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Innen beaufschlagte Radialturbine. Die Erfindung bezieht sich auf
Reaktionswasserturbinen, und zwar vornehmlich auf spezifische Schnelläufer, ohne
indessen hierauf beschränkt zu sein.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine von innen beaufscblagte Radialturbine.
Sie beruht auf der Erkenntnis, daß sich bei solchen Turbinen eine annähernd geradlinige
Strömung der Wasserteilchen von dem Einlaßkanal zzx den Laufschaufeln erzielen läßt.
Hierzu ist es erforderlich, daß der Durchflußraum zwischen den Leitschaufeln und
den
Laufschaufeln annähernd oder genau von Hyperboloiden begrenzt wird, und daß gleichzeitig
die Leitschaufeln in der Läuferachsenrichtung außerhalb des Laufschaufelkranzes
liegen. Gleichzeitig müssen die Wandungen der Leitkanäle, die einerseits von den
Wandungen des Einlaßkanals und andererseits von den Leitschaufeln gebildet «-erden,
mit der Achsenrichtung und der Radiusrichtung einen solchen Winkel einschließen,
daß die Wasserteilchen beim Austritt aus den Leitschaufeln infolge ihrer Richtung
und Geschwindigkeit unter Einfluß der hyperboloidischen Gestalt des Durchflußraumes
zwischen Leit- und Laufschaufeln annähernd geract linig strömen. Die Strömungslinien
«-erden in Wirklichkeit von Teilen von Spiralen gebildet, aber diese sind so gewählt,
daß sie in ihrer Zusammensetzung eine große Annäherung an eine gerade Linie ergeben.
Diese Gestalt der Strömung hat zur Folge, daß das Wasser' eine kurze Bahn verfolgt
und Reibung und Wirbelverluste vermindert werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung, in welcher zeigen
Abb. i den Achsialschnitt eines Laufrades und der Einläufe einer Turbine für Einzeleinlauf
(d. h. für Einlauf in nur einer achsialen Richtung) und mit senkrechter Achse, Abb.
2 und 3 Grundrisse von Laufrädern, Abb. 4. und 5 schematische Ansichten zur Darstellung
der Bahn, welche das Wasser beim Strömen in und durch das Laufrad nimmt, Abb.6 den
Achsialschnitt einer Doppeleinlaufturbine mit senkrechter Achse.
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Abb. i und 6 zeigen also die Anordnungen bei Turbinen mit stehender
Drehungsachse. Die Erfindung kann jedoch auch für Turbinen mit liegender Achse verwendet
werden.
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Das Laufrad hat die in Abb. 2 und 3 dargestellte Gestalt und besteht
aus einem scheibenförmigen Körper mit einem Ring von etwa rechtwinklig auf ihm stehenden
Schaufeln 22. Die Scheibe kann zwischen den Schaufeln förtgeschnitten sein (Abb.2),
um die Oberflächenreibung und das Gewicht zu verringern. Die Lage der Leitschaufeln
23 in der Einlaufkammer 20 kann innerhalb brauchbarer Grenzen verändert «-erden.
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Es ist jedoch wünschenswert, diese nicht in der Ebene des Einlaufs
zum Laufschaufelkranz anzuordnen, denn in dieser Ebene ist der Durchflußquerschnitt
für das Wasser ein Minimum, die Geschwindigkeit infolgedessen ein :Maximum. Deshalb
ist es vorteilhaft, die Leitschaufeln in Lagen mit geringerer Wassergeschwindigkeit
anzuordnen, wie sie in ausgezogenen oder gebrochenen Linien in Abb. i angegeben
sind.
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Die Einlaufkainmrr ao (Abb. i) ist in ihrem neben dem Laufrad zi liegenden
Teil ringförmig und geneigt, so daß das hindurchströmende Wasser nach Durchlaufen
der geneigten Leitschaufeln 23 eine Bewegung hat, welche sowohl aus achsialen als
auch aus radialen Komponenten zusammengesetzt ist, wie die Pfeile ,andeuten. Diese
Pfeile zeigen auch, daß die Komponenten so gewählt sind, daß eine sehr geringe Richtungsänderung,
gesehen in rechtwinkliger Projektion, auf eine Ebene des Achsialschnittes (d. h.
eine Ebene, «-elche die Achse der Turbine im Längsschnitt enthält) zwischen dem
Auslauf aus den Leitschaufeln und dein Einlauf zu den Laufradschaufeln stattfindet.
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Die Abb. 4 und 5 lassen erkennen, daß auch eine sehr geringe Richtungsänderung
stattfindet, gesehen in einer Projektion d-2r Strömungslinien auf eine Querebene,
d. h. eine Ebene, welche die Achse im Querschnitt enthält. In diesen Abbildungen
ist die Turbine nur bruchstückweise gezeigt, und die Darstellung soll auch nur die
mittlere Bahn des Wasserstromes durch die Leitschaufeln 23 und quer über den dazwischenliegenden
Raum zu den Laufradschaufeln 22 zeigen.
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Der mittlere hyperboloidische Körper ad. wird von den inneren Wandungen
der leitenden Durchlässe und der -Nabe des Laufrades gebildet, welches sich annähernd
jener Form anpaßt.
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Die mittlere Bahn des Wassers durch die Leitschaufeln 23 und von da
zu den Schaufeln 22 des Laufrades wird durch drei verschiedene Projektionen dargestellt.
Die Linie 225 ist die rechtwinklige Projektion der Bahn auf eine Achsialebene,
welche mit der allgemeinen Richtung der Bahn quer zu dem Laufrade parallel ist.
Die Linie 26 zeigt schematisch, in welchem Radialabstand von der Achse die Punkte
28 bis 31 liegen. Die Linie 27 ist die rechtwinklige Projektion der Bahn auf eine
Querebene.
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Auf diesen Linien sind die entsprechenden Punkte mit denselben Zahlen
bezeichnet. Punkte 28 und 29 bezeichnen die Lagen eines Wasserteilchens, wenn es
in den Ring der Leitschaufeln eintritt und ihn verläßt, und zwar etwa halbwegs zwischen
einem Leitschaufelpaar und etwa in der Mitte der Höhe der Leitschaufel. Der Punkt
31 bezeichnet die Lage dieses Teilchens, wenn es die Schaufeln des Laufrades trifft.
Der Punkt 3o bezeichnet eine Zwischenlage in der Bewegungsbahn des Teilchens zwischen
den Leitschaufeln und den Laufradschaufeln. Die Drehungsrichtung des Laufrades wird
durch den Pfeil nahe seinem Mittelpunkt (Abb. 5-) angezeigt. Wenn die Einwirkung
einer Schaufel 22 des Laufrades auf das betrachtete Wasserteilchen nicht vorhanden
ist, dann
würde die Bahn über den Punkt 31 hinaus verlaufen, wie
durch die gekrümmte Linie 32 angedeutet ist. Die Wirkung der Begegnung mit der L
aufradschaufel bei normaler Geschwindigkeit ist die, daß das Teilchen von vier Bahn
32 in die Bahn 33 abgelenkt wird. Die gekrümmte Linie 3.1 zeigt die Bahn des Wasserteilchens
in bezug auf die vor seiner Begegnung mit der Schaufel, und die Linie 35 zeigt die
Bahn des Wasserteilchens in bezug auf die Schaufel, wenn das Teilchen die Schaufel
verlä ßt; die Wirkung der Schaufel ist die, daß das Teilchen von der relativen Bahn
36 (welche eine Fortsetzung der Bahn 34. ist) nach der Bahn 35 abgelenkt wird.
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Die projizierte Linie 26 zeigt, da:ß der Raum zwischen den hyperboloidischen
Grenzen 37 und 38 durch eine Reihe von Linien, wie 26, von ähnlicher Gestalt aufgeteilt
werden kann, die die Gestaltung im Radialschnitt jener Oberflächen aufweisen, auf
«-elchen. die Wasserteilchen von den Leitschaufeln zu den Laufradschaufeln wandern.
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Die Linien 25 und 27 geben die Annäherung an die vorerwähnte geradlinige
Bewegung des Wassers wieder, und es ist verständlich, daß die gezeigten Anordnungen
einen Wirbel erzeugen, in welchem die Wasserteilchen sich vom Eintritt in die Leitschaufeln
bis zu den Laufradschaufeln in annähernd geradlinigen Bahnen bewegen auf Flächen,
die annähernd hyperboloidisch sind.
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Die Bestimmung der Form der Turbine g emä * ß der Erfindung kann auf
die Richtung der 'Mittellinien der Strömung zwischen dem Einlauf und den Laufradschaufeln
25 und 27 gestützt werden, von welchen die Form und Lage der Linien 26 erhalten
werden kann. Vor diesem Teil des Entwurfes ist es nötig, annähernd die Abmessungen
des Laufrades ttnd die Schaufelformen sowie die Abmessungen der Einlaufkammer mit
der annähernden Lage der Leitschaufeln 23 darin zu bestimmen. Die Abmessungen des
Laufrades und der Einlaufkammer werden in bekannter Weise den Daten entnommen, auf
welche der Entwurf gestützt ist, und die Lage der Einlaufkammer und der Leitschaufeln
zu dem Laufrade wird so gewählt, daß eine verhältnismäßig kleine Neigung der Linie
25 zu der Wagerechten :ich ergibt.
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Wenn die mittlere Bahn 26 bestimmt ist, gibt sie einen Anhalt für
den Verlauf der Linien 38 und 37, und als erste Annäherung können diese Linien einskizziert
und dann endgültig bestimmt werden, indem man die Bahnen der Wasserteilchen von
den Leitschaufeln zu den Laufradschaufeln längs den Flächen entwirft, welche durch
Drehung der Linien 37 und 38 um die Turbinenachse erzeugt werden. Man erkennt, daß,
wie vorher für die annähernd geraden Linien 25 und 27 erläutert, die Linien 26,
3; und 38 itn allgemeinen hyperbolisch verlaufen.
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Abb. 6 zeigt, wie die vorher erwähnten vorteilhaften baulichen Merkmale
vereinigt werden können, um eine Anlage für hohe Geschwindigkeit- und niedriges
Gefälle zu bilden. Hier ist das Laufrad 21 unter dem Wasserspiegel in dem Auslaufkanal
67 angeordnet. Das Wasser strömt von dem Laufschaufelkranz unmittelbar in
eine Auslaufkammer 68, die eine halbovale Form im wagerechten Schnitt hat und unmittelbar
in den Auslaufkanal 67 mündet. Aus den Einlaufkammern 7o und ; r läuft das
Wasser durch Leitschaufeln 23 zu. dem Laufrad in der schon in Verbindung mit Abb.4
und 5 erläuterten Weise hindurch. Die allgemeine @Vässerbahn ist durch Pfeile angedeutet.
Diese Anordnung schafft in einem verhältnismäßig kleinen Raum und in einer leicht
herstellbaren Form eine Turbine von verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad. Die kurze
Bahn und der ruhige Durchfluß des Wassers durch die Einlaufkammern sichert der Turbine
und der Auslaufkammer die Möglichkeit einer verhältnismäßig hohen Leistungsfähigkeit.