung des Strömungs- mediums auf das Profil erzeugt ein orthogonales Kräftepaar, den Vortrieb und den Widerstand. Je nachdem, welche der bei- den Kräfte dominiert, ändert sich der Charakter der Wechsel- wirkung zwischen Strömungsmedium und Profil. So ist bei- spielsweise bei einer Bewegung des Profils mit einer ver- gleichsweise hohen Frequenz der Vortriebscharakter der Wech- selwirkung dominierend und es wird Energie vom Wirbelerzeuger auf das Strömungsmedium übertragen, während bei einer Bewe- gung mit niedriger Frequenz der Widerstandscharakter domi- niert und Energie vom Strömungsmedium auf den Wirbelerzeuger übergeht.

Diese Erkenntnisse im Rahmen des so genannten"Finiten Kan- tenwirbel Modells"werden bei der Verwendung neuer Kenngrößen genutzt. Als Kenngröße, die den Vortriebs-bzw. Widerstands- charakter der Strömung beschreibt, eignet sich das Verhältnis der über eine Bewegungsperiode des Profils gemittelten Strö- mungsgeschwindigkeit bezogen auf den mittleren Querschnitt des Profils zu der maximalen Strömungsgeschwindigkeit an der Profilhinterkante. Liegt diese Größe f : = Vm/Vmax zwischen 0,2 und 0,5, so weist die Strömung Vortriebscharakter auf. Ist f dagegen größer als 0,5, so weist sie Widerstandscharakter auf.

Als weitere wichtige Kenngrößen lassen sich die Reynoldszahl der maximalen Kantenumströmung, die reduzierte Frequenz und die Strouhal-Zahl verwenden. Die Reynoldszahl der maximalen Kantenumströmung ist dabei als Produkt aus maximaler Strö-

mungsgeschwindigkeit an der Profilhinterkante und Längenaus- dehnung des umströmten Profils geteilt durch die kinematische Viskosität des Strömungsmediums definiert, die reduzierte Frequenz als Produkt aus Kreisfrequenz der periodischen Bewe- gung und Längenausdehnung des umströmten Profils geteilt durch die über eine Bewegungsperiode des Profils gemittelte Strömungsgeschwindigkeit bezogen auf den mittleren Quer- schnitt des Profils und die Strouhal-Zahl als Frequenz der periodischen Bewegung und Längenausdehnung des umströmten Profils geteilt durch die über eine Bewegungsperiode des Pro- fils gemittelte Strömungsgeschwindigkeit bezogen auf den mittleren Querschnitt des Profils. Die genannten Kenngrößen werden anstelle der in der klassischen Aerodynamik verwende- ten externen, konstanten Profil-Anströmgeschwindigkeit ver- wendet und lassen eine wesentlich differenziertere und reali- stischere Charakterisierung der resultierenden Strömung zu.

Vorteilhafterweise sind die Form, Anzahl und Größe der Profi- le derart gewählt, dass im Betriebsfall des Wirbelerzeugers der Quotient aus der über eine Bewegungsperiode des Profils gemittelten Strömungsgeschwindigkeit bezogen auf den mittle- ren Querschnitt des Profils zu der maximalen Strömungsge- schwindigkeit an der Profilhinterkante einen vorgegebenen Wert aufweist. Insbesondere kann dieser Wert so gewählt sein, dass abhängig von der Art der technischen Anwendung eine Strömung mit Widerstandscharakter oder mit Vortriebscharakter resultiert.

Abhängig von der zu erfüllenden technischen Aufgabe des Wir- belerzeugers sind unterschiedliche Arten von periodischen Be- wegungen der Profile denkbar und günstig. Vorteilhafte Grund- formen von periodischen Bewegungen sind periodische Verschie- bungen der Profile senkrecht zur Strömungsrichtung des Strö- mungsmediums, Rotationen der Profile um eine Drehachse senk- recht zur Strömungsrichtung in der Art einer Verschwenkung um einen Winkel, die Rotation von Profilpaaren mit gleicher Kreisfrequenz ? und gleicher Phase um ihre jeweilige Dreh-

achse, wobei die Drehachsen antiparallel zueinander ausge- richtet sind, und periodische Verschiebungen der Profile par- allel zur Strömungsrichtung des Strömungsmediums.

Zur Verbesserung der Effizienz des Wirbelerzeugers und zu seiner optimalen Anpassung an seine technische Aufgabe führen die Profile gegebenenfalls Kombinationen der genannten Grund- formen der periodischen Bewegungen aus. Vorteilhafterweise kann die periodische Bewegung eines Profils insbesondere in einer Kombination aus einer Verschiebung des Profils relativ zum Strömungskanal und einer Rotation des Profils um eine Drehachse bestehen.

In manchen Anwendungen ist es günstig, einen erzeugten Wirbel wieder zu vernichten, nachdem er eine gewisse Strecke im Strömungskanal zurückgelegt hat. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Nachlauf-Restenergie des Wirbels möglichst vollständig genutzt werden soll. In einem solchen Fall ist dem Wirbelerzeuger vorteilhafterweise strömungsmediumseitig eine Vorrichtung zur Vernichtung von Wirbeln nachgeschaltet.

Aufgrund der Tatsache, dass aktive Wirbelerzeuger bei gerin- ger Antriebsleistung in der Lage sind, auf besonders effizi- ente Weise Energie und Stoffe zu übertragen, können sie in einer Vielzahl von technischen Bereichen zum Einsatz kommen.

Bei der Beförderung eines Strömungsmediums durch einen Strö- mungskanal oder eine Rohrleitung strebt man beispielsweise einen möglichst hohen Massenstrom bei gleichzeitig geringem Druckverlust im Strömungsmedium an. Eine erwünschte Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums bei gerin- gem Druckverlust lässt sich aber gerade mit Hilfe eines akti- ven Wirbelerzeugers erzielen. Daher ist im Strömungskanal ei- ner Förderstrecke vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur ak- tiven Erzeugung von Wirbeln angeordnet, die eine Anzahl von Wirbelerzeugern, die eine periodische Bewegung mit gleicher Kreisfrequenz ? und gleicher Phase ausführen, umfasst. Al-

ternativ dazu kann die Phase der Wirbelerzeuger auch entge- gengesetzt, also um 180 Grad gegeneinander verschoben, sein.

Eine weitere wichtige Anwendung aktiver Wirbelerzeuger ist die Erhöhung der Effizienz von Gitterströmungen. Gitterströ- mungen werden eingesetzt, um den mittleren Wirkungsgrad eines axialen Gitters bei gleichzeitig möglichst geringem Druckver- lust zu maximieren. Dazu werden beispielsweise Leitschaufeln den Laufschaufeln einer Gasturbine strömungsmediumseitig vor- geschaltet. Zur weiteren Erhöhung des Gitterwirkungsgrades wird dem axialen Gitter vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur aktiven Erzeugung von Wirbeln strömungsmediumseitig vor- geschaltet, die eine Anzahl von Profilen, die eine periodi- sche Bewegung mit gleicher Kreisfrequenz a und gleicher Pha- se ausführen, umfasst. Insbesondere können auf diese Weise periodische Strömungspulse erzeugt werden, die in ihrer Peri- ode und Länge optimal auf die ebenfalls periodische eigentli- che Gitterströmung abgestimmt sind. Des Weiteren kann der die Effizienz des Gitters steigernde, theoretisch noch nicht vollständig verstandene so genannte"Clocking-Effekt"genutzt werden, der zum Tragen kommt, wenn einzelne, relativ zueinan- der bewegte Gitter miteinander wechselwirken.

Einem Strömungsmedium aufgeprägte Geschwindigkeitsschwankun- gen lassen sich zur besonders effizienten Kühlung thermisch stark belasteter Bauteile nutzen. Solche Geschwindigkeits- schwankungen lassen sich auf besonders effiziente Weise durch aktive Wirbelerzeuger generieren und erhöhen sowohl den Wär- me-als auch den Stoffaustausch im Strömungsmedium quer zur Strömungsrichtung erheblich. Durch die gezielte Anbringung von aktiven Wirbelerzeugern im Strömungskanal kann somit eine effiziente Kühlung thermisch besonders belasteter Bauteile erreicht werden. Dazu umfasst eine Kühlvorrichtung vorteil- hafterweise einen Strömungskanal, einen durch den Strömungs- kanal geleiteten Kühlstrom sowie eine innerhalb des Strö- mungskanals angeordnete Vorrichtung, die zur aktiven Erzeu-

gung von Wirbeln ein oder mehrere periodisch bewegte Profile aufweist.

Einem Strömungsmedium aufgeprägte Geschwindigkeitsschwankun- gen verstärken auch den Stoffaustausch quer zur Strömungs- richtung. Dieser Effekt kann gezielt zur verstärkten Mischung eines Strömungsmediums genutzt werden. Eine besonders hohe Mischgüte bei gleichzeitig niedrigen Druckverlust kann da- durch erzielt werden, dass zur Erzeugung der Geschwindig- keitsschwankungen aktive Wirbelerzeuger eingesetzt werden.

Meist ist es wünschenswert, die dem Strömungsmedium durch er- zeugte Wirbel aufgeprägten Geschwindigkeitsschwankungen nach abgeschlossener Mischung wieder zu vernichten. Daher umfasst eine Mischstrecke vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur ak- tiven Erzeugung von Wirbeln, der eine Vorrichtung zur Ver- nichtung von Wirbeln strömungsmediumseitig nachgeschaltet ist.

Mit einem aktiven Wirbelerzeuger lassen sich auf besonders effiziente Art und Weise bei gleichzeitig geringem Druckab- fall innerhalb des Strömungsmediums Stoff-und Energieströme erzeugen und/oder verstärken, beispielsweise beim Mischen von Brenngas und Luft in einem Verdichter oder bei der Kühlung thermisch besonders belasteter Bauteile. Daher wird der ak- tive Wirbelerzeuger vorteilhafterweise in einer Gasturbine eingesetzt.

Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein oder mehrere in einem Strömungskanal ange- ordnete, zur Umströmung mit dem Strömungsmedium vorgesehene Profile durch einen äußeren Antrieb periodisch mit der Kreis- frequenz o bewegt werden.

Neue Erkenntnisse im Rahmen des so genannten Finiten Kanten- wirbel Modells"zeigen, wie es möglich ist, die Ausprägung von Widerstands-bzw. Vortriebscharakter einer Strömung um bewegte Profile, also die Richtung der Energieübertragung

zwischen Profil und Strömungsmedium, gezielt zu beeinflussen.

Eine wichtige Kenngröße innerhalb dieses Modells ist der Quo- tient aus der über eine Bewegungsperiode des Profils gemit- telten Strömungsgeschwindigkeit bezogen auf den mittleren Querschnitt des Profils und der maximalen Strömungsgeschwin- digkeit an der Profilhinterkante. Vorteilhafterweise wird die Richtung der Energieübertragung zwischen bewegtem Profil und Strömungsmedium über diesen Quotienten eingestellt. Alterna- tiv lässt sich die Richtung der Energieübertragung zwischen Profil und Strömungsmedium auch über das Produkt aus maxima- ler Strömungsgeschwindigkeit an der Profilhinterkante und der Längenausdehnung des umströmten Profils geteilt durch die ki- nematische Viskosität des Strömungsmediums einstellen.

In manchen technischen Anwendungen können sich Nachteile er- geben, wenn erzeugte Wirbel im Weiteren Verlauf der Strömung einen vergleichsweise hohen Grad an Turbulenz der Strömung hervorrufen. Vorteilhafterweise werden daher die erzeugten Wirbel stromabwärts von der Position im Strömungskanal, an der sie erzeugt wurden, ganz oder teilweise wieder vernich- tet.

Wie Berechnungen im Rahm des"Finite Kantenwirbel Modells" ergeben haben, lassen sich durch den Einsatz aktiver Wirbe- lerzeuger besonders effizient und bei vergleichsweise gerin- gen Druckabfall innerhalb des Strömungsmediums Stoff-und Energieströme erzeugen und/oder verstärken. Daher ist das Verfahren zur Erzeugung von Wirbeln durch aktive Wirbelerzeu- ger besonders geeignet für verschiedene technische Anwendun- gen, beispielsweise zum Transportieren oder Mischen von Strö- mungsmedien, zur Effizienzsteigerung von Gitterströmungen und zur Kühlung thermisch besonders belasteter Bauteile.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re darin, dass durch die nunmehr vorgesehene Verwendung peri- odisch bewegter Wirbelerzeuger Wirbel mit vergleichsweise ge- ringen energetischen Aufwand erzeugt werden können. Die peri-

odische Bewegung der Profile lässt sich dabei technisch ver- gleichsweise einfach durch die Verwendung eines äußeren me- chanischen, elektrischen oder elektro-hydraulischen Antriebs umsetzen. Bei der Verwendung aktiver im Gegensatz zu der pas- siver Wirbelerzeuger lassen sich in einem Strömungsmedium Stoff-und Energieströme erzeugen und/oder wirkungsvoll ver- stärken bei gleichzeitig besonders geringen Druckverlusten innerhalb des Strömungsmediums. Der niedrige Druckverlust lässt sich dabei darauf zurückführen, dass aktive Wirbeler- zeuger durch sehr geringe Widerstände gekennzeichnet sind.

Aktive Wirbelerzeuger haben aufgrund der erwähnten günstigen technischen Eigenschaften eine Vielzahl von Anwendungsmög- lichkeiten. Durch die Verwendung aktiver Wirbelerzeuger kann beispielsweise die Gitterströmung im Verdichter einer Gastur- bine effizienter gestaltet und der Clocking-Effekt verstärkt genutzt werden. Auch die Kühlung thermisch belasteter Bautei- le kann durch aktive Wirbelerzeuger verbessert und somit Kühlluft eingespart werden. Des Weiteren ist durch die Ver- wendung aktiver Wirbelerzeuger eine gründlichere Mischung beispielsweise von Brenngas und Luft vor der Verbrennung zur Reduktion der NOx-Emissionen möglich. Somit kann eine Erhö- hung des Wirkungsgrades der Gasturbine und eine Reduktion ih- rer Emissionen mit vergleichsweise geringem technischen Auf- wand erzielt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen : FIG 1 ein von einem Strömungsmedium umströmtes Profil, an dessen Hinterkante ein Wirbel erzeugt wird, FIG 2 verschiedene Ausführungen einer ein oder mehrere Profile umfassenden Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbeln in einem Strömungsmedium,

FIG 3 eine Strecke zum Transport eines Strömungsmediums, die eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbeln um- fasst, FIG 4 eine weitere Strecke zum Transport eines Strömungs- mediums, FIG 5 einen in die Ebene abgerollten zylindrischen Schnitt durch eine Leitschaufel-und Laufschaufel- reihe einer Gasturbine, der eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbeln vorgeschaltet ist, FIG 6 eine Vorrichtung zur Kühlung thermisch belasteter Bauteile, und FIG 7 eine Vorrichtung zum Mischen eines Strömungsmedi- ums.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei- chen versehen.

FIG 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbeln mit einem von einem Strömungsmedium S umströmten Profil 1, das sich beispielsweise in einem in FIG 1 nicht dargestellten Strömungskanal befinden kann. Die Strömungsrichtung des Strö- mungsmediums S ist durch die Pfeile 2 in der Art von Stromli- nien angedeutet. Das Profil 1 ist durch einen in FIG 1 nicht dargestellten äußeren Antrieb bewegbar, wobei die Bewegung sich im allgemeinen aus einer Verschiebung des Profils 1 um eine Strecke x und einer Rotation des Profils 1 um einen Win- kel 9 zusammensetzt. Die Bewegung erfolgt periodisch mit ei- ner Kreisfrequenz. Bei der Bewegung des Profils 1 relativ zum Strömungsmedium S bilden sich während jeder Periode der Bewegung zwei Wirbel an der Hinterkante 4 des Profils 1, die unmittelbar nach ihrer Bildung wachsen, kurze Zeit an der Hinterkante 4 haften und sich dann ablösen.

Die sich bildenden Wirbel lassen sich vergleichsweise reali- stisch mit Hilfe des"Finite Kantenwirbel Modells"beschrei- ben. Im Rahmen dieses Modells werden sich an der Hinterkante 4 des Profils 1 bildende Wirbel nicht als ideale Wirbel, son- dern als Wirbel mit scharf definiertem Radius und starr ro- tierendem Kern beschrieben. In FIG 1 ist ein solcher, so ge- nannter"Finiter Kantenwirbel"6 dargestellt. Der Finite Kan- tenwirbel 6 wird unmittelbar nach seiner Bildung an der Hin- terkante 4 des umströmten Profils 1 durch auf sein Zentrum zuströmendes Strömungsmedium S bis zu seinem Radius a aufge- füllt und in Rotation versetzt. Seine Rotationsgeschwindig- keit nimmt während der anschließenden"Haftungsphase"weiter zu, wo der Finite Kantenwirbel 6 eine Netto-Durchströmung mit Strömungsmedium S erfährt und die Komponente der Strömung aus der Richtung der Hinterkante 4 bis zu einem maximalen Wert zunimmt. Der Finite Kantenwirbel 6 löst sich in dem Moment, in dem dieser maximale Wert erreicht ist, von der Hinterkante 4 ab. Während der Haftungsphase induziert die Rotation des Finiten Kantenwirbels 6 eine Tangentialströmung entlang der Profiloberfläche, die so genannte"Mantelströmung ». Die Man- telströmung tritt in Wechselwirkung mit dem anströmenden Strömungsmedium S, wobei ein orthogonales Kräftepaar, der Vortrieb V, angedeutet durch den Pfeil 8, und der Widerstand W, angedeutet durch den Pfeil 10, entsteht.

Der Charakter der Wechselwirkung zwischen Strömungsmedium S und Profil 1 hängt maßgeblich davon ab, welche der beiden Kräfte dominiert. Wie sowohl theoretische Untersuchungen im Rahmen des"Finite Kantenwirbel Modells als auch experimen- telle Befunde zeigen, ist bei einer Bewegung des Profils 1 mit einer verhältnismäßig hohen Kreisfrequenz o der Vor- triebscharakter der Wechselwirkung dominierend und es wird Energie vom Profil 1 auf das Strömungsmedium S übertragen.

Bei einer Bewegung mit niedriger Kreisfrequenz N dagegen do- miniert ihr Widerstandscharakter und die Energieübertragung erfolgt umgekehrt vom Strömungsmedium S auf das Profil 1.

Das verhältnismäßig einfache"Finite Kantenwirbel Modell"er- laubt im Gegensatz zur klassischen Tragflügeltheorie die Be- schreibung der Umströmung eines beschleunigt bewegten Profils 1. Somit macht es den gezielten Einsatz von aktiven Wirbeler- zeugern, die also eine Anzahl von beschleunigt bewegten Pro- filen 1 umfassen, möglich. Ein beschleunigt bewegtes Profil 1 weist im Gegensatz zu einem starren einen erheblich geringe- ren dynamischen Widerstand auf. Mit anderen Worten : Ein be- wegtes Profil 1 verursacht einen erheblich geringeren Druck- verlust innerhalb des Strömungsmediums S als ein starres. Es lässt sich somit beispielsweise zum effizienten Transportie- ren oder Mischen von Strömungsmedien S einsetzen, wobei man aufgrund des geringen dynamischen Widerstandes des Profils 1 einen vergleichsweise hohen Durchsatz an Strömungsmedium bei gleichzeitig niedrigem Druckverlust erzielt.

Es sind verschiedene Arten der periodischen Bewegung des Pro- fils 1 denkbar. FIG 2 zeigt verschiedene Möglichkeiten der periodischen Bewegung des Profils 1 relativ zum Strömungsme- dium S. Das Strömungsmedium S durchströmt in der von dem Pfeil 2 angedeuteten Richtung einen Strömungskanal 12. Wie in FIG 2a dargestellt kann im Strömungsmedium S ein Finiter Kan- tenwirbel 6 erzeugt werden, indem ein Profil 1 in senkrecht zur Strömungsrichtung periodisch um eine Strecke x verschoben wird, also eine reine Translationsbewegung ausführt.

FIG 2b zeigt eine andere Möglichkeit der periodischen Bewe- gung des Profils 1, bei der das Profil 1 eine reine Rotati- onsbewegung um eine Drehachse 14 senkrecht zur Strömungsrich- tung um einen Winkel ç ausführt. In technischen Anwendungen ist unter Umständen der Einsatz von Kombinationen von Trans- lations-und Rotationsbewegungen vorteilhaft. Es können auch, wie in FIG 2c gezeigt, mehrere Profile 1 zur Erzeugung von Wirbeln eingesetzt werden. Mit einer Konstellation wie in FIG 2c, bei der ein Paar von Profilen 1 am Ausgang eines im Strömungskanal 12 angeordneten weiteren Strömungskanals 16 im Gegentakt oder Gleichtakt schwingt, lassen sich beispielswei-

se zwei im Strömungskanal 12 und im Weiteren Strömungskanal 16 strömende Strömungsmedien effizient vermischen und/oder transportieren. Bei einer solchen Anordnung lösen sich in je- der Schwingungsperiode der Profile 1 zwei Paare von Finiten Kantenwirbeln 6 von den Profilhinterkanten 4 ab und bilden einen so genannten Nachlauf 18 im Strömungskanal 12. FIG 2d zeigt eine Vorrichtung zum Erzeugern von Finiten Kantenwir- beln 6 ohne periodisch bewegte Komponenten. Wiederum ist hier innerhalb eines Strömungskanals 12 ein weiterer Strömungska- nal 16 angeordnet, der mit einem Strömungsmedium S durch- strömt wird. Allerdings durchströmt das Strömungsmedium S des Weiteren Strömungskanal 16 mit einer periodischen Variation seines Massenstromes m. Am Austritt 22 des Weiteren Strö- mungskanals bildet sich in jeder Periode ein Paar Finiter Kantenwirbel 6, das sich nach der Haftungsphase ablöst und im Strömungskanal 12 einen Nachlauf 18 bildet.

Wie Berechnungen im Rahmen des Finiten Kantenwirbel Modells ergeben haben, sollten die Profile 1 in ihrer Form und Dimen- sionierung gewissen Regeln folgen. Insbesondere sollten die Profile 1 eine möglichst lange, aber scharfe Hinterkante 4 aufweisen, so dass die maximale Strömungsgeschwindigkeit an der Hinterkante 4 möglichst hoch ist und der entstehende Fi- nite Kantenwirbel 6 einen vergleichsweise kleinen Radius auf- weist. Eine harmonische Schwingungsform des Profils 1 ist da- bei nicht in jedem Fall wünschenswert, um eine lange Haf- tungsphase des Finiten Kantenwirbels 6 und einen hohen Vor- trieb zu erzielen. Je nach Anwendungsgebiet des Wirbelerzeu- gers müssen Schwingungsfrequenz und-amplitude, die Lage der Drehachse 14 bei einer Rotation und die allgemeine Form des Profils 1 so optimiert werden, dass mit möglichst geringem äußeren Antrieb und bei niedrigem Druckabfall eine optimale Energieübertragung zwischen Profil 1 und Strömungsmedium S stattfindet.

Aufgrund der günstigen Eigenschaften der Finiten Kantenwirbel 6 lässt sich ihre Erzeugung beispielsweise zum Transportieren

eines Strömungsmediums nutzen. FIG 3 zeigt eine Strecke zum Transport eines Strömungsmediums, die eine Vorrichtung zur Erzeugung von Finiten Kantenwirbeln 6 umfasst. Wie in FIG 3a zu erkennen ist, sind in einem Strömungskanal 12 mehrere, beispielsweise drei, Profile 1 angeordnet, die eine periodi- sche Bewegung im Gleichtakt ausführen. Die periodische Bewe- gung kann in einer Rotation um den Winkel p um eine Drehachse 14 oder auch in einer Kombination der Rotation mit einer pe- riodischen Verschiebung des Profils 1 bestehen. An den jewei- ligen Hinterkanten 4 der im Gleichtrakt schwingenden Profile 1 entstehen in jeder Periode jeweils zwei Finite Kantenwirbel 6. Die von den Profilen 1 durch die Wirbelbildung auf das Strömungsmedium S übertragene Energie wird für den Transport des Strömungsmediums S durch den Strömungskanal 12 genutzt.

Führen die Profile 1 eine reine Rotationsbewegung aus, können sie durch den in FIG 3b dargestellten äußeren Antrieb ange- trieben werden. Die Profile 1 sind dazu im Bereich ihrer Hin- terkante 4 an einer Verbindungsstange 23 angebracht, die über einen Gelenkhebel 24 mit einem Kurbelantrieb 26 verbunden ist. Im Betriebsfall des Wirbelerzeugers bewegt der Kurbelan- trieb 26 die Verbindungsstange 23 auf und ab und treibt somit die Rotation der Profile 1 um ihre jeweilige Drehachse 14 an.

Führen die Profile 1 dagegen eine Kombination aus Translati- ons-und Rotationsbewegung aus, können sie durch den in FIG 3c dargestellten äußeren Antrieb angetrieben werden. Die dargestellte Antriebsvorrichtung umfasst dazu eine Verbin- dungsstange 23, an denen das oder die Profile 1 in ihrem hin- teren Bereich angebracht sind sowie eine weitere Verbindungs- stange 30, die die Profile 1 in ihrem vorderen Bereich mit- einander verbindet. Sowohl die Verbindungsstange 23 als auch die weitere Verbindungsstange 30 führen im Betriebsfall der Vorrichtung eine periodische Bewegung in Aufwärts-und Ab- wärtsrichtung aus, die durch einen elektromagnetischen An- trieb 27 beziehungsweise über einen weiteren elektromagneti- schen Antrieb 28 bewirkt wird. Um eine Rotation der Profile 1 um die Drehachse 14 zu erzielen, arbeiten der elektromagneti-

sche Antrieb 27 und der weitere elektromagnetische Antrieb 28 nicht gleichphasig. Stattdessen kann der elektromagnetische Antrieb 27 einen Phasenvorlauf um 90 Grad gegenüber dem wei- teren elektromagnetischen Antrieb 28 aufweisen. Die Profile 12 führen somit eine Kombination aus einer Translationsbewe- gung um die Strecke x und einer Rotationsbewegung um den Win- kel ç innerhalb des Strömungskanals 12 aus.

Durch den Einsatz der in FIG 3 dargestellten Vorrichtung durch einen Strömungskanal 12 lässt sich das Strömungsmedium S besonders effizient durch einen Strömungskanal 12 transpor- tieren. Wie Berechnungen im Rahmen des"Finite Kantenwirbel Modells'ergeben haben, stellt die periodische Bewegung der Profile 1 nämlich sicher, dass besonders effizient Energie von den Profilen 1 auf das Strömungsmedium S übertragen wird.

Insbesondere lässt sich auf diese Weise der auf den Druckver- lust bezogene Durchsatz an Strömungsmedium S durch den Strö- mungskanal 12 maximieren.

Für den effizienten Transport eines Strömungsmediums S durch einen Strömungskanal 12 sind auch im Gegentakt schwingende Profile 1 geeignet, wie sie in FIG 4 dargestellt sind. FIG 4a zeigt eine alternative Strecke zum effizienten Transportieren eines Strömungsmediums S. Innerhalb eines Strömungskanals 12 ist ein weiterer Strömungskanal 16 beispielsweise konzen- trisch angeordnet, an dessen Austritt ein Paar Profile 1 an- geordnet ist, die jeweils periodische Rotationsbewegungen ausführen. Sie schwingen dazu im Gegentakt, also mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad und erzeugen an ihrer Hinter- kante 4 pro Periode jeweils zwei Finite Kantenwirbel 6, die sich nach ihrer Haftungsphase von den Hinterkanten 4 ablösen und im Strömungskanal 12 einen Nachlauf 18 erzeugen. In tech- nischen Anwendungen kann es beispielsweise zur Nutzung der Nachlauf-Restenergie günstig sein, die abgelösten Wirbel ganz oder teilweise wieder zu vernichten. Dazu kann den Profilen 1 strömungsmediumseitig ein in FIG 4 nicht dargestellter Wir- belvernichter nachgeschaltet sein.

FIG 4b zeigt einen zum Betreiben des in FIG 4a dargestellten Wirbelerzeugers geeigneten Antrieb. Dazu umfasst der Antrieb einen elektromagnetischen Antrieb 27, der einen hydraulisch arbeitenden Arbeitszylinder 32 ansteuert, und zwei Gelenkhe- bel 24, die an den Profilen 1 angebracht sind und über ihre durch den Arbeitszylinder 32 hervorgerufene Bewegung eine Ro- tation der Profile 1 um ihre jeweilige Drehachse 14 bewirkt.

Außer zum effizienten Transport eines Strömungsmediums können aktive Wirbelerzeuger auch in verschiedenen anderen techni- schen Bereichen zur Anwendung kommen. FIG 5 stellt das Prin- zip der Anwendung von aktiven Wirbelerzeugern zur Effizienz- steigerung einer Gitterströmung dar. Dazu wird einem axialen Gitter, in FIG 5a dargestellt durch einen zylindrischen, in die Ebene abgerollten Schnitt, eine Anzahl von aktiven Wirbe- lerzeugern vorgeschaltet. FIG 5a zeigt eine eine Anzahl von Leitschaufeln 34 umfassende Leitschaufelreihe 33 einer Gas- turbine, der strömungsmediumseitig eine eine Anzahl von Lauf- schaufeln 36 umfassende Laufschaufelreihe 35 nachgeschaltet ist. Die Leitschaufelreihe 34 und die Laufschaufelreihe 36 sind in einem nicht näher dargestellten Strömungskanal ange- ordnet, der vom Strömungsmedium S in der von dem Pfeil 2 an- gedeuteten Richtung durchströmt wird. Der Leitschaufelreihe 34 ist eine Wirbelerzeugerreihe 38 strömungsmediumseitig vor- geschaltet, die eine Anzahl von Profilen 1 umfasst. Die Pro- file 1 sind so ausgelegt, dass sie von einem äußeren Antrieb um ihre jeweilige Drehachse 14 rotiert werden. Während einer vollständigen Schwingungsperiode der Profile 1 erzeugt jedes Profil 1 an seiner Hinterkante 4 zwei Finite Kantenwirbel 6, die sich nach der Haftungsphase ablösen und sich auf der durch den Pfeil 40 angedeuteten Bahn durch den Strömungskanal bewegen. Die Finiten Kantenwirbel 6 bewegen sich durch die von den Profilen 1 auf sie übertragene Energie auf ihrer Bahn um die Leitschaufeln 34 herum und treffen auf die den Leit- schaufeln 34 strömungsmediumseitig nachgeschalteten Lauf- schaufeln 36, an die sie ihre Energie abgeben. Die auf diese

Weise erzeugten Strömungspulse steigern die Effizienz der Gitterströmung unter anderem durch die Nutzung des noch nicht vollständig verstandenen so genannten"Clocking-Effektes", eines Effektes, der auf der aerodynamischen Wechselwirkung verschiedener Gitter miteinander beruht und der zum Tragen kommt, wenn die Gitter eine genau definierte Position zuein- ander einnehmen. Der bereits bei der Positionierung der Leit- schaufeln 34 relativ zu den Laufschaufeln 36 genutzte Clo- cking-Effekt wird durch die Erzeugung von in Dauer und Fre- quenz zur Bewegung der Laufschaufeln 36 passend erzeugten Strömungspulsen durch die Profile 1 weiter verstärkt. Er er- höht die Effizienz der Gitterströmung messbar und kann somit zur Effizienzsteigerung beispielsweise einer Gasturbine und damit zur Senkung ihrer Emissionen beitragen.

In FIG 5b ist ein möglicher Antrieb für die in FIG 5a darge- stellten Profile 1 gezeigt. Die Profile 1 sind im Bereich ih- rer Hinterkante 4 auf einer gemeinsamen Verbindungsstange 23 angebracht und in ihrem vorderen Bereich auf einer weiteren Verbindungsstange 30 um ihre jeweilige Drehachse 14 drehbar gelagert. Im Betriebsfall des Wirbelerzeugers bewegt der elektromagnetische Antrieb 27 über den hydraulisch arbeiten- den Arbeitszylinder 32 die Verbindungsstange 23 nach oben bzw. nach unten. Es resultiert eine gleichphasige Drehung der Profile 1 um ihre jeweilige Drehachse 14.

Der Wärme- und Stoffaustausch in einem Strömungsmedium quer zu seiner Strömungsrichtung kann durch dem Strömungsmedium aufgeprägte Geschwindigkeitsfluktuationen erheblich erhöht werden. Solche Geschwindigkeitsfluktuationen lassen sich be- sonders einfach und mit vergleichsweise geringem Druckverlust im Strömungsmedium durch den Einsatz aktiver Wirbelerzeuger aufprägen. FIG 6 zeigt eine Anordnung, in der von den Profi- len 1 erzeugte Finite Kantenwirbel 6 zur Kühlung thermisch besonders belasteter Bauteile genutzt werden können. Dazu ist in einem Strömungskanal 12 beispielsweise einer Gasturbine eine Anzahl von Profilen 1, beispielsweise drei Profile 1,

auf einer gemeinsamen Verbindungsstange 23 angeordnet. Die Verbindungsstange 23 kann durch einen äußeren Antrieb in die durch den Pfeil 42 angedeutete Richtung periodisch aufwärts und anschließend wieder abwärts bewegt werden. Der Antrieb der Verbindungsstange 23 kann dabei mechanisch wie in FIG 6a oder alternativ dazu elektromagnetisch wie in FIG 6b erfol- gen. Die Profile 1 führen im Betriebsfall aufgrund des äuße- ren Antriebs eine Translationsbewegung um die Strecke x in- nerhalb des Strömungskanals 12 aus und prägen dem Strömungs- medium S dadurch das Geschwindigkeitsprofil p auf. Die an den bewegten Hinterkanten 4 der Profile 1 entstehenden und sich von den Profilen 1 ablösenden Finiten Kantenwirbel 6 wiederum prägen dem Geschwindigkeitsprofil p periodische Geschwindig- keitsfluktuationen auf, die den Wärmeaustausch quer zur Strö- mungsrichtung erheblich erhöhen und somit zur erwünschten Verbesserung der Kühlung der Wand 44 beitragen. Insbesondere ist die Verbesserung der Kühlungswirkung der Strömung auf die stromauf Verschiebung des laminar-turbulenten Umschlagpunktes der Strömung durch den Einsatz des Wirbelerzeugers zurückzu- führen. Dadurch wird der Wärmeübergangskoeffizient deutlich erhöht und die Kühlwirkung verbessert. Somit kann bei einer gleichen Temperatur der Wand 44 Strömungsmedium S eingespart oder bei gleichem Aufwand an Strömungsmedium S eine Lei- stungs-und Wirkungsgraderhöhung der Gasturbine erzielt wer- den.

Der durch den Einsatz eines Wirbelerzeugers erhöhte Stoffaus- tausch quer zur Strömungsrichtung kann auch zum Mischen von Strömungsmedien miteinander genutzt werden. Dazu ist wie in FIG 7a dargestellt in einem von einem Strömungsmedium S in der Richtung des Pfeils 2 durchströmten Strömungskanal 12 ein Profil 1 abgeordnet, das durch einen äußeren Antrieb perio- disch bewegt wird. Dabei erfolgt der Antrieb, wie in FIG 7b dargestellt, mechanisch über eine Kurbelschleife. Das sich periodisch bewegende Profil 1 erzeugt während jeder Periode zwei Finite Kantenwirbel 4, die an seiner Hinterkante 4 ent- stehen und sich nach der Haftungsphase ablösen. Die auf diese

Weise gezielt erzeugten Turbulenzen stellen eine effiziente Mischung des Strömungsmediums S sicher, das beispielsweise aus mehreren Komponenten wie Luft und Brenngas oder leichtem Heizöl und Wasser bestehen kann, die miteinander vermischt werden sollen. Im Falle einer Gasturbine lässt sich durch die besonders gründliche Vermischung von Brenngas und Luft eine vollständige Verbrennung des Brenngases und damit eine Sen- kung der NOx-Emissionen der Gasturbine erzielen. Dem Profil 1 zur Erzeugung von Wirbeln kann strömungsmediumseitig ein in FIG 7 nicht dargestelltes Profil zur Vernichtung von Wirbeln nachgeschaltet sein, falls eine turbulente Strömung im Weite- ren Verlauf nicht erwünscht ist.