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| f ü4 3-UYJa |
| Vorrichtung zur Uberla&üLuug einer geradlinigen Strömung |
| in eine gekrümmte (und umgekehrt) durch ein Schaufelgitter |
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, den Strömungswiderstand zu verringern,
welcher im Zusammenhang mit gewissen in der Technik vorkommenden Umlenkungen strömender
Medien auftritt. Sie ist insbesondere auf Wirbelsichter (Zyklone), Durchlaufientrifugen
und Rührwerke, Pumpen, Turbinen und Verdichter anwendbar.
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Einfache Rohrbögen bekannter Bauart haben einen verhältnismäßig hohen
Widerstand. Es ist bekannt, daß ihr Widerstandsbeiwert praktisch nur von der lichten
Rohrweite und dem Krümmungsradius abhängt, nicht aber von der durchströmten Kanallänge.
Es hat also beispielsweise ein 6o°-Krümmer den gleichen Widerstand wie ein 120'-Krümmer
gleicher Krümmung und Weite. Man hat diese zunächst erstaunlich scheinende Tatsache
dadurch erklärt, daß die Verluste vorzugsweise durch die Richtungsänderung am Beginn
und Ende der Krümmung hervorgerufen werden. Umlenkungen geringeren Widerstandes
sind in Form von Schaufelgittern in der hockentwickelten Windkanaltechnik angewandt
worden. Derartige Umlenkgitter haben sich aber in der übrigen Technik nur verhältnismäßig
wenig durchsetzen können, weil sie einerseits bei Rohrleitungen für zu teuer gehalten
werden und andererseits einzelne gröbere im Strom vorhandene Verunreinigungen sie
leicht zusetzen können. Bei den obenerwähnten Maschinen und Geräten ist die größere
Länge der gekrümmten Strombahnen unerläßlich, welche bei den Windkanalecken
gerade
vermieden wird. Beispielsweise ist bei einem Zentrifugalgebläse stets irgendein
ringförmiger Sammelraum erforderlich. Der Energieverlust, welcher durch den Übergang
von der gekrümmten zur geradlinigen Strömung entsteht, liegt in der Größenordnung
von etwa i bis 5 °/o des Energieumsatzes im Gebläse. Darüber hinaus wirken die ungünstigeren
Verhältnisse dieses Oberganges auch noch auf das Arbeiten des Laufrades verschlechternd
ein. Das Rad wird an verschiedenen Stellen des Umfanges verschieden beaufschlagt
und findet nicht überall die günstigsten Betriebsbedingungen vor.
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Mit der Vermeidung derartiger Nachteile befaßt sich die vorliegende
Erfindung. Ihr liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Hauptverlustquelle mit der
Verschiedenheit der Geschwindigkeitsverteilung bei gerader und gekrümmter Strömung
zusammenhängt. Für Reibungsfreiheit z. B. ist die Strömung im geraden Kanal über
den Querschnitt konstant, während die Geschwindigkeit bei Umströmung eines Zentrums
umgekehrt proportional dem Abstand von diesem Zentrum ist (Drallsatz). Da die Drallströmung
in den einzelnen Stromlinien verschieden schnell, die Parallelströmung hingegen
gleichmäßig ist, kann nur für eine einzige Stromlinie der Übergang ohne Beschleunigung
oder Verzögerung erfolgen. Die an den anderen Stellen erforderliche Geschwindigkeitsänderung
wird nun erfindungsgemäß mit einer Umlenkung verbunden. Im Gegensatz zu bisherigen
Ausführungen wird also keine tangentiale Fortsetzung aller Stromlinien angestrebt.
Es erscheint zwar naheliegender und ist auch bereits vorgeschlagen worden, daß man
bei tangentialer Fortsetzung die Geschwindigkeitsänderung durch Zwischenwände erzwingt,
welche sich der Gestalt der Stromlinien anpassen und erweiterte oder verengte Kanäle
bilden, jedoch ist diese Lösung mit erheblichen Nachteilen verknüpft. Erweiterte
Kanäle dürfen nur einen kleinen Erweiterungswinkel haben, wenn sich die Strömung
nicht ablösen soll. Dadurch 'werden sie lang, was baulich unzweckmäßige Anschlußstutzen
und hohe Reibungsverluste zur Folge hat. Außerdem verhindern die langen Führungswände
den Energieaustausch zwischen den einzelnen Strombahnen. Da die einzelnen Teilchen
verschieden lange Wege zurückzulegen haben, ist aber eine Differenz der Energieinhalte
vorhanden und ein Austausch erforderlich, andernfalls das gewünschte Ziel, die Wirkungsgradverbesserung,
nur unvollkommen erreicht wird.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele von Schaufelgittern,
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb. i und 2 je einen Querschnitt
durch ein Spiralgehäuse mit einem Austrittsstutzen, Abb.3 einen Schnitt durch ein
Gehäuse nach der Linie III-III in Abb. i und Abb.4 ein Schaufelbild in größerem
Maßstabe mit Darstellung der Winkelübertreibung d.
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In den Abb. i und 2 sind die kreisförmigen Stromlinien der Drallströmung
mit I bis VI bezeichnet. Da die Drallgeschwindigkeit umgekehrt proportional dem
Abstand vom Mittelpunkt M ist, und da zwischen den gezeichneten Stromlinien die
gleiche Menge strömen soll, nimmt der Linienabstand entsprechend von innen nach
außen zu. Die Breite der Kanäle senkrecht zur Bildebene soll bei dem gezeigten Beispiel
konstant sein, wie in Bild 3 angedeutet ist. Innerhalb der Drallströmung ist eine
dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechende Beschauflung o. dgl. vorhanden, die
hier nicht mitgezeichnet ist, da dies für den Erfindungsgedanken von untergeordneter
Bedeutung ist. Die geraden Stromlinien im Anschlußstutzen sind mit i bis 6 beziffert.
Da die Geschwindigkeit hier gleichmäßig ist, ist ihr Abstand konstant, und zwar
ist er in den beiden gezeigten Fällen verschieden groß. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. i entspricht die Geschwindigkeit im Anschlußstutzen ungefähr der kleinsten
äußeren Drallgeschwindigkeit, so daß Verzögerung des innen strömenden Mediums nötig
ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.2 ist dagegen die mittlere Drallgeschwindigkeit
übernommen, so daß sich Beschleunigung und Verzögerung die Waage halten. Naturgemäß
sind auch andere Geschwindigkeitsverhältnisse denkbar. Man erhält also ein Schaufelgitter
nach der Erfindung, indem man ein Stromlinienbild der beiden Strömungen zeichnet,
dergestalt, daß zwischen den Stromlinien der gleiche Bruchteil der Menge fließt
(in den Abbildungen beispielsweise ein Fünftel). Hierauf bringt man die beiden Bilder
in geeigneter Weise zum Schnitt. Das Schaufelgitter muß nun durch die Schnittpunkte
einander entsprechender Stromlinien gehen und die Richtung der einen Strömung in
die der anderen überführen, wobei in bekannter Weise eine Winkelübertreibung vorgesehen
werden kann. Die Gestältung der Schaufeln kann nach allgemein bekannten Grundsätzen
erfolgen. Die Schaufelzahl kann verhältnismäßig gering sein und richtet sich nach
dem Umlenkungswinkel. Wie in Abb.4 angedeutet ist, sind die Schaufeln um einen größeren
Winkel umgelenkt als die hinter der Schaufelumlenkung etwas zurückbleibende Strömung.
Schließlich sei noch besonders auf die Möglichkeit der Anwendung verdrehbarer Schaufeln
hingewiesen. Bei dieser Bauart ist eine besonders gute Anpassung an wechselnde Betriebszustände
möglich, vom ganz geschlossenen Gitter, welches als Abschluß- und Führungswand dienen
kann, bis zum Gitter größter Üffnung.
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Eine weitere besondere Vielfalt hat man, im Gegensatz zu den bisher
üblichen Ausführungen, bei der Wahl der Winkellage des Stutzens. Dies kann man sich
verdeutlichen, indem man das eine der beiden Strombilder auf durchsichtiges Papier
zeichnet und relativ zum anderen verschiebt. Die Gesichtspunkte bei der Wahl der
Stutzenlage sind: zweckmäßige Lage des Anschlußflansehes F und günstige Winkelablenkung
der einzelnen Stromfäden, insbesondere derjenigen am Rande. Ein Stromfaden, und
zwar derjenige, welcher seine Geschwindigkeit 4eibehält, kann auch seine Richtung
beibehalten,
während dies bei den übrigen Stromfäden gemäß der Erfindung nicht der Fall sein
kann.
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Die Richtung des Durchflusses ist in dem gezeigten Beispiel mit Absicht
nicht angegeben. Sie kann, nach dem jeweiligen Verwendungszweck, von außen nach
innen oder von innen nach außen gehen.
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Wie ersichtlich, ist die Anzahl der benötigten Umlenkschaufeln nicht
sehr groß. An den Stellen keiner oder geringerer Umlenkung können sie ganz fortfallen,
so daß gegebenenfalls noch weniger Schaufeln gebraucht werden, als hier gezeigt
ist.
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Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sind der Einfachheit halber
die Linien der Drallströmung als Kreise dargestellt. Da sich der Umfangskomponente
der Geschwindigkeit eine radial gerichtete Durchflußkomponente überlagert, handelt
es sich genau genommen um Spiralen geringer Steigung, was bei der Schaufelauslegung
leicht
| berücksichtigt werden kann. Die äußere Begrenzung |
| des Gehäuses braucht nicht spiralförmig, sie kann |
| z. B. auch zylindrisch sein. |