<Desc/Clms Page number 1>
Schnelläufer-Wasserturbine.
Die wirtschaftlichen Verhältnisse und die immer fortschreitende Entwicklung der Elektrotechnik verlangen bei der Ausnutzung der Wasserkräfte für die in Betracht kommenden Turbinen hohe Drehzahlen bei möglichst günstiger Ausnutzung der Naturkräfte.
Diese Forderung führt bei Wasserkraftwerken mit kleinem Gefälle auf Wasserturbinen mit hoher spezifischer Drehzahl. Den bisher bekannt gewordenen Konstruktionen von Sehnelläuferturbinen haftet der Nachteil an, dass sie zum Teil nicht genügend hohe Drehzahlen oder Wirkungsgrade erreichen und dass bei verhältnismässig kleiner Verringerung des Durchflusses der Wirkungsgrad zu sinken beginnt und bei weiterer Verringerung des Durchflusses verhältnismässig rasch abnimmt.
Die bisherigen Schnelläuferkonstruktionen sind im allgemeinen charakterisiert durch Laufräder,
EMI1.1
der Richtung des relativen Wasserdurchflusses, kurz sind. Ausserdem wurde im allgemeinen erkannt, dass ein verhältnismässig grosser Schaufelspalt zur Erreichung eines guten Nutzeffektes notwendig ist.
Die verschiedenen, für die Turbinenbereelmungen in Betracht kommenden Theorien, nämlich die ein-, zwei-oder dreidimensionale Theorie, gestatten bei den komplizierten Strömungsvorgängen, welche für Schnelläufer in Betracht kommen, die genaue Berechnung der Stromlinien, selbst für die normalen Ver- hältnisse, welche der betreffenden Konstruktion zugrunde gelegt sind, nicht, und um so weniger für die verschiedenen Teilbeaufschlagungen. Infolgedessen ist es kaum möglich, die Eintrittswinkel der Laufradsehaufeln derart zu bestimmen, dass wenigstens bei den Konstruktionsverhältnissen ein stossloser Eintritt des Wassers in das Laufrad erfolgt,
während bei Teilbeaufschlagungen die Grössen der beträchtlichen Winkelabweichungen der relativen Eintrittsströmung und des Eintrittsschaufelwinkels kaum annähernd bestimmt werden können. Infolgedessen arbeiten diese Sehnelläuferräder im allgemeinen mit beträchtlichen Eintrittsstossverlusten, welche an und für sich einen bedeutenden Leistungsverlust dar-
EMI1.2
längs der ganzen verhältnismässig kurzen Schaufel fort. so dass sie beim Austritt des Wassers aus dem Laufrad noch vorhanden sind und sich mit den neu hinzukommenden Wirbelungen des Austrittsstosses in das Saugrohr fortpflanzen und daselbst die für Schnelläufer besonders wichtige Energieumsetzung stören.
Die Fortpflanzung der vorgenannten Wirbelungen längs der ganzen Laufradschaufel verursacht auch Korrosionen, welche die Oberfläche der Schaufelung aufrauhen, den hydraulischen Reibungs-
EMI1.3
Zerstörungderselbenführen.
Die kurzen Schaufeln der bisherigen Konstruktionen geben dem Wasser eine verhältnismässig schlechte Führung, insbesondere dann, wenn durch den Eintrittsstoss in das Laufrad Wirbelungen und Kontraktionen eintreten, wodurch die Bestimmung der relativen Austrittsrichtung, mit welcher das Arbeitsmittel das Laufrad verlässt, nicht genügend genau bestimmt werden kann. Da aber bei Schnell-
EMI1.4
enthalten ist, kann eine unsichere Bestimmung der Richtung und Grösse des relativen bezw. absoluten Wasseraustrittes aus dem Laufrad zu viel zu grossen Anstrittsverlusten führen. wodurch der Nutzeffekt der Turbine schlecht wird.
<Desc/Clms Page number 2>
Es sind auch Schnelläuferkonstruktionen mit verhältnismässig langen Schaufeln bekannt geworden, bei welchen jedoch die Umlenkung des Betriebswassers von der radialen Richtung in die axiale innerhalb des Laufrades erfolgt. Solche Laufräder haben allerdings den Vorteil, das zufolge der langen Schaufeln in der abgewickelten Stromfläche die absolute und relative Austrittsrichtung des Wassers bestimmt ist,
EMI2.1
eine schwierige und unsichere und infolgedessen. ist auch bei diesen Schnelläuferturbinen die Bestimmung der genauen Richtung und Grösse des relativen und absoluten Austrittes im Raume unsicher und schwierig.
Vorstehend beschriebene Nachteile werden durch die Turbine, welche Gegenstand der Erfindung bildet, vermieden.
Erfindungsgemäss ist diese Schnelläuferturbine mit in axialer Richtung vom Wasser durchströmten
Laufrad, das höchstens drei als Schraubenflächen ausgebildete Schaufeln ohne Aussenkranz aufweist. dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenflächen mit veränderlicher Steigung verlaufen und die Schaufeln von solcher Länge sind, dass für jeden Punkt jeder Schaufel die Länge eines Schnittes der letzteren mit einer Stromfläche durch diesen Punkt mindestens gleich ist der Schaufelteilung am Aus- - trittsende des Laufrades in dieser Stromfläehe.
Trotzdem die Wandreibungsverluste im Verhältnis der Schaufellängen zunehmen, werden bei
EMI2.2
Laufrad zu beruhigen. Dadurch wird ein gleichmässiger und in seiner Richtung genau bestimmter, relativer bzw. absoluter Austritt aus dem Laufrad erzielt, welcher verhältnismässig leicht rechnerisch oder konstruktiv bestimmt werden kann. Nebst diesen Vorteilen ist es möglich, den Laufradschaufeln überall sanfte Krümmungen zu geben, was bei den ausserordentlich grossen Relativgeschwindigkeiten innerhalb des Laufrades notwendig ist. um Stossverluste, Kontraktionen und Wirbelungen zu vermeiden.
Bedingung für die Länge der einzelnen Schaufeln ist, dass für jeden Punkt jeder Schaufel die Länge eines Schnittes der letzteren mit einer Stromfläche durch diesen Punkt mindestens gleich ist der Schaufelteilung am Austrittsende des Laufrades in dieser Stromfläche.
Ermöglicht die Anwendung einer an sich bereits bekannten langen Schaufel die genaue Ermittlung der relativen und absoluten Wasseraustrittsrichtung in der abgewickelten Stromiläehe, so bewirkt die Anwendung des axialen Durchflusses im Laufrad die möglichst genaue Bestimmung der Stromfläehen selbst, womit die Strömungsrichtungen im Raume im absoluten und relativen System bestimmt sind.
Die Anwendung einer genauen Schraubenfläche mit konstanter Steigung als Laufradschaufel ist bekannt, wäre aber für die allmähliche und möglichst vollständige Energieabgabe an das Laufrad nicht zweckmässig. Die Schaufeln, der Gegenstand der Erfindung bildenden Sehnelläuferturbine, werden deshalb als Schraubenfläche mit veränderlicher Steigung ausgeführt. Es ist günstig, wenn die Steigungshöhe der Schaufelfläche in der relativen Durchflussrichtung des Wassers gesehen allmählich abnimmt, dass also der Schaufeleintrittswinkel grösser wird wie der Sehaufelaustrittswinkel.
Die möglichst starke Vergrösserung des Sehaufeleintrittswinkels bietet in hydraulischer Beziehung den Vorteil der Vermeidung hoher Relativgeschwindigkeiten beim Laufradeintritt und der Steigerung der meridionalen Durchflussgeschwindigkeit, wodurch der Eintrittsdurehmesser des Laufrades geringer gewählt werden kann und eine höhere Schnelläufigkeit erzielt wird.
Die neue Erkenntnis, für Schnelläufer-Wasserturbinen ein axiales Schraubenrad mit Schraubenflächen als Schaufeln anzuwenden, deren Steigung veränderlich ist und deren Längen'in jedem Schnitt mit einer Stromfläche mindestens gleich ist der Schaufelteilung am Austrittsende des Laufrades in dieser Stromfläche, ergibt Schnelläufer-Wasserturbinen, deren Strömungsverhältnisse besonders stabile und verhältnismässig leicht und sicher bestimmbare sind und welche wegen dem axialen Durchfluss, dem in jeder Richtung sanften Umlenken des Wassers und der veränderlichen Schaufelsteigung sieh für hohe Sehnelläufigkeit und günstige Ausnutzung der Naturkraft besonders gut eignen.
Da durch die Kombination der an und für sich bekannten Schraubenschaufeln mit veränderlicher Steigung mit den ebenfalls an und für sich bekannten langen Schaufeln bei axialem Durchfluss eine wesentlich sicherere Feststellung der Strömungsvorgänge im Laufrad möglich ist, als dies bei den bisher bekannten Schnjl äuferkonstruktionen der Fall war, kann die erfindungsgemässe Schnelläuferturbine nicht nur rechnerisch und konstruktiv im vorhinein mit mehr Sicherheit entworfen werden, als dies bisher der Fall war, sondern sie kann, insbesondere durch Versuche, wegen der besseren Erfassung und Erkenntnis der inneren Vorgänge auf einen hohen Grad der Vollkommenheit betreffs Nutzeffekt und Stabilität gebracht werden.
Das entsprechend der Erfindung ausgeführte Laufrad kann mit einem radial oder axial oder diagonal durchströmten beitrad ausgerüstet werden.
Beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemässen Turbine sind auf der Zeichnung
EMI2.3
<Desc/Clms Page number 3>
beispiel im Vertikalschnitt. Fig. 4 ist ein schematisch gehaltener Vertikalsciniitt durch eine Turbine zur Veransehaulichung der Bedingung für die Schaufellänge. Fig. 5 ist eine Abwicklung des Schnittes der Stromfläche mit der schraubenförmigen Schaufel von Fig. 4.
EMI3.1
lichen vom Wasser in radialer Richtung durchflossen.
Zwischen das radial durchströmte Leitrad und das axial durchströmte Laufrad muss naturgemäss ein grosser, freier Strömungsraum H eingeschaltet werden, in welchem sich die vom Leitrad herrührenden
Wirbelungen und Austrittsstossverluste beruhigen können, bevor die Strömung das Laufrad erreicht, da beim Eintreten dieser wirbelnden Strömung in das mit hohen Durchflussgesehwindigkeiten arbeitende
Laufrad der Nutzeffekt und die Haltbarkeit der Turbine beträchtlich herabgemindert würden.
Ausserdem soll dieser freie Strömungsraum bewirken, dass das Aufschlagwasser sich nach dem Prinzip der wirbellosen
Strömung bereits vor dem Laufrad zu einem gleichmässig und wirbelfrei strömenden Wasserring sammelt und dass möglichst geringe Eintritts-und Durchflussverluste sich ergeben. Ausserdem kann die Form- gebung dieses freien Strömungsraumes so gewählt werden, dass eine möglichst verlustlose Beschleunigung des Betriebswassers vom Leitradaustritt bis zum Laufradeintritt bewirkt wird.
Es ist hiebei wichtig, dass die Rotationskol1lponente des aus dem Leitrad austretenden Wassers den Konstruktionsverhältnissen des freien Strömungsraumes und des Laufrades angepasst ist.
Der Übergang zwischen Leitrad und Umhüllungshohlraum 2, 2 des Laufrades wird im Meridian- schnitt durch einen Viertelkreisbogen vom Radius tp gebildet. Dieser Krümmungsradius tp des äusseren
Begrenzungshohlraumes des freien Strömungsraumes wird seiner Grösse und Variation nach zweckmässiger- weise so gewählt, dass eine möglichst stetig zunehmende Beschleunigung des Wassers bewirkt wird.
Fig. 2 stellt eine geschlossene Turbine dar mit diagonal durchflossenem, mit drehbaren Leitschau-
EMI3.2
radien #1, #2, #3 gekrümmt ist. 3 bezeichnet die lotrechte Laufradwelle und 5 das Gehäuse der geschlossenen
Turbine. Der das Laufrad umhüllende Rotationshohlraum 2, 2 ist als Kegelmantel ausgebildet, an welchen sich wieder ein Saugrohr anschliesst.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 stellt eine Turbine dar, bei welcher der Wasserdurchfluss sowohl im Leitapparat als auch im Laufrade in axialer Richtung erfolgt. Der Leitapparat ist mit festen
Leitschaufeln 4 ausgestattet. Die innere Begrenzung des freien Strömungsraumes H ist zylindrisch durch ein Führungsrohr 6, in welchem sieh die Turbinenwelle-'3 bewegt, gebildet, während die äussere Begrenzung durch Rotation eines S-förmigen Meridians 7 erzeugt wird. Der das Laufrad umhüllende Rotations- hohlraum 2,2 besitzt eine Erzeugende von variabler Krümmung, an welchen Raum sich wiederum ein Saugrohr anschliesst.
Fig. 4 und 5 zeigen die für die Längenverhältnisse einer schraubenförmigen Schaufel in Betracht
EMI3.3
grösser als die Teilung auf dem Austrittsende, welche in diesem Falle + 2r2, # ist.