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.
Mainly axially loaded centrifugal machine. The invention relates to a mainly axia, 1 acted upon circular machine, in wel cher in the from the impeller with swirl from exiting working fluid still contained kinetic energy for the greater part in a rotationally symmetrical to the machine longitudinal axis, annular and deflect the flow in a radial direction Diffuser and also in a spiral housing adjoining this, is recovered.
The purpose of the invention is to create a centrifugal mass, line of this type, which, despite the compact structure of the diffuser and spiral housing, nevertheless largely recovers the kinetic energy that is still in the impeller. leaked work equipment is permitted.
Namely in the case of water turbines that have to process large amounts of water with a small gradient, i.e. above all in the case of Kaplan turbines, the dimensions of the parts play a role in which the kinetic energy of the water flowing out of the impeller can be recovered by converting it into pressure, Iiinsichtlieh the construction costs of the overall system play an important role.
This in view of the fact that in the case of larger hydropower plants with Kaplan turbines it may be necessary to carry out excavation work of <B> 10 </B> m and more depth, which, especially if they <B> 2 </B> have to be executed in rocky ground, they can be very expensive.
If it is therefore possible to reduce the overall depth in question considerably, it is obvious that this makes it possible to achieve significant savings in the construction costs of the overall system. This goal is now achieved in that 'in a gyroscope according to the invention, the spiral housing together with the outlet-side end part of the outer boundary surface of the diffuser forms an annular bead which lies within a cylinder space, the diameter of which is equal to the outlet diameter of the Diffuser is
and which causes the work equipment, seen through the machine in a longitudinal center plane, to describe a secondary vortex in the form of a narrowing spiral movement.
As carried out tests have shown, the secondary vortex in the form of a narrowing spiral movement in the vicinity of the ring-shaped bead exerts a gate-like effect on the flow in the diffuser, which prevents the working medium from being seen even with a relatively sharp deflection the same from the axial in the radial direction from the outer boundary surface of the diffuser is detached.
In addition, the flow passing from the diffuser into the spiral housing can be influenced by the part of the spiral wall that adjoins the diffuser and directs the flow in an arc in such a way that its flow lines come to rest well on the outer boundary surface of the diffuser, which also causes the separation gradient is avoided even with sharp deflection.
However, a sharp deflection of the working medium allows the diffuser to be kept briefly in the axial direction and thus to manage with a small overall depth for the diffuser and the spiral housing adjoining it.
The diffuser and the spiral housing adjoining it are expediently designed in such a way that the greatest axial distance of any point on the spiral housing from the inlet cross section of the diffuser is smaller than the outside diameter of this inlet cross section.
The further condition of the technical teaching according to the invention, according to which the ring-shaped bead has to lie within the cylinder space, the diameter of which is equal to the exit diameter of the diffuser, enables the width of the entire machine to be kept relatively small. Despite the rather compact design of the diffuser and spiral housing, however, the conversion of kinetic energy into pressure takes place in these parts with good efficiency.
This is mainly the case because the aforementioned secondary vortex exerts a favorable influence on the working medium flowing out of the diffuser in the sense that detachments <B>, </B> tn against the outlet end of the diffuser are prevented and the overflow into the spiral housing is supported and also by no cross-currents are disturbed.
Various embodiments of the invention are illustrated, for example, in the accompanying drawing, namely, FIG. 1 shows an axial section through a Kaplan turbine with a stator, FIG. 2 a horizontal section along the line II-II of Fi * <B> 1,
</B> Fig. 3 </B> shows an axial section through a statorless Kaplan turbine with an inlet spiral, Fig. 4 shows an axial section through a predominantly axially loaded pump and Fig. 5 </B> an a- - ,. ial section through an axially loaded, two-stage compressor.
In the fio. <B> 1. </B> and 2 denote <B> 1 </B> the inlet chamber, 2 the guide and <B> 3 </B> the impeller of a Kaplan turbine. Furthermore, 4 denotes an annular diffuser which adjoins the impeller <B> 3 </B> and which is designed to be rotationally symmetrical to the longitudinal axis of the machine. and diverts the flow emerging from the impeller <B> 3 </B> in a radial direction.
In the diffuser 4 and in a spiral <B> 5 </B> adjoining it, the kinetic energy, which is still contained in the water exiting with a twist from the impeller <B> 3 </B>, is recovered. 4 'denotes supporting columns through which the weight of the generator, stator and the like is transferred to the foundation.
As shown in FIG. 1, elezeio, t, the spiral housing 5, together with the outlet end part 6, forms the outer boundary surface of the diffuser 4 a rino, g-shaped bead <B> 7. </B> This bead <B> 7 </B> lies within a cylinder space whose diameter is equal to the outlet diameter <B> A </B> of the diffuser 4.
The ring-shaped bead <B> 7 </B> causes the water, viewed in the plane of the drawing, to describe a secondary eddy in the form of a narrowing spiral movement. This secondary eddy in turn exerts an ejector-like effect on the flow in the diffuser 4,
so that even with a relatively sharp curvature of the end part <B> 6 </B> of the outer boundary surface of the diffuser 4, the flow does not detach from this part. In addition, the flow passing from the diffuser 4 into the spiral housing <B> 5 </B> through the part <B> 8 </B> of the spiral that adjoins the diffuser 4, waved the flow upwards in an arc steers, influenced in such a way that the flow lines fit well to the end part <B> 6 </B> for this reason. <B> All </B> makes it possible
to give the delimitation surfaces of the diffuser 4 such a sharp curvature that the greatest axial distance L of any point on the spiral housing from the inlet cross section of the diffuser is smaller than the outer diameter M of this inlet cross section.
FIG. 3 shows the design of a capstan turbine without a guide device and with an inlet spiral <B> 10. </B> In this figure, <B> 11 </B> also designates the impeller 12 the annular diffuser and <B> 13 </B> the spiral housing adjoining this with an annular bead 14.
In this case too, this bead 14 lies within a cylinder space, the diameter of which is equal to the exit diameter of the diffuser 12, and furthermore the greatest axial distance P is any point the spiral <B> 13 </B> of the entry cross section, the diffuser 12 also here smaller than the outer diameter <B> D </B> of this entry cross section, linittes.
In the case of the water turbines described: with the help of the stator 2 respectively. the inlet spiral <B> 10 </B> achieve that the water at the entrance to the impeller is forced into such an ingress swirl that the water at normal load of the turbine does not move the impeller axially, as usual, but with a positive swirl, < B> d. </B> h.
leaves with a Dra.11 in the direction of rotation of the impeller. The circumferential component of the rotational flow can expediently be <B> 15-20 </B> Iwo of the meridional component, based on the central cylinder section.
In such a case, the efficiency of the impeller # can be increased because the increase in the blade angle # s with respect to the circumferential direction and the simultaneous increase in the relative velocity are known to create better flow conditions in the impeller .
In the case of statorless Kaplan turbines with an inlet spiral, the latter can be dimensioned smaller than before when the invention is used, because because of the positive swirl at the outlet of the impeller, it must be ensured that a stronger swirl is already present at the inlet into the impeller than without it Application of the invention would be the case.
This can be achieved by making the inlet spiral smaller and thereby increasing the flow velocity. A reduction in the dimensions of such inlet spirals, however, has a very advantageous effect on their production price, if one takes into account that such spirals are usually large and are to be made from expensive sheet steel.
In Fig. 4, the embodiment of a predominantly axially acted upon pump is shown. Here <B> 16 </B> designates the pump impeller, <B> 1.7 </B> an adjoining, annular diffuser, which in this case is also rotationally symmetrical to the machine's longitudinal axis and the flow in a radial direction deflects. <B> 18 </B> is the spiral adjoining the diffuser <B> 17 </B> with an annular bead <B> 19. </B> The impeller <B> 16 </B> is a Guide apparatus neither upstream nor downstream.
Finally, FIG. 5 shows a two-stage AxialverdieUter. With 20 and 21 two impellers are referred to and 22 is a stator arranged there between. No guide wheel is seen behind the second runner 21, but an annular diffuser 23 directly adjoins it and a spiral 24 with an annular bead 25 adjoins it.
Since the exit energy of the swirl flow can be recovered with good efficiency in the spirals described, the provision of such a spiral results in the further advantage that the efficiency curve of the centrifugal machine behaves even during partial load operation, where the efficiency is impaired due to the influence of the twist runs moderately flat.
Since the flow has to enter the diffuser with a swirl, pumps and blowers can be applied to mainly a, xia.1. As shown, a diffuser behind the last impeller can be dispensed with.
This also contributes to the fact that the efficiency curve has a flatter course in partial load operation than before, since in partial load operation otherwise occurring flow losses are eliminated due to incorrect application of the control apparatus. The omission of a guide device has the further advantage that the machine can be built to be more compact, especially in the axial direction, and thus the bearing distance can be shortened.
The arrangement is expediently made so that the greatest axial distance of any point on the spiral housing from the inlet cross section of the diffuser is approximately 0.6 to 0.8 of the outside diameter of this inlet cross section amounts.