DE526746C

DE526746C - Device to limit cavitation phenomena in pipelines through which fluids flow at high speed and in which the fluid flow loosens away from the wall due to changes in direction or cross-section

Info

Publication number: DE526746C
Application number: DEK113684D
Authority: DE
Original assignee: BURGHARD KOERNER DIPL ING
Current assignee: BURGHARD KOERNER DIPL ING
Priority date: 1929-03-06
Filing date: 1929-03-06
Publication date: 1931-06-10

Description

In Rohrleitungen, die von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, mit großer Geschwindigkeit durchströmt werden, treten erfahrungsgemäß an und hinter Stellen, an denen sich der Flüssigkeitsstrom infolge von Richtungs- oder Ouerschnittsänderungen von der Wand ablöst, Erscheinungen auf, die man mit Kavitation (Hohlraumbildung) bezeichnet. Kavitation äußert sich äußerlich durch starkes, hämmerndes Geräusch, das bei Rohrleitungen großen Durchmessers bis zu donnerähnlicher Stärke anwachsen kann, und durch starke Erschütterungen, Schwingungen und Schläge, die, von der Kavitationsstelle ausgehend, mehr oder weniger große Teile der Rohrleitung in Mitleidenschaft ziehen. Im Innern der Rohrleitungen und ihrer Verschlüsse, Regelvorrichtungen usw. führt die Kavitation zu Anfressungen und zur Zerstörung der auf die Ablösungsstellen in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit folgenden Teile der Wandung und etwaiger Einbauten. Die mechanischen Wirkungen der Erschütterungen und Wasserschläge führen leicht zu übermäßigen Materialbeanspruchungen und zu Ermüdungserscheinungen. In pipelines carried by liquids, especially water, at great speed are traversed, experience has shown at and behind places where the flow of liquid occurs as a result of Changes in direction or cross-section detached from the wall, appearances that one referred to as cavitation (formation of cavities). Cavitation manifests itself externally through strong, pounding noise, which in large-diameter pipelines can be thunder-like Strength can increase, and due to strong shocks, vibrations and blows that, from the cavitation site starting, more or less large parts of the pipeline are affected. in the Inside the pipelines and their closures, control devices, etc. leads the Cavitation to pitting and to the destruction of the separation points in the direction of flow the parts of the wall following the liquid and any built-in components. The mechanical effects of the vibrations and water hammer easily lead to excessive stresses on the material and to fatigue.

Besonders bekannt geworden sind die Kavitationserscheinungen und ihre Folgen in Stollen, Grundablaß- und Entnahmeleitungen von Talsperren und Stauwerken, wo Druck und Geschwindigkeit des fließenden Wassers die Möglichkeit der Hohlraumbildung schon bei verhältnismäßig geringen Stauhöhen schaffen. Anlaß zur Kavitation geben hier neben Krümmungen, Abzweigen und Hosenrohren alle Einbauten in den geschlossenen Wasserstrom und in der Hauptsache die Absperrund Regelvorrichtungen aller Formen und Ausbildungen. Alle vorgenannten Einrichtungen, besonders aber die Absperr- und Regelvorrichtungen — und diese wieder in der Hauptsache bei teilweiser Öffnung —, zwingen den geschlossenen Flüssigkeitsstrom infolge Richtungsänderung oder Querschnittsverengung mit nachfolgender Erweiterung ein- oder mehrfach zur Ablösung von den strombegrenzenden Wänden oder Einbauten und veranlassen damit die Hohlraumbildung mit ihren schädlichen Folgen.The cavitation phenomena and their consequences in tunnels have become particularly well known. Bottom outlet and extraction lines of dams and dams, where the pressure and speed of the flowing water Create the possibility of cavity formation even with relatively low stagnation heights. In addition to bends, branches and Y-pipes, all installations in the closed water flow give rise to cavitation and mainly the shut-off and regulating devices of all shapes and forms. All of the aforementioned facilities, but especially the shut-off and control devices - and these again mainly with partial opening -, force the closed flow of liquid as a result of a change in direction or a narrowing of the cross-section with subsequent expansion or several times to detach from the current-limiting walls or fixtures and thus cause the formation of cavities with their harmful consequences.

Wirksame Mittel zur Verhütung der Kavitation oder zur Einschränkung der Kavitationsschäden gibt es bisher nicht, wenn nicht gleichzeitig die Betriebsfähigkeit der betreffenden Anlage herabgesetzt werden soll. So bedeutet die bekannte Vorschrift: Grundablaßschieber von Talsperren stets nur bei voller Öffnung laufen zu lassen oder die Verschlüsse von Entnahme- und Turbinenleitungen nur nach vorhergehendem Druckausgleich zu betätigen und stets ganz geöffnet zu halten, einen Verzicht auf die Regelungsmöglichkeit der Abflußmenge.Effective means of preventing cavitation or limiting cavitation damage does not exist so far, if not at the same time, the operability of the relevant Plant is to be reduced. The well-known regulation means: bottom drain valve of dams should only be allowed to run when they are fully open or the closures of extraction and turbine lines to be operated only after prior pressure equalization and to be kept fully open at all times, a waiver of the possibility of regulating the flow rate.

Die Absaugung der Grenzschicht, durch die man die strömende Flüssigkeit bei geringen Fließgeschwindigkeiten zwingen kann, ohne Ablösung von der Wand Ouerschnittserweiterungen oder Strahlumlenkungen zu folgen, versagt, sobald die größeren Fließgeschwindigkeiten, und die Druckverhältnisse im Strahl die Vorbedingungen der Kavitation geben, d. h. sobald der Druck im und am Strahl auf ο ίο bzw. die der Flüssigkeitstemperatur entsprechende Dampfspannung sinkt. In diesem Falle hört die Absaugemöglichkeit auf, weil es unmöglich ist, das Vakuum des Rezipienten (Saugpumpe, Gebläse o. dgl.) noch weiter zu treiben, als bis auf die Dampfspannung oder auf ο (absolut).The suction of the boundary layer through which one can see the flowing liquid at low levels Can force flow velocities without detachment from the wall cross-sectional enlargements or following jet deflections fails as soon as the higher flow velocities, and the pressure conditions in the jet give the preconditions for cavitation, d. H. as soon as the pressure in and on the jet is on ο ίο or the vapor tension corresponding to the liquid temperature drops. In this Trap, the possibility of suction ceases because it is impossible to use the vacuum of the recipient (Suction pump, fan or the like.) To drive even further than up to the steam tension or on ο (absolute).

Ferner ist es auch unmöglich, bei Strömungsgeschwindigkeiten, die zur Kavitation führen, durch Einbau von Leitschaufeln, Führungswänden o. dgl. den Strahl zu zwingen, der Erweiterung oder Richtungsänderung zu folgen, ohne daß diese Einbauten selbst wieder Ausgangspunkte von Strahlablösungen und neuer Hohlraumbildung werden. Die Gründe hierfür sind in der bekannten Tatsache zu sehen, daß eine Flüssigkeit im turbulenten Strömungsbereich selbst bei mäßigen Strömungsgeschwindigkeiten divergierenden Wandungen ohne Ablösung nur bis zu verhältnismäßig kleinen Divergenzen zu folgen vermag — Wasser z. B. im äußersten Falle nur einer konischen Erweiterung von rund 12° Spitzenwinkel —, und daß die von Flüssigkeiten ohne Ablösung noch angenommene Divergenz der Wandung mit zunehmender Geschwindigkeit kleiner und schließlich gleich ο wird.Furthermore, it is also impossible at flow velocities that lead to cavitation lead to force the jet by installing guide vanes, guide walls or the like, to follow the extension or change of direction without these fixtures themselves again become starting points for jet detachments and new cavity formation. the Reasons for this are to be seen in the well-known fact that a liquid in the turbulent Flow range even with moderate flow velocities diverging walls without detachment only up to able to follow relatively small divergences - water z. B. in the extreme Case of only a conical enlargement of around 12 ° point angle - and that of Liquids without detachment nor assumed divergence of the wall with increasing Speed becomes smaller and finally the same ο.

Als einziges bisher angewandtes Mittel zur Verhinderung des Druckabfalles an Ablösungssteilen bis auf absolut ο und zur Verminderung der Kavitationsschäden ist schließlich die Belüftung der Stellen der Hohlraumbildung zu nennen. Dieses Verfahren setzt, um wirksame Abhilfe zu schaffen, die Zuführung großer Luftmengen voraus. Es verbietet sich deshalb in allen Fällen, in denen sich eine längere Rohrleitung oder ein Stollen an die belüfteten Stellen anschließt, weil die Luftbeimischung zu einer Herabsetzung der Leistungsfähigkeit der Leitung und infolge der Bildung großer Luftblasen zu starken Druckschwankungen mit unter Umständen explosionsartiger Wirkung führt.As the only so far used means to prevent the pressure drop at detachment parts down to absolutely ο and to reduce cavitation damage is finally to name the ventilation of the places of cavitation. This procedure sets In order to provide an effective remedy, the supply of large amounts of air beforehand. It forbids therefore in all cases in which a longer pipeline or a tunnel is needed the ventilated places because the air admixture leads to a reduction in the Performance of the line and too strong as a result of the formation of large air bubbles Pressure fluctuations with possibly explosive effects.

Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden, indem die Hohlräume mit der im Verhältnis zur Luft unelastischen Flüssigkeit, deren Ableitung die Rohr- oder Stollenleitung dient, aufgefüllt werden. Damit wird der absolute Druck in ihnen heraufgesetzt und gleichzeitig zwischen Strahl und Wand Flüssigkeitsmatefial gleicher Art als stoßdämpfendes Medium eingeschaltet, das wirksam Kavitationsschäden verhindert.The invention aims to avoid these disadvantages by creating the cavities with the im Relation to the air inelastic fluid, the discharge of which is the pipe or tunnel serves to be replenished. This increases the absolute pressure in them and at the same time liquid material between the jet and the wall of the same type switched on as a shock-absorbing medium, which is effective in cavitation damage prevented.

Die Auffüllung der Hohlräume kann geschehen: The filling of the cavities can be done:

1. von der Überdruckseite her, indem entweder durch eine oder mehrere besondere Leitungen (Abb. 1, c) oder durch Abzweige oberhalb der kavitationsgefährdeten Stelle der Rohrleitung d Flüssigkeit unter Überdrudc in die aufzufüllenden luftleeren oder stark luftverdünnten Hohlräume eingeleitet wird, oder1.from the overpressure side, either through one or more special lines (Fig. 1, c) or through branches above the cavitation-endangered point of the pipeline d, liquid is introduced under excessive pressure into the evacuated or highly air-diluted cavities to be filled, or

2. indem das von der Unterdruckseite her unter Ausnutzung der Saugwirkung der Hohlräume geschieht. Hierbei können entweder wieder eine oder mehrere besondere Leitungen von einem freien Flüssigkeitsspiegel,2. by doing this from the negative pressure side, taking advantage of the suction effect of the cavities happens. Here, either one or more special lines can be taken from a free liquid level,

z. B. dem Unterwasser, her (Abb. 2, e) oder zurückführende Abzweige / von der Hauptleitung zur Anwendung kommen. Diese Abzweige werden in vielen Fällen zweckmäßig durch ein mit Zwischenraum um das Hauptrohr gelegtes Mantelrohr zu ersetzen sein (Abb. 3, g), wobei der als besondere Leitung dienende Zwischenraum durch Öffnungen auf dem einen Ende/ mit der Kavitationsstelle, auf dem anderen Ende h mit dem Innenraum der Hauptrohrleitung in Verbindung steht.z. B. the underwater, here (Fig. 2, e) or return branches / from the main line are used. In many cases, these branches should be replaced by a casing pipe with a gap around the main pipe (Fig. 3, g), the gap serving as a special line being provided with openings on one end / with the cavitation point, on the other end h communicates with the interior of the main pipeline.

In den Abb. 1 und 2 sind die Anordnungen schematisch am Beispiel eines Grundablasses dargestellt. In beiden Abbildungen bezeichnet α ein Entnahme- oder Grundablaßrohr (die Hauptleitung), b einen Regel- oder Absperrschieber beliebiger Bauart, c und d in Abb. ι die beiden Arten der Zuleitung von der Überdruckseite her, e und / in Abb. 2 die möglichen Ausführungen der Zuleitung von der Unterdruckseite des Schiebers her. Abb. 3 zeigt am Beispiel eines Flachschiebers die Verwendung eines Mantelrohres g für die besondere Zuleitung von der Unterdruckseite her unter Ausnutzung der starken Saugwirkung der Kavitation, h und i sind die beiderseitigen Verbindungsöffnungen zwischen dem Hauptrohr und der von dem Mantelrohr gebildeten Rückleitung.In Figs. 1 and 2, the arrangements are shown schematically using the example of a bottom outlet. In both figures designated α a removal or bottom outlet pipe (the main line), b has a control or gate valve of any type, c and d in Fig., The two kinds ι the supply line from the positive pressure side, e and / in Fig. 2 the possible Execution of the supply line from the negative pressure side of the slide. Fig. 3 shows, using the example of a flat slide, the use of a casing pipe g for the special supply line from the negative pressure side using the strong suction effect of cavitation, h and i are the connecting openings on both sides between the main pipe and the return line formed by the casing pipe.

Claims

Patent claims:

1. Device to limit cavitation phenomena in pipelines, which are traversed by liquids at high speed and in which the flow of liquid is as a result detaches from changes in direction or cross-section from the wall, characterized by one or more special pipelines to fill the evacuated or heavily air-diluted cavities that occur in the guided liquid flow with a liquid.

2. Device according to claim 1, there-

characterized in that the special or special pipelines (c) filled with excess pressure are arranged in front of the point at risk of cavitation (Fig. i).

3. Device according to claim 1, characterized in that the through the Suction effect of the cavities filled pipeline or pipelines (Y) arranged behind the cavitation-endangered point are (Fig. 2).

4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that the particular pipeline or pipelines id and f) are branched off from the main pipeline (Fig. Ι and 2). * 5

5. Device according to claim 1 to 4, characterized in that the branched pipe or pipes are replaced by a special jacket pipe (g) placed around the main line with a space, the space being formed by openings (i and K) on one end with the Cavitation point and on the other end with the interior of the main line in connection * 5 (Fig. 3).

1 sheet of drawings