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Die Erfindung betrifft eine Freistrahlturbine mit einer als Ringkanal ausgebildeten Druck- rohrleitung und mit dieser verbundenen Düsen, wobei die vertikale, zentrisch im Ringkanal angeordnete Turbinenwelle an einem mit dem Ringkanal verbundenen Gehäuse bzw. Deckfläche eines Turbinenraumes gelagert ist.
Derartige Freistrahl- bzw. Peltonturbinen haben den Vorteil eines im weiten Lastbereich guten Wirkungsgrades sowie eine gute Regelfähigkeit. Die spiralförmig um die Turbine herum- geführte Druckrohrleitung mit radial abstehenden, mit ihrer Längsachse parallel zur Turbinen- drehebene angeordneten Rohrstutzen zum Anschluss der auf die Turbine gerichteten Düsen ist jedoch relativ aufwendig und nur mit bestgeschulten Arbeitskräften herstellbar. Es ist auch gemäss CH-PS Nr. 90548-eine Freistrahlturbine bekannt, deren Tubinenwelle an der Deckfläche des Turbinenraumes gelagert ist. Die Turbine weist mehrere Düsen auf, die durch Öffnungen eines Turbinenhauses geführt sind.
Es ist aber auch - gemäss US-PS Nr. 553, 097-eine Freistrahlturbine bekannt, deren Turbi- nenwelle mit ihrem unteren Ende auf einer Plattform gelagert ist. Diese ist durch einen im
Querschnitt rechteckigen Ringkanal begrenzt, auf dem eine Vielzahl von Düsen angeordnet ist.
Eine derartige Freistrahlturbine erfordert jedoch noch die Fertigstellung eines Turbinenraumes an Ort und Stelle, was jedoch insbesondere in unwegsamem Gelände sehr schwierig und unwirt- schaftlich ist.
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eine Freistrahlturbine der eingangs beschriebenen Art, die auf einfache Weise am Einsatzort aufstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Turbine in einem geschlossenen Ringkanalgehäuse bzw. Turbinenraum angeordnet ist. Eine derartige Kombination einer Freistrahlturbine mit einem geschlossenen Ringkanalgehäuse bzw. Turbinenraum ist in besonders vorteilhafter Weise als kompakte Einheit am Herstellungsort komplett montierbar, so dass am Einsatzort in einfacher Weise lediglich die Befestigung des Ringkanalgehäuses auf einem vorbereiteten Fundament erforderlich ist. Damit besteht die Möglichkeit, Wasserkraft auch im unwegsamen Gelände in wirtschaftlicher Weise auszunutzen.
Gemäss einer bevorzugten Variante der Erfindung ist ein Generator, ein Regler und eine Schalttafel mit dem Turbinenraum als bauliche Einheit verbunden. Ein derartiges kompaktes Kleinkraftwerk ist in wirtschaftlicher Weise serienmässig herstellbar und erfordert für die Montage am Einsatzort lediglich geringen Aufwand, so dass sich der rasche Einsatz in entlegenen Orten von Entwicklungsländern besonders eignet. Eine derartige Turbinenkonstruktion in hydraulich hochwertiger Ausfertigung ermöglicht besonders hohe Wirkungsgrade von über 80% und einen sehr grossen Regulierbereich der Durchgangswassermenge mit flachem Wirkungsgradverlauf.
Ausserdem wird mit der erfindungsgemässen Ausführung die Lücke im Leistungsbereich zwischen den herkömmlichen ein- bis zweidüsigen Peltonturbinen und den schlecht regulierbaren Francisturbinen geschlossen.
Ein erfindungsgemäss ausgebildeter Ringkanal ist besonders einfach herstellbar und für die Schaffung eines die Turbine aufnehmenden, geschlossenen Raumes besonders geeignet, in dem gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Seitenwand des Turbinenraumes als Verlängung einer vertikalen Innenwand des im Querschnitt rechteckigen Ringkanals über die Höhe der Düsen hinaus verlängert ausgebildet ist, dass an der verlängerten Innenwand Öffnungen zum Durchlass der Düsen vorgesehen und die Öffnungen gegenüber den Düsen abgedichtet sind. Ein derartig ausgebildetes Kleinkraftwerk kann in vorteilhafter Weise zur Gänze im Herstellungswerk fertiggestellt werden, so dass im entlegenen Aufstellungsort mit Ausnahme eines Fundamentes keine weiteren Bauten bzw. Montagearbeiten durchzuführen sind.
Der Ringkanal kann aber auch gemäss einer andern vorteilhaften Variante der Erfindung aus wenigstens zu einem gleichmässigen Sechseck zusammengeschweissten Rohren gebildet sein. wobei diese Form sich durch besonders einfache Herstellung und robuste Ausbildung auszeichnet.
Die Öffnungen des Ringkanals können gemäss einer andern vorteilhaften Variante der Erfindung in Richtung zur Düse hin verengt ausgebildet sein, wobei der kleinste Durchmesser der Öffnung grösser als der Durchmesser der Düsenkammer ist, wodurch der erforderliche Druckaufbau
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in Richtung zur Düsenöffnung stattfindet.
Sind gemäss einer weiteren Variante der Erfindung an der Unterseite des Ringkanals in dessen Längsebene angeordnete Flansche vorgesehen, so ist eine besonders einfache Fixierung des als Kleinkraftwerk ausgebildeten Ringkanals mitsamt dem Turbinenraum der Turbine und dem Generator auf einem vorbereiteten Fundament möglich.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Ringkanal gemäss der Erfindung und Fig. 2 einen Schnitt durch den Ringkanal gemäss Fig. l mit einer Turbine und einem Generator, Fig. 3 und 4 einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 und 6 eine Seitenanbzw. Draufsicht einer weiteren Ausführung gemäss der Erfindung, Fig. 7 und 8 verschiedene Ring- kanalausbildungen.
Gemäss Fig. 1 setzt sich ein kreisförmig ausgebildeter und im Querschnitt rechteckiger Ringkanal --1-- im wesentlichen aus einer Bodenplatte --2--, zwei zueinander parallelen vertikalen Wänden --3-- und einer Deckplatte --4-- zusammen. Diese weist in gleichmässigen Abständen zueinander angeordnete kreisförmige Öffnungen --5-- auf. An der äusseren Seitenfläche --3--- ist ein radial abstehender Einlassstutzen --6-- mit einem Flansch --7-- zum Anschluss des Ring-
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--1-- istBodenplatte --2-- sind radial abstehende Flansche --9-- zur Fixierung des Ringkanals --]-auf einem Fundament befestigt. Auf den Öffnungen --5-- sind mittels Flansche --10'-- Düsen --10-- angeordnet, von denen der Einfachheit halber in Fig. 1 zur zwei dargestellt sind.
Es kann jedoch beispielsweise für eine kleine Turbine auch jede zweite Öffnung --5-- durch einen Deckel abgeschlossen sein. Die durch einen Elektromotor --11-- um eine vertikale Achse drehbaren und auf einem Strahldurchmesser --12-- tangential einstellbaren Düsen --10-- weisen im Bereich der Düsenöffnung einen Strahlablenker auf, welcher bei eintretendem Leistungsverlust in den Wasserstrahl eingeschwenkt wird, wobei dieser je nach Bedarf vom Laufrad abgelenkt wird. Zur Leistungsregelung ist eine in einer Düsenkammer --13-- angeordnete und durch ein Handrad axial verstellbare Düsennadel vorgesehen. Der Durchmesser der Düsenkammer --13-- ist im Vergleich zum Durchmesser der Ringkanal-Öffnungen --5-- kleiner ausgebildet.
Die vertikale Innenwand --3-- des Ringkanals --1-- ist über die Höhe der Düsen --10-- hinaus verlängert ausgebildet und bildet gemeinsam mit einer horizontalen Deckfläche --14-einen geschlossenen Turbinenraum --15--. Der verlängerte Teil der Innenwand --3-- weist kreisförmige Öffnungen --16-- zum Durchlass der Düsen --10-- auf, deren Durchmesser grösser als der Durchmesser der Düsenkammer --13-- ausgebildet ist. Der somit gebildete Ringspalt wird zur Vermeidung eines Austritts von Spritzwasser verkittet bzw. mit einer Gummidichtung abgedichtet. An der Deckfläche --14-- ist die vertikale Welle einer Frei strahl-bzw. Peltontur- bine --17-- gelagert.
Deren Drehbewegung wird mittels einer Riemenscheibe --18-- und eines
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und die Turbine --17-- mit dem Ringkanal --1-- verbunden.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den im Querschnitt kreisförmigen Ringkanal --1-- und dem Turbinengehäuse --15-- mit einem auf dem Gehäuse --15-- angeordneten Generator --20--. Die Turbine --17-- ist eine vertikalachsige Freistrahlturbine (Pelton) mit einer maximalen Düsenzahl von sechs. Durch Reduzierung der Düsenzahl auf fünf, vier eventuell drei, kann trotz vorgefertigter Teile die maximale Schluckfähigkeit der Turbine um ein Fünftel zwei Sechstel oder drei Sechstel reduziert werden, was eine gute Anpassungsfähigkeit an die in der Natur vorkommenden Verhältnisse ermöglicht.
Die einzelnen Teile, wie Gehäuse --15--, insbesondere Ringleitung-l-, Düsen-10- Laufrad und Lagerung werden auf den maximalen Betriebsdruck bemessen vorgefertigt. Der Strahlkreisdurchmesser jeder Baugrösse soll ohne Rücksicht auf die Fallhöhe gleichbleiben, um auch eine Serienfertigung des Laufrades zu ermöglichen. Da die Turbinendrehzahl im wesentlichen von Fallhöhe und Strahlkreisdurchmesser abhängt, ändert sich daher auch die Drehzahl der Turbine mit der Fallhöhe, und es sind nur einige Fallhöhenbereiche, die eine synchrone Drehzahl
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ermöglichen und somit eine direkte Kupplung des Generators.
In allen andern Fällen wird die synchrone Generatordrehzahl (normalerweise 1500 Umdr/min bei 50 Hz bzw. 1200 oder 1800 Umdr/min bei 60 Hz) durch entsprechend angepasste Über- oder Untersetzung von der Turbinenwelle mittels stehendem Stirnradgetriebe oder Riementrieb (Flach- oder Keilriemen) erreicht. Durch entsprechende
Wahl der Riemenscheibendurchmesser ist es möglich bei beliebigen Turbinendrehzahlen eine mög- lichst hohe synchrone Generatordrehdrehl zu erzielen.
In Fig. 5 ist eine erfindungsgemässe Kompaktanlage mit Ringleitung --1--, Turbinengehäuse - -15--, Generator --20--, einem Regler --30-- und einer Schalttafel --31-- ersichtlich, die zusammen eine einstückige, auf einem Betonfundament --32-- befestigte Einheit bilden.
Eine derartige Bauform ermöglicht neben dem bereits erwähnten Fallhöhenbereich von 20 bis 100 m die wirtschaftliche Ausnutzung eines Leistungsbereiches von zirka 5 bis 250 kW pro
Maschinensatz. Die Generatorgrösse bzw. Generatorleistung wird für jeden einzelnen Bedarfsfall separat festgelegt. Es kommt zweckmässigerweise ein vertikalachsiger Generator der Bauform VI in Frage, wobei sowohl ein synchron als auch ein asynchron Generator verwendet werden kann. Die Drehzahlregulierung erfolgt durch Verstellen der Strahlablenker bekannter Bauart, wodurch selbst bei raschen Regulierbewegungen keine Druckstösse in der Rohrleitung entstehen.
Die Anpassung der Turbinenleistung an die vorhandene Wassermenge, welche normalerweise grossen jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen ist, erfolgt auf herkömmliche Art über verstellbare
Düsennadeln.
Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch das Ringgehäuse in gegossener Ausführung im Grundriss.
Bei der zweckmässigerweise gewählten Radialzuströmung wird der Wasserstrom im Betrieb auf beide Seiten aufgeteilt, um dann zu den vertikal angeschlossenen Düsen von beiden Seiten zu gelangen.
Fig. 8 zeigt als Variante einen Ringkanal aus geschweissten Rohren mit eingeschweisstem Gehäuse zweckmässig in Sechseckform. Dabei ist in strichlierten Linien als Variante zur axialen Zuströmung auch die Möglichkeit einer tangentialen Einströmung dargestellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Freistrahlturbine mit einer als Ringkanal ausgebildeten Druckrohrleitung und mit dieser verbundenen Düsen, wobei die vertikale, zentrisch im Ringkanal angeordnete Turbinenwelle an einem mit dem Ringkanal verbundenen Gehäuse bzw. Deckfläche eines Turbinenraumes gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (17) in einem geschlossenen Ringkanalgehäuse bzw. Turbinenraum (15) angeordnet ist.