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Die
Erfindung betrifft eine Treibdampfdüse gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Treibdampfdüsen werden
zur gezielten Reduzierung der Heißdampftemperatur in Dampfkraftwerken
und anderen wärmetechnischen
Anlagen, beispielsweise Dampfreduzier- oder Dampfumleitstationen
eingesetzt, und zwar gewöhnlich
immer dann, wenn die technischen Gegebenheiten der einfachen Druckzerstäubung nicht
ausreichen, um eine Abkühlung
des Heißdampfes
z. B. bis in Sattdampfnähe oder
annähernd
auf Satttemperatur zu erreichen oder bei Temperatur- Regelungen
mit hohen Stellverhältnissen,
d. h. kleinsten Geschwindigkeiten der Dampfmengen oder kurzen Abständen zur
Temperaturmessung.
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Eine
aus der Praxis bekannte Treibdampfdüse besitzt beispielsweise eine
zentral in einem Gehäuse
angeordnete, stromabwärts
gerichtete Lavaldüse,
die über
eine Zuführleitung
mit Treibdampf versorgt wird. Das Kühlwasser wird über eine
separate Leitung einem die Düse
umschließenden
Ringkanal zugeführt,
der über
eine schräg
zur Längsachse
des Ringkanals verlaufende Einspritzbohrung seitlich in der Lavaldüse mündet. Durch
die überkritische
Entspannung des Treibdampfes in der Düse wird das Kühlwasser
mitgerissen und dem sich mit Überschallgeschwindigkeit
ausbreitenden Dampf zugemischt. Anschließend tritt das Wasser- Dampfgemisch
in das quasi unendlich große
System der Dampfleitung ein und entspannt über Druckstöße. Dabei wird das im Dampf
befindliche Wasser feinstneblig zerstäubt.
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Um
die Zerstäubungsgüte weiter
zu verbessern und um zu verhindern, dass unverdampftes Wasser an
die seitlichen Rohrleitungsinnenwände gelangt, wird über einen äußeren, konzentrisch
zur Lavaldüse
liegenden Ringspalt zusätzlicher
Treibdampf überkritisch
entspannt und koaxial dem Kühlwassernebel
zugeführt.
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Problematisch
hierbei ist, dass die Mischstrecke (Auslaufstrecke) hinter dem Einspritzkühler trotz
des guten Zerstäubungsgrades
oft zu lang ist. Aufgrund begrenzter räumlicher Begebenheiten und aus
Kostengründen
zwingt die Praxis häufig
dazu, Dampfumform- oder Dampfumleitstationen so klein wie möglich auszubilden
und den Abstand zu einem nach geschalteten Aggregat, beispielsweise
einem Kondensator, entsprechend kurz zu halten. Auf derartig kurzen
Strecken, kann das Wasser jedoch nicht mehr vollständig verdampfen.
Es trifft auf die heißen Wandungen
der Dampfleitung oder auf Einbauten auf, was zu erhebliche Schäden führen kann.
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Um
dem zu begegnen hat man versucht, eine Kühlung des Heißdampfes
auf engerem Raum zu erreichen. So beschreibt
DE 41 43 009 A1 eine Düse für einen
Einspritzkühler,
der senkrecht in der Wandung einer Heißdampf- Rohrleitung montiert
ist. Die Düse
hat einen zentralen Kanal zur Führung
des Kühlwassers,
das über
radiale, in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse liegende Bohrungen
einer Wirbelkammer zugeführt
wird. Für
den Treibdampf ist ein den Kühlwasserkanal
umgebender Ringkanal vorgesehen. Dessen Bohrungen münden ebenfalls
in der Wirbelkammer und sind derart ausgerichtet, dass jeweils die
Verlängerung
der Achse einer Treibdampfbohrung auf die Achse einer Kühlwasserbohrung trifft.
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Durch
die Wirbelkammer soll die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlwasser-
Dampfgemischs herabgesenkt werden, so dass dieses mit relativ geringer
Strömungsgeschwindigkeit
und in einem breiten Streuwinkel in den Heißdampfstrom eintritt. Die Zerstäubungswirkung
dieser konstruktiv aufwendigen Anordnung ist jedoch aufgrund der
in der Wirbelkammer ausgebildeten Einzelstrahlen (die stets exakt
aufeinander treffen müssen)
relativ gering, so dass oft nur mäßige Kühlleistungen erreicht werden können. Zudem
besteht die Gefahr, dass das Kühlwasser
in der Wirbelkammer kondensiert und in Form vom Tropfen auf die
Rohrleitungswände
trifft. Beschädigungen
der Dampfanlage sind daher nicht auszuschließen.
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Ziel
der Erfindung ist es diese und weitere Nachteile des Standes der
Technik zu vermeiden und eine Treibdampfdüse zu entwickeln, die mit einfachen
Mitteln kostengünstig
aufgebaut ist und bei hohem Zerstäubungsgrad eine Heißdampfkühlung auf kurzen
Auslaufstrecken ermöglicht.
Das gesamte Strömungsprofil
des Dampfes soll mit konstantem Mischungsverhältnis und gleichmäßigem Feuchtegrad ausgefüllt sein,
wobei selbst größere Kühlwassermengen
ohne Strähnenbildung
stets vollständig
und feinst neblig zerstäubt
werden. Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil
von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis
15.
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Eine
Treibdampfdüse
zur Reduzierung bzw. Regelung der Temperatur vom Heißdampfströmen in wärmetechnischen
Anlagen, beispielsweise Dampfreduzier- oder Dampfumleitstationen,
hat erfindungsgemäß eine zentrische
Treibdampfzuführung,
wenigstens zwei in einer Umfangsverteilung angeordnete Laval- oder
Venturisüsen,
die in einem ersten Winkel schräg
zur Längsachse
der Treibdampfdüse
ausgerichtet sind, sowie eine Kühlwasserzuführung, die mit
wenigsten je einem in einem zweiten Winkel schräg zur Längsachse der Treibdampfdüse ausgerichteten
Stichkanal in den Laval- oder Venturidüsen mündet. Die Laval- bzw. Venturidüsen gewährleisten aufgrund
des überkritischen
Druckgefälles
eine optimale Feinstverneblung des über die Stichkanäle zugeführten Kühlewassers,
das aufgrund der Winkelstellung nach Verlassen der Treibdampfdüse radial über den
gesamten Querschnitt der Heißdampfleitung
verteilt wird. Die Dampftemperatur wird sofort stark reduziert,
wobei die Strömungsgeschwindigkeit wegen
des kleineren spezifischen Volumens ummittelbar rapide abnimmt.
Der gesamte Kühlwassernebel
wird in kürzester
Zeit auf einer extrem kurzen Misch- bzw. Auslaufstrecke vollständig verdampft,
so dass kein Wasser auf die Rohrleitungswände oder sonstige Einbauten
in der Heißdampfleitung
auftreffen kann. Die Verdampfung des Wassers erfolgt innerhalb kürzester
Zeit und damit auf einer gegenüber dem
Stand der Technik deutlich kürzeren
Wegstrecke.
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Es
ist zwar bereits bekannt, Einspritzbohrungen für ein Kühlwasser- Dampfgemisch in äquidistanten
Abständen
in einer Umfangsverteilung, z. B. einem Kreis anzuordnen. Bei einem
solchen beispielsweise in
DE
36 21 615 offenbarten Treibdampfkühler wird jedoch das Kühlwasser über eine
zentrale, in den Düsenkörper einschraubbare
Buchse radial nach außen
gerichteten Kühlwasserkanälen zugeleitet,
die tangential oder mit Achsenversetzung in den zylindrischen Einspritzbohrungen
münden.
Letztere sind entweder achsparallel zur Achse des Düsenkörper oder
schräg
nach außen
geneigt. Sie stehen über je
eine koaxiale Verbindungsbohrung mit einem die Buchse umschließenden Ringkanal
in Verbindung, durch welchen der Treibdampf zugeführt wird.
Dadurch wird zwar die Verteilung des Kühlwassers im Heißdampfmassenstrom
verbessert, die Kühlkapazität ist jedoch
aufgrund der zum Teil unzureichenden Zerstäubung eher gering.
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In
zahlreichen Anwendungen erfolgt die Einspritzung des Kühlwassers
aufgrund der hohen spezifischen Volumenzunahme des Dampfes im Vakuumbereich
und aufgrund der damit erforderlichen relativ großen Rohrnennweiten
bei höheren
Drücken. Daher
können
im Bereich der Einspritzung Sattdampftemperaturen vorliegen, die
höher sind
als die einzuregelnde Temperatur. Folglich muss mit einem so genannten
Wasserüberschuss
eingespritzt werden. Derartige Kühlwassermengen
lassen sich jedoch in einem Treibdampfkühler, wie ihn
DE 26 21 615 vorsieht, nur unzureichend
zerstäuben,
so dass es rasch zu Strähnenbildung
kommt.
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Gemäß Anspruch
2 der Erfindung sind die Laval- oder Venturidüsen auf wenigstens einem Kreisbogen
angeordnet, so dass das gesamte Strömungsprofil des Dampfes mit
einem gleichmäßigen Feuchtgrad
ausgefüllt
wird. Der Heißdampf
lässt sich stets
optimal und präzise
kühlen,
was den gesamten Prozessablauf vereinfacht und die Betriebssicherheit verbessert.
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Anspruch
3 sieht vor, dass die Laval- oder Venturidüsen in einem Kernkörper ausgebildet
sind und endseitig in dem Körper
in einer zentralen Bohrung münden,
welche einen Teil der Treibdampfzuführung bildet, wobei der Kernkörper laut
Anspruch 4 von einem Hüllkörper umgeben
ist. Dieser ebenso einfach wie kostengünstige Aufbau gewährleistet eine
optimale Führung
und Einspeisung aller Prozessmedien. Die Treibdampfdüse lässt sich äußerst rationell
fertigen.
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Dazu
trägt auch
Anspruch 5 bei, wenn der zentralen Bohrung des Kernkörpers ein
Verteilerraum vorgeordnet ist. Dieser ist gemäß Anspruch 6 in dem Hüllkörper ausgebildet
und stirnseitig von dem Kernkörper
sowie einem Abschlusskörper,
beispielsweise einem Deckel, begrenzt.
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Um
die optimale Ausbildung und Verteilung des Kühlwassernebels weiter zu verbessern,
liegen die Laval- oder Venturidüsen
nach Anspruch 7 mit ihren Austrittsöffnungen auf einer Ringfläche des
Kernkörpers,
wobei die Ringfläche
senkrecht zu den Längsachsen
der Laval- oder Venturidüsen
liegt. Selbst größere Mengen
Kühlwasser
werden feinstneblig und vollständig
verdampft, so dass keine Schäden
an den Rohrleitungen oder sonstigen Einbauten auftreten können. Die
Kühlleistung
ist außerordentlich
hoch. In vorteilhafter Weiterbildung ist gemäß Anspruch 8 zwischen dem Kernkörper und
dem Hüllkörper umfangseitig
ein Ringkanal ausgebildet, der einen Teil der Kühlwasserzuführung bildet. Dabei ist es
fertigungstechnisch günstig,
wenn die Stichkanäle
der Kühlwasserzuführung laut
Anspruch 9 in dem Kernkörper
ausgebildet sind, wobei die Laval- oder Venturidüsen und der Ringkanal über die
Stichkanäle
in Strömungsrichtung
stehen.
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Vorzugsweise
mündet
jeder Stichkanal gemäß Anspruch
10 in Strömungsrichtung
seitlich in der jeweils zugeordneten Laval- oder Venturidüse. In diesen
breitet sich der Treibdampf mit Überschallgeschwindigkeit
aus, wobei das Kühlwasser
aus den Stichkanälen
heraus mitgerissen und an der Düsenmündung sehr
fein vernebelt wird. Einen weiter optimieren Kühlwassereintrag erreicht man
durch die Maßnahme
von Anspruch 11, indem jeder Laval- oder Venturidüsen wenigstens
ein Stichkanal zugeordnet ist.
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Von
besonderem Vorteil ist die Ausgestaltung von Anspruch 12. Dieser
sieht vor, die Lavaldüsen
konzentrisch zur Längsachse
von einem Ringspalt umgeben sind. Dieser ist gemäß Anspruch 13 stirnseitig zwischen
dem Kernkörper
und dem Hüllkörper ausgebildet
und grenzt bevorzugt nach Anspruch 14 an den Außenumfang der Ringfläche des Kernkörper an.
Der über
den Ringspalt zugeführte Treibdampf
wird ebenfalls über
Druckstöße entspannt,
so dass der über
die Laval- oder Venturidüsen
in einem Winkel schräg
nach außen
verteilte Kühlwassernebel
zusätzlich
verwirbelt wird. Dies wirkt sich günstig auf die Qualität der Zerstäubung und
damit auf den Wirkungsgad der Kühlung
aus. Das gesamte Kühlwasser
wird in kürzester
Zeit vollständig
verdampft. Wassersträhnen
können
gar nicht erst entstehen.
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Gemäß Anspruch
15 ist dem Ringspalt eine ringförmige
Kammer vorgeordnet, die über
achsparallele Bohrungen mit der Verteilerkammer der Treibdampfzuführung verbunden
ist. Dadurch wird der Ringspalt stets mit einer definierten Menge
Treibdampf versorgt, die zudem über
die Spaltbreite exakt dosierbar ist.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen
Achsialschnitt durch eine Treibdampfdüse,
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2 eine
Vorderansicht der Treibdampfdüse
von 1,
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3 eine
Schrägansicht
der Treibdampfdüse
von 1
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4 eine
Schnittansicht der Treibdampfdüse
entlang der Linie B-B in 1 Die in 1 allgemein
mit 10 bezeichnete Treibdampfdüse ist als Mehrstrahldüse ausgebildet
und etwa zentrisch in einer (nicht dargestellten) Hauptrohrleitung
einer (ebenfalls nicht dargestellten) Dampfumform- oder Dampfreduzierstation
angeordnet. Sie hat ein im wesentlichen zylindrisches, in Strömungsrichtung
S des zu kühlenden
Heißdampfes
ausgerichtetes Gehäuse 11,
das von einem inneren Kernkörper 12 und
einem diesen umschließenden
Hüllkörper 14 gebildet
ist.
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Hinter
dem Kernkörper 12 ist
ein Verteilraum 24 ausgebildet, der umfänglich von dem Hüllkörper 14 begrenzt
und stromaufwärts
von einem in den Hüllkörper 14 eingesetzten
Deckel 17 verschlossen ist. Letzter ist – ebenso
wie der Kernkörper 12 – bevorzugt
mit dem Hüllkörper 14 verschweißt. Er kann aber
auch mit einem geeigneten Gewinde versehen und in den Hüllkörper 14 eingeschraubt
sein, zweckmäßig unter
Verwendung einer (nicht gezeigt) Dichtung.
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Von
dem Verteilerraum 24 aus ist konzentrisch zur Längsachse
L der Treibdampfdüse 10 eine Sackbohrung 22 in
den Kernkörper 12 eingebracht. In
dem Grund 23 der Bohrung 22 münden vier auf einem ebenfalls
konzentrisch zur Längsachse
L lieganden Kreis angeordnete Ansatzbohrungen 34, die sich stromabwärts zu je
einer Lavaldüse 30 erweitern. Man
erkennt in 1, dass jede Lavaldüse 30 in Strömungsrichtung
S radial schräg
nach außen
gerichtet ist, d. h. die Längsachse
A jeder Lavaldüse 30 schließt mit der
Längsachse
L einen Winkel α von
z. B. 45° ein.
Der Winkel α kann
aber auch einen anderen Betrag aufweisen, je nach Ausführungsform
zwischen 20° und
80°. Jede
Lavaldüse 30 liegt
mit ihren Austrittsöffnungen 32 auf
einer Ringfläche 18 des Kernkörpers 12,
wobei die Ringfläche 18 senkrecht zu
den Längsachsen
A der Lavaldüse 30 liegt
und damit denselben Winkel α mit
der Längsachse
A einschließt.
Die Lavaldüsen 30 besitzen
damit kreisrunde Öffnungsquerschnitte
für eine
optimale Verteilung und Vernebelung des Kühlwassers.
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Zwischen
dem Kernkörper 12 und
dem Hüllkörper 14 ist
umfangsseitig und parallel zu dem Verteilerraum 24 ein
Ringraum 44 ausgebildet, der über in den Kernkörper 12 eingebrachte
Stichbohrungen bzw. -kanäle 42 mit
den Lavaldüsen 30 in
Verbindung steht. Jeder Stichkanal 42 verläuft in Strömungsrichtung
S radial schräg,
einwärts,
wobei die Längsachsen
M der Bohrung 42 jeweils einen Winkel β zur Längsachse L des Gehäuses 11 einschließen. Der Winkel β liegt zwischen
20° und
80°, vorzugsweise bei
45°. Je
nach erforderlicher Kühlwassermenge, können pro
Lavaldüse 30 ein,
zwei oder mehr Stichkanäle 42 vorgesehen
sein, die stets in Strömungsrichtung
S fluchtend hintereinander liegen und seitlich in die Düsenwandung 35 der
Lavadüse 30 eintreten.
Um einen maximalen Eintrittsquerschnitt der Stichkanäle 42 zu
erzielen, enden diese innerhalb der Ringraumes 44 jeweils
in der seitlichen Flanke einer ringförmigen Kerbe 46, die
umfangsseitig in dem Kernkörper 42 eingebracht
ist.
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Stromabwärts ist
der Hüllkörper 14 mit
einem einspringenden Flansch 15 versehen, der den Kernkörper 12 stirnseitig
derart übergreift,
dass zwischen dem äußeren Rand 16 des
Flanschs 15 und der Ringfläche 18 des Kernkörpers 12 ein
Ringspalt 50 ausgebildet ist. Hinter diesem Ringspalt 50 ist
eine ringförmige
Kammer 52 ausgebildet, die stromabwärts von dem Flansch 15 und
stromaufwärts
von dem Kernkörper 12 begrenzt
wird. In letzterem sind mehrere parallel zur Längsachse L der Treibdampfdüse 10 verlaufende
Bohrungan 53 eingebracht, die in der Verteilerkammer 24 enden,
so dass die ringförmiger
Kammer 52 mit der Verteilerkammer 24 in Strömungsverbindung
steht (siehe 3)
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Für die Zuführung des
für die
Zerstäubung des
Kühlwassers
erforderlichen Treibdampfes ist seitlich in dem Hüllkörper 14 eine
Anschlussöffnung 61 vorgesehen,
in der eine (nicht dargestellt) Zuführungsleitung endet. Das Kühlwasser
wird ebenfalls über
eine (nicht gezeigte) Kühlwasserleitung
zugeleitet, die in Strömungsrichtung
S fluchtend hinter der Treibdampfleitung liegt. Die Kühlwasserleitung
endet in einer Anschlussöffnung 62 des Ringraums 44.
Von dort aus wird das Kühlwasser über die
Stichkanäle 42 gleichmäßig in die
Lavaldüsen 30 verteilt,
während der
Treibdampf über
die Zuführleitung
in den Verteilerraum 24 und von dort zentral durch die
Bohrung 22 hindurch über
die Ansatzbohrungen 34 unmittelbar in die Lavaldüse 30 gelangt.
Parallel dazu strömt der
Treibdampf über
die achsparallelen Bohrungen 54 und durch die ringförmige Kammer 52 hindurch
in den Ringspalt 50, der die auf der Ringfläche 18 angeordneten
Austrittsöffnungen 32 der
Lavaldüsen 30 einschließt.
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Das
benötigte
Einspritzwasser wird über
ein vor geschaltetes Einspritzwasser- Regelventil lastabhängig zureguliert.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vor beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. Je nach erforderlicher Kühlleistung ist es möglich, anstelle
von vier Lavaldüsen 30 zwei,
sechs oder acht Lavaldüsen 30 vorzusehen,
wobei zusätzlich
noch eine zentrale Düse
zweckmäßig sein
kann, die zentrisch in Axialrichtung liegt. Ferne liegt es im Rahmen
der Erfindung, wenn die Lavaldüsen 30 insgesamt
kleiner ausgebildet und auf zwei oder mehr konzentrischen Kreisen
um die Längsachse
L herum angeordnet sind, wobei jede Kreisanordnung von einem eigenen Ringspalt 50 umschlossen
sein kann. Unabhängig davon,
kann jede Lavaldüse 30 als
Venturidüse
ausgebildet sein.
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Man
erkennt, dass eine Treibdampfdüse 10 zur
optimierten Reduzierung bzw. Regelung der Temperatur von Heißdampfströmen in einem
Gehäuse 11 eine
zentrische Treibdampfzuführung 20 hat
sowie wenigstens zwei in äquidistanten
Abständen
auf einem konzentrisch zur Längsachse
L der Treibdampfdüse 10 ausgerichteten
Kreisbogen angeordnete Lavaldüsen 30,
die in einem ersten Winkel α schräg zur Längsachse
L der Treibdampfdüse 10 ausgerichtet sind,
und eine Kühlwasserzuführung 40,
die mit wenigstens je einem in einem zweiten Winkel β schräg zur Längsachse
L der Treibdampfdüse 10 ausgerichteten
Stichkanal 42 in den Lavaldüsen 30 mündet. Das
Gehäuse 11 wird
von einem Hüllkörper 14 sowie von
einem darin eingesetzten Kernkörper 12 gebildet,
in dem sowohl die Lavaldüsen 30 als
auch die Stichkanäle 42 ausgebildet
sind. Die Lavaldüsen 30 sind
konzentrisch zur Längsachse
L von einem Ringspalt 50 umgeben, der stirnseitig zwischen
dem Kernkörper 12 und
dem Hüllkörper 14 ausgebildet
ist.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile,
einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher
Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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- α
- erster
Winkel
- β
- zweiter
Winkel
- A
- Längsachse
(Lavaldüse)
- L
- Längsachse
(Treibdampfdüse)
- M
- Längsachse
(Stichkanal)
- S
- Strömungsrichtung
- 10
- Treibdampfdüse
- 11
- Gehäuse
- 12
- Kernkörper
- 14
- Hüllkörper
- 34
- Ansatzbohrung
- 35
- Seitenwandung
- 40
- Kühlwasserzuführung
- 42
- Stichkanal
- 44
- Ringraum
- 46
- Kerbe
- 15
- Flansch
- 16
- äußerer Rand
- 17
- Abschlusskörper/Deckel
- 18
- Ringfläche
- 20
- Treibdampfzuführung
- 22
- zentrale
Bohrung
- 23
- Grund
- 24
- Verteilerraum
- 30
- Laval-
oder Venturidüse
- 32
- Austrittsöffnung
- 50
- Ringspalt
- 52
- ringförmige Kammer
- 54
- Bohrung
- 61
- Anschlussöffnung (Treibdampf)
- 62
- Anschlussöffnung (Kühlwasser)