DE3804882A1 - Blasmittelgespeiste duese zum stabilisieren von insbesondere an ihren kanten zum flattern neigenden, in freiem zug gefuehrten materialbahnen - Google Patents

Description

In Maschinen zur Behandlung von Materialbahnen, insbesondere in Papiermaschinen, in denen die Materialbahn über Trockenzylinder geführt wird, zum Beispiel bei Papiermaschinen über die Trockenzylinder der Trockenpartie, gibt es Strecken, in denen die Materialbahn ohne sie tragender Führungsmittel, wie mitlaufender Filz, in freiem Zug geführt wird. In diesen Strecken wirken auf die Materialbahn verschiedene Kräfte, wie Unterdruck im Zwickel hinter der Ablöselinie der Materialbahn, Staudruck im Zwickel vor der Auflauflinie der Materialbahn und Kräfte, die aus der Differenzgeschwindigkeit der Materialbahn zur umgebenden Umgebungsluft resultieren. Diese und andere Kräfte wirken destabilisierend auf die Führung der Bahn in der in freiem Zug geführten Strecke. Die Materialbahnen sind deshalb in diesen Strecken besonders abrißgefährdet.

Untersuchungen an Materialbahnen haben gezeigt, daß im mittleren Streckenabschnitt der frei geführten Materialbahn die Kanten zum Flattern neigen. Die an dieser Stelle auftretende Belastung der Materialbahn durch das Flattern ist für den Abriß der Materialbahn besonders bei Papierbahnen gefährlich, weil die durch Hochdruckwasserstrahl geschnittene Papierkante einen faserigen Verlauf hat und - mikroskopisch gesehen - im Querschnitt eine stetige Verdünnung aufweist, die in Ansicht kleine Einbuchtungen hat. Dies sind "Keime" für einen Abriß der Materialbahn. Ein Abriß der Materialbahn führt zu einer Betriebsunterbrechung, die bei den hohen Betriebskosten einer Papiermaschine zu hohen Verlusten führt.

Um die Stabilität der Führung in diesen in freiem Zug geführten Strecken zu verbessern, ist es bekannt, im Zwickel vor der Auflauflinie der Materialbahn Blasluftdüsen anzuordnen, die entgegen der Laufrichtung der Materialbahn nach dem Prinzip der Injektorwirkung Luft aus dem Zwickel pumpen und damit den Überdruck in diesem Zwickel abbauen (Wochenblatt für Papierfabrikation 4 1986 Seiten 99 bis 104 "Bahnstabilisatoren in Trockenpartien schnellaufender Papiermaschinen").

Um das Kantenflattern zu verhindern, ist bereits vorgeschlagen worden (DE P 37 36 520.7), jede Kante der Materialbahn in zum Flattern neigenden Bereich ihrer in freiem Zug geführten Strecke in einer Blasmittelströmung einzuhüllen, die die gleiche Geschwindigkeit und die gleiche Richtung wie die Materialbahn hat. Vorzugsweise wird dabei die Blasmittelströmung durch zwei die Materialbahn unter flachem Winkel auf beiden Seiten anströmende Blasmittelstrahlen erzeugt. Diese technische Lehre basiert auf der Erkenntnis, daß von dem Zwickel mit dem Staudruck eine Störströmung über die Materialbahnkante in den Zwickel mit dem Unterdruck sich ausbildet. Da an der Materialbahnkante die sonst auf beiden Materialbahnseiten vorhandene Grenzschicht aus mitgenommener Luft nicht vorhanden ist, ist die Materialbahnkante dieser Störströmung unmittelbar ausgesetzt, so daß sie dadurch zum Flattern gebracht wird. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen schaffen nun durch die künstlich erzeugte Luftströmung einen schützenden Mantel an der Materialbahnkante, so daß die Materialbahnkante nicht länger der nach wie vor vorhandenen Störströmung ausgesetzt ist. Auf diese Art und Weise wird dem Flattern wirksam entgegengewirkt. Das bedeutet, daß die Materialbahn weniger abrißgefährdet ist. Die Maschine kann deshalb mit höherer Materialbahngeschwindigkeit betrieben werden.

In der Praxis macht die konstruktive Ausführung dieser Lehre Probleme, da die Ablösestelle der Materialbahn von dem Trockenzylinder nicht festliegt, sondern zum Beispiel infolge unterschiedlicher Haftung an dem Trockenzylinder wandert, so daß die Gefahr besteht, daß die im Zwickel von Materialbahn und Trockenzylinder liegende blasmittelgespeiste Düse von der Papierbahn mit der Folge eines Abrisses berührt wird.

Eine Berührungsgefahr besteht aber auch bei großen frei geführten Strecken, auf denen zur Aufrechterhaltung der die Kante einhüllenden schützenden Strömung die Anordnung von Düsen in unmittelbarer Nähe der Ablaufstelle nicht ausreicht, sondern auch im mittleren Bereich solche Düsen angeordnet sein müssen. Da der Bahnverlauf der Materialbahn in diesem mittleren Bereich noch weniger festliegt als an der Ablaufstelle, ist hier die Berührungsgefahr besonders groß.

Ausgehend von diesem Stand der Technik betrifft die Erfindung eine blasmittelgespeiste Düse zum Stabilisieren von insbesondere an ihren Kanten zum Flattern neigender, in freiem Zug geführter Materialbahnen, insbesondere Papierbahnen in der Trockenpartie von Papiermaschinen, mit einem Düsenschlitz und einer sich daran anschließenden flachen, insbesondere perforierten Führungsfläche für das aus dem Düsenschlitz austretende Blasmittel.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine blasmittelgespeiste Düse zum Stabilisieren der zum Flattern neigenden Kanten von frei geführten Materialbahnen zu schaffen, bei der keine Berührungsgefahr besteht.

Diese Aufgabe wird bei einer blasmittelgespeisten Düse der vorgenannten Art dadurch gelöst, daß der flachen Führungsfläche mit dem an ihren Anfang angeordneten Düsenschlitz eine konvex gekrümmte Führungsfläche vorgelagert ist, deren Krümmungsradius zwischen der in Blasrichtung gemessenen 1fachen und 2fachen Länge der beiden Führungsflächen liegt. Während das Prinzip herkömmlicher Tragflächendüsen allein darauf basiert, daß die Strömungsgeschwindigkeit des über die mehr oder weniger flache Führungsfläche strömenden Blasmittels wesentlich größer ist als die Bahngeschwindigkeit der Materialbahn, kommt es bei der Erfindung darauf nicht entscheidend an, vielmehr ist bei der Erfindung von Bedeutung, daß diese hohe Blasmittelgeschwindigkeit nur im mittleren Bereich, nicht jedoch am Anfang und am Ende der Führungsfläche, wirksam ist. Im fernen Abstandsbereich der Materialbahn wirkt die Düse ansaugend durch das über die flache Führungsfläche mit hoher Geschwindigkeit strömende Blasmittel, während ein bei Annäherung progressiv wirkendes Luftkissen sich im konvex gekrümmten Bereich der Führungsfläche vor dem Düsenschlitz ausbildet, das eine Berührung der Materialbahn mit der Düse verhindert. Der Aufbau eines progressiven Luftkissens im Bereich der konvex gekrümmten Führungsfläche ist besonders wirksam, wenn am Anfang der konvex gekrümmten Führungsfläche ein weiterer Düsenschlitz vorgesehen ist, dessen Blasmittel in den Zwickel von konvex gekrümmter Führungsfläche und Materialbahn geblasen wird.

Der Tendenz, daß der Abstand zwischen Materialbahn und flacher Führungsfläche infolge der hier langsamer werdenden Blasmittelströmung größer wird, kann durch Abströmen von Blasmittel aus diesem Bereich, insbesondere über die Perforation, entgegengewirkt werden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Lehre der älteren Patentanmeldung bei der erfindungsgemäßen Blasmitteldüse dadurch verwirklicht werden, daß am Ende der flachen Führungsfläche ein derart ausgebildeter und ausgerichteter Düsenschlitz vorgesehen ist, daß dessen Blasmittelstrahl die Kante der Materialbahn in einer gleichgerichteten Blasmittelströmung mit ¹/₂- bis 2facher Materialbahngeschwindigkeit einhüllt. Die Speisung dieses Düsenschlitzes kann mit der Erzeugung eines Unterdruckes im Bereich der Perforation dadurch kombiniert werden, daß der perforierte Teil der flachen Führungsfläche an einen Unterdruckraum angrenzt, dessen an der Perforation anstehender Unterdruck nach dem Injektorprinzip durch eine blasmittelgespeiste Injektordüse hervorgerufen wird und deren Strahl zu der am Ende der Führungsfläche angeordneten Schlitzdüse gerichtet ist. Bei dieser Ausgestaltung wird also das abzusaugende Blasmittel dem aus der Injektordüse ausgeblasenem Blasmittel beigemischt und zur Bildung des die Bahnkante einhüllenden Strahls verwertet.

Die erfindungsgemäße blasluftgespeiste Düse gewährleistet ein flatterfreies, stabiles Führen von Materialbahnen im Kantenbereich. Wegen der gleichzeitig abstoßenden und ansaugenden Wirkung im Bereich der konvex gekrümmten und flachen Führungsflächen wird die Materialbahn in eine definierte Lage gebracht, so daß sich unterschiedliches Haftverhalten der Materialbahn an dem Trockenzylinder oder die Tendenz zum Auswandern nicht negativ hinsichtlich eines berührungsfreien Führens der Materialbahn auswirken können. Durch die definierte Führung der Materialbahn bei nur einseitiger Anordnung der Düse ist die Voraussetzung dafür geschaffen, daß das Blasmittel die Materialbahnkante in eine Schutzströmung einhüllen kann. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Düse besteht in der großen Fernwirkung der am Ende der flachen Führungsfläche austretenden Schutzströmung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Trockenpartie einer Papiermaschine in schematischer Darstellung in Seitenansicht,

Fig. 2 eine Materialbahnkante mit einem zum Flattern neigenden Bereich einer in freiem Zug geführten Materialbahn in Ansicht,

Fig. 3 eine Materialbahn mit auf beiden Seiten befindlicher Grenzschicht bei ungestörter Führung im Querschnitt,

Fig. 4 eine Materialbahnkante mit Grenzschichten auf beiden Seiten und wirksamer Störströmung im Querschnitt,

Fig. 5 eine Materialbahnkante mit auf beiden Seiten befindlicher Grenzschicht und an der Kante wirksamer Schutzströmung sowie einer Störströmung im Querschnitt,

Fig. 6 eine Trockenpartie gemäß Fig. 1 in vergrößertem Ausschnitt mit der in freiem Zug geführten Materialbahn und einer auf einer ihrer beiden Seiten angeordneten, eine Schutzströmung erzeugenden blasmittelgespeisten Düse in Seitenansicht und

Fig. 7 die blasmittelgespeiste Düse in übernatürlicher Größe im Axialschnitt.

In dem in Fig. 1 dargestellten Teil der Trockenpartie einer Papiermaschine C umläuft eine Papierbahn 1 Trockenzylinder 2, 3 und 4. Ein oberer Filz 5 hält die Papierbahn 1 auf den Trockenzylindern 2 und 4 fest und wird um die Walze 6 umgelenkt. Ein unterer Filz 7 läuft um die Walze 8 und 9 und hält die Papierbahn 1 auf dem Trockenzylinder 3 fest. Die Papierbahn 1 läuft in den Punkt A von dem Trockenzylinder 2 ab und läuft an dem Punkt B auf den Trockenzylinder 3 auf. In dem ablaufenden Zwickel, der bei A beginnt, bewegen sich der Zylinderumfang als auch die Papierbahn in Pfeilrichtung, so daß infolge des hier entstehenden Unterdrucks Luft gemäß Pfeil 10 einströmt. In dem Zwickel der auf dem Trockenzylinder 3 auflaufenden Papierbahn 1 in Punkt B entsteht durch die Grenzschichtreibung von Papierbahn 1 und Zylinderumfang in Pfeilrichtung ein Überdruck, so daß Luft aus diesem Zwickel gemäß Pfeil 11 ausströmt. Zwischen den Pfeilen 10 und 11 wird die Bahnkante gemäß Strömungspfeil 12 von einer Störströmung umströmt. Zwischen den Trockenzylindern 3 und 4 herrschen die gleichen Verhältnisse, jedoch wegen der nach oben laufenden Papierbahn mit entsprechend umgekehrten Pfeilrichtungen.

Fig. 2 zeigt die in freiem Zug geführte Papierbahn 1 in der Strecke zwischen A und B in vergrößerter Ansicht. Es ist überraschend und typisch, daß das Flattern vorwiegend in dem mittleren Drittel der Strecke A-B, das heißt zwischen C und D, auftritt und etwa 3 bis 5 Schwingungsbäuche aufweist, von denen 4 gezeichnet sind.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt der Papierbahn 1 mit ihrer Bahnkante 15 und ihrer beidseitigen Grenzschicht 16 beim ruhigen Lauf der Papierbahn 1. Die Abgrenzung der Grenzschicht 16 ist durch die gestrichelte Linie 17 dargestellt, die gerundet auf die Bahnkante 15 zuläuft, da die scharfe Bahnkante 15 nicht imstande ist, eine Grenzschicht zu bilden.

Fig. 4 zeigt wie Fig. 3 einen Querschnitt der Papierbahn 1 mit ihrer Grenzschicht 16 und deren Abgrenzung 17 bei Einwirkung der in Fig. 1 mit Strömungspfeilen 10-12 angedeuteten Störströmung 18 und 19, durch die die Bahnkante 15 gemäß Doppelpfeil 20 flattert, so daß sich die Grenzschicht 16 zur Bahnkante 15 hin stark verdünnt.

Fig. 5 zeigt die Papierbahn 1 mit ihrer Bahnkante 15, ihren beidseitigen Grenzschichten 16 a, 16 b und ihrer Begrenzung 17 und einer flachen Schutzströmung 21 um die Bahnkante 15, zunächst einseitig an der Papierbahn 1 im Kantenbereich und darüber hinaus nach außen, aber im Außenbereich über die Ebene der Papierbahn 1 hervorragend, wo sie fließend in die auf der anderen Papierbahnseite liegende Grenzschicht 16 b übergeht, so daß die Bahnkante 15 genügend innerhalb der ineinander übergehenden Begrenzungen 17, 22 liegt. Durch die Wirkung der Störströmungen 18, 19 wird zwar die Schutzströmung 21 in ihrem Querschnitt im Bereich 23 verkleinert, jedoch bleibt die Schutzströmung 21 ausreichend groß, um die Bahnkante 15 vor den Störströmungen 18, 19 zu schützen.

Die definierte Lage der Kante der Papierbahn 1 und die in Fig. 5 dargestellte Schutzströmung 21 wird mit den in Fig. 7 dargestellten blasmittelgespeisten Düsen erzielt. Der Papierbahn 1 ist in jeder frei geführten Strecke zwischen den Trockenzylindern 2 und 3 sowie 3 und 4 eine solche Düse 14 auf der dem Zwickel abgewandten Seite der Papierbahn 1 zugeordnet, wie in Fig. 1 und vergrößerter Darstellung in Fig. 6 dargestellt ist. Die Düse 14 ist vorzugsweise nach etwa ¹/₄ bis ¹/₃ der freien Strecke zwischen dem Ablaufpunkt A und dem Ablaufpunkt B der Trockenzylinder 1, 3 auf der Gegenseite des Zwickels zwischen Papierbahn 1 und Trockenzylinder 2 angeordnet, so daß im Nahbereich des Ablaufpunktes A durch die definierte Zwangsführung der Papierbahn 1 die Auswirkung unterschiedlicher Haftwirkung auf die Lage des Ablaufpunktes A ausgeschaltet wird und im flattergefährdeten mittleren Bereich C-D der Führungsstrecke die Kante der Papierbahn 1 von der Schutzströmung 21 mit ihrem Strahlrand 22 eingehüllt wird.

Der in Fig. 7 dargestellte Düsenkörper der blasmittelgespeisten Düse 14 besteht aus einem Düsenkasten 30 mit einem an einer Stirnseite angeordneten Rohranschluß 31 für die Zufuhr des Blasmittels. Durch hier nicht dargestellte Führungs- und Vorschubmittel läßt sich die Düse 14 in den Bereich der Kante der Papierbahn 1 vorfahren und aus diesem Bereich zurückziehen, um bei der Seilaufführung der Papierbahn 1 Platz zu machen.

Der Düsenkasten 30 wird auf der der Papierbahn 1 zugekehrten Seite von einer Wand 24 a, 24 b begrenzt, deren Wandteil 24 a eine konvex gekrümmte Führungsfläche und deren Wandteil 24 b eine flache Führungsfläche für das an der Papierbahn 1 wirksam werdende Blasmittel bildet. Der konvexe Wandteil 24 a hat eine Länge L ₁, die gleich das 0,3- bis 0,6fache der gesamten Länge L ₁ + L ₂ der Wandteile 24 a, 24 b ist. Der Krümmungsradius R des konvex gekrümmten Wandteils 24 a liegt zwischen der einfachen und doppelten Länge L ₁ + L ₂ der beiden Wandteile 24 a, 24 b. Sowohl am Anfang des Wandteils 24 a als auch am Anfang des Wandteils 24 b ist ein Düsenschlitz 25, 26 mit tangentialer Blasrichtung vorgesehen, dessen Schlitzweite ¹/₅₀ bis ¹/₂₀₀, insbesondere ¹/₁₀₀ der Länge L ₁ + L ₂ der Führungsfläche 24 a, 24 b beträgt. Während der Wandteil 24 a geschlossen ist, ist der Wandteil 24 b zumindest im hinteren Bereich perforiert. Der perforierte Bereich des Wandteils 24 b bildet mit einer dazu parallelen Wand 29 einen sich an die Kammer 32 des Düsenkastens 30 anschließenden Kanal 33. In diesen Kanal 33 gelangt über eine Injektordüse 34 Blasmittel aus der Kammer 32, so daß unter der Perforation in dem Raum 36 ein Unterdruck entsteht. Der Auslaß des Kanals 33 ist als Düsenschlitz 35 ausgebildet. Das hier austretende Blasmittel dient zur Bildung der die Bahnkante einhüllenden Schutzströmung.

Die mit einem Mehrfachen der Materialbahngeschwindigkeit, insbesondere dem 3- bis 4-fachen austretende Blasluft aus dem Düsenschlitz 25 bildet sich am Anfang der Führungsfläche 24 a als ebener Blasstrahl 27 aus, dessen Begrenzung 27 a in der Zeichnung angedeutet ist. Etwa auf halber Strecke der konvexen Führungsfläche 24 a trifft dieser Blasstrahl 27 auf die von der Papierbahn 1 mitgeschleppte Grenzschicht 16, deren Begrenzung 16 a in der Zeichnung ebenfalls angedeutet ist. Durch die Dimensionierung des Düsenschlitzes 25 und der Austrittsgeschwindigkeit des Blasmittels kann erreicht werden, daß die mittlere Geschwindigkeit an der Stelle 17, wo der Blasstrahl 27 mit der Grenzschicht 16 zusammentrifft, auf einen Wert gefallen ist, bei dem keine Saugwirkung mehr auf die Papierbahn 1 ausgeübt werden kann.

Das ist jedenfalls dann der Fall, wenn die Papierbahngeschwindigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit des Blasstrahls 27 gleich sind.

Aufgrund dieser Strömungsverhältnisse bildet sich im weiteren Verlauf der Führungsfläche 24 a bis zum Düsenschlitz 26 ein progressiv wirkendes Luftpolster aus, das eine gefährliche Annäherung der Papierbahn 1 an die Düse 14 infolge der Saugkraft des aus dem nächsten Düsenschlitz 26 austretenden Blasstrahles verhindert, der ebenfalls mit insbesondere dem 3- bis 4-fachen der Materialbahngeschwindigkeit austritt. Die Saugkraft des aus der Schlitzdüse 26 austretenden Blasstrahles erstreckt sich weit in den flachen Teil der Führungsfläche 24 b hinein. Die Tendenz zur Abstandsvergrößerung im weiteren Bereich der Führungsfläche 24 b infolge der durch Luftreibung an der Führungsfläche 24 b bedingten Verlangsamung der Strömung läßt sich durch Absaugung von Blasmittel über die Perforation entgegenwirken. Da der verbleibende Blasstrahl zwischen der Papierbahn 1 und der Führungsfläche 24 b zu dünn ist, um auf dem weiteren Weg eine die Bahnkante einhüllende Schutzströmung zu bilden, wird Blasmittel aus dem am Ende des Kanales 34 angeordneten Düsenschlitz 35 ausgeblasen. Die Strömungsgeschwindigkeit und die Stärke (Ausbreitungsdicke) dieses Blasstrahles sind derart bemessen, daß sich die in Fig. 5 dargestellte Schutzströmung 21 ausbilden kann.

Claims (6)

1. Blasmittelgespeiste Düse zum Stabilisieren von insbesondere an ihren Kanten zum Flattern neigender, in freiem Zug geführter Materialbahnen, insbesondere Papierbahnen (1) in der Trockenpartie von Papiermaschinen, mit einem Düsenschlitz (26) und einer sich daran anschließenden flachen, insbesondere perforierten Führungsfläche (24 b) für das aus dem Düsenschlitz (26) austretende Blasmittel, dadurch gekennzeichnet, daß der flachen Führungsfläche (24 b) mit dem an ihrem Anfang angeordneten Düsenschlitz (26) eine konvex gekrümmte Führungsfläche (24 a) vorgelagert ist, deren Krümmungsradius (R) einen Wert hat, der der in Blasrichtung gemessenen 1-fachen bis 2-fachen Länge (L ₁ + L ₂) der beiden Führungsflächen (24 a, 24 b) entspricht.

2. Blasmittelgespeiste Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Anfang der konvex gekrümmten Führungsfläche (24 a) ein weiterer Düsenschlitz (25) vorgesehen ist.

3. Blasmittelgespeiste Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der flachen Führungsfläche (24 b) ein derart ausgebildeter und ausgerichteter Düsenschlitz (35) vorgesehen ist, daß dessen Blasmittelstrahl die Kante der Materialbahn (1) in einer gleichgerichteten Blasmittelströmung (21) mit ¹/₂- bis 2facher Materialbahngeschwindigkeit einhüllt.

4. Blasmittelgespeiste Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte Teil der flachen Führungsfläche (24 b) an einen Unterdruckraum (36) angrenzt, dessen an der Perforation anstehender Unterdruck nach dem Injektorprinzip durch eine Injektordüse (34) hervorgerufen wird und deren Strahl zu dem am Ende der flachen Führungsfläche (24 b) angeordneten Düsenschlitz (35) gerichtet ist.

5. Blasmittelgespeiste Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des konvex gekrümmten Bereiches der Führungsfläche (24 a) das 0,3- bis 0,6fache der gesamten Länge (L ₁ + L ₂) der Führungsflächen (24 a, 24 b) beträgt.

6. Blasmittelgespeiste Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des oder der am Anfang der Führungsflächen (24 a, 24 b) liegenden Düsenschlitze (25, 26) ¹/₅₀ bis¹/₂₀₀, insbesondere ¹/₁₀₀ der Länge (L ₁ + L ₂) der Führungsflächen (24 a, 24 b) beträgt.