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Kavitationsfreie Ausbildung von Spalten von hydraulischen Einrichtungen, insbesondere von hydrau- lischen Kreiselmaschinen, zwischen Gebieten verschiedenen Druckes.
Bei hydraulischen Kreiselmaschinen. also Wasserturbinen oder Kreiselpumpen, gibt es spalt- artige Durchgänge zwischen Gebieten verschiedenen Druckes, wie z. B. bei den Zwischenräumen zwischen den Laufradschaufeln und dem Laufradring, und beim Durchfluss des Wassers durch diese Spalte (es handelt sieh hier um Spalte, deren Wandabstand unveränderlich ist) besteht bekanntlich die Möglichkeit der Bildung von Hohlräumen, den sogenannten Kavitationen, die Korrosionen verursachen, Die Er- findung bezieht sich darauf, die Begrenzungswände solcher Spalte so auszubilden, dass Kavitationen vermieden werden.
Gewöhnlich schliesst mindestens einer der die Spalte bildenden Teile, z. B. die Schaufel a (Fig. 1) - mit b ist der Laufradring bezeichnet-scharfkantig ab. und die Flüssigkeit erleidet am Einlauf, also an der Seite des höheren Druckes Pi eine Kontraktion. Wegen der teilweisen Energierückgewinnung in der nachfolgenden Mischungszone entsteht im kontrahierten Strahlquersehnitt ein statischer Druck, der kleiner ist als der Druck P2 auf der Seite des niedrigeren Druckes.
Dieser Umstand bewirkt, dass im engsten Strahlquersehnitt Hohlraumbildung auftritt, u. zw. wenn der absolute statische Druck P2 klein genug gegenüber der Differenz der statischen Drücke Pj und P2 ist weil der mittlere Druck im kontrahierten Strahl bis zur Dampfspannung herabsinkt und, wenn der absolute statische Druck P2 gegenüber der Druckdifferenz zwischen Pj und P2 gross ist. weil in dem lokalen Wirbelkern der Mischungszone immer so hohe Rotationsgeschwindigkeiten erzeugt werden, dass der Druck in diesem Kern bis auf die Dampfspannung der Flüssigkeit herabsinkt.
In gleicher Weise treten auch unmittelbar beim Austritt der Flüssigkeit an der Seite des niedrigeren Druckes des Spaltes infolge Wirbelbildung durch Aufrollen der Trennungsfläche zwischen Gebieten verschiedener Geschwindigkeiten Kavitationserscheinungen auf.
Wegen der bekannten schädlichen Wirkung der Hohlraumbildung werden die mit einer Kreuzschraffur in Fig. 1 angedeuteten Flächen besonders leicht korrodieren.
Gemäss der Erfindung wird der Spalt nun so gestaltet, dass eine bis zum Austritt oder auch noch darüber hinaus stetig beschleunigte Strömung hervorgerufen wird. Dies hat zur Folge, dass im ganzen Spaltraum die mittleren Drücke stets höher bleiben als der Druck P2, dass aber ferner auch wegen der Vermeidung von örtlichen Wirbelkernen keine lokalen Unterdrücke entstehen können.
Da überdies durch Wegfallen der Strahlkontraktion und der durch sie bedingten nachfolgenden Energieverluste am Spaltende die volle, dem Druckunterschied zwischen PI und P2 entsprechende Geschwindigkeitsenergie vorhanden ist, so werden die durch Aufrollen der Trennungsfläche entstandenen Wirbel vom Ende des Spaltes weg in das Innere der Flüssigkeit verlegt und dadurch unschädlich gemacht.
Zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens genügt es nun keineswegs, die Spaltwände nur so zu gestalten, dass sich der Spalt in der Strömungsrichtung allmählich verändert, etwa dadurch, dass der Spalt konisch ausgeführt und die Eintrittskanten leicht abgerundet werden. Bei den meist sehr hohen Geschwindigkeiten in Spaltströmungen darf das Druckgefälle nach den Wänden hin, welches durch die Zentrifugalkräfte entsteht, nicht mehr vergrössert werden, weil es sonst bei ungeeignet gekrümmten Spaltwänden zu Ablösungen des Strahles und damit zu Kavitationen kommen kann :
in diesem Falle wird nämlich die Flüssigkeit zunächst bis zum engsten Ablösequerschnitt beschleunigt und anschliessend
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im Spalt unter Mischungsvorgängen verzögert, was die geschilderten schädlichen Vorgänge zur Folge haben würde.
Gemäss der Erfindung müssen die Spaltwände in allen Fällen so gestaltet werden, dass alle Flüssigkeitsteilchen innerhalb des Spaltes stetig so beschleunigt werden, dass an keiner Stelle Kavitation durch
Ablösung entstehen kann, wobei der Abstand der Spaltwände selbst quer zur Strömungsriehtung stets unverändert bleibt. Diese Forderung muss auch dann erfüllt werden, wenn, wie dies praktisch oft der Fall sein kann, aus konstruktiven Gründen das Ende des Spaltes mit parallelen Wänden ausgeführt werden muss ; Bedingung ist dabei nur, dass der Übergang des gekrümmten Wandprofils in die Gerade mit genügend grossem Krümmungsradius erfolgt.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Spaltes zwischen Laufradschaufel a und Laufradring b gemäss der vorliegenden Erfindung.
Diese Form ist natürlich keineswegs die einzig mögliche ; es lässt sieh vielmehr eine ganze Reihe von Formen ermitteln, bei denen an keiner Stelle Kavitation durch Ablösung entstehen kann. Bedingung hiefür ist lediglich die Einhaltung der durch Rechnung und Versuch ermittelten Grenzbedingungen : der Radius r der Abrundung an der Einlaufseite darf, wenn d der senkrechte Abstand zwischen der Überdruekseite und der Unterdruekseite ist, 0'35 d und die Schräge der Spaltbegrenzung gegen die senkrechte Durchströmrichtung 30 nicht unterschreiten. Grössere Abrundung und Schräge als die angegebenen lassen Ablösungen nicht mehr zu.
Das, was hier für die Spalte, die bei hydraulischen Kreiselmaschinen aller Art vorkommen, gesagt worden ist, gilt natürlich in gleicher Weise auch für Spalte, die bei andern Einrichtungen zwischen Gebieten verschiedenen Flüssigkeitsdruckes vorkommen, wo also gleichfalls dafür Sorge getragen werden muss, dass keine Hohlraumbildung und die hiedurch verursachten Korrosionen auftreten.