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Laufrad. für Wasserturbinen oder Kreiselpumpen. Die bisher verwendeten
Laufräder für Wasserturbinen und Kreiselpumpen weisen bei großen Laufradeintrittswinkeln
verhältnismäßig große Laufradaustrittswinkel auf. Um daher die durch das Laufrad
strömende Flüssigkeit entsprechend abzulenken,« sind viele und kurze Schaufeln oder
lange und wenige Schaufeln erforderlich. In beiden Fällen sind aber die von der
Flüssigkeit benetzten Schaufelflächen und damit auch die Widerstände sehr groß,
wodurch der Wirkungsgrad leidet.
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In vorliegender Erfindung wird dieser Nachteil dadurch vermieden,
daß_ die Laufradaustritts- bzw. -eintrittswinkel wenigstens längs des größeren 'feiles
der Schaufelfläche kleiner sind als der achte Teil der auf den zugehörigen Stromlinien
gemessenen Laufradeintritts-bzw.-austrittswinlcel, und- daß der Flächeninhalt sämtlicher
Schaufelflächen kleiner ist als der um die Hälfte vermehrte Flächeninhalt jener
Drehfläche, welche durch Umdrehung der Laufradein- bzw. -austrittskante um die Laufradachse
erzeugt werden kann. .
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Es sind zwar Laufräder bekannt, welche eine zur Schaufellänge verhältnismäßig-
große Schaufelteilung besitzen, doch haben diese Räder den Zweck, die übliche kanalförmige
Form der Laufradzellen zu vermeiden. Dieser Zweck wird in vorliegender Erfindung
weder angestrebt noch erreicht, wie dies an Hand der Ausführungsbeispiele noch genauer
gezeigt wird.
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In den beiliegenden Zeichnungen ist das den Gegenstand der Erfindung
bildende Laufrad an einigen Ausführungsbeispielen von Wasserturbinenlaufrädern näher
erläutert, und werden sich der Kürze halber auch die weiteren Erklärungen hauptsächlich
auf Wasserturbinen beziehen, doch finden dieselben auch auf Kreiselpumpen sinngemäß
Anwendung, wenn berücksichtigt wird, daß die Laufradeintrittswinkel und Laufradeintrittskanten
der Turbinen, den Laufradaustxittsw inkeln und L äufradaustrittskanten der Pumpen
entsprechen und umgekehrt.
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Fig. r zeigt die linke Laufradhälfte eines im Wesen radial beaufschlagten
Laufrades, und Fig. a zeigt den durch winkeltreue Abbildung oder durch eine ähnliche
Darstellungsweise in die Bildebene ausgebreiteten Schnitt zweier benachbarter Schaufelflächen
mit einer Stromfläche (s. Fig. i). Fig. 3 zeigt die linke Laufradhälfte eines Laufrades
mit wesentlich achsialer Beaufschlagung und Fig. q. den durch die gleiche Darstellungsweise
dargestellten Schnitt zweier NTachbarschaufelflächen. Fig. 5 zeigt ein Laufrad mit
einer ' zur Läufradachse geneigten Beaufschlagung und Fig.6 zwei auf die gleiche
Weise gewonnene Schaufelschnitte.
Das durch Fig. r dargestellte
Laufrad entspricht in seinem äußeren Aufbau ungefähr der Form eines Francisturbinen-Langsaniläufers.
Einschneidende Veränderungen weist jedoch die Form und gegenseitige Lage der Schaufelflächen
auf, wie dies aus Fig. z zu entnehmen ist. Gegenüber den aus hydraulischen Gründen
groß gewählten Laufradeintrittswinkel ß ist der Laufradaustrittswinkel d weit über
das übliche Maß hinaus verkleinert,.da er nur ungefähr den neunten Teil des Laufradeintrittswinkels
beträgt. Durch eine solche Formgebung der Schaufelfläche wird den in der- Nähe dieser
Schaufelflächen fließenden Flüssigkeitsteilchen eine derartig übertriebene Richtungsänderung
aufgezwungen, daß eine solche Maßregel allein nur nachteilig wäre. Verringert man
aber gleichzeitig die Größe oder die Zahl der Schaufelflächen unter das bisher übliche
Maß, indem man die gesamte benetzte Schaufeloberfläche kleiner wählt als den um
die Hälfte vermehrten Flächeninhalt jener Drehfläche, _ welche durch die Umdrehung
der Laufradeintrittskante e-e (Fig. 2, 4, 6) um die Laufradachse z-z erzeugt werden
kann, dann erfährt auch der ganze durch das Laufrad fließende Flüssigkeitsstrom
nur jene mittlere Ablenkung, die den gewünschten hydraulischen Bedingungen entspricht.
Es wird demnach mit kürzeren oder mit wenigeren Schaufeln und daher auch mit geringeren
Widerstandsverlusten die gleiche mittlere Ablenkung erzielt als mit der bisher üblichen
Schaufelanordnung. Durch eine solche Bauweise verbessert sich nicht nur der Wirkungsgrad,
sondern es läßt sich im Bedarfsfalle auch die spezifische Drehzahl unter die bisher
erreichte Grenze verringern.
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Die erwähnte Bedingung, daß der auf die gleiche Stromlinie bezogene
Laufradaustrittswinkel höchstens gleich ist dem achten Teil des Laufradeintrittswinkels
kann -entweder längs der ganzen Schaufelfläche erfüllt sein oder doch wenigstens
längs des größeren Teiles derselben. _ Dabei ist vorausgesetzt, daß diese Winkel
durch die Tangenten t (Fig. 2, 4 und 6) an die Endpunkte jener mittleren Schaufelprofillinie
a-a bestimmt ist, welche in gleichem Abstande von den Profillinien der. Schaufelvorder-
und -rückseite gezogen werden kann.
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Selbstverständlich kann der .Austrittswinkel ö im Bedarfsfalle auch
erheblich unter dem achten Teil des Läufradeintrittswinkels verkleinert werden.
Fig. 4 . zeigt beispielsweise die Schaufelprofile eines im Wesen achsial beaufschlagten
Laufrades (Fig.3), dessen Laufradaustrittswinkel wenigstens* im Schnitte mit- der
Stromfläche s-s den Wert Null erreicht. Es kann aber die geschilderte Verkleinerung
des Laufradaustrittswinkels auch noch weit über diesen Nullwert hinaus mit Erfolg
durchgeführt werden, wenn die benetzte Schaufeloberfläche unterhalb des angegebenen
Grenzwertes verkleinert wird. In solchen Fällen wird also der Austrittswinkel d
negativ, wie dies iin Ausführungsbeispiel (Fig.6) angedeutet ist. 'Fig.5 zeigt das
diesen Schaufelprofilen zugehörige Laufrad im Aufriß, dessen Beaufschlagung also
schräg zur Laufradachse angenommen ist. Nach den üblichen Ansichten wäre zwar die
Verwendung derartig kleiner Austrittswinkel unzulässig, doch kann eine solche Anschauung
nicht aufrechterhalten werden, wenn, wie in vorliegender Erfindung, auch die Größe
der benetzten Schaufelfläche begrenzt wird. Dagegen ist die Verwendung derartiger
Schaufelprofile nicht an die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Laufradforinen
und ßeaufschlagungsarten beschränkt, sondern es können solche Profile auch bei allen
anderen Laufrädern verwendet werden, welche einen nach Stromflächen geordneten Strörnungsvorgang
aufweisen.
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Der Flächeninhalt f einer Schaufelfläche S (Fig. r, 3 und 5) kann
aus dem Schaufelplan des Laufrades oder aus. dem fertigen Laufradmodell entnommen
werden, wobei vorausgesetzt ist, daß den weiteren Betrachtungen die Oberfläche des
Schaufelrückens r (Fig..q und 6) zugrunde gelegt wird. Der Flächeninhalt F jener
Drehfläche, welche durch Umdrehung der Laufradeintrittskante e-e (Fig. z, 3 und
5) um die Laufradachse z-z erzeugt wird, läßt sich bekanntlich mit der Guldinschen
* Regel bestimmen. Besitzt daher das Laufrad z Schaufeln, so muß ein nach vorliegender
Erfindung äusgebildetes - Laufrad deichzeitig folgende Merkmale besitzen:
und z f < 3/2F, wobei das erstgenannte Merkmal wenigstens längs des größeren
Tei les der Schaufelfläche erfüllt sein muß. Daß es sich aber in vorliegender Erfindung
nicht um die Vermeidung der Zellenform des Laufrades handelt, zeigen noch die in
den Fig. 2 und 4 normal zu den Stromlinien gezogenen T raj ektorien n1 und x2 und
der von diesen und den Schaufelprofilen eingeschlossene kanalförmige Raum (Laufradzelle),
welcher in diesen Figuren durch Schraffierung hervorgehoben ist.
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Die Laufradschaufeln können entweder in der gewünschten Form aus Blech
gebogen oder auch gegossen sein. Für stark wechselnde Wassermengen empfiehlt es
sich, diese Schaufeln in den Laufradkränzen verstellbar zu befestigen.
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Selbstverständlich ist auch ein nach vorliegender Erfindung ausgebildetes
Laufrad durch einen entsprechend ausgebildeten Leit-.
apparat zu
beaufschlagen und muß im Bedarfsfalle durch Verwendung geeigneter Saugrohre für
einen entsprechenden Saugrohrrückgewinn gesorgt werden. Ebenso muß das ganze Laufrad
während des Betriebes vom strömenden Wasser erfüllt sein.