Zweistufige Kaplanturbine. In dein Bestreben, axial durchströmte Wasserturbinen (Propeller- und Kaplan turbinen) für immer grössere Gefälle zur An wendung bringen zu können, sind bereits Ausführungen vorgeschlagen worden, bei denen zwei Laufräder mit festen oder ver stellbaren Schaufeln unmittelbar, also ohne Zwischenschaltung eines Leitapparates, hin tereinander angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, eine zweistufige Kaplanturbine so auszubilden, dass sie mit möglichst hohem Wirkungsgrad und möglichst geringer Kavi tation arbeitet. Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die erste Stufe als Hochdrucklaufrad mit einem Verhältnis Nabendurchmesser/Aussendurchmesser der Beschaufelung mindestens 0,5 und die zweite Stufe als Niederdrucklaufrad ausgebildet ist, welches bei höchstens gleichem Aussendurch messer einen kleineren Innendurchmesser als das Hochdrucklaufrad aufweist, wobei die Verhältnisse so gewählt sind, dass das Nabenverhältnis des Hochdrucklaufrades mindestens 10% grösser ist als das Naben verhältnis des Niederdrucklaufrades.
Es ist an sich bereits vorgeschlagen wor den, bei einer zweistufigen Kaplanturbine den Durchflussquerschnitt der zweiten Stufe grösser zu wählen als den Durchflussquer schnitt der ersten Stufe. Dies wird dort aber dadurch erreicht, dass bei gleichbleibendem Nabendurchmesser der Aussendurchmesser in den beiden Stufen, mindestens aber in der zweiten Stufe vom Eintritt bis zum Austritt stetig zunimmt. Dabei ergibt sich eine un günstige divergente Strömung mit der Ge fahr einer besonders grossen schädlichen Tot wasserbildung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt : Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch die beiden Laufradstufen einer Turbine mit im Bereich der ersten Stufe kugeligem und im Bereich der zweiten Stufe zylindrischem Mantel.
Fig. 2 zeigt einen Zylinderschnitt der Be- schaufelung hierzu.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel mit im Bereich der zweiten Stufe kegelförmig erwei tertem Mantel.
In den Fig. 1 und 2 ist die Turbinenachse mit 1 bezeichnet, die Schaufeln der ersten Stufe, welche als Hochdruckstufe ausgebildet ist, mit 2 und die Schaufeln der zweiten Stufe, der Niederdruckstufe, mit 3. Wie er sichtlich, ist der Innendurchmesser der Schau feln 2 der Hochdruckstufe bedeutend grösser als der Innendurchmesser der Schaufeln 3 der Niederdruckstufe, während der Aussen durchmesser der Schaufeln 2 der Hochdruck stufe nur .wenig grösser ist als der Aussen durchmesser der Schaufeln der zweiten Stufe.
Das Verhältnis Nabendurchm.esser/Aussen- durchinesser der Beschaufelung beträgt bei der Hochdruckstufe mindestens 0,5 oder auch mehr und ist mindestens 10% grösser als das entsprechende Verhältnis der Nieder druckstufe. Die Laufradummantelung liegt im Bereich 4 der Hochdruckstufe auf einer Kugelfläche. Auch der äussere Umfang der Schaufeln 2 der Hochdruckstufe liegt auf einer Kugelfläche. Im Bereich 5 der Nieder druckstufe dagegen ist die Ummantelung im wesentlichen zylindrisch.
Der Abstand 6 zwi schen den beiden Stufen ist gerade so gross gewählt, als es mit Rücksicht auf einen kon tinuierlichen Übergang vom Nabenbereich der ersten Stufe zum Nabenbereich der zwei ten Stufe erforderlich ist. Wie aus Fig. 2 er sichtlich, sind die Schaufeln 2 der ersten Stufe in Umfangsrichtung gegenüber den Schaufeln 3 der zweiten Stufe um den Be trag 7 in Umfangsrichtung versetzt. Die Pro fillänge 8 der Schaufeln 2 ist grösser als die Profillänge 9 der Schaufeln 3.
Die Fig. 3 zeigt einen Axialschnitt durch die rechte Hälfte einer weiteren Ausführungs form. Die um die Achsen 12 drehbaren Schaufeln 2 der Hochdruckstufe sind an den Ecken 13 und 14 nur wenig abgerundet und im übrigen bis an die auf einer Kugelfläche liegende Ummantelung 15 herangeführt. Die um die Achsen 16 drehbaren Schaufeln 17 der zweiten Stufe dagegen haben stark ab gerundete Ecken 18 und 19 und sind be deutend kürzer, als es der radialen Abmes sung des Strömungskanals entsprechen würde. Die Abrundungsradien an den Schau feln 17 sind doppelt so gross wie diejenigen an den Schaufeln 2. Der Spalt 10 nimmt von oben nach unten zu, was durch die kegelige Ausbildung der Ummantelung im Bereich 11 der zweiten Stufe noch unter stützt wird.
Die erste Stufe wird bei beiden Beispielen als Hochdruckstufe ausgelegt, indem sie etwa 2/3 bis 3/4 des gesamten Gefälles zu ver arbeiten hat, während der Rest des Gefälles von der zweiten Stufe, von der Niederdruck stufe, verarbeitet wird. Das Verhältnis Na bendurchmesser/Aussendurchmesser der Be- schaufelung beträgt auch beim zweiten Bei spiel beim Hochdruck-Laufrad mindestens 0,5 oder mehr.
Die Hochdruckstufe wird hierbei so belastet, dass sie über den ganzen Regelbereich nahezu kavitationsfrei arbeitet, während die zweite Stufe mit dem von ihr verarbeiteten Restgefälle den für die erste Stufe erforderlichen Gegendruck ergibt, ohne dass ein Saugrohr mit besonders grosser Saug höhe zur Ausführung kommen .nüsste.
Der Durchflussquerschnitt der zweiten Stufe wird grösser gewählt als der Durch flussquerschnitt der ersten Stufe. Dies wird dadurch erreicht, dass die zweite Stufe gegenüber der ersten bei gleichem oder nur wenig kleinerem Aussendurchmesser der Be- schaufelung einen wesentlich kleineren In nendurchmesser erhält.
Das Nabenverhält- nis der Hochdruckstufe wird auch beim zweiten Beispiel mindestens 10 /, grösser als das Nabenverhältnis der Niederdruckstufe. Die gesamte zweistufige Turbine ist demnach keine rein axial durchströmte Turbine, son dern eine Konusturbine.
Für die zweistufigen Kaplanturbinen sind die Spaltverluste dem hohen Druck ent sprechend ebenfalls besonders hoch. Um diesem Nachteil abzuhelfen, werden die Flügel der ersten hochbelasteten Stufe, wie bei Kaplanturbinen an sich bekannt, an ihrem äusseren Umfang und die Ummante lung des Laufrades im Bereich der ersten Stufe nach einer Kugelfläche ausgebildet, derart, dass die Schaufeln der ersten Stufe von der Eintrittskante bis zur Austritts kante in allen Schaufelstellungen einen gleichbleibenden kleinen Spalt bilden.
An sich könnten auch die Schaufeln der zweiten Stufe und entsprechend deren Um mantelung aussen kugelig ausgebildet werden. Doch empfiehlt es sich, die Ausführung so zu wählen, dass im Bereich der zweiten Stufe zwischen dem äusseren Rand der Schaufeln und der Ummantelung ein beträchtlicher Spalt verbleibt. Die radiale Breite des Spaltes kann bis zu etwa 20 /o der gesamten Breite des ringförmigen Strömungskanals betragen. Für grössere Fallhöhen wird der Spalt der zweiten Stufe zwar kleiner ausgeführt, doch soll die Spaltbreite auch hierbei von anderer Grössenordnung sein als die Spaltbreite der ersten Stufe.
Die Vergrösserung des Laufradspaltes im Bereich der Schaufeln der zweiten Stufe kann dadurch erzielt werden, dass im Bereich dieser Stufe die Ummantelung zylindrisch oder leicht kegelig und die Flügel mit stark abgerundeten Enden ausgebildet werden. Durch die starke Abrundung der Ecken und durch die kegelförmige Erweiterung der Um mantelung im Bereich der zweiten Stufe mit verkürzten Schaufeln werden besondere Vor teile erreicht.
Die Schaufeln der zweiten Stufe werden dabei so ausgebildet, dass ihre radiale Länge von einem grösseren Wert im Eintrittsbereich allmählich auf einen kleineren Wert im Aus trittsbereich abnimmt, etwa derart, dass die Aussenkanten der Schaufeln, abgesehen von den abgerundeten Ecken, kegelig von oben nach unten zusammenlaufen.