Sog- und Druck-Seiten
In Bild 06.04.01 ist schematisch der Rotor A (rot) einer Zentrifugalpumpe dargestellt, oben im Querschnitt und unten im Längsschnitt durch die Systemachse. Es wird hier stets Drehung gegen den Uhrzeigersinn unterstellt. Eingezeichnet sind sechs Blätter B, zwischen denen jeweils Kanäle (hellblau) spiralig von innen nach außen verlaufen. Aus dem mittigen Bereich wird damit Fluid nach außen gefördert auf einer Bahn, deren prinzipieller Verlauf durch die blaue Kurve E skizziert ist.
Eingezeichnet ist ein Fluidpartikel D (dunkelrot) an der Vorderseite eines Schaufelblatts. Dortiges Fluid wird per Druck im Drehsinn vorwärts und auswärts geführt, wobei diese Auswärtsbewegung auch der Richtung der Trägheit entspricht. Damit kommt per Druck plus Fliehkraft diese vorwärts-auswärts gerichtete Strömung E zustande.
Eingezeichnet ist auch ein Partikel C (gelb), der sich näher zur Hinterseite eines Schaufelblatts befindet. Mittelbar wird auch dieser Partikel durch Druck von der nachfolgenden Vorderseite vorwärts-auswärts gedrückt. Andererseits stellt die fortwährend nach vorn wandernde Fläche einen Sog dar, in welchen hinein Partikel widerstandslos fallen. Die generierte Strömung wird also nur teilweise per mechanischem Druck erzeugt, teilweise jedoch fallen Partikel ´aus eigener Kraft´ in die gewünschte Richtung.
In den vorigen Kapiteln wurde Strömung nur durch Haftung von Fluid an der ebenen (bzw. gekrümmter) Rotor-Oberfläche mechanisch erzeugt (und andererseits durch Sogeffekte selbst-beschleunigt). Hier nun ist die Frage, ob auch durch nicht-plane Rotor-Oberflächen eine Strömung zu generieren ist ohne entsprechenden Energie-Einsatz, d.h. Schaufeln ohne Druck-Seiten zu bauen sind. Vor Jahren hatte ich diesen Schaufeltyp schon in einem ´Ring-Wirbel-Behälter´ vorgeschlagen und gelegentlich diese Bauform auch wieder erwähnt, z.B. in oben genanntem Kapitel 05.11. ´Spiral-Kanal-Motor´.
Im Rotor ist also mittig eine kegelförmige Vertiefung angelegt, wobei diese Innenfläche abgestuft ist. Der Innenraum des Rotor stellt praktisch die Negativ-Form des ´Turm-von-Babylon´ dar, also eines runden Kegels mit spiralig verlaufenden ´Wegen´ vom unten nach oben bzw. umgekehrt. Ein Partikel (gelb) nahe der senkrechten Wand folgt dieser nach außen-abwärts zurück weichenden Fläche per Sog. Ein Partikel (rot) nahe der waagrechten Fläche wird von oben nach unten gedrückt. Zwischen Rotor und Gehäuse (grau) ergibt sich wieder eine auswärts-vorwärts gerichtet Strömung, unterstützt durch Fliehkraft.
In diesem Bild bei B ist die Oberfläche des Rotors kegelförmig ausgeführt, wiederum stufenförmig mit diesen Spiral-Bändern als Sogseiten. Nahe dieser zurück-weichenden Wände sind jeweils Partikel (gelb) eingezeichnet, welche nun ausschließlich per Sog nach oben-auswärts geführt werden. Bei dieser Anordnung ergibt sich also gar kein mechanischer Druck mehr auf das Fluid, weil die Auswärtsbewegung praktisch nurmehr aufgrund Fliehkraft zustande kommt (besonders bei flüssigem Medium). Die ´Zähne´ dieser Schaufeln weisen nur noch eine Sog-Seite, aber keine Druck-Seite mehr auf.
In diesem Bild unten ist die Gehäusewand (grau) als runde, gekrümmte Fläche ausgeführt. Der Rotor ist im Prinzip wieder eine plane Scheibe, wobei hier allerdings die Zähne von innen nach außen unterschiedlich angestellt sind. Das Fluid, repräsentiert durch einige gelbe Partikel, wird entlang der jeweiligen Sogseiten von innen nach außen gezogen. Die ´Druckseiten´ kippen von innen nach außen etwas abwärts, werden also zunehmend flacher. Es wird damit aber kein mechanischer Druck ausgeübt, vielmehr wird nur die Querschnittsfläche zwischen den Zähnen konstant gehalten entsprechend zum erweiterten Radius (bzw. verringert entsprechend der zunehmenden Strömungsgeschwindigkeit).
Eine ´runde Ecke´ (bzw. Schüsselform) ist besonders geeignet für diese Schaufel-Zähne. Die Sogseiten stehen praktisch quer zur Strömungsrichtung (bzw. diagonal im Raum), während die ´Druckseiten´ jeweils in die Krümmung hinein verlaufen. In dieser konkaven Wölbung kann also ein Zahn neben dem andern angeordnet werden. Außerdem können innen die Zähne aus der runden Fläche sanft ´heraus-wachsen´ und andererseits außen am Rand in die Fläche hinein auslaufen.
Die Sogseiten dieses Rotors entsprechen noch immer den spiraligen Bändern (analog obigem Bild 06.04.01), welche jeweils versetzt angeordnet sind. Diese Bänder können lang gewundene Spiralen darstellen oder mehr radial von innen nach außen verlaufen. Der Querschnitt zeigt immer diese zahnförmige Abstufung, wobei die Strömung jedoch diagonal dazu verläuft, in dieser Richtung die Zähne also gestreckter erscheinen.
In diesem Bild sind vier Positionen des Rotors während einer Drehung dargestellt. Jede Sogseite wandert dabei von innen nach außen. Die nachfolgende Animation zeigt diese vier Bilder und erst damit wird deutlich, wie ausschließlich per Sog das Fluid von innen nach außen gefördert wird.
Deutlich ist nun auch zu erkennen, wie die Zähne aus der Achse heraus wachsen und das Fluid dort zunächst in drehende Bewegung versetzen. Die Sogseiten werden dann größer und kippen nach außen, so dass mehr Fluid nun dieser Wand folgen wird. Nach außen hin weist die Sogwand wieder geringere Höhe auf (wird dafür an langem Radius entsprechend länger) und sie verläuft nach außen vollständig.
Freie Energie
Die Selbst-Beschleunigung kommt ausschließlich zustande, indem aus der ganz normalen chaotischen Molekularbewegung immer nur diejenigen Partikel eine relativ lange Strecke ungehindert zurück legen können, welche momentan in Richtung der zurückweichenden Wand zufällig gestoßen wurden. Die Strömung entsteht hier also ausschließlich dadurch, dass Partikeln einer bevorzugten Richtung (hin zur Sogseite) jeweils eine längere Distanz bis zur nächsten Kollision zur Verfügung steht.
Die Fliehkraft unterstützt diese Bewegungsrichtung. Fliehkraft an sich ist ´kostenlos´, jedoch erfordert sie zuvor entsprechende Beschleunigung, normalerweise also mechanische Arbeit. Hier jedoch fliegen die Partikel ´aus eigener Kraft´ in die durch den Sog vorgegebene Richtung. Erst am Auslass steht dann die Fliehkraft bzw. Trägheit als kinetische Energie zur Verfügung, nahezu ´kostenlos´.
Diese Sog-Schaufel-Pumpe arbeitet also aufgrund anderer Bewegungsprozesse als die Maschinen voriger Kapitel. Sie basiert dennoch auf den gleichen Prinzipien der Manipulation molekularer Bewegung und macht ebenfalls die latente kinetische Energie nutzbar für externe Zwecke.
In Bild 06.04.05 ist vorige Maschine nochmals im Quer- und Längsschnitt dargestellt. Der Rotor A (rot) weist eine runde Kontur auf, das Fluid fließt vom Einlass B bogenförmig zum Auslass D, im Raum auf diagonal gekrümmter Kurve F. Die Zähne C bzw. die Sogseiten verlaufen hier spiralig und auf relativ kurzem Weg nach außen.
Unten links im Längsschnitt ist der Auslass D am seitlichen Rand der Maschine angelegt. Rechts im Längsschnitt ist eine Alternative aufgezeigt, bei welcher der Kanal halbkreisförmig verläuft, die Schaufeln C in einer ´Schüssel´ angelegt sind, so dass der Auslass E wieder zurück weist in axiale Richtung. Bei nachfolgender Turbine könnte diese Variante von Bedeutung sein (und im nachfolgenden Kapitel).
Pumpe / Turbine
Umgekehrt, wenn außen herum eine Strömung gegeben ist, kann diese Anordnung im Prinzip auch als Turbine arbeiten. Ein Partikel D wird im Raum auf gekrümmter Bahn zum mittigen Auslass geführt. Ein Partikel E der Strömung bewirkt Druck auf die Schaufel und ergibt das mechanische Drehmoment aufgrund dieser Umlenkung. Andererseits werden Partikel F auch entlang der gekrümmten Rückseite eine Umlenkung erfahren, allerdings ohne auf diese Druck auszuüben. Ein Teil der kinetischen Energie der Strömung wird also bei dieser Turbine nicht in Drehmoment umgesetzt. Daraus ergibt sich die Frage, ob Schaufeln einer Turbine so angelegt sein könnten, dass nur eine Druckseite wirksam wird, aber praktisch keine Sogseite gegeben ist.
Druck-Schaufel
Die Strömung weist zusätzlich eine Komponente in axialer Richtung E auf (hier abwärts), d.h. Fluid muss durch die Turbine abfließen können, hier z.B. zur Seite F hin. Beide Komponenten zusammen ergeben die diagonale Richtung G der Strömung, welche in den Zähnen umgelenkt werden könnte, z.B. um 180 Grad in Richtung H.
Die Turbine D ist hier unterhalb der Gehäusewand A und des Rotors B dargestellt. Anstelle einfacher gerader Zähne in der oberen Zeile sind diese in der unteren Zeile mit gekrümmter Kontur eingezeichnet. Die Strömung B tritt seitlich in diesen Halbkreis der zahnförmigen Vertiefung ein, wird darin umgelenkt (bei G) und fließt außerhalb dieser Gehäusewand wieder entgegen gesetzt ab (bei H).
Bei K sind die Querschnittsflächen dieser ´Hufeisen-Schaufeln´ skizziert. Durch alle Schaufeln dieser Turbine würde also kontinuierlich die flächige Strömung umgelenkt und damit das mechanische Drehmoment erzeugt. Die Umlenkung erfolgt ausschließlich durch Gegen-Druck der Druckseite dieser Vertiefung, d.h. praktisch die gesamte kinetische Energie der Strömung übt diesen Schub auf die Turbine aus (natürlich nur mit der jeweiligen tangentialen Kraftkomponente, natürlich nur mit der Differenz der Geschwindigkeiten, natürlich mit den üblichen Verlusten).
Alternativen
In Bild 06.04.08 ist der Einsatz solcher Turbinen bei vorigen Kegel-Maschinen grob skizziert. Beim oberen Längsschnitt sind der Einlass und auch der Auslass in axialer Richtung angelegt, wobei die Strömung B durch einen relativ lang gestreckten Rotor C erzeugt wird, das Gehäuse A also insgesamt schlank und hoch ist. Am Ende des Kanals ist hier eine Düse angedeutet, so dass Fluid nochmals beschleunigt in den Schaufeln G der Turbine D umgelenkt wird. Im Längsschnitt unten in diesem Bild ist der Rotor breit gebaut mit seitlichem Auslass und entsprechender Umlenkung der Strömung zurück zum mittigen Einlass im unteren Bereich der Maschine (Details siehe vorige Kapitel). Natürlich bietet diese prinzipielle Bauform Raum für viele Variationen bzw. ist höchst wahrscheinlich, dass optimalen Versionen schon längst irgendwo eingesetzt sind. Der Kegel- wie auch der Überschall-Motor der vorigen Kapitel bietet im Prinzip eine relativ homogene Strömung mit bekannter Richtung am Auslass, so das in jedem Fall eine geeignete Turbine machbar ist, ob herkömmlicher Art oder nach vorigem Prinzip der Hufeisen-Schaufeln.
Die oben aufgezeigten Möglichkeiten zur Generierung von Strömung allein aufgrund Sogwirkung einer zurück-weichenden Wand stellt allerdings eine wesentliche Alternative zu den glatten Rotor-Oberflächen der bislang beschriebenen Maschinen dar. Die Einsatz-Möglichkeiten solcher Sog-Schaufel-Pumpen wird im folgenden Kapitel diskutiert.
Thema dieses Kapitels ist die Gestaltung von Blättern bzw. Schaufeln von Pumpen bzw. Turbinen. Es gibt viele Hersteller dieser Maschinen in unterschiedlichster Ausführung für vielfältige Anwendungen und insofern ist natürlich höchst fraglich, ob ich als Laie hier überhaupt einen sinnvollen Beitrag leisten kann. In Kapitel 05.11. ´Spiral-Kanal-Motor´ ist am Ende eine Version kurz erwähnt, deren Merkmale nachfolgend detailliert sind. Wichtige Anwendungen dieser Komponenten sind im nächsten Kapitel ausgeführt.
Nur-Sog-Seiten
Die Schaufelblätter in vorigem Bild stellen praktisch spiralige Bänder dar, die auf einer Ebene angeordnet sind (hier z.B. an der planen Scheibe des Rotors befestigt sind). In Bild 06.04.02 ist im Querschnitt nun schematisch dargestellt, dass diese Spiral-Bänder in axialer Richtung so auseinander gezogen sind, dass die Unterkante des einen Bands durch eine waagrechte Fläche mit der Oberkante eines nachfolgenden Bandes zu verbinden ist.
Strömung nur per Sog
In Bild 06.04.03 ist die Gehäusewand (grau) wieder als runde und gekrümmte Oberfläche angelegt, aber auch die Rotor-Oberfläche weist nun eine hyperbelförmige Krümmung auf, wiederum zahnförmig abgestuft.
Am Auslass wird damit eine flächige Strömung rundum anliegen, erzeugt ausschließlich aufgrund Sog und unterstützt durch Fliehkraft, eine optimale Technik für viele Anwendungen (wobei z.B. an die Sog-Hubschrauber des vorigen Teils erinnert sei).
Bei dieser Sog-Schaufel wird also nur der Effekt einer zurückweichenden Wand (und nicht die Druckdifferenz einer Potentialdrallströmung wie in vorigen Kapiteln) zur Generierung einer Strömung genutzt. Der Energie-Aufwand zum Antrieb des Rotors ist minimal, weil der Rotor keinerlei Druck auf das Fluid ausübt, noch nicht einmal Haftreibung von Fluid muss durch den Rotor überwunden werden. Diese Sog-Schaufel-Zähne produzieren also Strömung mit minimalem Aufwand.
Diese Partikel werden von der Wand verzögert reflektiert, fliegen also mit geringerer Geschwindigkeit zurück, so dass als Nebeneffekt wiederum Kälte auftritt. Letztlich weist die Strömung am Auslass natürlich auch geringeren statischen Druck auf. Insofern ergibt sich von innen nach außen auch eine Potentialdifferenz. Der höhere statische Druck am Einlass schiebt somit das Fluid von innen nach außen. Zudem dreht außen das Fluid schneller im Raum als innen, stellt insofern auch einen ausdrehenden Potentialwirbel dar. Dieser ist hier aber nicht Ursache der Beschleunigung, sondern nur Nebeneffekt.
In Bild 06.04.06 ist rein schematisch noch einmal der Querschnitt eine normalen Radialpumpe dargestellt mit ihren gewöhnlichen Schaufeln in Form eines ´Tragflächen-Profils´. Ein Partikel A aus dem mittigen Einlass wird auf gekrümmter Bahn nach außen gefördert. Wie oben angesprochen, werden Partikel B an der Vorderseite per mechanischem Druck nach außen geschoben. Partikel C nahe der Rückseite der Schaufeln werden per Sog nach vorwärts gezogen und tragen damit durchaus zur Beschleunigung der Strömung bei.
Am Auslass aller zuletzt vorgestellten Maschinen liegt ein flächiger Strahl an, dessen kinetische Energie per Turbine als mechanisches Drehmoment verfügbar sein soll. In Bild 06.04.07 ist schematisch diese Situation in einigen Ausschnitten skizziert.
Zwischen Gehäuse A (grau) und Rotor C (rot) fließt der scheibenförmige Strahl B (blau). Diese Strömung weist eine tangentiale Komponente auf (hier nach rechts). Wenn die Turbine D (dunkelgrün) eine zahnförmige Oberfläche (hellgrün) aufweist, wird sie von der Strömung mitgeführt.
Die Schaufeln dieser Turbine sind im Prinzip also nur schräg gestellte Bohrungen und insofern einfacher zu bauen als die komplexen Schaufeln herkömmlicher Turbinen. Diese Hufeisen-Schaufeln weisen den Vorteil auf, dass praktisch nur eine Druckseite gegeben ist (wie sonst nur bei den sehr wirksamen Freistrahl-Turbinen). Die Effizienz dieser neuen Schaufelform wird aber erst durch Tests festzustellen sein.
06.05. Ring-Wirbel-Motor
Implosions-Maschinen