Eine Anwendung der Strömungstechnik ist das Leer-Saugen von Behältern oder die Förderung von Luft aus Räumen heraus. Es sind vielfältige Lösungen bekannt und diese Maschinen erreichen sehr hohen Wirkungsgrad. Verbesserungen können darum nur marginal sein, dennoch möchte ich einige Gesichtspunkte aufzeigen, die sich aus vorigen Kapiteln für diese Anwendungen ergeben.In Bild 05.05.01 ist beispielsweise und sehr schematisch eine Vakuum-Pumpe mit Schieber-Steuerung dargestellt. Ein Rotor (R, rot) dreht sich im Uhrzeigersinn. In Aussparungen sind Platten (´Schieber´, grün) radial verschieblich gelagert, welche mit ihrer äußeren Kante an der Gehäusewand dicht anliegen und vorbei gleiten. Diese Gehäusewand ist rund, jedoch exzentrisch zur Rotorachse. Zwischen den Platten ergeben sich damit Räume wechselnden Volumens, bei A zunehmend, bei B maximal, bei C abnehmend.
Man kann niemals Teilchen eines Gases aus einem Raum heraus ziehen, sondern nur ´Leere´ anbieten, in welche Teilchen von sich aus fallen. Dieser Vorgang erfolgt bei A. Umgekehrt werden die Partikel bei C wieder aus dem Bereich der Pumpe hinaus gedrückt. Dazwischen bei B findet keine wesentliche Änderung des Volumens statt, wohl aber wird den Teilchen eine bestimmte Richtung aufgeprägt.
Nach diesem Prozess arbeiten prinzipiell alle Pumpen. Obwohl relative Leere im Herkunftsbereich ausschließlich per Sog zu erreichen ist, erhalten Teilchen durch Aufschlagen an den sich bewegenden Schaufeln einen zusätzlichen Impuls. Bei Hochleistungs-Vakuum-Pumpen wird damit dem Fluid so viel Wärme zugeführt wie ihrem Energie-Einsatz entspricht - weil eben die Fluid-Förderung aus dem Herkunftsbereich heraus ´kostenlos´ erfolgt. Aufwand entsteht praktisch nur aus Reibung und indem (bzw. wenn) das Fluid am Auslass in Bereiche höheren Drucks hinein gepresst werden muss (und eben für vorige Erwärmung).
Analog zu Tragflächen
Im folgenden soll nun untersucht werden, ob die Förderung von Fluid ausschließlich durch Sog zu bewerkstelligen ist bzw. wie Effekte des Sogs bestmöglich genutzt werden. An Tragflächen wird Sog optimal genutzt und praktisch als ´Nebeneffekt´ fällt Auftrieb an, so dass eigentlich auch die Förderung von Fluid als Nebeneffekt machbar sein müsste.
In Bild 05.05.02 ist bei A das Profil einer Tragfläche skizziert, welche durch ihre Vorwärtsbewegung im Raum an ihrer Hinterseite fortwährend einen Bereich von Leere hinterlässt, in welche die Luft fällt. Im vorigen Kapitel wurde ausführlich beschrieben, wie dieser Wind nach vorn wirkt und im Bereich der Nase sogar sein Maximum erreicht.
Umgekehrt müsste sich gleicher Wind ergeben, wenn die Tragfläche ruhend ist, aber entlang ihrer Oberfläche ´künstliche´ Leere geschaffen wird. In diesem Bild bei B ist diese Situation schematisch dargestellt. Das Profil ist so ausgerichtet, dass die Oberseite horizontal verläuft, so dass eine ´Wand´ (rot) darüber hinweg geführt werden kann. Dieser ´Schieber´ (S) kann kontinuierlich über diese Fläche geführt werden, wenn er um eine Achse gedreht wird. Darum wird dieses Teil im folgenden als ´Rotor´ (R) bezeichnet - bzw. auch seine ´Schaufelblätter´.
Im Kreis herum sind dann auch mehrere solcher Elemente einzusetzen (C und D). Da die Selbst-Beschleunigung von Wind am besten entlang gebeugter Oberflächen erfolgt, ist hier die Nase halbkreisförmig gestaltet. Diese Elemente sind ortsfest installiert und die Gestaltung der Unterseite spielt darum keine Rolle. Wichtig ist allerdings, dass Fluid bestmöglich durch den ´Kanal´ (E) zwischen den Elementen geführt wird.
Für die Aufwärts-Strömung rechts entlang der konvexen Wand stellt deren Beugung immer wieder Leere dar. Es sind aber die Reflektionen (F) links an der konkaven Wand entscheidend, weil sie Impulse für die Beugung der Strömungen ergeben. Durch diese Bewegung entstehen Situationen von ´Auffahr-Kollisionen´ mit ihrer positiver Wirkung von Beschleunigung und Verdichtung geordneter Strömung. Die Formgebung beider Wände zusammen ist also entscheidend für die Stärke des ´künstlichen Winds´.
Axial- und Radial-Pumpen
Stator (ortfeste Leitschaufeln oder obige Profile bzw. Kanäle) und Rotor (drehendes Teil, meist mit Turbinen-Schaufeln) lassen sich unterschiedlich anordnen, wozu in Bild 05.05.03 drei prinzipielle Möglichkeiten schematisch skizziert sind (immer Stator S gelb und Rotor R rot gezeichnet, links immer im Querschnitt und rechts im Längsschnitt, das Fluid ist immer blau markiert).
Bei A wird das Fluid in axialer Richtung geführt. Die Leitelemente bzw. Kanäle sind im Kreis herum angeordnet und die Schaufeln des Rotors streichen entlang ihrer Oberfläche bzw. der Auslass-Öffnung darüber hinweg.
Bei B wir das Fluid seitlich zugeführt und nach oben abgeführt. Es sind nur zwei Kanäle angeordnet, an deren (in dieser Version relativ kurzen) Oberflächen ein sternförmiger Rotor entlang streicht. Die Rotorschaufel links hat gerade einen Kanal passiert und es ist gut zu erkennen, wie dieser das Fluid hinter sich her zieht (hier z.B. die Schaufel rechts-oben).
Bei C ist die Bewegungsrichtung umgekehrt: oben mittig wird Luft angesaugt und radial nach außen entlassen. Diese beispielsweise vier Leitelemente haben außen lange Oberflächen, entlang denen sechs Rotorschaufeln entsprechenden ´Sog´ produzieren.
Kein Schaufeln und Drücken
Diese Konzeption unterscheidet sich von vielen gängigen Typen, besonders von Ventilatoren. Bei diesen ´rudern´ Schaufelblätter mehr oder weniger frei im Raum herum. Gewiss produzieren auch diese Luft-Bewegung, aber mehr durch Drücken und Stossen als durch gleichförmige Strömung. Auch zwischen üblichen Schaufelkränzen von Leiträdern und Rotorrädern wird das Fluid mehr ´zerhackt´ als kontinuierlich gefördert.
Im Querschnitt links bei C ist zu erkennen, dass die Rotorblätter nicht frei auf (turbulente) Luft treffen. Diese Luft ist vielmehr schon lange Wege durch die Kanäle gelaufen und wurde dort schon zu einer geordneten Strömung geformt, bevor diese dann nurmehr vom jeweiligen Schaufelblatt weiter gezogen wird.
Das Schaufelblatt selbst bewirkt keine Beschleunigung, diese kommt vielmehr automatisch zustande durch oben genannte Beugung an der konvexen sowie Reflektion an der konkaven Kanalwand. Die Schaufelblätter dienen erst danach für die Aufrechterhaltung der Strömung. Außen rund um diese Leitelemente befindet sich Luft in kreisender Bewegung, so dass die Schaufeln des Rotors kaum Energie an das Fluid abgeben - bzw. der Antrieb des Rotors wenig Energie erfordert.
Nur ein Stator-Element
Bei vorigen Konzeptionen ziehen also die Schaufelblätter kontinuierlich die Strömung aus den Kanälen heraus. Problematisch sind nur die Phasen, während der ein Schaufelblatt über die Öffnung eines Kanals hinweg streicht. Dort muss die Anstellung des Schaufelblatts genau mit der gegebenen Geschwindigkeit der Strömung überein stimmen, sonst gibt es schädliche Turbulenzen (wie bei vielen gängigen Maschinen permanent). Eine optimale Lösung dürfte solche Übergangs-Phasen nicht aufweisen.
Die prinzipielle Konzeption hierfür ist in Bild 05.05.04 dargestellt. Sowohl Zufluss wie Abfluss erfolgen seitlich. Der Stator ist hier rund herum geführt, die konvexe Wand praktisch als ein äußerer Ring, die konkave Wand mittig als runde Säule. Es gibt nur einen Kanal, dessen Form praktisch der inneren Hälfte eines Wirbelrings entspricht. Der Rotor stellt einen flächigen Teil der mittigen Wand dar, jedoch nur den Abschnitt unten-außen (im folgenden ´Rotor-Teller´ genannt). Auf diesem Teller sind einige Schaufelblätter fest installiert, welche etwas in den Kanal hinein reichen.
Progressive Beschleunigung
Der Rotor versetzt die Strömung entlang der inneren Wand in Drehrichtung. Dies erfolgt zum Teil schon allein aufgrund Haftreibung des Fluids am Teller. Es sind nur wenige Schaufeln zusätzlich erforderlich, z.B. drei wie im Querschnitt rechts schematisch skizziert ist. Diese Schaufeln könnten radial nach außen verlaufen oder etwas gekrümmt sein (wie hier skizziert ist), um weniger Druck auszuüben, sondern nur die Strömung mit zu führen.
Bei solcher Konstruktion kommt automatisch ein Beschleunigungs-Effekt zustande, indem dieser Rotor von innen nach außen zunehmend schneller an der Statorwand entlang streicht. Er produziert damit von innen nach außen zunehmend schneller eine Leere, in welche das Fluid hinein fallen kann bzw. diagonal vorwärts-auswärts beschleunigt fallen wird.
Das Fluid fließt hier also nicht nur in einem Halbkreis von oben nach unten (wie die blaue Fläche links im Längsschnitt zunächst vermuten lässt). Je weiter nach unten und nach außen, desto stärker wird die Strömung in tangentiale Richtung fließen. Das Fluid strömt also nicht entlang der hier gezeichneten Krümmungen, sondern quert diese diagonal auf sehr viel längerem Weg.
Da es nur diesen einen Rund-um-Kanal gibt kann sich das Fluid relativ frei bewegen bzw. gibt es keine Reibung wie an sonstigen Kanälen (welche praktisch immer vier Seiten haben, aber nur zwei davon haben Wirkung durch konvexe / konkave Oberflächen). Wenn nur ein Stator-Element notwendig ist, dann müsste auch nur ein Rotor-Element ausreichend sein.
Nur ein Rotor-Element
Noch nicht gelöst ist bei voriger Konzeption die Problematik des Anstellwinkels der Rotorschaufeln (und deren Abstimmung mit den Geschwindigkeiten der Strömungen ist ein generelles Problem). Tesla baute eine Pumpe (und analog dazu Turbine) ohne Schaufeln, mit nur planen Rotorscheiben (und ohne Stator), welche ausschließlich mit Haftreibung arbeiteten. Die Pumpe arbeitete letztlich auf Basis von Trägheit, indem Fluid per Fliehkraft nach außen wanderte. In nachfolgende Konzeption jedoch wird sehr wohl ein Stator zur Ausbildung geordneter Strömung eingesetzt, lediglich die ´Schaufeln´ des Rotors sind minimiert.
Die in Bild 05.05.05 dargestellte Konzeption entspricht voriger mit diesen Änderungen: der Zufluss erfolgt in axialer Richtung (wobei die Kanäle noch senkrechter ausgeführt und die mittige Säule dicker sein könnten als hier dargestellt). Auch der untere Teil des mittigen Stators ist nun ortsfest. Der Rotor tangiert den Kanal nur noch auf einer ringförmigen Fläche unten-außen und ragt kaum mehr in den Kanal hinein.
Das Fluid wird nicht mehr per Schaufeln tangential-auswärts beschleunigt, sondern nur noch per Haftreibung auf der ringförmigen Rotorfläche. Dieser Rotor wird damit sehr leicht drehen, weil er außer Reibung an den Lagern nur noch etwas Reibung am Fluid erfährt, welches jedoch fast gleich schnell rotiert.
Beim Starten der Maschine setzt sich das Fluid darum nur langsam in Bewegung. Sobald aber eine Strömung in Gang kommt, treten an den gekrümmten Statorflächen oben genannte Beschleunigungs-Effekte auf, so dass sich eine geordnete dichte Strömung bildet. Das Fluid strömt dabei von oben nach unten durch den Stator, unten zunehmend tangential auswärts. In Bild 05.05.05 unten ist schematisch ein Querschnitt dargestellt und dieser Weg schematisch durch die gekrümmte Kurve mit Pfeil skizziert.
Diese ringförmige Rotorfläche (R) sollte durchaus raue Oberfläche aufweisen, damit Fluid dort haften bleibt. Vermutlich würde der Mitnahme-Effekt aber sehr viel besser, wenn diese Oberfläche Rillen oder Kanten (von maximal einem Millimeter Tiefe / Höhe) aufweisen würde. Diese sollten quer zur dortigen Strömungsrichtung angelegt sein, wie hier beispielsweise durch gestrichelte Linien skizziert ist.
Mancher mag der Wirksamkeit der Haftreibung oder ´mikroskopisch kleiner´ Schaufeln nicht vertrauen. Es sei darum noch einmal hervor gehoben, dass der Rotor dieser Konzeptionen keinen Druck erzeugen, sondern lediglich Sogbereiche bereit stellen soll. Strömung ist gleichbedeutend wie Sog für alle benachbarten Bereiche geringerer Geschwindigkeit und ebenso für alle Bereiche hinter der schnelleren Strömung. Diese Beschleunigung kann ohne jeden Energie-Einsatz erfolgen, wenn Strömung entlang zweckdienlich gekrümmter Oberflächen geführt wird. In diesem Sinne agiert der Rotor dieser Konzeption nicht ursächlich für beschleunigte Bewegung, sondern anfangs nur als Auslöser und später praktisch nurmehr als ´Moderator´ zur Aufrechterhaltung bestehender Bewegungsprozesse.
Starker Abgang
Vieles aus obigen Ausführungen ist in der Strömungslehre natürlich bekannt - aber um so erstaunlicher ist, dass nicht alle Effekte immer konsequent umgesetzt werden. In aller Regel setzt man ´instinktiv´ wohl mehr auf aktiven Druck und verkennt die Stärke ´passiven´ Sogs. Zum Abschluss möchte ich nur noch auf einen Gesichtspunkt hinweisen, der auch bei großen und teuren Anlagen nicht immer berücksichtigt wird - indem noch immer Abfluss mittig in ein Schneckenrohr geschickt wird.
In Bild 05.05.06 ist der Querschnitt voriger Konstruktion noch einmal in kleinerem Maßstab gezeichnet. Darüber ist ein schneckenförmiges Rohr skizziert, aus welchem das Fluid dem Stator-Kanal zugeführt wird. Auch unten ist ein schneckenförmiges Element zur Aufnahme des Abflusses im Querschnitt schematisch dargestellt.
Der obere Zufluss ist relativ unproblematisch und muss nur ausreichend Querschnitt aufweisen. Die Luft sollte darin einigermaßen turbulenzfrei fließen können, wie z.B. in dieser Schnecke von oben von links eindrehend in den Kanal. Die Bildung geordneter Strömung findet erst im Kanal des Stators statt.
Der Abfluss dagegen ist problematisch, weil Stau diese rein auf Sog basierende Strömung zusammen brechen ließe. Auch schon normaler atmosphärischer Druck stellt dem Abfluss entsprechenden Widerstand entgegen. Bei dieser Konstruktion tritt der Abfluss durch einen schmalen Schlitz rund um die Maschine in radialer bzw. tangentialer Richtung aus. Bei manchen Anwendungen könnte das ausreichend sein, z.B. wenn diese Pumpe nur als Ventilator eingesetzt würde.
Wenn dagegen die geförderte Luft weiter zu transportieren ist, muss dieser flächige Strahl in geeigneter Form zusammen gefasst werden. Solche tangential austretende Strömung wird in der Regel wiederum durch ein rund um laufendes Rohr zunehmenden Durchmessers aufgenommen. In diesem Bild weist diese ´Schnecke´ links den geringsten, rechts mittleren und links-außen maximalen Durchmesser auf.
Entscheidend ist nun, dass die Einleitung in das Rohr immer tangential erfolgt (und nicht einfach radial wie man oft sehen kann), weil nur so ein turbulenzfreies ´Bei-Mischen´ der jeweils neuen Luftmassen erfolgen kann. Es werden praktisch immer neue Luftschichten von außen um den gegebenen Kern der Strömung ´aufgewickelt´. In diesem Rohr herrscht also Bewegung in Längsachse des Rohrs, aber auch starker Drall.
Düsen-Effekt
Drallströmung fließt relativ verlustfrei durch Rohre und kann auch leicht durch Rohrbogen umgelenkt werden. Wenn dieser drehende Luftstrahl das Rohrende verlässt, ´bohrt´ er sich in die Umgebungsluft hinein. Einerseits werden am Rand des Strahls Luftteilchen ebenfalls im Drehsinn beschleunigt, d.h. die Drehbewegung weitet sich aus. Andererseits stellt der drehende Strahl praktisch eine ´Windhose´ dar, die statischem Druck der Umgebung ausgesetzt ist. Es fallen neue Partikel von außen in die Strömung hinein, d.h. diese wird nochmals dichter und beschleunigt. Diese nachfolgende Beschleunigung wirkt natürlich auch als ´Sog´ zurück in die Schnecke - und könnte durchaus mehr für den Durchsatz beitragen als der Rotor, dem weitgehend nur Auslöser- und Moderator-Funktion zukommt.
Im Rohr kann dieser Effekt statischen Drucks nicht wirksam werden, weil keine Partikel aus der Wand heraus das Zusammendrücken und Verdichten bewirken können. Dieser Effekt tritt im Rohr nur auf, wenn der Querschnitt reduziert wird, z.B. das Rohr konisch zu einer Düse geformt ist. Erstaunlicherweise ergibt jede Querschnitts-Erweiterung erhöhten Widerstand, während reduzierte Querschnittsfläche weitgehend verlustfrei ist und lediglich entsprechende Beschleunigung ergibt. Obige Beschleunigung und Verdichtung des Strahls in freier Umgebung kann also durchaus schon zum Ende des Rohres eingeleitet werden, wenn dieses düsenförmig gestaltet wird. Darüber hinaus sollte die Verjüngung des Querschnitts einen Übergang zum Segment-Rohr darstellen, indem zwei (oder mehr) Segmente verkantet werden (Details siehe Kapitel 05.05.03).
Umsonst
Nichts ist umsonst - außer Sonnen-Licht. Durch rein passive Maßnahme (z.B. diesem Hohlspiegel links in Bild 05.05.07) lässt sich aber Mehr-Nutzen erzielen (z.B. um Wärme so zu konzentrieren, dass sie für die Versorgung mit Warmwasser ausreichend wird). Dieser Prozess tangiert in keiner Weise die Frage der Energie-Konstanz, sondern ist nur eine Frage der Organisation von Ordnung (hier der radialen Bündelung ursprünglich paralleler Strahlung).
Umsonst ist auch molekulare Bewegung. Ihre ursprünglich chaotischen Bewegungsrichtungen sind ebenfalls zu ordnen, indem z.B. Luft um konvex geformte Oberflächen herum geführt wird. Dazu ist kein Energie-Einsatz in der Größenordnung des entstandenen Winds erforderlich, sondern nur ein Auslöser zu organisieren. Die generierte Strömung kann einen Nutzen erfüllen (z.B. das Schaffen relativer Leere in einem Raum wie bei vorigen Vakuum-Pumpen) oder Neben-Effekte ergeben indirekt einen brauchbaren Nutzen (wie z.B. den Auftrieb vorigen Kapitels).
Binnen weniger Tage produziere ich Text und Zeichnungen dieser Webseite, laienhaft und ungeniert, mit mehr oder weniger guten Ideen, längst Bekanntes oder manchmal auch Neues. Wenn dagegen wirklich kompetente Fachleute, frei von ´Angst um Verletzung der heilige Energie-Konstanz´, sich konsequent auf das Suchen preiswerter Neben-Effekte fokussieren würden, kämen selbstverständlich weit bessere Ideen und reale Produkte zustande mit weit höherem Nutzen als Kosten.
Es macht doch für das angeblich intelligenteste Lebewesen keinen Sinn, auf Dauer Maschinen zu bauen mit höherem Aufwand als Nutzen - sonst ist wirklich alles ´umsonst´. Mit plumpen Überlegungen und Lösungsansätzen am Beispiel dieser Pumpen wollte ich Darüber-Nach-Denken anregen.
| 05.06. Sog-Windrad | Äther-Physik und -Philosophie |