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Düse, insbesondere für das Saugrohr von Wasserturbinen, zur Umsetzung
von Geschwindigkeit in Druck mit gerader Düsenmittellinie. Die bisher benutzten
Düsen sind als kegelförmig sich gegen den Austrittsquerschnitt erweiternde Rohre
ausgebildet und finden in dieser Form zur Umsetzung von. Geschwindigkeitsenergie
in Druckenergie strömender Flüssigkeiten bei Wasserturbinen, Pumpen, Dampfstrahlgebläsen,
Luftsaugevorrichtungen u. dgl. mannigfacheVerwendung. Da die auf dieDüsenlänge bezogene
Querschniftserweiterung der Düse wegen der Gefahr der Loslösung des Flüssigkeitsstrahles
von den Düsenwänden nicht groß sein darf, so erfordert eine große Energieumsetzung
auch eine große Baulänge der Düse. Die dadurch entstehenden Nachteile lassen sich
kurz in einer Vergrößerung der Reibungswiderstände und in schwierigen und teuren
Einbauverhältnissen zusammenfassen, welch letztere nicht selten so- groß werden,
daß eine wirtschaftliche brauchbare Energieumsetzung nicht mehr durchführbar ist.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden und
den Wirkungsgrad der Energieumsetzung derart zu verbessern, daß diese Umsetzung
auch dann noch erfolgreich ausgeführt werden kann, wenn die bisher üblichen Düsenformen
kein brauchbares Ergebnis mehr bieten. Dieser Zweck wird erreicht durch eine den
Gesetzen des natürlichen Strömungsverlaufes entsprechende Ablenkung und Ausbreitung
des Flüssigkeitsstrahles bei dessen gleichzeitiger Umhüllung durch solche Düsenwände,-
welche die Ausbildung von energieverzehrenden Wirbeln nach Möglichkeit verhindern.
Die Vermeidung derartiger Wirbel ist die wichtigste Vorbedingung für das Gelingen
einer günstigen Energieumsetzung. Streng genommen, könnte auch jede Kreiselpumpe
als eine Vorrichtung- zur Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck aufgefaßt werden.
Das Laufrad derselben gießt in einen 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
hervor und ist leicht - einzusehen, weil die durch die Drehung des Laufrades unvermeidlich
auftretenden Wirbel sich auch in den Leitapparat fortpflanzen müssen.
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In den beifolgenden Figuren ist an einigen Ausführungsbeispielen die
Einrichtung und Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Fig. s
stellt die bisher übliche Bauweise eines Saugrohres für eine Wasserturbine vor.
Fig. 2 zeigt das für die gleichen Verhältnisse entworfene Saugrohr nach vorliegender
Erfindung. Fig. 3 zeigt den Vertikalschnitt eines Saugrohres, welches für eine große
Energieumsetzung geeignet ist. Fig. q. gibt deren Grundriß an. Fig. 5 zeigt
den
Vertikalschnitt einer Düse, welche behufs Vergrößerung der Energieumsetzung
mit Zwischenwänden versehen ist, und Fig. 6 deren Grundriß. Schließlich ist in den
Fig. q. und 6 noch eine durch zwei Seitenwände abgegrenzte keilförmige Düse
(N 0 P) eingezeichnet.
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In Fig. r ist durch A die Sohle und durch UW der Unterwasserspiegel
eines Kanales angedeutet, in welchen ein Saugrohr der üblichen Bauweise eingezeichnet
ist.
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Nach den bisherigen Anschauungen soll die Entfernung H (Fig. x) des
Saugrohraustrittquerschnittes von der Kanalsohle A mindestens den halben Durchmesser
d jenes Querschnittes betragen, welcher in der Nähe der trompetenförmigen Abrundung
T vorhanden ist. (Vgl. z. B. Camerer, Wasserkraftmaschinen, Leipzig und Berlin i94,
Seite 483 usf.). Dieser große Abstand soll angeblich wegen 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 Begründung vor Das aus dem Saugrohre S strömende Wasser folgt keinesfalls
der- durch die trompetenförmige Abrundung T vorgezeichneten und gestrichelt eingetragenen
Richtung z, sondern fließt in angenähert achsialer Richtung im Sinne der Stromlinie
2 weiter, um etwa im halben Sohlenabstand H in die zur Sohlenrichtung ungefähr parallele
Richtung 3 abzubiegen. Durch eine derartige Strömung ist die Bildung eines um die
Stromlinien 2, 3 gelegten Wirbelringes W unvermeidlich, dessen schädliche Folgen
sich in einer Verringerung des Saugrohrwirkungsgrades äußern. Es kann durch die
bisher übliche trompetenförmige Erweiterung des Austrittsquerschnittes aber auch
keine Erhöhung der Energieumsetzung bewirkt werden, weil das Wasser der gewünschten
Erweiterung nicht folgen kann.
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Für die gleichen Einbauverhältnisse ist-in Fig. 2 eine Düse nach vorliegender
Erfindung dargestellt. Des besseren Vergleiches halber wurde sowohl die in Fig.
= gewählte Größe des unteren Rohrdurchmessers d als auch die Neigung der Düsenerzeugenden
E gegen die Düsenmittellinie x z beibehalten. Dagegen wurde die Sohle
A um den Betrag h 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 gemessene Rohrdurchmesser d. Der Austrittsdurchmesser D ist demnach
erheblich größer und die Höhe B des ringförmigen Austrittsquerschnittes wesentlich
kleiner als es den bisherigen Anschauungen entspricht. -Auf Grund mehrdimensionaler
Betrachtungen, welche durch den praktischen Versuch geprüft und ergänzt wurden,
konnte festgestellt werden, daß eine über den ganzen Düsenaustrittsquerschnitt genügendgleichmäßig
verteilter Wasseraustritt dann vorhanden ist, wenn die Höhe B dieses Querschnittes
nicht größer ist als der fünfte Teil des um den erwähnten Düsendurchmesser d verringerten
größten Austrittsdurchmesser D.
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Selbstverständlich sind die angegebenen Maße nicht als scharfe Scheidegrenze
aufzufassen, von welcher an die gewünschte neue Wirkung plötzlich einsetzt, weil
ja die Rauheit der Düsenwände, die Geschwindigkeit des Wassers, die Düsenbemessungen
und die sonstigen tatsächlichen Betriebsverhältnisse Übergänge schaffen, welche
in jedem Falle besonders erwogen werden müssen. Auf alle Fälle ist es aber zweckmäßig,
den Austrittsdurchmesser D so weit als möglich über das angegebene Mindestmaß zu
vergrößern, weil sich durch diese Maßnahme. eine erhebliche Zunahme der Energieumsetzung
ohne Vergrößerung der Düsenlänge L (Fig. 2) erzielen läßt.
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Da aber bei den üblichen Bauweisen der zulässige größte Sohlenabstand
erheblich überschritten, der zulässige kleinste Düsenaustrittsdurchmesser wesentlich
unterschritten wird, so ist klar, daß bei der üblichen Saugrohranordnung gerade
jene Teile von der Energieumsetzung ausgeschaltet werden, welche 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 bestimmte Düse zeigt das Ausführungsbeispiel Fig. 3, in welchem
der Austrittsdurchmesser D sechsmal größer gewählt wurde, als der Eintrittsdurchmesser
d. Da in vorliegender Erfindung die Energieumsetzung hauptsächlich in der Umgebung
der Bodenwand Al erfolgt, so kann das rohrförmige Düsenstück S1 auch zylindrisch
ausgeführt werden, wie dies aus der zur Mittellinie z z parallelen Lage dieser
Erzeugenden E .zu entnehmen ist. Zur Erzielung der gewünschten Wirkung ist es aber
nicht erforderlich, als Erzeugende der trompetenförmigen Ausweitung eine bis zum
Austrittsdurchmesser D gekrümmte Linie zu benutzen, wie dies im Ausführungsbeispiel
Fig. 2 angegeben ist. Es kann auch, wie Fig. 3 zeigt, nach der Abrundung eine gerade
Linie als Düsenerzeugende benutzt werden, -welche entweder zur Düsenmittellinie
geneigt ist oder auf dieser senkrecht steht. Das erstgenannte Profil, 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 früheren die
Austrittshöhe D mit wachsender Entfernung von der
Düsenmittellinie
vergrößert werden darf. Es kann aber auch das zur Düsenmittellinie senkrecht stehende
Profil b verwendet werden, welches in der gleichen Figur gestrichelt angedeutet
ist. Ein derartiges Profil vereinfacht die Herstellung dieser Düsenwand.
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Ist der-Unterwässerkanal schmal gegenüber dem Düsendurchmesser, dann
können Querschnittsversperrungen eintreten, welche den geordneten Abfluß in diesem
Kanal verhindern. In einem solchen Falle muß der Düsenaustrittsdurchmesser möglichst
verkleinert werden. Um aber dennoch eine genügend große Energieumsetzung zu erzielen,
kann vorteilhaft eine mit Zwischenwänden versehene Düse verwendet werden, wovon
Fig. 5 und 6 ein Ausführungsbeispiel zeigt.
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Über eine mit den angegebenen Erfindungsmerkmalen ausgebildete Düse
S1 ist ein zweites düsenförmiges Gehäuse geschoben, dessen Erzeugende G so verläuft,
daß sich der Durchflußquerschnitt gegen den Düsenaustritt hin entsprechend erweitert.
Im Bedarfsfalle können natürlich noch mehrere. derartige übereinander gelagerte
Düsenwände eingebaut werden. Die Fig. 5 zeigt beispielsweise zwei solche Düsenwände.
Durch eine solche Maßnahme wird aber die Höhe Bi des ganzen Düsenaustrittsquerschnittes
gegenüber jenen einer - Einzeldüse B erheblich vergrößert, die Austrittsgeschwindigkeit
gleichmäßig verteilt und daher auch bei kleinem Austrittsdurchmesser der Düse eine
große Energieumsetzung erzielt.
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Bei hohen Durchflußgeschwindigkeiten ist es jedoch zweckmäßig, die
Wandreibungsverluste durch Verkleinerung der von der strömenden Flüssigkeit benetzten
Oberfläche der Zwischenwände herabzumindern. Dies kann ohne nachteilige Folgen dadurch
geschehen, daß diese Wände an jenen Stellen weggelassen werden, wo eine Loslösung
des Flüssigkeitsstrahles von der äußeren Düsenwand nicht zu befürchten ist. Dies
ist in der Regel im mittleren Düsenstück der Fall. Es können aber auch beim Düseneintritt
besondere Führungsflächen dann entfallen, wenn die Erweiterung des rohrförmigen
Düsenteiles nicht groß ist. Die rechte Düsenhälfte der Fig. 5 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.
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Es können aber die Einbauverhältnisse auch derart beschaffen sein,
daß es zweckmäßig erscheint, das Wasser nicht am ganzen Ümfang des Austrittsquerschnittes,
sondern nur längs eines Teiles abfließen zu lassen. Dies wird beispielsweise dann
der Fall sein, wenn die Düse in der Nähe einer Kanalwand angeordnet ist. Um bei
derartigen Einbauverhältnissen den Verlauf der natürlichen Strömung nicht zu zerstören,
ist die Verwendung eines keilförmigen Ausschnittes der beschriebenen Düsenformen
vorgesehen, wie dies aus dem Grundriß der Fig. q. und 6 zu entnehmen ist. Die beiden
gestrichelten Linien r und t entsprechen den beiden Seitenwänden des
Düsenkeiles N 0 P, welch letzterer den gewünschten einseitigen Wasserabfluß
ermöglicht. Zu diesem Behufe können die auf der Sohle oder Bodenfläche wenigstens
angenähert senkrecht stehenden Seitenwände entweder tangential an das rohrförmige
Düsenstück S1 angeschlossen werden, wie dies aus Fig. q. zu entnehmen ist, oder
es können diese beiden Wände durch die Düsenmittellinie x z gelegt werden,
in welchem Falle dieselben in Meridianebenen liegen, wie -dies aus Fig. 6 zu entnehmen
ist. Durch eine. solche Lage wird der natürliche Strömungsverlauf besser gewahrt,
doch ist der in Fig. 6 gestrichelt schraffierte kreissektorförmige Düseneintrittsquerschnitt
Q selbstverständlich in einen runden Querschnitt überzuführen, falls der Flüssigkeitsstrahl,
dessen Energie umgesetzt werden soll, einen solchen Querschnitt verlangt. Derartige
Düsenteile mit einseitigem Ausfluß können auch bei Wasserturbinen riiit liegender
Welle als Eisatz der bisher mit Saugrohrkrümmern verbundenen Saugrohre vorteilhafte
Verwendung finden, da die übliche- Krümmeranordnung für ein größeres Energieumsetzungsverhältnis
ganz ungeeignet ist.
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Der Einbau einer nach vorliegender Erfindung ausgebildeten Düse kann
entweder so vorgenommen werden, daß die Kanalsohle A1 gleichzeitig als Bodenfläche
der Düse dient, wie dies Fig. 2 zeigt, oder es kann die Bodenwand mit dem Düsengehäuse
durch radial gestellte Stege F verbunden werden, wie dies aus den Fig. 5 und 6 zu
entnehmen ist. Besonders vorteilhaft erweist sich aber eine verstellbare Befestigung
der Bodenwand etwa nach einer in den Fig. 3 und q. angegebenen Anordnuizg, nach
welcher die Verstellbarkeit durch Schraubenbolzen f und Muttern k bewirkt wird.
Selbstverständlich könnten zu diesem Zwecke auch andere Klemmvorrichtungen verwendet
werden.
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Durch eine solche Maßnahme kann jener Düsenquerschnitt auch versuchsmäßig
eingestellt werden, für welchen unter den tatsächlich vorhandenen Betriebsverhältnissen
die beste Energieumsetzung erzielt «erden kann.
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Eine nach vorliegender Erfindung ausgebildete Düse kann aber nicht
nur als Ersatz der bisher gebräuchlichen Turb-nensaugrohre verwendet werden, sondern
bietet überall dort Vorteile, wo eine große Umsetzung von Geschwindigkeitsenergie
strömender Flüssigkeiten in Druckenergie erforderlich ist. Dies ist nicht nur bei
allen Arten von Kreiselmaschinen,
sondern auch bei Strahlapparaten,
Luft- und Gassaugern u. dgl. der Fall. Selbstverständlich ist auch die Art und Beschaffenheit
des Arbeitsmittels (Flüssigkeit, Dampf, Gas o. dgl.) keiner Beschränkung unterworfen.