Einrichtung zur Umsetzung von' Geschwindigkeit in Druck. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck.
Die bisher zu diesem Zwecke benützten Vorrichtungen, bezw. Düsen, sind als kegel- fürmig sich gegen den Austrittsquerschnitt erweiternde Rohre ausgebildet und finden in dieser Form zur Umsetzung von Geschwin digkeitsenergie in Druckenergie strömender Fluida bei Turbinen, Pumpen, Dampfstrahl gebläsen, Luftsaugevorrichtungen und der gleichen mannigfache Verwendung. Da die auf die Düsenlänge bezogene Querschnitts- erweiterung der Düse wegen der Gefahr der Loslösung des Flüssigkeitsstrahles von den Düsenwänden nicht gross sein darf, so erfor dert eine grosse Energieumsetzung auch eine grosse Baulänge der Düse.
Die dadurch ent- .;tehenden Nachteile lassen sich kurz in einer Vergrösserung der Reibungswiderstände und in schistierigen und teuren Einbauverhältnis sen zusammenfassen, welch letztere nicht selten so gross werden, dass eine wirtschaft liche brauchbare Energieumsetzung nicht mehr durchführbar ist. Die vorliegende Erfindung bezweckt diese Nachteile zu vermeiden und den Wirkungs grad der Energieumsetzung derart zu ver bessern, dass diese Umsetzung auch dann noch erfolgreich ausgeführt werden kann, wenn die bisher üblichen Düsenformen kein brauch bares Ergebnis mehr bieten.
Dieser Zweck wird erreicht durch ein den Gesetzen des na türlichen Strömungsverlaufes entsprechende Ablenkung und Ausbreitung des Flüssig keitsstrahls bei gleichzeitiger Umhüllung desselben durch solche Düsenwände, welche die Ausbildung von energieverzehrenden Wirbeln nach Möglichkeit verhindern. Dir" Vermeidung derartiger Wirbel ist die wich tigste Vorbedingung für das Gelingen einer günstigen Energieumsetzung. Strenge genom men könnte auch jede Kreiselpumpe als eine Vorrichtung zur Umsetzung von Geschwin digkeit in Druck aufgefasst werden.
Das Laufrad desselben giesst in einem Leitapparat aus, welcher ebenfalls die Aufgabe hat, die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umzusetzen. Dass dies aber in einem solchen Falle nur sehr unvollkommen geschehen kann, geht aus den erreichten Wirkungsgraden her vor, und ist leicht einzusehen, weil die durch die Drehung des Laufrades unvermeidlich auftretenden Wirbel sich auch in den Leit- apparat fortpflanzen müssen.
Fig. 1 stellt die bisher übliche Bauweise eines Saugrohres für eine Wasserturbine dar. Durch<I>A</I> ist die Sohle und durch<I>U,</I> TV der Unterwasserspiegel eines Kanals angedeutet, in welchem ein Saugrohr der üblichen Bau -eise eingezeielinet ist.
Nach den bisherigen Anschauungen soll die Entfernung H des Saugrohraustritts- querschnittes von der Kanalsohle A minde stens den halben Durchmesser (l jenes Quer schnittes betragen. welcher in der Nähe der trompetenförmigen Abrundung T vorhanden ist. (Tergl. z. B. Camerer, Wasserkraftma- schinen, Leipzig Lind Berlin 1914, Seite 483 Usw.) Dieser grosse Abstand soll angeblich we gen des ungehinderten Abflusses des Wassers notwendig, sein.
Die vorliegende Erfindung bricht mit dieser Anschauung und sieht eine entsprechende Führung des Wassers in der Richtung der Kanalsohle mit folgender Be gründung vor: Das aus dem Saugrohre S strömende Wasser folgt keinesfalls der durch die trompetenförmige Abrundung T vorge zeichneten und gestrichelt eingetragenen Riehtun,()- 1, sondern fliesst in angenähert ach sialer Eiclii=ung im Sinne der Stromlinie 2 weiter, uni etwa im halben Sohlenabstand H in die zur Sohleneinrichtung ungefähr pa rallele Richtung 3 abzubiegen.
Durch eine derartige Strömung ist die Bildung eines um die Stromlinien 2, 3 gelegten Wirbelringes TT' unvermeidlich, dessen schädliche Folgen sich in einer Verringerung des Saugrohrwir- kungsgrades äussern. Es kann durch die bis her übliche trompetenförmige Erweiterung des Austrittsquerschnittes aber auch keine Erhöhung der Energieumsetzung bewirkt werden, weil das Wasser der gewünschten Erweiterung nicht folgen kann.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung unterscheidet sich von den bekannten Ein- riehtungen dadurch, dass sich das Rohr gegen eine benachbarte Bodenwand wenigstens längs eines Teils des Rohrumfanges in der Weise trompetenförmig erweitert, dass die Entfernung des Austrittsquerschnittes von der Rohrmittellinie wenigstens um die Hälfte grösser ist, als der vor der Abrundungsstelle gemessene Rohrdurchmesser, und die lichte Höhe des Austrittsquerschnittes kleiner ist als der fünfte Teil der um diesen Rohrdurch messer verringerten doppelten Entfernung des Austrittsquerschnittes von der Rohrmit tellinie.
Der Erfindungsgegenstand ist auf der Zeichnung in Ausführungsbeispielen veran schaulicht.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines für die gleichen Verhältnisse wie in Fig. 1 entworfenen Saugrohres, nach vorliegender Erfindung; Fig. 3 zeigt den Vertikalschnitt eines Saugrohres, welches für eine grosse Energie umsetzung geeignet ist; Fig. -1 stellt den Grundriss desselben dar; Fig. 5 zeigt den Vertikalschnitt einer Düse, welche behufs Vergrösserung der Ener gieumsetzung mit Zwischenwänden versehen ist, und Fig. 6 den Grundriss derselben.
In den Fig. 4 und 6 ist noch eine durch zwei Seitenwände abgegrenzte keilförmige Düse (N, 0, P) in gestrichelten Linien ge zeichnet.
Des bessern Vergleiches halber wurde in Fig. 2 sowohl die in Fig. 1 gewählte Grösse des untern Rohrdurchmessers d, als auch die Neigung der Düsenerzeugenden E gegen die Düsenmittellinie z=z beibehalten.
Dagegen wurde die Sohle A um den Betrag. la in die Lage A1 gehoben und die trompetenförmige Erweiterung T der Düse so stark vergrössert, dass der grösste Austrittsdurchmesser D dieser Erweiterung wenigstens dreimal so gross ist, als der vor Beginn der trompetenförmigen Erweiterung gesessene Rohrdurchmesser cl. Der Austrittsdurchmesser D ist demnach er lieblich grösser, und .die Höhe B des ringför migen Austrittsquerschnittes wesentlich klei ner, als es den bisherigen Anschauungen ent- spricht.
Auf Grund mehrdimensionaler Be trachtungen, welche durch den praktischen Versuch geprüft und ergänzt wurden, konnte festgestellt. werden, dass eine über den ganzen Düsenaustrittsquerschnitt genügend gleich mässig verteilter Wasseraustritt dann vorhan den ist, wenn,die Höhe B dieses Querschnittes nicht grösser ist, als der fünfte Teil des um den erwähnten Düsendurchmesser d verrin gerten grössten Austrittsdurchmesser D.
Selbstverständlich sind die angegebenen Masse nicht als scharfe Scheidegrenzen aufzu fassen, von welchen an die gewünschte neue Wirkung plötzlich einsetzt, weil ja die Rau heit der Düsenwände, die Geschwindigkeit des Wassers, die Düsenabmessungen und die sonstigen tatsächlichen Betriebsverhältnisse Übergänge schaffen, welche in jedem Falle besonders erwogen werden können. Auf alle Fälle ist es aber zweckmässig, den Austritts durchmesser D soweit als möglich über das angegebene Mindestmass zu vergrössern, weil sich durch diese Massnahme eine erhebliche Zunahme der Energieumsetzung ohne Ver grösserung der Düsenlänge I. (Fig. 2) erzielen lässt.
Da aber bei den üblichen Bauweisen der zulässige grösste 'Sohlenabstand erheblich überschritten, der zulässige kleinste Düsen- ,iustrittsdurchmesser wesentlich unterschrit ten -wird. so ist klar. dass bei der üblichen Saugrohranordnung gerade jene Teile von der Energieumsetzung ausgeschaltet werden, wel che zu einer solchen am besten geeignet sind. Die übliche trompetenförmige Ausweitung des Austrittsquerschnittes ist daher, wie auch versuchsmässig nachweisbar, vollkommen wertlos.
Eine für grosse Energieumsetzung be stimmte Düse zeigt das Ausführungsbeispiei Fig. 3, in welchem der Austrittsdurchmesser D sechsmal grösser gewählt wurde, als der Eintrittsclurchmesser c1. Da bei der Einrich tung nach vorliegender Erfindung die Ener gieumsetzung hauptsächlich in der Umgebung der Bodenwand A, erfolgt, so kann das rohr förmige Düsenstück 8, auch zylindrisch aus geführt werden,
wie dies aus der zur Mittel- linie z-z patallelen Lage der Erzeugenden E zu entnehmen ist. Zur Erzielung der ge wünschten Wirkung ist es aber nicht erfor derlich, als Erzeugende der trompetenförmi- gen Ausweitung eine bis zum Austrittsdurch messer D gekrümmte Linie zu benützen, wie dies im Ausführungsbeispiel Fig. 2 angege ben ist.
Es kann auch, wie Fig. 3 zeigt, nach der Abrundung eine gerade Linie als Düsen erzeugende benützt werden, welche entweder zur Düsenmittellinie geneigt ist, oder auf dieser senkrecht steht. Das erstgenannte Pro fil, welches im Ausführungsbeispiel Fig. 3 durch die vollen Linien a dargestellt ist, hat den Vorteil einer guten Anpassung an den Stromlinienverlauf des Wassers, da nach Früherem die Austrittshöhe B mit wachsen der Entfernung von der Düsenmittellinie ver grössert werden darf.
Es kann aber auch das zur Düsenmittellinie senkrecht stehende Pro fil (b) verwendet werden, welches in der glei chen Figur gestrichelt angedeutet ist. Ein derartiges Profil vereinfacht die Herstellung dieser Düsenwand.
Ist der Unterwasserkanal schmal gegen über dem Düsendurchmesser, dann können Querschnittsversperrüngen eintreten, welche den geordneten Abfluss in diesem Kanal ver mindern. In einem solchen Falle muss der Dü- senaustrittsdurchmesser möglichst verkleinert werden. Um aber dennoch eine genügend grosse Energieumsetzung zu erzielen, kann vorteilhaft eine mit Zwischenwänden ver sehene Düse verwendet werden, wovon Fig. 5 und G ein Ausführungsbeispiel zeigt.
Über die Düse S, ist eine zweite Düse ge schoben, deren Erzeugende C so verlaufen, dass sich der Durchflussquerschnitt gegen den Düsenaustritt hin erweitert. Im Bedarfsfalle können natürlich noch mehrere derartige über einander gelagerte düsenförmige Zwischen wände eingebaut werden.
Die Fig. 5 zeigt beispielsweise zwei solcheDüsenwände. Durch eine solche Massnahme wird aber die Höhe B1 des ganzen Düsenaustrittsquerschnittes gegen über jenen einer Einzeldüse (B) erheblich vergrössert, die Austrittsgeschwindigkeit gleichmässig verteilt und daher auch bei klei- nerv Austrittsdurchmesser der Düse eine grosse Energieumsetzung erzielt.
Bei hohen Diuchflussgeschwindigkeiten ist es jedoch zweckmässig, die Wandreibungs verluste durch Verkleinerung der von der strömenden Flüssigkeit benetzten Oberfläche der Zwischenwände herabzumindern. Dies kann ohne nachteilige Folgen dadurch ge schehen, dass diese Wände an jenen Stellen weggelassen Werden, wo eine Loslösung des Flüssigkeitsstrahls von der äussernDüsenwa.nd nicht zu befürchten ist. Dies ist in der Regel im mittleren Düsenstück der Fall. Es können aber auch- beim Düseneintritt besondere Füli- rungsflä.chen dann entfallen, wenn die Er weiterung des rohrförmigen Düsenteils nicht gross ist.
Die rechte Düsenhälfte der Fig. c"r zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Düse, deren Zwischenwände nur in der Nähe des Ein- und Austrittsquerschnittes angeordnet sind, wie dies durch die vollen Linien (G und E) angedeutet ist. Die Anordnung könnte aber .auch derart getroffen werden, dass die Zwischenwände nur in der Nähe des Eintritts querschnittes angeordnet sind.
Es können aber die Einbauverhältnisse auch derart beschaffen sein, dass es zweck mässig erscheint, das Nasser nicht am ganzen Umfang des Austrittsquerschnittes, sondern nur längs eines Teils desselben abfliessen zu lassen. Dies wird beispielsweise dann der Fall sein, w=enn die Düse in der Nähe einer Kanal wand angeordnet ist. Um bei derartigen Ein bauverhältnissen den Verlauf der natürlichen Strömung nicht zu zerstören, ist die Verwen dung eines keilförmigen Ausschnittes der be schriebenen Düsenformen vorgesehen, wie dies aus dem Grundriss der Fig. 4 und 6 zu entnehmen ist.
Die beiden gestrichelten Li nien r und t entsprechen den beiden Seiten wänden des Düsenkeils<I>N, 0, P,</I> welch letz terer den gewünschten einseitigen Wasserab- fluss ermöglicht. Zu diesem Behufe können die auf der Sohle oder Bodenfläche wenig stens angenähert senkrecht stehenden Seiten- jvä.nde entn@erler tangential an das rohrför- mige Düsenstrich 8,
angeschlossen R#erden. wie dies aus Fig. 4 zu entnehmen ist, oder es können diese beiden Wände durch die Dii- senmittellinie r-r gelegt werden, in welchem Falle dieselben in Meridianebenen liegen, wie dies aus Fig. 6 zu entnehmen ist.
Durch eine solche Lage -tvird der natürliche Strömungs verlauf besser gewahrt, doch ist der in Fig. 6 gestrichelt schraffierte kreissektorförmige DüseneintriUsquerschnitt Q selbstverständ lich in einen runden Querschnitt überzufüh ren, falls der Flüssigkeitsstrahl, dessen Ener gie umgesetzt werden soll, einen solchen Quer schnitt verlangt.
Derartige Düsenkeile mit einseitigem Ausfluss können auch bei )@Tasser- turbinen mit liegender '@Telle als Ersatz der bisher mit Saugrohrkrümmern verbundenen Saugrohre vorteilhafte Verwendung finden, da die übliche K rümmeranordnung für ein grösseres Energieumsetzungsverhältnis unge eignet ist.
Der Einbau einer nach vorliegender Er findung ausgebildeten Düse kann entweder so vorgenommen werden, dass die Kanalsohle A1 gleichzeitig als Bodenfläche der Düse dient, wie dies F.ig. 2 zeigt, oder es kann die Boden wand mit dem Düsengehäuse durch radial gestellte Stege h' verbunden werden, wie dies aus den Fig. 5 und 6 zu entnehmen ist.
Be sonders vorteilhaft erweist sich aber eine ver stellbare Befestigung der Bodenwand nach einer in den Fig. 3 und 4 angegebenen An ordnung, nach welcher die Verstellbarkeit durch Schraubenbolzen<I>f</I> und Muttern<I>7-</I> be wirkt wird. Selbstverständlich könnten zu diesem Zwecke auch andere Klemmvorrich tungen verwendet werden.
Durch ein,- solche Massnahme kann jeder Düsenquerschnitt, für welchen unter den tat sächlich vorhandenen Betriebsverhältnissen die bete Ener;"ieirmsetzung erzielt werden kann. äuch durcliVersuche eingestellt werden.
Eine nach vorliegender Erfindung ausge bildete Düse kann nicht nur als Ersatz der bisher gebräuchlichen Turbinensaugrohre ver- wendet R#erden, sondern. bietet überall dort Vorteile, v-o eine grosse Umsetzung von Ge schwindigkeitsenergie strömender Fluida in Drucli:energie erforderlich ist. Dies ist nicht nur bei allen Arten von Kreiselmaschinen, sondern auch bei Strahlapparaten, Luft- und Gassaugern und dergleichen der Fall. Selbst verständlich ist auch die Art und Beschaffen heit des Arbeitsmittels (Flüssigkeit, Dampf, Gas oder dergleichen) keiner Beschränkung unterworfen.