Selbstregulierende Wasserturbine. Vorliegende Erfindung betrifft eine selbst regulierende XVasserturbine, deren Laufrad in bekannter Weise im Verhältnis zu einem davon getriebenen Teil innerhalb gewisser Grenzen ver drehbar ist-, und bei welcher zwischen diesem letzteren Teile und deni Laufrade eine Feder eingeschaltet ist, der- art,
dass bei Änderung der Belastung des getriebenen Teiles eine Relativbewegung zwischen dem Laufracle. und dein getriebe nen Teile entsteht. Durch diese Relativ bewegung wird eine Regelung der dein Laufrade zugeführten Wassermenge lier- beigeführt. Eine nach diesem Prinzip wir kende selbstregulierende Turbine wird in dem Hauptpatente Nr.<B>81951</B> vom 211. Januar 1919 beschrieben.
Bei der in dieseln Patente beschriebenen Ausführungsform wird die Regelung der dem Laufracle zugeführten Wassermenge dadurch herbeigerülirt, class das Laufracl in seiner Ulisenriclitung ver schiebbar ist und ()
ass durch die ltelat.iv- bewegung zwischen dem -Laufracle und dem getriebenen Teile eine Verschiebung des Laufrades bewirkt wird,
wodurch eine den Änderungen der Belastung entsprechende Vergrösserung - oder \'erminclerunb des Durchflussareals für < las Wasser zwischen dein Laufrade und clessen Mundstück her- beigefiilirt wird. Bei einer Mehrzahl von Turbinenkonstruktionen führt es aber zu beträchtlichen Übelständen,
(las Laufrad in dieser Weise für Verhältnis zu dessen Mund stück oder Leit.schaufelappai-at zu verschie ben, und zwar unter anderen, weil der Wirkungsgrad der Turbine dadurch leicht verschlechtert wird.
Die Erfindung verfolgt nun den Zweck, diese Scli\vierigkeit zu beseitigen und eine Regelung nach dem- oben angeführten Prin zip, mit einer gewissen Verdrehbarkeit zwi- schen clean Laufracie und dem getriebenen Teile,
ohne achs.iafe Verschiebung des Lauf iades zu ei riiiigliclien. Die Erfindung be- @.teht zri diesem Zxvecke in der Hauptsache darin, dass die Relativbewegung zwischen dem Laufrade und.
dein getriebenen Teile auf einen ausserhalb der L aufradwelle ange- l-@rachten und unabhängig von der Drehung dieser N@'elle be-,vegliclien Teil übertragen wird,
der dieselbe seinerseits auf die die Wasserzufuhr zum Laufrade regelnde Vor- r iclitung, beispielsweise die beweglichen Leitschaufeln eines Leitschaufelapparates, ein Drosselventil in dem Wasserzuflussrohre öder- dergleichen überträgt.
Hierdurch wird es möglich, die fragliche einfache und bil lige Regelungsvorrichtung auch bei ge wöhnlichen Francisturbinen, Freistrahltur binen (Peltonrä lern) und ähnlichen Tur binen zu verwenden, bei welchen eine Ver schiebung des Laufrades in achsialer Rich tung aus praktischen Gründen nicht mög lich oder zweckmässig ist.
Auf der beigefügten Zeichnung sind als Beispiele einige Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Fig. i zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, und Fig. 2 eine Endansicht einer gewöhn lichen Turbine mit drehbaren Leitschaufeln und mit einer Regelungsvorrichtung gemäss der Erfindung versehen;
Fig. 3 zeigt, ebenfalls in teilweisem Schnitt, eine gemäss der Erfindung einge richtete selbstregulierende Freistrahlturbine (1'eltonrad); Fig. 4 zeigt eine Einzelheit der Rege lungsvorrichtung, und Fig. 5 und 6 zeigen von zwei verschie denen Seiten eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Übertragung der ll.e- lativbewegung zwischen dem Laufrade und dem getriebenen Teile auf die Regelungs- .
vorrichtung Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform bezeichnet 1 das Tur binengehäuse, welches teils das Laufrad und teils einen Leitschaufelapparat - mit dreh baren Leitschaufeln umschliesst, 2 das Ab fluss- oder Saugrohr, 3 die Laufradwelle und 4 den vom Laufrade getriebenen Teil, wel cher hier als Schwungrad ausgebildet und auf einer in der Verlängerung der Laufrad- welle gelagerten Welle 5 befestigt ist.
Die Leitschaufeln können mittelst einer an der Seite des Saugrohres 2 gelagerten Welle 6 gedreht werden, die somit als Anlass- und Regulierwelle dient. Auf der Laufradwelle 3, welche sieh durch die ganze Regelungs- vorrichtung erstreckt, ist teils eine Muffe 7 angebracht, welche mit der Welle fest ver bunden ist, teils. eine Muffe 8, welche auf der Welle 3 in der Lärigsriclitung derselben verschiebbar, aber durch Keile oder andere geeignete Vorrichtungen verhindert ist, sich auf ihr zu drehen, und teils eine Muffe 9,
welche auf der Welle 3 frei drehbar, aber nicht in der Längsrichtung verschiebbar ist, sondern statt dessen entweder ganz oder auch nur mit Bezug auf die Drehung mit der Scliwungraclwelle 5 unverrückbar ver bunden ist. Diese letztgenannte Muffe 9 ist an ihrem nach dem Laufracle zu verlänger ten, schmäleren Teil mit Gewinden ver sehen und in die mit, entsprechenden Mut tergewinden versehene Muffe 8 einge schraubt. Die Muffe 9 ist ferner bei der dar gestellten Ausführungsform mit einer auf der Schwungradwelle 5 befestigten Kupp lungsscheibe i0 fest verbunden.
Die Muffe 8 ist mittelst Kupplungsstangen 11, welche sich durch Löcher der Muffe 7 hindurch er- strecken, mit einer auf der Laufradwelle 3 verschiebbaren Hülse 12 verbunden. Zwi schen den Muffen 7 und 9 ist eine starke Schraubenfeder 13 (in Fig. 1 durch zwei strichpunktierte Linien angedeutet) einge setzt, welche mit ihrem einen Ende an der Muffe 7 und mit dem andern an der Muffe 9 befestigt ist und zur Übertragung des Drehmomentes von der Laufradwelle 3 auf die Schwungradwelle 5 dient.
Die Feder wird durch eine Hülse 14 umgeben und ge schützt, die an einer der Muffen 7 oder 9 befestigt und auf der andern frei drehbar ist, so dass sie eine relative Drehung zwi schen diesen beiden Muffen nicht verhin dert.
Wenn eine solche relative: Drehung- fbei Änderung der Belastung auf das Schwung rad 4) zwischen den Muffen 7 und 9 ein tritt, so wird offenbar die Muffe 9 in die Muffe 8 hinein- oder aus ihr Herausge schraubt., was zur Folge hat, dass die Muffe 8 und damit auch die mit ihr verbundene Hülse 12 in der einen oder andern Rich tung auf der Welle 2 verschoben wird. Diese Verschiebebewegung wird mittelst einer Gabel 15, welche an einer in einem festen Gestelle 16 gelagerten Welle 17 befestigt ist und mit zwei Zapfen 18 in eine rings uni sich erstreckende Rille 19 der rotierenden Hülse 12 eingreift, in eine Drehbewegung der Welle 17 übertragen.
Auf der Welle 17 ist ferner ein Hebel 20 befestigt, dessen freies Ende mittelst einer Schraube 21 mit einem auf der Regulierwelle 6 angebrachten Hebel 22 verbunden ist. Die Schraube 21 ist mit beiden Hebeln 20 und 22 lenkbar verbun den, indem sie durch ein mit dem Hebel 20 nach allen Richtungen beweglich gelager ten Gelenkstück 23 geschraubt und in einem in dem Hebel 22 ebenfalls nach allen Rich tungen beweglich gelagerten Gelenkstück 214 drehbar, aber nicht verschiebbar gelagert ist.
Die Schraube ist ferner am oberen Ende mit einem Handrad 25 versehen, womit sie von Hand gedreht werden kann, teils um die Turbine anzulassen und stillzusetzen und teils, um während des Betriebes die Um drehungszahl, wenn erwünscht, innerhalb gewisser Grenzen ändern zu können. Der Hebel 22 ist an der Regulierwelle 6 mittelst einer Reib- oder andern Kupplung befestigt, so dass er leicht in verschiedene. sowohl Längs- als Winkellagen auf der Welle umgestellt werden kann, wie durch die strichpunktierten Radien in Fig. 2 an gedeutet ist.
Es wird angenommen, dass das Schwung rad 4 vom Anfang an unbelastet ist und dass die drehbaren Leitschaufeln geschlossen sind, wobei die Muffe 8 in ihre Lage am weitesten nach rechts auf der Muffe 9 ge schraubt und die Anlasswelle 6 so weit. wie möglich in der Richtung des Pfeils a in Fig. 2 gedreht ist. Die Turbine wird nun dadurch angelassen, dass man mittelst des Handrades 25 die Schraube 21 so dreht, dass der Hebel 22 nach unten in Fig. 2 gedreht wird (also in entgegengesetzter Richtung gegen den Pfeil a) und die Leitschaufeln um so viel geöffnet werden dass die Turbine sich zu drehen beginnt.
Das Drehmoment wird von der Laufradwelle 3 durch die Schrau- benfeder 13 auf die Schwungradwelle 5 übertragen, wobei die Feder 13 etwas ge- spaniit wird und die Muffe 8 sich etwas nach links in Fig. 1 verschraubt.. Diese Be wegung wird durch die Hülse 12, die Gabel 15, den Hebel 20, die Schraube 21 und den Hebel 22 auf die Welle 6 übertragen,
so class die Leitschaufeln sich mehr öffnen. Der Hebel 22 wird dann mittelst des Handrades 25 so weit nach unten geschraubt, dass die Turbine im Leerlauf mit ihrer im voraus bestimmten, gewöhnlichen Umdrehungszahl läuft. Wird nun der getriebene Teil, d. h.
das Schwungrad 4 belastet., so wird dieses für einen Augenblick seine Geschwindigkeit etwas vermindern, während die Laufrad welle 'sich immerfort mit der normalen Geschwindigkeit dreht..
Hierdurch entsteht somit eine Relativclreliurig zwischen der' Wellen 3 und 5 und damit auch zwischen den Muffen 8 und 9, was zur Folge hat, dass die Muffe 8 sich nach links (in Fig. 1) auf der Muffe 9 verschraubt, während die Fe der 13 gleichzeitig mehr gespannt wird.
Die Verschiebung der Muffe 8 bewirkt. in der oben beschriebenen Weise einweiteres Offnen der Leitschaufeln, so dass mehr Wasser dem Laufrade zugeführt wird und das Dreh- moment desselben vergrössertwird, bis Gleich- gewicht mit dem neuen Belastungsmoment eintritt und die normale Umdrehungszahl wieder erreicht wird.
Wenn dagegen die Be lastung auf (las Schwungrad 4 vermindert wird, so wird dieses sich infolge der Span nung der Feder 13 für einen Augenblick schneller drehen als die Laufradwelle 3.
In folge clei, entstehenden Relativbewegung schraubt die Mutter 8 sich dann nach rechts, so dass die Durchströn'ungsfläche der Leitschaufeln und damit auch das Dreh moment. des Laufrades wieder vermindert wird, bis Cj'rleicligewiclit eintritt, so bald die Turbine wieder mit ihrer normalen Um- drehungszahl läuft.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Freistrahl- l.urbine wird eine Regelungsvorrichtung derselben Konstruktion verwendet, wie oben beschrieben und in Fig. 1_ dargestellt worden ist. Die Regelungsvorrichtung ist.
auch hier in einer Hülse 26 eingeschlossen uncl zv-iselien der Welle ''8 des. Pelton- rades 2ä und der Welle 30 des Schwung- rades 29 eingesetzt.
In die mit der verschieb baren 1Viuffe "5 in I ig. <B>1)</B> der Regelungs- vorrii htung verbundene Hülse 31 greift (-las gabelförmige Ende - 32 des einen Armes eines Winkelhebels ein, der uni eine Welle 3ä drehbar ist und dessen anderer Arm 34 mittelst einer Schraube 35 mit Handrad 36 mit:
einem um den Zapfen 3i drehbaren doppelarmigen Hebel 38 verbunden ist, wel cher seinerseits das in dem -Mundstücke 39 der Turbine eingesetzte Drosselventil 40 be wegt. Die Wirkung der Regelungsvorrich tung isst deshalb auch hier dieselbe. Die Tur bine wird dadurch angelassen, dass man das Ilanclrad 36 in eine gewisse ausprobierte Lage dreht, bei der die Turbine im Leer lauf zeit der normalen Geschwindigkeit läuft.
Wenn das Schwungrad 29 belastet wird, so wird die Hülse 31 durch die ent- stelicnde I"elativdrehung zwischen den 'Wel len "J und 32<B>-</B> i nach rechts in Fig. 3 ver schoben, so dass das Ventil 40 mehr öffnet und mehr Wasser dem Peltonrade zuge führt wird, während das Ventil dagegen gedrosselt wird, sobald die Belastung auf das Scliivungracl vermindert wird.
Auch bei dieser Ausführungsform wird also die Turbine bei wechselnder Belastung mit kon stanter Umclreliungszahl rotieren.
Bei den beiden oben beschriebenen Aus führungsformen ist vorausgesetzt -worden. dass die Muffen 8 und 9 der Regelungsvor- richtung, dur(-ii deren Pkelativclreliung die Hü1ze 1? oder 3l zwecks.
Regelung der dem Laufrade zugeführten Wassermenge ver schoben wird. mit gewöhnlichen Gewinden mit. konstanter Steigung versehen sind, so d_ass die Verschiebung der Hülse also der Grösse der Relativdrehung proportional wird und die @lnderung der Einströmungsarea zum Laufrade somit auch derjenigen Ände- runL- der Belastung,
welche die Relat.ivdre- hun-@ herbeiführt" proportional -wird. Bei genauen Versuchen mit dieser Regelungs- vorrichtung hat es sich aber herausgestellt,
dass bei jnderiing der lsinströniungsarea zum Laufracle die einströmende NN- a.äser- menge der Einströmungsarea nicht ganz proportional geändert wird,
und dass (-lah Dreiiinoment des Wassers auf das Laufrad der einströmenden Wassermenge auch nicht ganz proportional ist, welche beide Um- stände je für sich und zusammen zur Folge haben,
dass bei Änderung der Eiiiströiiiuiibs- area das Drehmoment des Laufrades der Linströniungsarea nicht genau proportional wird. -#x""enn nun eine gewisse Änderung der Belastung eine damit proportionale Änderung der Einströmungsarea zum Lauf fade herbeiführt, so ändert sich infolgedes sen (las Drehmoment des Laufrades doch nicht genau proportional der Änderung der Belastung.
Dies hat zur Folge, class die Um drehungszahl bei wechselnder Belastung nicht genau konstant bleibt, was offenbar ein Nachteil ist.
Dieser Cbelstand kann aber dadurch be seitigt:. werden. (-lass in die f--'bertragungsvor- richtung, welche die Relat.ivdreliung z%t-i- schen dein Laufrade und dem getriebenen Teile auf die die Wasserzufuhr zum Lauf- rade regelnde Vorrichtung überträgt, eine Kurvenführung von solcher Form einge schaltet ist,
dass bei einer gewissen Umdre- hungszahl (-las Drehmoment des Wassers auf das Laufrad der Belastung des, getr-ie- benen Teiles stets proportional wird. Hier- durch wird die Umdrehungszahl bei wech- selnder Belastung ganz konstant bleiben.
Diese Kurvenführung kann hierbei zweck- riiässig ganz einfach so ausgeführt. -werden, dass in der einen der beiden oben erwähn ten Muffen 8 und 9, durch deren Relativ drehung die Verschiebung der Hülze 1 oder 31 bewirkt wird, eine oder t@zel@rere Schraubenrillen mit ivecl selnclei Stei.lcing angeordnet werden,
während die andere Muffe mit in diese Rillen eingreifenden Vorsprüngen, Rollen oder dergleichen aus- geriistet. wird.
In Fig. 4 ist. eine solche Ausführungsform in 1-ängsschnitt durch die beiden 1lufif@ii als Beispiel dargestellt. Die mit der Welle 41 des Schwungrades fest verbundene Muffe 42, welche also der Muffe 9 in Fig. 1 ent spricht, ist an ihrem Umfange mit einer Anzahl, z. B. vier Schraubenrillen 43 ver sehen, welche alle einander gleich sind, aber an verschiedenen Stellen verschiedene Stei gung haben. In diese Rillen greifen Rollen 44 ein (eine in jede Rille), welche an der Innenseite der auf der Laufradwelle 45 ver schiebbaren, aber nicht drehbaren Hülse 46 befestigt. sind.
Diese Hülse entspricht in ihrer Wirkung der Muffe 8 in Fig. i und kann mit einer andern, der Hülse 12 in Fig. i entsprechenden Hülse in geeigneter Weise verbunden oder auch unmittelbar mit einer der Rille 19 entsprechenden Rille ver- versehen werden, worin die Gabel 15 ein greifen kann. Auf der Laufradwelle 45 ist ferner eine nicht dargestellte Muffe be festigt, die der Muffe 7 in Fig. 1 entspricht, und zwischen dieser und der Muffe 42 ist. wie im vorigen Falle eine starke Schrau benfeder 47 eingesetzt.
Infolge der schrägen Stellung der Rillen 43 -wird offenbar auch hier bei einer Relativdrehung zwischen den beiden Muffen die Hülse 46 in der Längs richtung der Laufradwelle 45 verschoben werden; diese Verschiebung wird aber nicht mehr proportional der Grösse der Relativ drehung, d. h. der Belastungsänderung. Wenn man zum Beispiel auf empirischem Weg die wechselnde Steigung der Schrau benrillen bestimmt, so kann man dann den angestrebten Zweck erzielen, dass das Dreh moment des Wassers auf das Laufrad der Belastung auf das Schwungrad stets pro portional. wird.
Zu bemerken ist., dass diese Kurvenführung nicht notwendigerweise an dem auf der Turbinenwelle sitzenden Re gelungsorgan verlegt zu sein braucht, wie in Fig. 4 dargestellt. ist, sondern sie kann <B> < </B> ituch in geeigneter Ausführungsform an einer beliebigen Stelle zwischen dem auf der Turbinenwelle sitzenden Regelungs organ und demjenigen Organ, das den An lass und die Drosselung des Wassers unmit telbar bewirkt, eingeschaltet oder verlegt werden.
Die Bewegung der Hülse 8 oder 46 wird dabei der Belastungsänderung propor tional, während die erwünschte Abwei chung von der Proportionalität. an einem geeigneten Punkte verlegt wird, wo die Be wegung umgeformt wird., was ja, wie aus Fig. 1 und 3 hervorgeht, an mehreren Stel len erfolgt.
In Fig. 5 und 6 ist schliesslich eine an dere Ausführungsform der Vorrichtung zur Übertragung der Relativbewegung zwi schen dein Laufracle und dem getriebenen Teile auf die den Wasserzu.fluss zum Lauf- rade regelnde Vorrichtung schematisch dar gestellt.
Die Laufradwelle 48 und die Scli-urungi-acl@velle 49 sind wie vorher mit- telst einer Schraubenfeder 50 zusammenge kuppelt, welche das Drehmoment des Lauf- rades, aufnimmt und dasselbe auf das Schwungrad überträgt. Auf der Lauf_racl- welle 48 ist ein Zahnrad <B>51</B> befestigt.
wel ches mit einem andern Zahnrad 52 in Ein griff steht, das an einer fest, gelagerten Welle 53 befestigt ist. und auf der Schwung radwelle 49 ist ein Zahnrad 54 befestigt. welches mit einem andern Zahnrade 55 in Eingriff steht. Dieses ist an einer Welle 56 befestigt, welche in einem uni die Welle 49 schwingbaren Rahmen 57 gelagert ist.
Alle vier Zahnräder sind Bleichgross, und die Rä der 52 und 55 sind mittelst lireLiz,o-elenl:- kupplungen 58 und mittelst einer mit Be zug auf ihre Länge verstellbaren Welle 59 derart zusammengekuppelt. dass das Rad<B>35</B> an den Scliwiunungen des Rahmens<B>51</B> lein die \Felle 49 teilnehmen kann, aber doch gezwungen u-ird, siele mit derselben Ge- schwindigkeit zu drehen wie (las Rad 52.
Der Rahmen 57 ist mittelst einer Gelenk stange 60 und gegebenenfalls. mittelst wei terer Cbertragungsoi-g-ane mit der den Was serzufluss zum Laufrade regelnden Vor- richtung, zum Beispiel mit den drehbaren Leitschaufeln bei der Ausführungsform nach Fig. 1 oder mit dem Drosselventil 40 in Fig. 3, verbunden.
Solange die beiden Wellen 48 und 49 und damit. auch die Zahnräder 55 und 54 sich mit. derselben Geschwindigkeit drehen. bleibt der Rahmen 5'i stillstehend, so dass keine Bewegung auf die Regelungsvorrich tung übertragen wird. Wenn aber bei einer .Änderung der Belastung auf die Welle 49 eine Relativdrehung zwischen den beiden Wellen 218 und 49 entsteht, so drehen sich die Räder 55 und 54 nicht mehr mit genau derselben Geschwindigkeit, - was zur Folge bat, dass der Rahmen 51 in der einen oder andern Richtung um die Welle 49 etwas geschwungen wird.
Diese Bewegung wird mittelst der Gelenkstange 60 auf die Rege lungsvorrichtung übertragen, welche den Wasserzufluss zum Laufrade ändert, bis Gleichgewicht wieder eintritt.
Die beschriebenen Ausführungsformen können natürlich in verschiedener Weise weiter abgeändert. werden, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuwei chen. Auch zwischen dem Rahmen 5-i in Fi,. 5 und 6 und der den Wasserzufluss zum Laufrade regelnden Vorrichtung kann na türlich eine Xurvenführung solcher Form eingeschaltet werden. dass volle Propor tionalität zwischen dem Drehmoment. des Wassers auf das Laufrad und der Belastunv des getriebenen Teiles erreicht wird.