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Laufrad für axiale Strömungsmaschinen, insbesondere Wasserturbinen
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ein, so dass bei einer Schwenkbewegung der Schaufeln aus ihrer grössten Beaufschlagung gleichzeitig auch der äussere Laufraddurchmesser mehr und mehr verkleinert wird. Dies hat bei Stromturbinen den bedeutenden Vorteil, dass bei wechselndem Strömungsverhältnis die vom Laufrad aufgenommene Leistung annähernd gleich gehalten werden kann, wodurch sich die Regelung derartiger Maschinen wesentlich vereinfacht. Überdies legen sich die Schaufeln, wenn sie durch grössere Treibholzstücke getroffen werden, nahezu an den Nabenkörper an, so dass Beschädigungen des Laufrades vermieden werden.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in drei beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt.
Die Fig. l und 2 zeigen ein Laufrad einer Kaplanturbine in Längsschnitt und Draufsicht, die Fig. 3 und 4 ein Laufrad einer Stromturbine in Stirnansicht und im Längsschnitt und die Fig. 5 und 6 ein Axialgebläse in gleicher Darstellung.
Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, sind die Schaufeln 1 mit Schwenkzapfen 2 verbunden im Nabenkörper 3 des Laufrades gelagert und ihre Vorderkanten (Nasenteile) l'sowie ihre Hinterkanten l" sind, in der Strömungsrichtung gesehen, vom Nabenkörper nach aussen hin, entgegen ihrer Drehrichtung, die in Fig. 2 im Uhrzeigersinn verläuft, spiralig gekrümmt ausgebildet. Auf diese Weise können die Schwenkzapfen 2 genügend weit vor dem Angriffspunkt der resultierenden Strömungskraft auf die Schaufel und möglichst an der dicksten Stelle des Schaufelprofiles angeordnet werden. Messungen, die mit noch stärker zurückgekrümmten Schaufelformen durchgeführt wurden, haben ergeben, dass hiedurch keine merkbare Verschlechterung der Laufradeigenschaften entsteht.
Auf den Schwenkzapfen 2 sind Arme 4 befestigt, die über Laschen 5 mit einer Verteilerplatte 6 verbunden sind. An der gegebenenfalls auch Kreisform aufweisenden Verteilerplatte 6 ist senkrecht abstehend eine Führungsstange 7 befestigt, die in einer Führungshülse 8 einer horizontalen Querwand 9 der Laufradnabe 3 gleitet. Am unteren Ende der Führungsstange 7 ist das eine Ende einer Schraubenzugteder 10 befestigt, welche an ihrem andern Ende mit einem Schraubenbolzen 11 verbunden ist, der den Boden des Nabenabflusskörpers 12 durchdringt und mittels einer Mutter 13 axial verstellbar ist. Durch Drehen der Mutter 13 kann die Spannung der Feder 10 geregelt werden.
Bei richtiger Dimensionierung und Einstellung der Schraubenzugfeder 10 wird erreicht, dass die Schaufeln 1 durch die auf sie wirkenden Strömungskräfte selbsttätig in die dem jeweiligen Betriebszustand entsprechende Lage geschwenkt werden. Bloss durch die Verstellung des nicht dargestellten, das Laufrad umgebenden Leitschaufelkranzes nehmen die Laufradschaufeln 1 von sich aus eine dazu passende Stellung ein. Aus Fig. 3 ist die stÅark entgegen der Drehrichtung, die durch einen Pfeil 14 angedeutet ist, nach rückwärts gekrümmte Form der Schaufeln 1 ersichtlich.
Die Vorderkanten l'werden in der Strömungsrichtung gesehen von den Achsen der Schaufelschwenkzapfen gekreuzt, wodurch das Moment der auf die Schaufeln einwirkenden hydraulischen Kraft um die Schwenkachsen wesentlich vergrössert wird und eine sichere Einstellung der jeweils optimalen Winkel der Laufradschaufeln bewirkt wird.
Bei dem in den Fig. 3 und 4 ersichtlichen Laufrad einer Stromturbine, ist die stark entgegen der durch den Pfeil 14 angedeuteten Drehrichtung nach rückwärts gekrümmte Form der Schaufeln 1 ersichtlich. Für die Regelung selbst würde eine wesentlich schwächere Krümmung nach rückwärts erforderlich sein, doch hat sich bei Stromturbinen diese Form deswegen als sehr vorteilhaft erwiesen, weil an stark gekrümmten Schaufeln Pflanzenteile nur schwer hängen bleiben. Das Laufrad wurde aus Gründen der einfacheren Darstellung mit vier Schaufeln gezeichnet, obwohl meistens drei Schaufeln angeordnet sind. Die Achsen der Schaufelschwenkbolzen 2 schliessen bei dieser Ausführungsform mit der Achse des Nabenkörpers einen gegen die durch Pfeil 15 angedeutete Strömungsrichtung gerichteten spitzen Winkel ein.
Auf den Schaufelschwenkbolzen 2 sind innerhalb der Nabe 3 Trommeln 16 befestigt, an denen Seile 17 angreifen, welche mit ihrem andern Ende mit der Verteilerplatte 6 verbunden sind. Die Verteilerplatte 6 ist bei dieser Ausführungsform unmittelbar mit der Schraubenzugfeder 10 verbunden, deren Zugkraft wieder durch Verstellung der Mutter 13 geregelt werden kann und eine Schrägstellung der Verteilerplatte, die bei der erforderlichen Einzelbeweglichkeit der Schaufelblätter erforderlich ist, durch seitliches Ausbiegen ermöglicht.
Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass z. B. bei Hochwasser durch die erhöhten hydraulischen Kräfte nicht nur die Schaufeleinstellwinkel, auf die Rotationsebene bezogen, vergrössert werden, sondern auch der äussere Laufraddurchmesser mehr und mehr abnimmt, so dass trotz erhöhter Strömungsgeschwindigkeit die Drehzahl des Laufrades und daher auch die Leistung annähernd gleichbleibt, wodurch Überbeanspruchungen des Triebwerkes verhindert werden und möglichst kleine und billige Generatoren verwendet werden können. Ausserdem wird eine Überbeanspruchung der Schaufelblätter wegen ihrer federnden Nachgiebigkeit bei stossweiser Beanspruchung durch grobes Schwemmzeug vermieden.
Der Schutz gegen stossweise Beanspruchung kann gegebenenfalls noch dadurch erhöht werden, dass die Schaufeln auch in der
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Umfangsrichtung um annähernd senkrecht zu ihnen stehende Achsen nachgiebig schwenkbar gelagert sind. Dadurch kann das Schaufelblatt auch bei seitlichem Auftreffen auf einen widerstandsfähigen Körper gegen Bruch geschützt sein. Dieser Schutz kann durch Anwendung einer Rutschkupplung oder eines Freilaufs zwischen Laufrad und Getriebe noch verstärkt oder auch ersetzt werden. Ein Anlegen kleinerer Schwemmteile wird durch die Form der Schaufeln 1, die gegen die relative Anströmrichtung schräg geneigt sind. verhindert. Besonders gleichmässig wird diese Wirkung über die gesamte Schaufellänge erreicht, wenn die Schaufeln nach einer logarithmischen Spirale gekrümmt sind.
Das Laufrad des in den Fig. 5 und 6 gezeigten Axialgebläses weist an Stelle gekrümmter Vorderund Hinterkanten der Schaufeln in der Strömungsrichtung gesehen vom Nabenkörper nach aussen hin entgegen ihrer Drehrichtung geneigte Kanten auf, wodurch sich die Herstellung vereinfachen lässt. Die Regeleinrichtung ist ähnlich derjenigen nach den Fig. l und 2, nur befindet sich die Schraubenzugfeder 10 nicht im Nabenabflusskörper 12, sondern in einer mitumlaufenden Nabenkappe 18. Unterschiedlich ist ferner die Übertragung der Kraft der Feder 10 auf die Schaufeln 1. Von der mit der Feder 10 verbundenen Verteilerplatte 6 gehen Seile 17 aus, die auf an den Schwenkzapfen 2 sitzenden Trommeln 16 aufgewickelt sind. Die Trommeln haben unrunde Form, die es ermöglicht, das Federmoment in eine nichtlineare Beziehung zum Federweg zu bringen.
Der Nabenabflusskörper 12 läuft gemäss Fig. 6 nicht mit dem Laufrad um, sondern umschliesst den Antriebsmotor 19, der durch ein einfaches Fachwerk 20 mit einem an das Laufradgehäuse 21 angeflanschten Rohr 22 verbunden ist. Wie schon erwähnt, besteht die Wirkung der Regelung darin, dass bei Drosselung des Gebläses der Einstellwinkel der Schaufeln gegenüber der Rotationsebene durch die der Federkraft entgegenwirkenden Strömungskräfte verkleinert wird. Dadurch kann der Einstellwinkel bei grossen Fördermengen gross gewählt werden, wobei die Wirkungsgrade in einem grösseren Bereich der Fördermenge hoch bleiben und überhaupt die maximale Fördermenge erheblich vergrössert wird. Es ist zweckmässig, die Drehung der Schaufelblätter durch Anschläge beidseitig zu begrenzen.
Natürlich kann auch vor oder hinter dem Laufrad ein Leitapparat angebracht werden, der selbst auch verstellbar ist. Es gehört dann zu einer bestimmten Drosselung eine günstige Laufradstellung, die sich von selbst einstellt, und eine dazugehörige Leitradeinstellung, die z. B. von Hand aus nach einer Skala eingestellt werden kann. Bei Verwendung eines Leitrades treten bekanntlich periodisch veränderliche Kräfte auf die Laufradschaufeln auf, so dass es unter Umständen zweckmässig sein kann, die Drehung der Laufradschaufeln mit einer Dämpfung zu versehen.
Das Laufrad gemäss der Erfindung eignet sich auch für Axialpumpen, deren Anordnung und Wirkungsweise jener der Axialgebläse sehr ähnlich ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Laufrad für axiale Strömungsmaschinen, insbesondere Wasserturbinen, deren Schaufeln entgegen Federkraft schwenkbar in der Laufradnabe gelagert sind, wobei die Achsen der Schaufelschwenkbolzen in durch die Laufradachse geführten Ebenen verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten (Nasenteile) und gegebenenfalls die Hinterkanten der Schaufeln in der Strömungsrichtung gesehen nach aussen hin entgegen ihrer Drehrichtung geneigt oder in an sich bekannter Weise spiralig, vorzugsweise nach einer logarithmischen Spirale gekrümmt ausgebildet sind, wobei die Achsen der Schaufelschwenkzapfen die Vorderkanten (Nasenteile) vorteilhafterweise im unmittelbaren Bereiche ihrer Ansatzstelle am Nabenkörper kreuzen.