Hydraulische Kreiselmaschine. Bei bekannten Turbinenkonstruktionen verwendet man zur Erzeugung der Rota tionsströmung vor .dem Laufrad entweder ein Spiralgehäuse allein oder ein Spiralge- häuse in Verbindung mit festen oder Leitschaufeln oder dergleichen. Die Absperrung und Regelung der Betriebsflüs sigkeit für das Laufrad geschieht durch be wegliche Leitapparate mit ein oder mehre ren Schaufeln, durch Ringschützen usw.
Es sind auch Turbinen bekannt, bei denen das Laufrad nicht nur als Regulier-, sondern auch als Abschlussorgan verwendet wird. Bei letzteren Ausführungen jedoch strömt die Betriebsflüssigkeit ohne Rotation, also in achsialer Richtung durch den Turbi- nendrucks@chacht dem Laufrad zu.
Erst kurz vor dem Eintritt in das Laufrad wird die Elüs- sigkeitdurch fest eingebaute Leitschaufeln etwas in derUmfangsrichtungabgelenkt. Diese Ablenkung erfolgt aber für alle Beaufschla- gungen in einer gleichbleibenden Richtung, unter welcher der Flüssigkeitsstrom unge fähr im rechten Winkel auf die Schaufel- flächen des Laufrades trifft. Ein schaufel loser Raum zwischen Leit- und Laufrad ist dabei nicht vorhanden.
Während bei bekannten Turbinen zur Erzeugung eines Wirbels mit veränderlicher Steigung gonetruktion@selemente, wie zum Beispiel bewegliche Leitapparate herangezo gen wurden und die Wandformung nur so weit ausgenützt wurde, um eine, ohne be weglichen Leitapparat nicht regulierbare. konstante Einströmung in das Laufrad aus zubilden, wird gemäss der Erfindung die Flüssigkeit selbst dazu herangezogen, und zwar 1. durch geeignete Umhüllung und 2. durch verstellbare Laufschaufeln.
Die den Gegenstand vorliegender Erfin dung bildende Kreiselmaschine (Turbine oder Pumpe) ohne bewegliche Leitschanfeln ist gekennzeichnet durch die Vereinigung einer Vorrichtung zur Ausbildung einer Um fangskomponente des Wassers mit einem an schliessenden, trichterförmigen Rotations hohlraum zur Erzeugung eines FIelmholtz- schen Wirbels und mit einem Laufrad mit verstellbaren Schaufeln mit beliebig gestal teten Ein- und Austrittskanten, dessen Schaufeln derart verstellt werden können, dass sie .den Wasserdurchfluss mindestens unvollkommen absperren,
und das zur Re gulierung und Ausnützung des Helmholtz- schen Wirbels dient, wobei die Steigung der in dem Rotationshohlraum sich ausbildenden Rotationsströmung durch Verstellen der Laufschaufeln, ausgehend von der Geschlos- senstellung der Schaufeln, von der kleinsten bis zur grössten Wassermenge und umgekehrt derart verändert wird, dass die Betriebsflüs sigkeit die Laufradschaufeln in der jeweils hydraulisch günstigsten Richtung anströmt.
Die Erfindung stellt also die planmässige Ausbildung und Ausnützung einer verlu3tar- men rotierenden Potentialströmung (Helm- holtzs.cher Wirbel) dar, dessen Steigung und Ausbildung ausschliesslich durch Veränderung der Lage der entsprechend ausgebildeten und ausgeteilten Schaufeln des Laufrades derart bewirkt wird, dass die Flüssigkeit, ohne eine weitere Strömungsformung zu benö tigen, bei allen vorkommenden Schaufelstel lungen mit der von der Schaufelstellung ab hängigen Richtung der Relativbahn in das Laufrad eintritt,
was für den Grenzfall voll kommenen Staues eine mehr oder minder voll kommen dichtende Anordnung der Laufrad schaufeln notwendig macht, um auch beim Übergang vom Stillstand in den Betrieb eine möglichst vollkommene Stetigkeit in den Zu nahmen der Anlaufmomente und in .den Flüseigkeitsbesehleunigungen zu erhalten.
Die Kreiselmaschine gemäss dieser Erfin dung stellt also in der Gesamtheit ihrer Bau elemente einen verlustarmen, trichterförmi gen Geschwindigkeitstransformator dar, in welchem der Arbeitsstrom selbst dazu her angezogen wird, in sieh in Verbindung mit der Schaufelstellung des Laufrades Winkel und Geschwindigkeit für alle Beaufschla- gungen bis zum vollkommenen Abschluss stetig zu regulieren.
Bei einem Turbinenlaufrad .soll die Be- triebsflü6sigkeit den Laufradschaufeln unter einem gewissen Winkel zugeführt werden und zu diesem Zwecke wird die Flüssigkeit bekanntlich vor dem Laufrad in eine Rota tionsbewegung (rotierende Potentialströmung) versetzt, die durch bekannte Ausbildung des Wasserzulaufes erzeugt werden kann. Die Rotationsströmung kann also beispielsweise durch tangentiellen Einlauf erzeugt werden.
In dem daran ansohliessenden trichterförmi gen Laufradschacht wird sich @durüh die Um fangsströmung (r . c" - const.) einerseits und durch die Meridiangeschwindigkeit c." anderseits eine schraubenförmige verlustarme Potentialströmung einstellen, die die Eigen schaft hat, dass die Tangentialflächen an diese räumliche Flüssigkeitsschraube in jeder Stel- lungder Laufradschaufeln,
wenn deren Ein trittskantenrichtung entsprechend gewählt wird, mit .den Tangentialfläch.en an die Ein trittskanten der einzelnen Schaufelkurven zu sammenfallen, so dass für alle Beaufschla- g-ungen bis zur Beaufsehlagung Null -ein praktisch stoss- und wirbelfreier Eintritt in die nach den Relativstrahlen geformten Laufradschaufeln gewährleistet ist.
Nach einer in diesem Zusammenhang ge wonnenen Erkenntnis wird nämlich die Schraubensteigungder rotierenden Potential strömung, deren Geschwindigkeit in dem trichterförmigen Laufradschacht transfor miert wird, :durch die jeweilige Stellung der entsprechend gestalteten Laufradschaufeln erzwungen, so dass also bei jeder Laufrad stellung die Tangente an einen beliebigen Stromfaden der Schraubenlinie mit der Tan gente an die Schaufelkurve am Eintrittsende zusammenfällt.
Durch die Wechselwirkung zwischen dem ta.ngentiellen Einlauf und dem trichterförmi gen Laufradschacht verändert sich die Stei gung der schraubenförmigen verlustarmen Potentialströmung bei veränderlicher Beauf- sehlagung dadurch, :dass bei kleineren Beauf- s-chlagungen die c"-Strömung, hervorgerufen durch den tangentiellen Einlauf, und bei grossen Beaufs:
chlagungen die c"j- Strömlrng im trichterförmigen Laufradechacht vor- herrscht. Zu dieser Erscheinung tritt noch die Rückwirkung der Laufschaufeln hinzu, so dass die Betriebsflüssigkeit die Laufrad- schaufeln in allen Stellungen in der Relativ bahn anströmt.
Bei der Kreiselmaschine gemäss der Er findung verringert sich durch Weglassung des Leitapparates die Radialausdehnung der Turbinenkammer. Gleichzeitig mit dem Leitapparat werden auch die ansonsten not wendigen Teile für dessen Verstellung er spart und die teure Doppelregulierung des Leit- und Laufrades durch die Einfachregu lierung des Laufrades ersetzt.
Die Abmessungen der Laufradschaufeln werden derart gewählt, dass sie in der Ge- schlossenstellung, ähnlich wie bei den Leit- apparaten, in bekannter Weise zum gegensei tigen Anliegen kommen, oder da.ss zwischen den Eintritts- und Austrittskanten der be nachbarten Schaufeln ein Spalt verbleibt, der so schmal ist, dass der Durchtritt des Wa-s- sers durch da.s Laufrad, praktisch genom men, gesperrt wird.
Bei der zuletzt genannten Ausführung dür Laufschaufeln ist es auch möglieh, durch ein Weiterdrehen über die Geschlos-senstel- lung hinaus eine Bremswirkung auf das Laufrad zu erzielen, um damit beim Abstel len der Maschine eine Verkürzung der Aus laufzeit durch diese Bremswirkung ohne zusätzliche Einrichtungen zu erreichen.
Ein solches Laufrad mittelst dem der Wasserdurchfluss praktisch gesperrt werden kann, hat gegenüber bekannten, diese Eigen schaft nicht aufweisenden Laufrädern den Vorteil, dass beim Durchdrehen der Schau feln zum Zwecke der Bremsung die Betriebs flüssigkeitsmenge durch den Wert :Null geht und sodann allmählich zunimmt, so dass eine stetige Vergrösserung des. Bremsmomentes ohne Stoss und Schwingung erreicht werden kann, was besonders für grosse Maschinen notwendig ist.
Die Kreiselmaschine gemäss der Erfin dung ist nicht durch Zusammenlegen eines Laufrades und eines Leitapparates entstan- den zu denken, sondern sie kann im wesent lichen als eine Vorrichtung zur Erzeugung und Ausnützung eines verlustarmen Helm holtzschen Wirbels betrachtet werden, der bei konstanter Umhüllung durch Regulierung .der in ihm am Ort rotierenden Tragflächen erzeugt und für alle Beaufschlagungen voll kommen stetig verändert wird.
Wenn auch die einzelnen Elemente, wie Abs ohlussturbine, ti-ichterföimiger Druck schacht, tangentielle Zuführung und Schau felverstellung an sich bekannt sind, so liegt die Erfindung doch in der Vereinigung und dem Zusammenwirken dieser Elemente, in dem die Wand zur Umhüllenden herunterge drückt wird und die Strömung für alle Be- aufs-chla-gungen stetig aus sich heraus .ge formt wird.
Übrigens ist der Absohluss des Laufrades nicht als Verschluss die Hauptsache, sondern als Ausgangspunkt für Verstellungen der Schaufeln zur Erzeugung eines verlustarmen Helmholtzschen Wirbels. Jede andere Mög lichkeit, zum Beispiel ein getrennter Ab schluss oben oder unten, ergibt nicht nur un günstige Anlaufverhältnisse, sondern bedeutet hier eine über den Umfang des Laufrades ungleiehmässig verteilte Massenbeschleuni gung aus der Ruhestellung @ heraus, was eine ungeordnete Stromfadenausbildung bedingt, die Ablösungen und Verlagerungen des Wir belzentrums zur Folge hat.
Dadurch würden unzulässig grosse radial zur Turbinenachse gerichtete Kräfte entstehen.
In den Fig. 1 und 2 ist als Ausführungs beispiel der Erfindung eine achsial .durch strömte Turbine dargestellt. An der Grenze zwischen Druck- und Saugraum iet das ab schliessbare Laufrad mit beweglichen Schau feln 1 angeordnet.
Die Schaufeln :dieses Ra des können sich in der Geschlossenstellung wie die bekannten Leitapparate entweder um den Betrag 4 überdecken (Fig. '3), stumpf berühren oder .so ausgebildet sein, dass eie aneinander vorbei in die entgegengesetzte Stellung durchgesehwenkt werden können (Fig. 4 und 5), wobei die Spalte 3, zwischen .den in .die Geschlossenstellung gebrachten Schaufeln so schmal angenommen werden können"dass so geringe Wassermengen durch treten, .dass, praktisch genommen,
ein Ab schluss zustandekommt. Beim DurGhschwen- ken der Schaufeln (Fig. 5) kommen. diese in eine Stellung, in der sie eine Bremswirkung ausüben- Die Ein- und Austrittskanten der Schaufeln können beliebig gestaltet sein.
An das Laufrad 1 schliesst sich nach oben der kegelartig gestaltete Wirbelkern 10 an, cer die Potentialströmung führt und zen triert.
Das Wasser läuft vom Oberwasser 16 flurch Kanäle 13 zu, die durch eine Leit- wand 12 voneinander getrennt und in den trichterförmigen, schaufellosen Laufrad- schaeht in ungefähr tangentialer Richtung einmünden. Durch diesen Wasserzulauf bil det sich in dem trichterförmigen Turbinen schacht 9 die freie rotierende Potentialströ mung aus, deren Drall nur durch Bewegen der Laufradschaufeln von der Wassermenge Null bis zu der grössten Beaufschlagung ste tig verändert wird, ohne dass eine besondere Strömungsformung notwendig ist.
An der Laufradnabe 15 vorbei strömt die Betriebs flüssigkeit durch das Saugrohr 14 in .das Un- terwasser 17.
Alles, was hier für Turbinen ausgeführt worden ist, gilt sinngemäss auch für Kreisel- pumpen.
Hydraulic centrifugal machine. In known turbine constructions, either a volute casing alone or a volute casing in conjunction with fixed vanes or guide vanes or the like is used to generate the rotational flow in front of the impeller. The operating fluid for the impeller is shut off and controlled by movable nozzles with one or more blades, ring gates, etc.
Turbines are also known in which the impeller is used not only as a regulating element but also as a closing element. In the latter versions, however, the operating fluid flows without rotation, ie in an axial direction through the turbine pressure shaft towards the impeller.
Only shortly before entering the impeller is the liquid deflected somewhat in the circumferential direction by fixed guide vanes. However, this deflection takes place in a constant direction for all impacts, in which direction the liquid flow hits the blade surfaces of the impeller at approximately a right angle. There is no vane-less space between the idler and impeller.
While in known turbines for generating a vortex with a variable slope gonetruktion @ selemente, such as movable diffusers were used and the wall shape was only used to the extent that a diffuser that could not be regulated without be movable. To form a constant flow into the impeller, according to the invention the liquid itself is used for this purpose, namely 1. by means of a suitable covering and 2. by means of adjustable rotor blades.
The subject of the present invention forming centrifugal machine (turbine or pump) without movable vanes is characterized by the combination of a device for the formation of a peripheral component of the water with an adjoining, funnel-shaped rotary cavity to generate a Flelmholtz vortex and with an impeller adjustable blades with any designed inlet and outlet edges, the blades of which can be adjusted in such a way that they block the water flow at least imperfectly,
and that serves to regulate and utilize the Helmholtz vortex, the gradient of the rotational flow developing in the rotational cavity being changed in this way by adjusting the blades, starting from the closed position of the blades, from the smallest to the largest amount of water and vice versa that the Betriebsflüs fluid flows towards the impeller blades in the hydraulically most favorable direction.
The invention thus represents the planned formation and utilization of a low-loss rotating potential flow (Helmholtz's vortex), the gradient and formation of which is brought about exclusively by changing the position of the correspondingly formed and distributed blades of the impeller in such a way that the liquid, Without any further flow shaping, the impeller enters the impeller with the direction of the relative path, which depends on the blade position, for all blade positions,
In the borderline case of complete traffic jams, a more or less fully sealing arrangement of the impeller blades is necessary in order to maintain the most perfect possible continuity in the increase in the starting torques and in the fluid accelerations during the transition from standstill to operation.
The gyroscopic machine according to this invention represents a low-loss, funnel-shaped speed transformer in the entirety of its construction elements, in which the working current itself is drawn in, in connection with the blade position of the impeller angle and speed for all loads up to to regulate continuously to the perfect conclusion.
In the case of a turbine wheel, the operating fluid should be fed to the impeller blades at a certain angle, and for this purpose, as is known, the fluid is set in a rotational movement (rotating potential flow) in front of the impeller, which can be generated by the known design of the water inlet. The rotational flow can therefore be generated, for example, by a tangential inlet.
In the funnel-shaped impeller shaft attached to it, the circumferential flow (r. C "- const.) On the one hand and by the meridian velocity c." on the other hand, set a helical low-loss potential flow, which has the property that the tangential surfaces on this spatial liquid screw in every position of the impeller blades,
If the direction of the leading edge is chosen accordingly, the tangential surfaces at the leading edges of the individual blade curves coincide, so that for all impacts up to the impact of zero - a practically shock and eddy-free entry into the downstream of the relative jets shaped impeller blades is guaranteed.
According to a knowledge gained in this context, namely, the screw pitch of the rotating potential flow, the speed of which is transformed in the funnel-shaped impeller shaft, is: enforced by the respective position of the correspondingly designed impeller blades, so that the tangent to any current filament in each impeller position the helix coincides with the tangent to the blade curve at the inlet end.
Due to the interaction between the daily inlet and the funnel-shaped impeller shaft, the gradient of the helical, low-loss potential flow changes when the pressure changes, as follows: with smaller loads the c "flow caused by the tangential inlet , and with large beaufs:
Impacts that prevail in the funnel-shaped impeller shaft. In addition to this phenomenon, there is also the reaction of the impeller blades, so that the operating fluid flows against the impeller blades in all positions in the relative path.
In the centrifugal machine according to the invention, the radial expansion of the turbine chamber is reduced by omitting the diffuser. At the same time as the diffuser, the otherwise necessary parts for its adjustment are saved and the expensive double regulation of the guide and impeller is replaced by the single regulation of the impeller.
The dimensions of the impeller blades are selected such that they come into mutual contact in a known manner in the closed position, similar to the control devices, or that a gap remains between the inlet and outlet edges of the adjacent blades , which is so narrow that the passage of the water through the impeller, in practice, is blocked.
In the case of the last-mentioned design for rotor blades, it is also possible to achieve a braking effect on the impeller by turning it further beyond the closed position in order to shorten the deceleration time when the machine is shut down by this braking effect without additional equipment to reach.
Such an impeller by means of which the water flow can practically be blocked has the advantage over known impellers that do not have this property that when the blades are spun for the purpose of braking, the operating fluid volume goes through the value: zero and then gradually increases, so that a steady increase in the braking torque can be achieved without shock and vibration, which is particularly necessary for large machines.
The gyroscope according to the inven tion is not to be thought of as having arisen by merging an impeller and a diffuser, but it can essentially be viewed as a device for generating and utilizing a low-loss Helmholtz vortex which, with constant enveloping, is regulated by regulation In it at the location rotating wings are generated and are completely constantly changed for all pressures.
Even if the individual elements, such as exhaust turbine, ti-ichterföimiger pressure shaft, tangential feed and blade adjustment are known per se, the invention lies in the combination and interaction of these elements, in which the wall is pressed down to the envelope and the flow is constantly being formed out of itself for all impacts.
Incidentally, the closing of the impeller is not the main thing as a closure, but as a starting point for adjusting the blades to generate a low-loss Helmholtz vortex. Any other possibility, for example a separate connection at the top or bottom, not only results in unfavorable starting conditions, but also means here an inappropriately distributed mass acceleration from the rest position @ over the circumference of the impeller, which causes a disordered flow filament formation, the detachments and Relocations of the vortex center.
This would result in unacceptably large forces directed radially to the turbine axis.
1 and 2, an axially .durch flowed turbine is shown as an embodiment of the invention. At the boundary between the pressure and suction chamber, the lockable impeller with movable blades 1 is arranged.
The blades: in the closed position, like the known diffusers, can either overlap each other by the amount 4 (Fig. 3), butt touch each other or be designed so that they can be swiveled past each other into the opposite position (Fig. 3). 4 and 5), whereby the gap 3 between .the blades brought into .the closed position can be assumed to be so narrow "that such small amounts of water pass through, .that, in practice,
a deal is concluded. Come when you swivel the blades (Fig. 5). these into a position in which they exert a braking effect. The inlet and outlet edges of the blades can be designed as desired.
At the top of the impeller 1, the conical vortex core 10 connects, cer the potential flow and zen triert.
The water flows in from the upper water 16 through channels 13, which are separated from one another by a baffle 12 and open in an approximately tangential direction into the funnel-shaped, blade-less impeller shaft. This water inlet forms the free rotating potential flow in the funnel-shaped turbine shaft 9, the swirl of which is only continuously changed by moving the impeller blades from zero to the greatest impact, without the need for special flow shaping.
The operating fluid flows past the impeller hub 15 through the suction pipe 14 into the underwater 17.
Everything that has been done here for turbines also applies analogously to centrifugal pumps.