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Diffusor für Flüssigkeiten oder Gase Die in Diffusoren angestrebte
Umsetzung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie hängt, wie bekannt, einmal
von der baulichen Gestaltung des Diffusors ab, daneben aber auch von den Eigenschaften
der Betriebsflüssigkeit, z. B. ihrer Zähigkeit und der Geschwindigkeitsverteilung
am Eintritt.
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Beschränkt man die Betrachtung zunächst auf die baulichen Abmessungen
des Diffusors, so ist hier der Erweiterungswinkel von überragender Bedeutung. In
den Fig. i und a ist beispielsweise ein kreiskegelförmiger Diffusor dargestellt.
Fig. i ist dabei ein Mittelschnitt durch die geometrische Achse des Kreiskegels.
Fig. a stellt die Ansicht von links dar. Der Eintrittsdurchmesser ist mit Dl, der
Austrittsdurchmesser mit Dz bezeichnet, die Länge mit L; der Diffusormantel trägt
das Bezugszeichen i. Damit liegt der in Fig. i mit s bezeichnete Erweiterungswinkel
eindeutig fest. Es ist die Erweiterung
Bei vorgeschriebenen Baumaßen kann nun die Erweiterung von dem erfahrungsgemäß festliegenden
(im übrigen auch von dem Geschwindigkeitsprofil am Eintritt stark abhängigen) günstigsten
Wert abweichen. Insbesondere kann bei einer vorgeschriebenen kurzen Baulänge L und
bei einem gegebenen Verhältnis F2/F, = D.2/D12 des Endquerschnittes F2 zum
Anfangsquerschnitt F1 des
Diffusors die Erweiterung größer werden
als der angestrebte günstigste Wert. Dieser Umstand ist deshalb besonders beachtlich,
weil nach feststehenden Erfahrungen die Umsetzungsverluste sehr stark ansteigen,
sobald der günstigste Wert der Erweiterung überschritten wird. In einem solchen
Falle liegt es nun nahe, in den Diffusor eine Mittelwand einzuziehen, die in Fig.2
mit 2 bezeichnet ist. Auf diese Weise entstehen also zwei Teildiffusoren, von denen
jeder eine Erweiterung. aufweist, deren mittlere Größe erheblich geringer ist als
die ursprüngliche Erweiterung. Um die Änderung der mittleren Erweiterung zahlenmäßig
festzulegen, wird von der Erfahrungstatsache ausgegangen, daß die mittlere Erweiterung
bei einem Diffusor von beliebigem Querschnitt zu beurteilen ist nach der Beziehung
Hier bedeutet
den sogenannten hydraulischen Radius des beliebigen Querschnittes; die Fußzeichen
i und 2 beziehen sich wieder auf den Eintritts- und Austrittsquerschnitt. Untersucht
man nach diesem Ansatz die Veränderung der mittleren Erweiterung, wenn ein zunächst
kreiskegelförmiger Diffusor durch eine Mittelwand unterteilt wird, so verringert
sich die Erweiterung auf den i/(i +:2/n) s;. o,6iifachen Teil seines ursprünglichen
Wertes. Allgemein läßt sich nachweisen, daß bei beliebiger Querschnittsform des
Ausgangsdiffusors das Verhältnis der ursprünglichen Erweiterung zu jener des durch
Mittelwand geteilten Diffusors zwischen den Grenzen o,5 und i schwanken kann. Die
für praktisch übliche Formen meist in Frage kommende Verhältniszahl liegt dabei
in, der Nähe von o,6.
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Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung mit Mittelwand 2 besitzt nun
den Nachteil, daß die für die reinen Wandreibungsverluste maßgebende benetzte Oberfläche
gegenüber dem ursprünglichen Diffusor vergrößert wird. Es werden also zwar die Umsetzungsverluste
verringert, dagegen steigen die Wandreibungsverluste an. Auch wirkt eine Mittelwand
dann ungünstig, wenn aus irgendwelchen, vielleicht zufälligen Gründen die beiden
Diffusorhälften ungleichmäßig beaufschlagt werden. Die feste Zwischenwand verhindert
alsdann den natürlichen Massen- und Impulsaustausch zwischen den beiden Teilströmen.
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Um diese Mängel zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
der durch ihre Meridiangeschwindigkeit gekennzeichneten Durchflußströmung einen
Doppelwirbel zu überlagern, so wie dies in Fig.3 angedeutet ist. Es ist bereits
bekannt, daß ein einfacher Wirbel, also damit jede der Meridiangeschwindigkeit überlagerte
Umfangskomponente die Energieumsetzung im Diffusor verbessert. Dies hat zwei Ursachen.
Einmal verkleinert sich der für die resultierende Strömung maßgebende wahre Erweiterungswinkel
zu dem im Meridianschnitt baumäßig verwirklichten Erweiterungswinkel mit wachsender
Umfangskomponente, da das Verhältnis der genannten Winkel mit hinreichender Näherung
gleich ist dem Cosinus des Neigungswinkels, den die resultierende Strömung mit der
Meridianebene einschließt. Die zweite Ursache liegt in dem Druckanstieg, der sich,
unter dem Einfluß der Fliehkraft, beim Fortschreiten vom Wirbelinnern zum Wirbelmantel
hin vollzieht.
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Die gleichen Vorteile, die für den einfachen Wirbel bekannt sind,
treten nun zunächst auch dann ein, wenn ein Doppelwirbel der Durchflußströmung überlagert
wird. Als zusätzlicher, nicht ohne weiteres zu erwartender Erfolg teilt aber der
Doppelwirbel den Diffusor in zwei Teile, ohne daß die Trennfläche zwischen den beiden
Einzelwirbeln materiell ausgeführt zu werden braucht. Damit wird aber grundsätzlich
der gleiche Erfolg erzielt wie mit einer festen Mittelwand. Es entfallen aber die
zusätzlichen Wandreibungsverluste. Auch ist der Massen- und Impulsaustausch zwischen
den beiden Teilströmen nicht behindert; damit werden weitere Verluste erspart, die
bei zufälligen Symmetriestörungen auftreten können.
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In Fig. 3 ist ein Diffusorquerschnitt von beispielsweise nicht kreisförmiger
Gestalt dargestellt. Man erkennt den linken Wirbel 3 und den rechten Wirbel q.,
welche den Querschnitt des Diffusors in zwei Teile aufteilen, ohne den Massen- und
Impulsaustausch zu behindern.
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Der hier dargelegte Gedanke kann auch allgemeiner gefaßt werden. Man
kann an Stelle eines Doppelwirbels einen Mehrfachwirbel vorsehen; aus Symmetriegründen
ist ein derartiger Mehrfachwirbel nur möglich bei einer geraden Anzahl von Einzelwirbeln.
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Der Mehrfachwirbel kann durch entsprechend geformte Führungsschaufeln
erzeugt werden. Diese Führungsschaufeln können im Diffusor untergebracht werden,
«-erden aber häufig mit noch besserem Erfolg dem vorangehenden Leitungsstück zugewiesen.
Auf diese Weise tritt die Betriebsflüssigkeit in den Diffusor bereits in dem für
günstig erachteten Bewegungszustand ein.
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Die Erfahrung mit Mehrfachwirbeln in Diffusoren lehrt nun, daß wesentliche
Energieverluste in den Zwickeln 5 und 6 (Fig. 3) zwischen den Teilwirbeln auftreten.
Es wird deshalb weiter vorgeschlagen, in dem Diffusor Leitrippen anzubringen von.
im wesentlichen meridionaler Erstreckung, welche den Querschnitt des Diffusors oder
auch eines vorangehenden Leitungsstückes ganz oder teilweise nach dem Mehrfachwirbel
aufteilen.
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Die Fig. q. und 5 zeigen als Beispiele Ausführungsformen derartiger
Leitrippen. Beide Figuren stellen wieder den Querschnitt eines Diff"usors von nicht
kreisförmiger Gestalt dar. In Fig. ¢ sind die Leitrippen 7 und 8 als einfache, gerade
Stege ausgeführt. Günstiger sind die in Fig. 5 dargestellten .ausgerundeten Leitrippen
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und to. Es ist hierbei eine nachgeordnete Frage, welche die zweckmäßige
Herstellung betrifft, ob man die Diffusorwand sogleich nach dem angestrebten Innenquerschnitt
formt oder ob man die Leitrippen nachträglich in den ursprünglichen, völligen Diffusorquerschnitt
einfügt. Selbstverständlich sollten die Leitrippen auch in dem Leitungsstück vor
dem Diffusor schon vorhanden sein, soweit in diesem Leitungsstück der Mehrfachwirbel
auftritt.
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Der zur besseren Energieumsetzung notwendige Mehrfachwirbel kann,
wie bereits dargelegt, durch besondere Führungsschaufeln hervorgerufen werden. Ein
natürlich entstehender Doppelwirbel wird nun bekanntlich 'in jedem Krümmer als sogenannte
Sekundärströmung (nach I s a a c h s e n) hervorgerufen. In den praktisch wichtigen
Fällen, in denen ein Krümmer einem Diffusor vorgeschaltet ist, kann nun die natürliche
Sekundärströmung des Krümmers auch als Doppelwirbel für den Diffusor ausgenutzt
werden. Die gekrümmten Wandungen des Krümmers bilden alsdann die Führungsschaufel
im Sinne dieser Erfindung. Diese Wirkung tritt an sich schon ein, wenn in bekannter
Weise ein gewöhnlicher Krümmer mit einem gewöhnlichen Diffusor zusammengeschaltet
wird, ist aber bislang deshalb nie beachtet worden, weil der nicht durch Leitrippen
geführte Doppelwirbel sehr bald abklingt. Bei nicht zu scharf gekrümmten. also schlanken
Krümmern kann aber eine beachtliche günstige Auswirkung der natürlichen Sekundärströmung
dann beobachtet werden, wenn man den Diffusor und gegebenenfalls auch den Krümmer
mit Leitrippen so versieht, wie dies in Fig. q. und 5 angedeutet ist.
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Die in Krümmern als Doppelwirbel auftretende Sekundärströmung hat
bisher eine nutzbringende technische Verwertung nicht gefunden. In den Rohrschlangen
von Rohrkesseln mit Zwangsumlauf hat aber die Sekundärströmung zu Betriebsstörungen
Anlaß gegeben, weil der Wärmedurchgang in der Totwasserschicht zwischen den beiden
Einzelwirbeln behindert war. Diese Betriebsstörungen hat man durch Leitflächen hinter
den Rohrkrümmern beseitigt.
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Ein wesentlich stärkerer Doppelwirbel läßt sich allerdings im Falle
des vor den Diffusor geschalteten Krümmers durch besondere Führungsschaufeln erzielen.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Führungsschaufeln die natürliche Sekundärströmung
im Krümmer verstärken.
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Erfahrungsgemäß zeigen sich bei gewöhnlichen Krümmern ohne Führungsschaufeln
Ablösungen der Strömung an der inneren Krümmerwand, und zwar im allgemeinen nach
der Austrittsseite zu.
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Jeder unbewehrte Krümmer weist also erhebliche Energieverluste auf.
Es ist nun schon bekannt, diese Verluste dadurch zu verkleinern, daß man Führungsschaufeln
in den Krümmer einbaut. Hier wird nun erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, die
sowieso zur Erzeugung des Mehrfachwirbels verwendeten Führungsschaufeln zugleich
in der Art auszubilden, daß sie nicht nur einen Mehrfachwirbel erzeugen, sondern
auch die Strömuftg im Sinne des Krümmers ablenken. Diese Aufgabe läßt sich z. B.
dadurch lösen, daß zwei gleichartige Führungsschaufeln in Abstand vor und hinter
der Krümmermittelebene so angebracht werden, daß sie die Durchflußströmung im Sinne
des Krümmers ablenken. Alsdann bildet die von einer dieser Schaufeln auf die strömende
Betriebsflüssigkeit ausgeübte resultierende Kraft mit ihren Gegenkräften in der
Betriebsflüssigkeit, an der Krümmerwand und gegebenenfalls an Einbauten ein Kräftepaar,
das im Gleichgewicht steht mit dem Drall des durch diese Schaufel hervorgerufenen
Einzelwirbels. Durch zwei Schaufeln im Sinne dieses Beispiels entsteht also ein
Doppelwirbel, der die Sekundärströmung im Krümmer verstärkt. Bei Krümmern mit stärkerer
Umlenkung kann es zweckmäßig sein, die Führungsschaufeln in mehrere, in( Strömungsrichtung
aufeirnarnderfolgende Gruppen zu unterteilen.
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Durch die Überlagerung eines Mehrfachwirbels im Sinne der Erfindung
wird nun zwar ein Teil der Umsetzungsverluste im Diffusor und in dem gegebenenfalls
vorgeschalteten Krümmer vermieden, die ohne den Mehrfachwirbel auftreten würden.
Auf der anderen Seite jedoch tritt ein zusätzlicher Verlust auf durch jene Restenergie
der Umfangsbewegung, die am Austritt des Diffusors noch vorhanden ist. Es wird deshalb
erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, daß in oder hinter dem Diffusor Gegenführungsschaufeln
angebracht werden, welche die Umfangsbewegung wieder in die Meridianrichtung ablenken.
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Es ist bereits bekannt, daß jede einer Durchflußströmung überlagerte
Rotationsströmung zur Kernbildung führt. Im Innern der Strömung bildet sich ein
Kern, der ähnlich wie ein fester Körper rotiert, ganz gleichgültig, nach welcher
Gesetzmäßigkeit sich die Umfangskomponente der Geschwindigkeit in dem Querschnitt
außerhalb des Kerns ändert. Dieser Kern wirkt wie ein Fremdkörper in der Betriebsflüssigkeit;
er ist der Sitz wesentlicher Strömungsverluste. Es ist bekannt, den Kern als einen
festen Einbau materiell auszuführen. Erfindungsgemäß wird nun weiter vorgeschlagen,
den materiellen Kern zunächst einteilig beginnen zu lassen und in mehrere Teile
zu spalten, sobald der Mehrfachwirbel erzeugt ist. Die Lage der einzelnen Teile
des gespaltenen Einbaues richtet sich also zunächst im wesentlichen nach jener natürlichen
Lage, welche die Wirbelkerne bei sonst gleichen Verhältnissen, aber ohne Einbauteile
einnehmen würden.
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Die Regel von der natürlichen Lage der einzelnen Teile des gespaltenen
Einbaues sollte zunächst auch für den Krümmer mit Doppelwirbel im Sinne der Sekundärströmung
gelten, der gegebenenfalls einem Diffusor vorgeschaltet wird. Eine besonders überraschende
Wirkung tritt nun hier ein, wenn man von dieser Regel um einiges in dem Sinne abweicht,
daß die beiden einzelnen Teile des gespaltenen Einbaues näher der Krümmermittelebene
zu angeordnet werden, als es bei natürlicher Lage der Fall wäre. Alsdann staut sich
die überlagerte
Rotationsströmung in dem Spalt zwischen den beiden
einzelnen Teilen des Einbaues. Es werden damit weitere Kräfte auf die Betriebsflüssigkeit
ausgeübt, welche die Durchflußströmung im Sinne des Krümmers abzulenken bestrebt
sind.
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Weiterhin ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn der Spalt zwischen
den einzelnen Teilen des Einbaues venturiartig gestaltet wird, so daß die zunächst
gestaute Rotationsströmung !bis zur äußeren Krümmerwand hin nahezu verlustlos wieder
verzögert wird.
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Was die Ausbildung der Führungsschaufeln betrifft, so können die erzeugten
Einzelwirbel zunächst den Charakter eines Potentialwirbels oder Strudels haben,
so daß also die einzelnen Teile der Betriebsflüssigkeit theoretisch bis auf die
singuläre Mittelachse, praktisch bis auf den Kern drehungsfrei sind. Diese zunächst
naheliegende Wirbelart ist aus mehreren Gründen wenig empfehlenswert. Einmal sind
die hier notwendigen, räumlich gekrümmten Führungsschaufeln schwierig herzustellen,
sodann aber ist der Kern bei Strömungen nach einem Potentialwirbel besonders groß.
Vorteilhafter sind zunächst nach zylindrischen Flächen gestaltete Führungsschaufeln.
Diese Führungsschaufeln können erfindungsgemäß dadurch weiter verbessert werden,
daß sie am Austritt nach dem Kern schräg abgeschnitten werden. Der Austrittswinkel
der Schaufel ist damit am Mantel des Teilwirbels größer als in der Nähe des Kerns.
Die Betriebsflüssigkeit, die dem kleinsten Zwang folgt, legt sich also ohne Ablösungen
an den Einbau oder seine einzelnen Teile an, selbst wenn dieser einen verhältnismäßig
kleinen Querschnitt besitzt.
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Besondere bauliche Anordnungen ergeben sich, wenn dem Diffusor unmittelbar
oder mittelbar eine Kreiselpumpe, insbesondere eine axiale oder halbaxiale Kreiselpumpe
mit Leitapparat vorgeschaltet ist. (Die mittelbare Verbindung zwischen der Kreiselpumpe
und dem Diffusor mag dabei aus beliebigen Rohrelementen, vorzugsweise aus einem
Krümmer, bestehen.) In diesem Falle können die Leitschaufeln der Kreiselpumpe unmittelbar
als Führungsschaufeln ausgebildet werden.
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Noch vorteilhafter ist es, wenn das Gitter der Führungsschaufeln an
die Leitschaufeln anschließt, aber gegen die Leitschaufeln versetzt ist. Bei dieser
Anordnung liegen die Führungsschaufeln in der gesunden Abströmung der Kreiselpumpenleitschaufeln.
Ablösungen der Strömung werden so vermieden.
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Bei vorgeschalteter Kreiselpumpe wird der Einbau zweckmäßig so ausgeführt,
daß sein einteiliger Anfang die stetige Fortsetzung der Leitradnabe der Kreiselpumpe
bildet.
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Fig. 6, 7, 8, 9 und io zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel.
Fig. 6 stellt den Mittellängsschnitt einer Propellerpumpenanlage dar. Es bedeutet
i i den Eintritt des Wassers (Betriebsflüssigkeit). 12 ist das Laufrad, das mittels
der Welle 13 durch eine nicht besonders gezeichnete Kraftmaschine angetrieben wird.
Die Leitschaufeln der Pumpe sind mit 14 bezeichnet; sie verbinden die Leitradnabe
15 mit dem Pumpengehäuse 16. An das Pumpengehäuse schließt sich der Krümmer 17 und
der Diffusor i8 an.
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Fig. 7 zeigt einen Querschnitt nach Linie I-1 in Fig. 6, Fig. 8 entsprechend
den Querschnitt II-II und Fig. 9 -den Querschnitt III-III. In den Fig. 6, 8, 9 erkennt
man die Leitrippen i9 und 2o, welche den in Fig. 7 und 8 durch dünne Linien mit
Pfeilen angedeuteten Doppelwirbel führen, dessen Erzeugung weiter unten behandelt
ist. An die Leitradnabe 15 (vgl. Fig. 6) schließt sich der Einbau 21 an, der zunächst
einteilig (s. Fig. 7) beginnt, sich später aber, wie Fig. 8 und 9 erkennen lassen,
in zwei Teile Zia und gib spaltet. Diese Teile bilden die materiell ausgeführten
Kerne des Doppelwirbels. Sie liegen dabei näher an der Mittelebene, als die Strömungskerne
ohne Einbau liegen würden. Auf diese Weise wird die Meridianströmung im Sinne des
Krümmers abgelenkt. Dem gleichen Zweck dient die venturiartige Ausbildung des Spaltes
22 zwischen den Einbauteilen 21a und 21b, die in Fig.8 zu erkennen ist.
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Der Doppelwirbel wird erzeugt durch ein Gitter von Führungsschaufeln
23, das an das Gitter der Leitschaufeln 14 der Kreiselpumpe anschließt. Die Führungsschaufeln
besitzen, wie in Fig.6 zu erkennen ist, eine nach dem Einbau zu geneigte, schräg
abgeschnittene Austrittskante. Um die Wirkung der Führungsschaufeln anschaulicher
darzustellen, ist in Fig. io eine Abwicklung der Leitschaufeln und der Führungsschaufeln
gezeichnet. Die Führungsschaufeln 23a (Anfang und Ende der Abwicklung) und 23d (Mitte
der Abwicklung) sollen beispielsweise in der Mittelebene der Pumpenanlage, also
in dem durch Fig. 6 wiedergegebenen Schnitt, angeordnet sein. Diese Schaufeln sind
daher als gerade Führungsschaufeln gezeichnet, die gegebenenfalls auch fortfallen
könnten. Sie kennzeichnen also die Meridianrichtung. Die gekrümmten Führungsschaufeln
23b, 23c, 23e und 23t
lenken das Wasser nach links und rechts (im Sinne der
Fig. io) so ab, daß ein Doppelwirbel entsteht. Zugleich wirkt aber das Gitter der
Führungsschaufeln 23 auf eine Ablenkung der Meridianströmung im Sinne des Krümmers,
ein Einfluß, der durch die weiter oben besprochene enge und gegebenenfalls venturiartige
Ausbildung des Spaltes 22 noch verstärkt wird.
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Die Führungsschaufeln23 sind, wie Fig. io zeigt, in diesem Beispiel
nicht etwa als unmittdlbare Fortsetzung der Leitschaufeln 14 der Kreiselpumpe ausgeführt,
sondern etwas gegen diese versetzt. Auf diese Weise kommt das Gitter der Führungsschaufeln
23 in gesunde Strömung, so daß Ablösungen weniger leicht auftreten können, als wenn
die Führungsschaufeln 23 die Leitschaufeln 14 unmittelbar fortsetzen würden.
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Im Sinne der Strömung hinter dem Gitter der Führungsschaufeln 23 ist
eine weitere Gruppe von Führungsschaufeln 24 angebracht, die in Fig. 6 angedeutet
ist. Hierdurch wird einmal der Doppelwirbel verstärkt, dann aber auch zusätzlich
eine
weitere Ablenkung der Meridianströmung im Sinne des Krümmers
bewirkt.