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Die
Erfindung betrifft einen Kanal zur Wasserführung in einem geschlossenen
Kreislauf, insbesondere einen Wasserumlaufkanal gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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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.
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Aus
dem Stand der Technik ist die
DE 2 222 594 A vorbekannt, in der ein Schwimmbecken
mit Umlaufströmung
beschrieben ist. Hierbei weist das Schwimmbecken an einer anströmseitigen
Stirnseite eine sich über
die gesamte Breite sowie Höhe
der anströmseitigen
Stirnseite erstreckende Wassereinströmfläche auf, so dass in jedem wasserführenden Schwimmbeckenquerschnitt
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
eine annähernd
homogene Geschwindigkeitsverteilung erzielt wird. Kennzeichnend für diese
Erfindung ist außerdem,
dass das Schwimmbecken in Strömungsrichtung
des Wassers hin sich vergrößernde Strömungsbeckenquerschnitte senkrecht
zur Hauptströmungsrichtung
aufweist. Durch die Vergrößerung des
Strömungsbeckenquerschnitts
verringert sich bei konstanter Durchflussmenge die Strömungsgeschwindigkeit.
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In
der
CH 176562 ist ein
Schwimmbadbassin offenbart, welches von im Kreislauf geführtem, in
seiner Geschwindigkeit regulierbarem Wasser durchströmt wird.
Hierzu weist das Schwimmbadbassin bei einer bevorzugten Ausführungsvariante
zumindest zwei übereinander
liegende Raumteile auf, wobei ein erster Raumteil zum Schwimmen
dient und in einem zweiten Raumteil mechanisch angetriebene Wasserfördermittel
angeordnet sind. Bei einer weiteren Ausführungsvariante weist das Schwimmbadbassin
zwei im Bereich der Seitenwände
platzierte und parallel zur Wasserströmungsrichtung platzierte Zwischenwände auf,
die von den Stirnseiten des Schwimmbadbassin beabstandet sind. Zwischen
den Zwischenwänden
und den Seitenwänden
des Schwimmbadbassins werden Durchströmungsräume ausgebildet, in denen Antriebsmittel
zur Erzeugung einer Strömung
platziert sind.
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In
der
DD 301 361 A7 ist
eine Auffangeinrichtung für
Umlaufwasserkanäle
mit schießender
Messstreckenströmung
offenbart. Die Auffangeinrichtung umfasst hierbei einen Fangdiffusor
mit Fanggitter und starrer oder beweglicher Schneide sowie einem
Entlüftungsbecken.
Kennzeichnend für
diese Erfindung ist, dass vor dem Fangdiffusor das Fangsieb oder das
Fanggitter und nach dem Fangdiffusor eine mit dem Entlüftungsbecken
verbundene Düse
sowie ein ggf. beschaufelter Krümmer
vorgeschaltet ist.
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Der
DE 2 056 760 A ist
ein Wasserbassin zur therapeutischen Behandlung unter Verwendung
von Wasser zu entnehmen. Das Bassin ist hierbei durch Wände in einen
mäanderförmigen Kanal
unterteilt, wobei jeweils zwei benachbarte Kanalteile in entgegengesetzter
Richtung von Wasser durchflossen sind. An einigen Stellen des Kanals
sind querschnitteverengende Bodenwellen und an den der Wasserströmung abgekehrten
Flanken der Bodenwellen Einströmöffnungen
für durch
eine Wasserumwälzanlage
gepumptes Wasser vorgesehen.
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Vorgenannte
Erfindungen haben gemeinsam, dass in dem sich in Strömungsrichtung
des Beckenwassers zwischen der Abströmseite und der Anströmseite des
Schwimmbeckens erstreckenden Rückführungskanal
ein inhomogenes Strömungsgeschwindigkeitsprofil
ausbildet, welches sich unter Umständen auch im Schwimmbecken
fortpflanzt. Ursächlich
dafür sind
Umlenkungen und Einbauteile im Rückführungskanal
zu nennen, die im Bereich der mehr gekrümmten Innenseite des Rückführungskanals
eine Strömungsbeschleunigung
und im Bereich der weniger gekrümmten
Außenseite
des Rückführungskanals
eine Strömungsverzögerung des
Beckenwassers verursachen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Kanal zur Wasserführung in
einem geschlossenen Kreislauf, insbesondere einen Wasserumlaufkanal,
vorzuschlagen, mit dem eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung
orthogonal zur Hauptströmungsrichtung
des Wassers bei relativ niedrigen Strömungsverlusten sichergestellt
wird.
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Nach
der Konzeption der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kanal zur
Wasserführung
in einem geschlossenen Kreislauf mit mindestens einer den Zugang zur
Wasseroberfläche
ermöglichenden Messstrecke
und mit mindestens einer Wasserfördereinrichtung,
die wenigstens auf der Saugseite mit einer Schutzeinrichtung versehen
ist, aufgebaut ist. Die Wasserfördereinrichtung
ist hierbei in der Horizontalen seitlich zur Messstrecke angeordnet,
wobei die Messstrecke sowie mindestens ein Rückführungskanal über Krümmer miteinander
verbunden sind. Der Krümmer
verengt sich einerseits in Strömungsrichtung
entlang der ersten 90° Biegung
und ist mit einem Beschleunigungsgitter versehen und erweitert sich
andererseits entlang der zweiten 90° Biegung und ist mit einem Verzögerungsgitter
versehen. Erfindungsgemäß ist das
Verzögerungsgitter
als Verbundgitter ausgebildet ist, bei dem die Verzögerung der
Strömung über zwei
oder mehrere im Verbund wirkende Verzögerungsgitter erzielt wird.
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Durch
die Anordnung der Wasserfördereinrichtungen
in der Horizontalen seitlich zum Kanal wird eine sehr kompakte Anordnung
des Umlaufkanals erzielt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis
6.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich dem Fachmann des Weiteren
aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
im Hinblick auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
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1:
Draufsicht des erfindungsgemäßen Umlaufkanals,
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2:
maßstabsvergrößerte Darstellung
der Umlenkbereiche mit den Umlenkgittern des erfindungsgemäßen Umlaufkanals,
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Umlaufkanals mit zwei Rückführungskanälen.
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4 zeigt
in einer Draufsicht die Anordnung der Fördereinrichtung in einer Umgehungsleitung
(Bypass).
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Gemäß 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.
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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.
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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.
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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.
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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 Mähe
der Wasseroberfläche ein über einen
Getriebemotor angetriebenes Ritzel eingreift und dadurch die Pumpe 5 betätigt.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß 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.
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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.
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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.
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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 Strömungseintrittseite
als auch die Strömungsaustrittseite
im wesentlichen tangential zum jeweiligen Abschnitt der Beckenwand 1a ausgerichtet
ist.
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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 Strömungsaustrittseite
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.
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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 Stömungsrichtung, nicht
jedoch eine Erhöhung
oder eine Erniedrigung der Strömungsgeschwindigkeit.
Sie werden daher auch als Gleichdruckgitter bezeichnet.
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Im
Krümmer 6b ist
ein sog. Verzögerungsgitter
G4 (1 und 2) eingebaut, das analog zum Beschleunigungsgitter
G1 aufgebaut ist, jedoch aufgrund der im Verlauf des Krümmers 6b vorgesehenen
Querschnittserweiterung die Strömungsgeschwindigkeit
verlangsamt.
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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.
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Bei
Verwendung von nur einem Verzögerungsgitter
G4 im Krümmer 6b ist
daher ein Querschnittserweiterungsverhältnis von Zuströmquerschnitt
zu Abströmquerschnitt
bis zu 0,7 zulässig (Kontinuitätsgleichung).
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Da
das Querschnittserweiterungsverhältnis jedoch
bis zu 0,3 betragen kann, müssen
zur Vermeidung von Strömungsablösungen zwei
oder mehrere Verzögerungsgitter
hintereinandergeschaltet werden. Dadurch erfolgt die Verzögerung der
Strömung bzw.
die Erweiterung des Kanals in mehreren Stufen.
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Als
besonders vorteilhaft haben sich zwei im Verbund wirkende Verzögerungsgitter
G4 und G4' erwiesen
(2). Der prinzipielle Aufbau der beiden im Verbund
wirkenden Verzögerungsgitter
G4 und G4' entspricht
dem Aufbau wie oben bereits bezüglich des
Umlenkgitters G1 beschrieben.
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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 Strömungsquerschnittserweiterung
entlang des Krümmers 6b erfolgt.
Die Außenwand 1a des
Beckens ist zwischen den Außenschaufeln 13 der
beiden Krümmer
G4 und G4' als Gerade,
ausgebildet.
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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.
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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.
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Gemäß 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 1 und 2.
Es unterscheidet sich lediglich darin, daß die Kanalanlage spiegelsymmetrisch
zur Meßstrecke
M zweimal vorhanden ist.
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Gemäß 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.
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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.
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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.
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Bei
der Anordnung ist es weiterhin vorteilhaft, als Pumpen 5 sog.
Axialpumpen zu verwenden, wie sie in den Patentschriften DD-246
461 A3, DD-237 768 A3 und DD-246 462 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.