DE821030C

DE821030C - Pipeline with enlarged cross-section to convert velocity energy into pressure energy

Info

Publication number: DE821030C
Application number: DEP31019D
Authority: DE
Inventors: M Dipl-Ing Strscheletzky
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1949-01-06
Filing date: 1949-01-06
Publication date: 1951-11-15

Description

Rohrleitung mit Querschnittserweiterung zur Umsetzung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie Die in Wasserturbinen verarbeitete Flüssigkeit verläßt das Laufrad mit einer Geschwindigkeit, die noch erhebliche kinetische Energie enthält. Zur Rückgewinnung dieser Geschwindigkeitsenergie wird diese in Druck umgesetzt, und zwar in einer sich erweiternden Rohrleitung (einem Diffusor oder Saugrohr). Der hierfür zulässige größte Erweiterungswinkel beträgt etwa 9°. Durch diesen Winkel und durch die Forderung einer bestimmten Verzögerung ist die Baulänge solcher Saugrohre festgelegt. Bei der Wahl eines größeren Erweiterungswinkels tritt Ablösung der Strömung an den Wänden ein und die Verluste steigen unzulässig an, d. h. der Wirkungsgrad der Umsetzung von kinetischer Energie in Druckenergie wird zu schlecht. Sofern das Laufrad so gebaut ist, daß die Flüssigkeit mit einem gewissen Drall austritt, kann der Erweiterungswinkel im Saugrohr etwas größer gewählt werden, doch beträgt die zusätzliche Erweiterung höchstens 2° und das Saugrohr wird dabei immer noch unerwünscht lang. Aus baulichen Gründen wird bei Wasserturbinenanlagen an Stelle eines geraden Saugrohrs in der Regel ein sogenannter Saugkrümmer angewendet. Hierbei treten noch zusätzliche Verluste durch Umlenkung auf, und außerdem sind auch die gesamte Reibungsoberfläche und die dadurch bedingten Reibungsverluste bei Saugkrümmern größer als bei geraden Saugrohren.Pipeline with enlarged cross-section to convert velocity energy in pressure energy The liquid processed in water turbines leaves the impeller at a speed that still contains considerable kinetic energy. For recovery This velocity energy is converted into pressure, in a expanding pipeline (a diffuser or suction pipe). The one permitted for this largest extension angle is about 9 °. By this angle and by the demand a certain delay, the length of such suction pipes is fixed. at the choice of a larger expansion angle occurs separation of the flow on the walls a and the losses increase inadmissibly, d. H. the efficiency of the implementation of kinetic energy in pressure energy becomes too bad. Provided the impeller is like that is built so that the liquid emerges with a certain twist, the extension angle can can be chosen somewhat larger in the intake manifold, but the additional expansion is at most 2 ° and the suction pipe is still undesirably long. From structural Reasons is used in water turbine systems instead of a straight suction pipe in the Usually a so-called suction bend is used. Additional losses occur here by deflection on, and also the entire friction surface and the The resulting friction losses in suction elbows are greater than in straight suction pipes.

Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten ist bereits vorgeschlagen worden, den Erweiterungswinkel wesentlich größer zu wählen, dafür aber an Stellen, wo mehr oder weniger plötzliche Geschwindigkeits-bzw. Druckänderungen eintreten, eine Vorkehrung zu treffen, mit der es möglich ist, die Grenzschicht durch die Rohrwandung hindurch abzusaugen (Patent 472039). Diese Art der Absaugung hat sich jedoch in der Praxis nicht durchgesetzt, weil die erforderliche Absaugmenge und damit die Absaugleistung zu groß war und sich dadurch eine ungünstige Energiebilanz ergab. Die große Absaugmenge und die große Absaugleistung hängt nach den Angaben des einen der beiden Erfinder offenbar damit zusammen, daß hei dieser Art von Absaugung bereits abgebremste Flüssigkeitsschichten abgesaugt werden müssen.To overcome these difficulties it has already been proposed that to choose the extension angle much larger, but in places where more or less sudden speed respectively. Pressure changes occur, a precaution to meet with which it is possible to pass the boundary layer through the pipe wall suction (patent 472039). However, this type of suction has proven itself in practice not enforced because the required suction volume and thus the suction power was too big and this resulted in an unfavorable energy balance. The large amount of suction and the great suction power depends on the information of one the both inventors apparently together with the fact that this type of suction already exists decelerated liquid layers have to be sucked off.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles angestellte Untersuchungen haben zu der Erkenntnis geführt, daß an Stelle der lokalen Absaugung durch einen oder einzelne Ringschlitze oder Reihen von Öffnungen an den Stellen der stärksten Geschwindigkeitsänderungen eine über die ganze Oberfläche oder den größten Teil der Oberfläche der sich erweiternden Rohrleitung reichende Grenzschichtabsaugung vorzunehmen ist. Durch diese kontinuierliche Grenzschichtabsaugung wird erreicht, daß eine Verzögerung der wandnahen Flüssigkeitsschichten und damit eine Ablösung und Wirbelbildung von vornherein vermieden wird, so daß es nicht erforderlich ist, bereits abgebremste Flüssigkeitsschichten abzusaugen. Die abzusaugenden Flüssigkeitsmengen und damit die erforderlichen Absaugleistungen können hierdurch, wie eXperimentell bereits nachgewiesen «erden konnte, wesentlich kleiner gehalten werden als bei einer lokalen Absaugung nach dem Vorschlag des oben genannten Patents.Investigations have been carried out to avoid this disadvantage led to the realization that instead of local suction by an or individual ring slots or rows of openings at the points of the greatest changes in speed one over all or most of the surface of the expanding Boundary layer suction reaching the pipeline is to be carried out. Through this continuous Boundary layer suction is achieved that a delay of the liquid layers near the wall and thus a detachment and vortex formation is avoided from the outset, so that it is not necessary to suck off already braked layers of liquid. The amount of liquid to be sucked off and thus the required suction performance can thus, as eXperimentell has already proven «, be essential can be kept smaller than with local suction as suggested above named patent.

Die bei diesen Untersuchungen gewählte Maßnahme, um die Wandung der Rohrleitung durchlässig zu machen, nämlich das Überspannen von gelochten Blechen mit Seide, ist jedoch für den praktischen Bedarf nicht geeignet.The measure chosen in these investigations to remove the wall of the To make pipelines permeable, namely the stretching of perforated metal sheets with silk, but is not suitable for practical use.

Gemäß der Erfindung evird vorgeschlagen, die Durchlässigkeit der Rohrleitung dadurch zu erzielen, daß sie im Bereich der Querschnittserweiterung völlig oder nahezu völlig aus porösem, d. h. durchlässigem Stein hergestellt wird. Diese etwa künstlich hergestellten Steine, wie sie beispielsweise auch fürFilterzwecke Verwendungfinden, könnenbei größeren Anlagen als vorgeformte, profilierte Steine in einem Gerippe von Stahl gefaßt oder an der Baustelle nach Art von Eisenbeton hergestellt werden.According to the invention, the permeability of the pipeline is proposed to achieve that they are completely or in the area of the widening of the cross-section almost entirely made of porous, d. H. permeable stone is produced. This about artificially produced stones, such as those used, for example, for filter purposes, can be used in larger systems as preformed, profiled stones in a framework taken from steel or made on the construction site in the manner of reinforced concrete.

Bei einem Diffusor bzw. Saugrohr mit kontinuierlicher Absaugung gemäß der Erfindung können außerordentlich große Erweiterungswinkel und damit kleide Baulängen verwirklicht werden. Dies ermöglicht es auch. dem Saugkrümmer einer Turbine eine neue Form zu geben, und zwar soll dieser nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung aus einem oberen kurzen, rotations-symmetrischen,also geraden Saugrohr mit sehr starker Erweiterung und Grenzschichtabsaugung über die ganze Oberfläche und einem daran anschließenden eigentlichen Krümmergehäuse gebildet werden, wobei jedoch in dem eigentlichen Krümmergehäuse entsprechend der auf etwa 2 bis .Io/o des gesamten Gefälles verminderten Geschwindigkeitsenergie nur noch sehr geringe Verluste auftreten. Das gerade Saugrohr wird im Meridianschnitt mit zunehmender Krümmung ausgeführt, um den gewünschten Geschwindigkeitsverlauf längs der Wand des Saugrohres zu erzielen. Der Krümmer wird im Grundriß unsymmetrisch ausgebildet, um der Rotation der Strömung am Ende des geraden Saugrohres Rechnung zu tragen. Die Absaugung wird durch eine außen um das gerade Saugrohrstück angeordnete Unterdruckkammer vorgenommen, wobei der Unterdruck etwa durch eine besondere Luftpumpe erzeugt wird. An der tiefsten Stelle dieser Kammer wird das abgesaugte Wasser gesammelt und in das Unteru-asser mit einer besonderen Pumpe abgepumpt.In the case of a diffuser or suction pipe with continuous suction according to the invention can be extremely large extension angles and thus clothe overall lengths be realized. This makes it possible too. the intake manifold of a turbine to give a new shape, namely this should be according to a further proposal of the invention from an upper short, rotationally symmetrical, i.e. straight suction tube with very strong expansion and boundary layer suction over the entire surface and one subsequent actual manifold housing are formed, however, in the actual manifold housing corresponding to about 2 to .Io / o of the entire With the reduced speed energy gradient, only very small losses occur. The straight suction pipe is executed in the meridional section with increasing curvature, in order to achieve the desired speed profile along the wall of the suction pipe. The elbow is designed asymmetrically in plan to accommodate the rotation of the flow at the end of the straight suction pipe. The suction is carried out by a made outside around the straight suction pipe section arranged vacuum chamber, wherein the negative pressure is generated, for example, by a special air pump. At the deepest In this chamber, the extracted water is collected and into the underwater pumped out with a special pump.

Bei Anwendung der Erfindung auf Diffusoren von Axialpumpen oder -gebläsen wird in weiterer Ausbildung der Erfindung die Absaugkatnmer an den Ansaugraum vor dem Pumpen-oderGebläselaufradatigeschlossen und so der zum Absaugen erforderliche Unterdruck an der @\I'and des Diffusors geschaffen.When applying the invention to diffusers of axial pumps or fans in a further embodiment of the invention, the suction chamber is connected to the suction chamber closed to the pump or fan impeller and thus the one required for suction Negative pressure is created at the @ \ I'and of the diffuser.

Das Maß der Absaugung kann über die Länge des Saugrohrs auch dadurch variiert werden, daß die Absaugkammer in mehrere Abschnitte mit verschiedenem Unterdruck unterteilt wird. Auch durch kontinuierlich oder stufenweise veränderliche Wandstärke der aus dtirclilässigctn Material hergestellten Saugrohrwandung kann eine über die Satigrohrlänge veränderliche Absaugnienge erzielt «erden. Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die Durchlässigkeit des Saugrohrs dadurch über die Länge veränderlich gestaltet. daß es aus Materialien verschiedener Durchlässigkeit. beispielsweise aus Steinen verschiedener It@trngröße, hergestellt wird. Das gleiche kann bei Saugroltreti aus Metall oder Beton durch Schlitze oder Lochreiben mit absatzweise oder kontinuierlich zu- oder abnehmendem Durchlaßquerschnitt erzielt werden. Ein weiterer Vorschlag geht dahin, die Saugrohrwandung oder Teile derselben aus '@letallgeN\cl>e, etwa in mehreren Lagen übereinander geschichtet, herzustellen, wobei wiederum ohne weiteres die \fiigliclikeit besteht, die Durchlässigkeit an verschiedenen Stellen verschieden groß zu wählen.The extent of the suction can also be determined over the length of the suction tube can be varied that the suction chamber in several sections with different negative pressure is divided. Also by continuously or gradually changing wall thickness the suction pipe wall made of dtirclilässigctn material can have a Suction length variable suction tube length achieved «earth. After another suggestion According to the invention, the permeability of the suction pipe is thereby variable over the length designed. that it is made of materials of different permeability. for example is made of stones of various sizes. The same can be done with suction rollers from metal or concrete through slots or hole rubbing with intermittent or continuous increasing or decreasing passage cross-section can be achieved. Another suggestion goes there, the suction pipe wall or parts of it from '@letallgeN \ cl> e, for example layered in several layers on top of each other to produce, again without further ado the ability exists, the permeability is different in different places big to choose.

In allen Fällen wird jcdocli die Gefahr der Verschmutzung und der @-crstopfung der Poren bzw. Öffnungen an der innen@n C)1>erlläclie des Saugrohrs lz@stehen. Zur Behebung diese; Nachteils wird vorgeschlagen, dem Sangrohr an einer oder mehreren Stellen gleichmäßig iilt-=r den Umfang verteilt im Gebiet der Grenzschicht reines Wasser in Strömungsrichtung zuzuführen in einer Menge, die mindestens so groß, vorzugsweise aber noch etwas größer als die Menge der abgesaugten Flüssigkeit ist.In all cases, jcdocli becomes the risk of pollution and the @ -camping of the pores or openings on the inside @ n C) 1> erlläclie of the suction pipe lz @ stand. To fix this; Disadvantage is proposed to the Sangrohr on a or several places evenly iilt- = r the circumference distributed in the area of the boundary layer to supply pure water in the direction of flow in an amount at least as high large, but preferably slightly larger than the amount of liquid sucked off is.

An Stelle solcher Jlal.ltialinien oder zusätzlich hierzu kann für eine gelegentliche Durchspülung der Saugrohrivandung von außen nach innen Vorsorge getroffen werden. Dies geschieht etwa in der Weise, daß die Wasserliumpe, die zum Abfuhren des abgesaugten Wassers dient. so lange altgestellt wird. bis der Saugraum voll Wasser steht. Dann wird die Luftpumpe abgestellt, die den Unterdruck im Saugraum schafft. Nach Ausgleich des Unterdrucks im Saugraum wird das jetzt dort vorhandene Wasser von dem durch das Saugrohr strömenden Wasser durch die SaugrohrNvandung von außen nach innen durchgesaugt und dadurch die Verunreinigungen in den Schlitzen, Löchern oder Poren herausgespült.Instead of or in addition to such Jlal.ltialinien can be used for an occasional flushing of the suction pipe wall from the outside to the inside to be hit. This happens roughly in such a way that the Wasserliumpe, which for Discharge of the extracted water is used. as long as it is old. until the suction chamber is full of water. Then the air pump is switched off, which reduces the negative pressure in the suction chamber creates. After the negative pressure in the suction chamber has been equalized, the one that is now there becomes Water from the water flowing through the suction pipe through the suction pipe wall of sucked through from the outside to the inside and thereby the impurities in the slots, Holes or pores washed out.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Abbildungen noch näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to a few figures explained.

Abt. i zeigt eine Turbinenanlage mit einem Saugrohr gemäß der Erfindung im Schnitt und Abb. 2 im Grundriß ; Abb.3 zeigt in größerem Maßstab eine Ausführung des Saugrohrs aus einzelnen Gußeisenringen und Abb. .I eine Einzelheit hierzu: die Abb. 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen des Saugrohrs aus porösem Stein und Abb. 7 die Anwendung der Erfindung auf eine Axialpuiripe 1>zw. ein Axialgebläse.Dept. i shows a turbine system with a suction pipe according to the invention in section and Fig. 2 in plan; Fig.3 shows on a larger scale an execution of the suction pipe from individual cast iron rings and Fig. .I a detail in this regard: Figs. 5 and 6 show two embodiments of the suction tube made of porous Stein and Fig. 7 the application of the invention to an Axialpuiripe 1> betw. an axial fan.

In .11>b. i ist mit t das Kaplanlaufrad bezeichtiet, mit 2 das kurze, gerade Saugrohr und mit 3 das Krümmergehäuse. Das Saugrohr 2 ist von einer Kammer 4 umgeben, aus der über eine Leitung 5 mittels einer Luftpumpe die Luft abgesaugt und so der für die Absaugung erforderliche Unterdruck geschaffen werden kann. Das durch die Wandung des Saugrohrs 2 hindurch abgesaugte Wasser läuft in den Sumpf 6 ab und wird von da mittels einer Pumpe abgeführt.In .11> b. i is marked with t the Kaplan impeller, with 2 the short one, straight intake manifold and with 3 the manifold housing. The suction pipe 2 is of a chamber 4, from which the air is sucked out via a line 5 by means of an air pump and so the negative pressure required for suction can be created. That Water sucked through the wall of the suction pipe 2 runs into the sump 6 and is discharged from there by means of a pump.

Das Krümmergehäuse ist, wie aus Abb.2 ersichtlich ist, unsymmetrisch ausgebildet.DieMittelebene 7 weicht bei der durch den Pfeil 8 angegebenen Drehrichtung der Turbine um den Winkel9 von der Symmetrieebene io ab.As can be seen from Fig. 2, the manifold housing is asymmetrical The center plane 7 deviates in the direction of rotation indicated by the arrow 8 of the turbine by the angle 9 from the plane of symmetry io.

Das gerade, rotatiotis-symmetrische Saugrohr 2 ist nach dem Ausführungsbeispiel der Abb.3 aus einer Anzahl von Gußeisenringen i i zusammengesetzt, die, wie Abb. 4 zeigt, mittels der in Bohrungen an den Stirnflächen der Ringe eingesetzten Stifte 12 aneinandergefügt sind. Durch Abstandstücke 13 wird zwischen den einzelnen Ringen je ein Schlitz 14 in der gewünschten Breite frei gehalten.The straight, rotationally symmetrical suction pipe 2 is according to the embodiment of Fig.3 composed of a number of cast iron rings i i, which, as Fig. 4 shows, by means of the pins inserted into bores on the end faces of the rings 12 are joined together. By spacers 13 is between the individual rings each a slot 14 kept free in the desired width.

Die Abb. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform für das Saugrohr, wie sie sich etwa bei Herstellung aus durchlässigem Kunststein ergibt. Nach Abb. 5 ist das Saugrohr aus zwei Teilen verschiedener Dichte und mit von oben nach unten allmählich zunehmender Wandstärke zusammengesetzt. Abb.6 stellt ebenfalls ein Saugrohr aus künstlichem Stein mit einer von oben nach unten zunehmenden Wandstärke a, b dar.Fig. 5 shows a further embodiment for the suction pipe, as it results for example when manufacturing from permeable artificial stone. According to Fig. 5, the suction pipe is composed of two parts of different densities and with gradually increasing wall thickness from top to bottom. Figure 6 also shows a suction pipe made of artificial stone with a wall thickness a, b increasing from top to bottom.

In Abb. 7 ist ein Axialgehäuse gezeigt, dessen Diflusor 15 nach den Vorschriften der Erfindung beispielsweise aus durchlässigem Material ausgeführt ist. Die Absaugkammer 16 ist über die CSffnttngell 17 ail den kauen vor dem Laufrad 18 angeschlossen.In Fig. 7 an axial housing is shown, the diffuser 15 according to the Regulations of the invention for example made of permeable material is. The suction chamber 16 is via the CSffnttngell 17 ail the chew in front of the impeller 18 connected.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Pipeline with cross-section expansion for implementation from. Velocity energy in pressure energy, especially turbine suction pipe, difiusor or the like, with device for boundary layer suction through a porous pipe wall, characterized in that the pipeline is in the area of the widened cross-section is made entirely or almost entirely of permeable stone.

2. Pipeline according to claim i, characterized by the use of preformed stones which with or without a steel frame are joined together:

3. Pipeline according to the claims i and 2, characterized in that the preformed stones are in the form of reinforced concrete are provided with reinforcements.

4. Pipeline according to claims i to 3, characterized characterized in that the permeable material of the type of reinforced concrete or shell concrete is produced at the construction site. @.

Pipeline according to claims i to 4, marked, Inet through a stepwise or continuously changing wall thickness.

6. Pipeline according to claims i to 4, characterized by stepwise or continuously variable grain size of the building material.

7. Pipeline according to claims i to 6 in use as a diffuser for axial pumps or axial fans, characterized in that that the suction chamber to the vacuum chamber in front of the impeller of the axial pump or the Axial fan is connected. B.

Pipeline according to claims i to 6 in use as a water turbine suction pipe, characterized in that the suction pipe consists of a straight Piece (2) with a large extension angle and boundary layer suction and a subsequent one Elbow (3) without boundary layer suction.

9. Water turbine suction pipe according to claim 7, characterized by a device through which the suction tube is attached to one or more Places evenly distributed over the circumference in the area of the boundary layer in the direction of flow pure (filtered) water is supplied. ok

Water turbine suction pipe according to claim 9, characterized in that the total amount of pure water supplied is greater than or at least equal to the amount of water sucked off. i i.

Water turl> in suction pipe according to claims 9 and io, characterized by the use of the extracted Water as leg water.

12. turbine suction pipe according to claims 8 to i i, characterized by a device with which the water is briefly sucked from the inside to the outside to flush the passage openings in the porous material in the opposite direction the wall is passed through.

13. Turbine suction pipe according to claim 8, characterized characterized in that the manifold (3) adjoining the short intake manifold in the Plan view of the rotation of the flow at the end of the straight Sangrohr (2) accordingly is designed asymmetrically.

14. Water turbine suction pipe according to claim 8 and 13, characterized in that the straight suction pipe in the meridional section with increasing Curvature is executed.