DE3003188C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrkrümmer für Flüssigkeitsleitungen mit einem dem Rohrkrümmer vorgeordneten geraden Rohrabschnitt, sowie einem innerhalb des Rohrkrümmers angeordneten, im wesentlichen zum Krümmungsmittelpunkt des Rohrkrümmers konzentrischen Leitblech.

Ein derartiger Rohrkrümmer ist aus der US-PS 37 24 499 bekannt. Nach wie vor tritt jedoch bei dem dort vorgesehenen Leitblech Kavitation auf, und infolge der fixierten Anordnung des Blechs ist eine Anpassung des Anstellwinkels zur Optimierung der Fluidströmung nicht möglich.

Aus der DE-PS 9 71 995 ist ein Rohrkrümmer für gasdurchströmte Leitungen bekannt, bei welchem mehrere Leitbleche über den Querschnitt des Krümmers verteilt sind, wobei jedes sich stromaufwärtig in einer Ebene in den geraden Rohrabschnitt hineinerstreckende Leitblech einen negativen Winkel mit einer Ebene parallel zur Achse des geraden Rohrabschnittes einschließt. Abgesehen von der Tatsache, daß es sich um eine gasdurchströmte Leitung handelt, ist auch hier eine Justierung des Anstellwinkels zur Optimierung der Fluidströmung nicht möglich.

Die DE-PS 7 03 663 beschreibt einen Rohrkrümmer innerhalb eines Gaskanals zur Zuleitung von Abgasen zu einem Elektrofilter. Es sind dort im Kanalkrümmer Leitbleche vorgesehen, die dazu dienen, ein Entmischen der vom Abgas getragenen Feststoffe vor Eintritt in den Filter zu verhindern. Eine Justierung des Leitblechanstellwinkels ist weder beabsichtigt noch möglich.

Weitere Anordnungen, bei welchen zur Unterdrückung der Kavitation und Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit Leitbleche in den Rohrkrümmern eingesetzt werden, sind in der US-PS 18 37 901, der US-PS 19 96 596, der US-PS 26 62 553, der US-PS 27 23 680, der US-PS 27 33 044 sowie der US-PS 35 97 166 beschrieben.

Angesichts der aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rohrkrümmer der eingangs genannten Art dahingehend zu optimieren, daß eine höchstmögliche Strömungsgeschwindigkeit erzielt wird, ohne daß eine Kavitation auftritt.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen und eine bevorzugte Verwendung der Erfindung sind in den Unteransprüche angegeben.

Durch diese Maßnahmen wird bei Flüssigkeitsleitungen, die mit Krümmern versehen sind, und im besonderen bei Ladearmen zur Beladung von Schiffen, die Möglichkeit gegeben, erheblich größere Durchsatzleistungen infolge höherer Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen. Die Vorderkante des Leitbleches, die der Strömung entgegensteht, besitzt im wesentlichen eine aerodynamisch glatte Form. Die Leitblechverlängerung wird auf beiden Seiten gehalten, um eine Flatterbewegung der Führungskante in solchen Fällen zu verhindern, wenn sich an den (Rohr-)Krümmer ein gerader Rohrteil anschließt, oder der Einsteckteil eines Drehgelenkes, wobei die Seitenkanten angeschweißt werden können. In solchen Fällen, wenn sich der Krümmer an den Drehteil eines Drehgelenkes anschließt, kann ein drehbarer Haltering vorgesehen sein. Dieser Ring kann von einer Nut aufgenommen werden, die sich in dem Drehteil des Drehgelenkes befindet. Die Seiten der Leitblechverlängerung sind in dem Ring angeschweißt, um jegliche Flatterbewegung zu unterbinden, wie auch das Leitblech in einem relativ konstanten Anstellwinkel zur Flüssigkeitsströmung zu halten. Wenn man eine Einstellmöglichkeit für den Anstellwinkel der Leitblechverlängerung vorsieht, kann man eine Optimierung der Kombination der Leitblechverlängerung und des Anstellwinkels erzielen, um eine höchstmögliche Strömungsgeschwindigkeit einzustellen, ohne daß eine Kavitation auftritt. Bei einer geeigneten Einstelleinrichtung für den Anstellwinkel handelt es sich um eine manuell betätigte Schraube, die einen Stift gegen das Leitblech drückt, um dessen Anstellwinkel einzustellen, oder um ein elektromagnetisch oder hydraulisch betätigtes Element zur Fernbedienung der Einstellbarkeit im besonderen an solchen Stellen, die schwer erreichbar sind. Die Vorteile, die ein erfindungsgemäßer Rohrkrümmer bietet, liegen in erster Linie in höheren Strömungsdurchsätzen durch den Ladearm, ohne daß eine Kavitation auftritt und/oder bei einem höheren Druckniveau bei herkömmlichen Anlagen, was zu geringeren Investitionen für die Ladearme führt, da kleinere oder weniger Arme für eine bestimmte Ladekapazität eingesetzt werden müssen. Bei bereits bestehenden Anlagen kann ein erhöhter Durchsatz realisiert werden, ohne daß zusätzliche Arme eingesetzt werden müssen, oder daß bereits bestehende Arme durch entsprechend größere Arme zu ersetzen sind. Es sind geringere Kaygebühren für den Tanker zu entrichten, da kürzere Pumpzeiten zu entsprechend kürzeren Anlegezeiten führen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Ladearmes, der mit erfindungsgemäßen Rohrkrümmern versehen ist,

Fig. 2 einen Schnitt, im wesentlichen entlang der Rohrachse durch einen Rohrkrümmer gemäß der Erfindung,

Fig. 3 einen Querschnitt im wesentlichen entlang der Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Rohrkrümmer gemäß der Erfindung, der sich in einem Ladearm im Anschluß an ein Drehgelenk befindet,

Fig. 5 eine typische Einrichtung zur Einstellung des Anstellwinkels des Leitbleches,

Fig. 6 einen Teilschnitt durch die Einstelleinrichtung gemäß Fig. 5 in größerem Maßstab,

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Rohrkrümmer gemäß der Erfindung, der sich im Anschluß an ein Drehgelenk befindet (ähnlich wie in Fig. 4), mit einer Einstelleinrichtung für den Anstellwinkel,

Fig. 8 einen Teilschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 7 entlang der Schnittlinie 8-8 unter Darstellung des Halteringes in einem größeren Maßstab und

Fig. 9 eine graphische Darstellung von Ergebnissen einer Untersuchung, der der erfindungsgemäße Rohrkrümmer ausgesetzt worden ist.

Bei einer typischen Verwendung der Erfindung handelt es sich um einen Ladearm, der im besonderen beispielsweise zur Überführung von Erdöl oder anderen flüssigen Produkten zwischen einem Tanker und einer am Festland befindlichen Lagereinrichtung eingesetzt wird, wie sich aus Fig. 1 entnehmen läßt. Andere Anwendungsbereiche sind Flüssigkeitsförderleitungen, in welchen ein Krümmer eingebaut ist. In den Zeichnungen ist ein Schiffsladearm 10 dargestellt, der eine Anzahl gerader Rohrabschnitte aufweist, die durch Drehgelenke und Krümmer miteinander in Verbindung stehen. Der Arm besitzt einen inneren Rohrabschnitt 12 sowie einen äußeren Rohrabschnitt 14, der über ein Drehgelenk 16 schwenkbar mit dem inneren Rohrabschnitt verbunden ist. Ein vertikaler Rohrstutzen 18 steht über ein weiteres Drehgelenk 20 mit dem inneren Rohrabschnitt schwenkbar in Verbindung. Ein Dreifach-Drehgelenk schließt sich an den äußeren Rohrabschnitt 14 an. Nur zum Zwecke der Erläuterung ist der Vertikalrohrstutzen auf einem Kai 22 befestigt dargestellt. Entsprechende (nicht gezeigte) Rohrleitungen sind zwischen dem Vertikalrohrstutzen und einer (ebenfalls nicht gezeigten) Flüssigkeitslagerung vorgesehen. Am oberen Ende des Vertikalrohrstutzens 18 ist ein Krümmer 24 vorgesehen, der an dem unteren, geraden Abschnitt mit Hilfe eines Drehgelenks 26 gehalten ist, das eine Bewegung des Arms relativ zur Vertikalachse des Rohrstutzens ermöglicht. Das Dreifach-Gelenk umfaßt drei Drehgelenke in jeweils senkrechten Ebenen und eine Reihe von entsprechenden Krümmern, um eine freie Beweglichkeit des Armes zu ermöglichen. Der allgemeine Aufbau des Armes ist im wesentlichen in der erwähnten US-PS 37 24 499 beschrieben. Bei den Ladearmen der eingangs diskutierten Art erzeugt die Zentrifugalkraft beim Durchtritt der Flüssigkeit durch die verschiedenen Krümmer ein Druckdifferential, wobei am äußeren Radius eines Krümmers ein höherer Druck auftritt als am inneren Radius. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit groß genug ist, fällt das Druckniveau im Bereich des inneren Radius unter den bekannten Dampfdruck der Flüssigkeit ab, und es entstehen Dampfblasen. Beim Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit steigt entsprechend auch der Kavitationsgrad an. Wenn sich die Kavitation in einem hinreichenden Maß ausgebildet hat, erstreckt sie sich bis in den geradlinigen Abschnitt des Rohres stromabwärts bis zu einem Punkt, in welchem sich die Zentrifugalkräfte nicht mehr auf die Druckverteilung auswirken und/oder die Winkelbeschleunigung sich auf die Flüssigkeit nicht mehr auswirkt. Die Dampfblasen sind dann einem höheren Druck ausgesetzt, und es treten Implosionen auf, wobei die Blasen zusammenfallen und die oben erwähnten Probleme hervorrufen.

Um diese zu überwinden, sind innerhalb der Rohrkrümmer Leitbleche 28 vorgesehen, die das Auftreten der Kavitation unterdrücken, während die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Diese Leitbleche sind gekrümmt, starr und bestehen aus Metall oder einem leichten Material und teilen den Flüssigkeitsstrom in mehrere Ströme auf, bei welchen geringere Druckgradienten vorliegen als der Druckgradient des einzelnen Gesamtstromes. Hierdurch können höhere Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden, bevor der Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht wird, bei welchem die Kavitation eintritt. Die Leitbleche erstrecken sich um eine Strecke über den tangentialen Endpunkt des Krümmers hinaus, wodurch, wie sich gezeigt hat, die Strömungsgeschwindigkeit sich erhöhen läßt, ohne daß eine Kavitation auftritt. Indem man das Leitblech um das etwa 0,4- bis 1,0fache des Innendurchmessers des Rohrkrümmers verlängert, wird dieses Ziel erreicht. Außerdem wurde die Leitblechverlängerung in einem leicht negativen Anstellungswinkel angeordnet. Das bedeutet, daß man den verlängerten Teil des Leitbleches in einem negativen Winkel relativ zur achsenparallelen Ebene des geraden Rohrabschnittes anordnet. Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, daß sich die Kavitation verhindern läßt durch einen Anstellungswinkel von etwa -1,5° und einer Leitblechverlängerung um das 0,4- bis 1,0fache des Innendurchmessers des Rohrkrümmers. Es hat sich jedoch gezeigt, was experimentell nachgewiesen werden kann, da sich der optimale, negative Anstellungswinkel α verändern kann in Abhängigkeit von dem Produkt und der Krümmergeometrie. In Fig. 2 ist die Leitblechverlängerung 30 des Leitbleches 28 dargestellt, welche mit einer Länge L in den stromaufwärtigen Bereich 32 des Rohres hineinragt. Das Leitblech befindet sich auf einer Linie einer konstanten Radiusbiegung, die etwa das 0,85fache des Innendurchmessers D des Rohrkrümmers ausmachen kann. Während gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein einzelnes Leitblech dargestellt ist, können auch mehr als ein Leitblech vorgesehen sein in Abhängigkeit von der angestrebten Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Die vorwärtige Kante oder die Führungskante 34 verläuft quer zur Strömungsrichtung durch den Arm und besitzt eine Schrägfläche 36, die von der Strömungsrichtung weggeneigt ist, um eine relativ saubere, aerodynamische Form zu erzielen.

Während eine besondere Leitblechverlängerung hier gezeigt und beschrieben wird, kann die jeweilige Länge der Leitblechverlängerung stromaufwärts in den geraden Rohrteil hinein durch Standardversuche im Labor und in der Praxis optimiert werden. Während kürzere Leitblechverlängerungen möglich sind, bis die Führungskanten der Leitbleche durch verschiedene lokale Kantenkavitationen erodiert werden, kann dies zu einer schädlichen Krümmerkavitation führen. Wenn man anstrebt, die Effekte der Leitblankenkantenkorrosion zu vermindern, kann man Leitbleche mit einer größeren Verlängerung einsetzen. Um zu verhindern, daß die Führungskante der Leitblechverlängerung flattert, hält man die Seitenkanten des Führungsbleches vorzugsweise fest, wie dies bei 38 durch Schweißnähte (siehe Fig. 3) auf der Ober- und Unterseite der Innenwand des Ladearmes gezeigt ist. Wenn, wie aus Fig. 4 entnehmbar ist, der erfindungsgemäße Rohrkrümmer mit dem Leitblech 28 sich in der Nähe eines Drehgelenkes befindet, ist ein Haltering 40 vorgesehen, der drehbar relativ zu dem sich drehenden Drehgelenkteil gehalten ist. Wie gezeigt, gleitet der Haltering in einer umlaufenden Nut 42, die in dem drehbaren Einsteckteil 44 des Drehgelenks ausgebildet ist, wobei zwischen der äußeren Fläche des Ringes und der Nutoberfläche ein Gleitmaterial 46 angeordnet ist, das einen geringen Reibfaktor besitzt und ein relativ weiches Gleiten zwischen der Oberfläche des Drehteiles und dem Haltering ermöglicht. Dieses Material kann aus Teflon oder anderen Materialien bestehen, die mit der Transportflüssigkeit verträglich sind. Um jegliche Flatterprobleme der Leitblechverlängerung zu verhindern, können die Seiten des Leitbleches in der Innenseite des Ringes angeschweißt sein, wodurch außerdem erleichtert wird, einen konstanten, negativen Anstellwinkel relativ zur Strömungsrichtung aufrechtzuerhalten. Die Seiten der Leitblechverlängerung zwischen dem Ring und dem Tangentenendpunkt des Krümmers sind frei, d. h., sie sind nicht verschweißt. Der Körper des Drehgelenkes ist mit entsprechendem Dichtungsmaterial 48, 50 versehen, um das Austreten von Flüssigkeit zwischen dem Drehteil des Drehgelenks und dem Hauptteil zu verhindern, wobei die Drehung durch ein Lager 52 erleichtert wird.

Um den bevorzugten und optimalen Anstellungswinkel zu erzielen, kann man die Leitblechverlängerung mit einer Einrichtung zur Einstellung des Anstellwinkels versehen. Eine solche ist in Fig. 5 dargestellt, wobei eine Schraubeneinstellung 54 vorgesehen ist, die sich im geraden Rohrteil befindet und durch eine Dichtung innerhalb der Rohrwanderung senkrecht zur Strömungsrichtung und zur Längsachse hindurcherstreckt und mit der Oberfläche des Leitbleches zusammenwirkt. Durch eine Drehung der mit einem Gewinde versehenen Schraube durch eine Schraubenhalterung 56, die an der Rohrwandung, wie die Fig. 6 zeigt, befestigt ist, dreht sich der Stift auf und ab in Abhängigkeit von der Drehrichtung, wodurch das Leitblech auf- und abgeführt wird unter einer entsprechenden Steuerung des Anstellwinkels. Der Stift 60 selbst, der sich durch die Rohrwandung bis zum Kontakt mit dem Leitblech erstreckt, kann eine aerodynamische Form besitzen, wie etwa diejenige einer Tragfläche, um eine Störung der Strömung zu verhindern. Der Leitblecheinstellstift ist mit Hilfe von Ventildichtungsmaterial 58, wie beispielsweise gegossenen Elastomeren oder aus einem anderen Kunststoff bestehenden Ringen abgedichtet, die den Stift umgeben, um einen Austritt der Flüssigkeit von dem Rohr zu verhindern. Eine mit einem Gewinde versehene Schraubhalterung 56 ist auf der Dichtung montiert und hält diese fest an ihrem Platz. Die Leitblechverlängerung ist dann nicht angeschweißt, wenn ein Einstellmechanismus zur Kontrolle und Einstellung des Anstellwinkels vorgesehen ist. Die dargestellte Stellschraube kann auch durch andere kompliziertere Anordnungen ersetzt werden, wie beispielsweise durch einen elektromagnetisch oder hydraulisch betätigten Kolben oder einen Motor zur Fernsteuerung an relativ unzugänglichen Stellen der Krümmer des Armes wie z. B. an den Krümmern zwischen dem inneren Rohr 12 und dem äußeren Rohr 14 gemäß Fig. 1.

Wenn sich ein Leitblech in ein Drehgelenk hineinerstreckt, kann im wesentlichen die gleiche Einstelleinrichtung vorgesehen sein, wie sie oben im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert wurde, in Kombination mit dem Stützring 40, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Wie gezeigt, trägt der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Haltering 40 im Bereich der Führungskante 34 des Leitbleches auf jeder Seite des Bleches einen Lagerblock und eine Dichtung 60′, die unmittelbar an jede Oberfläche angrenzen (sowohl die obere als auch die untere). Auf der oberen und unteren Seite an beiden einander gegenüberliegenden Kanten sind außerdem Federn 62 vorgesehen, die sich zwischen dem Haltering 40 und dem Lagerblock und der Dichtung 60′ befinden. Diese Elemente befinden sich alle in einer Aussparung 64, die in dem Haltering ausgebildet ist, wobei jeder Lagerblock 60′ mit einem Gleitmaterial 46, wie Teflon, überzogen ist, um eine Gleitfläche relativ zum Ring zu bilden. Wie dargestellt, ist der Teil der Seitenkanten des Bleches zwischen dem Haltering und dem tangentialen Endpunkt des Leitbleches nicht angeschweißt, und die Einstelleinrichtung befindet sich in unmittelbarer Nähe des Krümmertangentenendpunktes, obwohl er auch an anderen Stellen angeordnet sein könnte, wie z. B. weiter stromaufwärts vom Drehgelenk. Die Einstellung der Gewindeschraube übt eine aufwärtige oder abwärtige Kraft auf die Leitblechverlängerung aus, wodurch eine Verschiebung des Bleches und damit entsprechend eine Einstellung des Anstellwinkels erfolgt. Die Federn 62 besitzen eine hinreichende Steifigkeit, um ein Flattern während des Strömens der Flüssigkeit zu verhindern, so daß kein Erfordernis besteht, das Blech anzuschweißen, wie bei anderen Ausführungsformen. Die Lagerelemente 60′ wirken nicht nur als Lagerflächen, sondern auch als Dichtungen, um zu verhindern, daß die Federn durch die Transportflüssigkeit verschmutzt werden.

Durch den erfindungsgemäßen Rohrkrümmer, insbesondere durch die Kombination der Leitblechverlängerung und des negativen Anstellwinkels, wie dies oben beschrieben worden ist, wird ein stärkerer Effekt zur Verhinderung der Kavitation erzielt, als wenn die Maßnahmen einzeln ergriffen würden. Die Verbesserung der Strömungscharakteristika durch die mit Leitblechen versehenen Krümmer zeigte sich erst, als man die Verlängerung über den tangentialen Endpunkt des Rohrkrümmers hinausführte und einen negativen Anstellwinkel einstellte. Es wurde herausgefunden, daß allein die Verlängerung des Leitbleches nicht die angestrebten, verbesserten Strömungseigenschaften erzeugte. Hieraus ist dementsprechend zu folgern, daß erst die Kombination der Leitblechverlängerung und des negativen Anstellwinkels die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind. Setzt man jedoch diese beiden Maßnahmen ein, so ergibt sich eine erheblich bessere Strömung beim tatsächlichen Betrieb, ohne Anstieg des Rückdruckes. Die Fig. 9 zeigt Untersuchungsergebnisse, die man von einer Anlage mit einer Leitblechverlängerung von der Länge eines Innendurchmessers des Rohrkrümmers und einem negativen Anstellwinkel von 1,3° erhielt.

Wenn mehr als ein einzelner Krümmer in einem Ladearm vorhanden sind, variiert man die Anstellwinkel zwischen nebeneinanderliegenden Krümmern. An Vielkrümmeranlagen wurden nur Untersuchungen in gegrenztem Rahmen durchgeführt, wobei sich jedoch die Strömungseigenschaften von mit den Leitblechen versehenen Einzelkrümmern ohne weiteres übertragen lassen dürften. Dies gilt sowohl für die Leitblechverlängerung als auch für die Veränderung des Anstellwinkels bei Mehrfachkrümmern.

Claims (8)

1. Rohrkrümmer für Flüssigkeitsleitungen mit einem dem Rohrkrümmer vorgeordneten geraden Rohrabschnitt, sowie einem innerhalb des Rohrkrümmers angeordneten, im wesentlichen zum Krümmungsmittelpunkt des Rohrkrümmers konzentrischen Leitblech, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Leitblech (28) stromaufwärtig in einer Ebene in den geraden Rohrabschnitt (32) hineinerstreckt, die einen mittels einer Einrichtung (54) einstellbaren negativen Winkel mit einer Ebene parallel zur Achse des geraden Rohrabschnittes (32) einschließt, wobei die Länge des sich in den geraden Rohrabschnitt (32) hineinerstreckenden Teils des Leitbleches (28) etwa das 0,4- bis 1,0fache des Innendurchmessers des Rohrkrümmers (24) beträgt.

2. Rohrkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech (28) eine Führungskante (34) aufweist, die zur Außenseite des Rohrkrümmers (24) eine Anfasung (36) trägt.

3. Rohrkrümmer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenkanten des Leitbleches (28) im Bereich der Führungskante (34) des Leitbleches (28) am geraden Rohrabschnitt (32) gehalten sind.

4. Rohrkrümmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenkanten des Leitbleches (28) im Bereich der Führungskante (34) mit dem geraden Rohrabschnitt (32) verschweißt sind.

5. Rohrkrümmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er Teil eines Drehgelenkes (16, 20) ist, wobei innerhalb des Drehgelenkes ein Stützring (40) zur Halterung der Seitenkanten des Leitbleches (28) im Bereich der Führungskante (34) drehbar gelagert ist.

6. Rohrkrümmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech (28) im Bereich der Führungskante (34) in einer federnden Lagerung (62) gehalten ist.

7. Rohrkrümmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (54) zur Einstellung des negativen Winkels des Leitbleches (28) eine Stellschraube (56, 60) umfaßt.

8. Rohrkrümmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Teil eines Ladearmes (10) ist.