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Laufrad für sehnellaufende Wasserturbinen.
Zur Erhöhung des Drehwertes, d. h. der spezifischen Drehzahl ns, wurde die Umfangsgeschwindigkeit der Laufräder fortwährend gesteigert und man ist heute schon bei Werten angelangt, die bei i in Gefälle am äusseren Radkranz 7 m/Sek. und mehr betragen. Das Durchziehen des Radkranzes durch die umgebenden Wasserschichten mit so bedeutenden Geschwindigkeiten hat beträchtliche Energieverluste durch Reibung zur Folge, die im Verhältnis stehen zur dritten Potenz der Geschwindigkeit und zur ersten Potenz der benetzten Oberfläche des Radkranzes. Man hat deshalb bereits vorgeschlagen, die Laufräder solcher Turbinen ohne äusseren Kranz auszuführen, doch ist mit dessen Weglassen der Nachteil verbunden, dass die Laufschaufeln ihre gegenseitige Abstützung an den äusseren Enden verlieren.
Denn, wird nach Fig. I der Zeichnung dieser äussere Radkranz weggelassen, so weicht die Laufschaufel unter dem Druck des arbeitenden Wassers im Sinne des Pfeiles aus. Sie nimmt eine um die Einspannstelle 1 t-. 9 am inneren Radkranz als Dreh-bzw. Biegungsachse sich vollziehende Formänderung an, der unter Umständen eine über der Elastizitätsgrenze des Werkstoffes liegende Biegungsbeanspruchung entspricht. Soll also keine, unter Umständen sogar bleibende Formänderung der Schaufeln eintreten, so muss auf irgendeine Weise die durch das Wegfallen der äusseren Radbegrenzung verloren gegangene Stützung der Schaufeln ersetzt werden.
Die Formänderung der Schaufeln gleichviel ob elastisch oder bleibend, muss auch aus dem Grunde verhindert werden, weil damit eine Vergrösserung des Spaltes s zwischen den Schaufelenden und dem sie umschliessenden Untersatz a des Leitrades verbunden ist, die eine unzulässige Vermehrung des an dieser Stelle unvermeidlichen Wasserverlustes (Spaltverlustes) zur Folge hat.
Fig. 2 stellt die Abwicklung des Schnittes d-d nach Fig. i dar. Darnach kann dieser Formänderung vorgebeugt werden, indem jeweils zwischen zwei Schaufeln ein Verbindungsstück b eingelegt und an seinen Enden mit den Schaufeln vernietet-wird. Diese Verbindungsglieder b werden zweckmässigerweise so gestaltet und angeordnet dass immer-die einander zugekehrten Enden von zwei benachbarten Gliedern b mit einer Niete an der betreffenden Schaufel befestigt werden, wie Fig. 2 zeigt. Sämtliche Verbindungsglieder zusammen bilden alsdann einen geschlossenen, starren Ring, der sich durch die Schaufelgruppe hinzieht und den Schaufeln die nötige Standfestigkeit gegenüber dem Arbeitsdruck des Wassers verleiht.
Das Streben der Schaufeln, im Sinne des Pfeiles (Fig. i) auszuweichen und mit ihren äusseren Enden auf einen kleineren Durchmesser zu wandern, wird derart verhindert, weil die Verbindungsglieder b die mit einer solchen Wanderung verbundene Kürzung ihrer Länge nicht mitmachen können. Der geschlossene Ring von Verbindungsgliedern b wird also auf Druck beansprucht, indem er den an seinem Umfang verteilten, radial nach innen wirkenden Kräften Widerstand leistet. Fig. 3 zeigt das Glied b von oben gesehen.
Die Verbindungsglieder b müssen selbstverständlich so geformt werden, dass sie den Durchfluss des Wassers so wenig wie möglich behindern. Der durch sie gebildete Stützring besitzt einen erheblich kleineren Durchmesser als der äussere Radkranz, so dass infolge der am Stützring auftretenden, entsprechend geringeren Wassergeschwindigkeiten auch kleinere Energieverluste auftreten, da ja diese mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit abnehmen. Aber auch die vom Wasser benetzte Oberfläche des Stützringes beträgt nur einen Bruchteil jener des äusseren Radkranzes, wodurch eine weitere Verminderung der Energieverluste bedingt ist. Der angestrebte Zweck, die Schaufeln bei möglichst geringen Energieverlusten wirksam zu stützen, wird also voll und ganz erreicht.
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Die Verbindung der Glieder b mit den Schaufeln kann ebensogut durch Verschrauben oder Verschweissen erfolgen.
An Stelle des aus einzelnen Gliedern zusammengesetzten Stützringes kann auch ein durchlaufender Stützring aus einem Stücke vei wendet werden, wie er in Fig. I strichpunktiert angedeutet und mit c bezeichnet ist. Dieser Stützring aus Schmiedeeisen ist in entsprechende Aussparungen am Austritt der Schaufeln eingesetzt und mit diesen verschweisst gedacht. Er kann gegebenenfalls auch am Eintritt der Schaufeln angeordnet werden. Unter Umständen wird es sich sogar empfehlen, durch je einen Stützring am Ein-und am Austritt die Laufschaufeln besonders wirksam abzustützen.
Auch ein Stützring aus Gusseisen ist möglich. Herstellungsgründe werden dann unter Umständen Anlass geben, ihn vom Eintritt bis zum Austritt der Schaufeln sich erstrecken zu lassen, so dass jede Schaufel in zwei Teile getrennt wird. Man wird dann die inneren Schaufeln den äusseren gegenüber um eine halbe Teilung am Umfange versetzen, um die Schwächung des Stützringes durch die Schaufeleingüsse nach Möglichkeit klein zu halten. Bei einem solchen Stützring wird allerdings die benetzte Oberfläche nicht geringer ausfallen wie beim äusseren Radkranze, so dass in dieser Hinsicht ein Energiegewinn nicht zu erwarten ist.
Bei Laufrädern, deren Schaufeln mit dem, inneren Radkranz als ein Stück gegossen werden, kann man einen Stützring mitgiessen, der an Stelle des Ringes c in Fig. 1 sitzt und dessen Abmessungen unter Umständen etwas kräftiger gehalten werden. Je nach Bedarf kann sich ein solcher Stützring auch vom Eintritt bis zum Austritt der Schaufeln erstrecken oder nach Art des Gliederringes in den Fig. i und 2 bei geringer Bauhöhe, d. h. geringer benetzter Oberfläche, durch die Schaufelgruppe hinziehen.
Für die stützende Wirkung des Ringes können nicht nur Radprofile nach Fig. i, sondern auch solche, deren Schaufelkanten etwa radialen Verlauf zeigen, in Frage kommen.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Laufrad für schnellaufende Wasserturbinen, dadurch gekennteichnet, dass der äussere Radkranz zur Vermeidung von grösseren Energieverlusten weggelassen und dafür ein besonderer Stützring von kleinerem Durchmesser und möglichst kleiner benetzter Oberfläche innerhalb des Bereiches der Laufschaufeln angeordnet wird.