DE2159963C3

DE2159963C3 - Kavitationsmindernde Drosselvorrichtung

Info

Publication number: DE2159963C3
Application number: DE2159963A
Authority: DE
Inventors: Albert A. Riverside Calif. Webb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-12-04
Filing date: 1971-12-03
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB1356318A; DE2159963B2; DE2159963A1; IL38292A; CA966394A; US3731903A; JPS5210522B1; IL38292A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kavitationsmindernde Drosselvorrichtung mit einem mit Ein- und Auslaß versehenen und zumindest in einem Abschnitt mit Kugeln vollständig ausgefüllten Gehäuse, wobei die Kugeln im Gehäuse mittels Halteeinrichtungen festgelegt sind.

Kavitation, das ist die Bildung, das Anwachsen und das Zusammenfallen von Dampfblasen in einer strömenden Flüssigkeit, entsteht durch eine Druckverminderung infolge des Überschreitens einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit und/oder turbulenter Wirbel. In dem zuletzt genannten Falle kann Kavitation selbst dann hervorgerufen werden, wenn der mittlere Druck im Flüssigkeitsstrom erheblich höher als der Dampfdruck der Flüssigkeit ist. Beim Zusammenfall der in einer Flüssigkeit gebildeten Kavitationsblasen entsteht eine Implosion mit extrem hohen örtlichen Drücken, die im hydraulischen System zu erheblichen Beschädigungen und Störungen sowie zu einer beträchtlichen Geräuschentwicklung führen kann. Auch ohne direkte Beschädigung von Teilen des Flüssigkeitssystems beeinträchtigt Kavitation den Wirkungsgrad von Turbinen, Pumpen und Steuerventilen und erschwert damit die Auslegung und Verwendbarkeit derartiger Systeme.

Zur Kavitations- und Geräuschminderung ist aus der GB-PS 9 01 925 ein Drosselventil mit einer Einrichtung zur Einstellung des Drosselwiderstandes bekannt. Im zylindrischen Gehäuse dieses Drosselventils ist zwischen zwei gelochten Platten, von denen die eine stationär und die andere kolbenartig verschiebbar ist, eine erhebliche Anzahl elastischer Füllkörper angeordnet. Bei Bewegung der einen Platte in Richtung der stationären anderen Platte werden die im Gehäuse befindlichen elastischen Füllkörper zusammengepreßt und verformt, wodurch der Strömungsquerschnitt verringert und der Drosselwiderstand entsprechend erhöht wird. Der Einbau einer den Flüsngkeitsstrom unterbrechenden festen Drosseleinrichtung in Form eines Maschendrahtgitters oder einer Faserschranke wird dagegen in dieser Druckschrift als für die Kavitationsminderung zwecklos angegeben. Das bekannte Drosselventil hat jedoch den Nachteil, daß es nur für kalte oder mäßig warme Flüssigkeiten verwendbar ist, da sich die dort erforderlichen kompressiblen Füllkörper bei hohen Temperaturen bleibend verformen und damit das Drosselventil gerade bezüglich der dort angestrebten Einstellbarkeit funktionsunfähig machen würden.

Aus der DE-AS 12 23 645 ist eine auch für hohe Temperaturen des Strömungsmittels geeignete Drosseleinrichtung bekannt, bei der eine Vielzahl von festen lullkörpern, /.. B. .Stahlkugeln, auf einer in Veriikalriehtung kolbenartig verschiebbaren Platte in einen Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse besteht aus einem sieh in Strömungsrichtiing verjungenden Abschnitt und einem anschließenden Abschnitt konstanten Querschnitts. Bei Vcrtikalvcrschiebung der kolbenanigen Piaite können die Kugeln 111 den komswi

erweiterten Abschnitt mehr oder weniger eingeschoben werden, wodurch der Drosselwiderstand entsprechend verringert werden kann. Diese bekannte Drosseleinrichtung kann nur in vertikaler GehäuseanGrdnung mit Anströmungsrichtung der Kugeln entgegen der die Kugeln abstützenden Halteplatte verwendet werden. Ein Einbau dieser Drosseleinrichtung an einer beliebigen, beispielsweise horizontal verlaufenden Leitungsstelle würde die Drosseleinrichtung funktionsunfähig machen und zu einer unkontrollierten Verwirbelung der festen Füllkörper führen.

Aus der DE-PS 10 67 652 ist außerdem ein Druck-Reduzierventil zur geräusch- und vibrationsarmen Drosselung strömender, gasförmiger Medien bekannt, bei dem eine sich unmittelbar hinter dem Ventilsitz des Verschlußstückes anschließende Drosselstelle in geringem Abstand übereinandergeschichtete ebene oder gewölbte Platten mit gegeneinander versetzten Durchtrittsöffnungen enthält, die so gestaltet und verteilt sind, daß bei maximalem Durchfluß der freie Querschnitt der einzelnen Durchtrittsöffnungen kleiner als 100 mm² ist. Der Einbau von Platten mit genau festgelegtem gegenseitigen Abstand und einer ebenfalls genauen Abstimmung der Plattenöffnungen im Druck-Reduzierventil bedingt einen erheblichen herstellungstechnischen Aufwand. Die vorliegende Erfindung befaßt sich nicht mit der geräusch- und vibrationsarmen Drosselung gasförmiger, also kompressibler Medien, sondern sie befaßt sich ganz allgemein mit der Begrenzung der Kavitation in im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine von der Einbaulage im Flüssigkeitssystem funktionsunabhängige Drosselvorrichtung anzugeben, welche die Kavitationsminderung innerhalb eines weiten Durchgangsmengenbereichs für praktisch alle Flüssigkeiten mit vergleichsweise geringem Kostenaufwand erreicht.

Ausgehend von der Drosselvorrichtung der eingangs genannten Art, zeichnet sich die Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale aus:

a) die Kugeln bestehen aus nichtelastischem Material;

b) der kugelgefüllte Abschnitt des Gehäuses ist in Abstromrichtung konisch erweitert ausgebildet;

c) der Innendurchmesser und die Konizität des kugelgefüllten Gehäuses sowie der Durchmesser der Kugeln sind so bemessen, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit immer unterhalb der Geschwindigkeit bleibt, bei der unzulässige Kavitation auftritt.

Die aus nichtelastischem Material bestehenden Kugeln geben sich untereinander einen festen Halt im Gehäuse und lassen zwischen sich einen bestimmten stets gleichbleibenden Öffnungsquerschnitt für den Durchtritt der Flüssigkeit und werden auch von etwaigen hohen Temperaturen des die Drosselvorrichtung beströmenden Mediums in keiner Weise funktionell oder lagemäßig beeinträchtigt. Aufgrund der konischen Erweiterung des kugelgefüllten Gehäuseabschnitts in Abstromrichtung findet eine gleichmäßige Querschnittsvergrößerung und Geschwindigkeitsredu-/icrung statt, die aufgrund der Form der Füllkörper und deren gleichmäßige Anordnung ohne punktförmigc Turbulenzen ist. Unabhängig von der Lage der erfindungsgemäßen Drosselvorrichtung läßt sich deren kavitationsniindcrnder Einfluß den jeweiligen Syslemparamctern, w ic Durchsatzmcnge, Strömungsgeschwinmerkmal c) in einfacher Weise optimal anpassen. Die zuverlässige Funktionsweise ist dabei anders als bei bekannten ventilartigen Drosselvorrichtungen durch Fehlen bewegter Teile gewährleistet Da alle Kugeln zwischen den Halteeinrichtungen einen stets gleichbleibenden festen Halt besitzen, spielt die Einbaulage abgesehen von der Strömungsrichtung — für die Funktion der erfindungsgemäßen Drosselvorrichtung keine Rolle.

ίο Für die Erfindung wird nur im Rahmen der Gesamtkombination der Merkmale a) bis c) Schutz begehrt.

Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades bei gleichzeitiger Unterdrückung der Kavitation wird der Innendurchmesser des kugelgefüllten Gehäuseabschnitts vorzugsweise so klein gemacht, daß an der ersten Lage von Kugeln eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit nahe der beginnenden Kavitationsgeschwindigkeit bei maximalem Durchfluß durch das System auftritt.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Drosselvorrichtung in Verbindung mit einem Regelventil wird die Drosselvorrichtung an dessen auslaß- bzw. abstromseitigem Ende in die Flüssigkeitsleitung eingebaut. Der Innendurchmesser, die Konizität des kugelgefüllten Gehäuses sowie der Durchmesser der Kugel werden dabei so gewählt, daß Kavitation am Regelventil über einen weiten Durchsatzmengenbereich unter Einschluß der maximalen Durchsatzmenge unterdrückt wird.

in Im folgenden wird die erfindungsgemäße kavitationsmindernde Drosselvorrichtung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht auf ein Hochdruck-Wasser-

j5 system mit einer einem Regelventil nachgeschalteten Drosselvorrichtung,

F i g. 2 ein Diagramm, welches das Zusammenwirken der Drosselvorrichtung mit dem Regelventil bei unterschiedlicher Ventilöffnung veranschaulicht,

F i g. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der empirischen Bestimmung von Kavitation in einem vorgegebenen System,

Fig.4 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des kugelgefüllten Gehäuses der Drosselvorrich- lung gemäß Fi g. 1,

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in Fig.4.

F i g. 6 eine Teilschnittansicht entlang der Linie 6-6 in F i g. 5 und

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in F i g. 4.

In Fig. 1 ist eine in ein Hochdruckwassersystem eingebaute Versuchsanordnung gezeigt, bei der eine aus einem Betonfundament 12 herausgeführte Eingangsdruckleitung 10 zu einem Hahnschieber 14 führt. Eine Alisgangsdruckleitung 16 ist an einem ähnlichen Hahnschieber 18 angeschlossen. Der Ausgang des Hahnschiebers 14 ist über ein Reduzierstück 20 mit dem Einlaß eines Regelventils 24 verbunden. An dem Auslaß

bo 26 des Regelventils ist das Gehäuse 28 der beschriebenen kavitationsmindernden Drosselvorrichtung angeschlossen, dessen Auslaß über ein Rohrstück 30 mit dem Hahnschieber 18 verbunden ist. Von einem Paar einstellbarer Tragstüt/en 32 und 34 iu.: unier die

tv, Flansche passend geformten Auflagern 36 b/w. 38 wird eine Zwischcnabstützung gebildet

Das Regelventil 24 weist bei dem beschriebenen

i:„,l λπ —ι

Wasserdruck-Meßleitung 42 verbindet den absiromseitig hinter dem kugelgefüllten Abschnitt angeordneten Teil des Gehäuses 28 mit einem Druckiinschluß 44 und das Stellglied 40. Ein Entlüftungsventil 46 ist über einen Gasdruckanschluß 48 an der Oberseite des Gehäuses an dessen Abstromseite angeschlossen und dient zum Entlüften von im Gehäuse gebildeten Gasen.

13ei dem beschriebenen System ist es wesentlich, daß die Drosselvorrichtung hinter dem Regelventil angeordnet ist, damit am Ventil eine optimale Strömungssteucrung unter gleichzeitiger Kavitationsunterdrückung erfolgen kann. Die Drosselvorrichtung erzeugt in dieser Anordnung bei hohen Durchsatzmengen einen ausreichenden Rückdruck, der auch bei hohem Druckabfall am Regelventil die Kavitation zuverlässig auf einen zulässigen Wert mindert. Unter bestimmten Strömungsbedingungen hat auch die Entfernung des kugelgefüllten Abschnitts vom Regelventil eine gewisse Bedeutung für die Optimierung des Systems. Wenn die Kavitationsbläschen vor dem Auftreffen auf die vorderste Kugelschicht zusammenbrechen sollen, so sollte der Abstand 5 dieser Schicht vom abstromseitigen Ende des Halsabschnitts 50 des Regelventils etwa 2- bis 5mal so groß wie der Innendurchmesser des Auslasses 26 des Regelventils sein. Ein relativ flaches Geschwindigkeitsprofil erfordert dagegen normalerweise wenigstens eine Entfernung von etwa 5mal dem Durchmesser. Wenn eine sehr starke Kavitation (Superkavilation) unter bestimmten Strömungsbedingungen und bei bestimmten Ventilöffnungen auch nur vorübergehend zu , erwarten ist, so beispielsweise beim Öffnen oder , Schließen des Ventils, sollte der kugelgefüllte Abschniti des Gehäuses 28 so nahe am Ventil angeordnet werden, daß sich aufgrund der Kugeln in der Zwischenzone keine volle Kavitation entwickeln kann und die Superkavitation zusammenbricht, bevor sie sich völlig ausbilden kann. Der dazu erforderliche Abstand S ist etwa doppelt so groß wie der Innendurchmesser des Ventilauslasses. Wenn unter bestimmten Bedingungen eine erhebliche Kavitation zu erwarten ist, und insbesondere dann, wenn der Abstand S in einem Bereich von 5mal dem Durchmesser liegt, sollten die zustromseitigen Kugellagen aus einem hocherosionsbeständigen Material, z. B. korrosionsbeständigem Stahl bestehen und miteinander und dem Gehäuse verschweißt sein. Der optimale Abstand 51iegt in der Regel bei etwa etwa 5- bis lOmal dem Innendurchmesser des Ventilauslasses 26.

Im folgenden wird die Ausbildung des Gehäuses der kavitationsmindernden Drosselvorrichtung anhand der F i g. 4 beschrieben. Das Gehäuse 28 besteht aus einem abnehmbaren Einlaßabschnitt 52, einem in Abstromrichtung konisch erweitert ausgebildeten kugelgefüllten Abschnitt 54, einem zylindrischen Abschnitt 56 und einem Auslaßabschnitt 58, die in der genannten Reihenfolge in Abstromrichtung (Pfeile) hintereinander angeordnet sind.

Der abnehmbare Einlaßabschnitt 52 hat einen zustromseitigen Befestigungsflansch 60, einen abstromseitigen Befestigungsflansch 62, einen Einlaß 64 mit zylindrischer Innenwand und einen in Abstromrichtung konisch erweiterten Halsabschnitt 66, der sich stufenlos an das abstromseitige Ende des Einlasses 64 anschließt. Der Halsabschnitt 66 endet am abstromseitigen Ende 69 des Befestigungsflansches 62 und geht dort stufenlos in den konischen Abschnitt 54 des Gehäuses 28 über.

Der Halsabschnitt 66 des Einlaßteils nimmt die ersten bzw. stromseitigen vier Lagen 71 von Kugeln 70 auf.

welche den konisch erweiterten Abschnitt des Gehäuses lullen. Die zustromseitige erste Kugellage ist in einet strichpunktiert angedeuteten Ebene 72 an einer Stellt im Halsabschnitt 66 angeordnet, an welcher dei Innendurchmesser D₁, des Halsabschnitts einen vorgegebenen Wert hat. Die vierte Kugellage schließt etwa mit der das abstromseitige Ende des Halsabschnitt; bildenden Flanschfläche 68 ab. Die Kugeln in den ersten vier Lagen sind miteinander und mit dem Gehäuse verschweißt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurden in der Versuchsanordnung Gußeisen-Schleifkugeln mit einem Durchmesser von etwa 12,7 mm verwendet wobei die vier ersten Lagen im Halsabschnitt in einer Dicke von etwa ö,0i28 mm mit Kupfer beschichtet und in einem Ofen miteinander verschmolzen bzw. verschweißt wurden. Derartige Kugeln sind relativ billig leicht verfügbar und für viele Anwendungsfälle geeignet, wenn auch nicht funktionell ideal.

Wie in den F i g. 1 und 7 zu erkennen ist. greifen die dichtgepackten Kugeln in polygonartigen Mustern ineinander ein. wobei in der Praxis Randspalte (74 in F i g. 4) verbleiben können, an denen die Kugeln nicht an die Innenwand des Gehäuses anstoßen. In den ersten vier Kugellagen, bei denen die Einzelkugcln miteinander verschweißt sind, können die Kugeln durch lageweises Abdrehen genau in den Halsabschnitt 66 eingepaßt werden, wodurch sich in idealer Weise am Umfang an die Gehäuseinnenwand anschließende Teilkugeln (z. B. 76) ergeben. Gegebenenfalls können alle Kugeln lageweise an die Innendurchmesser des konisch erweiterten Gehäuseabschnitts angepaßt werden.

Der kugelgefüllte, konisch erweiterte Abschnitt des Gehäuses 28 hat einen zustromseitigen Befestigungsflansch 78, mit dem der abstromseitige Befesligungsflansch 62 des Einlaßabschnitts verschraubt ist. Zwischen beiden Flanschen ist eine Dichtung 80 eingelegt Der kugelgefüllte Abschnitt erweitert sich auf einen Innendurchmesser Dj in der strichpunktiert dargestellten Ebene 82. die von der Ebene 72 der ersten Kugellager einen Abstand L hat. Der Konuswinkel ϋ sowie die Länge L des konisch erweiterten Abschnitts richten sich nach der Zahl und dem Durchmesser der lageweise angeordneten Kugeln.

Am abstromseitigen Ende des konischen Gehäuseabschnitts 54 ist der zylindrische Halteabschnitt 56 angeschweißt, der mit größeren Haltekugeln 84 gefüllt ist. Die abstromseitige oder letzte Kugellage 86 bildet die Basis eines pyradmidenförmigen Stapels 88 von miteinander verschweißten Haltekugeln (F i g. 5 und 6). An die abstromseitige Lage 86 der Haltekugeln grenzt eine Halteplatte 90 mit einer mittigen hexagonalen Öffnung 92 an. Parallele Rippen 94 sind in die Öffnung 92 eingeschweißt. Die Haltekugeln der Endlage 86 sind jeweils reihenweise mit den Rippen 94 ausgerichtet und verschweißt, wodurch sich eine stabile Abstützung bei minimaler Behinderung der Flüssigkeitsströmung ergibt.

Eine mit der Halteplatte 90 verschweißte Schulterplatte 98 weist eine hexagonale Öffnung 100 auf, die größer als die mit ihr fluchtende hexagonale Öffnung 92 in der Halteplatte ist. Zwischen den beiden Öffnungen 92 und 100 ist eine Umfangsschulter 102 gebildet. Die Endlage 86 der Haltekugeln ist in die hexagonale Öffnung 100 in der Schulterplatte 98 eingepaßt. Bei der Versuchsanordnung wurden als Haltekugeln Gußeisen-Schleifkugeln von 3,175 cm Durchmesser verwendet.

Die Hüliekugcln arretieren die kleinen Kugeln 70 zuverlässig in ihrer Sollage im konisch erweiterten Abschnitt 54 und verhindern ein Verstopfen der Abflußseite durch die kleinen Kugeln 70.

Der Auslaßabschnitt weist ein schalenförmiges Endstück 104 auf, das am abstromseitigcr. Ende an den zylindrischen Halteabschnitt 56 angeschweißt und mit einem Auslaßstutzen 106 versehen ist. Letzterer trägt einen Befestigungsflansch 108.

Bei dem in Fig.4 in Schnittansicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist zustromseitig vor der ersten Kugellage ein Druckanschluß 110 und unmittelbar hinter der letzten Lage der kleinen Kugeln 70 ein weiterer Druckanschluß 112 angeordnet, wobei die Druckanschlüsse zur Überwachung von Drücken an den wesentlichen Stellen des Behälters während des Betriebs und damit zur Ermittlung der Leistung und der Funktion der Drosselvorrichtung unter unterschiedlichen Strömungsbedingungen dienen.

Lose Haltekugeln 113 werden durch das zustromseitige Ende 69 des konischen Abschnitts 54 eingefüllt und in möglichst dichter Packung bis etwa zum zustromseitigen Ende des zylindrischen Abschnitts 56 aufgefüllt. Danach werden die Kugeln 70 kleinen Durchmessers durch das offene Ende des konischen Gehäuseabschnitts 54 eingefüllt und lagemäßig verdichtet. Dabei können einige kleine Kugeln 116 und 118 in die Zwischenräume zwischen den Haltckugellagen und der Innenwand des zylindrischen Gehäuseabschnitts 56 eindringen. Diese Art der Auffüllung gewährleistet eine besonders gleichmäßige und dichte Kugelfüllung im Gehäuse 28. Schließlich wird der abnehmbare Einlaßabschnitt 52 mit den ersten vier Lagen von miteinander verschweißten Kugeln am konischen Abschnitt befestigt.

Die den konischen Abschnitt des Gehäuses füllenden Kugeln sollten im Vergleich zum Gehäusedurchmesser relativ klein sein. Sieben aneinanderliegende Kugeln würden zwar in einer Schicht ausreichen, jedoch wurden in der Versuchsanordnung neunzehn Kugeln für die zustromseitige Lage in der Ebene 72 (D₁₁ = 6,86 cm) verwende!. Eine an sich vorteilhafte Verringerung des Kugeldurchmessers findet dort eine Grenze, wo die Kugeln als Filter wirken und zu Verstopfungen und starken Behinderungen des Strömungsdurchtritts führen können.

Der Konuswinkel ¹O- sollte relativ klein gehalten werden, um eine gleichförmige Strömung durch den Eintrittsabschnitt des Gehäuses zu gewährleisten, ohne daß Grenzablösungen an den Übergangsstellen zum konusförmigen Abschnitt auftreten. Zufriedenstellende Ergebnisse wurden bei einem Winkel ■# von etwa 15,5° erzielt. Bei Verminderung des Durchmessers der Kugeln 70 und 71 auf 6,35 mm ermöglicht eine erhebliche Vergrößerung des Konuswinkels bei gleicher Zah! von Kugellagen. Wenn größere Kugeln 70 verwendet werden, ist die Länge des konischen Abschnitts entsprechend zu vergrößern.

Von der Vielzahl der in einem vorgegebenen Flüssigkeitssystem die Kavitation beeinflussenden Variablen haben mögliche Druckänderungen und Durchsatzmengenänderungen die größte Bedeutung, wenn ein Regelventil zusammen mit der beschriebenen Drosselvorrichtung verwendet wird. Normalerweise ist der zustromseitige Druck bekannt und etwa konstant, und das System ist so aufgebaut, daß es einen maximalen Volumenstrom bei erheblich geringerem abstromseitigen Druck liefert, wobei Kavitation gesteuert oder unterdrückt wird.

Bei der Auslegung der Drosselvorrichtung in der Veisuchsiinordnung gemäß Fi g. 1 wurde eine maximale Durchsatzmenge von ca. 3000 l/Min, bei einem im wesentlichen konstanten zustromseitigen Druck P₁₁ von 46,4 kp/cm² angenommen, wobei diese Werte sich durch den Druck in der Eingangsdrucklcitung 10 in Verbindung mit einem voll geöffneten Hahnschieber 14 einstellten. Es wurde angestrebt, das Wasser über einen großen Durchsatzmengenbereich mittels des Regelven-

K) tils 50 auf einen im wesentlichen konstanten abflußseitigen Druck Pd von 1,41 kp/cm² zu steuern. Bei einem Rohr von 2 Zoll Innendurchmesser stellte sich eine Strömungsgeschwindigkeit von knapp 24 m/s ein, wobei eine hohe Geschwindigkeit nicht zu unzulässiger

! 5 Kavitation führen durfte.

Vorzugsweise wird ein Ventiltyp als Regelventil gewählt, der die gewünschte Durchsatzmenge bei hoher Geschwindigkeit ermöglicht, wobei die Strömungsgeschwindigkeit im Ventilauslaß in der Nähe der kritischen Kavitationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit beim Betriebsdruck an der ersten Kugellage im Behälter liegen sollte, um den vollen Vorteil der maximalen, von der ersten Lage der Kugeln ohne Kavitation verteilbaren Energie zu erhalten.

Bei der Auslegung der Drosselvorrichtung selbst sind die Bestimmung der Größe der zu verwendenden Kugeln und der Größe des die Kugeln aufnehmenden Gehäuseabschnitts von besonderer Bedeutung. Bei Verwendung von Kugeln eines Durchmessers von 12,7 mm mußten in der Versuchsanordnung der Durchmesser D₁, der zustromseitigen Kugellage, der Durchmesser D^der abstromseitigen Kugellage und die zur Erzielung der gewünschten Druckverminderung bei maximaler Durchsatzmenge erforderliche Länge L

y, berechnet werden.

Für die Berechnung der zustromseitigen und abstromseitigen Durchmesser D_u und Dd wurden Laboratoriumsmessungen durchgeführt, um die kritische Kavitationsgeschwindigkeit V_c bei verschiedenen Betriebsdaicken festzustellen. F i g. 3 zeigt ein Diagramm solcher Laboratoriumsmessungen. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit bei konstantem Druck ansteigt, steigt zunächst allmählich auch der Wert der Meßgröße aufgrund des ansteigenden Strömungsgeräusches, bis der Punkt der kritischen Kavitationsgeschwindigkeit V^ d. h. der Punkt beginnender Kavitation erreicht ist, an welchem gemäß Fig. 3 die Meßgröße steil ansteigt. Eine weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führt zu rascher Zunahme der Kavitation und unter

5(i Umständen zu Superkavitation, bei welcher die Meßgröße in der Regel etwas abnimmt, da das Zusammenbruchsgebiet der Kavitationsblasen von der Meßstelle weiter entfernt ist. Die kritische Kavitations geschwindigkeit ändert sich mit dem Druck, und es wurde gefunden, daß der Punkt beginnender Kavitation bei niedrigeren Geschwindigkeiten auftritt wenn der örtliche Druck vermindert wird.

Bei der Auslegung der Drosselvorrichtung in der Versuchsanordnung wurde die kritische Kavitationsge schwindigkeit bei einem örtlichen Druck von etwa 46,4 kp/cm² mit 123 m/s angenommen. Für die abstromseitige Lage der Kugel an der Haltevorrichtung wurde die kritische Kavitationsgeschwindigkeit mit etwa 12 m/s bei einem örtlichen Druck von 1,41 kp/cm² angenommen. Unter Berücksichtigung des erwähnten Zusammenhangs zwischen Durchsatzmenge und Fläche wurde berechnet, daß der zustromseitige Durchmesser D_u etwa 6,86 cm und der abstromseitige Durchmesser

809 6*8/188

D./etwa 17 cm betragen mußte.

Der Durchmesser Dd wurde unter Einhaltung eines Sicherheitsfaktors auf einen Wert von 25,4 cm ausgelegt, wobei berücksichtigt wurde, daß die Haltevorrichtung einen Teil der Fläche der letzten Lage der kleinen Kugeln 70 blockiert bzw. sperrt. Dies berücksichtigt, daß die gesamte, von der gitterartigen Öffnung 92 in der abstromseitigen Halteplatte 90 gebildete freie Fläche einem Kreis von ungefähr 17 cm Durchmesser entspricht, der nach den Berechnungen für die abstromseitige Lage der kleinen Kugeln 70 vorgesehen wurde.

Nach Festlegung der zustrom- und abstromseitigen

Durchmesser D₁₁ = 6,86 cm und Dj = 25,4 cm des konusförmig erweiterten Gehäuseabschnitts wurde dann die Länge L des kugelgefüllten Abschnitts festgelegt, die erforderlich ist, um den notwendigen -. Druckabfall herbeizuführen. Hierbei wurde die folgende Energiegleichung verwendet, deren linke Seite in kp/cni² χ 0,0703 die Energie im Wassersystem /usliomseitig abzüglich der Energie des Systems ;ibstromseitig angibt, während die rechte Seite in κι kp/cm- χ 0.0703 die Summe der in den jeweiligen Lagen der Kugeln in der Kugelmenge vernichteten Energien angibt:

0,166 Q² /
148,8 1,

(D_d- DJ0,866 ä„

I - I M

Die folgenden Werte treten in der Energiegleichung auf:

Q = Volumenstrom in (l/min) χ 3,79

(Gallonen/min),
D_u = Innendurchmesser des Konus an der Mittellinie der zustromseitigen Lage der kleinen Kugeln in cm χ 2,54(ZoII),

Dj = Innendurchmesser des Konus an der Mittelebene der letzten Lage von kleinen Kugeln in

cm χ 2,54(ZoII),
P_n. = Zustromseitiger Druck am Gehäuseeinlaß in

(kp/cm²) χ 7,03 χ lO--'(psi),
Pd = Abstromseitiger Druck aus dem Gehäuse in

(kp/cm³) χ 7,03 χ 10"²(psi).
de = Durchmesser der kleinen Kugeln in cm χ 2,54

(Zoll),
N = Anzahl der Lagen von kleinen Kugeln, gleich

L : 0,866 de, L = Abstand zwischen den Mittelebene der ersten und der letzten Lage der kleinen Kugeln in

cm χ 2,54(ZoII),
Kh = Kugeikonstante, die für Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 12,7 mm den Wert 0,0157 hat.

Durch Einsetzen der Werte Q = 3000 D_u D_u = 6,86 cm. D_d = 25,4 cm, P_n = 46,4 kp/cm² und P_d = 1,41 kp/cm² in die linke Seite ergibt die Energiegleichung einen Druckabfall von ungefähr 46 kp/cm² über das Volumen der kleinen Kugeln im Gehäuse. Die Summation wurde durch Interation mit der Annahme verschiedener Werte für /,die einen ganzzahligen Wert für die Anzahl Λ/dtr Kugellagen ergaben, gelöst, wobei die Iteration so lange wiederholt wurde, bis ein korrekter Wert gefunden wurde, bei dem die Summation der Druckabfälle über die aufeinanderfolgenden Lagen sich zu 46 kp/cm² addierte, wenn die auf der linken Seite der Gleichung angegebene Kugelmenge berechnet wurde. Es ergab sich, daß dies bei einer Länge L von ungefähr 33 cm der Fall war, so daß der Wert N sich zu 30 Lagen ergab, wobei die Berechnung einen Druckabfall an der ersten Lage von Kugeln von etwa 133 kp/cm² ergab, während die Druckabfälle an den nachfolgenden Lagen schnell so weit geringer wurden, bis sie an der letzten oder 30. Lage in der Größenordnung von etwa 0,07 kp/cm² lagen.

Das Versuchsgehäuse wurde nach den vorstehenden Berechnungen ausgelegt, und er arbeitete bemerkenswert gut, wenn berücksichtigt wurde, daß der Druckabfall an der Halteeinrichtung und im Auslaßabschnitt des Behälters vernachlässigt wurde, der auf der rechten Seite der Energiegleichung zugefügt werden sollte, um die Betriebsweise der gesamten Drosselvorrichtung zu berechnen. Bei der Messung betrug dieser Druckabfall etwa 1,76 kp/cm². Die Leistung war auch aus anderen

>5 Gründen bemerkenswert, da nämlich die kritischen Kavitationsgeschwindigkeiten von früheren Versuchsergebnissen übernommen wurden und nicht erneut im Labor ermittelt wurden. P₁₁ und P_n- wurden beide konstant mit 46.4 kp/cm² angenommen, wenn das Regelventil voll geöffnet war. P_u variierte tatsächlich von 50,6 kp/cm² bis 47.3 kp/cm² bei einer Ventilöffnung von 5% bis 100%, wobei Pd entsprechend von 1,41 kp/cm² bis 1,69 kp/cm² verändert wurde. Der Wert für die Kugelkonstante Kb wurde aus Messungen

j-, ermittelt, die an in einem Zylinder eines Durchmessers von 10,16 cm in dichter Packung angeordneten Gußeisen-Schleifkugeln eines Durchmessers von 12,7 mm durchgeführt wurden.

Zur Berechnung von Kb wurde die folgende Kugelkonstanten-Gleichung verwendet, wobei die Meßwerte der Strömung durch einen dicht mit Kugeln eines Durchmessers von 12,7 mm gefüllten Behälter eingesetzt wurden:

(P„ - P_d) 0,866 d_b D* K_B = J-Q₂ .

In der Kugelkonstanten-Gleichung war der zustromseitige Druck P_u 37.9 kp/cm², der abstromseitige Druck Pd 3,54 kp/cm², der Kugeldurchmesser db 12,7 mm, der Gehäusedurchmesser D 10,16 mm, die Länge L des Kugelvolumerss 43,2 cm und der Volumenstrom Q betrug ungefähr 1710 l/min.

Wie aus den Energiegleichungsrechnungen zu ersehen ist, bei denen der Druckabfall an der letzten Lage der kleinen Kugeln in der Größenordnung von 0,07 kp/cm² lag, würde bei Verwendung eines zylindrischen Behälters anstelle eines konischen Behälters eine Lagenzahl von 600 bis 700 Kugellagen erforderlich sein,

bo um denselben Druckabfall zu erzielen, während beim konischen Behälter lediglich 30 Lagen erforderlich sind, wenn beide bei gleich starker kavitation arbeiten.

F i g. 2 zeigt ein Diagramm, welches den tatsächlich gemessenen Druckwert P_vcbei verschiedenen Ventilöff-

_b5 nungen zeigt P_vc wurde an der in F i g. 1 gezeigten Stelle gemessen und entsprach deshalb dem abstromseitigen Druck des Ventils oder dem zustromseitigen Druck des Gehäuses, die beide gleich waren. Weiter sind auch die

gemessenen Volumen- oder Mengenströme in (l/min) χ 3,79 (Gallonen/min) angegeben, die Jen iü dci Zeichnung angegebenen verschiedenen Kurvenpunkten entsprechen. Der Druckunterschied am Ventil (P₁₁- P₁,■) und der Druckunterschied am Gehäuse (P₁₁ - Pj) sind üci i'igur nur annähernd zu entnehmen, weil geringe Abweichungen der /ustromseitij?i.-n und ahstromseitigen Drücke nicht berücksichtigt sind.

Bei den Versuchen blieb die Beschleunigungsmesseranzeige im Bereich v<n 254 m/scc^: bis 508 m/sec² von Scheitelwert zu Scheitclwert, mit der Ausnahme des Bereichs von 20 bis 25% Ventilöffnung, in dem einige Messungen 127Om/sec² bis 2M0 m/sec² ergaben. Dies war etwa die prozentuale Ventilöffnung, bei welcher etwa der halbe Druckabfall im System an der Drosselvorrichtung erreicht wurde, was das mögliche Vorhandensein einer gewissen feinblasigen Kavitation am Ventil anzeigt. Durch den Gasentlüftungsanschluß 48 wurden auch größere Mengen von Luft entfernt.

Im Gegensatz hierzu wäre das System ohne die beschriebene Drosselvorrichtung ein Strömungssystem mit Superkavitation gewesen, bei dem mit einem zustromseitigen Druck von etwa 49,2 kp/cm² Drücke am Ventilauslaß gemessen werden, die von einem Vakuum von 288,6 mm Hg bei i5°/oiger Ventilöffnung bis zu einem Vakuum von 432 mm Hg bei 40%iger Ventilöffnung vuiiiirten, wobei die Volumenströme von 1685 l/min bis I92J i/inin bei den entsprechenden ί Ventilöffnungen lagen. Ohne die Drosselvorrichtung war das Schwingungs- und Gc-äuschniveau in unmittelbarer Nähe so groß, daß es nicht als vertretbar angesehen wurde, die Veniilöffnung bei 40% zu hallen oder das Ventil noch weiter zu öffnen.

κι Aus Fig. 2 geht auch hervor, daß bei einer Ausgestaltung, bei welcher der Volumenstrom bei erheblich geringeren Ventilöffnungen als bei 100%igcr Ventilöffnung erreicht wird, z. B. bei 30%iger Öffnung, und bei entsprechender Auslegung der Drosselvorrich-

!5 tung das Ventil auf 100% geöffnet werden kann und dann eine hinreichend erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und ein Druckabfall in der Drosselvorrichtung auftreten, so daß Kavitation in letzterer auftritt, die für eine Entfernung von Niederschlagen und Ablagerungen,

d. h. zur Reinigung verwendet werden kann. Dies erscheint praktisch, weil, wie im Diagramm nach F i g. 2 gezeigt ist. die maximale Strömung bei einem Ventil bei Ventilöffnungen unterhalb von 40% auftritt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

20 25 Patentansprüche:

1. Kavitationsmindernde Drosselvorrichtung mit einem mit Ein- und Auslaß versehenen und zumindest in einem Abschnitt mit Kugeln vollständig ausgefüllten Gehäuse, wobei die Kugeln im Gehäuse mittels Halteeinrichtungen festgelegt sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Kugeln (70) bestehen aus nichtelastischem Material;

b) der kugelgefüllte Abschnitt (54) des Gehäuses (28) ist in Abstromrichtung konisch erweitert ausgebildet; '³

c) der Innendurchmesser (D₁₁, Dj) und die Konizität (■#■) des kugelgefüllten Gehäuses (28) sowie der Durchmesser der Kugeln (70) sind so bemessen, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit immer unterhalb der Geschwindigkeit bleibt, bei der unzulässige Kavitation auftritt.

2. Drosselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen (84 ... 100) zur Festlegung der Kugeln (70) im Gehäuse (28) in bekannter Weise mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen sind, deren Gesamtfläche wenigstens etwa gleich der am abstromseitigen Ende der Kugelfüllung für ein Arbeiten mit maximalem Nennmengenstrom bei oder in der Nähe j< > beginnender Kavitation erforderlichen Querschnittsfläche ist.

3. Drosselvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (28) einem Regelventil (24) nachgeschaltet ist.

4. Drosselvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zustromseitige Ende des kugelgefüllten Abschnitts (54) des Gehäuses (28) in Strömungsrichtung in einer Entfernung, die etwa gleich dem zwei- bis fünffachen Innendurchmesser des Auslasses (26) des Regelventils (24) entspricht, hinter dem Auslaß des Regelventils (24) angeordnet ist.

5. Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beginnend am zustromseitigen Ende des kugelgefüllten Abschnitts (54) des Gehäuses (28) eine oder mehrere Lagen (71) der Kugeln (70) festgeschweißt sind.

6. Drosselvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die am zustromseitigen Ende des kugelgefüllten Abschnitts (54) angeordnete Kugellage (71) dem Flüssigkeitsstrom direkt und ohne dazwischenliegende Halterungskonstruktion ausgesetzt ist.

7. Drosselvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang der Kugelfüllung an einer oder mehreren der verschweißten Lagen (71) von Kugeln (70) an den kreisförmigen Innenquerschnitt des Gehäuses (28) angepaßt ist. «>

8. Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die abstromseitige Halteeinrichtung (84 ... 100) eine mit dem Gehäuse (28) verbundene Halteplatte (90) und an dieser anliegende Haltekugeln (84) aufweist, deren t,-, Durchmesser größer als derjenige der Kugeln (70) im konischen, zustromseitigen Abschnitt (54) des Gehäuses (28) ist.

9. Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (28) einen abnehmbaren Einlaßabschnitt (52) aufweist, in dem eine oder mehrere Lagen (71) von Kugeln (70) in vorbestimmter Stellung zueinander eingeschweißt sind.