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Wasserkraftmaschine.
Bei den bekannten Freistrahlrädern (Peltonrädern) beträgt bei Beaufschlagung durch eine Düse die spezifische Drehzahl n, ungefähr 25 bis 30. Höhere spezifische Drehzahlen lassen sich mit einer einzigen Düse nicht erreichen, da dann der Strahl im Verhältnis zum Raddurchmesser zu dick werden müsste, wodurch der Wirkungsgrad ungünstig beeinflusst würde. Für grössere Schluckungen müssen daher mehrere Düsen, allenfalls mehrere Räder nebeneinander auf einer Welle angeordnet werden. Die spezifische Drehzahl steigt dann im Verhältnis der Quadratwurzel aus der Düsenzahl, beträgt also bei vier Düsen erst 50 bis 60. Hierin liegt das hauptsächliche Hindernis gegen die Verwendung der sonst so vorteilhaften Freistrahlräder bei grösseren Wassermengen und kleineren Gefällen.
Die Wasserkraftmasehine nach vorliegender Erfindung bezweckt, diese Übelstände zu beseitigen.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Beaufschlagung des Laufrades am vollen Umfang durch einen mit dem Laufrad achsengleichen Wirbelstrahl von kreisringförmigem Querschnitt erfolgt, dessen Querschnittsringfläche beim Eintritt in das Laufrad mit der von den Eintrittskanten der Laufradschaufeln bestrichenen Ringfläche übereinstimmt.
Ferner betrifft das Wesen der Erfindung die Bildung des Wirbelstrahles, die dadurch erfolgt, dass in einem Spiralgehäuse das Wasser durch tangentiale Einströmung in kreisende Bewegung versetzt wird und die inneren Schichten des so gebildeten Kreisringwirbels über die Kante einer, mit dem Wirbel achsengleichen Kreisöffnung in der Seitenwand des Spiralgehäuses abströmen.
In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann das Spiralgehäuse zum Zwecke der Bildung von zwei Wirbelstrahlen an beiden Seitenwänden mit Kreisöffnungen versehen und vor jede derselben ein Laufrad vorgeschaltet sein.
In der Zeichnung ist die Wirbelstrahlbildung in Fig. 1 im Längsschnitt und in Fig. 2 im Axialschnitt durch das Gehäuse schematisch dargestellt. Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch zwei verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
Das Gehäuse Fig. 1 und 2 besteht aus den beiden ebenen Seitenwänden und 2 und dem spiralförmigen Mantel 3. Durch den Stutzen 4 wird das Betriebswasser tangential eingeführt. Das Wasser wird durch den Mantel 3 im Kreis herumgelenkt und bekommt dort, wo der Druck Null ist, also wo es mit der Luft in unmittelbarer Berührung steht, die dem Gefälle entsprechende Geschwindigkeit C.
Das im Gehäuse kreisende Wasser befolgt die Gesetze eines echten Strudels, d. h., in jedem Punkt ist das Produkt r. Cu aus Achsabstand und Umfangsgeschwindigkeit konstant. Es ist daher ein bestimmter kleinster Achsabstand vorhanden, innerhalb dessen kein Wasser fliesst. Der innere zylindrische Raum ist also wasserleer.
Durch das stetig nachströmende Wasser wird der Innendurchmesser des Wirbelringes immer kleiner, bis er den Durchmesser des Kreisausschnittes 5 in der Seitenwand 2 unterschreitet. Das Wasser fliesst nun über die Kante des Austrittskreises mit der Tangentialgesehwindigkeit c" unter einer gleichzeitigen Axialgeschwindigkeit Ca in einem Kreisringquerschnitt ab. Die einzelnen Stromfäden sind also in der Ansicht nach Fig. 1 tangential zum Umfang des Austrittskreises und in der Ansicht nach Fig. 2 unter einem Winkel K zur Seitenwand 2 gerichtet. Sie bilden in ihrer Gesamtheit ein einschaliges Hyperboloid, dessen Asymptoten den Winkel 2 o : einschliessen.
Durch die Anordnung nach vorliegender Erfindung wird daher ein Wirbelstrahl erzeugt, dessen einzelne Stromfäden, abgesehen von der Formänderung durch die Schwerkraftwirkung, gerade Linien darstellen, die alle unter demselben Winkel a zur Ebene des Austrittsquerschnittes geneigt sind, wobei
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deren Geschwindigkeit der um die geringen Widerstandsverluste verminderten Gefällsgeschwindigkeit V2ifi gleich ist.
Achsengleich mit der Austrittsöffnung 5 steht das Laufrad 7, Fig. 3, dessen Schaufeln der Vollbeaufschlagung halber, die in der beschriebenen Richtung erfolgt, besonders geformt sind.
Fig. 4 zeigt eine besondere Ausführungsform, bei der beide Seitenwände 1 und 2 des Spiralgehäuses Kreisausschnitte besitzen. Vor jedem Ausschnitt steht ein Laufrad 7 bzw. 8. Neben der doppelt so grossen Schluckung bietet diese Anordnung den Vorteil, dass die Achsschübe auf beide Laufräder sich ausgleichen.
Der vom Laufrad abgehende Wasserkörper nimmt bei verschiedenen Betriebszuständen folgende besondere kennzeichnende Formen an : 1. Leerlauf : der Abwasserkörper behält seine hyperboloide Form, als ob gar kein Laufrad vorhanden wäre.
2. Laufrad festgebremst : der durch die feststehenden Laufschaufeln umgelenkte Wirbelstrahl bildet einen gegen früher spiegelverkehrten durch die Schaufeln unterteilten Körper.
3. Entsprechende Drehzahl : der Wirbelstrahl wird durch die Laufradschaufeln in seinen einzelnen Elementen in dieAchsenrichtung abgelenkt und verlässt das Laufrad als ein Träger, in der Achsenrichtung abgehender Wasserzopf, der deutlich nach der einen oder anderen Richtung gewunden erscheint, sobald die entsprechende Drehzahl über-oder unterschritten wird.
Die Regelung der Wassermenge erfolgt durch Querschnittsverengung des Zuflussstutzens 4 (Nadeldüse usw.). Hiedurch wird die beaufschlagende Wassermenge Q und die axiale Austrittsgeschwindigkeit Ca geändert, während die absolute Austrittsgeschwindigkeit c ungeändert bleibt. Die Wandstärke des Wirbelstrahles wird kleiner und der Austrittswinkel der Stromfäden u. spitzer, wodurch, bei entsprechender Sehaufelfonn, der Wirkungsgrad bei sinkender Wassermenge günstiger wird. Die Wasserkraftmaschine kann mit wagrechter oder mit lotrechter Achse gebaut werden. Statt eines Einströmstutzens 4 können auch mehrere im Kreis versetzte Einströmstutzen angeordnet sein.
Der Austritt aus dem Gehäuse kann fernerhin nicht nur wie in Fig. 1 und 2 gezeichnet, an der Breitseite desselben stattfinden, sondern auch in einem Schlitz an der Stirnseite (Mantelfläche) erfolgen.
Auch kann das Laufrad so angeordnet sein, dass seine Schaufeln nicht wie in Fig. 4 gezeichnet, axial beaufschlag, sondern im Wesen radial durchströmt werden.
Ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten, lässt sich der Erfindungsgegenstand bzw. die Bildung des Ringwirbels auch in anderer Art als in den Zeichnungen dargestellt, erreichen. So kann z. B. der Wirbel in einer in grösserer Entfernung vom Laufrad befindliehen Spiralführung erzeugt und in einer zweckmässig profilierten Rohrleitung zum Laufrade weitergeleitet werden, das dann nicht mehr als Freistrahllaufrad arbeitet, sondern als Laufrad einer Überdruckturbine mit Saugrohr.
Als Eigenschaften und Vorteile der Wasserkraftmaschine nach vorliegender Erfindung ergeben sich zusammenfassend : 1. Grosse Schluckfähigkeit bei hoher spezifischer Drehzahl, daher Anwendungsmöglichkeit des so vorteilhaften Freistrahlrades bei kleinen Gefällen von 2 m an und bei grossen Wassermengen.
2. Einfache und billige Bauart, Entfall eines Leitapparates.
3. Verringerung der Wasserreibungsverluste, da weder Düsen noch Leitschaufeln vorhanden.
4. Nicht abfallender Wirkungsgrad bei sinkender Beaufschlagungsmenge.
5. Einfachste Regelung nur durch Regelnadel od. dgl.
6. Einfachste Ausführungsmöglichkeit von Doppelrädern, mit Ausgleich des Axialsehubes und doppelter Schluckfähigkeit.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Wasserkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad am vollen Umfang durch einen mit diesem achsgleichen, nicht durch Leitschaufeln erzeugten Wirbelstrahl von kreisringförmigem Querschnitt beaufschlagt wird, dessen Stromfäden sowohl axiale als auch tangentiale Geschwindigkeit besitzen.