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Kreiselmaschine.
Im Patente Nr. 74388 ist eine Kreiselmaschine (Wasser-, Dampf-oder Gasturbine, Kreiselpumpe oder-gebläse) beschrieben, deren Leitvorrtchtung so ausgebildet ist, dass das Arbeitsmittel ihr in radialer oder angenähert radialer Richtung zu-bzw. von ihr abgeführt wird. Das Laufrad hingegen ist mit vorwiegend axial beaufschlagten Schaufelräumen ausgestattet. Soll daher die Kreiselmaschine als Turbine wirken, so erfordert die im Wesen axiale Beaufschlagung des Laufrades eine Ablenkung des Arbeitsmittels in der Leitvorrichtung, zu welchem Zwecke die erwähnten Laufschaufelräume den Stirnkanten-der Leitschaufeln zugehörig bzw. benachbart sind.
Durch eine derartige Lei-und Laufschaufelanordnung wird daher schon das zwischen den Leitschaufeln geführte Arbeitsmittel aus seiner ursprünglichen Eintrittsrichtung in erheblichem Masse abgelenkt, weil es auch mindestens längs eines Teiles der Stirnkanten der Leitschaufeln austreten kann. Soll die Kreiselmaschine als Pumpe wirken, so ist nur eine Umkehrung der Strömungsrichtung erforderlich. Der grössere Teil des Arbeitsmittels durchfliesst sodann das
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aus dieser Richtung abgelenkt und verlässt die Leitvorrichtung in wesentlich radialer Richtung.
Die Erfindung bezweckt nun, die Reibungswiderstände derartiger Kreiselmaschinen zu verringern, die bisher erreichte spezifische Drehzahl zu erhöhen und die Unempfindlichkeit des Wirkungsgrades gegenüber Drehzahl-und Belastungsschwankungen zu vergrössern. Dies wird dadurch erreicht, dass bei einer Maschine nach dem Patente Nr, 74388 die Leitschaufeln so-weit verkürzt werden, dass ihre Austritts- (Eintritts-) Kanten in einer Entfernung von der Achse liegen, die gleich oder grösser ist, als der grösste Halbmesser der Laufrad-Eintritts- (Austritts-) Kanten. Es entsteht dann zwischen den Lei-und Laufschaufeln ein schaufelloser Leitradraum, in dem der grösste Teil des Arbeitsmittels um 900 oder nahezu um 900 abgelenkt wird.
Fig. i der Zeichnung stellt den Schnitt der linken Hälfte einer Wasserturbine vor, die eine Leitvorrichtung mit drehbaren Leitschaufeln. Si und ein aus der Vereinigung einer FrancisTurbine mit einer Axialturbine hervorgegangenes Laufrad besitzt, und Fig. 2 zeigt den Grundriss bei abgenommenem Leitrad-und Turbinendeckel. Fig. 3 veranschaulicht die linke Hälfte eines Zwillingslaufrades, das gleichfalls die erwähnte Vereinigung der beiden Turbinenarten zum Ausdruck bringt und durch eine lotrechte, durch die Turbinenachse gelegte Ebene geschnitten ist. Fig. 4 stellt die Verbindung einer mit Drehschaufeln versehenen Leitvorrichtung mit einem im Wesen axial beaufschlagten Laufrad vor und Fig. 5 zeigt die Zwillingsanordnung der gleichen Laufradform.
Der einfacheren Darstellungsweise wegen sollen die weiteren Angaben hauptsächlich auf Wasserturbinen eingeschränkt werden, doch sind sie sinngemäss auf alle anderen Arten von Kreiselmaschinen der angegebenen Art anzuwenden.
Da bekanntlich die Wasserreibungsverluste nicht nur von der Schaufellänge, sondern auch vom hydraulischen Halbmesser der Schaufelkanäle abhängen, so ergibt jede Leitradanordnung um so grössere Verluste an Flüssigkeitsreibung, je näher die Leitschaufelaustrittskanten an die Laufradwelle heranrücken, weil die lichten Weiten zweier Nachbarschaufeln mit der Annäherung an die Laufradwelle ebenfalls abnehmen, Eine Verringerung der Wandreibungsverluste lässt sich daher erzielen, wenn ein hauptsächlich mit axial beaufschlagten Schaufelräumen versehenes Laufrad durch eine Leitvorrichtung beaufschlagt wird, deren Leitschaufelstirnkanten entweder gar. nicht oder nur in unerheblichem Masse über den Saugrohrraum, bzw. über das Laufrad hineinragen. Eine derartige Leitvorrichtung ist in den Fig. 1 bis 5 dargestellt.
Die Leitschaufeln sind in der Regel um die Achsen M M drehbar angeordnet, und diese Verstellbarkeit ermöglicht die gewünschte Regelung der Wassermenge. Da demnach die Stirnkanten der Leitschaufeln gar nicht oder nur in untergeordnetem Masse zur Führung des Wassers herangezogen werden, so durchfliesst das Wasser eine solche Leitvorrichtung in wesentlich radialer Richtung. Dadurch wird im Vereine mit der hauptsächlich axial beaufschlagten Laufradform bewirkt, dass zwischen Lei-und Laufrad ein schaufelloser Leitradraum Ro gebildet wird,
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und 5 zeigen, in denen durch 2 und 3 einige Wasserwege angedeutet sind. Derartige Wasserwege können bekanntlich mit Hilfe des meridionalen Strombildes gewonnen werden.
Je mehr sich
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wände beeinflusst und desto geringer sind infolgedessen die bei unrichtiger Winkelstellung auftretenden Verluste. Dagegen haben die äusseren Schaufelteile den Vorteil kürzerer Wasserwege, wie es ihrer Wichtigkeit für die bei bestimmten Drehzahlen gewünschte gute Energieübertragung entspricht.
Aus den Ausführungsbeispielen ist aber auch ersichtlich, dass durch die geschilderte Ausbildung des schaufellosen Leitradraumes wenigstens der grössere Teil des diesen Raum durchströmenden Wassers eine Ablenkung um etwa 900 erfährt, ohne auf diesem Wege den energieverzehrenden Einfluss besonderer Führungsflächen (Leit-oder Laufradschaufeln) ausgesetzt zu sein. Eine solche Ablenkung des Wassers entspricht durchaus dem natürlichen Strömungsverlauf des Wassers zu, einem in axialer Richtung durchflossenen Rohre oder mit anderen Worten, eine derartige Ablenkung muss auch dann eintreten, wenn das Wasser ohne irgendwelche Führungswände, also z. B. nach Entfernung des Lei-und Laufrades, dem Saugrohre zuströmen würde.
Zieht man noch die grossen Geschwindigkeitsänderungen in Betracht, die bei jeder Ablenkung der Flüssigkeit aus seiner geradlinigen Bahn auftreten müssen, und die grossen Widerstandsverluste, die jedem radial beaufschlagten Schaufelraume schon wegen seiner Lage zur Turbinenwelle anhaften, so ist es auch vom Standpunkte der neueren Strömungslehre leicht verständlich, dass eine mit einem derartigen schaufellosen Leitradraum ausgestattete Turbine die Erreichung erheblich grösserer spezifischer Drehzahlen erlaubt, als dies bei den üblichen Bauweisen möglich ist.
Wie aber auch bei der Zuströmung des Wassers zu einem Rohre durch entsprechende Abrundung der Eintrittsmündung die sonst auftretenden schädlichen Wirbelbildungen vermieden werden können, so ist im schaufellosen Leitradraum ebenfalls durch eine entsprechende Abrundung der äusseren Laufradbegrenzung bzw. der Saugrohrflansche, für eine allmähliche Richtungsablenkung des Wassers in diesem Raume zu sorgen. Der Strömungsvorgang vollzieht sich demnach folgendermassen : Durch die Leitschaufeln SI wird das Wasser gezwungen, die Leitradaustrittskanten ao, ao unter dem gewünschten Leitradaustrittswinkel zu verlassen und mit einer wesentlich radial gerichteten Meridiangeschwindigkeit in den schaufellosen Leitradraum Ro (Fig. 1, 3, 4 und 5) einzuströmen.
In diesem Raum wird nunmehr entweder der grössere Teil des Wassers (Fig. 1, 2 und 3) oder die ganze Wassermenge (Fig. 4 und 5) aus der radialen in die axiale oder angenähert axiale Richtung abgelenkt, um die gewünschte axiale
Beaufschlagung des Laufrades zu bewirken. In den Fig. i und 4, in denen einfache Laufräder dargestellt sind, erfolgt die geschilderte Ablenkung im Sinne der Pfeile 2, wogegen im Falle eines Zwillingslaufrades (Fig. 3 und 5) diese Ablenkung im Sinne der Pfeile 2 und 3 erfolgt.
Nur für den Fall, dass. das Laufrad aus der Verbindung eines Francis-Turbinenlaufrades mit einer
Axialturbine erhalten gedacht werden kann (Fig. i und 3), fliesst ein kleiner Teil der im Leitradraum radial eintretenden Wassermenge wenigstens angenähert in dieser Richtung dem Laufrade
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das Wasser besonders'zu den der Turbinenwelle benachbarten Schaufelräumen durch die Leitschaufeln nicht mehr geführt wird, doch ist der dadurch unter Umständen auftretende Wirkungsgradabfall gegenüber den sonstigen durch die geschilderte. Ablenkung des Wassers im Leitradraum erzielten Vorteilen von keiner Bedeutung. So ist z. B. bekannt, dass bei vielen Turbinenanlagen die der Turbinenberechnung zugrunde gelegte Wassermenge nicht immer zur Verfügung steht.
In solchen Fällen wird daher eine Turbine, die zwar einen kleineren Höchstwirkungsgrad.
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Forderungen abweichende Verteilung der längs der Stirnkanten vorhandenen Leitradwinkel den Strömungsverlauf nicht mehr beeinflussen.
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nicht an eine engbegrenzte Lage der Leitradaustrittskanten. ao, ao gebunden sind. Auch die im Ausführungsbeispiele nach Fig. I gestrichelt angegebene Lage a, a erfüllt den gewünschten Zweck.
Ebenso lässt sich dieser-durch feste oder drehbare Leitschaufeln von entsprechender Höhe erreichen, deren Austrittskanten entweder nach geraden Linien (ao, ao in den Fig. I, 3 : 4
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und 5), sofern wenigstens der grössere Teil des Laufrades die gewünschte axiale Beaufschlagung erfährt und die vorgeschriebene Form des schaufellosen Leitradraumes gesichert ist. Selbstverständlich richtet sich diese Form auch nach. der Ausbildung des Leitraddeckels bzw. der inneren Laufradbegrenzung. : In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. i und 4 ist der Leitraddeckel B eben gedacht, doch kann er auch nach den gestrichelt eingezeichneten Erzeugenden B1 gekrümmt sein. Durch eine derartige Krümmung des Leitraddeckels wird bei einem nach Fig.
I ausgebildeten Laufrade der radiale-Schaufelraum verkleinert, also die Schnelläufigkeit des Rades erhöht. Die obere Laufradbegrenzung eines zu einer derartigen Deckelkrümmung passenden Laufrades ist in Fig. i durch'die gestrichelt gezeichnete Erzeugende E angedeutet. In Fig. 5 ist schliesslich eine scheibenförmige Verbreiterung der Laufradnabe gestrichelt eingezeichnet, welche Verbreiterung eine zweckmässige Verteilung des vom Schaufelspalt in die beiden Laufräder abfliessenden Wassers fördern soll.
Eine nach der Erfindung ausgebildete Kreiselmaschine lässt sich überall dort verwenden, wo ein geordneter Strömungsverlauf im Leit- und Laufrade gesichert ist. Ein solcher Strömungszustand findet bekanntlich nicht nur bei allen Turbinen (Wasser-, Dampf-oder Gasturbinen). sondern auch bei den Kreiselpumpen und -gebläsen statt.