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Kombinierte Strömungsmaschine
Es sind Strömungsmaschinen bekannt, für zwei voneinander getrennte Ströme in ein und demselben Laufrad mit hohler Nabe und hohlen Schaufeln, wobei der axiale Strom die Schaufeln aussen umströmt, der andere dagegen durch die hohle Nabe eintritt, dann in wesentlich radiale Richtung in die
Hohlräume bzw. Kanäle der Schaufeln umgelenkt wird und oben aus ihnen unmittelbar in ein Gehäuse, insbesondere Spiralgehäuse, austritt. Es sind also bei diesen kombinierten Maschinen ein Axial- und ein
Radiallaufrad in einem Schaufelrad vereinigt, so dass mit ihnen entweder gleichzeitig oder abwechselnd die Wirkung einer axialen und einer radialen Strömungsmaschine erzielt wird.
Ferner ist bekannt, dass der Radialteil nach aussen über den Umfang des Axialteiles hinaus fortgesetzt wird, so dass man die Förderhöhe des Radialteiles, die ja wesentlich von der
Umfangsgeschwindigkeit abhängt, erheblich verändern kann. Das Druckgehäuse des Radialteiles sitzt dann nicht unmittelbar auf dem rohrförmigen Axialgehäuse auf, sondern wird durch zwei ringförmige, im allgemeinen gegeneinander geneigte Zwischenteile mit ihm verbunden.
Bisher sind nur solche kombinierte Strömungsmaschinen der oben beschriebenen Bauweise bekanntgeworden, bei denen sowohl der Radialteil als auch der Axialteil als Arbeitsmaschine ausgebildet ist, so dass sie durch einen Motor angetrieben werden müssen.
Die Erfindung bezweckt den Antrieb der Maschine durch das Strömungsmedium selbst, das dann unter äusserem Überdruck stehen muss. Dies wird dem Vorschlag der Erfindung gemäss dadurch erreicht, dass der Axialteil einer kombinierten Strömungsmaschine als Propellerturbine ausgebildet wird, wobei vor dem Laufrad ein von aussen verstellbarer Leitschaufelkranz und hinter dem Laufrad ein Saugrohr angeordnet ist und ausserdem ein rohrförmiger Einlaufteil für die Pumpe, der an die äussere Begrenzung des Nabenhohlraumes mit einer Dichtung angeschlossen ist, einerseits durch Streben an der Zuflussdüse des Turbinenteiles befestigt ist und anderseits in seiner Mitte ebenfalls durch Streben ein Innenrohr trägt, in dem die Laufradwelle gelagert ist, und welcher an den inneren Begrenzungsteil des Nabenhohlraumes mit einer Dichtung oder mit einem Spalt angeschlossen ist.
Dadurch wird erreicht, dass das kombinierte Laufrad durch das durchfliessende Strömungsmedium angetrieben wird und mit seinem Radialteil einen Teil des Strömungsmediums auf erhöhten Druck bringt. Diese Anlage wirkt dann als hydraulischer Transformator, der Strömungsenergie niederen Druckes und grosser Durchflussmenge in Strömungsenergie höheren Druckes und geringerer Durchflussmenge umwandelt.
In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt ; die Fig. 1 zeigt den Längsschnitt, die Fig. 2 einen Querschnitt der kombinierten Strömungsmaschine, die Fig. 3 bis 6 Zylinderschnitte durch das Laufrad und eine Abwicklung der äusseren Laufradbegrenzung. Fig. 7 stellt eine Sonderausführung einer solchen Maschine in einer durchströmten Rohrleitung dar, die einen Teil des Strömungsmediums aus der Hauptleitung heraus in eine Druckleitung fördert.
Bei der dargestellten Strömungsmaschine, bei welcher erfindungsgemäss der Axialteil als Kraftmaschine (Turbine), der Radialteil als Arbeitsmaschine (Pumpe) ausgebildet ist, muss der Zufluss des Strömungsmediums daher unter äusserem Überdruck stehen und erfolgt für den Pumpen- und Turbinenteil durch ein gemeinsames Zuflussrohr --1--. Hinter dem Anschlussflansch dieses
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Zuflussrohres teilt sich die Strömung wieder in einen grösseren äusseren Zweig (durch den Pfeil--2-- angedeutet), der durch den Axialteil (Turbinenteil) der Maschine strömt und dadurch das Laufrad antreibt, und einen kleineren inneren Zweig (durch pfeil --3-- angedeutet), der in den Radialteil (Pumpenteil) der Maschine eintritt und durch die Schaufelkanäle fliesst,
wobei er durch die Drehung des
Laufrades auf einen wesentlich höheren Druck gebracht wird als vor dem Eintritt in das Laufrad. Das
Ganze ist also ein "Hydraulischer Transformator", bei dem der grössere Teil des Strömungsmediums seine Energie an den kleineren abgibt. In Wasser arbeitend, kann diese Maschine also durch eine relativ grosse Menge mit kleiner Fallhöhe angetrieben werden und einen Teil davon auf eine entsprechend grössere Höhe fördern, ähnlich wie ein Hydraulischer Widder.
Der Zufluss in den Turbinenteil erfolgt durch die stark verengte Düse--4--, während der Zufluss zum Pumpenteil durch ein nur wenig oder gar nicht verengtes feststehendes Einlaufstück - erfolgt, das an den Aussenmantel des rotierenden Nabenhohlraumes --6-- durch eine Labyrinthdichtung --7-- anschliesst. Das Einlaufstück --5-- ist einerseits aussen an der Düse --4-- durch flache stromlinienförmige Streben --8-- befestigt und trägt anderseits in seiner Mitte durch ebensolche Streben --9-- ein Innenrohr --10--, in dem die Laufradwelle --11-- gelagert ist und das an den inneren Begrenzungsteil des Nabenhohlraumes --6-- mit geringem Zwischenraum anschliesst.
Der Einlaufteil dieser kombinierten Turbinenpumpe ist deshalb so ausgebildet, weil im Turbinenteil eine grössere Meridiangeschwindigkeit vorhanden sein muss als im Pumpenteil. Übrigens ist auch bei andern kombinierten Strömungsmaschinen die Meridiangeschwindigkeit des Axialteiles im allgemeinen grösser als die des Radialteiles.
Der Axialteil der in Fig. 1 dargestellten kombinierten Turbinenpumpe zeigt geringe Abweichungen gegenüber andern kombinierten Strömungsmaschinen, bei denen auch der Axialteil eine Arbeitsmaschine ist. Der Leitschaufelkranz --12-- dient hier nicht nur als Absperrorgan, sondern zur Erzeugung des für den Betrieb der Turbine unbedingt erforderlichen Vordralls. Durch den Verstellmechanismus (in Fig. 1 nicht eingezeichnet) des Leitschaufelkranzes-12-kann der als Rohrturbine ausgebildete Axialteil der Maschine in an sich bekannter Weise einer wechselnden Zuflussmenge des Strömungsmediums angepasst werden. Am Ende des Turbinengehäuses --13-- ist ein Saugrohr - angeflanscht, das durch seine Diffusorwirkung den grössten Teil der restlichen Strömungsenergie, die sonst hinter dem Laufrad noch vorhanden wäre, verwertet.
Der Nabenhohlraum-6--, welcher als Einsaugmund des Pumpenteiles dient, ist bei Turbinenpumpen im allgemeinen länger ausgebildet als bei andern kombinierten Strömungsmaschinen, weil durch den Leitkranz --12-- des Turbinenteiles eine Verlängerung des Turbinengehäuses --13-- notwendig wird. Diese Verlängerung des Nabenhohlraumes gestattet einen strömungstechnisch günstigen Übergang in die Schaufelhohlräume Bei Turbinenpumpen wird im allgemeinen ein hohes Förder-Fallhöhenverhältnis erwünscht sein, deswegen ist in Fig. l auch eine verhältnismässig grosse Verlängerung--15a-der Schaufelkanäle über das Ende der Schaufeln --16-- nach aussen eingezeichnet.
(In vielen Fällen wird aber eine noch grössere Verlängerung notwendig sein. ) Der verdickt ausgeführte Radkranz--17--mit seiner Abdichtung --17a-- gegen das Gehäuse-13-, sowie das Zwischenstück-18-, welches das weiter aussen liegende Spiralgehäuse --19-- mit dem Axialgehäuse-13-verbindet, ermöglicht also erst die Ausführung von Turbinenpumpen mit einem Förder-Fallhöhenverhältnis, wie es die Praxis verlangt.
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2,Leitapparat --12-- des Turbinenteiles und der äusseren Einlaufdüse --4-- abgenommen ist, zeigt die starke Verdickung des Radkranzes-17--.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen abgewickelte Zylinderschnitte einer Laufradschaufel-16-ganz innen an der Nabe, in der Mitte und aussen. Man erkennt die Nabenhohlräume --15--, welche durch Zwischenwände in Kanäle mit etwa gleichen Querschnittsflächen unterteilt sind.
Fig. 6 zeigt die Abwicklung des Radkranzes--17-von aussen, so dass man erkennen kann, wie die Querschnitte der Laufradkanäle-15-in den Laufradschaufeln-16--, von der dort durch die Flügelprofile bedingten Form, im Radkrans-17- (wo die Verlängerungen der Laufradkanäle mit-15a-bezeichnet werden), langsam so umgeformt werden, dass man rechteckige Austrittsquerschnitte erhält. Dies bedingt gleichmässigere Strömungsverhältnisse im Leitapparat hinter dem Radialteil des Laufrades, was im Spiralgehäuse durch die geringeren Austauschverluste verbesserte Strömungsverhältnisse bewirkt.
In Fig. 6 sind die Austrittsöffnungen, in welche die Laufradkanäle aus einer Schaufel münden, nur durch schmale Wände getrennt, während sich dazwischen grössere Unterbrechungen befinden. Ist jedoch der Radkranz-17-bei einer Maschine mit höherem
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Förder-Fallhöhenverhältnis noch dicker und besteht gleichzeitig ein grösseres Überdeckungsverhältnis bei den Schaufeln des Axialteiles, so können diese Unterbrechungen zwischen den Austrittsöffnungen so verkleinert werden, dass sie nicht breiter sind als die Wände zwischen den einzelnen Kanälen einer Schaufel.
Ist das Strömungsmedium bei einer solchen Turbinenpumpe Wasser, so kann man mit ihr z. B. ein zur Verfügung stehendes geringes Gefälle eines Wasserlaufes dazu ausnützen, um einen Teil der durch die Maschine fliessenden Wassermenge über eine an das Spiralgehäuse angeschlossene Steigleitung einem hochgelegenen Verbraucher zuzuführen.
In Fig. 7 ist noch eine abgewandelte Anordnung einer Turbinenpumpe dargestellt, die auch für Luft als Strömungsmedium verwendet werden kann, wobei der Axialteil dann als Luft-Propellerturbine, der Radialteil als Gebläse arbeitet. In der Mitte eines grösseren Rohres der Hauptleitung --20-- ist eine Venturidüse --21-- fest montiert, in die eine Turbinenpumpe der in der Fig. 1 gezeigten Bauart eingebaut ist. Die innere Begrenzung des Venturirohres --21-- entspricht der Einlaufdüse-4-, dem Axialgehäuse --13-- und dem Saugrohr --14-- der Turbinenpumpe. Das Spiralgehäuse - für den Pumpen- bzw.
Gebläseteil ist zwischen innerer und äusserer Begrenzung des
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durchbricht und aussen in einem Flanschanschluss --22a-- für eine Steig-bzw. Druckleitung endet. Durch diese Vorrichtung kann aus einer Hauptleitung durch relativ geringfügige Absenkung des Druckes in ihr eine kleine Menge des Strömungsmediums mit erhöhtem Druck entnommen werden, dabei ist es gleichgültig, ob das Strömungsmedium flüssig oder gasförmig ist. Man kann z. B. aus einer Hauptwasserleitung mit entsprechender Strömungsgeschwindigkeit, deren Druck aber nicht ausreicht einige höher gelegene Objekte zu versorgen, mit Hilfe dieser Vorrichtung die erforderliche Wassermenge mit dem nötigen Druck entnehmen und erspart dadurch den Motor samt Stromversorgung zum Antrieb einer eigenen Pumpe in der Steigleitung.
Natürlich kann man auch eine kombinierte Turbinenpumpe nach Fig. 1 direkt zwischen zwei Flanschen der Hauptwasserleitung anschliessen und erreicht damit einen ähnlichen Effekt wie mit der Vorrichtung nach Fig. 7.
Aber auch in offener Strömung, sei sie flüssig oder gasförmig, kann ein Gerät, ähnlich wie in Fig. 7 dargestellt, Verwendung finden, zur Förderung einer im Verhältnis zur Gesamtströmung kleinen Menge gegen einen Überdruck, der grösser ist als der Druck der ursprünglichen Strömung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kombinierte Strömungsmaschine für zwei voneinander getrennte Ströme in ein und demselben Laufrad mit hohler Nabe und hohlen Schaufeln, bei welcher die Schaufeln von einem Strom im wesentlichen axial umströmt und von andern Strom im wesentlichen radial durchströmt werden, wobei der Aussenmantel des Rades, welcher die Schaufeln verbindet und welcher die beiden Ströme voneinander trennt, als Ring ausgebildet ist, der nur von den Mündungen der Schaufelhohlräume
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als an sich bekannte Rohrturbine mit einem von aussen verstellbaren Leitschaufelkranz (12) und einem Saugrohr (14) ausgebildet ist, wobei ein rohrförmiger Einlaufteil (5) für die Pumpe, der an die äussere Begrenzung des Nabenhohlraumes (6) mit einer Dichtung (7) angeschlossen ist,
einerseits durch im Querschnitt vorzugsweise stromlinienförmig ausgebildete Streben (4a) an der Zuflussdüse (4) des Turbinenteiles befestigt ist, und der anderseits in seiner Mitte durch ebensolche Streben (9) ein Innenrohr (10) trägt, in dem die Laufradwelle (11) gelagert ist und welches an den inneren Begrenzungsteil des Nabenhohlraumes (6) mit einer Dichtung z. B. Labyrinthdichtung, oder mit einem Spalt angeschlossen ist.
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