Wasserturbinenanlage, insbesondere für mittlere und höhere Gefälle. Es ist naheliegend, auch für höhere Ge fälle Wasserturbinen mit grosser spezifischer Drehzahl zu verwenden und so die Dreh zahlen der Maschinen auf die wirtschaftlich günstigste Grenze zu treiben. Allein, die bei grossen Wasser- und Laufradgeschwindig- keiten einsetzende Hohlraumbildung (Kavi- tation) setzt diesem Bestreben eine Grenze, indem der Wirkungsgrad der Turbinen bei starker Kavitation zurückgeht.
Das Studium der Kavitation hat in letzter Geit zur Erkenntnis geführt, dass das zu lässige Gesamt-Sauggefälle der Turbinen (statisches + dynamisches, durch Diffusor- wirkung erzeugtes Sanggefälle) in gesetz mässiger Abhängigkeit von den Wasserge- schwindigkeiten im Laufrad steht. Je grösser die letzteren sind, um so kleiner rnuss das Gesamt-Sauggefälle gewählt werden, um Ver luste zu vermeiden.
Es sind heute Versuchs einrichtungen vorhanden und beschrieben, die eine Wirkungsgradverminderung durch Hohl raumbildung bei sich gleich bleibendem Ge- samtgefälle und veränderlichem Sauggefälle genau festzustellen gestatten.
Gemäss der Erfindung wird nun eine Turbine so betrieben, dass der absolute Wasser druck hinter dem Laufrad, zum Beispiel durch eine Aufstau-, Drosselvorrichtung oder der gleichen, so hoch gehalten wird, dass bei dem betreffenden Betriebszustand die Energiever luste durch Hoblraumbildung höchstens 10 0% der der betreffenden Turbine zur Verfügung stehenden Energie betragen.
In manchen Fällen wird man Verluste durch Aufstau in Kauf nehmen können; sehr oft aber wird man die noch übrig bleibende potentielle (Druck-)Energie weiter ausnützen. Man gelangt so zu Stufenanordnungen von Turbinen, die sich aber von den bisher be kannten dadurch unterscheiden, dass die Auf teilung des Gefälles auf die Stufen nach einem neuen Gesichtspunkt, nämlich in gesetz mässiger Weise so vorgenommen wird,
dass wenigstens in einer Stufe die Hohlraumver- luste nicht grösser sind -als 10 % der der betreffenden Stufe zur Verfügung stehenden Energie. Der dafür notwendige Gegendruck ist-für jede Laufradtype und Einbauart des Laufrades durch Versuche auf dem Kavitations- prüfstand genau bestimmbar.
Die Aufstauung oder Drosselung kann auf mannigfache Weise erfolgen.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anlage schematisch veranschaulicht.
Abb. 1 zeigt eine Wasserturbinenanlage mit zwei Stufen; wo der Gegendruck un mittelbar hinter dem Laufrad der ersten Stufe mit Hilfe eines Reservoirs praktisch konstant erhalten wird.
Abb.2 und 3 zeigen ähnliche Anord nungen, bei denen jedoch an Stelle des Re servoirs ein Windkessel beziehungsweise ein Drosselorgan vorgesehen ist, und Abb. 4 zeigt eine Anordnung, bei der drei primäre Turbinen einer ersten Stufe ihr Abwasser unter dem durch ein Reservoir konstant gehaltenen Gegendruck an eine Turbine zweiter Stufe abgeben.
Bei der in Abb. 1 gezeigten Anlage strömt das Wasser aus einem Oberwassergraben 0W durch eine Turbine Ti, welche die erste Stufe der Anlage bildet. Unmittelbar hinter dem Laufrad dieser Turbine Ti wird ein konstanter Gegendruck durch Schwerkraft mit Hilfe eines Reservoirs ZR auf höherer Kote aufrecht erhalten.
Das Wasser verlässt infolge dessen die Turbine Ti unter dem Gegen druck 1t2, tritt hierauf durch eine Turbine T2 zweite Stufe und fliesst schliesslich in einen Unterwassergraben UW. Die Turbine T, nutzt also das Gefälle hi-h2 aus, die Turbine T2 das Gefälle h2+h3. Eventuelle kurzzeitige lylehr- oder Minderverbräuche der Turbine n werden durch das Reservoir R auf höherer Kote ausgeglichen.
Statt des Reservoirs R kann zur Er reichung des mit diesem angestrebten Zwecks in der in Abb. 2 gezeigten W eise zwischen der Turbine Ti der ersten Stufe und der Tur bine T2 der zweiten Stufe ein Windkessel TV vorgesehen werden. Bei der Anlage nach Abb. 3 ist ein Drossel organ D vorgesehen, das ähnlich wie das Reservoir R beziehungsweise der Wind kessel W dafür sorgt, dass der Wasserdruck hinter dem Laufrad der Turbine Ti der voran gehenden Stufe stets einen bestimmten Wert aufweist.
Im allgemeinen beträgt die Leistung der zweiten Turbine iin Falle einer stufenweisen Anordnung nur einen Bruchteil der Leistung der ersten Turbine. Es ist deshalb unter Um ständen wirtschaftlich, bei grösseren Anlagen das Abwasser mehrerer Einheiten erster Stufe in eine geringere Anzahl Einheiten zweiter Stufe zu leiten, welche dann eine relativ grössere Leistung aufweisen. Eine solche Anordung ist in Abb. 4 gezeigt, wo drei primäre Turbinen Ti, T2, Ts ihr Ab wasser- unter dem durch das Reservoir R konstant gehaltenen Gegendruck an eine Turbine T4 zweiter Stufe abgeben.
Wie ge zeigt, kann neben dem Reservoir R unter Umständen auch noch ein Drosselorgan D vor gesehen werden.
Die Erfindung lässt sich selbstverständlich auch bei Anlagen mit mehr als nur zwei Gefällstufen anwenden, wobei dann hinter dem Laufrad mindestens einer Stufe der ab solute Wasserdruck so hoch zu halten ist, dass die weiter oben angegebenen Leistungs verluste nicht überschritten werden.
Water turbine system, especially for medium and high gradients. It makes sense to use water turbines with a high specific speed even for higher gradients and thus to drive the speeds of the machines to the most economically advantageous limit. But the cavitation (cavitation) that occurs at high water and impeller speeds sets a limit to this endeavor, as the efficiency of the turbines decreases when there is strong cavitation.
The study of cavitation has recently led to the realization that the permissible total suction gradient of the turbines (static + dynamic singing gradient generated by the diffuser effect) is dependent on the water speed in the impeller. The larger the latter, the smaller the total suction gradient has to be chosen in order to avoid losses.
Today there are test facilities available and described which allow a reduction in efficiency due to the formation of cavities with a constant overall gradient and a variable suction gradient to be precisely determined.
According to the invention, a turbine is now operated in such a way that the absolute water pressure behind the impeller, for example by means of a damming device, throttle device or the like, is kept so high that in the operating state in question the energy losses due to the formation of potholes are at most 10 0% the energy available to the turbine in question.
In some cases you will be able to accept losses due to accumulation; but very often the remaining potential (pressure) energy will be used further. This leads to a stage arrangement of turbines, which differs from the previously known ones in that the division of the gradient between the stages is carried out according to a new point of view, namely in a legal manner,
that at least in one stage the cavity losses are not greater than 10% of the energy available for the relevant stage. The counterpressure required for this can be precisely determined for every type of impeller and type of impeller installation by means of tests on the cavitation test stand.
The damming or throttling can be done in many ways.
Some exemplary embodiments of the present system are schematically illustrated in the accompanying drawing.
Fig. 1 shows a water turbine system with two stages; where the back pressure un indirectly behind the impeller of the first stage is kept practically constant with the help of a reservoir.
Fig. 2 and 3 show similar arrangements in which, however, an air chamber or a throttle element is provided instead of the Re reservoir, and Fig. 4 shows an arrangement in which three primary turbines of a first stage keep their wastewater below that of a reservoir Deliver the held back pressure to a second stage turbine.
In the system shown in Fig. 1, the water flows from an upstream ditch 0W through a turbine Ti, which forms the first stage of the system. Immediately behind the impeller of this turbine Ti, a constant counter pressure is maintained by gravity with the help of a reservoir ZR at a higher elevation.
As a result, the water leaves the turbine Ti under the counter pressure 1t2, then passes through a turbine T2 second stage and finally flows into an underwater trench UW. The turbine T, therefore uses the gradient hi-h2, the turbine T2 uses the gradient h2 + h3. Any short-term consumption or reduced consumption of the turbine n are compensated for by the reservoir R at a higher level.
Instead of the reservoir R, an air vessel TV can be provided between the turbine Ti of the first stage and the turbine T2 of the second stage in order to achieve the intended purpose in the manner shown in FIG. In the system according to Fig. 3, a throttle organ D is provided, which, similar to the reservoir R or the wind boiler W, ensures that the water pressure behind the impeller of the turbine Ti of the preceding stage always has a certain value.
In general, the output of the second turbine in the case of a staged arrangement is only a fraction of the output of the first turbine. It is therefore economical under certain circumstances to direct the wastewater from several first-stage units into a smaller number of second-stage units, which then have a relatively greater capacity. Such an arrangement is shown in Fig. 4, where three primary turbines Ti, T2, Ts deliver their waste water under the counter pressure kept constant by the reservoir R to a turbine T4 of the second stage.
As shown, in addition to the reservoir R, a throttle element D may also be seen.
The invention can of course also be used in systems with more than just two inclines, in which case the absolute water pressure behind the impeller must be kept so high that the above-mentioned power losses are not exceeded.