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Führungsmittel für Ringströmungen
Gegenstand vorliegender Erfindung bildet ein neuartiges Führungsmittel für Flüssigkeiten und Gase oder für Gemische aus solchen, mit mitgeförderten Stoffteilchen.
Er bildet ein Mittel zur Erzeugung bzw.
Führung von Ringströmungen, insbesondere für Kreiselmaschinen, wie Flüssigkeitsturbinen und Pumpen, Gasturbinen und Ventilatoren, Zentrifugen oder für Brenner-und Zerstäuberdüsen und anderen mehr.
Die Anforderungen, welche der Bau von Kreiselmaschinen an die zur Verwendung gelangenden Führungsmittel stellt, sind vielfache, sie sollen die Lenkung einer Strömung mit bestimmter Tangentialkomponente entlang eines Rotationskörpers gestatten.
Sie sollen ferner eine gleichmässige, um den ganzen Kreisumfang voll beaufschlagte Strömung bilden oder erhalten und gegebenenfalls potentielle Energie in kinetische bzw. umgekehrt umsetzen.
Ausserdem soll durch Regeleingriff die Be- aufschlagung bzw. der Durchströmquerschnitt unter Konstanthaltung der Strömungswinkel ver- ändert werden können und wenn möglich auch durch getrennt anwendbaren, weiteren Regel- eingriff der Tangentialkomponentenanteil an der
Strömung, im weiteren"Drall"genagt, beliebig geändert werden können.
Mit den derzeit bekannten FüLrunmitteIn ist es nicht in befriedigender Weise gelungen, diese Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen und ausserdem weisen bestehende Konstruktionen (z. B. Fink'sche Drehschaufeln usw. ) noch ver- schiedene konstruktive Nachteile auf, wie : Vielzahl der durch Regeleingriffe zu bewegenden Teile,
Schwierigkeit der Dichtung von durch Regel- eingriffe zu bewegenden Führungsmitteln bzw. deren Spaltverluste, Kompromiss durch Endlich- keit der Schaufelzahl usw.
Infolge obgenannten Mängeln musste auch die
Verwirklichung einer um den ganzen Umfang voll beaufschlagten Freistrahlturbine an Stelle der Pelton- Turbine mit ihrer Partialbeaufschlagung bisher ausbleiben. Dies, obwohl der voll be- aufschlagten Freistrahlturbine wegen ihrer höheren
Tourenzahlen infolge des kleiner werdenden
Laufrades und wegen ihrer gedrängten Bauweise für grösste Einheitsleistungen, wie auch wegen ihrer einfachen Konstruktion, bei. hohem Wirkungsgrad über alle Betriebsbereiche bei Belastungs- und Gefälleänderungen weiteres Anwendungsgebiet zustünde.
Aus dieser Erkenntnis heraus wurde verschiedentlich auch versucht, Führungsmittel ohne die genannten Mängel zu schaffen. Insbesondere wurden Ringschützen vorgeschlagen, welche durch Axialverschiebung des Ringschützen mehr oder weniger Durchströmquerschnitt freigaben. Die Tangentialströmung sollte dabei durch den spiraligen Zulauf aus dem Spiralgehäuse sowie auch durch achsparallelstehende, spiralförmig gekrümmte Leitflächen 3, welche im Zula tf direkt vor die Ringschützen gestellt wurden, erzielt werden.
Diese Vorschläge ergaben aber nicht den gewünschten konstanten Drall über den ganzen Umfang und für alle Öffnungsverhältnisse, denn die Figur lässt deutlich erkennen, dass im Augenblick, da der Ringschütze zu öffnen beginnt, überall dort, wo sich keine spiralförmige Leitfläche befindet, an Stelle der Ausströmung mit einem bestimmten Tangentialkomponentenanteil, eine mehr meridionale Ausströmung stattfindet (s. Pfeile in Fig. 2).
Erst bei voller Öffnung des Ringschützen
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Auch als Scjraubenflächen ausgebildete Schaufeln sind bei Wasserkraftmaschinen bekannt, doch war entweder keine Regulierung vorgesehen oder dieselbe wurde durch die vorgenannten bekannten Mittel, insbesondere Drehschaufeln, erzielt.
Die Regulierbarkeit des Querschnittes der um den ganzen Umfang voll beaufschlagten Ringströmung wird unter Konstanthaltung des gewünschten Dralles bei dem Führungsmittel nach vorliegender Erfindung durch folgende drei Elemente erzielt :
1. eine die Ringströmung an einer Seite begrenzende, stoffliche Rotationsfläche,
2. eine zweite, mindestens ideelle, die Ringströmung an der anderen Seite begrenzende
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3. eine die Ringströmung leitende, mindestens eingängige Schraubenfläche, welche entstanden zu denken ist, durch die schraubenförmige Bewegung einer Linie mit einer Schraubensteigung vom Werte gleich oder grösser als Null bis einschliesslich unendlich,
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von welchen mindestens eines der Elemente zur Ausführung einer Regulierbewegung gegen- über den anderen verschraubbar ist, u. zw.
mit einer Schraubenbewegung gleich der im Punkt 3 erwähnten.
Die gewünschte Veränderung des Durchströmquerschnittes zum Zwecke der Veränderung der Beaufschlagung oder der Durchflussmenge wird zweckmässig durch die Verschraubung der beiden strömungsbegrenzenden Flächen zueinander erzielt.
Davon unabhängig kann eine Veränderung der Strömungswinkel, wie später beschrieben, erzielt werden : 1. durch eine nach obigem Punkt 3 definierte schraubenförmige Verschiebung der strömungslenkenden Schraubenfläche gegenüber den beiden strömungsbegrenzenden Flächen, wodurch es möglich ist, den mittleren Durchmesser der Einbzw. Austrittskanten dieser Flächen zu verändern,
2. durch Veränderung des Durchströmquerschnittes zwischen den beiden strömungsbegrenzenden Flächen in einem gewissen Abstand ausserhalb des Raumes der strömungslenkenden
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Die Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel im Meridianschnitt. Darin sind 1, 2 und 2"die die Strömung begrenzenden Flächen im Schnitt, wobei sich mit Veränderung der Lage von 2 in Doppelpfeilrichtung der Durchströmquerschnitt verändert. 3 ist die die Strömungsrichtung, insbesondere die Drehungskomponente bestimmende ein-oder mehrgängige Schraubenfläche im Schnitt. Je nach Bedarf kann auch nur der Teil 2 beweglich, seine Fortsetzung 2" aber fest mit dem übrigen Teil des Führungmittels verbunden sein. Die Vorderkanten von 2 und 2"würden sich dann bei voller Öffnung decken.
Die Schraubensteigung der Schraubenfläche und ihr Profil brauchen nur so weit konstant zu sein, als dies im Hinblick auf einen konstanten Austrittswinkel und mit Rücksicht auf die Verschraubung von 2 auf 3 oder eventuell 1 auf 3 notwendig ist, während sie ausserhalb von 2, also im Bereich von 2"beispielsweise allmählich auf unendlich übergehen kann.
Die in Pfeilrichtung 4 frei austretende Strömung hat die Form eines Hyperboloides, dessen Erzeugenden die geradlinigen Austrittsstrahlen darstellen. Bei Durchströmung der Führungsmittel nach Fig. 3 entgegen Pfeilrichtung 4 arbeitet dieses Führungsmittel als Diffusor mit von der Mittelachse auswärtsgehcnder Strömung, d. h. zur Umsetzung von Geschwindigkeit in Druckenergie.
Durch sinngemässe Vertauschung von 1 und 2 in Fig. 3 gegenüber der Mittelachse wird aus der einwärtsströmenden Ringdüse eine auswärtsströmende Ringdüse bzw. durch Umkehr der Pfeilrichtung 4 ein einwärtsströmender Diffusor.
Während der Teil 2 in Fig. 3 am Austritt aus dem Raum der strömungslenkenden Flächen den Durchströmquerschnitt bestimmt, also dort, wo noch durch das Vorhandensein der strömungslenkenden Flächen der genaue Austrittswinkel bzw. deren Tangentialkomponentenanteil festgelegt ist, kann durch ein zusätzliches Steuerorgan der Durchströmquerschnitt in gewisser Entfernung ausserhalb des Raumes der strömungslenkenden Fläche verengt werden.
Durch eine solche Verengung wird die Strömungsrichtung nach der Meridianebene zu abgedrängt und es kann damit der Tangentialkomponentenanteil, also der Drall, verringert werden.
Ein solches Steuerorgan zur Regulierung des Tangentialkomponentenanteils im Austritt aus der Ringströmung stellen die Ringscheiben 5 bzw. 5'in Fig. 3 dar. Beim vollständigen Zurückziehen von 5 und J'bzw. bei voller Freigabe des Durchströmquerschnittes wird der durch die Schraubenfläche gegebene Auströmungswinkel erhalten bzw. die Strömung behält den maximalen durch die Schraubenfläche gegebenen Tangentialkomponentenanteil. Wird dagegen erst 5'an die austretende Strömung vorgeschoben und dann mit 5 die austretende Strömung weiter eingeengt, so werden in dem Masse, in welchem der Querschnitt durch 5 verengt wird, die Stromfäden in meridionaler Richtung abgelenkt.
Im Grenzfall, unmittelbar vor Schliessung der ringförmigen Austrittsöffnung durch das Steuerorgan 5, wird die Tangentialkomponente der Stromfäden gleich Null werden und eine meridionale Ausströmung vorhanden sein.
Die zweiteilige Ausführung dieser Regulierung mit 5 und 5'ist nicht notwendig, doch kann mit dieser Ausführung durch die geringe Abrundung der Steuerkante von 5'im Übergang zu 5 ein gewisser Stossverlust beim Auftreten der Randstrahlen auf 5 vermieden werden.
Fig. 4 soll eine beispielsweise Anordnung einer solchen Ringdüse mit nur nach innen gerichteter Strömung ohne Axialkomponente zeigen. Ihre grundsätzliche Anordnung ist ohne weiteres ersichtlich und bedarf gegenüber Fig. 3 keiner weiteren Erläuterung. Die strichliert gezeichneten radialen Verlängerungen l'und 2' der die Strömung begrenzenden Führungsflächen 1 und 2 ermöglicht in geringem Umfange eine Ver- engung des Austrittsquerschnittes ausserhalb des
Bereiches der die Strömung lenkenden Flächen.
Es können diese Verlängerungen mithin in gewissen Grenzen eine ähnliche Funktion wie die Steuerorgane 5, 5'in Fig. 3 erfüllen.
Eine Kombination von in bezug auf die Mittel- achse ein-und auswärtsgehender Strömung zeigt
Fig. 5, worin 1 und l'feststehende strömungs- begrenzende Flächen sind, während die zu ver- stellenden Flächen 2 und 2'in einen keilförmigen
Ringkörper mit Schraubenschlitzen für den
Durchgang der Schraubenflächen zusammengelegt sind.
Diese Konstruktion macht jede Dichtung zwischen den strömungsbegrenzenden Flächen A ? und der Schraubenfläche 3 sowie auch zwischen
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den Teilen 2 und 2"der Fig. 3 auch bei hohen Drücken überflüssig. Nachteilig bei dieser Konstruktion ist dagegen, infolge der geteilten Durch- strömöffnung, der höhere Austrittsverlust und die etwas höhere Verstopfungsgefahr.
Die Winkel der beiden Führungsflächen 1 und 2 müssen jenen von l'und 2'derart entsprechen, dass der Zusammenfluss der beiden Ringströme unter gleichem Winkel, also verlustfrei, erfolgt.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der kombinierten Anwendung von oben beschriebenen
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Sie stellt beispielsweise eine Turbine dar, welche für jede Beaufschlagung von Null bis
Maximum, ebenso wie für wechselnde Gefälle, theoretisch verlustfrei regulierbar ist, wobei in sinngemässer Umkehrung die Konstruktion ebenso für eine Pumpe anwendbar ist. 6 in
Fig. 6 stellt den Einlauf-Leitapparat der Turbine nach dem Muster der Ringdüse gemäss Fig. 3 dar.
In Fig. 6 spielt die Steuerkante 8, welche bereits zum rotierenden Läufer gehört, dieselbe
Rolle wie das Steuerorgan 5 in Fig. 3. Die Öffnung, welche sowohl die Steuerkante 8 wie das Steuerorgan 7 freigeben, bestimmt den
Durchflussquerschnitt und mithin die Beauf- schlagung des Läufers bzw. der Turbine. Der rotierende Läufer besteht aus der Welle 15, der Nabe 16, dem eigentlichen Läufer 17 und dem Steuerorgan 11. Der Läufer besitzt einen
Ringdiffusor 9 und eine Ringdüse 10"deren Öffnung durch das Steuerorgan 11, wie auch durch die Steuerkante 14 vom nicht mitrotierenden
Saugrohreinlauf reguliert wird. Die Schrauben- flächen 9 vom Ringdiffusor und 10 der Ringdüse des Laufrades sind hier der Einfachheit halber mit unendlicher Steigung als einfache Radial- flächen dargestellt.
Dementsprechend ist die
Relativgeschwindigkeit am Eintritt in das Laufrad, ebenso wie die relative Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad, rein meridional. Durch die geometrische Addition der meridional gerichteten relativen Austrittsgeschwindigkeit aus dem Lauf- rad mit dessen Umfangskomponente entsteht in diesem Fall ein gewisser Drall am Eintritt in das Saugrohr. Durch eine schlanke Schrauben- fläche im Saugrohr, welche allmählich auf eine unendliche Schraubensteigung übergeht, wird nach Art eines Ringdiffusors diese Drallströmung in eine Axialströmung theoretisch verlustfrei verwandelt.
Soll nun die Öffnung der Turbine reguliert werden, so wird über die Welle 15 der ganze
Läufer in Axialrichtung verstellt. Dadurch wird gleichzeitig der Durchströmquerschnitt des Leit- apparates, wie auch der Durchströmquerschnitt des Laufrades verstellt, u. zw. streng geometrisch richtig, ohne irgendeinen der Strömungswinkel zu verändern, d. h. ohne dadurch Stossverluste am Eintritt in das Laufrad und Drallverluste im Saugrohr der Turbine in Kauf nehmen zu müssen.
Für den Fall, dass sich vor der Turbine die Druckverhältnisse ändern, hat die Turbine automatisch einerseits die gegenseitige Lage von 7 zu 8, anderseits von 11 zu 14 zu verändern ; würde sich beispielsweise der Druck vor dem Leitapparat verringern, so würde bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit des Läufers ein Stossverlust auf der Vorderseite der Eintrittskanten der Schaufeln des Leitrades entstehen. Diese Stossverluste können aber dadurch vermieden werden, dass durch Annäherung von 7 an die Steuerkante 8 der Tangentialkomponentenanteil am Austritt aus dem Leitapparat vergrössert wird.
Dies ist so zu erklären, dass durch Verkleinerung des Durchströmquerschnittes zwischen den Schraubenflächen die Geschwindigkeit und dadurch auch die Umfangskomponente Cu vergrössert wird und dass wegen Cu. r = k diese Vergrösserung trotz nicht gleichzeitiger Vergrösserung der Gesamtgeschwindigkeit am Durchgang vor der Steuerkante 8 erhalten bleibt.
Gleichzeitig wird durch die Verringerung des Druckes eine Verkleinerung der Relativgeschwindigkeit aus dem Laufrad in das Saugrohr eintreten. Um trotzdem Stossverluste am Eintritt in die Schraubenflächen des Saugrohres zu vermeiden, muss der Tangentialkomponentenanteil im Laufradaustritt erhöht werden ; also wird auch hier automatisch durch die Turbine das Steuerorgan 11 der Steuerkante 14 genähert und dadurch wiederum die gewünschte Drallfreiheit im Saugrohr für den neuen Gefällezustand hergestellt. Mithin ist bei dieser Turbinentype durch streng geometrisch-hydraulisch einwandfreie Wasserführung sowohl eine Änderung des Beaufschlagungsgrades ohne Stossverluste, als auch theoretisch verlustfreie Berücksichtigung von Gefälleschwankungen erstmalig möglich geworden.
Die automatische Regulierbewegung der
Steucrorgane 7 und 11 kann dadurch geschehen, dass der, bei nicht richtiger Einstellung von 7 zu 8 bzw. von 11 zu 14 auftretende Druckunterschied an der Einlaufkante der nachfolgenden Schrauben- flächen, also an der Stelle 18 bzw. 19 dazu ver- wendet wird, entweder direkt oder über eine hydraulische Servo-Motorsteuerung die Kam- mern 20 und 21 bzw. 22 und 23 mit Druckwasser zu versehen bzw. Druckwasser zu entlassen und dadurch die Bewegung auszulösen. Die Beaut- schlagung der Turbine, also die Stellung des
Läufers, kann ebenso hydraulisch in der Weise verändert werden, dass die Kammer, welche sich über dem Deckel 24 und unter dem Läufer be- findet, mit Druckwasser gespeist bzw. das Druck- wasser abgelassen wird.
Fig. 7 zeigt die zu Fig. 6 gehörenden Ge- schwindigkeitsdreiecke. Für den Punkt Tl bzw.
Tl'in Fig. 6 bzw. Fig. 7, am Austritt aus dem
Bereiche der Schraubenflächen des Leitapparates, sei Ci bzw. cl'die Austrittsgeschwindigkeit. Sie
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Schnittlinie der kegeligen Strömungsbegrenzungs- fläche mit der die Strömung lenkenden Schraubenfläche. Es zeigt also cl'yin Fig. 7 die Aufrissprojektion der Austrittsgeschwindigkeit als Tangente an die Schnittlinie L'.
(Alle mit einem Strich versehenen Bezeichnungen bedeuten Aufrissprojektionen, alle nicht mit Strich versehenen Bezeichnungen weisen darauf hin, dass sie in dieser Projektion in wahrer Grösse erscheinen.) Wird nun der Punkt Tl'um die Achse des Kegels
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Grössen lässt sich für den Punkt T2 das Geschwindigkeitsdiagramm einfach berechnen.
Da durch alle Ringquerschnitte dieselbe Wassermenge hindurchfliessen muss, errechnet
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Die Geschwindigkeitsvektoren für den Punkt Tg wieder ergeben sich aus der Bedingung, dass die
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zu 11 in Fig. 6, ist im Bilde gleich eins angenomme.)
Im weiteren ist die Richtung der Stromfäden bzw. die Richtung des Geschwindigkeitsvektors W3 gegeben, so dass sich das Geschwindigkeitsdreieck für den Punkt Ta in Fig. 6 zeichnen lässt. Ganz analog zur Bestimmung der Vektoren für den Punkt T2 aus Tu wurden nun die Vektoren für den Punkt T4 aus Tg gezeichnet.
Fig. 8 zeigt den Erfindungsgedanken in weiterer Anwendung als Leitrad für eine Kaplan-Turbine.
Dieses bietet den Voneil der einfacheren Konstruktion (gegenüber jener mit den Fink'schen Drehschaufeln) und einen sehr schönen, stetigen Zulauf zum Kaplan-Propeller. Die Konstanz des Dralles bei verschiedenen Beaufschlagungsgraden geht allerdings aus geometrischen Gründen verloren, kann aber durch die Verstellbarkeit der Schaufeln teilweise kompensiert werden.
Im Gegensatz hiezu bleibt die Kunstanz des Dralles bei der Ausführungsform gemäss Fig. 9 für alle Beaufschlagungsgrade erhalten. Diese Figur führt einen neuen Gedanken ein. Während 1 die eine Strömungsbegrenzungsfläche und 3 die Schraubenfläche, ähnlich den bisherigen Ausführungen, darstellt, ist 2 die zweite, sonst stoffliche Strömungsbegrenzungsfläche, hier ideeller Natur und stellt eine Freispiegelfläche in Form eines Rotationskörpers dar. Eine solche Freispiegelfläche in Form eines Rotationskörpers ist nur bei um eine Achse drehenden Flüssigkeiten und nur als Strömungsbegrenzungsfläche an der nach innen, der Achse zugekehrten Seite möglich.
Sie ist gedanklich genau so aufzufassen wie irgend ein Flüssigkeitsspiegel, nur dass an Stelle der alleinigen Wirkung der Erdbeschleunigung die Zentripedalbeschleunigung, infolge der Drehung der Flüssigkeit, die Ausbildung der Freispiegelfläche in Form eines Rotationskörpers bewirkt.
Wie immer, steht auch hier die Resultierende aller Momentan-Beschleunigungen senkrecht zu dem auf dem Flüssigkeitsteil liegenden Freispiegel.
Der besondere Vorteil der Anwendung von Freispiegelbegrenzungsflächen für Ringstromführungsmittel liegt vor allem in der leichten Veränderbarkeit des Durchströmquerschnittes durch Veränderung der Lage dieser Freispiegelfläche gegenüber der anderen, stofflichen Strömungsbegrenzungsfläche. Der Durchströmquerschnitt kann in diesem Fall entweder durch die durch ein vorhergehendes Führungsmittel gegebene Durchflussmenge (Läuferteil der Fig. 10) verändert werden oder durch die er'wungene Veränderung der Lage dieser Freispiegelbegrenzungsfläche gegenüber der stofflichen Be- grenzungsfläche dadurch, dass der Druck des über dem Freispiegel liegenden Mediums, z.
B. der
Luft, durch Regeleingriff verändert wird (siehe
Fig. 9) Hier wird an Stelle aller sonst me- chanischer Reguliermöglichkeiten eine einfache
Glocke 25 angewendet, unter welcher der Luft- druck des Raumes über dem Freispiegel, ent- sprechend der gewünschten Beaufschlagung, ein- gestellt werden kann. Er ist hier charakterisiert durch die Saughöhe h gegenüber dem Aussendruck.
Durch diese Saughöhe wird aus dem Oberwasser- kanal 26 das Wasser an den spiraligen Zulauf 27 zur Turbine angesaugt und bildet den ebenen
Freispiegelteil 28. Unter dem Einfluss der erst spiralig gestellten und dann in eine Schrauben- fläche übergehenden strömungsleitenden Flächen 3 entsteht ein Zulauf zur Turbine ähnlich einem
Helmholtz'schen Wirbel, mit der dementsprechen- den Freispiegelfläche 2.
Der Vorteil dieser An- ordnung ist, dass, wie vorher gesagt, für alle Beaufschlagungsverhältnisse die Strömung vor dem Propeller eine immer gleichbleibende
Tangentialkomponente bzw. einen gleichbleiben- den Drall besitzt, und dass auch die Notwendigkeit zur Verstellung der Propellerschaufeln entfällt.
Die sonst notwendige doppelte mechanische Aus- regulierung durch Verstellung von Leitrad und
Laufrad kann hier, wie erwähnt, durch einfache Änderung des Luftdruckes unter der Glocke bewerkstelligt werden. Sollten ausserdem Gefälle- schwankungen berücksichtigt werden, so kann dies durch gleichzeitige Axialverschiebung des
Läufers und Verstellung des Winkels der
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Schaufeln, beispielsweise durch Kaplan-Propeller geschehen.
Den unteren Abschluss 29 der Freispiegelfläche bildet das Rotationsparaboloid infolge der im Saugrohr zurückbleibenden Drehung in der Flüssigkeit. Die Erhaltung dieser Drehung ist notwendig, um eine klare Trennung zwischen Flüssigkeit und Luftraum durch die Freispiegelfläche 29 zu gewährleisten. Der verbleibende Drall wird durch die verstellbaren Leitschaufeln 30'bzw. die feststehende Fortsetzung dieser Leitschaufeln 31 in Druckenergie umgesetzt.
Im Unterwasserkanal 32 stellt sich ein Wasserspiegel ein, welcher wieder um die Saughöhe h von dem Scheitel des Freispiegelparaboloides 29 tiefer liegt.
Eine neue Turbinentype zeigt Fig. 10 mit dem Ringstromführungsmittel ähnlich Fig. 3 als Leitapparat und einem Freispiegel-Ringstromführungsmittel als Läufer. Diese Turbinentype stellt die erste eigentliche vollbeaufschlagte Freistrahlturbine dar, welche gleichzeitig den Vorteil eines äusserst kleinen schnell rotierenden Läufers und die Möglichkeit der theoretisch verlustfreien Gefällregulierung sowie die Vermeidung der bekannten Freihangverluste als Vorteile gegenüber der Pelton-Turbine für sich beanspruchen kann.
Hierin ist 35 ein feststehender Leitapparat, 36 das feststehende Halslager, 37 die Turbinenwelle, 38 der Turbinenläufer, 39 der Unterwasserkanal. Durch die gleichzeitige Verstellung von 40 und 41 wird die Beaufschlagung reguliert.
Durch Verstellung von 41 gegenüber 40 lassen sich Gefälleschwankungen berücksichtigen. Die Berücksichtigung dieser Gefälleschwankungen beruht auf der folgenden hydraulischen Erkenntnis : Den verschiedenen Drücken vor der Turbine bzw. den verschiedenen Austrittsgeschwindigkeiten aus der Düse entspricht immer ein eindeutig bestimmter Eintrittswinkel in den Läufer, bei welchem der Freistrahl den Läufer mit der gewünschten minimalen Austrittsgeschwindigkeit verlässt. Vorausgesetzt, dass ein solcher Läufer verwendet wird, welcher die Umleitung des Freistrahles auch bei verschiedenen Eintrittswinkeln ohne grössere Stossverluste gestattet.
Gerade der, um den ganzen Umfang voll beaufschlagte, Freistrahl, in Verbindung mit dem vorliegenden Freispiegel-Ringstromführungsmittel als Turbinenläufer, ermöglicht eine solche nahezu verlustfreie Verarbeitung des Freistrahles unter verschiedenen Eintrittswinkeln.
An Hand der Fig. 10-14 sei dieses FreispiegelRingströmführungsmittel als Turbinenläufer näher erläutert : Bei voller Öffnung von 41 sind in Fig. 10 für einen Punkt T2 der Eintrittskante die verschiedenen Geschwindigkeitsdreiecke gezeichnet.
Diese sind gleich bezeichnet und nach gleichen Gesichtspunkten bestimmt wie die entsprechenden Geschwindigkeitsvektoren in Fig. 7. Um ein einigermassen anschauliches Bild über den Einfluss der verschiedenen Eirtrittswinkel am Eintritt in den Läufer zu vermitteln, stellt Fig. 11 eine Abwicklung des von der Ringströmung durch- flossenen Rotationskörpers dar. Zur Vereinfachung wurde dieser aufgeteilt nach der Kegelstumpf-Erzeugenden IV, der Zylinder-Erzeugenden V und der Kegelstumpf-Erzeugenden VI in Fig. 10.
Dem Kegelstumpf IV in Fig. 10 entspricht die Abwicklung IV in Fig. 11, dem Zylinder V die Abwicklung V und dem Kegelstumpf VI die Abwicklung f, I in Fig. 11.
In Fig. 11 ist Punkt T2 der Punkt am Laufradeintritt des zu untersuchenden Stromfadens, Punkt Fg ein Punkt in der Mitte des abgewickelten Zylinders, Punkt T4 ein Punkt am Austritt aus dem Läufer.
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den Punkt T2.
Cr, Ur und Wr dasselbe für niedrigsten Tangentialkomponentenanteil (ungefähr entsprechend dem halben Druckgefälle).
Dementsprechend wurde der Verlauf einer strömungslenkenden Fläche entsprechend der Linie L in Fig. 11 eingezeichnet.
Zu weiteren Erläuterungen des Strömungverlaufes stellt Fig. 12 einen Scnnitt nach Linie I-I, Fig. 13 einen Schnitt nach Linie II-II, Fig. 14 einen Schnitt nach Linie III-III der Fig. 10 dar.
Die strömungslenkende Fläche 3 in den Fig. 12,13 und 14 wurde herausgegriffen und bezeichnet, um durch deren Winkelverstellung den Verlauf der Strömungslenkung als Funktion der Lage der Ebenen I, II und III deutlich zu machen. Der strichpunktierte Kreis 42 in Fig. 12 zeigt die Freispiegelfläche im Schnitt am Eintritt in den Läufer. Treffen nun die einzelnen Stromfäden entsprechend den vorgenannten verschiedenen Regulierstellungen unter einem be- stimmten Stoss-Winkel"auf die strömungslenkende Fläche auf, so werden sie durch die Abrundung bei 43 in Fig. 12 nahezu verlustfrei bis zur Aufzehrung der jeweiligen "Stoss-Energie" radial ansteigen.
Würde es keine benachbarten Stromfäden geben, so würde der eine Stromfaden in der Abrundung in fortgesetzter Schwingung hin- und herpendeln. Da es sich jedoch definitions- gemäss um eine geschlossene Ringströmung am
Eintritt (s. Eintrittsquerschnitt 42 in Fig. 12) handelt, wird jeder Stromfaden in der höchsten
Stelle der genannten Schwingung durch die benachbarten Stromfäden (von links kommend) gehalten und die Schwingung so verlustfrei zum Stillstand gebracht, wie z. B. die Schwingung eines Pendels durch Festhalten in der Endstellung ebenfalls unter Erhaltung der Energie zum
Stillstand gebracht wird.
Ein mit dem Eintrittsquerschnitt 42 in Fig. 12 ankommender Ringfreistrahl wird sich also all- mählich an die im Bilde jeweils rechte Lenkfläche anlegen und im Querschnitt jene Freispiegelform annehmen, welche normal zum jeweils an das
Führungsmittel zu übertragenden Strahldruck (s. Teil-Freispiegel 42 in Fig. 13) steht.
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Die ursprünglich geschlossene Rotationsfläche des Freispiegels wird unter dem Einfluss der strömungslenkenden Flächen in dip Freispiegel der aufgeteilten Freistrahlen zerlegt, welche sich im Verlauf der Strömung normal zum jeweils zu übertragenden Strahlumlenkdruck einstellen. Es brauchen dann nur mehr die mittleren Spiegellinien der aufgeteilten Freistrahlen auf einer Rotationsfläche der ideellen Freispiegel-
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Praktisch wird sich an die geschilderte Zone, in welcher die flachen Sektoren der unterteilten Ringströmung zu geschlossenen Teil-Freistrahlen zusammengefasst werden (bis Punkt 44, Fig. 11), eine Zone der Umlenkung der zusammengefassten Freistrahlen anschliessen, z. B. durch allmählichen Übergang der zuerst flach rechtsgängigen Schraubenflächen 3 (Fig. 12) über unendlich steilgängig, in eine flach linksgängige Wendelfläche, um der Ringströmung bis zum Austritt aus dem Läufer eine solche Tangentialkomponente zu erteilen, dass sie den Läufer mit einer kleinstmöglichen Absolutgeschwindigkeit verlässt, also ihre kinetische Energie an das rotierende Führungsmittel, den Läufer, abgegeben hat (Fig. 14). Es können auch die erwähnten Aufgaben der beiden Zonen räumlich ineinander übergehen.
Weiters sei hingewiesen auf die Möglichkeit einer noch stärker betonten Radialströmung im Läufer nach der Achsmitte zu, bei welcher sich die Relativgeschwindigkeit entsprechend -M == K vermindert und sich damit auch die Verluste durch Flüssigkeits- fcib mg im Läufer vermindern. In diesem Falle ist es zweckmässig, zu beiden Seiten der Achse die Flüssigkeit austreten zu lassen, um tatsächlich die Ausströmung auf den kleinstmöglichen Durchmesser zu beschränken.
Im Sinne der Beschränkung des Austrittsdurchmessers und damit der Gesamt-Flüssigkeits- reibung liegt es auch, den Läufer bewusst mit überhöhter Relativgeschwindigkeit zu durchströmen (bei entsprechend verkleinerten Durch- strömquerschnitten und Läuferdimensionen), um dann aber die sich ergebende absolute
Austrittsgeschwindigkeit möglichst verlustfrei in einem Diffusor in Druckenergie umzu- setzen.
Diese Umsetzung ist bei Freistrahl turbinen erstmals im Zusammenhang mit der vorliegenden, um den ganzen Kreisumfang vollen Beauf- schlagung möglich, indem der absoluten Austritts- geschwindigkeit eine solche Umfangskomponente belassen wird, dass sich einParaboloid-Flüssigkeits- spiegel bildet (s. Fig. 9), um eine sichere Ab- trennung von Wasser und Luft vor der Umsetzung der kinetischen Energie des Wassers in Druck- energie zu erreichen.
Schliesslich sei an Hand der Fig. 10 auf noch eine wesentliche konstruktive Besonderheit hin- gewiesen. Bei den bisher üblichen Führungs- mitteln zur Erzeugung von vollbeaufschlagten
Ringströmungen wurden die die Strömung in tangentialer Richtung lenkenden Flächen, z. B. die Fink'schen Drehschaufeln, am konstruktiv kleinstmöglichen Durchmesser angeordnet.
Diese Anordnung bedingt insbesondere für höhere Gefälle, wie etwa für vollbeaufschlagte Freistrahlturbinen, infolge der hohen Flüssigkeitreibung entlang den strömungslenkenden Flächen, wie auch infolge der Spaltverluste zwischen den zwecks Regelung beweglichen strömungslenkenden Flächen und dem Leitradprofil und infolge der Endlichkeit der Leit-Schaufelzahl solche Verluste, dass diese Leitapparate für höhere Gefällebereiche praktisch nicht mehr anwendbar sind, weshalb man auch zu den partial beaufschlagten Freistrahlturbinen, wie Pelton, zurückgreifen musste.
Die an die Zone der gelenkten Strömung anschliessende Zone der freien Strömung kann auch bei Konstruktionen verwendet werden, bei welchen die gelenkte Strömung durch Fink'sche Drehschaufeln oder andere Führungsmittel erzeugt wird.
Dagegen sollen nun erfindungsgemäss die die Strömung in tangentialer Richtung lenkenden Flächen auf grösserem Durchmesser D angeordnet werden, während die beiden, die Ringströmung begrenzenden Rotationsflächen, bis auf den kleinen Durchmesser d, etwa bis zum Laufradeintritt, weitergeführt werden, ohne dass also zwischen diesen, von D bis d, sich roch Leit- flächen bzw. Leitschaufeln befinden. Der Aus- trittswinkel der Strömung am Durchmesser d ist bei diesen Leitapparaten ebenfalls durch den
Austrittswinkel aus den strömungslenkenden
Flächen am Durchmesser D bestimmt. Diese
Strömungswinkel an den verschiedenen Durch- messern sind einander gleich, wenn die strömungs- begrenzenden Flächen innerhalb der ent- sprechenden Zone parallel zueinander sind, da dann die Stromfäden logarithmischen Spiralen entsprechen.
Wichtig aber ist, dass sich die Strömungsgeschwindigkeiten v nach dem Drallsatz
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(von d zu D) abnimmt. Dies erklärt auch die Verbesserung des Ausflusswirkungsgrades bei der neuartigen Anordnung.
Dieser Grundsatz ist natürlich ebenso anwendbar für von der Achse nach aussen gehende Strömungen, wie bei der beispielsweise gezeigter einwärtsgehenden Strömung.
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