DE4414382A1 - Wasserumlaufkanal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kanäle mit geschlossenem Wasserkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Derartige Kanäle werden zur Durchführung von Strömungsversuchen, zu Trainingszwecken für Sportler wie zum Beispiel Schwimmer oder Kanufahrer oder für therapeutische Anwendungen in der Heilbehandlung eingesetzt.

Herkömmliche Kanäle sind als sogenannte Vertikalkanäle ausgebildet, bei denen das Wasser im Anschluß an eine eine offene Wasseroberfläche aufweisende Meßstrecke über einen Diffusor, einen ersten das Wasser unter die Meßstrecke leitenden Umlenkkrümmer, über Wasserfördereinrichtungen, einen weiteren Krümmer und eine Düse wieder der Meßstrecke zugeführt wird. Diese Anordnung erfordert einen relativ großen Raumbedarf in der Tiefenerstreckung des Kanals.

Es sind auch Kanäle bekannt bei denen die Wasserführung in der Horizontalen erfolgt. Bei dieser Anordnung sind die Krümmungsradien der horizontal liegenden Umlenkkrümmer möglichst groß gewählt, um Strömungsverluste gering zu halten und um eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in der Meßstrecke zu gewährleisten. Dies hat einen relativ großen Flächenbedarf zur Folge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen möglichst einfach aufgebauten kompakten Wasserumlaufkanal mit gleichmäßiger Geschwindigkeitsverteilung bei relativ niedrigen Strömungsverlusten zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst.

Durch die Anordnung der Wasserfördereinrichtungen in der Horizontalen seitlich zum Kanal wird eine sehr kompakte Anordnung des Umlaufkanals erzielt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 8, 9 und 13 wird durch die Verengung des Rücklaufkanals der Flächenbedarf für die Kanalanlage weiter reduziert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10 bis 12 wird durch die Verwendung von Beschleunigungsgittern an der Verengung des Rücklaufkanals und von Verzögerungsgittern an der Erweiterung des Rücklaufkanals die Wasserströmung verlustarm geführt, wobei insbesondere in der Meßstrecke eine gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung erhalten wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Umlaufkanals.

Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht etwas abgewandelt in vergrößertem Maßstab die beiden Umlenkbereiche eines Umlaufkanals und verdeutlichen die Gestaltung der Umlenkgitter.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Umlaufkanals mit zwei Rückführungskanälen.

Fig. 4 zeigt in einer Draufsicht die Anordnung der Fördereinrichtung in einer Umgehungsleitung (Bypass).

Gemäß Fig. 1 wird in einem Becken 1 durch eine mauerartige Wandung 2 in einem Mittenabschnitt des Beckens 1 ein Umlaufkanal ausgebildet, in dem Wasser oder andere Fluide in der Horizontalen in einem Kreislauf geführt strömen. Der Kanal hat in Flußrichtung (Pfeil) gesehen eine gerade Meßstrecke M, einen sich daran anschließenden Krümmer 3, eine gerade ausgebildete Rückführungsstrecke 4, in der eine Fördereinrichtung 5 angeordnet ist, und einen weiteren Krümmer 6, an den sich die Meßstrecke M anschließt und somit einen geschlossenen Umlaufkanal für Fluide ausbildet.

Vor der Meßstrecke M ist ein Gleichrichter 7 und nach der Meßstrecke M ist eine Fangeinrichtung 8 angeordnet. Der sich in Flußrichtung an die Fangeinrichtung 8 anschließende Krümmer 3 besteht aus zwei 90°-Krümmer 3a und 3b, die somit die Strömung insgesamt um 180° umlenken. Jeder der 90°- Krümmer 3a, 3b ist mit jeweils einem Umlenkgitter G1 bzw. G2 versehen.

Die in der Rückführungsstrecke 4 befindliche Fördereinrichtung 5 ist als Schraubenpumpe ausgebildet, die das Wasser in Strömungsrichtung (Pfeil) fördert. Die Antriebswelle der Pumpe 5 wird durch den Krümmer 3b und durch das im Krümmer 3b befindliche Umlenkgitter G2 weiter durch die Beckenaußenwand geführt. Die Pumpe 5 kann somit über einen außerhalb des Beckens 1 angebrachten Antrieb (nicht dargestellt), der als in der Geschwindigkeit regelbarer Antrieb ausgebildet ist, betätigt werden. In Flußrichtung nach der Pumpe 5 ist eine Diffusor 9 angebracht.

Der Antrieb der Pumpe 5 (nicht dargestellt) kann auch oberhalb des Beckens 1 im Bereich zwischen der Pumpe 5 und dem Umlenkgitter G2 angeordnet sein. Dazu wird die Antriebswelle der Pumpe 5 zwischen der Pumpe 5 und dem Umlenkgitter G2 mittels eines wassergeschmierten Umlenkgetriebes um 90° in vertikaler Richtung nach oben umgeleitet. Über der Wasseroberfläche befindet sich eine aus einem Getriebemotor bestehende Antriebseinheit, die die umgelenkte Antriebswelle betätigt.

Der Antrieb der Pumpe 5 (nicht dargestellt) kann auch derart gestaltet sein, daß der Außenumfang der Schraubenpumpe 5 als ein Zahnrad ausgebildet ist, in das in der Nähe der Wasseroberfläche ein über einen Getriebemotor angetriebenes Ritzel eingreift und dadurch die Pumpe 5 betätigt.

Am Ende der Rückführungsstrecke 4 befindet sich der die Strömung um 180° umlenkende Krümmer 6, der aus zwei hintereinander geschalteten 90° Krümmern 6a und 6b besteht, in welchen sich jeweils ein Umlenkgitter G3 bzw. G4 befindet.

Die Querschnittsfläche der Rückführungsstrecke 4 kann kleiner gewählt werden als die Querschnittsfläche der Meßstrecke M. Das Verhältnis der Querschnittsfläche der Rückführungsstrecke 4 zur Querschnittsfläche der Meßstrecke M kann zwischen 1 : 1 und 1 : 3 liegen. Dies bedeutet, daß entsprechend der Kontinuitätsgleichung die Fluidgeschwindigkeit in der Rückführungsstrecke 4 größer ist als in der Meßstrecke M. Das Wasser wird beim Durchfließen des Krümmers 3a beschleunigt und beim Durchfließen des Krümmers 6b verzögert.

Die Umlenkgitter G1, G2, G3, und G4 bestehen aus mehreren vertikal ausgerichteten in diagonaler Richtung des jeweiligen Krümmers 3a, 3b, 6a und 6b hintereinander angeordneten Schaufeln 10, die durch mehrere in der Horizontalen übereinander liegende Stützbleche 11 miteinander verbunden sind.

Gemäß Fig. 2 ist die Anordnung und Gestaltung der Schaufel 10 der Umlenkgitter G1 bis G4 dargestellt. Dabei ist das Umlenkgitter G1 als Beschleunigungsgitter, die Umlenkgitter G2 und G3 als Gleichdruckgitter und das Umlenkgitter G4 als Verzögerungsgitter ausgebildet.

Der prinzipielle Aufbau eines Umlenkgitters wird nachfolgend am Beispiel des Beschleunigungsgitters G1, welches im 90°- Krümmer 3a angeordnet ist, näher erläutert. Die Wassereintrittsbreite des Krümmers 3a entspricht der Breite der Meßstrecke M. Die Austrittsbreite des Krümmers 3a entspricht der Eintrittsbreite des Krümmers 3b.

Die Innenwand 12 des Krümmers 3a wird durch die Wandung 2 bestimmt, die über die gesamte 90° Biegung des Krümmers 3a einen vorbestimmten Radius R in Form eines 90° Kreissegments aufweist und somit als Innenschaufel 12 dient. Die Außenwand des Krümmers wird durch die Beckenwand 1a abgegrenzt. Die Beckenwand 1a ist im Bereich des Krümmers 3a als eine rechtwinklige Ecke ausgebildet, deren einer Schenkel als gerade Fortsetzung der Beckenwand 1a der Meßstrecke M ausgebildet ist und deren anderer Schenkel geradlinig in die Beckenwand 1a des Krümmers 3b übergeht. Die eigentliche Ecke 13 ist mit einer einem 90° Kreissegment mit dem Radius R entsprechenden Rundung versehen und dient als Außenschaufel 13.

Das Querschnittsprofil der aus dünnwandigem Blech gebogenen oder aus Kunststofflaminat geformten Schaufeln 10 ist ebenfalls durch ein Kreissegment mit dem Radius R festgelegt. Der Winkel des Kreissegments ist größer oder gleich 90°. Er kann bis zu 125° betragen. Die Mittelpunkte der Kreissegmente der Innenschaufel 12, der Außenschaufel 13 und der dazwischen in gleichmäßigen Abständen aufgereihten Schaufeln 10 liegen alle auf einer Geraden 14. Die Schaufeln sind derart angeordnet, daß sowohl die Strömungseintrittsseite als auch die Strömungsaustrittsseite im wesentlichen tangential zum jeweiligen Abschnitt der Beckenwand 1a ausgerichtet ist.

Das Fluid strömt auf der Innenseite des Krümmers schneller als auf der Außenseite des Krümmers. Wenn der Kreissegmentwinkel der Schaufeln 10 größer als 90° gewählt wird, so sind die Schaufel 10 sowohl auf der Strömungseintrittsseite als auch auf der Strömungsaustrittsseite verlängert ausgebildet. Die verlängerte Ausbildung der Schaufel kann von der Außenschaufel 13 zur Innenschaufel 12 hin abnehmen. Auf diese Weise kann der Geschwindigkeitsunterschied zwischen der schnelleren Strömung an der Innenseite und der langsameren Strömung an der Außenseite des Kanals teilweise kompensiert werden.

In den Krümmern 3b und 6a ist je ein Umlenkgitter G2 bzw. G3 vorgesehen, das prinzipiell wie das oben beschriebene Umlenkgitter G1 aufgebaut ist. Da der jeweilige Einströmquerschnitt der Krümmer 3b und 6a identisch zum jeweiligen Ausströmquerschnitt ist, bewirken die Umlenkgitter G2 und G3 lediglich eine Umlenkung der Strömungsrichtung, nicht jedoch eine Erhöhung oder eine Erniedrigung der Strömungsgeschwindigkeit. Sie werden daher auch als Gleichdruckgitter bezeichnet.

Im Krümmer 6b ist ein sog. Verzögerungsgitter G4 (Fig. 1 und 2) eingebaut, das analog zum Beschleunigungsgitter G1 aufgebaut ist, jedoch aufgrund der im Verlauf des Krümmers 6b vorgesehenen Querschnittserweiterung die Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt.

Das zulässige Verhältnis von Abströmgeschwindigkeit zu Zuströmgeschwindigkeit bei einem Verzögerungsgitter liegt bei etwa 0,7. Ist dieses Verhältnis kleiner als 0,7, so tritt eine Strömungsablösung auf, die wiederum eine Wirbelbildung und damit Strömungsverluste bzw. eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über den Kanalquerschnitt zur Folge hat. Dieses Verhältnis findet bei einem Beschleunigungsgitter beispielsweise beim Umlenkgitter G1, bei dem die Abströmgeschwindigkeit größer als die Zuströmgeschwindigkeit ist, keine Berücksichtigung.

Bei Verwendung von nur einem Verzögerungsgitter G4 im Krümmer 6b ist daher ein Querschnittserweiterungsverhältnis von Zuströmquerschnitt zu Abströmquerschnitt bis zu 0,7 zulässig (Kontinuitätsgleichung).

Da das Querschnittserweiterungsverhältnis jedoch bis zu 0,3 betragen kann, müssen zur Vermeidung von Strömungsablösungen zwei oder mehrere Verzögerungsgitter hintereinander­ geschaltet werden. Dadurch erfolgt die Verzögerung der Strömung bzw. die Erweiterung des Kanals in mehreren Stufen.

Als besonders vorteilhaft haben sich zwei im Verbund wirkende Verzögerungsgitter G4 und G4′ erwiesen (Fig. 2). Der prinzipielle Aufbau der beiden im Verbund wirkenden Verzögerungsgitter G4 und G4′ entspricht dem Aufbau wie oben bereits bezüglich des Umlenkgitters G1 beschrieben.

Entlang der Strömungsrichtung ist im 90° Krümmer 6b nach ungefähr der Hälfte der Krümmerbiegung das erste Verzögerungsgitter G4 und nach ungefähr 90° Biegung das zweite Verzögerungsgitter G4′ angeordnet. Die zu den jeweiligen Verzögerungsgittern G4, G4′ gehörigen, durch die Außenwand des Beckens gebildeten Außenschaufeln 13 weisen den vorbestimmten Radius R auf. Im Verlauf der Außenschaufel 13 des Krümmers 6b vollzieht die Außenwand 1a eine Biegung um etwa 45°, so daß eine stufenweise Strömungsquerschnitts­ erweiterung entlang des Krümmers 6b erfolgt. Die Außenwand 1a des Beckens ist zwischen den Außenschaufeln 13 der beiden Krümmer G4 und G4′ als Gerade ausgebildet.

Da die Strömungsumlenkung der im Verbund wirkenden Gitter (Verbundgitter) G4, G4′ in zwei Stufen um jeweils etwa 45° erfolgt, ist die Profillänge der verwendeten Schaufeln 10 entsprechend kürzer als bei eine 90° Umlenkung.

Die Schaufeln 10 des zweiten Verzögerungsgitters G4′ sind dabei insbesondere auf der Innenseite des Kanals so weit an die Schaufeln 10 des ersten Verzögerungsgitters herangerückt, daß sie sich in ihrer Wirkungsweise gegenseitig unterstützend beeinflussen. Die Profillänge und die radiale Beabstandung der Schaufeln 10 der beiden Verzögerungsgitter G4 und G4′ ist dabei so gewählt, daß das zweite Gitter G4′ gegenüber dem ersten Gitter G4 zur Innenkontur hin verschoben ist. Durch diese Anordnung der im Verbund wirkenden Gitter G4 und G4′ ist es möglich, eine relativ hohe Verzögerung unter Vermeidung von Strömungsablösungen zu erzielen. Damit wird einerseits eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung erreicht und andererseits werden Strömungsverluste vermieden.

Gemäß Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das zu beiden Seiten der Meßstrecke M einen Rückführungskanal 4 mit einer entsprechenden Fördereinrichtung 5 aufweist. Dieses Ausführungsbeispiel ist prinzipiell identisch zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 2 . Es unterscheidet sich lediglich darin, daß die Kanalanlage spiegelsymmetrisch zur Meßstrecke M zweimal vorhanden ist.

Gemäß Fig. 4 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel die mindestens eine Fördereinrichtung 5 in mindestens einer bypassartigen Umgehungsleitung 15 untergebracht. Die Umgehungsleitung 15 zweigt vom eigentlichen als Kreislauf ausgebildeten Kanal ab und mündet nach der Fördereinrichtung 5 wieder im Kanal. Sowohl die abzweigende Seite als auch die Einmündungsseite der Umgehungsleitung 15 ist mit einem Schutzgitter 8 abgedeckt. Über die Fördereinrichtung 5 in der Umgehungsleitung 15 wird ein Teilstrom des Wassers, bzw.

Fluids aus dem Kanal angesaugt und in beschleunigtem Zustand dem Kanal wieder zugeführt.

Diese Umgehungsleitung 15 mit Fördereinrichtung 5 kann an mehreren Stellen des Kanals sowohl auf einer Seite des Kanals als auch beidseitig des Kanals angeordnet sein. Zwei derartige Umgehungsleitungen 15 können sich auf beiden Seiten des Kanals gegenüberliegen oder sie können gegeneinander versetzt angeordnet sein, wie es dargestellt ist.

Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die ganze Länge des Kanals für Trainings- oder Therapiezwecke benutzt werden kann, da die Fördereinrichtung nicht im Kanalquerschnitt sondern seitlich zum Kanal angeordnet ist. In der näheren Umgebung einer Umgehungsleitung herrscht keine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt des Kanals. Auch diese nicht einheitlichen Strömungsverhältnisse können für bestimmte Untersuchungen oder Anwendungen eingesetzt werden.

Bei der Anordnung ist es weiterhin vorteilhaft, als Pumpen 5 sog. Axialpumpen zu verwenden, wie sie in den Patentschriften DD-2 46 461 A3, DD-2 37 768 A3 und DD-2 46 462 A3 dargestellt sind. Diese Axialpumpen haben die Eigenschaft sehr kavitationsfest zu sein, so daß sie sich zum Betrieb bei geringem Umgebungsdruck eignen, wodurch die horizontale Anordnung der Bauteile des Wasserumlaufkanals besonders positiv beeinflußt wird. Horizontale Umlaufkanäle wurden daher im Stand der Technik nur für gasförmige Medien, wie Luft verwendet.

Claims (13)

1. Kanal zur Wasserführung in einem geschlossenen Kreislauf mit mindestens einer den Zugang zur Wasseroberfläche ermöglichenden Meßstrecke (M) und mit mindestens einer Wasserfördereinrichtung (5), die wenigstens auf der Saugseite mit einer Schutzeinrichtung (8) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserfördereinrichtung (5) in der Horizontalen seitlich zur Meßstrecke (M) angeordnet ist.

2. Kanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einem Abschnitt der Seitenwand (1a) des Kanals eine rohrartige Umgehungsleitung (15) in der Horizontalen angeordnet ist, in dem die Wasserfördereinrichtung (5) untergebracht ist.

3. Kanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden (1a) des Kanals je eine rohrartige Umgehungsleitung (15) in der Horizontalen angeordnet ist, die sich gegenüberliegen oder gegeneinander versetzt sind.

4. Kanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserfördereinrichtung (5) seitlich in einem horizontal zur Meßstrecke angeordneten Rückführungskanal (4) angeordnet ist.

5. Kanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wasserstrom im Kanal nach der Meßstrecke (M) in zwei Teilströme aufgeteilt ist, die über jeweils einen seitlich zur Meßstrecke horizontal liegenden je eine Fördereinrichtung (5) aufweisende Rückführungskanal (4) an den Anfang der Meßstrecke (M) zurückführbar sind.

6. Kanal nach einem oder mehrerer vorgenannter Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal als ein in der Horizontalen liegender Kreis ausgebildet ist.

7. Kanal nach einem oder mehrerer vorgenannter Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (M) und mindestens ein Rückführungskanal (4) parallel zueinander in der Horizontalen angeordnet sind und an ihren Endseiten über je einen 180° Krümmer (3, 6) verbunden sind.

8. Kanal nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmer (3) in Strömungsrichtung nach der Meßstrecke (M) als Verengungskrümmer ausgebildet ist.

9. Kanal nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmer (6) in Strömungsrichtung vor der Meßstrecke (M) als Erweiterungskrümmer ausgebildet ist.

10. Kanal nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Krümmer (3) in Strömungsrichtung entlang der ersten 90° Biegung (3a) verengt und mit einem Beschleunigungsgitter (G1) versehen ist und daß die zweite 90° Biegung (3b) mit einem Gleichdruckgitter (G2) versehen ist.

11. Kanal nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Krümmer (6) in Strömungsrichtung entlang der zweiten 90° Biegung (6b) erweitert und mit einem Verzögerungsgitter (G4) versehen ist und daß die erste 90° Biegung (6a) mit einem Gleichdruckgitter (G3) versehen ist.

12. Kanal nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsgitter (G4) als Verbundgitter (G4, G4′) ausgebildet ist, bei dem die Verzögerung der Strömung über zwei im Verbund wirkende Verzögerungsgitter erzielt wird.

13. Kanal nach einem oder mehrerer der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Verengung bezüglich der Breite der Meßstrecke bis zu 0,3 der Breite der Meßstrecke betragen kann, und daß der Betrag der Erweiterung das zur Verengung entsprechend umgekehrte Verhältnis aufweist.