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Laufrad mit Scbraubenflächen als Schaufeln für 'Turbinen und Pumpen.
Die im Turbinenbau überwiegend benutzte Francisttirbinenschaufel hat als ;Merkmal
und Vorzug die Umlenkung des in das Laufrad ganz oder teilweise radial einströmenden
Wassers in achsi.ale Strömung beim Austritt.
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Die Schaufelformen, «-elche sich gemäß den Regeln des Turbinenbaues
ergeben, werden infolge dieser Umlenkung jedüch höchst Verwickelt und erfordern
viel Zeichenarbeit und besondere :@Iodellierkunst. Die Erfinclung vermeidet diesen
Mißstand, indem sie als Schaufeln Schraubenflächen im mathematischen Sinne wählt,
deren Charakteristiken so festgesetzt «-erden, (laß durch die Schraubenflächen die
Bedingungen für Eiar- und Austritt des Wassers genau so erfüllt wer-
| den wie durch die normale Francissschaufel, |
| also der gleiche Nutzeffekt gewährleistet wird |
| wie bei diesen. |
| Mit den bisher entworfenen Turbinen oder |
| Pumpen, die Schraubenflächen im mathema- |
| tischen Sinne aufwiesen, ist es allerdings aus- |
| geschlossen, über 5o Prozent 1Tu-tzeffekt |
| mu erreichen. Da bei derartigen Schaufeln |
| mit Schraul)eriflächen die Arbeitsverhältnisse |
| ,los einen Schaufelendes von denen des andern |
| völlig abhängig sind, so paßt sich diese Sehau- |
| f-fl hei ausschließlich achsialer Strüm:ung den |
| thc#c@retisch 2.u fordernden Formen nur bei |
| einer I@ruckdifferenz _ -Null an. Eine Ge- |
| s@hwindigl:ei.ts- und Arbeitsumsetzung kann |
| bei soilchen Maschinen nur durch Stoßwirkung |
vor sich gehen, also durch eine Arbeitsform, flie einen schlechten
Nutzeffekt in sich birgt. I-rst durch die t-mlenkung des Wassers nach Art der Francisturbine
wird es möglich, eine vollkommene Schraubenfläche ohne Stoßwirkung zur Arbeit zu
zwingen, und diese Erkenntnis bildet eine der Grundlagen der Erfindung.
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Um die Verhältnisse beider Schaufelenden unabhängig voneinander zu
machen, benutzt di-- Erfindung das Mittel, die Neigung der Erzeugenden der Schraubenfläche
in ganz bestimmter, den vorgeschriebenen Arbeits- und Strömungsverhältnissen angepaßter
Weise zu wählen. Bei den bisher entworfenen Schraubenpumpen hatte die Erzeugende,
d. h. diejenige die Drehachse schneidende Linie, welche durch ihre gleichzeitig
fortschreitende und Drehbewegung die Schraubenfläche erzeugt, stets einen Neigungswinkel
bezüglich ihrer Drehachse, der gänzlich beliebig und jedenfalls ohne Rücksicht auf
irgendwelche Strömungs- :oder Arbeitsbedingungen der Schraubenplumpe oder Turhine
gewählt wurde. In der Reg 1 betrug dieser Neigungswinkel zwischen der Erzeugenden
und der Drehachse 9o°. Gemäß der Erfindung wir,1 jeweils zu der Steigung der Schraubenfl:i.che
eine ganz bestimmte Neigung der Erzeugenden gewählt, deren Neigungswinkel sich in
der .nachstehend entwickelten Weise aus Angaben über die Arbeits- und Strömungsverhältnisse
ergibt. Mit der Steigung der Schraubenfläche (mit der man sich bei Schraubenpumpen
bisher ausschließlich beschäftigte) und der Neigung der Erzeugenden ist die neue
Schraubenfläche definiert, und diese Angaben genügen vollkommen, um die Herstellung
der Schaufeln ganz maschinell, aliso wesentlich einfacher als bisher vornehmen zu
können.
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Die Erfindung bezieht sich also auf die Anwendung von nur aus Schraubenflächen
gebildeten Schettfeln für Laufräder, in welchen der Wasserstrom nach Art der Francistu.rbine
unigelenkt wird, wobei die Neigung der Schratrhen-Erzeugenden in ganz bestimmter
Weise festgesetzt wird.
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In den folgenden Gleichungen, die als Bei-@spiel für eine Francisturbine
abgeleitet sind, bedeutet H die Gefällhöhe, g die Erdbeschleunigung, cp, und` cp2
Erfahrungswerte der Ausführung, ferner (vgl. die Zeichnung) zz die Umfangsgeschwindigkeit
an der in Betracht kommenden Stelle, c" und c,. die achsiale bzw. #lie radiale ZV
asserges:chwindigkeit im Laufrad, ß den Winkel zwischen der relativen Eintrittsgeschwindigkeit
und der Umfangsgeschwindigkeit (in, radialen Schnitt), y den Steigungswinkel und
8 den Neigungswinkel der Erzeugenden für die S:chraÜbenfläche. Die allgemein beltannfie
Arbeitsgleichung in der Form
ergibt fÜr eiiic#ti hes@timnnten 1#a11 den @Vcrt
Aus dem Diagramm für den Eintritt ergibt sich ,
ein Wert, der für die Schaufel verwirld@cht werden muß, sofern die Schaufel die
verlangte Arbeit leisten soll. Da nicht alle Stromfäden parallel fließen, Kontraktion
entsteht 1-1. dgl., ist noch ein Erfahrlungszuschlag zu .machen, so daß
wird. Der relativ zur Schaufel, somit unter dem /l in das Laufrad eintretende Strahl
soll an seinem Austritt aus dem Laufrad eine acbsiale Absol,utbewegung haben; dies
ist die Vorausset7img für die vorstehend benutzte Arbeitsgleichung
Folglich in@uß :die Schaufel einen Winkel y (s. A11:. 3) haben, derart daß
wird, wobei zi die Umfangsgeschwindigkeit des jewelvls betrachteten Schaufelpunktes
wäre. Unter Berücksichtigung der Kontraktion an dieser Stehle wird
gewählt werden müssen. Da die UmfangsgesIchwindigkeit zt mit denn Radaus veränderlich
ist, ergibt sich -eine stetige Abnahme des Winkels y, je weiter nach außen liegende
Punkte der Sclla;trfelkante ge`v ählt -werden.
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Als Austrittsfläche würde wohl allgemein eine Schraubenfläche mit
dem Steigungswinkel
zu wählen sein, wenn es möglich wäre, die Schrauhenfläche so zu wählen, dh@B deren
Schnitt
allein mit der Drehebene (Abb.2) den Winkel /3 ergibt. Findet sich eine solche Schraubenfläche,
so m;uß sie den Ein- und Austrittsbedingungen der Schaufel gemäß der Turbinentheorie
entsprechen und somit von selbst den besten Übergang vorn Eintritt zum Austritt
des Laufrades und zugleich die einfachste Form der Schaufel ergeben.
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Nun ist der Wert t- ß, der sich in .der Schnittlinie ergibt, um so
flacher, je stärker die Erzeitigende geneigt wird, und je kleiner der Steigungswinkel
der Schraube ist, und es ` besteht die Beziehung tg /3 = tg y # tg
(S. Das heißt: Wird eine Schraubenfläche derart gewählt, daß sie bei einem Steigungswinkel
y durch eine Erzeugende entsteht, deren Neigung d (vgl. Abb. i) gemäß tg
j festgesetzt ist, so entspricht diese Schraubenfläche der gesuchten, da sie allen
Anforderungen nachkommt -und jedem Bedarfsfalle genügt. Es ergibt sich demnach als
Merkmal der Erfindung für die Neigung der Erzeugenden
Ein diesen Bedingungen entsprechend ausg 0,
ebildetes, zweischa)ufliges Lawfrad
ist in der Zeichnnu ng in Abb. x bis 3 im Längsschnitt, Querschnitt und Ansicht
@dargestellf.
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Das Wasser strömt durch die Leitspirale a, die auch in beliebiger
Weise mit Leitschaufeln ausgerüstet sein kann, dem Lau:frade b zu, tim bei b1 in
das Saugrohr c abzufließen. Die aus vollkommenen Schrauhen$ächen gebildeten beiden
Schaufeln b. des Laufrades, die sich um die kegelförmige Nabe b3 des Laufrades schlingen,
sind ihrer Form nach deutlich aus den Abbildungen, besonders aus der Abb.3 zu erkennen.
Die Neigung der Schraubenflächen geht deutlich aus dem Schnitt der Abb. i hervor
(vgl. den Winkel ö zwischen der Erzeugenden :und der Achse).
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Das Laufrad hat die größte spezifische Umlaufzahl, wenn der Austrittsdurchmesser
gleich dem des Eintrittes ist. Ein Wasserteilchen, das längs des äußersten Begrenzungszylinders
fließt, hat in diesem Falle innerhalb des Laiwfrades vom Eintritt bis z,um Austritt
eine rein achsiale Geschwindigkeit und keine radiale Komponente. Infolgedessen kann
dieser Teil des Wassers aiuch keine Arbeit mit dem Iaiifräde austauschen. Es wird
vielmehr. zu Wirbelungen Veranlus;sung. geben, wie dies in Abb. ¢ bei d angedeutet
ist. Da diese Wirbelzone den Diurchtrittsquerschnitt verringert, ist es besser,
durch geeignete Profilgestraltung, wie Abb. q. strichpunktiert zeigt, den 'Wirbel.
zu: vermeiden. Der Wirbel wird vollständig beseitigt, wenn die Durchmesser Dl .und
Dz um so viel verschieden gewählt werden, daß für die Umfangsgeschwin d!igkeiten
bei diesen Durchmessern die Beziehung gilt
Dann nämlich übt der zwischen D, und D@ sich drehende Flüssigkeitswulst einen solchen
Zentrifugaldruck aus, daß damit dem Spaltdruck das Gleichgewicht gehalten wird.