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Wasserturbine
Es sind leitapparatlose Wasserturbinen mit Kaplanlaufrad bekannt, bei denen zur Regelung der Wassermenge ein stromlinienförmiges Regelorgan verwendet wird, das sich im Eingang des Spiralgehäuses befindet. Um beste Wirkungsgrade zu erreichen, muss dieses Regelorgan gleichzeitig mit den Schaufeln des Kaplanlaufrades verstellt werden. Solche Turbinen, obgleich wesentlich einfacher wie die Kaplanturbinen mit Leitapparat, benötigen dennoch, ebenso wie diese, eine Doppelregelung mit all ihren bekannten Unzukömmlichkeiten, wie Kompliziertheit, Kostspieligkeit usw.
Es ist weiters bekannt, leitapparatlose Wasserturbinen mit Kaplanlaufrad zu bauen, bei denen nur ein Spiralgehäuse ohne Regelorgan zur Wasserführung verwendet wird und welche allein durch Verstellen des Kaplanlaufrades geregelt werden. Diese Turbinen benötigen keine komplizierte Doppelregelung, sondern nur einen einfachen Regler zur Laufradschaufelverstellung, welcher Regler sich bei Verwendung eines Servomotors auf der Turbinenwelle praktisch zu einem auf das Steuerventil wirkenden Fliehkraftpendel reduziert.
Solche Turbinen sind an Einfachheit kaum zu übertreffen und haben sich in der Praxis seit langen Jahren überall bewährt. Ihre Wirkungsgrade stehen zwischen Halb- und Vollast denen der Kaplanturbinen mit Leitapparat nicht nach.
Der einzige Nachteil gegenüber der Kaplanturbine mit Leitapparat ist der, dass bei ganz kleinen Öffnungen von etwa einem Viertel Vollast abwärts ihr Wirkungsgrad dem der Kaplanturbine unterlegen ist.
Das kommt daher, dass der Drall vor dem Laufrad bei einem normalen Finkschen Leitapparat auch bei kleinen Öffnungen nicht wesentlich von dem Drall bei Vollwassermenge verschieden ist, da entsprechend der abnehmenden Beaufschlagung auch die Querschnitte der Kanäle zwischen den Leitschaufeln kleiner werden, so dass die Eintrittsgeschwindigkeit Ci und mit ihr der Drall im wesentlichen erhalten bleibt. Bei Kaplanturbinen mit festem Leitapparat oder ohne Leitapparat nur mit Spiralgehäuse zur Wasserführung fehlt dagegen diese Anpassung der Querschnitte an die jeweilige Wassermenge.
Das Strömungsbild ist somit bei Vollwassermenge und bei ganz kleiner Beaufschlagung im wesentlichen dasselbe, nur sind die Strömungsgeschwindigkeiten und damit der Drall verschieden gross. Hieraus resultiert der Wirkungsgradabfall bei kleinen Öffnungen bei diesen beiden Turbinenarten, wobei die Kaplanturbine mit Spiralgehäuse der Kaplanturbine mit festem Leitapparat überlegen ist, da sich bei ihr infolge Rückwirkung des Laufrades auf die Strömung im Spiralgehäuse etwas günstigere Drallwerte einstellen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, diese Übelstände zu beseitigen und eine leitapparatlose Kaplanturbine zu schaffen, die auch bei ganz kleinen Öffnungen noch sehr gute Wirkungsgrade ergibt. Dies wird mit einer Drehklappe in unmittelbarer Nähe des Sporns, deren Drehachse von der Spornkante entfernt liegt, dadurch erreicht, dass die Klappe in ihrer Stellung für kleinste Durchflussmenge mit ihrer Nase am Sporn anliegt, während ihre Hinterkante bei allen Durchflussmengen stets frei in der Strömung liegt. Zweckmässig erhält die Klappe ein stromlinienförmiges Profil ; ihre Drehachse verläuft im allgemeinen parallel zur Spornkante.
In den Fig. 1-4 ist der Gegenstand der Erfindung schematisch dargestellt, u. zw. zeigt Fig. l einen Achsschnitt durch die Turbine, Fig. 2 den zugehörigen Grundriss mit Schnitt durch das Spiralgehäuse und die Fig. 3 und 4 die Wasserströmung im Innern des Spiralgehäuses bei verschiedener Klappenstellung.
Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist die drehbare Klappe 1 im Innern des mit rechteckigem Querschnitt ausgebildeten Spiralgehäuses 2 in unmittelbarer Nähe der Spornkante 3 angeordnet und erstreckt sich über die ganze Höhe des Spiralgehäuses. Ihre Drehachse 4 ist parallel zur Spornkante 3 und beiderseitig im Spiralgehäuse gelagert. Sie trägt am oberen Ende den nicht dargestellten Hebel zur Verdrehung der Klappe. Das Profil der Klappe wird zweckmässig flügelähnlich oder stromlinienförmig gewählt, wobei es sowohl symmetrisch als auch unsymmetrisch sein kann. Die Lage der Dreh- achse wird zweckmässig so bestimmt, dass die Drehklappe in ihrer flachsten Stellung mit ihrer
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Nase die Spornkante berührt und ihre Innenfläche gleichsam eine Verlängerung der Spiralmantelfläche darstellt.
Sind die verdrehbaren Schaufeln des Kaplanlaufrades 5 auf ihre grösste Wassermenge eingestellt, so steht die Klappe 1 in ihrer steilsten Stellung, die in Fig. 2 mit vollem Strich eingezeichnet ist. Sind die Schaufeln des Kaplanlaufrades dagegen fast geschlossen, so steht die Klappe in der strichliert gezeichneten flachen Stellung und verlängert gleichsam den Spiralmantel über den Sporn hinaus.
Die Regelung der erfindungsgemässen Turbine geschieht dagegen stets nur durch das Laufrad allein, so dass keine Doppelregelung erforderlich ist. Die Klappe wird nur dem allgemeinen Wasserstand entsprechend von Hand aus eingestellt und bleibt unbeweglich in dieser Lage, solange sich der Wasserstand nicht wesentlich ändert.
Die Fig. 3 zeigt die Wasserströmung im Spiralgehäuse bei flach eingestellter Klappe und auf kleine Wassermenge geregeltem Kaplanlaufrad.
Die Stromfäden 6, 7 und 8 werden durch die Wirkung der Klappe zusammengedrängt und hiedurch die Wassergeschwindigkeit erhöht. Das vergrössert wiederum den Drall in der für einen guten Wirkungsgrad erwünschten Weise.
Die Fig. 4 zeigt die Wasserströmung im Spiralgehäuse bei vollgeöffneter Klappe und voll ge- öffnete Kaplanlaufrad. Hier wird im Gegensatz zum vorigen Fall das Wasser so rasch wie möglich zum Laufrad gelenkt und der Drall so klein wie möglich gehalten, was aus dem grossen Ab tand der Stromfäden 6, 7 und 8 hervorgeht. Natürlich hat die Veränderung des Strömungsbildes in einem und demselben Spiralgehäuse durch die Klappe gewisse Unsymmetrieen in der Geschwindigkeitsverteilung längs des Laufradumfanges zur Folge, die aber auf den Wirkungsgrad ohne besonderen Einfluss sind. Versuche haben gezeigt, dass durch die Wirkung der Klappe die Maximalschluckung eines gegebenen Spiralgehäuses um 6-10% vergrössert werden kann, was allein schon einen Wirkungsgradgewinn bei Teillast bedeutet.
Ein weiterer, direkter Wirkungsgradgewinn folgt aus der vorhin erläuterten Erhöhung des Dralles bei kleiner Beaufschlagung und flach eingestellter Klappe.
Die Vorteile der erfindungsgemässen leitrad- losen Wasserturbine sind zusammengefasst folgende :
1. Billige Herstellung infolge Fortfall des kostspieligen Finkschen Leitapparates.
2. Einfachste Regelung, da keine Doppelregelung erforderlich.
3. Vollkommene Unempfindlichkeit gegen Schwimmkörper und Eis.
4. Guter Wirkungsgrad auch bei Teilbeauf- schlagung unter einem Viertel der Vollwassermenge.
Ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten, kann die Ausführung des Erfindunggedankens auch anders als dargestellt erfolgen.
Beispielsweise kann ein Spiralgehäuse Verwendung finden, das nicht nach einer ebenen Spirale geformt ist, sondern das eine räumliche Schraubenlinie oder eine räumliche Spirale als Erzeugende besitzt. Das Spiralgehäuse muss auch keine rechteckigen Querschnitte haben, sondern kann, wie im allgemeinen üblich, mit runden Querschnitten gebaut werden. Die Sporngegend muss dann so geformt sein, dass eine in ihrer Nähe eingebaute drehbare Klappe mit der im vorstehenden beschriebenen Wirkungsweise betätigt werden kann. Auch die Anordnung der Drehachse der Klappe in der Nähe der Spornkante kann anders als dargestellt gemacht werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Leitradlose Wasserturbine mit Spiralgehäuse und Kaplanlaufrad und einer Drehklappe in unmittelbarer Nähe des Sporns, deren Drehachse von der Spornkante entfernt liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe in ihrer Stellung für kleinste Durchflussmenge mit ihrer Nase am Sporn anliegt und dass ihre Hinterkante bei allen Durchflussmengen stets frei in der Strömung liegt.