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Mehrstufige Wasserturbinenanlage für mittlere und höhere Gefälle.
Es ist naheliegend, auch für höhere Gefälle Wasserturbinen mit grosser spezifischer Drehzahl zu verwenden und so die Drehzahlen der Maschinen auf die wirtschaftlich günstigste Grenze zu treiben.
Allein, die bei grossen Wasser-und Laufradgeschwindigkeiten einsetzende Hohlraumbildung (Kavitation) setzt diesem Bestreben eine Grenze, indem der Wirkungsgrad der Turbinen bei starker Kavitation zurückgeht.
Das Studium der Kaviatation hat in letzter Zeit zur Erkenntnis geführt, dass das zulässige Gesamtsauggefälle der Turbinen (statisches + dynamisches, durch Diffusorwirkung erzeugtes Sauggefälle) in gesetzmässiger Abhängigkeit von den Wassergeschwindigkeiten im Laufrad steht. Je grösser die letzteren sind, um so kleiner muss das Gesamtsauggefälle gewählt werden, um Verluste zu vermeiden. Es sind heute Versuchseinrichtungen bekannt, die eine Wirkungsgradverminderung durch Hohlraumbildung bei gleichbleibendem Gesamtgefälle und veränderlichem Sauggefälle genau festzustellen gestatten.
Gemäss der Erfindung wird nun eine mehrstufige Wasserturbinenanlage mit Turbinen mit in bezug auf das Gefälle relativ hoher spezifischer Drehzahl so betrieben, dass mindestens eine der Turbinen in der Nähe der Kavitationsgrenze arbeitet, wobei der absolute Wasserdruck hinter dem Laufrad mindestens einer Stufe durch eine Aufstau-, Drosselvorrichtung od. dgl. so hoch gehalten wird, dass bei dem betreffenden Betriebszustand Energieverluste durch Hohlraumbildung höchstens zirka 10% der der betreffenden Stufe zur Verfügung stehenden Energie betragen.
Man gelangt so zu Stufenanordnungen von Turbinen, die sich von den bisher bekannten dadurch unterscheiden, dass die Aufteilung des Gefälles auf die Stufen nach einem neuen Gesichtspunkt, nämlich in gesetzmässiger Weise so vorgenommen wird, dass wenigstens in einer Stufe die Hohlraumverluste nicht grösser sind als zirka 10% der der betreffenden Stufe zur Verfügung stehenden Energie.
Mit dem hier noch als zulässig erachteten Energieverlust von 10% hat es folgende Bewandtnis : Das Einsetzen der Hohlraumbildung erfolgt nicht plötzlich, sondern ziemlich allmählich mit der Vergrösserung des Gefälles oder auch des Sauggefälles. Es ist deshalb sehr schwierig, wenn nicht unmöglich den Gegendruck, der die Hohlraumbildung vollständig unterdrückt, mit absoluter Genauigkeit festzulegen. Das Einsetzen der Hohlraumbildung ist stark abhängig von der Art der Wasserzuführung, von der Form des Saugrohres, von örtlichen Zufälligkeiten baulicher Art. Ein Energieverlust von 10% ist die Grenze, die in jedem Fall gerade noch mit Sicherheit eine Wirkungsgradeinbusse als durch Hohlraumbildung und nicht durch zufällige Umstände, wie sie eben erwähnt wurden, hervorgerufen, kennzeichnet.
Der Gegendruck, der notwendig ist, um Hohlraumverluste zu verhindern, die grösser sind als 10% der der betreffenden Turbine zur Verfügung stehenden Energie, ist für jede Laufradtype und Einbauart des Laufrades unter Berücksichtigung der Versuchsergebnisse auf dem Kavitationsprüfstand und an ausgeführten Anlagen, genau bestimmbar.
Die Aufstauung oder Drosselung kann auf mannigfache Weise erfolgen.
Auf der Zeichnung sind eine Anzahl Anlagen schematisch veranschaulicht, die das neue Verfahren anzuwenden gestatten.
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Fig. 1 zeigt eine Wasserturbinenanlage mit zwei Stufen, wo der Gegendruck unmittelbar hinter dem Laufrad der ersten Stufe mit Hilfe eines Reservoirs praktisch konstant erhalten wird. Die Fig. 2 und 3 zeigen ähnliche Anordnungen, bei denen jedoch an Stelle des Reservoirs ein Windkessel bzw. ein Drosselorgan vorgesehen ist, und Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der drei primäre Turbinen einer ersten Stufe ihr Abwasser unter dem durch ein Reservoir konstant gehaltenen Gegendruck an eine Turbine zweiter Stufe abgeben.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage strömt das Wasser aus einem Oberwassergraben OI'durch eine Turbine Tu, welche die erste Stufe der Anlage bildet. Unmittelbar hinter dem Laufrad dieser Turbine Ti wird z. B. mit Hilfe des Leitapparates der Turbine T2 ein Gegendruck hergestellt und mit Hilfe eines Reservoirs R in höherer Lage als die Turbine Tl konstant erhalten. Das Wasser verlässt infolgedessen die Turbine Ti unter dem Gegendruck 712, tritt hierauf durch eine Turbine T2 zweiter Stufe
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Bei der Anlage nach Fig. 3 ist ein Drosselorgan D vorgesehen, das ähnlich wie das Reservoir R bzw. der Windkessel W dafür sorgt, dass der Wasserdruck hinter dem Laufrad der Turbine T\ der vorangehenden Stufe stets einen bestimmten Wert aufweist.
Der Einbau eines solchen Drosselorganes kommt vor allem dann in Frage, wenn vorhandene Turbinen in einer nach der Erfindung auszubildenden Anlage zu verwenden sind. In einem solchen Falle kann der Gegendruck 712 unter Umständen zu gross für die vorhandene Maschine sein, etwa aus Gründen der Festigkeit odes des Wirkungsgrades, und es wird nötig sein, einen Teil des Gefälles 712 zu vernichten. Hiezu dient nun das Ventil D, das unter Umständen eine Verbilligung der Anlagekosten in erheblichem Masse bedingen kann.
Da das Gegendruckgefälle im allgemeinen ein Bruchteil des GesamtgefäIIes ist, beträgt die Leistung der zweiten Turbine bei stufenweiser Anordnung ebenfalls nur einen Bruchteil der Leistung der ersten Turbine. Geht man aus wirtschaftlichen oder betriebstechnischen Gründen darauf aus, bei grösseren AnlagenMaschinen von möglichst gleich grosser Leistung aufzustellen, so ist es zweckmässig, eine Anordnung zu wählen, bei der das Abwasser mehrerer Einheiten erster Stufe in eine geringere Anzahl Einheiten zweiter Stufe gelangt, welche dann eine relativ grössere Schluckfähigkeit aufweisen.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt, wo drei primäre Turbinen Ti, T2, T3 ihr Abwasser unter dem durch das Reservoir R konstant gehaltenen Gegendruck an eine Turbine T4 zweiter Stufe abgeben. Wie gezeigt, kann neben dem Reservoir R unter Umständen auch noch ein Drosselorgan D vorgesehen werden, um eine gewisse Vereinfachung bezüglich der Regulierung der Anlage zu erreichen. Beim Vorsehen des Drosselorganes D ist es nämlich möglich, die gewünschte Regulierung allein mit diesem einfachen Organ zu erreichen, da beim Vorsehen des Behälters R, der als Überlauf ausgebildet ist, und nach erfolgter einmaliger Einstellung des Drosselorganes D, eine selbsttätige Einstellung des statischen Druckes auf eine bestimmte Höhe stattfindet, so dass an dem Organ D keine weiteren Verstellungen vorzunehmen sind.
Die Erfindung lässt sich selbstverständlich auch bei Anlagen mit mehr als nur zwei Gefällstufen anwenden, wobei dann hinter dem Laufrad mindestens einer Stufe der absolute Wasserdruck so hoch zu halten ist, dass die weiter oben angegebenen Leistungsverluste nicht überschritten werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Mehrstufige Wasserturbinenanlage für mittlere und höhere Gefälle mit Turbinen mit in bezug auf das Gefälle relativ grosser spezifischer Drehzahl, gekennzeichnet durch mindestens eine ein Aufstauen, Drosseln u. dgl. ermöglichende Vorrichtung, welche den absoluten Wasserdruck hinter dem Laufrad mindestens einer Stufe so hoch hält, dass Leistungsverluste durch Hohlraumbildung zirka 10% der der betreffenden Stufe zur Verfügung stehenden Energie nicht übersteigen.