Wasserturbine mit schwingenden laufradschaufeln. Die von Ernst Schneider in Wien ge machte Erfindung eines Schaufelrades (siehe österreichische Patentschrift Nr. 105723) ge langte zur Anwendung im Bau von Schiffs antriebpropellern (Voith-Schneider Propeller). Die in der erwähnten Patentschrift aufge zeigte Möglichkeit, eine Turbine auf gleicher Basis zu entwickeln, führt hingegen zu Schwie rigkeiten. Dies hat seinen Grund darin, dass die Bewegung der Schaufeln nach der von Ernst Schneider angegebenen Gesetzmässig keit für eine Turbine nur annähernd richtig ist.
Es ist nicht Zweck der vorliegenden Er findung, ein Verfahren aufzudecken, wie diese Bewegung sein muss. Zweck der vorliegenden Erfindung, die eine Wasserturbine mit schwin genden Laufradschaufeln betrifft, ist es, eine Konstruktion aufzuzeigen, die eine Bewegung der Schaufeln frei von jeder geometrischen Gesetzmässigkeit und also rein nach den hydrau lischen Erfordernissen ermöglicht. Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass der die schwingende Drehbewegung der Lauf radschaufeln bewirkende Mechanismus durch einen zentral angeordneten, in Richtung der Drehachse des Laufrades verstellbaren Steuer nocken gesteuert wird, welcher seinerseits mit einer Regelvorrichtung in Verbindung steht.
Die günstigste Form des Steuernockens und damit die günstigste Bewegung der Lauf radschaufeln kann an einem Modell auf dem Versuchswege bestimmt werden.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes darge stellt. Fig. 1 zeigt einen Achsenschnitt durch dasselbe und Fig.2 einen Querschnitt durch den Steuermechanismus desselben; Fig. 3 ist ein Querschnitt nach der Linie i-i in Fig.1, wobei gleichzeitig Geschwindigkeitsdiagramme dargestellt sind; Fig. 4 zeigt Laufradschaufeln in verschiedenen Lagen; Fig. 5 zeigt den Steuernocken;
Fig. 6 und 7 sind Schnitte nach den Linien a-a bezw. .b-b in Fig. 5 durch den Steuernocken.
In derWasserführungskammerD, die recht eckigen Durch$ussquerschnitt aufweist, sind eine Anzahl Führungsstege .E angeordnet. In dieser Kammer liegt ferner das Laufrad, das zwei Radscheiben B und C, sowie Schaufeln G und Verbindungsbolzen F, die zur mecha nischen Verbindung der beiden Radscheiben, sowie zur Lagerung der Schaufeln G dienen, besitzt. Die Radscheibe B ist als Hohlkörper ausgebildet, der zur Aufnahme des Steuer gestänges für die Schaufelverstellung dient. Die beiden Radscheiben B und C des Lauf rades sind auf den Wellen<I>M</I> und<I>N</I> ange ordnet, die in den Lagern .K und L gelagert sind.
Der Steuermechanismus für die Schaufel verstellung besitzt einen nichtumlaufenden, aber inachsialerRichtung verstellbaren Steuer nocken P, der mit umlaufenden Fingern Q, welche einerseits in den drehbar angeordneten Hülsen 0 geführt sind und anderseits an den auf den Schaufeln G festsitzenden Hebeln S angreifen, zusammenarbeitet. Die Hebel S stehen unter dem Einfluss von Federn T. Diese Zugfedern<I>T</I> drücken die Finger Q gegen den Steuernocken, so dass diese mit ihren Rollen U in jeder Lage des Steuer- nockens P mit der Umfangsfläche desselben Kontakt haben.
Jede Schaufel nimmt daher in jeder Stellung des Rades die Stellung ein, die durch die Form des Steuernockens be stimmt ist. Der Steuernocken besitzt einen Steuerquerschnitt a--a (Fig. 5 und 6), der kreisrund und zur Drehachse z zentrisch ge legen ist, so dass der Steuerradius r des Steuer- nockens P für jeden Winkel a zwischen 0 und 360' gleich gross ist.
Wenn der Steuer nocken so achsial verschoben wird, dass der Steuerquerschnitt a-a steuert, haben sämt liche Schaufeln die gleiche relative Lage zum Rad, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schaufelachsen s-s Tangenten bilden an den Schaufelkreis k. Alle übrigen Steuerquer schnitte des Steuernockens haben eine von der Kreisform abweichende Gestalt, und zwar weichen sie von der Kreisform um so stärker ab, je weiter entfernt sie vom Steuerquer schnitt a-a liegen.
Der grösste Steuerradius des Steuerquerschnittes b-b ist mit r9 und der kleinste mit ri bezeichnet (Fig. 5 und 7). Bei jeder Umdrehung des Rades vollführt jede Schaufel eine der Radiendifferenz r?.-ri entsprechende volle Drehschwingung um ihre Drehachse. Dabei ist das Ganze derart aus gebildet, dass die Schaufelspitze in den Zu ström-Quadranten I und II aus dem Schaufel kreis k heraus, in den Abström-Quadranten III und IV aber in den Schaufelkreis k hinein ragt.
Die Arbeitsweise des durch die Turbine strömenden Wassers ist im folgenden an Hand von Fig. 3 erläutert. In dieser Figur sind für die Schaufeln 2, 3, 5 und 6 die Geschwin digkeitsdreiecke eingezeichnet. Es bedeuten c die absolute Geschwindigkeit des Wassers in der Turbine, u die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln auf dem Schaufelkreis<I>k,</I> zv die relative Strömung des Wassers in bezug auf die Schaufeln G.
w bestimmt sich dermassen, dass c die Resultierende aus<I>u</I> und ?v ist.<I>u</I> ist so zu wählen, dass w einen Winkel<I>r,</I> An- stellwirikel genannt, mit der Schaufelachse s-s einschliesst. Die Schaufeln werden also unter dem Anstellwinkel r angeströmt, man kann auch sagen, die Schaufeln bewegen sich mit der Momentangeschwindigkeit tv im Was ser, und zwar in der Weise, dass die Achse der Schaufel mit dem Geschwindigkeitsvektor den Anstellwinkel r einschliesst.
Dabei tritt einerseits an der Schaufel ein Widerstand W entgegengesetzt der Bewegungsrichtung auf und anderseits eine Auftriebkraft A senkrecht zur Bewegungsrichtung, in diesem Falle senk recht zu tv (siehe Hütte, Band I, Seite 383, 25. Auflage). Die Praxis lehrt nun, dass bei geeigneter Formgebung der Schaufeln G die Auftriebskraft A ein Vielfaches des Wider standes W werden kann. In Fig. 4 sind an je einer Schaufel in den Quadranten I und III die auf die Schaufeln wirkenden Wider stands- und Auftriebskräfte W bezw. d ein gezeichnet.
Die Resultierende B aus W und A jeder Schaufel ergibt, multipliziert mit dem Abstand d dieser Resultierenden von der Drebachse z, das von jeder Schaufel er zeugte Drehmoment auf die Turbinenwelle.
Anzahl und Grösse der Schaufeln können frei gewählt werden. Werden die Schaufeln mit einer Länge h gleich dem Schaufelab stand t ausgeführt, so kann dadurch erreicht werden, den Wasserdurchfluss durch die Tur- bine durch blosses Verstellen des Steuernockens abstoppen zu können. Bei dieser Schaufel stellung, die in Fig. 4 im Quadranten IV dar gestellt ist, ist der zentrischeSteuerquerschnitt des Steuernockens in wirksamer Stellung.
Ist beim Schaufelrad gemäss Fig. 4 der in der Fig. 5 mit b--b bezeichnete Steuerquer schnitt in wirksamer Lage, so nehmen die Schaufeln die im II. Quadranten der Fig. 4 gezeichneten Stellungen ein. Das Rad ist ge öffnet, d. b. es verarbeitet ein gewisses Quan tum Wasser und gibt eine entsprechende Leistung her.
Man hat es demnach in der Hand, durch Verstellen des Steuernockens Wasserdurchtritt und Leistung und damit auch die Drehzahl der Turbine zu regulieren, wenn man nur.den Steuernocken vermittels der Stange V mit einer Handreguliervorrich- tung oder einem automatischen Regulator in Verbindung bringt.
Dreht man bei der oben beschriebenen Turbine den Steuernocken um<B>1800</B> um die Achse z, so werden die Schaufeln des I. und II. Quadranten nach einwärts geschwenkt, d. h. die Schaufelspitzen ragen in den Schaufel kreis k hinein und die Schaufeln im IH. und IV. Quadranten werden nach auswärts ge schwenkt. Die Schaufeln würden dann wieder richtig arbeiten, und zwar ganz genau gleich wie oben beschrieben, wenn der Wasserdurch- tritt durch die Turbine entgegengesetzt der Pfeilrichtung f erfolgen würde. Durch blosses Verdrehen des Steuernockens kann also die Turbine auf entgegengesetzte Durchflussrich- tung eingestellt werden.
Eine solche Turbine eignet sich deshalb gut zur Ebbe- und Flut- ausnützung.