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Vorrichtung zum Fördern und Verdichten von Gasen mittels eines durch eine Kraftmaschine angetriebenen Laufrades unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeit.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern bezw. Verdichten von Gasen mittels eines kreisende Laufrades unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeit. Gase unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeit, vor allen Dingen mittels Wassers, zu verdichten, ist an sich bekannt. Bei allen bekannten Vorrichtungen benutzt man jedoch die Fliehkraft in der Weise, dass einem umlaufenden Kreiselrad Wasser von innen zugeführt wird, dem dann beim Durchgang durch die Laufradkanäle eine hohe Geschwindigkeit erteilt wird, worauf es gegen ein feststehendes Leitrad geschleudert wird, in dem die Verdichtung des Gases erfolgt.
Es wurde dabei die Anordnung so getreten, dass das Gas mit der Fliissigkeit durch das Kreiselrad hindurchgeleitet oder dass das Kreiselrad lediglich zur Erzeugung umlaufender Wasserstrahlen benutzt wurde, die dann ihrerseits das Gas durch den zwischen dem Lauf- und Leitrad befindlichen Spalt ansaugten, sie in das Leitrad mit hineinrissen und hier verdichteten.
Die Erfindung geht den entgegengesetzten Weg, indem der Hilfsflüssigkeit durch das kreisende Laufrad keine Fliehkraft erteilt wird, bei der also die Energie zum geringsten Teil in Geschwindigkeit, zum grössten Teil in Druck umgesetzt wird. Es werden zu dem Zweck Wasserstrahlen auf die Schaufelenden des umlaufenden Rades gespritzt, die durch die Schaufeln in einzelne Wasserkolben zerteilt werden. Diese Wasserkolben wandern dann durch die Laufradkanäle hindurch, indem zwei Kolben immer zwischen sich einen gewissen Rauminhalt Gas einschliessen.
Die Erscheinung beruht einmal auf dem Beharrungsvermögen der Massen, und zwar in diesem Falle der Flüssigkeitskolben, und zweitens auf der Keilwirkung, die die Schaufeln vermöge ihrer Gestaltung auszuüben imstande sind.
Die Vorrichtungen, in denen die Luft im Laufrad selbst durch die Fliehkraftwirkung ver- dichtet wird. demgemäss das Laufrad innen beaufschlagt und das Gas von innen nach aussen geschleudert wird, leiden an folgendem Nachteil : Das zu f (irdernde Gas hat bei seinem Eintritt einen viel grosseren Rauminhalt als bei seinem Austritt. Wenn es sich z. B. um eine Luftpumpe handelt, die aus einem vorzüglichen Vakuum gegen die Aussenluft fördern soll, ist das Verhältnis
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und das Laufrad beikommt bei hoher Umlauf-'zahl eine so grosse Umfangsgeschwindigkeit, wie sie für den Verdichtungsvorgang rechnerisch gar nicht erforderlich ist. Die Pumpe arbeitet unwirtschaftlich.
Wählt man die Umlaufszahl klein, scrwird die Antriebsmaschine gross und teuer und die ganze Maschine nimmt viel Platz ein. Zudem ist die Möglichkeit ausgeschlossen, eine derartige Luftpumpe unmittelbar, z. B. durch eine Dampfturbine, anzutreiben. Um eine grosse Verdichtung zu erzielen, müssten die Laufkanäle nach aussen hin sehr stark verengt sein. Sie würden demnach nur einen geringen Teil des äusseren Radumfanges ausfüllen und der ganze übrige Teil wäre toter Raum. Das Laufrad würde zu seinem grössten Teil sich im Druckraum bewegen, wo sich bereite Luft mit hohem spezifischen Gewicht befindet.
Dadurch würde es grosse Rfibumg tuid grossen Energieverlust erzeugen.
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der wesentlich beiträgt, diese Erfindung für die Praxis brauchbar zu machen. Wenn als Hilfsmittel Wasser verwendet wird, so darf seine Eintrittsgeschwindigkeit in den Pumpenraum nicht zu gross sein. Es würde dies eine zu grosse Beschleunigungsdruckhöhe bedingen, was auf Kosten der von der Pumpe überwindbaren Saughöhe geht ; die Pumpe könnte dann nur aus geringer Höhe oder gar nicht ansaugen oder das Wasser müsste ihr sogar zufliessen. Sie wäre also nicht für alle erwünschten Fälle verwendbar. Ist aber die Wassergeschwindigkeit klein und soll doch eine grosse Luftmenge bei nicht gar zu grosser Schaufelbreite angesaugt werden, so muss der Durchmesser des Eintrittskreises gross sein.
Diese Bedingung zielt wieder darauf hin, den Eintritt nach aussen hin zu verlegen. Der innen liegende Austrittskreis des Laufrades erhält hiebei noch genügende Umfangsgeschwindigkeit, um den verlangten Gegendruck überwinden zu können.
Bei dem Gegenstand der Erfindung wird in bekannter Weise zum Fördern des Hauptmittels (Luft, Gas) ein spezifisch viel schwereres Hilfsmittel (Wasser) benutzt. Die Einrichtung ist dem Wesen nach so getroffen, dass aus einer feststehenden Zuleitung eine grössere Anzahl verhältnismässig flacher Wasserstrahlen auf ein Laufrad derart gerichtet werden, dass sie sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit ungefähr senkrecht zur Schaufelkrümmung bewegen. Die im vollen Betrieb befindlichen Laufschaufeln schrauben sich gleichsam in diese Wasserstrahlen hinein und schneiden dabei jedesmal ein Stück heraus, so dass, wie bei anderen bekannten Vorrichtungen, Wasserkolben entstehen, die den Laufkanal vollkommen quer abschliessen. Die Laufschaufeln stülpen sich nun gleichsam über die Wasserkolben hinweg.
Von hier aus schrauben sie sich weiter so lange in die hinter jedem Kolben befindliche Luft, bis sie auf einen neuen Wasserstrahl stossen. Je zwei Wasserkolben schliessen somit einen Luftkolben ein, der nicht mehr entweichen kann. Weil sich der Kanalquerschnitt nach dem Austritt zu allmählich verengt, werden die Wasserkolben in der Richtung der Kanalachse immer länger. Zugleich wird ihre relative Geschwindigkeit infolge der Richtungsänderung der Leitkanäle immer kleiner, so dass die Kolben immer näher aneinander rücken und immer weniger Raum zwischen sich frei lassen. Auf diese Weise wird von den Wasserkolben beim Eintritt in die Laufkanäle eine grosse Luftmenge zwangsweise angesaugt und während ihres Durchganges durch die Laufkanäle auf ein geringes Volumen bezw. auf ein grosses Vielfaches des Anfangsdruckes verdichtet.
In den Fällen, wo mit Hilfe geringer Massen des Hilfsmittels eine grosse Menge des Hauptmittels bewältigt werden soll, werden die Laufkanäle zweckmässig in einer Achse zur senkrecht stehenden Ebene von aussen nach innen geführt. Dadurch erreicht man aussen einen grossen Eintrittsquerschnitt und der zwischen den an sich engen Austrittsquerschnitten der Laufkanäle verbleibende Raum ist im Innern. des Laufrades verhältnismässig gering. Die Abdichtung zwischen Hoch-und Niederdruckraum kann nahe an die Achse verlegt und die Undichtheiten können dadurch klein erhalten werden. Das Laufrad bewegt sich grösstenteils in dem Raum, wo der kleinste Druck, also das kleinste spezifische Gewicht, herrscht ; dies bedingt aber nur geringe Reibung.
Will man zum Fördern verhältnismässig viel Hilfsmittel verwenden, so ist keine so starke Kanatverengung erforderlich, wie im ersten Fall, und es ist nicht nötig, dass die relative Austrittsgeschwindigkeit wesentlich kleiner sei als die relative Eintrittsgeschwindigkeit. Diese Bedingungen lassen sich noch beherrschen durch Kanäle, deren Ein-und Austrittskanten gleiche oder nahezu gleiche Umfangsgeschwindigkeiten haben ; man kann sie also auf einem Zylinder oder auf einem Kegel anordnen. Die Vorrichtung erhält dadurch die einer Schraubenpumpe ähnliche Form.
Weil das Laufrad von Anfang bis zu Ende des Arbeitsvorganges dauernd Energie an die Wasserkolben und damit auch an die Luft abgibt, kann die Vorrichtung gegen einen viel höheren Enddruck arbeiten, als dies bei den Luftpumpen der Fall ist, wo das Laufrad in dem Wasserkolben lediglich eine grosse Geschwindigkeitsenergie aufspeichern muss, die in den feststehenden Leitkanälen zum geringen Teil zur Vordichtung der Luft, zum weitaus grösseren Teile jedoch zur Überwindung der an sich sehr grossen Reibung verwendet wird. Wollte man mit derartigen Pumpen noch grössere Drücke überwinden als die Spannung der Aussenluft, so würde dies eine grössere
Energieaufspeicherung, d. h. eine grössere Anfangsgeschwindigkeit des Wasserkolbens, bedingen.
Damit wird aber auch der Reibungsverlust wieder viel grösser (er wächst etwa mit dem Quadrat der Geschwindigkeit) und der Gewinn an nutzbarer Arbeit wird nur ein ganz geringer. Im be- handelte Falle ist die Anfangsgeschwindigkeit nur bedingt durch die anzusaugende Luftmenge und hat nichts zu tun mit dem Enddruck. Dieser wird lediglich durch die Autrittegeschwindigkeit bedingt. Es ist dies sehr wichtig, weil es sich z. B. oft darum handelt, das verbrauchte Wasser einem hochgelegenen Gradierwerk zuzudrücken oder weil bei Verwendung an Bord das HilfswiMtM-r meist nach einem höher gelegenen Behälter oder über Bord gedrückt worden soll.
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Die Vorrichtung kann auch als Strahlenkondensatot ausgebildet werden. Handelt es sich um die Niederschlagung von wenig Dampf'mit verhältnismässig viel Kühlwasser, so wird sich der ganze Kondensationsvorgang vor dem Laufrad abspielen, indem sich der Dampf bereits an den aus den Düsen tretenden Wasserstrahlen abkühlt. Die in das Laufrad eintretenden Wasser-
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dadurch wird jedoch die Luftförderung beeinträchtigt.
Hinter das Laufrad dieser Vorrichtung kann ein gewöhnliches Kreiselrad oder es können mehrere Kreiselräder mit äusserer oder innerer Beaufschlagung oder es kann eine ein-oder mehrstufige getrennte Pumpe dahinter geschaltet werden, um das Gemisch von Wasser und Luft noch höher zu fördern, als dies durch die Luftpumpe allein in wirtschaftlicher Weise möglich ist.
Die Zeichnung zeigt in den Fig. l bis 4 Ausführungsbeispiele. Fig. 1 veranschaulicht einen Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Luftpumpe, die ein von aussen nach innen arbeitendes Laufrad besitzt, dessen Schaufeln in einer zur Achse senkrecht stehenden Ebene angeordnet sind. Auf der Welle a sitzt fliegend angeordnet das Laufrad b, das sich in dem in Fig. 2 dargestellten Schnitt im Sinne des Uhrzeigers dreht und durch eine beliebige Kraftmaschine angetrieben wird. Die Laufschaufeln c sind von aussen bis innen nach vorn gebogen. Sie sind aussen am Eintritt möglichst dünn und verdicken sich nach innen stark, so dass die übrigbleibende Kanalquerschnitte von aussen nach innen stetig enger'werden.
Das als Hilfsmittel benötigte Wasser tritt durch einen Stutzen d von unten in einen ringförmigen Raum e und von da durch eine Anzahl Düsen ! auf das Laufrad. Diese Düsen werden zweckmässig senkrecht zur Schaufelrichtung gestellt, d. h. die aus den Düsen austretenden Strahlen haben eine Richtung, die senkrecht zu der Fläche der Schaufelenden gerichtet ist. In dem Raume e muss gegenüber dem Saugraum 9 der Pumpe ein so grosser Überdruck herrschen, dass das Wasser aus den Düsen l'mit der der Rechnung entsprechenden Geschwindigkeit ausströmt. Die Wasserkolben werden durch die Laufschaufeln in der oben geschilderten und in der in Fig. 2 schematisch dargestellten Weise nach dem Laufradinnern gefördert, wobei sie die eingeschlossene Luft verdichten.
Luft und Wasser treten abwechselnd nach dem Laufradinnern aus und können durch einen Stutzen h entweder frei abfliessen oder unter Druck nach einem höheren Behälter geleitet werden. Die Luft tritt durch den Stutzen i in den Saugraum 9 und wird dort von den Wasserstrahlen bezw. den Laufschaufeln gefasst. k sind die im Laufrad sich bildenden Wasserkolben, l die von ihnen eingezwängten Luftkolben. Soll die Vorrichtung auch als Kondensator dienen, so tritt Dampf gemeinsam mit der Luft durch den Stutzen i ein.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Förderung in achsialer Richtung vor sich geht. Das Laufrad b ist als Schraubenrad ausgebildet, dessen Schraubengänge sich nach dem Austritt hin verdicken. Die Kanäle können hiebei nach aussen offen oder durch einen mitkreisenden Mantel abgeschlossen sein. Dieser Mantel kann so ausgebildet werden, dass er den Druckraum gegen den Saugraum abdichtet. Das Wasser fliesst durch den wagerechten Stutzen d in den Kanal e und von da durch die Düsen f der Hauptsache nach in achsialer Richtung auf das Laufrad b.
Die Luft tritt in diesem Falle von oben durch den Stutzen i in den Saugraum g ein. Luft und Wasser werden gemeinsam durch den Stutzen A in die Höhe gedrückt. Diese Bauart eignet sich insbesondere auch als Strahlkondensator.
Zum Druckausgleich kann das Laufrad zweiseitigen Einlauf erhalten oder es können je zwei Laufräder gegeneinander arbeiten.
Die Wassermenge und damit der Kraftbedarf können geregelt werden durch Änderung des Druckes im Ringkanal e oder durch Änderung des Austrittsquerschnittes der Düsen j'in irgend einer, z. B. von den Wasserturbinen her bekannten Art. Wo das Wasser der Pumpe unter Druck zufliesst, ist eine Inbetriebsetzung ohne weiters möglich ; wo dies nicht der Fall ist, muss das Wasser durch eine Hilfsvorrichtung so lange angesaugt werden, bis der Unterdruck im Saugraum g gross genug ist, dass das Wasser der Pumpe auch aus einem tieferen Behälter unter Einwirkung der Spannung der Aussenluft zufliesst.
In Fig. 4 ist gezeigt, wie hinter ein in den Fig. 1 und 2 dargestelltes Laufrad b ein gewöhnliches Kreiselrad M ! geschattet ist. In einer derartig zusammengesetzten Pumpe wird demnach das Fördermittel zuerst von aussen nach innen gefördert, dann auf dem kürzesten Wege dem als zweite Stufe dienenden Kreiselrad zugeleitet, von diesem in bekannter Weise von innen nach aussen geschleudert und dabei noch weiter verdichtet.
Sollen ganz geringe Mengen bei nicht allzu hoher Umlaufszahl gefördert werden, so würde ein vollbeaufschlagtes Laufrad zu schmale Laufkanäle erhalten, die eine zu grosse Reibung ergeben würden. Man lässt in diesem Fall das Laufrad nur teilweise beaufschlagen. Das Zurück- strömen des Fördermittels durch die nicht beaufschlagten Laufschenkeln kann man z. B. auf folgende Art verhindern : Man deckt das Laufrad an der Austrittsseite auf einen etwas grösseren
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der Schaufelenden gerichtet ist ; die Richtung kann beliebig sein.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Fördern und Verdichten von Gasen mittels eines durch eine Kraftmaschine angetriebenen Laufrades unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer feststehenden oder umlaufenden Zuleitung Flüasigkeitsatrahlen von aussen auf ein Laufrad geleitet und von dessen Schaufeln in einzelne Kolben unterteilt werden, die unter dem Einfluss der Verengung und der Richtungsänderung der Laufradkanäle in dicke Kolben umgebildet werden, die sich immer mehr nähern und dabei die gasförmigen Körper unter gleichzeitiger Drucksteigerung zwangsweise einschliessen und verdichten.