DE1503271A1 - Verfahren zur Herabsetzung des Stroemungswiderstandes in hydraulischen Anlagen - Google Patents

Verfahren zur Herabsetzung des Stroemungswiderstandes in hydraulischen Anlagen

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DE1503271A1 DE1966G0046665 DEG0046665A DE1503271A1 DE 1503271 A1 DE1503271 A1 DE 1503271A1 DE 1966G0046665 DE1966G0046665 DE 1966G0046665 DE G0046665 A DEG0046665 A DE G0046665A DE 1503271 A1 DE1503271 A1 DE 1503271A1
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Description

Patentanmeldung
Anmelder: General Electric Company Schenectady,lT.Y, ,V.bt.A.
Verfahren zur Herabsetzung des ötrömungswiderstandes in hydraulischen Anlagen
Sie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung des 'Wirkungsgrades hydraulischer Maschinen und Anlagen, insbesondere hydraulischer Turbinen, Pumpen und zugehöriger Einrichtungen, und zwar durch Pierabsetzung der durch Reibungswiderstand bedingten Verluste.
Bei Turbinen, Pumpen und anderen hydraulischen maschinen, wie diese beispielsweise zur Stromerzeugung in ./asserkraftanlagen verwendet werden, ist die Spitzenleistung
009827/00 10 bad
durch die bei der Durchströmung der Anlage auftretenden Reibungsverluste begrenzt. Große Maschinen, die mit niedrigen Drehzahlen und mit niedrigen '. /as serge schwind i^gkeiten betrieben werden, zeigen etwas geringere Reibungsverluste, aber dies wird nur auf Kosten einer beträchtlichen Größe der luaschine und entsprechend hoher Kapitalinvestitionen erreicht. Es besteht deshalb das Bedürfnis, den ..'irkungsgrad bei den zur "eit vorliegenden hydraulischen Anlagen, einschließlich Turbinen und Pumpen, ohne Steigerung des xiapitalaufv/andes wesentlich zu erhöhen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren, nach dem viskoelastische., widerstandsmindernde Stoffe dem durch die Turbine, Pumpe oder eine andere hydraulische Laschine fließenden Strom zugesetzt werden, um die Reibungsverluste) beträchtlich herabsetzen und damit den 'wirkungsgrad der Anlage wesentlich zu erhöhen.
Das Hauptziel der Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrades hydraulischer Anlagen anzugeben. Weiterhin sind Gegenstand der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herabsetzung des Reibungswiderstandes in hydraulischen Turbinen, Pumpen und in den zugehörigen Einrichtungen, um dadurch den 7/irkungsgrad beträchtlich zu steigern.
BAD ORIGINAL 003827/0010
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, da£ ein viskoelastisches, widerstandsminderndes Material, welches ein wasserlösliches, lineares Polymer von hohem Molekulargewicht umfaßt, an einer Stelle derart in den Strom eingegeben v/ird, daß es mit dem Strom dufch die Anlage hindurchgeführt wird und hierbei den rieibungswiderstand in der Anlage vermindert und den V«'irkungsgrad beträchtlich erhöht. Bei einem geschlossenen System wird das Laterial derart zugesetzt, daß es ständig durch das System zirkuliert und bei Jedem Umlauf erneut die Reibungsverluste herabsetzt. Darüberhinaus kann eine Zirkulationseinrichtung in die Anlage eingebaut werden, mit der das zugesetzte Material wiedergewonnen und die «-enge des verwendeten, widerstandsmindernden Liateriales niedrig gehalten wird.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der -rfir.dunf dargestellt.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Purbinensc-aufel, bei der die Erfindung angewendet ist, unc
Fig. 2 zeigt ein V.asserkraftv/erk, bei dem die .iderstandsminderung gemä/. ler irfindung vorgesehen ist.
BAD 009827/001 0
Die Erfindung "besteht darin, daß ein widerstandsminderndes Material dem ein hydraulisches System, z.B. eine Turbine und ihre zugehörigen Einrichtungen, passierenden /Strom zugesetzt wird, um den Reibungswiderstand herabzusetzen und um den Y/irkungsgrad des Systems zu erhöhen. Die für die .'/iderstandsminderung besonders geeigneten Materialien fallen offenbar in eine spezielle Kathegorie. Es handelt sich bei diesen um viskoelastische Polymere^ die folgende Eigenschaften aufweisen; eine hohe Polarität, .«asserlöslichkeit, ein hohes Molekulargewicht und eine starke Fähigkeit zur Y/asser stoff bindung. DarübBrhinaus sind diese Polymere sehr lang, besitzen eine hohe Linearität bei nur wenigen ßeitenverzweigungen und weisen dementsprechend ein äußerst großes Verhältnis von Moleküllänge zu Iuoleküldurchmesser auf. Durch die Linearität wird offenbar eine gewisse Verkettung zwischen den langen llolekülen bewirkt, durch die eine laminare Strömung erzeugt wird und turbulente Strömungen in der Anlage v/eitgeaend herabgesetzt werden. Eine laminare Strömung ruft nur einen verhältnismäßig geringen Reibungswiderstand innerhalb der hydraulischen Anlage hervor, so daß dementsprechend der ".Virkungsgrad beträchtlich erhöht wird. Die '.-asserlösiichkeit und das hohe Molekulargewicht sind ebenfalls wesentlich, tür das widerstandsmindernde Material wirksam im .Yasser lösen zu können, so dal: die gev/ünscl'-te -iderstandsminderung erreicht wird.
009827/0010 BAD uniuiiMAL
Einige "besonders günstige Stoffe sind Guar Gum (Guaran), Locust B§an Gum, (aus der Frucht des JOhannisbeorbaumes gewonnenes Gummi) Karageen o:ler isländisches Loog, Karays-Gummi, Hydroxyäthylzellulose, Natrium-Karboxyiiiebhylzellulose, Polyäthylenoxyd, Polyacrylamid und Polyvinylpyrrolidon. Diese Gtoffe stellen Beispiele für Substanzen dar, die die vorerwähnten Eigenschaften aufweisen und die eine besonders gute Widersbandsherabsetzung in hydraulischen Anlagen erbringen. Die widerstandsmindernden ~-toffe v/erden zwecks Hydrolisierung mit Wasser vorgemischt und dann in die Grenzschicht an der Oberfläche dor hydraulischen Anlage eingespritzt, z.2. an ^teilen ;;Lr, an den Zuflußkanälen, den Leitflügeln, den Düsen, den Jiffusorwänden, den Läuferschaufeln, den Saugrohren oder den Lauf er flächen. Die Oberflächen v/erden dann von dem hydrolisierten} widerstandsmindernden Stoff eingehüllt, wodurch eine 75 bis 90 ;J Verringerung des lieibungswiderstandes an den Oberflächen und dementsprechend ein beträchtlicher anstieg des 'wirkungsgrades der Anlage erreicht werden.
Als typisches An.vendungsbeispiel für die V-iderst-jindshera.bsetzuiig bei hydraulischen Anlagen zeigt ?ig· 1 eine Jhirbinenschaufel. Das v/id er standsmindernde λ.a Ce rial ist in der Kammer 2 gespeichert, die nahe an der vorderen Kante 3 der Turbinenschaufel 1 angeordnet ist. Das Material
BAD u-riiG
009827/0010
strömt durch Leitungen aus und fließt weiter längs des oberen Landes 4 und des unteren Handes 5 der Schaufel 1, wobei es eine beträchtliche Herabsetzung des Y/iderstandes bewirkt* In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind ein Kanal 6 an der oberen i'läche 4- und ein Kanal 7 an der unteren fläche 5 nahe der Hinterkante der Turbinenschaufel 1 vorgesehen, die einen beträchtlichen Anteil des widerstandsminüernden Hateriales nach seinem Fluß über die i'lächen 4 und 5 einfangen und zu einem Behälter 8 führen, von wo es durch eine geeignete Leitung 9» die sich durch die Schaufel erstreckt, gepumpt wird, so daß diesaj ■·-& aerial unter maximaler ausnutzung zirkuliert, oehr häufig sind einige Umläufe des widerst andsminderndsii Materiales erforderlich« ehe sich dieses in einem geeigneten Lösungszustand befindet, in dem es eiü3 maximale wirkung erbringt, üurch die vorgesehene Zirkulation des widerstandsmindernden Lateriales ist eine Löglichkeit angegeben, v;ie dieses maximal ausgenutzt werden kann, -äs ist selbstverständlich, daß das "Verfahren zur herabsetzung des .'iderstandes gemäß der vorliegenden Erfindung auch bei anderen Teilen einer hydraulischen Anlage, und zwar bei Leitflügeln, Düsen oder Diffuseren angewendet werden kann und also nicht auf Turbinenschasfeln begrenzt ist.
BAD ORIGINAL
009827/0010
i mit Pumpen und Turbinen ausgerüsteten .'Wasserkraftwerken ist die erreichbare Arbeitsleistung durch den Höhenunterschied und die strömungsgeschwindigkeit vorbestimmt, die ihrerseits durch die Größe des ütaudaumea und des '.Vassereinzuggebietes bestimmt sind. V/enn der Ingenieur zur "eit eine Turbine auswählt, die den fest vorgegebenen Bedingungen Kche und ^tröraungsgeschv/indigkeit entspricht, so muß er bestimmte '.Virkuii^agrade hinnehmen, ohne daß er diese ir^^ndwie ändern kann, -ei Verwendung eines widerstandsmindernden Lateriales und bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit und Höhendifferenz kann bei derselben Anlage ein höherer Y/irkungsgrad erreicht werden, so daß also bei der Vi'ahl einer Pumpe oder Turbine für eine bestimmte anläge einer gewisse Freiheit gewonnen ist. ^as widerstandsmindernde Liaterial setzt die Reibungsverluste in einer Pumpe oder Turbine herab, so daß entweder ein viel größerer wirkungsgrad oder eine wesentlich höhere Drehzahl als bisher möglich erhalte.·:. werden können, "egen des stark vergrößerten 'irkunc."-grades kann somit trotz starker iinderungen der Abrxcaurigen der faschine und trot^ ceniiunE7 les ^apitalaufv/aiiäes doch noch derselbe otromausgang rie zuvor erhalten ..erden; andrerseits kann mit derselben, also unveränderten Maschine ein wesentlich größerer »itronau£gan.~ erzielt werden.
BmD CTi.GlNAL
009827/0010
Bei der in Jig» 2 gezeigten Wasserkraftanläge« sind zwei Seservoire und zwar ein oberes 12 und ein unteres 13 vorgesehen, 2s sei angenommen, daß es ßich bei der Anlage um ein Zirkulations- oder Fumpspeiclierßysteia handele, bei dem Snergie zu 2eiten geringerer Belastung im Beservoir 12 gespeichert und zu Zeiten der Bpitzenbelastung wiedergewonnen v.ird, indem man das Wasser durch die Tvacbine 11 zum unteren Beservoir 1J zurückkehren läßt» Eallß ein * solches Systeja vollkommen geschlossen ist, wird das •widerstandsmindernde LIaterial in das Wasser eingemischt und kontinuierlich mit umgeführt, wobei nur ein sei»? geringer "erlust auftritt. Wenn also daß Material einmal in das System eingebracht ist, wird eine Widerstandsid-n~ derung und damit ein hoher Wirkungsgrad erhalten, mobei das widerstandsrändernde Material nur in geringen Mengen zugegeben werden muß.
Die Zirkulation k?nn auch bei einer Wasserkraftanliege vorgesehen werden, bei der, wie in $l<g* 2 gezeigt, kein geschlossenes ^ystea vorliegt· Von eine« Yorrat«!iehalt«r 18 fließt Wasser durch die teitungen 19 und 20 in 41# Pumpe 21, welche dieses durch das Bohr 22 in den Tei— teilerring 15 drückt, welcher die
tung 14 umschließt. Das '.Vasser fließt vom oberen Eeeervoir 12 durch das Hohr 14 zum Eeservoir 15 und treibt hierbei die Turbine 11 an. Vienn das - asser durch die
009827/00 10 BAD
Leitung 14- strömt, wird widerstandsminderndes Material durch den Ring 15 zugesetzt, wodurch der Reibungswiderstand längs der inneren V/ände der Leitung 14 beträchtlich herabgesetzt wird. Das zugesetzte Material oder Additiv wird dann durch einen Hing 16 abgezogen, und zwar gerade bevor das Wasser in die Turbine 11 eintritt, und dann durch die leitung 17 dem Systemkreislauf zugeführt. Wie bei den vorbeschriebenen Ausführungeformen wird durch die Zirkulation des widerstandsmindernden Materiales die für einen maximalen >*ir^ungs ,rad erforderliche ^enge des Materiales beträchtlich verringert, ^s wird bemerkt, daß optimale Ergebnisse erzielt v/erden können, indem man die üienge des zugesetzten iiateriales derart steuert, daß diese maximal ausgenützt wird.
"Vorstehend sind verschiedene Wege beschrieben worden, wie man durch Verwendung eines widerstandsmindernden Materiales den Reibungswiderstand in hydraulischen Anlagen, einschließlich Pumpen, Turbinen und zugehörigen Einrichtungen, wesentlich herabsetzen uiid hierdurch den Wirkungsgrad beträchtlich steigern kann.
Aus den vorstehenden Ausführungsformen geht hervor, daß die Ziele der Erfindung erreicht worden sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kg.nn in einfacher V/eise vielen besonderen Gegebenheiten bei hydraulischen Anlagen an-
009827/0010 BAD 0R;GINAL
gepaßt werden, wobei in allen fällen der Reibungswiderstand beträchtlich herabgesetzt und der V.rirkungsgrad der Anlage beträchtlich erhöht wird.
.Venn auch die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, so ist sie auf diese nicht beschränkt. Vielmehr sind für den Fachmann zahlreiche Abwandlungen möglich, ohne daß hierdurch der Rahmen der "vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Der Ausdruck "viskoelastxsch" wurde entsprechend den« internationalen liormvorschlag (ISO) verwendet.
0098-27/00 1 0

Claims (6)

  1. 4503271
    Patentansprüche
    Verfahren zur herabsetzung des ^trömungswiderstandes in einem hydraulischen System, dadurch gekennzeichnet, daß ein widerstandsminderndes Material dem durch das System fließenden Flüssigkeitsstrom zugesetzt wird, welches i-aterial ein viskoelastisches Polymer umfaßt, welches eine hohe Polarität, Wasserlöslichkeit, ein hohes Molekulargewicht und eine hohe Linearität aufweist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das widerstandsmindernde «Material den flüssigkeitsstrom zugesetzt wird, bevor dieser in den Idaschinenteil des »systems eintritt.
  3. 3· Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein leil des Polymers nacr seinen Durchlauf durch' das system v.ieder gewonnen und zwecks maximaler Ausnutzung im Ilreislauf geführt vird.
  4. 4, Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 in ^nv.endung bei einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, da£ das viskoelastische Polymer an der Vorderfleia>e einer Turbinenschaufel derart zugesetzt wird, dai: das I..aterial laminar über die oberflV.che der Turbinen-
    BAD 00 9827/00 1f!
    schaufel fließt, den Reibungswiderstand an dieser herabsetzt und beträchtlich den V/irkungsgrad der Turbine erhöht.
  5. 5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des widerstandsmindernden Materials an der Hinterkante der Schaufel wiedergewonnen und der wiedergewonnene Teil durch die Turbinenschaufel hindurch zurückgeleitet und dann wieder über die Oberfläche der Turbinenschaufel geführt wird.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, da£ dieses bei einer Viasserkraftanlage angewendet wird.
    7» Verfahren nach Anspruch 6, wobei die »lasserkraftar.-lage ein oberes und ein unteres Reservoir besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Polymer dem «asserstrom zwischen oberem und unteren Reservoir zugesetzt und ein Teil des widerstandsmindernden Materiales wiedergewonnen wird, bevor der Strom in das untere Reservoir gelangt, und daß der wiedergewonnene Teil des --ateriales wieder zu einer höheren stelle des Stromweges zurückgepunpt wird.
    BAD ORiGiNAL
    0098,. 7/0010
DE1966G0046665 1965-04-29 1966-04-22 Verfahren zum herabsetzen der stroemungsreibung in einem hydraulischen turbinensystem Granted DE1503271B2 (de)

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