DE325061C - Kreiselmaschine - Google Patents

Description

Im Patent 293591 ist 'eine Kreiselmaschine . (Wasser-j Dampf- oder -Gasturbine, ■Kreiselpumpe oder -gebläse) beschrieben, deren Leitapparat ,so -ausgebildet ist, daß.das Arbeitsmittel ihm in -radialer, oder angenähert radialer -Richtung -zu- bzw, abgeführt, werden kann. Das Laufrad hingegen ist vorwiegend .mit achsiaL .beaufschlagten Sehaufelräümen ausgestattet. Soll daher die Kreiselmaschine als. Turbine wirken,-so erfordert die im Wesen achsiale Beaufschlagung des Laufrades eine Ablenkung des Arbeitsmittels im Leitapparat, zu welchem Zwecke die erwähnten Laufschaufelräume den Stirnkasten der Leit-• -^l5 schaufeln zugehörig bzw. benachbart sind. Durch eine derartige Leit- und Laufschaufelanordnung wird daher schon das zwischen den Leitschaufeln geführte Arbeitsmittel aus seiner ursprünglichen Eintrittsrichtung in erheblichem Maße -abgelenkt, weil dieses Mittel auch mindestens, längs eines-Teiles der Stirnkanten der Leitschaufeln austreten kann. Soll die Kreiselmaschine als Pumpe wirken, so ist in der genannten Patentschrift gezeigt, daß zu diesem Zwecke nur eine Umkehrung der Strömungsrichtung erforderlich ist. Der größere Teil des Arbeitsmittels durchfließt sodann das Laufrad in achsialer oder angenähert achsialer· Richtung und wird im-Leitapparat (Diffusor) aus dieser Richtung abgelenkt und verläßt ihn in wesentlich radialer Richtung

Die vorliegende' Erfindung betrifft eine weitere Ausgestaltung derartiger ..Kreiselmaschinen, um die Reibungswiderstände zu verringern, die bisher erreichte spezifische Drehzahl zu erhöhen und die Unempfindlichkeit des ■•Wirkungsgrades, gegenüber Drehzahl und Belastungsschwankungen*'zu: -vergrößern. Die lübrigen*. Verbesserungen beziehen sich auf eine vereinfachte Herstellung und Bedienung des Leitapparates.

-■ Diese .Verbesserungen werden dadurch bewirkt, daß. zwischen dem Leitrad und dem Laufrad, ein schaufelloser Leitradraum einge-

- schaltet wird, so daß sich die Längen der im meridionalen Strombild- dieses sehaufellosen Leitradraumes gemessenen Wasserwege •gegen -die- Laufradwelle hin- vergrößern, wodurch wenigstens der größere Teil des Arbeitsmittels in diesem Raum um etwa 90° abgelenkt-wird/

-Die weiteren Verbesserungen beziehen sich auf die Form und Lage der Leit- und Laufradschaufeln, wie dies an Hand der Ausführungsbeispiele (Fig. ι bis 6) noch genauer gezeigt werden wird.

- - Fig. ι stellt den Schnitt der linken Hälfte einer Wasserturbine vor, welche einen Leitapparat mit drehbaren Leitschaufeln S₁ und ein aus der Vereinigung einer Franzisturbine mit einer Axialturbine hervorgegangenes Laufrad besitzt.

Fig. 2 zeigt den Grundriß bei abgenommenem Leitrad- und Turbinendeckel, und¹ Fig. 3 die linke Hälfte eines Zwillingslaufrades, .welches-.gleichfalls die erwähnte Vereinigung der beiden- Turbinentypen zum Ausdruck bringt und durch eine vertikale, durch die Turbinenachse gelegte Ebene geschnitten ist. ■

Fig. 4 stellt die Verbindung eines mit Drehschaufeln versehenen Leitapparates mit einem im Wesen achsial beaufschlagten Laufrad vor,

wogegen Fig. 5 die Zwillingsanordnung der gleichen Laufradform zeigt. Fig. 6 zeigt den in die Bildebene abgewickelten Schnitt einer Stromfläche (s-z, Fig. 4) mit zwei benachbarten Schaufelflächen einer für besonders hohe spezifische Drehzahlen geeigneten Wasserturbine.

- Der einfacheren Darstellungsweise wegen sollen die weiteren Angaben hauptsächlich auf Wasserturbinen eingeschränkt werden, doch sind sie sinngemäß auf alle anderen Arten von Kreiselmaschinen der angegebenen Art anzuwenden.

Da bekanntlich die Wasserreibungsverluste nicht nur von der Schaufellänge, sondern auch vom hydraulischen Radius der Schaufelkanäle abhängen, so ergibt jede Leitradanordnung um so größere Verluste an Flüssigkeitsreibung, je näher die Leitschaufelaustrittskanten an die Laufradwelle heranrücken, weil - die lichten Weiten zweier Nachbarschaufeln mit der Annäherung an die Laufradwelle ebenfalls abnehmen.

Eine Verringerung der Wandreibungsverluste läßt sich daher erzielen, wenn ein hauptsächlich mit achsial beaufschlagten Schaufelräumen versehenes Laufrad durch einen solchen Leitapparat beaufschlagt wird, dessen Leitschaufelstirnkanten entweder gar nicht oder nur in unerheblichem Maße über den Saugrohrraum bzw. über das Laufrad hinausragen. Ein derartiger Leitapparat ist in den Fig. 1 bis 5 dargestellt. Die Leitschau-• fein .S₁ sind in der Regel um die Achsen MM drehbar angeordnet, eine Verstellbarkeit, welche die gewünschte Regelung der Wassermenge ermöglicht.

Da demnach die Stirnkanten der Leitschaufeln gar nicht oder nur wenig zur Führung des Wassers herangezogen werden, so durchfließt das Wasser einen solchen Leitapparat in wesentlich radialer Richtung. Dadurch wird im Verein mit der hauptsächlich achsial beaufschlagten Laufradform bewirkt, daß zwischen Leit- und Laufrad ein schaufelloser Leitradraum R₀ gebildet wird, welcher hauptsächlich nur längs der Leitradaustrittskanten Ct₀ ä₀ und der Laufradeintrittskanten S₁ e_v e₂ e₂ mit den zwischen den Leitschaufeln S₁ (Fig. I und 2) liegenden Leitradschaufelräumen und den zwischen den Laufradschaufel!! .S₂ liegenden Laufradschaufelräumen R₁R₂ R_s in Verbindung steht. So- ! mit sind die in vorliegender Erfindung ge- j nannten drei Räuue längs der Leitschaufelstirnkanten nur in untergeordnetem Maße oder gar nicht miteinander verbünden. Dies \ hat zur Folge, daß die Längen der Meridian- j Projektionen der Wasserwege in diesem Leit- 1 •60 radraum R₀ gegen die Laufradwelle hin zu- | nehmen, wie dies die Ausführungsbeispiele !

i der Fig. 4 und 5 zeigen, in welchen durch 2 -Ϊ- und 3 einige Wasserwege angedeutet sind. • Derartige Wasserwege können bekanntlich : mit Hilfe des meridionalen Strombildes ge-ι wonnen werden. Je mehr sich daher die : Wasserströmung der Laufradwelle nähert, , desto weniger wird "sie durch die Führungsj wände beeinflußt und desto geringer sind da- ! her die bei unrichtiger Winkelstellung aufj tretenden Verluste. Dagegen haben die äußci ren Schaufelteile den Vorteil kürzerer Wasserwege, wie es .der Wichtigkeit dicker Teile für die bei bestimmten Drehzahlen gewünschte gute Energieübertragung entspricht.

Aus den Ausführugsbeispielen ist aber auch ^: ersichtlich, daß durch die geschilderte Ausbildung des schaufellosen Leitradraumes wenigstens der größere Teil des diesen Raum durchströmenden Wassers eine Ablenkung um etwa 90⁰ erfährt, ohne auf diesem Wege dem energieverzehrenden Einfluß besonderer Führungs- ; flächen (Leit- oder Laufradschaufeln) ausge- : setzt zu sein. Eine solche Ablenkung des J Wassers entspricht durchaus dem natürlichen Strömungsverlauf des Wassers zu einem in achsialer Richtung durchflossenen Rohre oder mit anderen Worten: eine derartige Ablenkung muß auch dann eintreten, wenn das Wasser ohne irgendwelche Führungswände, also beispielsweise nach Entfernung" des Leit- und Laufrades dem 'Saugrohre zuströmen würde. Zieht man noch die großen Geschwindigkeitsänderungen in Betracht, die bei jeder Ablenkung der Flüssigkeit aus seiner geradlinigen Bahn auftreten müssen, sowie die großen Widerstandsverluste, welche jedem radial beaufschlagten Schaufelraume schon wegen seiner Lage zur Turbinenwelle anhaften, so ist es auch vom Standpunkt der neueren Strömungslehre leicht verständlich, daß eine mit einem derartigen schaufellosen Leitradraum ausgestattete Turbine die Erreichung erheblich größerer spezifischer Drehzahlen erlaubt, als dies bei den. üblichen Bauweisen möglich ist. Wie aber auch bei der Zuströmung des Wassers zu einem Rohre durch entsprechende Abrundung der Eintritts- ' mündung des Rohres die sonst auftretenden schädlichen Wirbelbildungen vermieden wer- no den können, so ist auch im schaufellosen Leitradraum durch eine entsprechende Abrundung der äußeren Laufradbegrenzung bzw. des Saugrohrflansches für eine allmähliche Richtungsablenkung des Wassers in diesem Raum zu sorgen. Der Strömungsvorgang vollzieht sich demnach folgendermaßen: Durch die Leitschaufeln S₁ wird das Wasser gezwungen, die Leitradaustrittskanten a₀, a₀ unter dem gewünschten Leitradaustrittswinkel . zu verlassen und m-k- einer wesentlich radial gerichteten Meridi-angeschwindigkeit in den schau-

feilosen Leitradraum R₀ (Fig. ι, β, 4 und 5) einzuströmen. In diesem Raum wird nunmehr entweder der größere Teil des AVassers (Fig. i, 2 und 3) oder die ganze Wasser-

■ 5 menge (Fig. 4 und 5) aus dieser radialen Richtung in die achsiale oder angenähert achsiale Richtung abgelenkt, um die gewünschte achsiale Beaufschlagung des Laufrades zu bewirken. In den Fig; 1 und 4, in welchen einfache Lauf räder dargestellt sind, erfolgt die geschilderte. Ablenkung im Sinne der Pfeile 2, wogegen im Falle eines Zwillingslaufrades (Fig. 3 und s) diese Ablenkung im Sinne der Pfeile 2 und 3 erfolgt. Nur für den Fall, daß das. Laufrad als Verbindung eines Francisturbinenlaufrades mit einer Achsialturbine gedacht werden kann, fließt ein kleiner Teil der im Leitradraum radial eintretenden Wassermenge wenigstens angenähert in dieser Richtung dem Laufrade zu, wie dies in den Fig. 1 und 3 durch die Pfeile 1 angedeutet ist.

Nachdem das Wasser seine Energie an das Laufrad abgegeben hat, fließt es durch das Saugrohr in das Unterwasser. Es ist selbstverständlich, daß derartig hohe spezifische Drehzahlen auch große sogenannte »Austrittsverluste« bedingen, weshalb durch Anwendung entsprechender Saugrohre, deren Wirkungsweise noch durch die Heranziehung der Fliehkraftwirkung des Wassers verbessert werden kann, für einen genügenden »Saugrohrrückgewinn« gesorgt werden muß.

Das in vorliegender Erfindung benutzte Laufrad zeigt die gleiche oder wenigstens eine ähnliche Anordnung der Laufradschaufelräume, wie diese im Pate Qt 293 591 ausführlich beschrieben ist. Ist daher ein aus achsialen und radialen Schaufelräumen (,R₁ R₂, Fig. 1 und 3) bestehendes Laufrad vorgesehen, so zerfällt es durch den in Fig. 1 gestrichelt angedeuteten ideellen Laufradkranz L in zwei bekannte Laufradformen, von welchen der mit den Schaufelräumen R_x ausgestattete Teil mit einem; Francisturbinenlaufrad Ähnlichkeit besitzt, wogegen der mit dem Sehaufelraum R₂ ausgestattete Teil ungefähr' einem Achsiallaufrad Bauart Jonval entspricht. Da jedoch den radialen Schaufelräumen keine besondere Bedeutung zukommt, so können diese auch ganz fortfallen, oder doch wenigstens durch Schaufelräume mit entsprechend geneigter Eintrittsrichtung des Wassers ersetzt werden. Auch kann das Laufrad nur im Wesen achsial beaufschlagte Schaufelräume R₂ besitzen, wie dies in den Ausführüngsbeispielen (Fig. 4 und 5) angegeben ist. Selbstverständlich ist es aber zu diesem Behufe durchaus nicht erforderlich, daß etwa die Lauf radeintrittskante zur Laufradwelle senkrecht gerichtet ist, da ja auch eine gekrümmte bzw. schräg zu dieser Achse gerichtete Eintrittskante (z. B. e₂e₂, Fig. 4) nicht nur die gewünschte Ausgestaltung des schaufellosen Leitradraumes,

' sondern auch die vorgesehene Ablenkung und die Verschiedenheit der Wasserweglängen in demselben gestattet. Das Wesen der vorliegenden, Erfindung kann daher auch kurz mit

! der Beaufschlagung· eines Achsiallaufrades durch einen bisher für Radialturbinen verwendeten Leitapparat unter Vermittlung eines besonders geformten schaufellosen Leitrad-

raumes gekennzeichnet werden.

Es kann zwar durch eine derartige Leit- und Laufradanordnung ein durch besondere Führungsflächen bestimmter Strömungsverlauf im Leitradraum nicht erzwungen werden, weil das Wasser besonders zu den der Turbinenwelle benachbarten Schaufelräumen durch die Leitschaufeln nicht mehr geführt wird, doch kann der dadurch unter Umstän-' den auftretende Wirkungsradabfall gegenüber den sonstigen!, durch die geschilderte Ablenkung des Wassers im Leitradraum erzielten Vorteilen von keiner Bedeutung sein. So ist beispielsweise bekannt, daß bei vielen Tur-" binenanlagen die der Turbinenberechnung zugrunde gelegte Wassermenge nicht immer zur Verfügung steht. In solchen Fällen wird daher eine Turbine, welche zwar einen kleineren Höchstwirkungsgrad, aber in einem größeren Beaufschlagungsbereich einen höheren Durchschnittswirkungsgrad besitzt, zweifellos selbst einer Turbine mit höherem, aber mit der Beaufschlagung stark schwankendem Wirkung»-

, grad überlegen sein.

Ein solcher höherer Durchschnittswirkungsgrad läßt sich aber nach vorliegender Erfindung erzielen, weil bei der mit abnehmender Beaufschlagung erforderlichen Ver-

; drehung der Leitschaufeln den Stirnkanten der letzteren eine besondere Führung des Wassers nicht mehr zufällt. Somit kann in der neuen Leitschaufeldrehlage die von den theoretischen Forderungen abweichende Verteilung der längs der Stirnkanten vorhandenen Leitradwinkel den Strömungsverlauf nicht mehr beeinflussen.

Ebenso gestattet die geschilderte Leitraumanordnung eine erhebliche Verkürzung der Leitschaufeln S₁ und damit eine erhebliche Verbilligung ihrer Herstellung sowie eine

ι leichte Bedienung des zur Verdrehung der Schaufeln erforderlichen Regelungsgetriebes, weil die Lage des Drehbolzens solcher Leitschaufeln immer so gewählt werden kann, daß der auf diese Schaufeln ausgeübte resultierende Wasserdruck wenigstens in der Nähe

; des Drehbolzens angreift, wie dies beispielsweise aus Fig, 2 zu ersehen ist. Es kann dem-

, nach die Verdrehung der Leitschaufeln mit geringen Regulierkräften bewirkt werden,

was insbesondere· bei selbsttätiger Regelung von Bedeutung ist.

Eine bis an die Grenze des Möglichen gesteigerte Erhöhung der spezifischen Drehzahl kann bei einer derartigen Kreiselmaschine erzielt werden, wenn das Arbeitsmittel nicht nur auf seinem Wege bis zum Laufrad, sondern auch in den Laufradschaufelräumen nur jene" Widerstände findet, welche bei den im ίο praktischen Betriebe unvermeidlichen Schwankungen der Einheitsdrehzahl zu einer brauchbaren Führung dieses Mittels längs der Schaufeln unter allen Umständen erforderlich sind. Die übliche Ansicht, daß eine brauchbare Führung des Arbeitsmittels nur in kanalförmigen Schaufelräumen (Laufradzellen) möglich sei, ist nicht stichhaltig. In dem Patent 300591 ist ausführlich gezeigt, daß die in der Umfangsrichtung gemessene Schaufellänge λ (Fig. 6) gegenüber der Schaufelteilung¹ t mindestens soweit verkleinert werden kann, daß die von den Endpunkten eines Schaufelprofils b„ normal zu den Stromlinien gezogenen Trajektorien M₁H₂ das Nachbarprofil hi 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 zwisehen zwei benachbarten Schaufelprofilen keinen kanalförmigen Raum abgrenzen, so haben derartige Laufräder an der betrachteten Stelle die übliche Zellenform verloren und eine Flügelform angenommen.. Solche flügelartige Laufräder, welche wie gezeigt. auch vorteilhaft ohne äußere Laufradbegrenzung verwendet werden können, geben in Verbindung mit der geschilderten Leitraumanordnung die höchst erreichbaren spezifischen Drehzahlen. Dazu kommt aber noch eine bisher unbekannte Gleichmäßigkeit, des. Wirkungsgrades· gegenüber Gefällschwankungen, welch letztere bekanntlich im Turbinenbetrieb nicht. zu vermeiden sind. Da die von der Turbine angetriebenen Arbeitsmaschinen eine konstante Drehzahl erfordern, so muß daher das Laufrad oft durch lange Zeit hindurch mit unrichtigen Schaüf elwinkeln beaufschlagt werden... Eine solche Beaufschlagung ist aber bei den üblichen Bauweisen mit großen Ver- j lusten verbunden. Diese Nachteile werden 1 aber dann wirksam vermieden, wenn das in | einen schaufellosen Leitradraum entsprechend abgelenkte \¥asser einem mit rlügelartigen Schaufeln versehenen Laufrade zugeführt wird, weil es sich in einem solchen Falle- selbst jene Eintrittsrichturg ins Laufrad wählen kann, welche den augenblick- . liehen Betriebsyerhältnissen am besten eiit-Co spricht. Diese zwanglose Einströmung des ' Wassers in das Laufrad, welche durch die geschilderte .Vereinigung der besprochenen Leitraumanordnung mit der Flügelform des Laufrades bewirkt wird, vermeidet außerdem jede überflüssige Führung des Wassers, .weshalb letzteres. ,einen genügend widerstandslosen Durchfluß durch- die Turbine auch dann noch findet, wenn die Radwinkel den augenblicklichen Betriebsverhältnissen. nicht entsprechen. · ._: -_

. Es ist selbstverständlich, daß die geschilderten Vorteile des schaufellosen Leitradraumes· nicht an eine, engbegrenzte Lage . der Leitradaustrittskanten a<, % gebunden sind. Auch die inj Ausführungsbeiispiiel Fig. 1 gestrichelt angegebene Lage α α- erfüllt den gewünschten Zweck. Ebenso läßt sich dasselbe durch feste oder drehbare Leitschaufeln von ,entsprechender Höhe erreichen, deren Austrittskanten entweder nach geraden Linien C₀ a₀ (Fig. i, 3, 4 und 5) oder nach geneigten bzw. gekrümmten Linien begrenzt sind. Das gleiche gilt auch für- die Laufradschaufeln und deren Eintrittskanten C₁ e_x (Fig. 1) und e₂C^ (Fig. ij.z, 4und_5), sofern wenigstens der _ größere . Teil des Laufrades die ,gewünschte, achsiale Beaufschlagung erfährt und die vorgeschriebene Form des schaufelloseij Leitradraumes gesichert ist. Selbstverständlich richtet sich diese Form auch nach der Ausbildung des Leitraddeckels bzw. der inneren Laufradbegrenzung- In den Ausführungsbei'spielen Fig.. 1 und^;.4 ist der Leitraddeckel D eben gedacht, doch kann er auch nach, den .gestrichelt eingezeichneten Erzeugenden D₁ gekrümmt sein. Durch eine derartige Krümmung des Leitraddeckels wird bei einem nach Fig. 1 ausgebildeten Laufrade .der radiale Schaufelraum R_x verkleinert, also die Schnelläufigkeit des Rades erhöht. . Die ohere.Laufradbegrenzung eines zu einer derartigen Deckelkrümmung passenden Laufrades ist in Fig. 1 durch die gestrichelt gezeichnete ..Erzeugende B angedeutet. In Fig. 5 ist ..schließlich eine- scheibenförmige Verbreiterung * der Laufradnabe gestrichelt "~. eingezeichnet, welche ,Verbreiterung eine zweckmäßige Verteilung des vom Schaufelspalt in die. beiden Laufräder abfließenden Wassers, fördern soll- - ■·.

Es ist bekannt, daß in vielen Gegenden der Ausbau von Wasserkräften aus dem Grunde nidht durchgeführt werden kann, weil die bisher erreichte spezifische Prehzahl der Turbine, zu klein ist und kleine Drehzahlen teure Maschinen und Bauwerke erfordern. Durch eine nach vorliegender Erfindung ausgeführte Bauweise wird in allen solchen. Fällen die für einen wirtschaftlichen; Betrieb erforderliche Verbilligung der Energieumsetzung erzielt. Aber auch in jenen Fällen, wo es weniger auf die Ersparnis an Betriebswasser, als auf die

Erreichung besonders hoher Umlaufzahlen ankommt, wird sich die Überzeugung Bahn brechen müssen, daß der Ausbau von Niederdruckanlagen selbst bei geringstem Gefälle dann noch wirtschaftlich ist, wenn die bisher erreichten spezifischen . Drehzahlen entsprechend erhöht werden können.

Eine nach vorliegender Erfindung· ausgebildete Kreiselmaschine läßt sich überall dort verwenden, wo ein geordneter Strömungsverlauf im Leit- und Laufrade gesichert ist. Ein solcher Strömungszustand findet bekanntlich nicht nur bei allen Turbinen (Wasser-, Dampf- oder Gasturbinen) sondern auch bei allen zeitgemäßen Kreiselpumpen und Gebläsen statt. Es bedarf keiner weiteren Begründung, daß das Leit- und Laufrad der Beschaffenheit, des Arbeitsmittels (Flüssigkeit, Dampf, Gas u. dgl.) ohne Änderung des Wesens der vorliegenden Erfindung angepaßt werden muß. Ebenso muß selbstverständlich . bei unelastischen Arbeitsmitteln durch Verwendung entsprechender Saug- bzw. Druckrohre für eine wirksame Umsetzung der beim Laufradaustritt in der Flüssigkeit noch vorhandenen Energie gesorgt werden. Schließlich sei noch, bemerkt, daß durch die bei Pumpen und Gebläsen erforderliche Umkehrung der Strömungsrichtung die »Schaufelaustrittskanteii« der Turbinen den »Schaufeleintrittskanten«' der Pumpen und Gebläse entsprechen und umgekehrt.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Kreiselmaschine (Wasser-, Dampf- oder Gasturbine bzw. Kreiselpumpe oder Gebläse), bei der zwischen einem hauptsächlich achsial beaufschlagten Laufrad und einem im Wesen radial durchflossenen und mit unbeweglichen oder drehbaren Leit-'schaufeln versehenen Leitapparat ein schaufelloser Leitradraum eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Raum (R₀, Fig. 1, 3, 4 und S) hauptsäclilieh nur längs der Leitradaus- bzw. -eintrittskanten und der Laufradein- bzw. -austrittskanten mit den Leit- und Laufradschaufelräumen in Verbindung steht, so daß die Längen der im meridionalen Strombild . dieses schaufellosen Leitradraumes (R₀) gemessenen Wasserwege sich gegen die Laufradwelle hin vergrößern, wodurch wenigstens der größere Teil des Arbeitsmittels in diesem Räume um etwa 90 ° abgelenkt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.