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Laufrad für Wasserturbinen 'mit flügelartigen Schaufeln. Der Gegenstand
des Patentes 3oo59i betrifft eine Kreiselmaschine, bei welcher durch eine-, im Verhältnis
zur Schaufelteilung entsprechenden Verschmälerung der in der Umfangsrichtung gemessenen
Schaufellänge. die bisher gebräuchliche zellen- oder kanalförmige Form der Schaufelräume
mindestens längs eines Teiles dieser Fläche vermieden ist. Die vorliegende Erfindung
betrifft Verbesserungen in der Form und gegenseitigen Lage der Laufradschaufeln
von Wasserturbinen, durch welche eine große Unempfindlichkeit des Wirkungsgrades
gegenüber Drehzahländerungen erzielt werden kann.- In den beiliegenden Figuren ist
das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Laufrad an einigen Ausführungsbeispielen
erläutert. -Fig. a zeigt - die linke Laüfradhälfte einer Wasserturbine im Aufriß,
deren Laufradschaufeln S ungefähr senkrecht auf die Laufradwehe gerichtet sind.
Fig. z zeigt zwei Schaufelprofile, welche durch den Schnitt zweier benachbarter
Schaufeln mit der Stromfläche z z erhalten: und nach bekannten Methoden in die Bildebene
ausgebreitet wurden. Fig. 3 zeigt die durch den Schnitt mit der Stromfläche z1 z=
auf die gleiche Weise gewonnenen Nachbarschaufelprofile. Fig: 4 zeigt ein Laufrad-
mit schräg zur Laufradachse geneigten Flügeln. Die Fig. 5 bis 8 geben: einige für
die vorliegende Erfindung bemerkenswerte Schaufelschnitte an, welche ebenfalls nach
bekannten Methoden in die Zeichenebene ausgebreitet wurden.
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Das im Patent 3oo59z angegebene Verfahren der Scheidung der Zellenform
von der Flügelform wurde auch in den Fig. 2, 3, 5 und 6 benutzt, wie dies aus den
beiden eingezeichneten Normaltrajektorien n1 und n2 zu entnehmen ist. Da sich in
den Fig. 2, 3 und g ein Schnitt dieser Normaltrajektorien mit dem Nachbarprofil
nicht mehr erzielen läBt, so. besitzen daher die Laufradschaufeln an. dieser Stelle
die in. genanntem Patent beanspruchte Flügelform.
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In genanntem- Patent wurde_ das Hauptgewicht auf die teilweise oder
gänzliche Vermeidung der bisher üblichen Zellenform des Laufrades gelegt. Durch
eine solche Maßnahme wird zwar die gewünschte Erhöhung der spezifischen Drehzahl
erreicht, doch kann unter Umständen die beim besten Wirkungsgrad vorhandene Drehzahl
mit steigender Belastung stark abnehmen, wodurch eine -erhebliche Verschlechteung
des Wirkungsgrades eintritt, wie dies- auch bei den üblichen
Schnelläufern
allgemein bekannt ist. ` Für den Betrieb von Wasserkraftanlagen ist es aber erwünscht,
daß die Turbine innerhalb eines möglichst großen Drehzahlbereiches eine möglichst
geringe Wirkungsgradänderung aufweist. Dieser Zweck wird nach vorliegender Erfindung
dadurch erreicht, daß die wahre Länge eines Schaufelprofiles, welches durch den
Schnitt einer Stromfläche mit der Schaufelfläche erhalten wird, wenigstens innerhalb
eines Teiles der Schaufelfläche - einen mindestens angenähert gleichbleibenden Wert
besitzt, wobei,dieser Wert rund die Hälfte der größten innerhalb des betrachteten
Teiles vorhandenen Schaufelteilung beträgt. Diese Maßnahme verringert die Reibung
an den äußeren Flügelenden, also dort, wo sie den größten Wert besitzt, und vergrößert
die Umfangskraft der Schaufeln gegen die Nabe hin, also dort, wo sich der Reibungseinfluß
verringert.
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In Fig. i - ist jener Flügelteil, innerhalb welchem das Schaufelprofil
wenigstens ungefähr gleich lang sein soll, durch die beiden Stromflächen
z z und z1 z, begrenzt. Die größte Schaufelteilung, welche sich innerhalb
des betrachteten Schaufelteiles vorfindet, muß in der Stromfläche z z liegen -und
ist aus Fig. z durch die Länge der Strecke t zu entnehmen. Der Voraussetzung gemäß
ist die Schaufelprofillänge ?, ungefähr die Hälfte der Schaufelteilung t. In der
StZomfläche zl zl (Fig. i) bat sich die Schaufelteilung auf t, (Fig. 3) verkleinert.
Dagegen soll sich die Länge der Schaufelprofile innerhalb des angegebenen Bereiches
nicht erheblich ändern oder mit anderen Worten, es soll die - Länge X sämtlicher
Schaufelprofile, welche innerhalb der Stromfläche z z und- z1 z1 liegen, wenigstens
ungefähr gleich der Hälfte der in Fig. 2 abgemessenen Schaufelteilung t sein. Fig.
q. zeigt ein Laufrad mit achsialem Wasserdurchfluß und im Wesen schräg zur Laufradachse
gerichteten Flügeln,. von welchen die durch den Schnitt mit den Stromflächen s s
bzw. s1 s1 erhaltenen Profile in den Fig. 5 bzw. 6 in konformer Darstellung eingezeichnet
sind. Auch hier soll sich innerhalb dieser beiden Stromflächen kein erheblicher
Unterschied in der Profillänge zeigen und diese Länge so bemessen sein, daß dieselbe
wenigstens ungefähr die IFälfte. der größten innerhalb des angegebenen Bereiches
gelegenen Schaufelteilung t (Fig. 5) -entspricht. _ Dabei kann die bisher gebräuchliche
Zellenform des Laufrades innerhalb des ganzen in Betracht gezogenen Schaufelteiles
vermieden sein, wie dies das Ausführungsbeispiel (Fig. i bis 3) zeigt, oder es kann
in diesem Teile die Zellenform mit der Flügelform abwechseln. Das Letztere ist beispielsweise
bei den Schaufelprofilen -der Fig. 5 und 6 der Fall, wie* sich aus den eingezeichneten
Notinaltrajektorienni und n2 ergibt.
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Selbstverständlich erfüllt das angegebene Verhältnis zwischen Schaufellänge
und größter Schaufelteilung nur bei Wasserturbinen den gewünschten Zweck, wobei
der günstigste Wert desselben noch. von der Rauheit der Schaufeln, von der Größe
-des Laufrades und dessen Winkel und- von . den tatsächlichen. Betriebsverhältnissen
abhängt, doch sind diese Nebenumstände keinesfalls so groß, daß dadurch dieses Verhältnis
erheblich beeinflußt wird. Die Größe und Lage jenes Schaufelteiles, in welchem die
gewünschte Gleichheit des angegebenen Verhältnisses wenigstens angenähert gewahrt
sein soll! richtet sich nach der Belastung und Schnelläufigkeit des Laufrades: So
können beispielsweise die Schaufelprofile längs der - ganzen Schaufelfläche wenigstens
angenähert gleich lang sein, wenn das Laufrad unter geringer Schaufelbelastung arbeiten
soll. Bei großer Schaufelbelastung empfiehlt es sich jedoch. das längere Schaufelprofil
in die der Nabe.zugekehrten Seite des betrachteten Schaufelteiles zu legen. So ist
beispielsweise das in Fig. 3 dargestellte Schaufelprofil etwas länger als jenes
der Fig. 2. Soll die spe2ifische Drehzahl möglichst gesteigert werden, so empfiehlt
es sich, wenigstens eine der äußeren Schaufelecken abzurunden., bzw. wegzuschneiden,
wie dies in Fig. q. durch z angegeben ist. Durch eine solche Maßnahme wird eine
weitere Verkleinerung der Schaufellänge gegenüber der Schaufelteilung erzielt, so
-daß an den Abrundungsstellen die Profillänge :kleiner wird als die Hälfte der in
der Stromfläche s s gemessenen Schaufelteilung t (Fig.5). -In Fig. 7 wurden die
auf der Stromfläche s2 s. (Fig. q.) liegenden äußeren Schaufelenden in die Zeichenebene
ausgebreitet und ist die durch die Abrundung bewirkte Verkleinerung der Profillänge
aus X1 zu entnehmen. Soll ein derartiger Schnelläufer noch unter einer hohen Schaufelbelastung
arbeiten, so sind die Schaufelprofile gegen die Nabe hin entsprechend zu verbreitern,
wie dies aus Fig: 8 zu entnehmen ist, welche die abgewickelten Schaufelprofile einer
der Laufradnabe benachbarten Stromfläche s3 s3 (Fig. q.) zeigt. Die Länge A2 dieser
Profile ist in einem solchen Fälle größer als jene des durch die Stromflächen s
s und sl.s1 begrenzten Schaufelteiles k.
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Derartige Laufräder besitzen bei erhöhter Festigkeit ein Mindestmaß
an Reibungsverlusten und übertreffen sowohl bezüglich der erreichten spezifischen
Drehzahlen als auch der Gleichmäßigkeit des Wirkungsgrades bei Drehzahländerungen
- alle bisher bekanntgewordenen Laufradbauweisen. Ebenso ist schon aus den Ausführungsbeispielen
zu entnehmen,
daß mit den bisher üblichen Anschauungen über die
Führungsart desWassers vollständig gebrochen wurde. 4 Ein nach vorliegender Erfindung
ausgebildetes Laufrad, dessen Schaufeln entweder mit der Nabe fest verbunden oder
drehbar angeordnet sind, kann überall dort vorteilhaft Verwendung finden, wo es
sich um die Erreichung hoher spezifischer Drehzahlen bei großen Belastungsschwankungen
handelt oder wo bei verschiedenen Drehzahlen ein guter Wirkungsgrad erzielt werden
soll. Die große Unempfindlichkeit-dieser Laufräder gegen Drehzahländerungen läßt
die Verwendung des gleichen- Laufrades bei gleichem Gefälle aber bei verschiedenen
Drehzahlen und Wassermengen zu, wodurch 'der bisher für jeden Sonderfall erforderliche
Entwurf und Bau neuer Laufräder entfällt. Es kann - somit auch- mit erheblich weniger
Laufradmodellen das Auslangen gefunden werden und man hat dennoch den Vorteil, einer
bisher unerreichten Gleichförmigkeit des Wirkungsgrades bei Drehzahl- bzw. Belastungsänderungen.
Ebenso vereinfacht eine in dem angegebenen Bereich wenigstens angenähert gleiche
Schaufelprofillänge ganz erheblich die. Herstellung des Laufrades, was insbesonders
dann ins Gewicht fällt, wenn es sich um die Verwendung von Blechschaufeln handelt,
da deren Zuschärfung noch vor dem Biegen des Bleches und mit großer Genauigkeit
vorgenommen werden kann.
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Schließlich bleiben die Schaufelprofile durch die angegebene Lage
der Laufradflügel und durch die im Verhältnis zur Schaufellänge groß gewählte Schaufelteilung
immer zugänglich, weshalb eine nachträgliche Berichtigung dieser Profile mittels
Schablonen jederzeit vorgenommen werden kann, was bekanntlich bei den üblichen Laufradbau*eisen
nicht möglich ist. Im übrigen gelten auch hier die in dem Hauptpatent beschriebenen
Gesichtspunkte zur Ermittlung der Schaufelwinkel, auf dreidimensionaler Grundlage,
wenn auf die Übereinstimmung der auf rechnerischem Wege gewonnenen Werte mit den
praktischen Versuchsergebnissen Gewicht gelegt wird. Auch bedarf es keiner besonderen
Begründung, daß sich die -erwähnten Vorteile nur bei gleichzeitiger Benutzung jener
Vorrichtungen erreichen -lassen, welche zur Erzielung eines geordneten und möglichst
verlustlosen Strömungsvorganges in der Turbine unter allen Umständen erforderlich
sind. Dazu gehört die Beaufschlagung des Laufrades durch einen entsprechend ausgebildeten
Leitapparat und die Abführung des Wassers durch ein Saugroter, welches im Bedarfsfalle
noch einen entsprechenden Saugrohrrückgewinn. ermöglichen muß. Ebenso muß während
des Betriebes das ganze Laufrad vom strömenden Wasser erfüllt sein.