Schnelläufer-Wasserturbine. Beim Ausbau der Wasserkräfte mit klei nen und mittleren Gefällen und verhältnis mässig grossen Leistungen für die Turbinen einheit ist es schwierig, eine für die unmittel bare Kupplung mit dem Stromerzeuger ge nügend hohe Drehzahl zu erzielen.
Da die Kosten eines Stromerzeugers von sich gleichbleibender Leistung bei kleiner werdender Drehzahl sehr stark zunehmen, so herrschte von jeher das Streben, zwecks Kostenverminderung, die Schnelläufigkeit der Turbine möglichst zu steigern.. Diese Be strebungen haben zu Bauarten geführt, die in durchaus wirtschaftlicher Weise die un mittelbare Kupplung mit den Stromerzeugern auch für solche Gefälle und Leistungen ge statten,
für welche früher Übersetzungs getriebe eingeschaltet werden muss-ten. Dies wird bei einer dieser Bauarten mit Hilfe von im Verhältnis zur Teilung sehr kurzen Laufradschaufeln in Verbindung mit ihrer Drehbarkeit in der Laufradnabe erreicht. Diese Bauart ermöglicht auch bei Einhaltung von sehr grossen spezifischen Drehzahlen, den Wirkungsgrad der Turbine bei stark wech- selnder Belastung beinahe unverändert zu halten. Es führt dies allerdings zu ziemlich verwickelten Laufradausführungen.
Bei einer andern Schnelläuferbauart wer den feststehende und schräg zur Turbinen achse angeordnete Laufradschaufeln mit ver hältnismässig kleinen Schaufelflächen ver wendet. Diese bekannten Bauarten sind in folge der spezifisch starken Schaufelbelas tungen nur bis zu ei nein gewissen -Gefälle anwendbar, da sonst bei Vergrösserung der absoluten Geschwindigkeit im Laufrade Ka- vitationen (das heisst Loslösung des Wassers vom Schaufelrücken) auftreten, welche nicht nur einen starken Wirkungsgradabfall zur Folge haben, sondern .auch zu Korrosions erscheinungen im Laufrad führen.
Man kann nun allerdings bis zu einem gewissen Grade das Auftreten dieser .Erscheinungen durch Verkleinerung des Sauggefälles hinausschie ben, doch nur so weit, als eine Tiefstellung der Turbine aus betriebstechnischen Gründen möglich ist. Die spezifisch starken Schaufel belastungen, welche bei Anwendung von ver hältnismässig kleinen Schaufelflächen auf- treten, können ausserdem zu Labilitäts- er:cheinungen führen, welche nicht nur die Regulierung der Turbine sehr erschweren, sondern auch betriebsstörend wirken.
Aus der Erkenntnis dieser Vorgänge her aus ist nun die Gegenstand vorliegender Er findung bildende Schnelläufer-Wasserturbine hervorgegangen. B,-.i dieser Turbine mit, hauptsächlich achsial durchströmtem Lauf rad, das mindestens vier als allgemeine Schraubungsflächen ausgebildete Schaufeln ohne Aussenkranz besitzt, weist erfindungs gemäss die auf dem äussersten Zylinderschnitt der Schaufeln liegende Leitkurve der Schrau- bungsfläche eine schwache Krümmung auf, und es ist die wahre Schaufellänge, auf die sem Zylinderschnitt gemessen,
kleiner als die in diesem Schnitte liegende Schaufelteilung.
Auf den beiliegenden Zeichnungen, die beispielsweise Ausführungsformen zeigen, ist der Erfindungsgegenstand für verschie dene Einbauarten abgebildet, und zwar in: Fig. 1 in Verbindung mit einer Leitvor- richtung mit radialer Wasserzuströmung, in Fit'-. ? mit einer Leitvorrichtung mit achsialer Wasserzuströmung, und in Fig. 3 mit einer Leitvorrichtung, welche eine diagonale Wasserzuströmung aufweist;
Fig. 4 zeigt abgewickelte Zylinderschnitte des Laufrades nach der Linie x-x: bezw. ,y-y der Fig. 1.
In Fig. 1 sind a. drehbare Leitschaufeln einer Leitvorrichtung, welche eine radiale Zuströmung aufweist und mit welcher die zufliessende Wassermenge geregelt wird. b ist ein zwischen den Leitschaufeln ca und einem Laufrad c vorgesehener Sebaufelspalt, der sehr grosse Abmessungen aufweist und in welchem das Wasser von der radialen in die achsiale Richtung umgelenkt wird.
Das Laufrad c weist mindestens vier Schaufeln auf, die an einer Nabe d befestigt sind, wel che ihrerseits von der Welle e der Turbine getragen wird. Die Eintrittskante 1-1 der Laufradschaufel steht senkrecht auf der Laufradachse, und ebenso die Austritts kante 3--3. Das Laufrad c weist aussen kei nen Kranz auf, das heisst die Schaufeln sind wie bei einem Schiffspropeller aussen unter einander nicht verbunden. An das Lauf rad c schliesst sich ein Saugrohr f an, welches als gerades,
rundes und nach un ten konisch sich erweiterndes Saugrohr oder als Krümmer ausgebildet sein kann und in einen nicht gezeigten Unterwasserkanal aus giesst.
Die Schaufeln des Laufrades c weisen eine schwache Krümmung auf und ihre wahre Länge i, (Fig. 4) am äussersten Zylinderschnitt ist kleiner als die im glei chen Schnitt liegende Schaufelteilung t, Dieser Schaufelschnitt bildet die Leitkurve der Schraubungsflä ehe, welch letztere die Schaufelfläche ist. Diese Schaufelfläche wird dadurch erzeugt, dass eine schwach ge krümmte Linie längs der Leitkurve so gleitet, dass sie die Laufradachse stets schneidet und immer parallel zu einer Ebene bleibt, welche senkrecht oder beinahe senkrecht zu jener Drehachse des Laufrades steht.
Im Schnitt weisen die Laufschaufeln, wie im untern Teil der Fig. 4 gezeigt, eine stärkere Krümmung auf, wobei ihre wahre Länge iy grösser als die im gleichen Schnitte liegende Schaufelteilung ty ist.
Wie in Fi-. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, kann die Ebene, zu welcher die Erzeugende parallel bleiben soll, auch schräg zur Laufradachse sein, in welchem Falle dann auulr die Eintrittskante 1-2 und die Austrittskante 3-4 schräg zur Laufrad achse sind.
In Fig. 2 ist der Einbau eines Lauf rades der beschriebenen Bauart in eine rein achsial angeordnete Turbine dargestellt. Das Wasser fliesst in diesem Falle in der Rich tung der Drehachse auf die Leitschaufeln a, durchströmt diese ebenfalls in achsialer Rich tung und gelangt durch den in diesem Falle kleinen Schaufelspalt b ohne Umlenkung in das mindestens vier Schaufeln aufweisende Laufrad c. Durch das Saugrohr f wird das Wasser schliesslich in den nicht gezeigten Unterwasserkanal übergeführt.
Fig. 3 zeigt schliesslich eine Bauart mit diagonaler Zuströmung des Wassers zu den Leitschaufeln a.. Es bezeichnet hier wieder um b den Schaufelspalt, c das Laufrad und f das Saugrohr. Das Laufrad, welches eben falls mindestens vier Schaufeln aufweist, ist in gleicher Weise geformt, wie mit Bezug auf Fig. 1 und 4 beschrieben wurde.
Die Laufschaufeln der beschriebenen Bau art sind relativ bedeutend grösser als die jenigen der eingangs erwähnten Bauarten, so dass die spezifische Schaufelbelastung be deutend kleiner wird. Die Arbeitsfläche der Schaufel ist ferner gesetzmässig geformt, in dem sie als allgemeine Schraubungsfläche ausgebildet ist. Infolge dieser gesetzmässigen Gestaltung dieser Flächen ist es in Verbin dung mit der zweckmässig gewählten Schau fellänge nicht nur möglich, einen hohen Grad von Schnelläufigkeit zu erreichen, sondern auch Wirkungsgrade zu erzielen, welche höher liegen als 'die mit a11 den bis heute bekannten Bauarten erreichten.
Die gesetz- m 'issige Gestaltung der Schaufelfläche ge stattet auch eine leichtere rechnerische Ver folgung der Strömungsvorgänge. Da das Laufrad immer in der Hauptsache achsial durchströmt wird, so erfolgt die Bewegung des Wassers durch dasselbe auf Zylinder- oder Kegelflächen, und es ist infolgedessen ciie Berechnung der Strömungsvorgänge mit Hilfe der zweidimensionalen Turbinentheorie möglich.
Die beschriebene Gestaltung des Laufrades gestattet also eine sichere Voraus berechnung der durch dieses fliessenden Wassermenge, sowie eine rechnerisch einiger- massen voraus bestimmbare Ermittlung des Wirkungsgrades.
Da die Arbeitsfläche der Laufradschau- feln eine gesetzmässig x erlaufeii(.lc Sclirau- bungsfläche ist, so bietet die Herstellung des Schaufelmodelles fabrikationstechnisch ge genüber den bisherigen Schaufelformen sehr grosse Vorteile, da nur die auf dem äusser sten Zylinderschnitt liegende Schaufelkurve konstruiert werden muss.
Die Schaufelfläche wird dann gebildet durch Gleiten einer schwach gekrümmten Erzeugenden längs der auf dem äussersten Zylinderschnitt liegenden Schaufelkurve, wobei diese Erzeugende auch stets die Drehachse schneidet und während des Gleitens stets parallel zu einer senkrecht oder annähernd senkrecht zu der Drehachse stehenden Ebene bleibt.
High-speed water turbine. When expanding the hydropower with small and medium gradients and relatively large outputs for the turbine unit, it is difficult to achieve a speed that is sufficiently high for the direct coupling with the power generator.
Since the costs of a power generator from constant output increase very sharply with decreasing speed, there has always been an effort to increase the speed of the turbine in order to reduce costs. These efforts have led to types that are quite economical provide direct coupling with the power generators for such gradients and outputs,
for which earlier transmission gears had to be switched on. In one of these types, this is achieved with the aid of impeller blades that are very short in relation to the pitch in connection with their rotatability in the impeller hub. This design makes it possible to keep the efficiency of the turbine almost unchanged even when very high specific speeds are maintained, even when the load changes greatly. However, this leads to quite intricate impeller designs.
In another high-speed design, the fixed impeller blades arranged at an angle to the turbine axis with relatively small blade surfaces are used. As a result of the specifically strong blade loads, these known designs can only be used up to a certain gradient, as otherwise cavitations (i.e. detachment of the water from the blade back) occur when the absolute speed is increased in the impeller, which not only results in a sharp drop in efficiency result, but also lead to signs of corrosion in the impeller.
One can, however, to a certain extent postpone the occurrence of these phenomena by reducing the suction gradient, but only so far as the turbine can be lowered for operational reasons. The specifically strong blade loads that occur when using relatively small blade surfaces can also lead to instability phenomena, which not only make the regulation of the turbine very difficult, but also have a disruptive effect.
From the knowledge of these processes, the subject of the present invention He emerged forming high-speed water turbine. B, -. I of this turbine with, mainly axially traversed impeller, which has at least four blades designed as general screw surfaces without an outer rim, according to the invention, the guide curve of the screw surface lying on the outermost cylinder section of the blades has a slight curvature, and it is the true blade length, measured on this cylinder section,
smaller than the blade division in this section.
In the accompanying drawings, which show exemplary embodiments, the subject matter of the invention is shown for various types of installation, specifically in: FIG. 1 in connection with a guide device with radial water inflow, in Fit'-. ? with a guide device with an axial water inflow, and in FIG. 3 with a guide device which has a diagonal water inflow;
Fig. 4 shows developed cylinder sections of the impeller along the line x-x: respectively. , y-y of FIG. 1.
In Fig. 1, a. rotatable guide vanes of a guide device, which has a radial inflow and with which the inflowing amount of water is regulated. b is a sebum gap provided between the guide blades ca and an impeller c, which has very large dimensions and in which the water is deflected from the radial to the axial direction.
The impeller c has at least four blades which are attached to a hub d which in turn is carried by the shaft e of the turbine. The leading edge 1-1 of the impeller blade is perpendicular to the impeller axis, as is the trailing edge 3--3. The impeller c has no rim on the outside, that is to say the blades are not connected to one another on the outside, as is the case with a ship's propeller. A suction pipe f connects to the impeller c, which is a straight,
round suction tube which widens conically towards the bottom or can be designed as a bend and pours out into an underwater channel, not shown.
The blades of the impeller c have a slight curvature and their true length i (Fig. 4) at the outermost cylinder section is smaller than the blade pitch t in the same section, this blade section forms the guide curve of the screwing surface, which is the blade surface . This blade surface is created by a slightly curved line gliding along the guide curve in such a way that it always intersects the impeller axis and always remains parallel to a plane which is perpendicular or almost perpendicular to that axis of rotation of the impeller.
In section, the rotor blades, as shown in the lower part of FIG. 4, have a greater curvature, their true length iy being greater than the blade pitch ty lying in the same section.
As in Fi-. 1 is indicated by dashed lines, the plane to which the generating line is to remain parallel can also be inclined to the impeller axis, in which case the leading edge 1-2 and the trailing edge 3-4 are inclined to the impeller axis.
In Fig. 2, the installation of a running wheel of the type described is shown in a purely axially arranged turbine. In this case, the water flows in the direction of the axis of rotation onto the guide vanes a, also flows through them in the axial direction and passes through the in this case small vane gap b without deflection into the at least four vanes c. The water is finally transferred through the suction pipe f into the underwater channel, not shown.
Finally, FIG. 3 shows a design with a diagonal inflow of water to the guide vanes a .. Here again around b the vane gap, c the impeller and f the suction pipe. The impeller, which also has at least four blades, is shaped in the same way as was described with reference to FIGS. 1 and 4.
The blades of the construction type described are relatively significantly larger than those of the types mentioned above, so that the specific blade load is significantly smaller. The working surface of the shovel is also regularly shaped in that it is designed as a general screw surface. As a result of this regular design of these surfaces, in conjunction with the appropriately chosen length of the show, it is not only possible to achieve a high degree of speed, but also to achieve efficiencies that are higher than those achieved with the types known to date with a11.
The legal design of the blade surface also enables the flow processes to be tracked more easily. Since the impeller is mainly axially traversed, the movement of the water takes place through it on cylindrical or conical surfaces, and it is consequently possible to calculate the flow processes with the aid of the two-dimensional turbine theory.
The described design of the impeller thus allows a reliable pre-calculation of the amount of water flowing through it, as well as a computationally somewhat pre-determinable determination of the degree of efficiency.
Since the working surface of the impeller blades is a regular flow area (.lc), the manufacture of the blade model offers great advantages in terms of manufacturing technology compared to the previous blade shapes, since only the blade curve on the outermost cylinder section has to be constructed.
The vane surface is then formed by sliding a slightly curved generatrix along the vane curve lying on the outermost cylinder section, this generatrix also always intersecting the axis of rotation and always remaining parallel to a plane perpendicular or approximately perpendicular to the axis of rotation while sliding.