Führungsmittel für Drallströmungen. Gegenstand vorliegender Erfindung bildet ein Führtuigsmittel für Flüssigkeiten und Gase oder für Gemische aus solchen mit mit geförderten Stoffteilchen.
Es bildet ein Mittel zur Erzeugung bzw. Führung von Drallströmungen, insbesondere für Kreiselmaschinen, wie Flüssigkeitstur binen und -pumpen, Gasturbinen, Flüssig keitsgetriebe und Ventilatoren, Zentrifugen oder für Brenner- und Zerstäuberdüsen und anderes mehr.
Die Anforderungen, welche der Bau von I < reiselniasehinen an die zur Verwendung ge langenden Führungsmittel stellt, sind viel fache; sie sollen die Lenkung einer Strömung mit bestimmter Tangentialkomponente ent lang eines Rotationskörpers gestatten.
Sie sollen ferner eine gleichmässige Strö mung bilden. oder erhalten und gegebenenfalls potentielle Energie in kinetisebe bzw. umge kehrt möglichst verlustfrei umsetzen.
Ausserdem soll durch Regeleingriff der Durehströmquersehnitt, die sogenannte Beauf- sehlagung, unter Konstanthaltung der Strö- inungswinkel verändert werden können und wenn möglich auch durch getrennt anwend baren, weiteren Regeleingriff die Tangential- komponente der Strömung beliebig geändert werden können.
Mit den derzeit, bekannten Führungsmit teln ist es nicht in befriedigender Weise ge lungen, diese Anforderungen gleichzeitig za erfüllen. Die Verwirklichung einer um den ganzen Umfang voll beaufschlagten Freistrahltur bine an Stelle der Pelton-Turbine mit ihrer Partialbeaufsehlagung musste bisher ausblei ben.
Dies, obwohl der vollbeaufschlagten Frei strahlturbine wegen ihrer höheren Tourenzahl infolge des kleiner werdenden Laufrades und wegen ihrer gedrängten Bauweise für grösste Einheitsleistungen, wie auch wegen ihrer ein fachen Konstruktion bei hohem Wirkungs grad über alle Betriebsbereiche bei Bela- stungs- und Gefällsänderungen weitere An wendungsgebiete zustünde.
Aus dieser Erkenntnis heraus wurde ver schiedentlich auch versucht, Führungsmittel ohne die genannten Mängel zu schaffen. Ins besondere wurden Ringschützen vorgeschla gen (Fig. 1), welche durch Axialverschiebung der Ringschütze 12 mehr oder weniger Durch strömquersehnitt freigeben. Die Tangential- strömung sollte dabei durch den spiraligen Zulauf aus dem Spiralgehäuse 11 sowie auch durch achsparallelstehende, spiralförmig ge krümmte Leit.fläehen 13, welche im Zulauf direkt vor die Ringschützen 12 gestellt sind, erzielt werden.
Diese Vorschläge ergaben aber nicht den gewünschten konstanten Drall über den. ganzen Umfang und für alle Öff nungsverhältnisse, denn wie Fig.2 deutlich erkennen lässt, findet. im Augenblick, da die Ringschütze zu öffnen beginnt, überall dort, wo sich keine spiralförmige Leitfläche befin det, an Stelle der Ausströmung mit einer be- stimmten Tangentialkomponente, eine meri- diane Ausströmung statt (siehe Pfeile in Fig. 2 ) .
Erst bei voller Öffnung der Ringschütze wird auch die Tangentialkomponente ihre volle gleichmässige Höhe erreichen.
Auch als Schraubenflächen ausgebildete Schaufeln sind bei Wasserkraftmaschinen be kannt, doch war entweder keine Regulierung vorgesehen oder dieselbe wurde durch die vorgenannten bekannten Mittel, insbesondere Drehschaufeln, erzielt.
Vorliegende Erfindung beseitigt die er wähnten konstruktiven und strömungstech nischen -Nachteile der Durehlass- und Winkel regulierung.
Das erfindungsgemässe Führungsmittel für Drallströmungen besitzt mindestens eine Gruppe von drei Flächen, wovon zwei die Strömung begrenzende Rotationsflächen sind, während die dritte eine die Strömung len kende Schraubenfläche ist. Zur Ausführung einer Reg2ilierbewegung ist eine der drei Flächen gegenüber den beiden andern ver- schraubbar.
Zur Erzielung einer konstanten Tangen tialkomponente der Strömung über den gan zen Regulierbereich können die beiden zur gleichen CTruppe gehörenden Rotationsflächen teilweise parallel verlaufen.
Wird dagegen ausserhalb des Bereiches der ströniiingslenkenden Fläche entweder durch zusätzliche Elemente oder durch ent sprechende Formgebung der strömungsbegren zenden Flächen der Durchlassquerschnitt va riiert, so kann dadurch eine Änderung der Tangentialkomponente der Strömung erzielt werden.
Die Fig.1 und 2 bezogen sich auf alt bekannte Ausführungen (Ringsehützenregulie- rung) und dienten nur der einleitenden Ge genüberstellung.
Ausführungsbeispiele des erfindiingsge- mässen Führungsmittels sind in den Fig. 3 bis 6 der beiliegenden Zeichnung dargestellt, wo bei Fig.3 ein erstes Beispiel im Meridian schnitt, Fig. -1 eine Ringdüse im Meridiansehnitt, Fig.5 ein drittes Beispiel mit bezüglich der Mittelachse ein- und auswärts führender Strömung und Fig. 6 ein Laufrad einer Kaplan-Turbine mit erfindungsgemässem Führungsmittel zeigt.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel im Meridianschnitt. Darin sind 1., 2 und 2" die die Strömung begrenzenden Flächen im Schnitt, wobei sieh mit Veränderung der Lage vors 2 in Doppelpfeilriehtung der Durchström- querschnit.t verändert. 3 ist die die Strömungs richtung, insbesondere die Tangentialkom- ponente bestimmende Schraubenfläche im Schnitt.
Je nach Bedarf kann, wie gezeichnet, nur der Teil 2 beweglich, seine Fortsetzung 2" aber fest finit dem übrigen Teil des Führungs mittels verbunden sein, oder '? und 2" können als gemeinsamer Körper verschraubbar sein. Die Schraubensteigung der Schraubenfläche und ihr Profil brauchen nur so weit konstant zu sein, als dies im Hinblick auf einen kon stanten Austrittswinkel und mit Rücksicht auf die Verschraubung von 2 gegenüber 3 notwendig ist, während sie ausserhalb von 2, also im Bereich von 2", beispielsweise allmäh lich auf unendlich übergehen kann. Es könnte auch die Fläche 1 gegenüber der Fläche 2 ver- schraubbar sein.
Die in Pfeilriehtun- 4. frei austretende Strömung hat die Form eines Hyperboloides, dessen Erzeugende die geradlinigen Austritts strahlen darstellen. Bei Durchströmung der Führungsmittel nach Fig. 3 entgegen der Pfeilrichtung 4 arbeitet. dieses Führungsmittel als Diffusor mit von der Mittelachse aus wärtsgehender Strömung, das heisst. zur Um setzung von Geschwindigkeit in Druckenergie.
Im Teil 2 (Fug. 3) sind Dieht.ungsstulperi 6 und 6a vorgesehen. Die Stulpen 6a dich ten den Teil. 2 gegenüber dem Teil 2" ab, während die Stulpen 6 den Teil 2 gegenüber dem Teil 3 abdichten.
Während der Teil 2 in Fig. 3 am Austritt aus dem Raum der strömungslenkenden Fli ehen den Durchströmquersehnitt bestimmt, also dort, wo noch durch das Vorhandensein der strömungslenkenden Flächen der genaue Austrittswinkel bzw. die Tangentialkompo- nente festgelegt ist, kann durch ein zusätz liches Steuerorgan der Durchströmquerschnitt in gewisser Entfernung ausserhalb des Raumes der strömungslenkenden Fläche verengt wer den.
Durch eine solche Verengung wird die Strömungsrichtung nach der Meridianebene zu abgedrängt, und es kann damit die Ta.n- gentialkomponente, also der Drall, verringert werden.
Die Teile 5' und 5 in Fig. 3 stellen ein solches Steuerorgan zur zusätzlichen Reguilie- rung der Tangentialkomponente der Strö mung dar. Das rohrförmige Übergangsstück 5' kann aus einer zurückgezogenen Stellung axial in die gezeichnete Wirkungsstellung vor geschoben werden.
Dann kann mit. dem ebenfalls rohrförmigen Regulierstück 5 die austretende Strömung eingeengt und damit die Stromfäden in meri- dionaler Richtung abgelenkt, also die Tan- gentialkomponente verkleinert werden.
Die zweiteilige Ausführung dieser Regu lierung mit 5 und 5' ist nicht notwendig, doch kann mit dieser Ausführung durch die ge ringe Abrundung der Steuerkante von 5' im Übergang zu 5 ein gewisser Stossverlost beim Auftreffen der Randstrahlen auf 5 vermieden werden.
Fig. .1 zeigt. eine beispielsweise Anordnung einer Ringdüse mit nur nach innen gerich teter Strömung ohne Axialkomponente. Ihre grundsätzliche Anordnung ist ohne weiteres ersichtlich und bedarf gegenüber Fig. 3 keiner weiteren Erläuterung. Die gestrichelt gezeich neten radialen Verlängerungen 1' und 2' der die Strömung begrenzenden Führungsflächen 1 und 2 bestehen beim gezeichneten Beispiel aus elastischem Material und ermöglichen durch Ausbiegen aus ihren Ebenen mittels nicht gezeichneter Verstellorgane eine Ver engung des Austrittsquerschnittes ausserhalb des Bereiches der die Strömung lenkenden Flächen.
Es können diese Verlängerungen mit hin in gewissen Grenzen eine ähnliche Funk tion wie die Steuerorgane 5 und 5' in Fig. 3 erfüllen. Es können auch in die gewünschte Stellung abgebogene Verlängerungen aus festem Material vorgesehen sein.
Schliesslich sei an Hand der Fig. 4 noch auf eine wesentlich konstruktive Möglichkeit hingewiesen. Bei den bisher üblichen Füh rungsmitteln zur Erzeugung von vollbeauf- schlagenden Ringströmungen wurden die die ; Strömung in tangentialer Richtung lenkenden Flächen, zum Beispiel die Finkschen Dreh schaufeln, am konstruktiv kleinstmöglichen Durchmesser angeordnet.
Diese Anordnung bedingt insbesondere für höhere Gefälle, wie etwa für vollbeaufsehlagte Freistrahlturbinen, infolge der hohen Flüs- sigkeitstreibung entlang den strömungslenken den Flächen, wie auch infolge der Spaltver luste zwischen den zwecks Regelung bewegli-, eben strömungslenkenden Flächen und dem Leitradprofil solche Verluste, dass diese Leit- apparate für höhere Gefällsbereiche praktisch nicht mehr anwendbar sind, weshalb man auch zu den partial beaufsehlagten Freistrahltur binen, wie Pelton,
zurückgreifen muss.
Es ist nun ohne weiteres möglich, speziell bei Freistrahlverhältnissen, also grossen Aus trittsgeschwindigkeiten, die strömungslenken den Flächen auf einem grossen Durchmesser anzuordnen, also in einer Zone kleiner Ge schwindigkeit. In der Zone grosser Geschwin digkeit wird das Medium nur noch durch die beiden strömungsbegrenzenden Flächen (1' und 2' in Fig.l) geführt.. Da die Reibungs verluste annähernd proportional der Geschwin digkeit im Quadrat sind, die Geschwindigkeit. selbst in vorliegender Ausführung jedoch um gekehrt proportional dem Durchmesser ist., werden die totalen Verluste klein.
Eine Kombination von in bezug auf die Mittelachse ein- und auswärtsgehender Strö mung zeigt Fig. 5. Es sind in diesem Ausfüh rungsbeispiel zwei Gruppen mit je zwei strö mungsbegrenzenden Rotationsflächen und je einer strömungslenkenden Schraubenfläche 3 und 3'* vorhanden. Die Teile 1 und 1* stellen die feststehenden strömungsbegrenzenden Flä chen dar, während die zu verstellenden Flä chen 2 und 2'* an einem gemeinsamen keil förmigen Ringkörper mit Schraubenschlitzen für den Durchgang der Schraubenflächen 3 und 3* vorgesehen sind.
Diese Konstruktion macht jede Dichtung zwischen den strömungsbegrenzenden Flächen 2 resp. 2* und der Schraubenfläche 3 resp. P auch bei hohen Drücken überflüssig. Nach teilig bei dieser Konstruktion ist dagegen, in folge der geteilten Durchströmöffnung, der höhere Austrittsverlust und die etwas höhere Verstopfungsgefahr.
Die Kegelwinkel der beiden Führungs flächen 1 und 2 müssen jenen von 1* und 2'" derart entsprechen, dass der Zusammenfluss der beiden Ringströme mit derselben Tangen tialkomponente, also verlustfrei erfolgt.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Anwendung als Leitrad für eine Kaplan- Turbine. Dieses bietet den Vorteil der ein facheren Konstruktion (gegenüber jener mit den Finksehen Drehschaufeln) und eines sehr schönen, stetigen Zulaufs zum Kaplan-Pro- peller. Die Konstanz des Dralles bei ver schiedenen Baufschlagungsgraden ist aller dings aus geometrischen Gründen in diesem Beispiel nicht vorhanden, kann aber durch die Verstellbarkeit der Schaufeln kompensiert werden.
Wie aus dem Vorangehenden ersichtlich, sind bei den beschriebenen Beispielen die bei bestehenden Konstruktionen (zum Beispiel Finksche Drehschaufeln usw.) bekannten kon- struktiven Nachteile, wie: Vielzahl der durch Regeleingriff zu bewegenden Teile, Schwie rigkeit der Dichtung von durch Regelein griffe zu bewegenden Führungsmitteln bzw. deren Spaltverluste, Kompromiss durch End lichkeit der Schaufelzahl usw. behoben.