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Anlage zur Untersuchung vollständiger hydraulischer Maschinen, insbesondere Wasserturbinen und Modelle solcher, unter Betriebsbedingungen.
Die Untersuchung vollständiger hydraulischer Maschinen, insbesondere von Wasserturbinen und Modellen solcher, geschieht für gewöhnlich in besonderen Versuchsständen von Laboratorien, wobei Wasser mit Hilfe von Pumpen der Versuchsturbine zugeführt und in einem meist geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird. Der Betrieb solcher Versuchseinrichtungen gestaltet sich jedoch recht teuer, da eine grosse und schwere Wassermasse umzuwälzen ist. Hinzu kommt, dass sieh bei notwendige senkrechter Wellenanordnung der Zusammenbau sowie der Ein-und Ausbau von Rädern, insbesondere aber der unten liegenden Saugrohre, langwierig und schwierig gestaltet, so dass bei vorzunehmenden Änderungen viel Zeit verlorengeht und infolgedessen erhebliche Kosten entstehen.
Bei Verwendung von Wasser als Arbeitsmittel ist es ferner fast unmöglich, genaue Druck-und Geschwindig- keitsmessungen vor, nach und im Laufrad durchzuführen. Auch stehen meistens lediglich kleine Gefälle zur Verfügung, so dass nur mit verhältnismässig kleinen Bremsleistungen gearbeitet werden kann.
Es ist nun bekannt, dass sieh Luft und andere Gase bei Strömungsvorgängen im Unterschallgebiet bis zu verhältnismässig grossen Geschwindigkeiten angenähert wie ein nicht zusammendruckbares Mittel verhalten. Unter Ausnutzung dieser Erkenntnis kann daher ein solches Gas nicht nur für qualitative, sondern auch für quantitative Messungen als Ersatz für Flüssigkeiten verwendet werden.
Um die weiter oben erwähnten Mängel rein hydraulischer Versuchsstände zu beheben, ist daher die Anlage zur Untersuchung vollständiger hydraulischer Maschinen, insbesondere Wasserturbinen und Modellen solcher, unter Betriebsbedingungen gemäss der Erfindung mit einem Gebläse, ferner mit einstellbaren Mitteln zum Beeinflussen von Gefälle und Durchströmmenge und einer Volumenmesseinrichtung ausgestattet, wobei das Gebläse aus der Umgebung angesaugte Luft durch die zu untersuchenden Teile sowie durch die Volumenmesseinrichtung fördert und diese Luft nach dem Durch- strömen der genannten Teile wieder ins Freie strömt.
Unter Beachtung der zulässigen Grenzen für die Geschwindigkeiten können in einer solchen Anlage hydraulische Maschinen und Modelle solcher unter Bedingungen betrieben werden, welche bezüglich der Geschwindigkeits-, Druck-und Gefällsverhältnisse genau mit denen des wirklichen Wasserbetriebes übereinstimmen. An Stelle des natürlichen Wassergefälles tritt dabei ein bestimmter Druckunterschied der Luft vor und nach. der zu untersuchenden Maschine. Die Drehzahl der Luftturbine wird höher als diejenige einer entsprechenden Wasserturbine sein, lässt sieh aber so wählen, dass die Gesehwindigkeitsdreiecke im Modellversuch und in der Wirklichkeit ähnlich sind.
In einer solchen Luftanlage lassen sich sämtliche gewünschten mengenmässigen Untersuchungen, Wirkungsgradbestimmungen, Betriebscharakteristiken u. dgl. genau durchführen und die Ergebnisse unmittelbar auf Wasserbetrieb übertragen. Dabei gestaltet sich der Betrieb billig, da z. B. Luft in beliebiger Menge überall zur Verfügung steht und viel leichter als Wasser ist, also weniger Masse in Umlauf zu setzen ist. Im weiteren kann die Anlage derart ausgebildet sein, dass sieh für die zu untersuchende Maschine oder das zu untersuchende Modell irgendeine Achsenrichtung wählen lässt, d. h. die Maschine oder das Modell können vorteilhaft auch waagrecht angeordnet werden.
In einem solehen Falle kann das Ganze derart ausgebildet sein, dass sämtliche Teile leicht zugänglich sind und Druckanschlüsse an beliebigen Punkten vorgesehen werden können. Auch lassen sich rasch Änderungen an der Versuchsanlage oder an dem zu untersuchenden Teil vornehmen, weil eben die ganze Anlage von allen Seiten
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zugänglich ist und daher leicht zusammengebaut und wieder auseinander genommen werden kann.
Ferner können in Luftströmungen die Menge, Geschwindigkeiten und Drüeke in verschiedenen Punkten viel leichter und genauer gemessen werden als in Wasserströmungen, wo bei den in Betracht kommenden Wassergeschwindigkeiten Messrohre leicht in störende Schwingungen geraten und Luftsäcke in den Messleitungen die Resultate leicht falschen.
Verschiedene Fördermengen und verschiedene Gefälle lassen sich erforderlichenfalls in einer Anlage der erwähnten Art mit Hilfe der einstellbaren Mittel dadurch leicht erzeugen, dass diese Mittel die Drehzahl und die Schaufelstellung des Gebläses ändern oder in der Förderleitung eine Drosselung bewirken. Indem man das Gebläse als ein-oder mehrstufiges Axialrad mit im Betrieb von aussen verstellbaren Schaufeln ausführt, lässt sich eine äusserst rasche Regelung von Druck und Fördermenge erreichen.
Als weitere Vorteile kommen gute Reguliermöglichkeit sowie der Umstand in Betracht, dass der Beharrungszustand für die Messungen fast augenblicklich erzielbar ist, im Gegensatz zum Betrieb mit Wasser, das grosse Trägheit besitzt.
Erwähnt sei noch, dass bei Untersuchungen, die mit Luft durchgeführt werden, die Schaufeln des Modellrades und andere Anlageteile aus Holz oder Leichtmetall bestehen können, was eine weitere Verbilligung der Untersuchungen bedingt und zudem grosse Umfangsgeschwindigkeiten zulässt, was wieder grösseren Gefällen entspricht. Bei gleichen Abmessungen des Rades lassen sich infolgedessen grössere Bremsleistungen erzielen.
Auf der Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellungsweise veranschaulicht. Fig. 1 zeigt eine Anlage, bei welcher Luft durch den zu untersuchenden Teil hindurch gesaugt wird, Fig. 2 eine Anlage, bei welcher Luft durch den zu untersuchenden Teil hindurch gedruckt wird.
In Fig. 1 bezeichnet 1 die Leitvorrichtung und 2 das Laufrad des Modells einer Wasserturbine.
Eine Bremsvorrichtung 3 (elektrische Bremse, Wasserbremse, Torsionsstab) kann dem Laufrad 2 die erzeugte Leistung abnehmen. An die Teile 1, 2 schliesst sich ein Saugrohr 4 an und an dieses ein divergierendes Rohr 5. Letzteres ist an einen Ausgleichbehälter 6 angeschlossen. 7 ist eine Einrichtung zum Ordnen und Richten einer durchfliessenden Strömung. Diese Einrichtung 7 steht durch einen Krümmer 8 mit dem Ausgleirhbehälter 6 in Verbindung. 9 bezeichnet eine als Düse ausgebildete
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erhält. An Stelle eines mehrstufigen Axialgebläses kann auch nur ein einstufiges oder ein Radialgebläse vorgesehen sein. Dem Axialgebläse 10 sind eine Saugleitung 12, die als Diffusor ausgebildet ist, und eine Auspuffleitung 13 zugeordnet.
Gegenüber der Austrittsmündung der Leitung 13 ist eine als ein- stellbare Prallplatte 14 ausgebildete Drosselvorrichtung vorgesehen.
Bei der beschriebenen Anlage saugt das Axialgebläse 10 Luft aus der Umgebung vorerst durch die Leitvorrichtung 1 und das Laufrad 2 des zu untersuchenden Modells und dann durch die Leitungen 4, 5 in der Richtung der Pfeile A. Die Teile bis zum Fördergebläse sowie dieses selbst befinden sich somit unter Unterdruck. Der Ausgleichbehälter 6 zusammen mit der Einrichtung 7 bewirken einen Ge- schwindigkeitsausgleieh und ein Richten der vom Gebläse 10 angesaugten Luft, bevor sie in die Messdüse 9 gelangt, so dass letztere genaue Mengenmessungen vorzunehmen gestattet. Die beschriebene Anordnung bietet Gewähr, dass die Zuströmung zur Turbine eine ganz gleichmässige ist, was von besonderer Bedeutung für genaue Untersuchungen ist.
Die dargestellte Anlage besitzt Mittel zur Regelung der Drehzahl und zur Verstellung der Schaufeln des Gebläses 10. Mit Hilfe dieser Mittel sowie auch mit Hilfe der Prallplatte 14 sind verschiedene Fördermengen und verschiedene Gefälle erzeugbar.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Anlage ist ein mehrstufiges Axialgebläse 15, welches seinen Antrieb von einem Motor 16 erhält, in der Strömungsrichtung der vom Gebläse 15 geförderten Luft betrachtet, vor dem zu untersuchenden Teil 17 angeordnet. Letzterem strömt die vom Axialgebläse 15 geförderte Luft in einer Spirale 18 zu. 19 bezeichnet eine als Düse ausgebildete V olumenmesseinrichtung, 20 ist ein Ausgleichgefäss und 21 eine wieder als Prallplatte ausgebildete, einstellbare Drosselvorrichtung, welche die Verbindung zwischen dem Ausgleichgefäss 20 und der Saugleitung 22 des Axialgebläses 15 beherrscht.
In diesem Falle wird vom Axialgebläse 15 Luft aus der Umgebung in der Richtung des Pfeiles B
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gefördert zu werden und bei 23 wieder ins Freie zu gelangen.
Durch Verstellen der Prallplatte sind in der beschriebenen Anlage verschiedene Fördermengen und verschiedene Gefälle erzeugbar.
Die Drosselvorrichtung kann auch als verstellbare Klappe ausgebildet sein.
Um an Antriebsleistung für die Anlage zu sparen, kann die von der Versuchsturbine abgegebene Leistung auf mechanischem Wege über Riemen, Getriebe u. dgl. oder auf elektrischem Wege ganz oder teilweise auf die Antriebswelle des Gebläses übertragen werden. Gegebenenfalls kann ein Getriebe mit regelbarem Übersetzungsverhältnis in die Übertragung eingeschaltet werden, um Turbine und Gebläse mit voneinander unabhängigen Drehzahlen betreiben zu können.
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Die Turbinenleistung wird dann nicht in einer Bremsvorrichtung nutzlos vernichtet. Die Turbinenleistung kann für die Untersuchung trotzdem beispielsweise durch einen Drehkraftmesser auf der Welle genau bestimmt werden. Als Betriebsleistung für die ganze Anlage sind in diesem Falle von aussen lediglich die Verluste, also der Unterschied zwischen Gebläse- und Turbinenleistung, aufzubringen.
Im Schrifttum it schon vorgeschlagen worden, Aufgaben, die im Zusammenhange mit Teilen von hydraulischen Maschinen auftreten, mit Hilfe von Versuchen mit Luft anstatt mit Wasser zu klären. Es wird diesbezüglich z. B. auf die Escher Wyss Mitteilungen, 1931, S. 82-83, verwiesen. Dabei hat es sich aber immer nur um Versuche im Zusammenhange mit Teilen hydraulischer Maschinen, beispielsweise Saugrohren, gehandelt und nicht um solche zur Untersuchung vollständiger hydraulischer Maschinen unter Betriebsverhältnissen, d. h. bei einem Arbeitsaustausch zwischen dem sich drehenden Laufrad der Maschine und dem durchströmenden Mittel, letzteres zum Zwecke, um auch zahlenmässige Wirkungsgradmessungen durchführen zu können.
Jene Vorschläge bewegten sieh noch in ziemlich theoretischem Gebiete und konnten daher auch keinerlei Anregungen für die praktische Anwendung von Luft zu Untersuchungen vollständiger hydraulischer Maschinen unter Betriebsbedingungen geben.
In demselben Rahmen wie die erwähnten Versuche bewegen sich auch im Zusammenhange damit veröffentlichte Vorschläge, nach denen lediglich die Luftgeschwindigkeit, nicht aber das Gefälle regelbar gemacht wird, sowie Mengenmesseinrichtungen und Mittel zum Richten der Strömung usw. verwendet werden sollen und für welche Massnahmen und Mittel in vorliegendem Falle ein Patentschutz nicht an sich begehrt, wird, sondern nur im Zusammenhange mit dem an sich neuen Vorschlag, Luft auch für zahlen-und mengenmässige Wirkungsgradmessungen an vollständigen hydraulischen Maschinen mit sich drehenden Rädern unter Betriebsverhältnissen zu verwenden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anlage zur Untersuchung vollständiger hydraulischer Maschinen, insbesondere Wasserturbinen und Modelle solcher, unter Betriebsbedingungen, gekennzeichnet durch ein Gebläse, einstellbare Mittel zum Beeinflussen von Gefälle und Durchströmmenge und eine Volumenmesseinriehtung, wobei das Gebläse aus der Umgebung angesaugte Luft durch die zu untersuchenden Teile sowie durch die Volumenmesseinriehtung fördert und diese Luft nach dem Durchströmen der genannten Teile schliesslich wieder ins Freie strömt.