Vorwiegend axial beaufschlagte Kreiselmaschine. Die Erfindung betrifft eine vorwiegend axia,1 beaufschlagte Kreiseimaschine, in wel cher in dem aus dem Laufrad mit Drall aus tretenden Arbeitsmittel noch enthaltene kine tische Energie zum grösseren Teil in einem rotationssymmetrisch zur Maschinenlängs achse ausgebildeten, ringförmigen und die Strömung in eine radiale Richtung umlenken den Diffusor und ferner in einem an diesen sieh anschliessenden Spiralgehäuse zurück- ,gewonnen wird.
Zweck der Erfindung ist, eine Kreisel- mase,Iiine dieser Art zu schaffen, die trotz gedrängtem Aufbau von Diffusor und Spiral- gehäuse gleichwohl eine weitgehende Rück gewinnung der kinetischen Energie, welche noch in dem aus dem Laufrad. austretenden Arbeitsmittel enthalten ist, gestattet.
Na- mentlieh bei Wasserturbinen, die grosse Was sermengen bei kleinem Gefälle zu verarbeiten haben, also vor allem bei Kaplanturbinen, spielen die Abmessungen der Teile, in denen die kinetische Energie,des aus dem Laufrad ausströmen-den Wassers durch Umwandeln in Druck zurückzugewinnen ist, Iiinsichtlieh der Baukosten der Gesamtanlage eine wichtige Rolle.
Dies mit Rücksicht darauf, dass es bei grö <B>'</B> sseren Wasserkraftanlagen mit Kaplan- turbinen erforderlich werden kann, Aushub- arbeiten von<B>10</B> m und mehr Tiefe durch führen zu müssen, die, vor allem wenn sie <B>2</B> in felsigem Boden auszuführen sind, recht teuer zu stehen 'kommen können.
Gelingt es daher, die betreffende Bautiefe erheblich zu verringern, so liegt es auf der Hand, dass sich dadurch stark ins Gewicht fallende Er sparnisse an den Baukosten der Gesamtanlage erzielen lassen. Dieses Ziel wird nun dadurch erreicht, dass 'bei einer Kreiselmasehine ge mäss der Erfindung das Spiralgehäuse zu sammen mit dem auslaufseitigen Endteil der äussern Begrenzungsfläche des Diffusors einen ringförmigen Wulst bildet, der inner halb eines Zylinderraumes liegt, dessen Dursshme,sser gleich dem Austritts durchmesser des Diffusors ist,
und der das, Arbeitsmittel veranlasst, in einer Längsmittelebene durch die Maschine gesehen, einen Sekundärwirbel in Form einer sieh verengenden Spiralbewe- gung zu beschreiben.
Wie durchgeführte Ver suche gezeigt haben, übt der Sekundärwirbel in Form einer sich verengenden Spiralbewe- gung in der Nähe des ringförmigen Wulstes auf die Strömunz im Diffusor eine eiehtor- artige Wirkung aus, wodurch verhindert wird, dass sieh das Arbeitsmittel selbst bei einer verhältnismässig scharfen Umlenkung desselben aus der axialen in die radiale Rich tung von der äussern Begrenzungsfläche des Diffusors ablöst.
Zudem kann die aus dem Diffuschr in das Spiralgelläuse übertretende Strömung durch den an den Diffusor sich anschliessenden, die Strömung in einem Bogen lenkenden Teil der Spiralwand so beeinflusst werden, dass deren Strömungslinien gut zum Anliegen an die äussere Begrenzungsfläche des Diffusors kommen, wodurch ebenfalls die Ablösungsgefalir selbst bei scharfer Um lenkung vermieden wird.
Eine scharfe Um lenkung des Arbeitsmittels erlaubt aber, den Diffusar in der axia-len Richtung kurz zu ha-Iten und somit mit einer kleinen Bautiefe für den Diffusor und das an diesen sich anschliessende Spiralgehäuse auszukommen.
Zweckmässig werden der Diffusor und das daran anschliessende Spiralgehäuse so gestal tet, dass die grösste axiale Entfernung irgend eines Punktes des Spiralgehäuses vom Ein trittsquerschnitt des Diffusors kleiner als der Aussendurchmesser dieses Eintrittsquersehnit- tes ist.
Die weitere Bedingung der technischen Lehre gemäss der Erfindung, wonach der ringförmige Wulst innerhalb des Zylinder- raume-s zu liegen hat, dessen Durchmesser gleich dem Austrittsdurchmesser des Diffn- sors ist, ermöglicht, die Breite der gesamten Maschine verhältnismässig klein zu halten. Trotz der recht gedrängten Ausbildung von Diffusor und Spiralgehäuse geht aber in die sen Teilen die Umsetzung von kinetiseher Energie in Druck mit gutem Wirkungsgrad vor sich.
Dies ist vor allem deshalb der Fall, weil der erwähnte Sekundäi--,virbel auf das aus- dem Diff-asor ausströmende Arbeitsmittel einen günstigen Einfluss in dem Sinne aus- übt, dass Ablösungen<B>,</B> tn gegen das Austrittsende des Diffusors hin verhindert werden und das Überströmen in das Spiralgehäuse unter stützt sowie auch durch keine, Querströmun gen gestört wird.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind ver- schi-edene Ausführungsformen des Erfin- dungs-,eo,enstandes beispielsweise veranschau- liebt, und zwar zeigt- Fig. <B>1</B> einen axialen Schnitt durch eine Kaplanturbine mit Leitrad, Fig. 2 einen waagrechten Schnitt nach der Linie II-II der Fi* <B>1,
</B> Fig. <B>3</B> einen axialen Schnitt durch eine leitradlose Kaplanturbine mit Einlaufspirale, Fig. 4 einen axialen Schnitt durch eine vorwiegend axial beaufsehlagte Pumpe und Fig. <B>5</B> einen a--,.ialen Schnitt durch einen axial beaufschlagten, zweistufigen Verdichter.
In den Fio-. <B>1.</B> und 2 bezeichnet<B>1</B> die Ein- laufkammer, 2 das Leit- und<B>3</B> das Laufrad einer Kaplanturbine. Ferner bezeichnet 4 einen sich an das Laufrad<B>3</B> anschliessenden ringförmigen Diffusor, der rotationssymme- triseh zur Maschinenlängsachse ausgebildet ist. und die aus dem Laufrad<B>3</B> austretende Strömung in eine radiale Richtung umlenkt.
Im Diffusor 4 und in einer an diesen sich anschliessenden Spirale<B>5</B> wirkt die kinetische Energie, welehe in dem mit Drall aus dem Laufrad<B>3</B> austretenden Wasser noch ent halten ist, zurückgewonnen. 4' bezeichnet Stützsäulen, durch die das Gewicht von Ge nerator, Leitrad und dergleichen auf das Fundament Übertragen wird.
Wie in Fig. <B>1</B> ,elezeio,t ist, bildet das Spiralgehäuse <B>5</B> zu sammen mit dem ausla,ufseitigen Endteil<B>6</B> der äussern BegTenzungsfläche des Diffusors 4 einen rino, gförmigen Wulst<B>7.</B> Dieser Wulst <B>7</B> lieot innerhalb eines Zylinderraumes, des sen Durchmesser gleich dem Austrittsdurch messer<B>A</B> des Diffusors 4 ist.
Der ringför- mi-#e Wulst<B>7</B> veranlasst das Wasser, in der Zeiehnungsebene betrachtet, einen Sekundär wirbel in Form einer sieh verengenden Spiral- bewegung zu besehreiben. Dieser Sekundär wirbel übt seinerseits auf die Ströüiung im Diffusor 4 eine ejektorartige Wirkung aus, ,
so dass selbst bei einer verhältnismässig scharfen Krümmung des Endteils<B>6</B> der äussern Begrenzungsfläche des Diffusors 4 die Strömung sieh von diesem Teil nicht ablöst. Zudem wird die aus dem Diffusor 4 in das Spiralgehäuse <B>5</B> übertretende Strömung durch den an den Diffusor 4 sich anschlie ssenden Teil<B>8</B> der Spirale, welclier die Strö mung in einem Bogen nach aufwärts lenkt, so beeinflusst, dass die Strömungslinien auch aus diesem Grunde gut an den Endteil<B>6</B> anliegen.<B>All</B> das ermöglicht,
den Begren- zungsfläe,hen des Diffusors 4 eine so scharfe Krümmung zu geben, dass die grösste axiale Entfernung L irgendeines Punktes des Spi- ralgehäuses <B>5</B> vom Eintrittsquerschnitt des Diffusors kleiner als der Aussendurchmesser M dieses Eintrittsquerschnittes ist.
Fig. <B>3</B> zeigt die Ausführung einer Ka- planturbine ohne Leitapparat und mit Ein- laufspirale <B>10.</B> In dieser Figur bezeichnet ferner<B>11</B> das Laufrad, 12 den ringförmigen Diffusor und<B>13</B> das an diesen sich anschlie ssende Spiralgehäuse mit ringförmigem Wulst 14.
Dieser Wulst 14 liegt auch in diesem Falle innerhalb eines Zylinderraumes, dessen Durchmesser gleich dem Austrittsdurchmes <I>ser<B>N</B></I> des Diffusors 12 ist, und im weiteren ist die grösste axiale Entfernung P irgend eines Punktes der Spirale<B>13</B> vom Eintritts- quersehnitt,des Diffusors 12 aucli hier kleiner als der Aussendurehmesser <B>D</B> dieses Eintritts- querso,linittes.
Bei den beschriebenen Wasserturbinen lässt:sich mit Hilfe des Leitrades 2 bezw. der Einlaufspirale <B>10</B> erreichen, dass dem Wasser am Eintritt ins Laufrad ein solcher Ein trittsdrall aufgezwungen wird, dass das Was ser bei Normallast der Turbine das Laufrad nicht, wie üblich, axial, sondern mit einem positiven Drall,<B>d.</B> h.
mit einem Dra.11 in der Drehrichtung des Laufrades verlässt. Zweck mässig kann dabei die Umfangskomponente der Rotationsströmung<B>15-20</B> Iwo der Meri- dionalkomponente, bezogen auf den mittleren Zylindersehnitt, betragen.
In einem solchen Falle lässt sieh der Wirkungsgrad des Lauf rades #erhöhen, weil durcl-1 die Vergrösserung des Sehaufelwinkel#s in bezug auf die Um- faugsrichtung und die gleichzeitige Vergrö sserung der Relativgeseliwindigkeit bekannt lich bessere Strömungsbedingungen im Lauf- ra,d geschaffen werden.
Bei leitradlosen Kaplanturbinen mit Ein- laufspirale lässtsich letztere bei Anwendung der Erfindung kleiner bemessen als bisher, weil wegen des am Austritt des Laufrades gefe,rderten positiven Dralles dafür gesorgt werden muss, dass am Eintritt in das Laufrad bereits ein stärkerer Drall vorhanden ist als es ohne Anwendung der Erfindung der Fall wäre.
Dieser lässt sich durch kleinere Bemes sung der Einlaufspirale und die dadurch be dingte Erhöhung der.Strömungsgeschwindig- keit erreichen. Eine Verkleinerung der<B>Ab-</B> messungen solcher Einlaufspiralen wirktsieh aber auf deren Herstellungspreis sehr varteil- haft aus, wenn man berücksichtigt, dass solche Spiralen meistens gross ausfallen und aus teurem Stahlblech herzustellen sind.
In Fig. 4 ist die Ausführung einer vor wiegend axial beaufschlagten Pumpe gezeigt. Es bezeichnet hier<B>16</B> das Pumpenlaufrad,<B>1.7</B> einen an diesessich anschliessenden, ringför migen Diffusor, der auch in diesem Falle rotationssymmetrisch, zur Maschinenlängs achse ausgebildet ist und die Strömung in eine radiale Richtung umlenkt.<B>18</B> ist die an den Diffusor <B>17</B> sich anschliessende Spirale mit ringförmigem Wulst<B>19.</B> Dem Laufrad<B>16</B> ist ein Leitapparat weder vor- noch nach geschaltet.
Fig. <B>5</B> zeigt schliesslich einen zweistufigen AxialverdieUter. Mit 20 und 21 sind zwei Laufräder bezeichnet und 22 ist ein da zwischen angeordnetes Leitrad. Hinter dem zweiten Laufracl 21 ist kein Leitrad vor gesehen, sondern es schliesst sich an dasselbe unmittelbar ein ringförmiger Diffusor <B>23</B> und an diesen eine Spirale 24 mit ringförmigem Wulst 25.
Da sich in den beschriebenen Spiralen die Austrittsenergie der Drallströmung mit gu tem Wirkungsgrad zurückgewinnen lässt, so bedingt das Vorsehen einer solchen Spirale den weiteren Vorteil, dass auch bei Teillast- betrieb, wo der Wirkungsgrad infolge des Dralleinflusses verschlechtert wird, die Wir kungsgradkurve der Kreiselmaschine verhält nismässig flach verläuft.
Da die Strömung mit Drall in den Diffti- sor einzutreten hat, kann bei vorwiegend a,xia.1 beaufsahlagten Pumpen und Gebläsen. wie gezeigt, ein Leitapparat hinter dem letz ten Laufrad entbehrt werden.
Das trägt eben falls dazu bei, dass die Wirkungsgradkurve bei Teillastbetrieb einen flacheren Verlauf als bisher hat, da bei Teillastbetrieb infolge unrichtiger Beaufschlagung des Leitappara.tes sonst auftretende Strömungsverluste in Weg fall kommen. DieWeglassung einesLeitappa- rates bringt noch den weiteren Vorteil mit sich, dass sieli die Maschine vor allem in axialer Richtung gedrängter bauen und zusammen hängend damit die Lagerentfernung verkür zen lässt.
Zweckmässig wird die Anordnung so ge- treffen, dass die grösste axiale Entfernung irgendeines Punktes des Spiralgehäuses vom Eintritisquerschnitt des Diffusors etwa<B>0,6</B> bis<B>0,8</B> des Aussendurchmessers dieses Ein- tritisquerschnittes beträgt.