DK176654B1 - Hvirvelbremse - Google Patents

Description

i DK 176654 B1

Opfindelsen angår en hvirvelbremse eller hvirvelregulator til et afløbsanlæg, omfattende et hvirvelkammer med en krum, perifer sidevæg, der omgiver en hvirvelakse i hvirvelkammeret, et centralt udløb fra hvirvelkammeret, et perifert indløb til hvirvelkammeret og en udluft-5 ningsåbning i en væg af hvirvelkammeret, hvor hvirvelkammeret har en omløbsretning for en hvirvel af væske i hvirvelkammeret, og hvirvelbremsen har en tilsigtet monteringsposition, i hvilken hvirvelkammeret har et toppunkt.

Sådanne hvirvelbremser har været kendt i mange år og er belt) skrevet eksempelvis i DE-A-34 35 477, US-A-4 834 142, US-A-5 052 442 og GB-A-2 254 938.

DE-A-34 35 477 beskriver en hvirvelbremse med et fladt, men afrundet hvirvelkammet med en udluftningsåbning i toppen af kammeret, som står direkte i forbindelse med omgivelserne.

15 US-A-4 834 142 beskriver ligeledes en hvirvelbremse med et fladt, men afrundet hvirvelkammer med en udluftningsåbning i toppen af kammeret. Denne udluftningsåbning er i forbindelse med det inderste af to lodrette, koncentriske rør, som er indbyrdes forbundet ved deres øvre ender hvorved dannes en luftlås, gennem hvilken der er forbindel-20 se til omgivelserne.

US-A-5 052 442 beskriver en hvirvelbremse med et konisk hvirvelkammer med en udluftningsåbning placeret i kammerets endevæg nær toppunktet af den krumme sidevæg. Udluftningsåbningen står i forbindelse med et lodret rør med en luftlås foroven, hvorigennem der 25 er forbindelse til omgivelserne.

GB-A-2 254 938 beskriver også en hvirvelbremse med et konisk hvirvelkammer. Dette har et subsidiært kammer, som strækker sig ud fra den centrale del af hvirvelkammerets endevæg. Det subsidiære kammer er tilvejebragt for at give rensemuligheder, og det subsidiære 30 kammer er forsynet med et grenrør, som strækker sig op fra hvirvelbremsen for fra omgivelserne at give adgang til indføring af et rense-element i form af fx en fleksibel stav. Det subsidiære kammer er således i forbindelse med omgivelserne opadtil.

Som det blandt andet fremgår af ovennævnte eksempler findes 2 DK 176654 B1 forskellige udformninger af hvirvelkammeret i en hvirvelbremse.

Eksempelvis findes et fladt hvirvelkammer afgrænset mellem to modstående i det væsentlige identiske vægge, nemlig en frontvæg og en endevæg. Frontvæggen er forsynet med et centralt udløb. De to 5 vægge er indbyrdes forbundet af en perifer væg, som krummer for at følge periferien af ende- og frontvæggen. Den perifere væg kan som i de ovennævnte eksempler være dobbeltkrum således, at den går over i front- og endevæggen uden knæk, eller den kan fx være udformet som en cylinderflade med retlinjede frembringere strækkende sig mellem 10 front- og endevæggen, eller en mellemting. En hvirvelbremse med et sådant fladt kammer kan monteres således, at hvirvelaksen, som strækker sig i det væsentlige vinkelret på frontvæggen, centralt i forhold til udløbet, er vandret, og indløbet, som er indrettet i den perifere væg, er placeret nederst. Alternativt kan denne hvirvelbremse montres 15 således, at indløbet er i niveau med udløbet for at muliggøre, at olie, som måtte flyde oven på vandet, kan passere hvirvelbremsen til en nedstrøms olieudskiller, når der ikke er opstuvning af vand foran bremsen.

En anden velkendt udformning er den koniske, som har en ko-20 nisk, krum perifer sidevæg og en endevæg modsat konussens toppunkt.

Udløbet er placeret ved dette toppunkt således, at konussen er trunke-ret. Denne type monteres normalt liggende på siden således, at den ne-derste frembringer er i det væsentlige vandret, evt. med en svag hældning mod udløbet.

25 En hvirvelbremse af den omhandlede art er en hydraulisk bremse, som eksempelvis anvendes i afløbsanlæg for at beskytte de i forhold til bremsen nedstrøms anlægsdele mod hydraulisk overbelastning på grund af for stor gennemstrømning. Ofte ønskes ideelt en karakteristik for bremsen, hvorved udløbsstrømning fra bremsen er lig 30 med tilløbsstrømning indtil en vis grænse, hvorefter øget tilløbsstrømning til og deraf følgende opstuvning ved bremsen ikke giver anledning til øget udløbsstrømning fra bremsen.

Det er imidlertid velkendt at hvirvelbremser af de her beskrevne typer eller udformninger, men uden udluftning, har en karakteristik i 3 DK 176654 B1 det væsentlige som vist i fig. 1, dvs. for stigende trykhøjde foran bremsen stiger gennemstrømningen til et vist punkt, hvor kurven har en "næse", idet gennemstrømningen ved yderligere stigende trykhøjde falder som følge af, at bremsen bliver mere effektiv. Dette skyldes, at 5 hvirvlen i bremsen bliver fuldt dannet i forbindelse med at luft, som indledningsvis findes i hvirveikammeret, drives ud. Nar luften er fuldstændig uddrevet, og hvirvlen er fuldkommen, stiger karakteristikkens kurve hovedsageligt parabolsk. Ved aftagende trykhøjde følger karakteristikken en mere jævn kurve, idet karakteristikken har en tydelig hysterese.

10 Hvirvelbremser med udluftet hvirvelkammer har en mindre ud talt "næse", fordi luften i hvirvelkammeret udluftes i takt med at stuv-ningshøjden foran hvirvelbremsen eller trykhøjden stiger. Hvirvlen vil dog først blive fuldt dannet nir trykhøjden svarer til niveauet for toppunktet af hvirvelkammeret, plus indløbstryktab, hvorfor karakteristik-15 ken vil udvise en lille "næse". Hovedsagelig vil karakteristikken være parabolsk. For et udluftet hvirvelkammer er hysteresen mindre udtalt.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en hvirvelbremse hvis karakteristik i større eller mindre grad er tilnærmet ovennævnte ideal, dvs. at karakteristikken fra "spidsen" af nævnte "næse" strækker 20 sig mere stejlt, ideelt lodret.

Det har overraskende vist sig muligt at påvirke karakteristikken i den ønskede retning ved, at udluftningsåbningen er i forbindelse med en kompressionsbeholder uden for hvirvelkammeret, ind i hvilken luft fra hvirvelkammeret kan komprimeres. Ved at forbinde udluftningsåb-25 ningen med en kompressionsbeholder opnås, at luften uddrives fra hvirvelkammeret mod et stigende tryk, idet trykket i kompressionsbeholderen stiger i takt med at luften fra hvirvelkammeret drives ind i den. Ved faldende trykhøjde vil luften trænge fra kompressionsbeholderen ind i hvirvelkammeret igen.

30 I en udførelsesform er udluftningsåbningen placeret ved top punktet eller i forhold til omløbsretningen placeret et stykke nedstrøms for toppunktet. Derved er det muligt, at i det væsentlige al luften i hvirvelkammeret drives ud i kompressionsbeholderen.

I en udførelsesform har kompressionsbeholderen stive vægge 4 DK 176654 B1 og i en anden udførelsesform har kompressionsbeholderen en fleksibel væg. Ved at udforme kompressionsbeholder med en fleksibel væg er det muligt at ændre forløbet af trykstigningen i kompressionsbeholderen sammenlignet med tilfældet ved en kompressionsbeholder med kun sti-5 ve vægge. Derved kan optages en større luftmængde således, at der til en bremse med et relativt stort hvirvelkammer kan anvendes en kompressionsbeholder med relativt små ydre dimensioner, fx hvor pladsen er begrænset.

Den fleksible væg kan være kraftpåvirket i retning mod kom-10 pressionsbeholderens indre. Derved er det yderligere muligt at ændre forløbet at trykstigningen i relation til uddrivningen af luft fra hvirvel-kammeret.

Det er muligt at hvirvelkammeret har en anden udluftningsåbning, som har forbindelse til omgivelserne. En sådan anden udluftnings-15 åbning er i forhold til omløbsretningen fortrinsvis placeret opstrøms for den første udluftningsåbning og/eller opstrøms for toppunktet af hvirvelkammeret. Med en sådan anden udluftningsåbning er det muligt yderligere at påvirke karakteristikken, idet en del af luften i hvirvel-kammeret derved vil blive drevet ud til omgivelserne, som i og for sig 20 kendt. Dermed kan den luftmængde, som skal drives ud i kompressionsbeholderen begrænses til det, som er nødvendigt for at opnå effekten af opfindelsen, og det er dermed muligt at begrænse størrelsen af kompressionsbeholderen.

En sådan anden udluftningsåbning er fortrinsvis forbundet med 25 en luftlås med udmunding placeret i niveau over den anden udluftningsåbning.

Opfindelsen vil blive forklaret nærmere i det følgende ved hjælp af udførelseseksempler under henvisning til den skematiske tegning, på hvilken, 30 fig. 1-3 viser en hvirvelbremse uden udluftning ved forskellige trykhøjder, fig. 4 viser karakteristikken for hvirvelbremsen i fig. 1-3, fig. 5 viser en hvirvelbremse ifølge der foreliggende opfindelse, fig. 6 viser en karakteristik for bremsen i fig. 5, 5 DK 176654 B1 fig. 7 og 8 viser videre udføreisesformer for den i fig. 5 viste bremse, fig. 9 en udførelsesform for en beholder med en fleksibel væg, fig. 10 et sidebillede af en anden hvirvelbremse ifølge opfindel- 5 sen, og fig. 11 et endebillede af hvirvelbremsen i fig. 10.

Fig. 1-4 illustrerer karakteristikken for en kendt hvirvelbremse uden udluftning, således viser fig. 1-3 en flad bremse 1 af den overordnede art, som kendes fra fx de ovenfor omtalte DE 34 35 477 og US 4 10 834 142. Bremsen har nærmest betragteren en lodret endevæg 3 og bag denne en frontvæg 5 med en central udløbsåbning 7. Mellem frontvæggen og endevægen strækker sig en perifer væg 9 med en indløbsåbning 11 illustreret med stiplet linje. Frontvæggen, endevægen og den perifere væg afgrænser mellem sig et hvirvelkammer. Bremsen 15 tænkes monteret i en brønd i et afløbssystem.

Fig. 4 viser karakteristikken for bremsen 1, dvs. forholdet mellem gennemstrømningen Q [l/s] og trykhøjden H [m]. Ved lille tilstrømning af væske til brønden og deraf følgende lille trykhøjde er gennemstrømningen tilsvarende lille. Ved voksende tilstrømning af væske til 20 brønden vil væsken begynde at stige i brønden som følge af strømningsmodstanden i bremsen, herunder strømningsmodstand i indløbet til bremsen. Idet gennemstrømningen i bremsen vokser, begynder væsken at cirkulere i bremsen, jf. fig. 1. En lomme 13 af luft fanget i bremsens hvirvelkammer over udløbsåbningen 7 forhindrer væsken i 25 hvirvelkammeret i at danne en fuldt udbygget hvirvel, hvorfor bremsens virkning på dette tidspunkt er begrænset. Med en stiplet ring 15 illustreres hvorledes luftlommen 13 presser enden af hvirvlen modsat udløbsåbningen ned. Den i fig. 1 viste situation svarer til punktet A på karakteristikken (fig. 4).

30 Ved yderligere stigende trykhøjde begynder luften i lommen 13 som bobler at blive revet med vandet ud gennem udløbsåbningen 7, og hvirvlen i hvirvelkammeret udbygges indtil punkt B i karakteristikken, hvor al luften er uddrevet, og hvirvlen er fuldt udbygget. Dette svarer til situationen i fig, 3. Fig. 2 viser et stadium mellem punkt A og B i karak 6 DK 176654 B1 teristikken, før al luften er uddrevet. Efter punktet B i karakteristikken stiger dennes kurve parabolsk til punktet C, som er den højeste trykhøjde.

Ved faldende trykhøjde (eller væskestand i brønden) følger ka-5 rakteristikken kurven fra C til D via B som vist med stiplet linje. På et tidspunkt under den faldende trykhøjde bryder hvirvlen i hvirvelkammeret sammen, og kurven forenes med kurven fra O til A for at følge denne ned til 0.

Fig. 5 viser en hvirvelbremse 21. Denne er ligesom bremsen 1 10 af den flade art, men den er forsynet med et indløbskammer 22, som giver et større indløbstryktab. Hvirvel bremsen 21 er således af en udformning som er beskrevet i den endnu ikke offentliggjorte danske patentansøgning nr. PA 2006 01583. Lige som bremsen 1 har hvirvelbremsen 21 en endevæg 23 nærmest betragteren og en front væg 25 15 bag endevæggen. Frontvæggen 25 er forsynet med en udløbsåbning 27, og en perifer væg 29 forbinder front- og endevæggen. Foran et indløb 31 til hvirvelbremsens hvirvelkammer findes det nævnte indløbskammer 22, som har et eget indløb 33 fra omgivelserne.

Hvirvelbremsen 21 er vist i sin tilsigtede monteringsstilling og 20 den har en lodret centerlinje 35, som foroven skærer den perifere væg 29 ved hvirvelkammerets toppunkt 37. Lidt nedstrøms for toppunktet 37 i forhold til en hvirvel (jf. pil 39) i hvirvelkammeret findes en udluft -ningsibning 41 i den perifere væg 29.

Udluftningsåbningen 41 er via et rør 43 forbundet med en kom-25 pressionsbeholder 45, som i dette tilfælde er en lukket beholder med stive vægge. Fig. 5 viser desuden en luftlomme 47 i hvirvelkammeret.

Den i fig. 5 viste hvirvelbremse 21 virker på følgende måde, idet det bemærkes, at den maksimale stuvningshøjde eller trykhøjde tænkes relative stor og hvirvelkammeret tilsvarende stort således, at 30 indløbsstrålen ikke er kraftig nok til at skylle den indesluttede luftlomme 47 ud.

Ved stigende stuvnings- eller trykhøjde stiger gennemstrømningen ifølge karakteristikken (fig. 6) fra O til A svarende til hændelsesforløbet ifølge fig. 4. Imidlertid er hvirvel bremsen 21 som nævnt således 7 DK 176654 B1 dimensioneret at gennemstrømningen af væske ikke i stand til at trække luftlommen 47 ud af hvirvelkammeret. I stedet presses luftlommen 47 i takt med det stigende tryk op i kompressionsbeholderen 45, indtil al luften er presset ud af hvirvelkammeret svarende til punktet B' eller 5 B" i fig. 6. De to punkter B' og B" svarer til to forskellige kompressionsbeholdere af forskellig størrelse.

Således viser B' et tilfælde med en kompressionsbeholder med et rumfang pi ca. 0,15 gange rumfanget af hvirvelkammeret, mens B" viser et tilfælde med en kompressionsbeholder med et rumfang på 1,25 10 gange rumfanget af hvirvelkammeret.

Trykket i kompressionsbeholderen 45 stiger i takt med at luft presses op i den fra hvirvelkammeret. Det er imidlertid klart at trykstigningen for en given oppresset luftmængde er større for den mindre kompressionsbeholder end for den større kompressionsbeholder. Det er 15 derfor lettere at presse al luften op i den større kompressionsbehoider end i den mindre og derfor er værdien for trykhøjden H mindre i B" end i Bf.

Efter punkter "B" (B' eller B") går karakteristikken for yderligere stigende trykhøjde til C. Ved aftagende trykhøjde går karakteristikken 20 fra C til D, hvor hvirvlen bryder sammen og luften trænger tilbage ind i hvirvelkammeret fra kompressionsbeholderen.

Det ses af fig. 6 at ved at ændre dimensionerne af kompressionsbeholderen kan karakteristikken tilnærmes et lodret forløb fra A til B, idet punktet B nærmer sig punktet C.

25 Karakteristikken i fig. 6 gælder for relativt hurtigt stigende og aftagende trykhøjde. En forklaring på at kurven ikke er den samme ved stigende og faldende trykhøjde, når den samme luftmængde som blev presset ud af hvirvelkammeret trænger tilbage ind i det, er antagelig at under udpresning af luften fra hvirvelkammeret komprimeres den, 30 hvorved temperaturen stiger og luften fylder mere, hvorefter luften køles i kompressionsbeholderen af den omgivende væske. Ved det faldende tryk afkøles luften yderligere til en lavere temperatur end under udpresningen.

Navnlig ved hvirvelbremser med større hvirvelkamre i forhold til 8 DK 176654 B1 indløbs- og udløbstværsnit kan det være aktuelt at tilvejebringe yderligere mulighed for udluftning af hvirvelkammeret eller at lette uddrivelsen af en del af luften fra hvirvelkammeret.

Fig. 7 og 8 viser således to yderligere udførelsesformer: 5 Den i fig. 7 viste hvirvelbremse 21' er opbygget på samme må de som hvirvelbremsen i fig. 5, men har et større hvirvelkammer i forhold til indløbs- og udløbstværsnittene. Hvirvel bremsen 21' er ligesom hvirvelbremsen 21 forsynet med en lukket kompressionsbeholder 45' med stive vægge. Desuden er hvirvelbremsen 21’ forsynet med en an-10 den udluftningsåbning 49, som er i forbindelse med et udluftningsrør 51, der ved sin ende modsat udluftningsåbningen 49 er åbent mod omgivelserne, som det i og for sig er kendt. Udluftningsrøret 49 vil være dykket i opstuvet væske, når udluftning fra hvirvelkammeret finder sted, og udluftningsrøret 51 er formet som et omvendt V eller U for at 15 danne en "luftlås", som forhindrer at vand strømmer ind i hvirvelkammeret gennem udluftningsrøret 51. Den anden udluftningsåbning 49 er placeret foran den første udluftningsåbning 41' i forhold til omløbsretningen 39' for en hvirvel i hvirvelkammeret og foran toppunktet 37'.

Den anden udluftningsåbning 49 vil derfor, som indikeret i fig. 7 kun ud-20 lufte en del af luftlommen 13', hvorefter resten af luftlommen vil blive presset op i kompressionsbeholderen 45'.

Fig. 8 viser en hvirvelbremse 21" med et endnu større hvirvelkammer i forhold til indløbs- og udløbstværsnittene. Hvirvelbremsen 21" er ligesom hvirveibremsen 21' forsynet med to udløbsåbninger, som er 25 forbundet med henholdsvis en kompressionsbeholder 45" og et udluftningsrør 5Γ. Imidlertid er kompressionsbeholderen 45" forsynet med en fleksibel topvæg, hvorved en del af luftlommen kan udluftes til kompressionsbeholderen mod et anderledes tryk, end hvis kompressionsbeholderen har stive vægge, som det skal forklares nærmere nedenfor 30 med henvisning til fig. 9.

Den i fig. 9 viste kompressionsbeholder 45" med fleksibel væg er opbygget på følgende måde: Den består af et lodret cylindrisk kammer 53 med en bund 55 med et forbindelsesrør 43' til hvirvelkammeret.

Bortset fra forbindelsen via forbindelsesrøret 43' til hvirvelkammeret er 9 DK 176654 B1 kompressionsbeholderen 45" lukket mod omgivelserne. Foroven er monteret en membran 57 mellem en krave 59 på cylinderens top og et opadhvælvet kuppelformet dæksel 60 med en udluftningsåbning 61 i toppen. Over det kuppelformede dæksel 60 er, med en højde afstand 5 for udluftning (se pil 62) over membranen 57, anbragt endnu et kuppelformet dæksel 63 med et rørformet fjederhus 65. På membranens underside kan ophænges en vægt 67, og på oversiden kan anbringes en fjeder 69. Om ønsket kan både vægt og fjeder anvendes samtidig for at opnå den ønskede effekt. Kompressionsbeholderen virker på den måde 10 at under indtrængning af luft fra hvirvelkammeret vil membranen indledningsvis løfte sig mod trykket fra vægten 67 og/eller fjederen 69, hvilket tryk således kan justeres ved justering af størrelsen af vægten og/eller fjederens stivhed. Når membranen 57 ligger an mod det kuppelformede dæksel 59, kan den ikke bevæge sig længere, og 15 kompressionsbeholderen 45" virker derefter som en beholder med stive vægge, Det er uønsket at væske fra omgivelserne trænger ind på oversiden af membranen 57, da det vil kunne give et ukontrolleret tryk, som muligvis ville kunne presse membranen ned og ændre volumenet i kompressionsbeholderen under membranen. Derfor kan udluftningen 62 20 udformes således, at trykket udefra møder en mindre flade end trykket indefra, Alternativt kan kompressionsbeholderen 45" anbringes væsentligt over hvirvelkammeret, fx i en sådan højde, at toppen af kompressionsbeholderen er over højeste forekommende vandspejl.

Fig. 10 og 11 viser en kompressionsbeholder 70 ifølge den fore-25 liggende opfindelse anbragt pa en hvirvelbremse 71 med et konisk hvirvelkammer, fx en hvirvelbremse af den i WO 2006/069574 beskrevne art. Hvirvelbremsen 71 har en konisk, krum, perifer sidevæg 75, en endevæg 77 og et indløb 79 i endevæggen. Et udløb 81 findes ved konusformens toppunkt. En lodret centerlinje 83 skærer randen af ende-30 væggen 77 ved hvirvelkammerets toppunkt 85. På endevæggen 77 nær toppunktet 85, men lidt nedstrøms for dette i forhold til en hvirvel i hvirvelkammeret er over en udluftningsåbning monteret kompressionsbeholderen 70.

Som det fremgår er ifølge opfindelsen tilvejebragt forskellige til- 10 DK 176654 B1 tag, som kan anvendes til at styre i hvorledes en luftlomme i et hvirvelkammer udluftes i forhold til stuvnings- eller trykhøjden ved indløbet til hvirvelbremsen. Derved kan karakteristikken for hvirvelbremsen styres, idet en mere gradvis udluftning giver en mere lodret karakteristik fra 5 "A" via "B" til "C", jf. fig. 4 og 6.

De beskrevne kompressionsbeholdere kan anvendes ved alle typer hvirvelbremser, herunder såvel dykkede som tørt og halvtørt monterede.

10

Claims (9)

11 DK 176654 B1

1. Hvirvelbremse til et afløbsaniæg, omfattende et hvirveikam-mer med en krum, perifer sidevæg (29; 75), der omgiver en hvirvelakse i hvirvelkammeret, et centralt udløb (27; 81) fra hvirvelkammeret, et 5 perifert indløb (31; 79) til hvirvelkammeret og en udluftningsåbning (41) i en væg af hvirvelkammeret, hvor hvirvelkammeret har en omløbsretning (39) for en hvirvel af væske i hvirvel kammeret, og hvirvelbremsen har en tilsigtet monteringsposition, i hvilken hvirvel kammeret har et toppunkt (37), kendetegnet ved, at udiuftningsåbningen 10 er i forbindelse med en kompressionsbeholder (45; 70) uden for hvirvelkammeret, ind i hvilken luft fra hvirvelkammeret kan komprimeres.

2. Hvirvelbremse ifølge krav 1, kendetegnet ved, at udluftningsåbningen (41) er placeret ved toppunktet (37) eller i forhold til omløbsretningen (39) er placeret et stykke nedstrøms for toppunktet 15 (37).

3. Hvirvelbremse ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at kompressionsbeholderen (45) har stive vægge.

4. Hvirvelbremse ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at kompressionsbeholderen (45") har en fleksibel væg (57).

5. Hvirvelbremse ifølge krav 4, kendetegnet ved, at den fleksible væg er kraftpåvirket (67, 69) i retning mod kompressionsbeholderens (45”) indre.

6. Hvirvelbremse ifølge ethvert af kravene 1-5, kendetegnet ved, at hvirvelkammeret har en anden udluftningsåbning (49), 25 som har forbindelse til omgivelserne.

7. Hvirvelbremse ifølge krav 6, kendetegnet ved, at den anden udluftningsåbning (49) i forhold til omløbsretningen (39) er placeret opstrøms for den første udluftningsåbning (41).

8. Hvirvelbremse ifølge krav 6 eller 7, kendetegnet ved, 30 at den anden udluftningsåbning (49) i forhold til omløbsretningen (39) er placeret opstrøms for toppunktet (37‘).

9. Hvirvelbremse ifølge ethvert af kravene 6-8, kendetegnet ved, at den anden udluftningsåbning (49) er forbundet med en luftlås (51) med udmunding placeret i niveau over den anden udluft- 12 DK 176654 B1 ningsåbning. 5