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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 entsprechende Verschmälerung der in der Umfangsrichtung gemessenen
Schaufelbreite 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 Laufradflügel von
Wasserturbinen, durch welche eine erhebliche Steigerung der bisher erreichten spezifischen
Drehzahlen erzielt werden kann. In den beiliegenden Figuren ist das den Gegenstand
ddr vorliegenden Erfindung bildende Laufrad an einigen Ausführungsbeispielen erläutert.
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Fig. I zeigt die linke Laufradhälfte einer Wasserturbine im Aufriß,
deren LaufradflügelS ungefähr senkrecht auf die Laufradwelle gerichtet sind.
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Fig. 2 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.
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Fig. 3 zeigt die durch den Schnitt mit der Stromfläche x1 z1 auf die
gleiche Weise gewonnenen Nachbarschaufelprofile. Fig. 4 zeigt ein Laufrad mit schräg
zur Laufradachse geneigten Flügeln.
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Die Fig 5 bxw. 6 geben die durch den Schnitt mit der Stromfläche s
s bzw. s1 s1 erhaltenen Schaufelprofile an.
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Das im Patent 3oo59I angegebene Verfahren der Scheidung der »Zellenform«
von der »Flügelform« wurde auch in den Fig. 2 und 5 benutzt, wie dies aus den beiden
eingezeichnetenNormaltrajektorien n1 und n2 zu entnehmen ist. Da sich ein Schnitt
dieser Normaltrajektorien mit dem Nachbarprofil nicht erzielen läßt, so besitzen
dal-er die Laufradschaufeln an dieser Stelle die in genanntem Patent beanspruchte
»Flügelform«.
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. Dagegen wurde in dem Patent 300591 den Laufradflügeln keine
bestimmte Richtung zugewiesen. Die gewünschte Erhöhung der spezifischen Drehzahl
erfordert jedoch eine besonders weitgehende Verringerung der Reibungswiderstände
an der Flügeloberfläche. Dies läßt sich dadurch erreichen, da.ß diese Flügel im
Wesen senkrecht. oder schräg zur Laufradwelle gerichtet sind, weil in einem solchen
Falle die Oberfläche jener Flügelteile, welche hohen Wassergeschwindigkeiten und
sonach großen Widerständen ausgesetzt sind, auf ein, Mindestmaß herabsinkt.
Ferner
wurde auf Grund dreidimensionaler Untersuchungen, welche durch den Versuch geprüft
und ergänzt wurden, gefunden, daß die Energieausnutzung des Arbeitsmittels noch
erheblich gesteigert werden kann, wenn die Laufradflügel so geformt werden, daß
wenigstens längs eines Teiles derselben ein mindestens angenähert gleichbleibendes
Vrhältnis zwischen der Schaufelteilung und der Länge des auf diese Teilung rechtwinklig
projizierten Schaufelprofiles vorhanden ist.
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In Fig. i ist jener Flügelteil, innerhalb welchem die ungefähre Gleichheit
des erwähnten Verhältnisses vorhanden sein soll, durch die beiden Stromflächen z
z und z1 z1 begrenzt.
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Aus Fig. 2 ist die für eine bestimmte Flügelzahl erforderliche Teilung
t angegeben. Die Länge der Projektion der Profillinie auf diese Teilung ist aus
h zu entnehmen. Bildet man das Verhältnis
so ergibt sich ein bestimmter Wert k, dessen Größe nun innerhalb des zwischen z
z und z1 z1 eingeschlossenen Flügelteiles wenigstens angenähert gleich sein soll.
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Hat sich daher an der Stelle z1 z1 die Schaufelteilung t verkleinert
(Fig. 3), so soll sich an dieser Stelle auch der Wert von da derart verkleinert
haben, daß das Verhältnis k wenigstens ungefähr das gleiche bleibt. Durch eine derartige
Maßnahme wird diesem Flügelteile ein gesetzmäßiger Verlauf vorgeschrieben, welcher
bei kleinen Reibungswiderständen eine große Energieausnutzung gestattet.
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Fig. 4 zeigt ein Laufrad mit im Wesen schräg zur Laufradachse gerichteten
Flügeln, von welchen die durch den Schnitt mit den Stromflächen ss bzw. s, s, erhaltenen
Profile in den Fig. 5 bzw. 6 in konformer Darstellung eingezeichnet sind, Auch hier
sollen sich innerhalb der beiden Stromflächen keine erheblichen Unterschiede im
Werte von k zeigen. Auf alle Fälle ist es aber gleichgültig, an welcher Stelle des
betrachteten Flügelteiles (Fig. I und 4) die größte Abweichung vom Mittelwerte von
k vorhanden ist. Der angegebene Verlauf der Flügelform kann natürlich auch bis zur
Laufradnabe fortgesetzt werden. In der Regel ist dies aber aus Festigkeitsrücksichten
des Laufrades nicht möglich. Ebenso kann es unter Umständen zweckmäßig sein, die
äußeren Flügelenden an den Ecken abzurunden.
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Selbstverständlich ist die absolute Größe des Wertes von k von dem
Verwendungszwecke und der Art des Arbeitsmittels abhängig. Durch theoretische Untersuchungen,
welche durch den praktischen Versuch geprüft und ergänzt wurden, konnte festgestellt
werden, daß sich bei Wasserturbinen die besten Ergebnisse dann erzielen lassen,
wenn der Wert von k die Zahl 2 nicht wesentlich über- oder unterschreitet. _Es soll-
demnach mindestens innerhalb des betrachteten Flügelteiles die Schaufelteilung rund
doppelt so groß sein-als -die Länge des auf diese Teilung rechtwinklig projizierten
Schaufelprofiles. Der güngstigste Wert von k hängt natürlich auch von der Rauheit
der Schaufeln, von der Größe des Laufrades und dessen Winkel und von solchen Umständen
ab, welche die tatsächlichen Betriebsverhältnisse der Turbine beeinflussen. Diese
Nebenumstände sind aber keinesfalls so groß, daß sie die Größe der angegebenen Zahl
erheblich beeinflussen.
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In den Ausführungsbeispielen sind die Schaufelprofile nach den angegebenen
Gesichtspunkten eingezeichnet und ist daraus zu entnehmen, daß mit den bisherigen
Anschauungen über die Führungsart des Wassers vollständig gebrochen wurde.
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Es bedarf 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 Saugrohr, welches im Bedarfsfalle noch einen entsprechenden
>rSaugrohrrückgewinncc ermöglichen muß. Ebenso muß während des Betriebes das ganze-
Laufrad vom .strömenden Wasser erfüllt sein. Im übrigen gelten auch hier die in
der Hauptanmeldung 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.