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Laufrad für schnellallfende Wasserturbinen.
Bei den üblichen Bauweisen von schnellaufenden Wasserturbinen tritt nicht selten der Fall ein, dass sich bei gleichbleibendem Drehmoment keine eindeutig bestimmte Drehzahl der Turbine einstellt.
So kann z. B. das gleiche Drehmoment unter sonst gleichen Verhältnissen bei zwei oder mehreren voneinander erheblich abweichenden Laufraddrehzahlen zustandekommen, je nach dem dieses Moment durch Belastung oder Entlastung der Turbine erzielt wird. Diese Erscheinung ist auf schwankende Strömungszustände in der Turbine zurückzuführen, die dadurch bewirkt werden, dass die Gestaltung und gegenseitige Anordnung der Schaufelflächen den für eine gleichbleibende Wasserströmung erforderlichen Voraussetzungen nicht entsprechen. Derartige schwankende Strömungen rufen im Betriebe grosse Nachteile hervor, weil die von der Turbine angetriebene Arbeitsmaschine eine gleichbleibende Drehzahl verlangt.
Dazu kommen noch Schwierigkeiten in der Regelung solcher Turbinen und die mit jedem schwankenden Strömungsvorgang -U1lVermeidliche sprunghafte Veränderung des Wirkungsrades.
Die Erfindung löst die Aufgabe, die geschilderten Nachteile zu beheben. Zu diesem Behufe wird ein Laufrad mit im Wesen axialer Beaufschlagung verwendet, dessen Laufradschaufeln senkrecht oder schräg zur Laufradachse gerichtet sind. Die Erfindung besteht darin, dass wenigstens ein in der Nähe der Saugrohrwand befindlicher Schnitt einer Stromfläche mit zwei benachbarten Schaufeln so beschaffen ist, dass die von dem Eintrittspunkt normal zu den Stromlinien gezogene Trajektorie nur ein Nachbarschaufelprofil und dieses nur innerhalb jenes Drittels der ganzen Schaufelprofillänge schneidet, welche von dem Austiittspunkt aus gemessen wird,
wobei der Laufradeintrittswinkel in der benachbarten Stromfläche als obere Grenze den Wert von 450 besitzt. Es ist nämlich durch den Versuch festgestellt worden, dass hauptsächlich die der Saugcohrwand benachbarten Schaufelteile eine besondere Gesetz- mässigkeit in der Form und gegenseitigen Lage der Schaufelprofile verlangen, um bei allen für den Betrieb bestimmten Drehzahlen eine gleichbleibende Wasserströmung mit Sicherheit zu gewährleisten.
F : g. 1 zeigt die linke Laufradhälfte einer Wasserturbine nach der Erfindung im Aufriss. Die Laufradfchaufeln S sind ungefähr senkrecht auf die Laufradwelle gerichtet. Fig. 2 veranschaulicht im Schnitte mit der Stromfläche z-z zwei in unmittelbarer Nähe der Saugrohrwand befindliche benachbarte Schaufeln. In F ; g. 3 ist ein Laufrad mit schräg zur Laufradachse geneigten Schaufeln dargestellt und Fig. 4 zeigt zwei Nachbarschaufeln im Schnitt mit der Stromfläche y-y.
Zur Erzielung der gewünschten Schnelläufigkeit darf der mittlere Eintrittswinkel ss", in Fig. 2 und 4 der relativen Wasserströmung nicht gross sein. Anderseits darf aber auch das Verhältnis zwischen Schaufelprofillänge X und Schaufelteilung t weder zu gross noch zu klein sein. Ist es zu gross, so können kleine Winkel A", keinen Erfolg bringen, weil die Wasserreibungsverluste zu gross sind. Die gewünschte
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zwar gross, aber es wächst damit auch die Gefahr des Eintrittes schwankender Strömungszustände. Genügen aber die Weite X t und ", den eingangs erwähnten Bedingungen, so ist hiedurch nicht nur die gewüinbehte Gleichmäss'gkeit der Wasserströmung gesichert, sondern auch die Erreichung entsprechend hoher spezifischer Drehzahlen gewährleistet.
Zieht man, wie aus den F'g. 2 und 4 ersichtlich, vom Eintrittspunkte E des Schaufelprofiles senkrecht zu den Stromlinien s-s die Trajektorie n-n, so schneidet diese nur ein Nachbarprofil, u. zw. so, dass der Schnittpunkt P innerhalb jenes Drittels der ganzen Profillänge gelegen ist, das vom Austrittspunkte A auq gemessen wird. Diese Beziehung soll wenigstens in einer der Saugrohiwand benaeh-
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barten Stromfläehe erfüllt sein. Falls es jedoch die Festigkeit der Schaufel zulässt, so empfiehlt es sieh, auch die äusseren Schaufelteile, also etwa die von den äusseren Schamelenden bis zur Stromfläche -i (Fig. 1) reichenden Schaufelflächen, nach der geschilderten Beziehung auszugestalten.
Die besprochenen Vorteile sind selbstverständlich nicht von einer bestimmten Zuführungsrichtung des Wassers zum Laufrad abhängig. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist, wie aus den eingezeichneten Stromflächen zu entnehmen, eine Umlenkung des Wassers vor dem Eintritt in das Laufrad vorgesehen.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt keine derartige Umlenkung. Die Laufradschaufeln sind dort gegen die Laufradwelle geneigt, ohne dass durch diesen Umstand die im Wesen axiale Beaufschlagung des Rades gestört wird. Auch hier ist durch Fig. 4 gezeigt, dass die gewünschte Beziehung zwischen dem Winker puder Teilung t und der Profillänge X eingehalten ist. Da jedoch in diesem Ausführungbeispiel der mittlere Eintrittswinkel ss kleiner ist als in Fig. 2, so besitzt auch ein nach Fig. 4 ausgebildetes Laufrad eine höhere Schnelläufigkeit und demnach auch grössere Reibungsverluste. Um aber dennoch den Wirkungsgrad eines solchen Rades zu verbessern, wird der Schnittpunkt P der Normal- trajektorie n-n m ; t dem Nachbarprofil mehr gegen den Austrittspunkt A verschoben.
Aus den gleichen Gründen empfiehlt es sich, von der üblichen äusseren und inneren Laufradbegrenzung abzusehen, die Schaufeln also nur mit einer entsprechend ausgebildeten Nabe N fest oder verstellbar zu verbinden.
Ein nach der Erfindung ausgebildetes Laufrad kann überall dort Verwendung finden, wo neben entsprechender Schnelläufigkeit auf eine von der Drehzahl, Wassermenge und Gefällshöhe in weiten Grenzen unabhängige Gleichmässigkeit der Wasserströmung Gewicht gelegt wird. Selbstverständlich erfüllt aber eine solche Radbeschaufelung nur bei Wasserturbinen die beabsichtigte Wirkung, weil es sich dort in der Hauptsache um die Umsetzung von Druckenergie in äussere Arbeitsleistung handelt.
Bei Kreiselpumpen oder-geblasen, Schiffspropellern u. dgl., wo es sich in der Hauptsache um den entgegengesetzten Umsetzungsvorgang handelt, lässt sich selbstverständlich diese Wirkung nicht erzielen.
Ebenso bedarf es keiner besonderen Begrünung, dass sich die geschilderten Vorteile nur bei gleichzeitiger Benutzung jener Vorrichtungen erreichen lassen, die zur Erzielung eines geordneten strömungsvorganges in der Turbine unter allen Umständen erforderlich sind. Dazu gehören die Beaufschlagung des Laufrades durch eine entsprechend ausgebildete Leitvorrichtung und die Abführung des Wassers durch ein Saugrohr, das im Bedarfsfalle noch einen entsprechenden Saugrohrrückgewinn ermöglicht. Ebenso muss während des Betriebes das ganze Laufrad von strömendem Wasser erfüllt sein.