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Schnelläufer-Wasserturbine mit in achsialer Richtung vom Wasser durchströmtem
Laufrad. Die wirtschaftlichen Verhältnisse und die immer fortschreitende Entwicklung
der Elektrotechnik verlangen bei der Ausnutzung der Wasserkräfte für die in Betracht
kommenden Turbinen hohe Drehzahlen bei möglichst günstiger Ausnutzung der Naturkräfte.
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Diese Forderung führt bei Wasserkraftwerken mit kleinem Gefälle auf
Wasserturbinen mit hoher spezifischer .Drehzahl. Den bisher bekannt gewordenen Konstruktionen
von Schnelläuferturbinen haftet der Nachteil an, daß sie zum Teil nicht genügend
hohe Drehzahlen oder Wirkungsgrade erreichen und daß bei verhältnismäßig kleiner
Verringerung des Durchflusses der Wirkungsgrad zu sinken beginnt und bei weiterer
Verringerung des Durchflusses verhältnismäßig rasch abnimmt.
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Die bisherigen Schnelläuferkönstruktionen sind im allgemeinen charakterisiert
durch Laufräder; deren Schaufeln im Verhältnis zum mittleren Radumfang und zum Laufraddurchmesser,
gemessen in der Richtung des relativen Wasserdurchflüsses, kurz sind. Außerdem wurde
im -allgemeinen erkannt, daß ein .verhältnismäßig großer Schaufelspalt zur Erreichung
eines :guten Nutzeffektes notwendig ist. Die verschiedenen, :für die Turbinen-Berechnungen
in -Betracht kommenden Theorien, nämlich die r, 2 oder 3 dimensionale Theorie, gestatten
bei den komplizierten Strömungsvorgängen, welche für Schnelläufer in Betracht kommen,
die genaue Berechnung der Stromlinien, selbst für die normalen Verhältnisse, welche
der betreffenden Konstruktion zugrunde _gelegt sind, nicht, und um sö weniger für
die verschiedenen Teilbeaufschlagüngen. Infolgedessen ist es kaum möglich, die Eintrittswinkel
der Laufradschaufeln derart zu bestimmen, daß wenigstens bei den üblichen Konstruktionsverhältnissen
ein stoßloser Eintritt des Wassers in das Laufrad erfolgt, während bei Teilbeaufschlagungen
die Größen der beträchtlichen Winkelabweichungen der relativen Eintrittsströmung
und des Eintrittsschaufelwinkels kaum annähernd bestimmt werden können. Infolgedessen
arbeiten diese Schnelläuferräder im allgemeinen mit beträchtlichen Eintrittsstoßverlusten,
welche an und für sich einen bedeutenden Leistungsverlust darstellen. Außerdem pflanzen
sich die von der Stoßwirkung herrührenden Wirbelungen mit der Strömung längs der
ganzen verhältnismäßig kurzen Schaufel fort, so daß sie beim Austritt des Wassers
aus dem Laufrad noch vorhanden sind und sich mit den neu hinzukommenden Wirbelungen_
des Austrittsstoßes in das Saugrohr fortpflanzen und daselbst die
für
Schnelläufer besonders wichtige Energieumsetzung stören. Die Fortpflanzung der vorgenannten
Wirbelungen längs der ganzen Laufradschaufel verursacht auch Korrosionen, welche
die Oberfläche der Schaufelung xufrauhen, den hydraulischen Reibungstv iderstand
vergrößern und zu einer raschen Abnahme des Nutzeffektes der Turbine und zur allmählichen
Zerstörung derselben führen.
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Es sind auch Schnelläuferkonatruktionen mit verhältnismäßig langen
Schaufeln bekannt geworden, bei welchen jedoch die Umlenkung des Betriebswassers
von der radialen Richtung in die achsiale innerhalb des Laufrades erfolgt. Solche
Laufräder haben allerdings den Vorteil, daß zufolge der langen Schaufeln in der
abgewickelten Stromfläche die absolute und relative Austrittsrichtung des Wassers
bestimmt ist, dagegen ist die Bestimmung der Stromflächen selbst wegen der Umlenkung
innerhalb des Laufrades eine schwierige und unsichere, und infolgedessen ist auch
bei diesen Schnelläuferturbinen die Bestimmung der genauen Richtung und Größe des
relativen und absoluten Austrittes im Rautee unsicher und schwierig.
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Vorstehend beschriebene Nachteile werden durch die Turbine, welche
Gegenstand der Erfindung bildet, vermieden.
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Erfindungsgemäß ist diese Schnelläuferturbine mit in achsialer Richtung
vom Wasser durchströmtem Laufrad, das höchstens drei als Schraubenflächen ausgebildete
Schaufeln ohne Außenkranz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenflächen
mit veränderlicher Steigung verlaufen und die Schaufeln von solcher Länge sind,
daß für jeden Punkt jeder Schaufel die Länge eines Schnittes der letzteren mit einer
Stromfläche durch diesen Punkt mindestens gleich ist der Schaufelteilung am Austrittsende
des Laufrades in dieser Stromfläche.
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'rrotzdem die Wandreibungsverluste im Verhältnis der Schaufellängen
zunehmen, werden bei dem Laufrad der den Gegenstand der Erfindung bildenden Turbine
wesentlich längere Schaufeln angewendet, als solche bisher im Schnelläuferbau im
allgemeinen üblich waren, um eine lange und sichere Wasserführung beim Durchfluß
durch das Laufrad zu bewirken und um die Störungen und Wirhelungen, welche beim
nicht stoßlosen Eintritt des Wassers in das Laufrad auftreten, vor dem Austritt
aus dem Laufrad zu beruhigen. Dadurch wird ein gleichmäßiger und in seiner Richtung
genau bestimmter, relativer bzw. absoluter Austritt aus dem Taufrad erzielt, welcher
verhältnismäßig leicht rechnerisch oder konstruktiv bestimmt werden kann. 1K ebst
diesen Vorteilen ist es möglich, den Laufradschaufeln überall sanfte Krümmungen
zu geben, was bei den außerordentlich großen Relativgeschwindigkeiten innerhalb
des Laufrades notwendig ist, um Stoßverluste, KontrRktionen und Wirbelungen zu vermeiden.
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Bedingung für die Länge der einzelnen Schaufeln ist, daß für jeden
Punkt jeder Schaufel die Länge eines Schnittes der letzteren mit einer Stromfläche
durch diesen Punkt mindestens gleich ist der Schaufelteilung am Austrittsende des
Laufrades in dieser Stromfläche.
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Ermöglicht die Anwendung, einer an sich bereits bekannten langen Schaufel
die genaue Ermittlung der relativen und absoluten Wasseraustrittsrichtung in der
abgewickelten Stromfläche, so bewirkt die Anwendung des achsiaien Durchflusses im
Laufrad die möglichst genaue Bestimmung der Stromflächen selbst, womit die Strömungsrichtungen
im Raume im absoluten und relativen System bestimmt sind.
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Die Anwendung einer genauen Schraubenfläche mit konstanter Steigung
als Laufradschaufel ist bekannt, wäre aber für die allmähliche und mäglichst vollständige
Energieabgabe an das Laufrad nicht zweckmäßig. Die Schaufeln, der Gegenstand dieser
Erfindung bildenden Schneiläuferturbine werden deshalb als Schraubenfläche mit veränderlicher
Steigung ausgeführt. Es ist günstig, wenn die Steigungshöhe der Schaufelfläche,
in der relativen Durchflußrichtung des Wassers gesehen, allmählich abnimmt, daß
also der Schaufeleintrittswinkel größer wird wie der Schaufelaustrittswinkel. Die
möglichst starke Vergrößerung des Schaufeleintrittswinkels bietet in Imciraulischer
Beziehung den Vorteil der Vermeidung hoher Relativgeschwindigkeiten beim Laufradeintritt
und der Steigerung der ineridionalen Durcliflußgeschwindigkeit, wodurch der Eintrittsdurchmesser
des Laufrades geringer gewählt werden kann und eine höhere Schnelläufigkeit erzielt
wird.
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Da durch die Kombination der an und für sich bekannten Schraubenschaufeln
mit veränderlicher Steigung mit den ebenfalls an und für sich bekannten langen Schaufeln
bei achsialem Durchfluß eine wesentlich sicherere Feststellung der Strömungsvorgänge
im Laufrad möglich ist, als dies bei den bisher bekannten Schnelläuferkonstruktionen
der Fall war, kann die erfindungsgemäße Schnelläuferturbine nicht nur rechnerisch
und konstruktiv im Vorhinein mit mehr Sicherheit entworfen werden, als dies bisher
der Fall war, sondern sie kann insbesondere durch Versuche wegen der besseren Erfassung
und Erkenntnis der inneren Vorgänge auf einen hohen Grad der Vollkommenheit betreffs
Nutzeffekt und Stabilität gebracht werden.
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Das entsprechend der Erfindung ausgeführte
fi aufrad
kann mit einen radial oder achsial oder diagonal durchströmten Leitrad ausgerüstet
werden.
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Beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Turbine sind
auf beiliegender Zeichnung schematisch gezeigt, in welcher Abb. i einen Vertikalschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt.
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Abb. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel im Vertikalschnitt und
Abb.3 ein drittes Ausführungsbeispiel im Vertikalschnitt.
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Abb. ,4 ist ein schematisch gehaltener Vertikalschnitt durch eine
Turbine zur Veranschaulichung der Bedingung für die Schaufellänge.
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Abb. 5 ist eine Abwicklung des Schnittes der- Stromfläche mit der
schraubenförmigen Schaufel von Abb. q..
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In .dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i bezeichnet i das Laufrad,
das mit einer schraubenförmigen Schaufel mit veränderlicher Schaufelsteigung von
entsprechender Länge versehen ist. Der Rotationshohlraum 2, 2, welcher das Laufrad
einhüllt, ist von zylindrischer Gestalt, an welchen sich ein beliebiges, den besonderen
Verhältnissen angepaßtes und in der Zeichnung nicht gezeigtes Saugrohr anschließt.
Die Welle 3 des Laufrades ist senkrecht angeordnet. Der Leitapparat besitzt bewegliche
Leitschaufeln 4. und ist im wesentlichen vom Wasser in radialer Richtung durchflossen.
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Zwischen das radial durchströmte Leitrad und das achsial durchströmte
Laufrad muß naturgemäß ein großer, freier Strömungsraum H eingeschaltet werden,
in welchem sich die vom Leitrad herrührenden Wirbelungen und Austrittsstoßverluste
beruhigen können, bevor die Strömung das Laufrad erreicht, da beim Eintreten dieser
wirbelnden Strömung in das mit hohen Durchflußgeschwindigkeiten arbeitende Laufrad
der Nutzeffekt und die Haltbarkeit der Turbine beträchtlich herabgemindert würden.
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Der übergang zwischen Leitrad und Umhüllungshohlraum 2, 2 des Laufrades
wird im Meridianschnitt durch einen N iertelkreisbogen vom Radius p gebildet.
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Dieser Krümmungsradius >;'j« des äußeren Begrenzungshohlraumes des
freien Strömungsraumes wird seiner Größe und Variation nach zweckmäßigerweise so
gewählt, daß eine möglichst stetig zunehmende Beschleunigung des Wassers bewirkt
wird.
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Abb. 2 stellt eine geschlossene Turbine dar mit diagonal durchflossenem,
mit drehbaren Leitschaufeln q. ausgestattetem Leitapparat. Das Laufrad besitzt zwei
Schaufeln, welche als Schrauben mit veränderlicher Steigung von entsprechender Länge
ausgebildet sind. Der freie, schraffiert gezeichnete Strömungsraum ist wieder mit
H bezeichnet, und der Übergang desselben nach dem das Laufrad umhüllenden Rotationshohlraum
2, 2 geschieht durch eine Erzeugende, welche nach den Krümmungsradien F, c, a3 gekrümmt
ist. 3 bezeichnet die vertikale Laufradwelle und 5 das Gehäuse der geschlossenen
Turbine. Der das Laufrad umhüllende Rotationshohlraum 2,:2 ist als Kegelmantel ausgebildet,
an welchen sich wieder ein Saugrohr anschließt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 stellt eine Turbine dar, bei welcher
der Wasserdurchfluß sowohl im Leitapparat als auch im L aufrade in achsialer Richtung
erfolgt. Der Leitapparat ist mit festen Leitschaufeln q. ausgestattet. Die innere
Begrenzung des freien Strömungsraumes H ist zylindrisch durch ein .Führungsrohr
6, in welchem sich die Turbinenwelle 3 bewegt, gebildet, während die äußere Begrenzung
durch Rotation eines $-förmigen Meridians 7 erzeugt wird. Der das Laufrad umhüllende
Rotationshohlraum 2, 2 besitzt eine Erzeugende von variabler Krümmung, an welchen
Raum sich wiederum ein Saugrohr anschließt.
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Abb. q. und 5 zeigen die für die Längenverhältnisse einer schraubenförmigen
Schaufel in Betracht kommenden Abmessungen. Die erzeugende Stromlinie der Stromfläche
ist im Abstand r" im Laufradeintritt und im Laufradaustritt in Abb. 4 eingezeichnet,
und Abb. 5 zeigt die Abwicklung des Schnittes der Schraubenfläche mit der Stromfläche,
wobei letztere annäherungsweise als Kegelmantel angenommen wurde. Die Länge i, ist
größer als die Teilung auf dem Austrittsende, welche in diesem Falle - 2 r=
,r ist.