DE217009C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVe 217009 KLASSE 27c. GRUPPE

HULDREICH KELLER in ZÜRICH.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 7. März 1909 ab.

Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern bzw. Verdichten von Gasen mittels eines umlaufenden 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 Zentrifugalkraft in der Weise, daß einem umlaufenden Kreiselrad

ίο Wasser von innen zugeführt wird, welchem 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 getroffen, daß das Gas mit der Flüssigkeit 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.

Vorliegende Erfindung geht den entgegengesetzten Weg, indem der Hilfsflüssigkeit durch das umlaufende Laufrad keine Zentrifugalkraft erteilt wird, bei der also die Energie nur 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 ein gewisses Volumen Gas einschließen.·

Die Erscheinung beruht einmal auf dem Beharrungsvermögen der Massen, und zwar in diesem Falle der Flüssigkeitskolben, und zweitens auf der Keihvirkung, die die Schaufeln vermöge ihrer Gestaltung auszuüben imstande sind.

Daß Vorrichtungen, in welchen Gas im Laufrad selbst in hohem Grade verdichtet werden sollte, bisher keine praktischen Erfolge erzielt haben, liegt unter anderem daran, daß sie auf der irrtümlichen Ansicht aufgebaut waren, es könnte dies nur unter Einwirkung und Benutzung der »Zentrifugalkraft« geschehen, daß also das Laufrad innen beaufschlagt sein und daß es das Gas von innen nach außen schleudern müsse. Eine derartige Vorrichtung leidet jedoch an folgendem großen Nachteil. Das zu fördernde Gas hat bei seinem Eintritt ein viel größeres Volumen als bei seinem Austritt. Wenn es sich beispielsweise um eine Luftpumpe handelt, welche aus einem vorzüglichen Vakuum gegen die Atmosphäre fördern soll, so ist das Verhältnis der Volumenverminderung das 50- und mehrfache. Wenn das Gas durch ein von innen nach außen arbeitendes Laufrad gehen soll, so fallen gerade einerseits großes Gasvolumen und kleiner Eintritts-

kreis, andererseits kleines

Austrittskreis zusammen.

großer Gasvolumen und Um das

große Eintrittsvolumen bewältigen zu können, muß entweder der Innenkreis oder die achsiale Schaufelbreite groß sein. Ist der Innenkreis groß, so wird der Außenkreis noch.viel größer, und das Laufrad bekommt bei hoher Umlaufszahl eine so große Umfangsgeschwindigkeit, wie sie für den Verdichtungsvorgang rechnerisch gar nicht erforderlich ist. Die Pumpe arbeitet unwirtschaftlich. Wählt man die Umlaufszahl klein, so wird der Antriebsmotor groß und teuer, und die ganze Maschine nimmt viel Platz ein. Zudem ist die Möglichkeit ausgeschlossen, eine derartige Luftpumpe unmittelbar beispielsweise 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 bereits Gas mit hohem spezifischen Gewicht befindet. Dadurch würde es große Reibung und großen Energieverlust erzeugen.

In vorliegender Erfindung kommt die richtige Erkenntnis zur Geltung, daß das Gas mit seinem großen Anfangsvolumen da eintreten muß, wo das Laufrad den größten Durchmesser hat, also außen. Von da an kann das Gas nach innen oder nach der Seite hin gefördert werden. Jede dieser beiden Arten hat laut nachstehender Beschreibung ihr ganz bestimmtes Verwendungsgebiet. Die Beaufschlagung am Außendurchmesser, also da, wo das Laufrad die größte Umfangsgeschwindigkeit hat, hat noch einen weiteren Vorteil, der wesentlich beiträgt, diese Erfindung für die Praxis brauchbar zu machen.

Wenn als Hilfsmedium 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 ein großes Gasvolumen bei nicht gar zu großer Schaufelbreite angesaugt werden, so muß der Durchmesser des Eintrittskreises groß sein. Diese Bedingung zielt wiederum darauf hin, den Eintritt nach außen hin zu verlegen. Der innen liegende Austrittskreis des Laufrades erhält hierbei noch genügende Umfangsgeschwindigkeit, um den verlangten Gegendruck überwinden zu können.

Bei dem Gegenstand vorliegender Erfindung wird in bekannter Weise zum Fördern des Hauptmediums (Gas) ein spezifisch viel schwereres Hilfsmedium (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 gewissen Geschwindigkeit ungefähr senkrecht zur Schaufelkrümmung bewegen. Die im vollen Betrieb befindlichen Laufschaufeln schrauben sich sozusagen in diese Wasserstrahlen hinein und schneiden dabei jedesmal ein Stück heraus, so daß wie bei anderen bekannten Vorrichtungen Wasserkolben entstehen, welche den Laufkanal vollkommen quer abschließen. Die Laufschaufein stülpen sich nun sozusagen über die Wasserkolben hinweg. Von hier aus schrauben sie sich weiter in das hinter jedem Kolben befindliche Gas so lange, bis sie wieder auf einen neuen Wasserstrahl stoßen. Je zwei Wasserkolben schließen somit einen Gaskolben 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 langer. 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 Lauf kanäle ein großes Gasvolumen zwangsweise angesaugt und während ihres Durchganges durch die Laufkanäle auf ein geringes Volumen bzw. auf ein großes Vielfaches des Anfangsdruckes verdichtet.

In den Fällen, wo mittels geringer Massen des Hilfsmediums ein großes Volumen des Hauptmediums bewältigt werden soll, werden die Laufkanäle zweckmäßig in einer zur Achse senkrecht stehenden Ebene von außen nach innen geführt. Dadurch erreichen wir einen großen Eintrittsquerschnitt (außen), und der zwischen dem an sich engen Austrittsquerschnitte der Laufkanäle verbleibende Raum ist im Innern des Laufrades verhältnismäßig gering. Die Abdichtung zwischen Hoch- und Niederdruckraum kann nahe an die Achse verlegt und dadurch die Undichtheiten klein erhalten werden. Das Laufrad bewegt sich zu seinem größten Teil in dem Raum, wo der kleinste Druck, also das kleinste spezifische Gewicht herrscht, was nur geringe Reibung bedingt.

Will man zum Fördern verhältnismäßig viel 115. Hilfsmedium verwenden, so ist keine so starke Kanalverengung 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 Austritts-

kanten gleiche oder nahezu gleiche Umfangsgeschwindigkeiten haben; man kann sie also auf einem Zylinder oder auf einem Konus anordnen. Die Vorrichtung erhält dadurch die einer Schraubenpumpe ähnliche Form.

Weil das Laufrad von Anfang bis zu Ende dieses Vorganges dauernd Energie an die Wasserkolben und damit auch an das Gas abgibt, kann die Vorrichtung gegen einen viel

ίο höheren Enddruck arbeiten, als dies bei den Luftpumpen der Fall ist, wo das Laufrad in dem Wasserkolben lediglich eine große Geschwindigkeitsenergie aufspeichern muß, welche in den feststehenden Leitkanälen zum geringen Teil zur Kompression der Luft, zum weitaus größten Teil jedoch zur Überwindung der an sich sehr großen Reibung verwendet wird. Wollte man mit derartigen Pumpen noch größere Drücke überwinden als die atmosphärische Spannung, so würde dies eine größere Energieaufspeicherung, d. h. eine größere Anfangsgeschwindigkeit der Wasserkolben 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. In unserm Fall ist die Anfangsgeschwindigkeit nur bedingt durch das anzusaugende Volumen und hat nichts zu tun mit dem Enddruck. Dieser wird lediglich durch die Austrittsgeschwindigkeit bedingt. Es ist dies ein sehr wichtiger Punkt, weil es sich beispielsweise bei einer Landanlage oft darum handelt, das verbrauchte Wasser einem hoch gelegenen Gradierwerk zuzudrücken, oder weil bei Verwendung an Bord das Hilfswasser meist nach einem höher gelegenen Behälter oder über Bord gedrückt werden soll.
Die Vorrichtung kann auch als Strahlkondensator ausgebildet werden. Handelt es sich um die Kondensation 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 Wasserkolben haben in diesem Fall lediglich Gas zu fördern. Ist viel Dampf zu kondensieren, so wird noch ein Teil von diesem in die Laufkanäle eindringen und daselbst vollends kondensiert; dadurch wird jedoGh die Gasförderung 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 Wasser - Gasgemisch noch höher zu fördern, als dies von der Luftpumpe allein in wirtschaftlicher AVeise möglich ist.

Beiliegende Zeichnung zeigt in den Fig. 1 bis 4 Ausführungsbeispiele. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Luftpumpe, welche ein von außen nach innen arbeitendes Laufrad enthält, dessen Schaufeln in einer zur Achse senkrecht stehenden Ebene angeordnet sind. Auf der Welle a sitzt fliegend angeordnet das Laufrad b, welches sich in dem in Fig. 2 dargestellten Schnitt im Sinne des Uhrzeigers dreht und durch einen beliebigen Motor 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 übrigbleibenden Kanalquerschnitte von außen nach innen immer. enger werden. Das als Hilfsmedium benötigte Wasser tritt durch einen Stutzen d von unten in einen ringförmigen Raum e und von da durch eine Anzahl Düsen f 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 Schaufeienden gerichtet ist. In dem- Raum e muß gegenüber dem Saugraum g der Pumpe ein so großer Überdruck herrschen, daß das Wasser aus den Düsen / mit der rechnungsmäßigen Geschwindigkeit ausströmt. Die Wasserkolben werden durch die Laufschaufeln in der weiter oben geschilderten bzw. in der in Fig. 2 schematisch dargestellten Weise nach dem Laufradinnern gefördert, wobei sie das eingeschlossene Gas verdichten. ■'Gas 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. Das Gas tritt durch den Stutzen i in den Saugraum g und wird daselbst von den Wasserstrahlen bzw. den Laufschaufeln gefaßt, k sind die im Laufrad sich bildenden Wasserkolben, I die von ihnen eingezwängten Luftkolben. Soll die Vorrichtung auch als Kondensator dienen, so tritt Dampf gemeinsam mit dem Gas durch den Stutzen i ein.

Fig. 3 zeigt einAusführungsbeispiel, in welchem die Förderung in achsialer Richtung vor sich geht. Das Laufrad b ist daselbst als no Schraubenrad ausgebildet, dessen Schraubengänge sich nach dem Austritt hin verdicken. Die Kanäle können hierbei nach außen offen oder durch einen mitlaufenden Mantel abgeschlossen sein. Dieser Mantel kann so ausgebildet werden, daß er den Druckraum gegen den Saugraum abdichtet. Das Wasser fließt durch den horizontalen Stutzen d in den Kanal β .und von da durch die Düsen / der Hauptsache nach in achsialer Richtung auf das Laufrad b. Das Gas tritt in diesem Fall von oben durch den Stutzen { in den Saugraum g

Claims (5)

1. ein. Gas und Wasser werden gemeinsam durch den Stutzen h in die Höhe gedrückt. Diese Bauart eignet sich insbesondere auch als Strahlkondensator.

   Zwecks 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 / in irgendeiner beispielsweise von den Wasserturbinen her bekannten Art. Wo das Wasser der Pumpe unter Druck zufließt, ist eine Inbetriebsetzung ohne weiteres 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 atmosphärischen Spannung zufließt.

   In Fig. 4 ist gezeigt, wie hinter ein in den Fig. ι und 2 dargestelltes Laufrad b ein gewohnliches Kreiselrad m geschaltet ist. In einer derartig kombinierten Pumpe wird demnach das Fördermedium zuerst von außen nach innen gefördert, dann auf dem kürzesten Wege dem als zweite Stufe dienenden Kreiselrad zugeleitet, von demselben in bekannter Weise von innen nach außen geschleudert und dabei noch weiter verdichtet.

   Sollen ganz geringe Förderungen 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 Zurückströmen des Fördermediums durch die nicht beaufschlagten Laufschaufeln kann man beispielsweise auf folgende Art verhindern :

   Man deckt das Laufrad an der Austrittsseite auf einen etwas größeren Winkel ab, als die Eintrittsseite beaufschlagt ist. Es erhalten dadurch auch solche Schaufeln Wasser, die für eine Zeitlang keinen Austritt frei'haben. Das Wasser-staut sich an der Abdeckung und dichtet dadurch ab.

   Es möge noch zum Schluß bemerkt werden, daß die Zuleitung für die Flüssigkeit nicht fest zu stehen braucht, sondern ebenfalls mit umlaufen kann. Unter Umständen verspricht die Einrichtung, bei der die Zuleitung in entgegengesetzter Richtung zum Laufrad rotiert, Erfolg. Es ist auch nicht erforderlich, daß die Richtung der Wasserstrahlen senkrecht zu den Flächen der Schaufelenden gerichtet ist, vielmehr kann selbstverständlich die Richtung beliebig sein.

   Pate ν τ-A ν Sprüche:

   ι. Vorrichtung zum Fördern und Verdichten von Gasen mittels eines durch irgendeinen Motor angetriebenen Laufrades unterZuhilfenahme einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer feststehenden oder umlaufenden Zuleitung Flüssigkeitsstrahlen von außen auf ein Laufrad geleitet und von dessen Schaufeln in einzelne Kolben unterteilt werden, welche unter dem Einfluß der Verengung und der Richtungsänderung der Laufradkanäle in rücke Kolben umgebildet werden, die sich immer mehr nähern und dabei.die gasförmigen Körper unter gleichzeitiger eigener Drucksteigerung" zwangsweise einschließen und verdichten.
2. 2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln der Hauptsache nach in einer zur Drehachse senkrechten Ebene (Fig. 1 und 2) angeordnet sind und das Medium von außen nach innen fördern.
3. 3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufkanäle auf einem Zylinder oder Konus angeordnet sind (Fig. 3) und das Medium der Hauptsache nach achsial fördern.
4. 4. Ausführung der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß hinter das erste Laufrad eine Kreisel- oder Schraubenpumpe bekannter Art (Fig. 4) geschaltet wird, welche das Gemisch von Haupt- und Hilfsmedium weiter fördert.
5. 5. Ausführungsform der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur auf einem Teil des Umfanges beaufschlagt ist.

   Hierzu r Blatt Zeichnungen.