CH88431A - Gyroscope. - Google Patents

Gyroscope.

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CH88431A
CH88431A CH88431DA CH88431A CH 88431 A CH88431 A CH 88431A CH 88431D A CH88431D A CH 88431DA CH 88431 A CH88431 A CH 88431A
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Kaplan Prof Dr Ing Victor
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Kaplan Prof Dr Ing Victor
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  • Hydraulic Turbines (AREA)

Description

  

  Kreiselmaschine.    In der Patentschrift Nr. 68080 ist eine  Kreiselmaschine (Wasser-, Dampf- oder Gas  turbine, Kreiselpumpe oder -Gebläse)     besehrie-          ben,    deren Leitapparat so ausgebildet ist, dass  im Meridianschnitt das Arbeitsmittel dem  selben in radialer oder angenähert radialer  Richtung zu- beziehungsweise abgeführt wer  den kann.  



  Das Laufrad hingegen ist mindestens vor  wiegend mit achsial beaufschlagten Schaufel  räumen ausgestattet. Soll daher die Kreisel  maschine als Turbine wirken, so erfordert  die mindestens vorwiegend achsiale Beauf  schlagung des Laufrades eine Ablenkung des  Arbeitsnaittels im Leitapparat, zu welchem  Zwecke die erwähnten Laufschaufelräume den  Stirnkanten der Leitschaufeln zugehörig     be-          zieliungsweise    benachbart sind.

   Durch eine  derartige Leit- und Laufschaufelanordnung  wird daher schon das zwischen den     Leit-          schaufeln    geführte     Arbeitsinittel    aus seiner  ursprünglichen, keine     achsiale    Komponente  aufweisende Eintrittsrichtung im erheblichen  Masse abgelenkt, weil dieses Mittel auch min-         destens    längs eines Teiles der Stirnkanten  der Leitschaufeln austreten kann.  



  Soll die Kreiselinaschine als Pumpe wir  ken, so ist klar,     dass    zu diesem Zwecke nur  eine Unikehrung der Strömungsrichtung er  forderlich ist. Mindestens der grössere Teil  des Arbeitsmittels durchfliesst sodann das Lauf  rad in     aelisialer    oder angenähert     achsialer     Richtung und wird     ini    Leitapparat     (Diffusor)     aus dieser Richtung abgelenkt und     verlässt     denselben, im     Meridianschnitt;    gesehen, in  wesentlich     radialei-    Richtung.  



  Die.     vorliea-ende    Erfindung betrifft eine  weitere Ausgestaltung derartiger Kreiselma  schinen, und bezweckt, die Reibungswider  stände zu verringern, die bisher erreichte  spezifische Drehzahl zu erhöhen und die     Un-          enipfindlichkeit    des Wirkungsgrades gegen  über Drehzahl und Belastungsschwankungen  zu vergrössern, sowie eine vereinfachte Kon  struktion.  



  Diese Verbesserungen werden gemäss der  Erfindung dadurch bewirkt,     dass    zwischen  einem mindestens grösstenteils     achsial    beauf-      schlagien Laufrad und im wesenthelichen ohne  achsiale Richtungskomponente durchflossenen  Leitschaufeln ein seliaufelloser Raum einge  schaltet ist, von solcher Gestalt, dass die  Längen der am meridionalen Strombild in ihm  gemessenen Wasserwege sieh gegen die     Lauf-          radwelle    hin vergrössern und wenigstens der  grössere Teil des Arbeitsmittels in diesein  Rauine um etwa 90  abgelenkt wird.  



  Der ErfindungsgegenstanA ist auf den bei  liegenden Zeichnungen durch Ausführungsbei  spiele veranschaulicht.  



  Fig. 1 stellt den Schnitt der linken Hälfte  einer Wasserturbine vor, welche einen     Leit-          apparat    mit drehbaren Leitschaufeln S1 und  ein aus der Vereinigung einer Francisturbine  mit einer     Aehsialturbine        liervorgegangenes     Laufrad, besitzt;  Fig. 2 zeigt den Grundriss bei abgenom  menem Leitrad- und Turbinendeckel und Fig. 3  die linke Hälfte eines Zwillingslaufrades, wel  ches gleichfalls die erwähnte Vereinigung der  beiden Turbineritv en zum Ausdruck brinut  und durch eine vertikale, durch die Turbinen  achse gelegte Ebene geschnitten ist;

    Fig. 4 stellt die Verbindung eines mit  Drehschaufeln versehenen Leitapparates mit  einem im Wesen achsial beaufschlagten Lauf  rad vor, wogegen Fig. 5 die Zwillingsanord  nung der gleichen Laufradform zeigt;  Fig. 6 zeigt den in die Bildebene abge  wickelten Schnitt einer Stromfläche z,z (Fig. 4)  mit zwei benachbarten Schaufelflächen S2 einer  für besonders hohe spezifische Drehzahlen ge  eigneten Wasserturbine.  



  Der einfacheren Darstellungsweise wegen  sollen die weiteren Angaben hauptsächlich  auf Wasserturbinen eingeschränkt werden,  doch können dieselben     sinngernäss    auf alle  andern Arten von Kreiselmaschinen der an  gegebenen Art übertragen werden.  



  Da bekanntlich die Wasserreibungsverluste  nicht nur von der Schaufellänge, sondern atiuh  vom Grade der Krümmung und von der Weite  der Sehaufelkanäle abhängen, so ergibt jede  Leitradanordnung umso grössere Verluste an  Flüssigkeitsreibung, je näher die     Leitschaufel-          austrittskanten    an die Laufradvelle heran-    rücken, weil die lichten Weiten zweier Nach  barschaufeln mit der Annäherung an die Lauf  radwelle ebenfalls abnehmen.  



  Eine Verringerung der Wandreibungsver  luste     lässt    sieh daher zum Beispiel im Falle  einer Turbine erzielen, wenn ein hauptsächlich  mit achsial beaufschlagten Schaufelräumen  versehenes Laufrad durch einen radialen     Leit-          apparat    beaufsehlagt wird, dessen     Leitsehaufel-          stirnkanten    entweder gar nicht oder nur in       unerheblichein    Masse über der)     Saugrolirraum     beziehungsweise über das Laufrad hineinragen.  Ein derartiger Leitapparat ist in den Figuren  1-5 dargestellt. Die Leitschaufeln S1 sind  um die Achsen M M drehbar angeordnet,  welche Verstellbarkeit die gewünschte Rege  lung der Wassermenge ermöglicht.  



  Das Wasser durchfliesst einen solchen     Leit-          apparat    im wesentlichen ohne achsiale Rich  tungskomponente. Dadurch wird im Vereine  mit dein mindestens grösstenteils     achsial,        be-          aufschlagten    Laufrad bewirkt,     dass    zwischen       Leit-    und Laufrad ein schaufelloser     Leitrauin          Ro        (Fig.   <B>1)</B> gebildet wird.

   von solcher Gestalt,       dass    die     Lärio-en        dei-        31eridianprojektionen        dei-          Wasserwege,    das heisst die Längen der am       meridionalen    Strombild in ihm gemessenen  Wasserwege, gegen die     Laufradwelle    hin zu  nehmen, wie dies die Ausführungsbeispiele  der Figuren 4 und<B>5</B> zeigen, in welchen durch  2 und<B>3</B> einige 'Wasserwege angedeutet sind.  Derartige Wasserwege können bekanntlich mit  Hilfe des     meridionalen    Strombildes gewonnen  werden.

   Je mehr sich daher die     Wasserstril-          inung    der     Luftradwelle    nähert, desto weniger  wird dieselbe durch Führungswände     beeinflusst     und desto geringer     sind'daher    die bei     unriell-          tiger    Winkelstellung auftretenden Verluste.  



  Ans den Ausführungsbeispielen ist aber  auch ersichtlich,     dass    durch die geschilderte  Ausbildung des schaufellosen     Leitradraunies     wenigstens der grössere Teil des diesen Raum  durchströmenden Wassers eine Ablenkung uni  etwa<B>900</B>     ei-fährt,    ohne auf diesem Wege     den          eiiergieverzehrenden        Einfluss    besonderer Füh  rungsflächen     (Leit-    oder     Laufradschaufeln)    aus  gesetzt zu sein.

   Eine solche Ablenkung des  Wassers entspricht durchaus dem natürlichen      Strömungsverlauf des Wassers zu einem in  axialer Richtung durehflossenen Rohre oder mit  anderen Worten: Eine derartige Ablenkung  muss auch dann eintreten, wenn das Wasser  ohne irgend welche Führungswände, also bei  spielsweise nach Entfernung des Leit- und  Laufrades dem Saugrohre zuströmen würde.

    Zieht man noch die grossen Geschwindigkeits  änderungen in Betracht, die bei jeder Ablen  kung der Flüssigkeit aus seiner geradlinigen  Bahn auftreten müssen, sowie die grossen  WiderstandFverluste, welche jedem radial     be-          aufschlagtenSchaufelraume    schon wegen seiner  Lage zur Turbinenwelle anhaften, so ist es  auch vom Standpunkt der neueren     Strömungs-          lehre    leicht verständlich,     dass    eine mit einem  derartigen schaufellosen Leitradraum ausge  stattete Turbine die Erreichung erheblich  gilisserer spezifischer Drehzahlen erlaubt als  dies bei den üblichen Bauweisen möglich ist.

    Wie aber auch bei der Zuströmung des Wassers  zu einem Rohre durch entsprechende Abrun  dung der Eintrittsmündung desselben die sollst  auftretenden schädlichen Wirbelbildungen ver  mieden werden können, so ist auch im schaufel  losen Leitradraum durch eine entsprechende  Abrundung der äusseren Laufradbegrenzungen  beziehungsweise des Satigrohrflansches für eine  allmähliche Richtungsablenkung des Wassers  in diesem Raume zu sorgen. Der Strömungs  vorgang vollzieht sich demnach folgender  massen: Durch die Leitschaufeln S1 wird das  Wasser gezwungen die Leitradaustrittskanten  ao ao unter den gewünsebten     Leitradau8tritts-          winkeln    zu verlassen und mit einer Geschwin  digkeit in den schaufellosen.

   Leitradraum Ro  (Fig. 1, 3, 4 und 5) einzuströmen, der im  wesentlichen keine achsiale Komponente an  haftet. In diesem Raum wird nunmehr ent  weder der grössere Teil des Wassers (Fig. 1,  2 und 3) oder die gesamte Wassermenge (Fig.  4 und 5) aus dieser radialen Richtung in die  achsiale oder angenähert achsiale Richtung  abgelenkt, um die gewünschte Beaufschlagung  des Laufrades zu bewirken. In Figur 1 und 4,  in welchen einfache Laufräder dargestellt sind,  erfolgt die Ablenkung in die achsiale Rich  tung an den Stellen der Pfeile 2. wogegen    im Falle eines Zwillingslaufrades (Fig. 3 und 5)  diese Ablenkung im Sinne der Pfeile 2 Lind 3  erfolgt.

   Nur für den Fall, dass das Laufrad  aus der Verbindung eines     Francisturbinen-          laufrades    mit einer Achsialturbine erhalten  gedacht werden kann, wie dies die Figuren  1 und 3 zeigen, fliesst ein kleiner Teil der  im Leitradraum radial eintretenden Wasser  menge wenigstens angenähert in dieser Rich  tung dein Laufrade zu, wie dies in den Figuren  1 und 3 an den Stellen der Pfeile 1 ange  deutet ist.  



  Nachdem das Wasser seine Energie an  das Laufrad abgegeben hat, fliesst dasselbe  durch das Saugrohr in das Unterwasser. Es  ist selbstverständlich, dass derartig hohe spe  zifische Drehzahlen auch grosse     sogenannte          #Austrittsverluste"    bedingen, weshalb zweck  mässig durch Anwendung entsprechender Saug  rohre, deren Wirkungsweise noch durch die  Heranziehung der Fliebkraftwirkung des Was  sers verbessert werden kann, für einen ge  nügenden     #Saugrohrrückgewinn"    gesorgt wird.  



  Das gemäss vorliegender Erfindang benützte  Laufrad zeigt<B>die</B> gleiche oder wenigstens eine  ähnliche Anordnung der Laufradschaufelpro  file, wie diese in der Patentschrift Nr. 68080       atislührlich    beschrieben ist. Ist daher ein aus       achsialen    und radialen Schaufelräumen     Ri,    R2       (Fig.   <B>1</B> und<B>3)</B> bestehendes Laufrad vorgesehen,  so zerfällt dasselbe durch den in Figur<B>1</B>     ge-          strielielt    angedeuteten ideellen     Laufradkranz,    L  in zwei bekannte     Laufradformen,

      von welchen  der mit den Schaufelräumen     Ri    ausgestattete  Teil mit einem     Francisturbinenlaufrad    Ähn  lichkeit besitzt, wogegen der mit dem     Schaufel-          rauin        P-u:,    ausgestattete Teil ungefähr einem       Achsiallaufrad    Bauart     Jonval    entspricht. Da  jedoch den radialen Schaufelräumen keine be  sondere     Uedeutung    zukommt, so können diesel  ben auch ganz entfallen, oder doch wenigstens  durch Schaufelräume mit entsprechend geneig  ter Eintrittsrichtung des Wassers     ei-setzt    wer  den.

   Auch kann das Laufrad nur im     wesent-          lieben        achsial.        beaufschlagte    Schaufelräume  <I>(R2</I><B>' )</B> besitzen, wie dies in den Ausführungs  beispielen     (Fig.    4-5) angegeben ist. Selbst  verständlich ist es aber zu diesem Behufe      durchaus nicht erforderlich, dass etwa die Lauf  radeintrittskante zur Laufradwelle senkrecht  gerichtet ist, da ja auch eine gekrümmte  beziehungsweise schräg zu dieser Achse  gerichtete Eintrittskante (z. B. e2 e2 Fig. 4)  die gewünschte Ausgestaltung des schaufel  losen Leitraumes beziehungsweise die vorge  sehene Ablenkung und die Verschiedenheit  der Wasserweglängen in demselben gestattet.

    Die vorliegende Erfindung kann daher auch  kurz als     #die    Beaufschlagung eines Achsial  laufrades durch einen bisher für Radialturbinen  verwendeten Leitapparat unter Vermittlung  eines schaufellosen Zwischenraumes von be  stimmten Eigenschaften angedeutet werden.  



  Es kann zwar durch eine derartige     Leit-          und    Laufradanordnung ein durch besondere  Führungsflächen bestimmter Strömungsverlauf  im Leitraum nicht erzwungen werden, weil  das Wasser besonders zu den der Turbinen  welle benachbarten Schaufelräumen unmittel  bar vor diesen durch Leitsehaufeln nicht mehr  geführt wird, doch kann der dadurch unter  Umständen auftretende Wirkungsgradabfall  gegenüber den sonstigen durch die geschilderte  Ablenkung des Wassers im Leitraum erzielten  Vorteilen von keiner Bedeutung sein. So ist  beispielsweise bekannt, dass bei vielen Tur  binenanlagen die der Turbinenberechnung zu  Grunde gelegte Wassermenge nicht immer zur  Verfügung steht.

   In solchen Fällen wird da  her eine Turbine, welche zwar ein en kleineren  Höchstwirkungsgrad, aber in einem grösseren  Beaufschlagungsbereich einen höhern Durch  schnittswirkungsgrad besitzt, zweifellos selbst  einer Turbine mit höherem aber mit der Be  aufschlagung stark schwankenden Wirkungs  grad überlegen sein.  



  Ein solcher höherer Durchschnittswirkungs  grad lässt sich aber nach vorliegender Erfin  dung erzielen, weil bei der mit abnehmender  Beaufschlagung erforderlichen Verdrehung der  Leitschaufeln die unmittelbare Beeinflussung  der Eintrittsrichtung des Wassers in das Lauf  rad diesen Leitschaufeln nicht mehr zufällt.  Somit kann in der neuen Leitschaufeldrehlage  die von den theoretischen Forderungen ab  weichende Verteilung der längs der Stirn-    kanten vorhandenen Leitradwinkel den     Strö-          mungsverlauf    nicht     inehr    so ungünstig wirkend  beeinflussen.  



  Ebenso gestattet die geschilderte     Leitraum-          anordnung    eine erhebliche Verkürzung der  Leitschaufeln S1 und damit eine erhebliche  Verbilligung ihrer Herstellung sowie eine  leichte Bedienung des zur Verdrehung der  Schaufeln erforderlichen Reguliergetriebes,  weil die Lage des Drehbolzens solcher     Leit-          schaufeln    immer so gewählt werden kann,  dass der auf diese Schaufeln ausgeübte resul  tierende Wasserdruck wenigstens in der Nähe  des Drehbolzens angreift, wie dies beispiels  weise aus Figur 2 zu ersehen ist. Es kann  demnach die Verdrehung der Leitschaufeln  mit geringen Regulierkräften bewirkt werden,  was     insbesoders    bei automatischer Regulierung  von Bedeutung ist.  



  Eine bis an die Grenze des     il#löglielieil        ge-          ,steigerte    Erhöhung der spezifischen Drehzahl  kann bei einer derartigen     Kreiselmaschine    er  zielt werden, wenn das Arbeitsmittel nicht  nur auf seinem Wege bis zum Laufrad, son  dern auch in den     Laufradschaufelräunien    nur  jene Widerstände findet, welche zu einer  brauchbaren Führung dieses     M,        ittels    längs der  Schaufeln unter allen Umständen erforderlich  sind.

   Die übliche Ansicht,     dass    eine brauch  bare Führung des     Arbeitstnittels    nur in kanal  förmigen Schaufelräumen     (Laufradzellen)        mög-          lieh    sei, ist nicht stichhaltig.

   In der Patent  schrift     Nr.   <B>70009</B> ist ausführlich gezeigt,     dass     die in der     Umfangsriehtung    gemessene Schau  fellänge 2     (Fig.   <B>6)</B> gegenüber der Schaufeltei  lung<B>(i)</B> mindestens so verkleinert werden  kann,     dass    die von den Endpunkten eines       Schaufelprofiles        (b2)    normal zu den Strom  linien gezogenen     Trajektorien        (ni,   <I>n2)</I> das  Nachbarprofil     (b1)    nicht mehr schneiden ohne  die Führung des Arbeitsmittels zu schädigen.

    Da demnach eine lichte Weite im Sinne der  üblichen Auffassung nicht mehr vorhanden ist  und auch die erwähnten     Trajektorien    zwischen  zwei benachbarten Schaufelprofilen ],-einen  kanalförmigen Raum abgrenzen, so haben  derartige Laufräder an der betrachteten Stelle  die übliche Zellenform verloren und eine      Flügulform angenommen Solche flügelartige  Laufräder, welche wie gezeigt auch vorteilhaft  ohne äussere Laufradbegrenzung verwendet  werden können, geben in Verbindung init der  geschilderten Leitraumanordnung die höchst  erreichbaren spezifischen Drehzahlen. Dazu  koninit aber noch eine bisher unbekannte  Gleichmässigkeit des Wirkungsgrades gegen  über Gefällsschwankungen, welch letztere be  kanntlich im Turbinenbetricb nicht zu ver  meiden sind.

   Da die von der Turbine ange  triebenen     Arbeitsinaschinen    eine konstante  Drehzahl erfordern, so muss daher das Lauf  rad oft durch lange Zeit hindurch mit unrich  tigen Schaufelwinkeln beaufschlagt werden.  Eine solche Beaufschlagung ist aber bei den  Üblichen Bauweisen mit grossen     Effektverlusten     verbunden.

   Diese Nachteile werden aber dann  wirksam vermieden, wenn (las In einem     schao-          fellosen    Leitradraum entsprechend abgelenkte  Wasser einem mit flügelartigen Schaufeln     ver-          sehenen    Laufrade zugeführt wird, weil es  sich in einem solchen Falle selbst jene     Ein-          trittsriehtung    ins Laufrad wählen kann, welche  den augenblicklichen Betriebsverhältnissen am  besten entspricht, Diese zwanglose     Einströ-          mung    des Wassers in das Laufrad, welche  durch die geschilderte Vereinigung der be  sprochenen Leitraumanordnung init der Flügel  form des Laufrades bewirkt wird,

   vermeidet  auGerdein jede überflüssige Führung des Was  sers, weshalb dasselbe einen genügend wider  standslosen Durchfluss durch die Turbine auch  dann noch findet, wenn die Radwinkel den  augenblicklichen Betriebsverhältnissen nicht  entsprechen.  



  Es ist selbstverständlich, dass die geschil  derten Vorteile des schaufellosen     Leitradrau-          mes    nicht an eine     engbegrenzte    Lage der  Leitradaustrittskantsn ao, ao gebunden sind.  Auch die im Ausführungsbelspiel Figur 1 ge  strichelt angegebene Lage a a erfüllt den ge  wünschten Zweck. Ebenso lässt sieh derselbe  durch feste oder drehbare Leitscbaufeln von  entsprechender Höhe erreichen, deren Aus  trittskanten entweder nach geraden Linien  (ao ao Fig. 1, 3, 4 und 5) oder nach geneigten  beziehungsweise gekrümmten Linien begrenzt    sind.

   Das gleiche gilt auch für die Laufrad  schaufeln und deren Eintrittskanten (siehe ei ei  Fig. 1 und e2 e2 Fig. 1, 2, 4 und 5) sofern  wenigstens der grössere Teil des Laufrades  achsiale Beaufseblagung erfährt und der schau  fellose Teil des Leitradraumes, wie vorstehend  dargelegt, vorhanden ist. Selbstverständlich  richtet sich diese Form auch nach der     Aus-          bildung    des beziehungsweise  der innern Laufradbegrenzung. In den Aus  führungsbeispielen Fig. 1 und 4 ist der     Leit-          raddeckel    D eben gedacht, doch kann der  selbe auch nach den     gestrielielt    eingezeichneten  Erzeugenden D1 gekrümmt sein.

   Durch eine  derartige Krümmung des Leitraddeckels wird  bei einem nach Fig. 1 ausgebildeten Laufrade  der radiale Schaufelrauin (R1) verkleinert, was  die Schnelläufigkeit des Rades nicht beein  trächtigt. Die obere Laufradbegrenzung eines  zu einer derartigen Deckelkrämmung passen  den Laufrades ist in Fig. 1 dureh die gestrichelt  gezeichnete Erzeugung E angedeutet. In Fig. 5  ist schliesslich eine scheibenförmige Verbreite  rung der Laufradnabe gestriehelt eingezeichnet,  welche Verbreiterung eine zweckmässige Ver  teilung des im schaufellosen Teile des     Leit-          radraumes    fliessenden Wassers nach den beiden  Laufrädern hin fördern soll.  



  Es ist bekannt, dass in vielen Gegenden  der Ausbau von Wasserkräften     atis    dem Grunde  nicht durchgeführt werden kann, weil die bis  her erreichte spezifische     Drebzahl    der Turbine  zu klein ist und kleine Drehzahlen     teuire    Ma  schinen und Bauwerke erfordern.

   Durch eine  Turbine, nach vorliegender Erfindung ausge  führt. wird in allen solchen Fällen die für  einen wirtschaftlichen Betrieb erforderliche       Verb'Ilio#iiii--    der Energieumsetzung     ei-zielt.     <B>1</B> n     e_I     Aber auch in jenen Füllen, wo es weniger  auf die Ersparnis an Betriebswasser, als auf  die Erreichung     besot)(1c-i .,;z    hoher     Unii.qtif7alileii     ankommt, wird sieh die Überzeugung Bahn  brechen,     daU)    der Ausbau von     Niederdruck-          anlagen    selbst bei sehr geringem     (-,'ef,;

  tlle    noch  wirtschaftlich ist, nämlich dann, wenn die  bisher     oliiie    Anwendung vorliegender Erfin  dung erreichten spezifischen Drehzahlen ge  rade noch als ungenügend     eraehtet    -werden.      Eine nach vorliegender Erfindung ausge  bildete Kreiselmaschine lässt sich überall dort  verwenden, wo ein geordneter Strömungsver  lauf im Leit- und Laufrade gesichert ist. Ein  solcher Strömungszustand findet bekanntlich  nicht nur bei allen Turbinen (Wasser-,     Dampf-          oder    Gasturbine), sondern auch bei allen zeit  gemäss Kreiselpumpen und Gebläsen statt.  



  Es bedarf keinur weiteren Begründung, dass  das Leit- tmd Laufrad der Beschaffenheit des  Arbeitsmittels (Flüssigkeit, Dampf, Gas und  dergleichen) ohne Änderung des Wesens der  vorliegenden Erfindung atigepasstwerden kann.  Ebenso kann selbstverständlich bei unelasti  schen Arbeitsmitteln dureh Verwendung ent  sprechender Saug- beziehungsweise Druck  rohre für eine wirksame     Euergieunisetzung     gesorgt werden. Schliesslich sei noch bemerkt,  dass durch die bei Pumpen und Gebläsen er  forderliche Umkehrung der Strömmigsrichtung  die     #Schaufelaustrittskanten"    der Turbinen,  den     #Schaufeleintrittskanten"    der Pumpeu mid    Gebläse entsprecheu und umgekehrt.



  Gyroscope. Patent specification No. 68080 describes a centrifugal machine (water, steam or gas turbine, centrifugal pump or fan), the diffuser of which is designed so that in the meridional section the working fluid is directed towards or in a radial or approximately radial direction who can be discharged.



  The impeller, however, is at least predominantly equipped with axially acted vane spaces. If the gyroscope is to act as a turbine, the at least predominantly axial loading of the impeller requires a deflection of the working equipment in the guide apparatus, for which purpose the mentioned blade spaces are associated with the front edges of the guide blades.

   Such a guide and rotor blade arrangement therefore already deflects the working means guided between the guide blades from its original entry direction, which has no axial component, because this means can also exit along at least part of the front edges of the guide vanes.



  If the gyroscope is to act as a pump, it is clear that for this purpose only a reversal of the flow direction is required. At least the greater part of the working medium then flows through the running wheel in the aelisial or approximately axial direction and is deflected in the diffuser from this direction and leaves the same in the meridional section; seen in a substantially radial direction.



  The. Vorliea-end invention relates to a further embodiment of such Kreiselma machines, and aims to reduce the frictional resistance, to increase the previously achieved specific speed and to increase the insensitivity of the efficiency compared to speed and load fluctuations, and a simplified construction.



  According to the invention, these improvements are brought about by the fact that between an at least largely axially loaded impeller and guide vanes which essentially flow through without an axial directional component, a void-free space is inserted, of such a shape that the lengths of the waterways measured in it on the meridional flow pattern can be seen enlarge towards the impeller shaft and at least the greater part of the working medium is deflected by about 90 in this one area.



  The subject matter of the invention is illustrated in the accompanying drawings through exemplary embodiments.



  1 shows the section of the left half of a water turbine, which has a guide device with rotatable guide vanes S1 and an impeller which has been operated by combining a Francis turbine with an Aehsial turbine; Fig. 2 shows the floor plan with removed stator and turbine cover and Fig. 3 the left half of a twin impeller, wel Ches also the mentioned union of the two Turbineritv s to express and is cut by a vertical plane laid through the turbine axis;

    Fig. 4 shows the connection of a diffuser provided with rotating blades with an axially acted running wheel in essence, whereas Fig. 5 shows the Zwillingsanord voltage of the same impeller shape; Fig. 6 shows the section of a flow surface z, z (Fig. 4) with two adjacent blade surfaces S2 of a water turbine suitable for particularly high specific speeds, which is wound in the plane of the figure.



  For the sake of simpler representation, the further information should mainly be limited to water turbines, but the same can be transferred to all other types of gyroscopic machines of the type given.



  Since, as is well known, the water friction losses depend not only on the blade length, but also on the degree of curvature and the width of the blade channels, every stator arrangement results in greater losses in fluid friction the closer the guide vane outlet edges move to the impeller shaft, because the clearances Also decrease the width of two neighboring shovels as you approach the impeller shaft.



  A reduction in wall friction losses can therefore be achieved in the case of a turbine, for example, if an impeller, which is mainly provided with axially loaded vane spaces, is acted upon by a radial guide device, the guide vane front edges either not at all or only to an insignificant extent above the suction roller space or protrude over the impeller. Such a diffuser is shown in Figures 1-5. The guide vanes S1 are rotatably arranged about the axes M M, which adjustability enables the desired Rege development of the amount of water.



  The water flows through such a control device essentially without any axial directional component. This, in conjunction with the impeller, which is at least largely axially impacted, has the effect that a vane-free guide roughness Ro (Fig. 1) is formed between the guide and impeller.

   of such a shape that the lario-en dei- 31eridianprojections of the waterways, that is, the lengths of the waterways measured on the meridional flow pattern in it, move towards the impeller shaft, as the embodiments of Figures 4 and 5 </ B> show in which by 2 and <B> 3 </B> some 'waterways are indicated. As is known, such waterways can be obtained with the help of the meridional flow pattern.

   Therefore, the closer the water flow approaches the air wheel wave, the less it is influenced by guide walls and the lower the losses that occur in the event of an incorrect angular position.



  From the exemplary embodiments, however, it can also be seen that, due to the described design of the vane-less stator, at least the greater part of the water flowing through this space undergoes a deflection of about 900, without the egg-consuming influence of particular energy in this way surfaces (guide or impeller blades) to be exposed.

   Such a deflection of the water corresponds entirely to the natural course of the water flow to a pipe that has flowed through it in the axial direction, or in other words: such a deflection must also occur when the water is without any guide walls, for example after removing the guide and impeller the intake manifold would flow.

    If one also takes into account the large changes in speed that must occur with every deflection of the liquid from its straight path, as well as the large drag losses which are inherent in every radially admitted blade space because of its position in relation to the turbine shaft, so it is also from the point of view of the It is easy to understand from recent flow theory that a turbine equipped with such a vane-less stator chamber allows the achievement of significantly higher specific speeds than is possible with conventional designs.

    But just as with the inflow of the water to a pipe by corresponding rounding of the inlet mouth of the same, the damaging eddy formations that should occur can be avoided, so in the vane-free stator space there is a corresponding rounding of the outer impeller limits or the satellite pipe flange for a gradual deflection of the direction Water in this room. The flow process therefore takes place as follows: The guide vanes S1 force the water to leave the guide vane outlet edges ao ao under the desired guide vane outlet angles and at a speed in the vaneless ones.

   Leitradraum Ro (Fig. 1, 3, 4 and 5) flow, which adheres essentially no axial component to. In this space, the greater part of the water (Fig. 1, 2 and 3) or the entire amount of water (Fig. 4 and 5) is now deflected from this radial direction in the axial or approximately axial direction in order to achieve the desired application of the To effect impeller. In Figure 1 and 4, in which simple wheels are shown, the deflection takes place in the axial direction at the points of arrows 2, whereas in the case of a twin wheel (Fig. 3 and 5) this deflection takes place in the direction of arrows 2 and 3 .

   Only in the event that the impeller can be thought of as being obtained from the connection of a Francis turbine impeller with an axial turbine, as shown in FIGS. 1 and 3, a small part of the amount of water entering radially in the stator chamber flows at least approximately in this direction Running wheels to, as indicated in Figures 1 and 3 at the points of the arrows 1 is.



  After the water has given its energy to the impeller, it flows through the suction pipe into the underwater. It goes without saying that such high specific speeds also result in large so-called "exit losses", which is why it is advisable to use appropriate suction pipes, the mode of operation of which can be improved by using the centrifugal force of the water, for sufficient suction pipe recovery " becomes.



  The impeller used according to the present invention shows <B> the same or at least a similar arrangement of the impeller blade profiles as this is described in detail in patent specification No. 68080. If, therefore, an impeller consisting of axial and radial blade spaces Ri, R2 (FIGS. 1 and 3) is provided, the impeller is broken up by the impeller shown in FIG. 1 > Strictly indicated ideal impeller rim, L in two well-known impeller shapes,

      of which the part equipped with the blade spaces Ri has a resemblance to a Francis turbine impeller, whereas the part equipped with the blade space R-u: corresponds approximately to an axial impeller of the Jonval type. However, since the radial vane spaces are not given any special significance, they can also be omitted entirely, or at least they can be used by vane spaces with a correspondingly inclined inlet direction of the water.

   Also, the impeller can only be essentially axial. acted upon blade spaces <I>(R2</I> <B> ') </B> have, as shown in the execution examples (Fig. 4-5). Of course, for this purpose it is by no means necessary for the running wheel entry edge to be directed perpendicular to the running wheel shaft, since a curved or inclined leading edge (e.g. e2 e2 Fig. 4) also has the desired design of the Shovel-less guide space or the provided deflection and the difference in waterway lengths in the same permitted.

    The present invention can therefore also be briefly indicated as # the application of an axial impeller by a diffuser previously used for radial turbines mediating a vane-less space of be certain properties.



  Although such a stator and impeller arrangement cannot enforce a specific flow path in the stator, because the water is no longer guided directly in front of them by stator vanes, especially to the blade spaces adjacent to the turbine shaft, but this can under certain circumstances The resulting decrease in efficiency compared to the other advantages achieved by the described deflection of the water in the control room are of no importance. It is known, for example, that in many turbine systems the amount of water on which the turbine calculation is based is not always available.

   In such cases, therefore, a turbine that has a lower maximum efficiency but a higher average efficiency in a larger area of application will undoubtedly be superior even to a turbine with a higher degree of efficiency that fluctuates greatly with the application.



  Such a higher average degree of efficiency can be achieved according to the present invention because with the rotation of the guide vanes required with decreasing loading, the direct influence of the entry direction of the water into the impeller is no longer attributable to these guide vanes. Thus, in the new stator vane rotation position, the distribution of the stator angles present along the front edges, which deviates from the theoretical requirements, cannot have such an adverse effect on the flow.



  Likewise, the described guide space arrangement allows a considerable shortening of the guide vanes S1 and thus a considerable reduction in the cost of their manufacture as well as easy operation of the regulating gear required for rotating the vanes, because the position of the pivot pin of such guide vanes can always be selected so that the on The resulting water pressure exerted by these blades attacks at least in the vicinity of the pivot pin, as can be seen from FIG. 2, for example. Accordingly, the guide vanes can be rotated with low regulating forces, which is particularly important in the case of automatic regulation.



  An increase in the specific speed that is up to the limit of the il # löglielieil can be achieved with such a centrifugal machine if the work equipment not only finds those resistances on its way to the impeller, but also in the impeller blades for a usable guidance of this means along the blades are required under all circumstances.

   The usual view that a useful guidance of the working means is only possible in channel-shaped blade spaces (impeller cells) is not valid.

   Patent specification no. <B> 70009 </B> shows in detail that the blade length 2 measured in the circumferential direction (Fig. <B> 6) </B> compared to the blade division <B> (i) < / B> can be reduced at least so that the trajectories (ni, <I> n2) </I> drawn from the end points of a blade profile (b2) normally to the flow lines no longer intersect the neighboring profile (b1) without the guidance of the To damage work equipment.

    Since there is no longer a clear width in the sense of the usual conception and the mentioned trajectories between two adjacent blade profiles], - delimit a channel-shaped space, such impellers have lost the usual cell shape at the point under consideration and have assumed a wing shape. Such wing-like impellers which, as shown, can also be used advantageously without an external impeller limitation, give the highest possible specific speeds in conjunction with the guide space arrangement described. In addition, however, a previously unknown uniformity of the degree of efficiency with respect to gradient fluctuations, which the latter are known to be unavoidable in turbine operation, is also achieved.

   Since the working machines driven by the turbine require a constant speed, the impeller often has to be subjected to incorrect blade angles for a long time. However, with the usual construction methods, such an impact is associated with large losses of effect.

   However, these disadvantages are effectively avoided if (read water, which is appropriately deflected in a blade-free stator chamber, is fed to an impeller provided with wing-like blades, because in such a case it can itself choose the inlet direction into the impeller which corresponds to the corresponds best to current operating conditions, This unconstrained flow of water into the impeller, which is caused by the described combination of the discussed guide space arrangement with the blade shape of the impeller,

   In addition, it avoids any superfluous routing of the water, which is why it still finds a sufficiently unobstructed flow through the turbine even if the wheel angles do not correspond to the current operating conditions.



  It goes without saying that the described advantages of the vane-less stator chamber are not tied to a narrowly delimited position of the stator outlet edges ao, ao. The position a a indicated by dashed lines in the exemplary embodiment of FIG. 1 also fulfills the desired purpose. Likewise, the same can be achieved by fixed or rotatable guide vanes of the appropriate height, the exit edges of which are limited either by straight lines (ao ao Fig. 1, 3, 4 and 5) or by inclined or curved lines.

   The same also applies to the impeller blades and their leading edges (see ei ei Fig. 1 and e2 e2 Fig. 1, 2, 4 and 5) provided that at least the greater part of the impeller experiences axial exposure and the blade-less part of the stator space, such as set out above, is present. Of course, this form also depends on the design of the inner impeller limitation. In the exemplary embodiments of FIGS. 1 and 4, the stator cover D is intended to be flat, but it can also be curved according to the generatrix D1 drawn in with streaked lines.

   By such a curvature of the stator cover, the radial blade roughness (R1) is reduced in an impeller designed according to FIG. 1, which does not affect the speed of the wheel. The upper impeller limit of a cover curvature fit the impeller is indicated in Fig. 1 by the generation E shown in dashed lines. In FIG. 5, finally, a disc-shaped widening of the impeller hub is shown in a grooved manner, which widening is intended to promote an expedient distribution of the water flowing in the vane-less part of the stator chamber towards the two impellers.



  It is known that in many areas the expansion of water power cannot be carried out because the specific speed of the turbine reached up to now is too small and low speeds require expensive machines and structures.

   By a turbine, according to the present invention leads out. In all such cases, the verb'Ilio # iiii- - the energy conversion required for an economic operation is targeted. <B> 1 </B> n e_I But also in those cases where it is less a matter of saving process water than of achieving it) (1c-i.,; Z high Unii.qtif7alileii, conviction will take off break, daU) the expansion of low-pressure systems even with very low (-, 'ef ,;

  In some cases it is still economical, namely when the specific speeds achieved so far, which have not been applied to the present invention, are just considered to be insufficient. A gyro machine formed according to the present invention can be used wherever an orderly flow is ensured in the guide and impeller. As is well known, such a flow condition occurs not only in all turbines (water, steam or gas turbines), but also in all times according to centrifugal pumps and blowers.



  There is no need for any further justification that the guide td impeller can be adapted to the nature of the working medium (liquid, vapor, gas and the like) without changing the essence of the present invention. Likewise, in the case of inelastic work equipment, the use of appropriate suction or pressure pipes can of course ensure effective energy consumption. Finally, it should be noted that the reversal of the flow direction, which is necessary for pumps and fans, corresponds to the "blade outlet edges" of the turbines, the "blade inlet edges" of the pumps and fans, and vice versa.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Kreiselmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem mindestens grösstenteils achsial beaufschlagten Laufrad und im wesent lichen ohne achsiale Richtungskomponente durchflossenen Leitschaufeln eiti sehaufelloser Raum eingesehaltet ist, von solcher Gestalt, dass die Längeu der ain meridionalen Strom bild in ihni gemessenen Wasserwege sich gegen die Laufradwelle hin vergrössern und wenigstens der grössere Teil des Arbeitsmittels in diesem Raunie um etwa<B>900</B> ab-eleukt wird. PATENT CLAIM: Centrifugal machine, characterized in that between an at least largely axially loaded impeller and guide vanes through which there is essentially no axial directional component a vane-free space is maintained, of such a shape that the length of the meridional flow is formed in the waterways measured in it against the impeller shaft and at least the greater part of the work equipment in this roughness is removed by about <B> 900 </B>. <B>c</B> UNTERANSPRUCH: Kreiselniaschine und Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass mindestens längs eines Teiles einer Laufradschaufelflache keine Zelle vorhandeii ist, beziehungsweise die Schau felteilung t gegenüber der Schaufellänge # derart vergrössert ist, dass die von den End punkten der Schaufelprofile tiornial zu den Stroinlinien gezogenen Trajektorien das --Nach barprofil nicht mehr schneiden. <B> c </B> SUBCLAIM: Gyroscopic machine and claim, characterized in that there is no cell along at least part of an impeller blade surface, or the blade pitch t is increased compared to the blade length # in such a way that the end points of the Blade profiles tiornial to the stroke lines drawn trajectories no longer intersect the neighboring profile.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3172431B1 (en) 2014-07-23 2019-06-05 Andritz Hydro Canada Inc. Francis turbine with short blade and short band

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