DE293591C

DE293591C -

Info

Publication number: DE293591C
Application number: DENDAT293591D
Authority: DE
Priority date: 1913-11-12
Also published as: FR465492A; FR460011A; GB191325955A

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Vorliegende Erfindung betrifft eine besondere Ausgestaltung des Lauf- Und Leitrades einer Kreiselmaschine, bei welcher nicht, wie bisher, hauptsächlich den Austrittskanten, sondern den Stirnkanten der festen oder beweglichen Leitschaufeln die Aufgabe der Führung des Arbeitsmittels in das Laufrad bzw. aus demselben zufällt.

Aus diesem Grunde tritt auch im Gegensatz zu den bisherigen Leit- und Laufradausführungen von Kreiselmaschinen die Bedeutung des den Austrittskanten der Leitschaufeln zugehörigen und benachbarten Laufradschaufelraumes gegenüber jenem den Stirnkanten bzw. -flächen derselben zugehörigen derart zurück, daß der erstere nur mehr ein Bindeglied mit den bisherigen . Laufradkonstruktionen vorstellt und somit auch ganz entfallen kann. Da die Vollkommenheit der Energieausnutzung auch von der-richtigen Wahl der Leitradwinkel abhängt und besonders bei drehbaren Leitschaufeln eine Veränderlichkeit dieser Winkel längs der Stirnkanten der Leitschaufeln leichter vorgenommen werden kann als längs der Austrittskanten, so folgt aus der erwähnten Anordnung eines den Stirnflächen bzw. -kanten der Leitschaufeln zugehörigen und benachbarten Laufradschaufelraumes nicht nur die Möglichkeit, bei einem gegebenen Gefalle eine große Menge des Arbeitsmittels bei hohen Drehzahlen zu verarbeiten, sondern auch bei beliebigen Mengen und Drehzahlen gute Wirkungsgrade zu erzielen.

Durch die Anbringung eines solchen Schaufelraumes wird jedoch das Arbeitsmittel zur Gänze oder zum größten Teil schon in den Leitschaufeln und dem diese umgebenden Schaufelspalt (in der Folge kurz »Leitraum« genannt) von seiner ursprünglichen Stromrichtung in beträchtlichem Maße zwanglos, mithin unabhängig von der Formgebung und Krümmung des die Stirnflächen der Leitschaufeln umgebenden oder mit diesen verbundenen Teiles des Leitraddeckels abgelenkt, wodurch sich auch der Strömungsvorgang schon im Leitradraum von jenem der bisher üblichen Ausführungsformen von Kreiselmaschinen unterscheidet.

Bei den bisherigen im Wasserturbinenbau gebräuchlichen Leit- und Laufradausführungen ist sowohl der Durchfluß des Wassers durch das Leitrad als auch der Eintritt desselben ins Laufrad entweder vornehmlich achsial, wie bei den Achsialturbinen, oder vornehmlich radial, wie bei den Radialturbinen (Francis - Turbinen), ■ wobei eine zwanglose Ablenkung des Wassers in den Leitschaufeln möglichst vermieden und, wenn dennoch unvermeidlich, deren angeblich nachteilige Wirkung durch die verschiedensten Vorkehrungen (besondere Formgebung der Leitradaustrittskanten des Schaufelspaltes u.dgl.) gemildert wird.

In vorliegender Erfindung bildet jedoch die Anbringung eines den Stirnflächen der Leitschaufeln zügehörigen Laufradschaufelraumes

das Wesen derselben, weil die durch diese Maßnahme ermöglichte zwanglose Ablenkung des Wassers die Ausbildung jener Leitradwinkel gestattet, welche unter Zugrundelegung der Forderung eines möglichst hohen Wirkungsgrades in ihrer Gesamtheit die Formgebung und Krümmung der Leitschaufelst irnkanten bestimmen.

Dabei kann ^Einrichtung entweder so getroffen sein, dp¹ okjr kleinere Teil des Wassers auch in ein^m" dgt/Austrittskanten der Leitschaufeln ^!"uglfiorigen und benachbarten Schaufelarm fließt, mithin, ähnlich wie bei Francisg$urb|nen, auf seinem Wege dorthin

nur eiw^?uni$*esentliche Richtungsänderung er-

•größere jedoch in einen den Stirnkaaten ■'. der Leitschaufeln zugehörigen Laufradschaufelraum gelangt und auf seinem Wege dorthin eine vollständige oder nahezu vollständige Ablenkung von der radialen Richtung oder angenähert radialen Richtung in die achsiale oder angenähert achsiale erfährt, oder es kann der erstgenannte Schaufelraum in Hinblick auf seine untergeordnete Bedeutung für die vorliegende Erfindung auch ganz entfallen, also ein nur die Stirnflächen der Leitschaufeln ganz oder teilweise umgebender Laufradschaufelraum vorhanden sein, in welchen die ganze durch den Leitradraum fließende Wassermenge gelangt, nachdem dieselbe in dem letzteren eine vollständige oder nahezu vollständige Ablenkung von der radialen oder angenähert radialen Richtung in die achsiale oder angenähert achsiale erfahren hat. Dabei ist es im letzteren Falle gleichgültig, ob dem Wasser die Möglichkeit gegeben wird, auch zwischen den Austrittskanten der Leitschaufeln auszufließen, oder ob der zwischen diesen vorhandene Querschnitt entweder teilweise oder vollständig abgesperrt ist, wenn nur, wie vorausgesetzt, die erwähnte Ablenkung" zwanglos ■· geschieht. Im Falle einer vollständigen Versperrung kann jedoch das AVasser nur längs der Leitschaufelstirnkanten in das Laufrad gelangen, weshalb auch die Austrittskanten ihre frühere Bedeutung vollständig verlieren und nunmehr die Stirnkanten die Rolle der Austrittskanten übernehmen.

In der beiliegenden Zeichnung ist das Leit- und Laufrad einer Wasserturbine vorliegender Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar stellt Fig. I einen Schnitt der linken Leit- und Laufradhälfte der Turbine mit nahezu vollkommener Wasserablenkung im Leitradraum vor, welcher durch eine vertikale, durch die Turbinenachse gelegte Ebene erhalten wurde. Fig. 2 zeigt einen Grundriß bei abgenommenem Leitrad und Turbinendeckel, Fig. 3 die linke Hälfte eines Zwillingslaufrades mit nahezu vollkommener Wasserablenkung im Leitradraum samt anschließendem Saugrohr, welche durch eine vertikale, durch die Turbinenachse gehende Ebene geschnitten ist. Fig. 4 zeigt den Schnitt der linken Hälfte des Leitrades und Laufrades einer Turbine, mit vollständiger AVasserablenkung im Leitradraum, welcher durch eine vertikale, durch die Turbinenachse . gelegte Ebene erhalten wurde. Fig. 5 zeigt schließlich die linke Hälfte eines Zwillingslaufrades mit vollständiger Ablenkung des Wassers im Leitradraum samt anschließendem Saugrohr, welche durch eine vertikale, durch die Turbinenachse gelegte Ebene geschnitten ist. In den Fig. 1, 3, 4 und 5 sind die Leitrad- bzw. Laufradschaufeln .S₁ bzw. S₂ in radialer Projektion angedeutet, und ist es zur Erfüllung des Zweckes vorliegender Erfindung gleichgültig, ob die Leitrad- oder Laufradeintritts- und -austrittskanten geradlinig oder, nach ebenen oder räumlich gekrümmten Kurven ausgebildet sind.

Im allgemeinen ist in vorliegender Erfindung auch die Formgebung und Krümmung der Leitschaufelflächen keiner Beschränkung unterworfen, sofern durch diese eine geordnete Wasserströmung ermöglicht wird. Mithin können auch zylindrische Leitschaufelformen, deren praktische Herstellung bekanntlich einfach ist, und die im Falle der Drehbarkeit einen leichten Abschluß gestatten, selbst dann noch Verwendung finden, wenn deren Erzeugende achsial (parallel zur Laufradwelle) gerichtet sind, wie dies die Fig. 1 und 2 beispielsweise zeigen. Gegenüber den beiden im Francisturbinenbau gebräuchlichen zylindrischen Leitschaufel formen besteht jedoch in vorliegender Erfindung der grundsätzliche Unterschied, daß wegen der untergeordneten Bedeutung des den Austrittskanten zugehörigen Laufradschaufelraumes das Hauptgewicht nicht wie bisher nur auf die richtige Ausbildung der längs der Austrittskanten derselben vorhandenen Austrittswinkel, sondern auch auf jene den Stirnkanten der Leitschaufei zugehörigen \¥inkel gelegt wird, was in dem erwähnten Sonderfalle trotz der gewählten zylindrischen Grundform der Leitschaufeln (Fig. 2) durch eine entsprechende Krümmung der Leitschaufelstirnkanten erzielt wird. Die Anordnung derartig gekrümmter zylindrischer Leitschaufeln, welche behufs Erzielung einer geringen Querschnittsversperrung auch abgeschrägt sein können, ermöglicht somit einen geordneten (stoßfreien) Wassereintritt in das Laufrad.

Um den Gegenstand vorliegender Erfindung scharf herauszuheben, wurde durch Fig. 1 ein Laufrad mit nahezu vollkommener Wasserablenkung im Leitradraum dargestellt und ein bloß ideell gedachter Laufradkranz so gestrichelt eingezeichnet, wie er etwa der äuße-

ren Laufradbegrenzung eines Francisturbinennormalläufers entsprechen würde. Dann zerfällt das Laufrad vorliegender Ausführungsform in zwei Laufradformen, von welchen die mit dem Schaufelraum R₁ ausgestattete angenähert der Grundform einer Radialturbine .Bauart Francis entspricht, wogegen der mit dem Schaufelraum R₂ ausgebildete Teil mit einer Achsialturbine Bauart Jonval oder

ίο Girard Ähnlichkeit besitzt.

Um diese Ähnlichkeit des Schaufelraumes R₂ mit einer Jonval- oder Girardturbine zu erreichen und die geringe Bedeutung des Schaufelraumes R₁ für vorliegende Erfindung auch konstruktiv festzulegen, wurde der Durchmesser IX₁ des Laufradkranzes K gegenüber jenem von D₁ derart vergrößert, daß die Menge des in den Schaufeiraum 7?₂ abfließenden Wassers größer ist als jene, welche in den Schaufelraum R₁ gelangt. Wenn die durch diese Maßnahme ausgebildete Laufradform auch bildlich der Vereinigung der ζλνεί bekannten Grundformen des Wasserturbinenbaues (Achsial- und Francisturbine) nahekommt, so besteht doch ein grundsätzlicher Unterschied in der Zuführung des Wassers zum Laufrad. Bei den Achsial- bzw. Radialturbinen ist das Leitrad derart ausgebildet, daß das Wasser in vorwiegend achsialer bzw. radialer Richtung dem Laufrad zuströmt, wogegen in vorliegender Erfindung schon iniLeitradraum entweder der größte Teil oder die ganze Wassermenge eine vollständige oder nahezu vollständige Ablenkung von der radialen Richtung in die achsiale, oder umgekehrt, erfährt, je nachdem das Laufrad mit den beiden Schaufelräumen R₁ und /i, oder nur mit dem Schaufelraum R₂ ausgestattet ist. Das letztgenannte, mit dem Schaufelraum R₂ ausgestattete Laufrad weist gegenüber einer Achsialturbine normaler Bauart noch den weiteren Unterschied auf, daß die in Fig. 1 und 4 mit B bezeichnete radiale Breite desselben je nach der geforderten Schluckfähigkeit und Schnelläufigkeit der Turbine innerhalb weiter Grenzen verändert werden kann. So zeigt beispielsweise Fig. 1 das nur mit dem Schaufelraum R₂ ausgestattete Laufrad, wenn der gestrichelt angedeutete Kranz L die innere .Laufradbegrenzung desselben vorstellt, wogegen beispielsweise in Fig. 4 die letztere bis a.uf die Laufradnabe zusammengeschrumpft ist. Im ersteren Fall (Fig. 1) ist dementsprechend auch die Drehzahl und die Schluckfähigkeit geringer als im letzteren (Fig. 4).

Bei der durch Fig. 1,2 und 3 skizzierten Leitrad- und Laufradanordnung fließt das Wasser mit einer durch die Pfeilrichtung A angedeuteten Absolutgeschwindigkeit durch die aus je zwei Nachbarleitschaufeln S₁ gebildeten Leitradzellen, um in dem die Leitradaustrittskanten O₁, O₁ umgebenden Schaufelraum R₁ (Fig. ι und 3) in der Richtung der Pfeile 1 ins Laufrad zu gelangen. In dem die Stirnflächen der Leitschaufeln völlig oder teilweise umgebenden Schaufelraum R* (Fig. 1, 2 und 3) erfolgt jedoch der Wassereintritt ins Laufrad mit einer Geschwindigkeitskomponente, deren Richtung in den Fig. 1 und 3 durch die Pfeile 2 angedeutet ist. Es hat somit die in den Schaufelraum R₂ eintretende AVassermenge schon im Leitraum eine vollständige oder nahezu vollständige Ablenkung von der radialen Richtung in die achsiale erfahren, wogegen die Ablenkung des Wassers in den Leitradraum R₁ verhältnismäßig gering ist.

Um den geschilderten Wassereintritt zu ermöglichen, sind die festen oder beweglichen Leitschaufeln derart angeordnet, daß nicht nur deren Austrittskanten a_s, O₁ von den benachbarten Teilen e_1; C₁ der Laufradeintrittskanten, sondern auch die Stirnflächen a,,, a« der Leitradschaufeln von den benachbarten Teilen e₂, e₂ der Laufradeintrittskanten ganz oder teilweise umgeben sind.

Es wird daher bei der geschilderten Laufradform die Energieabgabe des Wassers an die Schaufelfläche in zwei wesentlich verschiedenen Richtungen eingeleitet, welche durch die verschiedenen Lagen der Schaufel räume R₁ bzw. R₂ und deren Laufradeintrittskanten C₁₁ C₁ bzw. e_2: C₂ bedingt sind. Da die Strömung in der Umgebung der ersteren vorwiegend in radialer Richtung, in der Xähe der letzteren vorwiegend in achsialer Richtung erfolgt, so wird auch die Energieübertragung in den genannten Richtungen eingeleitet, wobei es zur Erreichung des Zweckes vorliegender Erfindung gleichgültig ist, ob die Schaufelfläche in arbeitsfreien Führungsflächen beginnt bzw. endigt oder nicht.

Um die sekundlich durch das Laufrad fließende Wassermenge im Bedarfsfalle weiter zu erhöhen, kann das Laufrad auch derart ausgebildet sein, daß gegenüber dem in Fig. 1 angegebenen Schaufelraum R., ein diesem gleich oder ähnlich ausgebildeter Schaufelraum R.. angeordnet wird (Fig. 3), wodurch die geschilderte Umlenkung des Wassers im Leitradraum und der erwähnte achsiale Wassereintritt ins Laufrad nicht nur durch die erwähnten Stirnflächen a,,, a₂ der festen oder be-Aveglichen Leitradschaufeln, sondern auch durch die gegenüberliegenden Stirnflächen a₃, a_s im Sinne der Pfeile 3 erfolgen kann. Die Schaufelflächen der Leitschaufeln \verden in diesem Falle von drei Seiten von jenen des Laufrades ganz oder teilweise umgeben, wie das für die Schaufelräume R₁ und R₂ ausführlieh geschildert und durch die Fig. 3 beispielsweise angedeutet wurde.

Soll die ganze durch die Turbine fließende Wassermenge eine vollständige oder nahezu vollständige Ablenkung von der radialen Richtungin die achsiale oder umgekehrt im I.eitradraum erfahren, so ist im Laufrad nur der Schaufelraum /^₂ ausgebildet, wie dies beispielsweise die Ausführungsformen in Fig. i, 4 und 5 zeigen.

Das Wasser fließt in der Pfeilrichtung 2

ίο (Fig. 4) dem Laufrad zu und wird, offenbar wegen des Fehlens des bei den früheren Ausführungsformen angegebenen Schaufelraumes R₁ in den Leitradschaufeln S₁ und dem diese umgebenden Sehaufelspalt, von der radialen Richtung in die achsiale entweder vollständig oder nahezu vollständig abgelenkt und gelangt in den mit den Laufradschaufeln .S₂ ausgestatteten Schaufelraum R₂, .in welchem die Energieübertragung an die Schaufelfläche in der erwähnten Weise stattfindet.

Um die geschilderte Ablenkung und Energieübertragung zu ermöglichen, sind die festen oder beweglichen Leitradschaufeln 5", nur an der Stirnseite a.,, Ct₂ (Fig. 4) derselben von den Laufradeintrittskanten c\_., C₂ ganz (.der teilweise umgeben, und ist die Form und Krümmung' des die Stirnflächen der Leitschaufeln umgebenden oder mit diesen verbundenen Teiles des Leitraddcckels auf die erwünschte Ablenkung belanglos. AVas die Formgebung und Krümmung des Leitraddeckels im Sehaufelspalt anbelangt, so ist dieselbe weder bei teilweiser noch bei vollständiger Wasserabim Leitradraum irgendeiner Beschränkung unterworfen. In den durch die J⁷ig. ι und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist derselbe der Einfachheit halber eben gedacht, doch kann dieser Teil auch durch eine beliebig gekrümmte Fläche ersetzt werden.-

Eine weitere Erhöhung der sekundlich durch das Laufrad fließenden Wassermenge läßt sich durch Anordnung eines Zwillingslaufrades erzielen, wie dasselbe für Wasser- turbinen durch Fig. S beispielsweise angedeutet wurde.

Gegenüber dem Schaufelraum R₂ befindet sich ein gleich oder ähnlich ausgebildeter Schaufelraum R₃, wodurch die geschilderte Umlenkung des Wassers im Leitradraume nicht nur durch die erwähnten Stirnflächen α.,, ct.-, der Leitschaufeln S₁ im Sinne der Pfeile 2, sondern auch durch die gegenüberliegenden Stirnflächen α.,, α₃ derselben im Sinne der Pfeile 3 erfolgen kann.

Der für Wasserturbinen ausführlich beschriebene Strömungsvorgang läßt sich mit den durch vorliegende Erfindung angegebenen

lenkung

Ausführungsfonnen der Leit- und Laufräder nicht nur für jedes andere Arbeitsmittel (Dämpfe, Gase und tropfbare Flüssigkeiten) bei Dampf- und Gasturbinen u. dgl. in Anwendung bringen, sondern ist auch zur Förderung jedes beliebigen flüssigen oder gasförmigen Arbeitsmittels in Kreiselpumpen und Kreiselgebläsen u. dgl. geeignet. Eine nach vorliegender Erfindung ausgestattete Laufrad- und Leitradform einer Kreiselpumpe oder eines Kreiselgebläses.unterscheidet sich in keiner Weise von jenen für Wasserturbinen, auch durch die Fig. 1 bis 5 beispielsweise angegebenen Ausführungsfonnen, wenn die einer Förderung entsprechende Umkehrung der Strömungsrichtung berücksichtigt wird.

T. Λ

Claims

P A TENT-A N SPRUCHE".

1. Kreiselmaschine (Wasser-, Dampfoder Gasturbine bzw. Kreiselpumpe oder Gebläse), gekennzeichnet durch die Anbringung eines bzw. je eines den Stirnflächen der festen oder beweglichen Leitschaufeln zugehörigen und benachbarten Laufradschaufelraumes (R₂ bzw. R₂ und R_x) von solcher radialen Breite (B), daß der Durchfluß des Arbeitsmittels zum größercn Teil oder ganz in bzw. aus diesen Räumen zwanglos erfolgt, wobei das Arbeitsmittel entweder längs den Austrittskanten und den Stirnkanten oder nur längs den Stirnkanten der Leitschaufeln aus- go bzw. eintreten kann.

2. Ausführungsform der Kreiselmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad aus einem im Wesen achsial und radial beaufschlagten Schaufelraum (R₂ bzw. R₁) oder aus zwei im Wesen achsial beaufschlagten Schaufelräumen (R₂ und R_x) und einem im Wesen radial beaufschlagten Schaufelraum (R₁) besteht, mithin die Energie- ioo abgabe an die Laufradschaufel bzw. die Energieübertragung durch dieselbe sowohl in achsialer oder angenähert achsialer Richtung, als auch in radialer oder angenähert radialer Richtung eingeleitet bzw. beendet wird.

3. Ausführungsform der Kreiselmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad nur aus einem bzw. aus zwei wesentlich achsial beaufschlagten Schaufelräumen (R₂ bzw. R₂ und R_x) besteht, mithin die Energieabgabe an die Laufradschaufel bzw. die Energieübertragung durch dieselbe hauptsächlich in achsialer oder angenähert achsialer Richtung eingeleitet bzw. beendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.