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Reaktionsturbine mit Saugrohr.
Alle derzeit gebräuchlichen Turbinentypen, die nach dem Überdruckprinzip, also mit Saugrohr, arbeiten, benützen zur Riehtunggebung des Wassers vor dem Eintritt in das Laufrad den sogenannten Leitapparat. Dieser besteht aus einer Anzahl Leitschaufeln, die jede für sich um einen Bolzen drehbar sind, gemeinsam verstellt werden können und dem Wasser die zur richtigen Beaufschlagung des Laufrades notwendigen tangentialen und radialen Geschwindigkeitskomponenten erteilen. Dieser Leitapparat ist nicht nur der komplizierteste Teil der Turbinen in der Fabrikation, sondern er gibt auch zu Störungen im Betriebe leicht Anlass, da sich Fremdkörper, Äste, Blätter, Eisstückchen usw. darin festsetzen können und die Turbine verstopfen.
Es muss daher als ein Fortschritt gewertet werden, den Leitapparat bei Überdruckturbinen überflüssig zu machen und die Regelung der Turbine durch ein einfaches Organ vorzunehmen.
Die Erfindung bezieht sieh auf die Konstruktion einer Überdruckturbine ohne Leitapparat und besteht in einem leitschaufellosen Spiralgehäuse mit eingezogenem Laufradvorraum und einer Vorrichtung im Spiralinnern zur drosselfreien Regelung der Wassermenge, um den bei geeigneter Querschnittsbemessung von selbst entstehenden Strudel ohne freie innere Oberfläche mit radialen und tangentialen Geschwindig- keitskomponenten dem Laufrad zuzuführen.
In den Fig. 1 bis 4 sind einige Ausführungsformen schematisch dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung mit Francisläufer im Schnitt, Fig. 2 eine solche mit Kaplanrad und Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Spiralführung samt Regelvorrichtung. Fig. 4 zeigt den Schnitt durch eine Propellerturbine mit lotrechter Welle und Ausbildung der Spirale in Beton.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht der Erfindungsgegenstand im Wesen aus einem spiralförmigen Gehäuse G, das sich nach innen in den zylindrischen Laufradvorraum A verengt. Das Wasser tritt tangential in das Innere der Spirale ein und bildet dort von selbst einen echten Strudel nach dem Gesetz r. Cu = const., d. h., die Tangentialgeschwindigkeit steigt im verkehrten Verhältnis mit Annäherung an die Achse. Die einzelnen Wasserbahnen im Spiralgehäuse sind ziemlich flache logarithmische Spiralen. Um die nötigen Eintrittswinkel in das Laufrad zu erhalten, muss daher durch Verringerung der Breite B des Spiralgehäuses auf diejenige b des Laufradvorraumes die Radialgeschwindigkeit des Wassers im gleichen Verhältnis gesteigert werden.
Im Laufradvorraum beschreibt das Wasser daher steilere logarithmische Spiralen, wobei durch entsprechende Wahl des Verhältnisses B : b der gewünschte Eintrittswinkel ins Laufrad erzwungen werden kann. Es gilt hiebei die Beziehung, dass der Tangens des Eintrittswinkels gleich ist dem Tangens des Spiralwinkels multipliziert mit dem Verhältnis B : b. Nach Durchströmen des Laufrades gelangt das Wasser in bekannter Weise durch das Saugrohr in das Unterwasser.
Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine Reaktionsturbine mit Kaplanlaufrad. Die Strömung im Spiralgehäuse und im Laufradvorraum vollzieht sich ebenso wie oben beschrieben, d. h., das Wasser kreist im Laufradvorraum A in ziemlich steilen logarithmischen Spiralen und besitzt dabei tangentiale und radiale Geschwindigkeitskomponenten und entspricht in der Gesamtheit seiner Strömung genau derjenigen Strömung, die bisher üblicherweise durch den Leitapparat erzwungen wurde. In bekannter Weise wird dann diese Strömung in eine das Kaplan-oder Propellerrad axial beaufschlagende überführt. Laufrad und Saugrohranschluss sind wiederum vollkommen normal.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch das Spiralgehäuse bei herausgenommenem Laufrad und eine beispielsweise Ausführung der Regelung durch Drehnadel. Das Wasser tritt bei E in das Gehäuse ein und kommt beiderseits der Drehnadel D bei p und q tangential in dessen spiraligen Teil. Die Drehnadel
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liegt an den Seitenwänden des Gehäuses an, hat ein flügolähnliches Profil und kann von aussen verdreht werden, so dass sie die Einströmungsquersehnitte p und q verkleinert oder vergrössert. Dadurch ändert sich die durchtretende Wassermenge und die Sehluckung der Turbine.
Eine Drosselwirkung tritt dabei jedoch nicht ein, da sich der im Gehäuse. kreisende Strudel jeder Stellung der Regelnadel anpasst und deshalb die Druck-und Geschwindigkeitsverhältnisse in den Eintrittsquerschnitten p und q sich nicht wesentlich ändern. Das Zentrum des Strudels verschiebt sich bei Verstellung der Regelnadel und fällt nur bei einer bestimmten Beaufschlagung mit dem Turbinenmittel zusammen. Die Drehnadel lässt sieh hydraulisch ausbalanzieren, so dass zu ihrer Bewegung nur sehr geringe Kräfte notwendig sind.
Fig. 4'zeigt ine beispielsweise'Ausfhrung'des Eifindungsgegenstandes bei grosser Wassermenge und kleinem Gefälle. Spiralführung und Saugrohr sind in Beton ausgebildet. Als Laufrad dient ein Propeller.
Die Form der Spirale hängt von der der Berechnung zugrunde gelegten Wassermenge ab. Wurde beispielsweise die halbe Normalwassermenge als Rechnungsgrundlage benutzt, so fällt bei halber Beaufschlagung die Achse des Strudels genau mit der Achse der Turbine zusammen. Bei voller oder viertel Beaufschlagung ergeben sich kleine Abweichungen, die jedoch praktisch ohne Belang sind.
Durch Dimensionierung der Spirale auf beispielsweise ein Drittel der Normalwassermenge lässt sich bei Verwendung von Francislaufrädern erreichen, dass der Wirkungsgrad bei ganz kleinen Beaufsehlagungen günstiger wird als bei Francisturbinen mit Leitapparat bei Verwendung desselben Laufrades.
Bei Propellerturbinen mit spitzer Wirknngsgradkurve wird die Spirale natürlich für die Wassermenge des Wirkungsgradmaximums, also nahe der Vollwassermenge, bemessen.
Ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten, kann die Regelung auch anders als in Fig. 3 dargestellt, gemacht werden. Beispielsweise kann die drosselfreie Querschnittsveränderung am Eintritt der Spirale statt durch eine Drehnadel auch durch eine versehiebbare Nadel, durch eine an der Wand angelenkte Klappe od. dgl. erfolgen.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind kurz folgende : Wegfall des Leitapparates und dadurch Erhöhung des Wirkungsgrades, Verbilligung und Vereinfaehung der Erzeugung, geringere Neigung zum
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Kosten für weitere Schaufelversuche und für die Anfertigung der Laufradmodelle und Sehaufelklötze.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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mit eingezogenem Laufradvorraum (A) und einer Vorrichtung im Spiralinnern zur drosselfreien Regelung der Wassermenge, um den bei geeigneter Querschnittsbemessung von selbst entstehenden Strudel ohne freie innere Oberfläche mit radialen und tangentialen Geschwindigkeitskomponenten dem Laufrad zuzuführen.