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Ausflußkammer für Wasserturbinen. Die Erfindung betrifft eine Ausflußkammer
für Wasserturbinen mit etwa halbovaler Farm und: bezweckt eine gleichförmige Verteilung
der Durchflußmenge des Wassers über den zylindrischen Eintrittsquerschnitt in die
Kammer, den das Wasser beim Austritt aus dem Läufer durchströmt, insbesondere für
den Fall, daß in der Ausflußkammer die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umgewandelt
werden soll. Für diese Umwandlung ist die gleichförmige Verteilung unerläßlich,
weil in einer Ausflußkammer mit Umwandlung der Geschwindigkeit in Druck ohne besondere
Vorkehrungen zur Sicherung der gleichförmigen Verteilung der Ausfiußmenge über den
Eintrittsquerschnitt in die Kammer ein veränderlicher Rückstau im Eintrittsquerschnitt
entstehen würde, der eine entsprechende Ungleichförmigkeit des Ausflusses und daher
einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge haben würde.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in einer solchen Gestaltung
der Ausflußkammer, daß außer den vorstehend erwähnten Bedingungen auch die eines
höheren Wirkungsgrades bei der Umwandlung von Geschwindigkeit in Druck, als es bisher
möglich war, erfüllt wird.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei derartigen annähernd halbovalen
Ausflußkammern die parallel zur Läuferachse gemessene Kammerhöhe an allen Punkten
gleichförmig zu bemessen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß in bestimmten Richtungen
eine größere Wassermenge in die Kammer .eintritt als in anderen Richtungen..
Die
Erfindung besteht nun darin, daß diese Kammerhöhe von Punkt zu Punkt anders bemessen
wird, nämlich von dem Eintrittskreis und der Mittellinie nach den Seitenwandungen
hin fortschreitend zunehmend. Hierdurch wird die gleichmäßige Verteilung des Wassers
über den zylinderförmigen Eintrittsquerschnitt in die Kammer in hohem Maße erreicht.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß das Profil der Kammer in der senkrecht
zur Turbinenachse liegenden Ebene vorzugsweise dadurch erhalten, daß man von der
Gestalt der Stromlinien derjenigen zweidimensionalen Strömung ausgeht, die durch
Überlagerung einer Zentralquelle auf einem parallelen Strom entsteht. Führt man
diese überlagerung nach wahlbekannten hydrodynamischen Grundsätzen aus (vgl. z.
B. D. W. T a y 1 o r, »Transaction of the Institution of Naval Architects«, 1894,
Bd. 35, S. 385; »0n Ship -shaped Stream Forms« und besonders Abb. 6 auf Tafel LXIX),
so erhält man zwei Stromliniensysteme entsprechend den beiden überlagerten Elementarsystemen,
deren Grenzlinie die Gestalt eines Halbovals mit asymptotisch zu zwei Parallelen.
der Ursprungsrichtung der parallelen Strömung verlaufenden Schenkeln hat. Diese
Grenzlinie dient als Vorbild für das Kammerprofil in der senkrecht zur Turbinenachse
verlaufenden Ebene. Kennzeichnend für diese Kurve ist es, da.ß sie sich auch unverändert
dann anwenden läßt, wenn die Strömung der Zentralquelle nicht nur rein radial ist,
sondern auch eine Umfangskomponente von mehr oder weniger großem Wert aufweist.
Deshalb eignet sich eine Kammer mit diesem Profil besonders für die Umwandlung von
Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie, wenn. die Geschwindigkeit nicht nur eine
radiale, sondern auch eine in die Umfangsrichtung weisende Komponente hat. An Hand
der beiliegenden Zeichnung soll nun erläutert werden, wie man die veränderliche
Kammerhöhe in Abhängigkeit von ihrer halbovalen Gestalt ermittelt.
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In der Zeichnung zeigen: Abb. 1, 2 und 3 im Achsialschnitt, Grundriß
und Aufriß eine Abflußkammer für eine Zentrifugalvollturbine, Abb.4a, 4b und 4c
Diagramme zur Darstellung der Methode, nach welcher die Form der Abflußkammer bestimmt
wird, Abb. 5 einen Achsialschnitt nach der Linie 17-i7 der Abb.6. Abb.6 einen Querschnitt
nach der Linie 18-18 der Abb.5 für eine Abflußkammer, welche an das Gehäuse einer
Turbine mit achsialem Ausfluß aus dem Laufrad angesetzt ist, Abb.7 einen Achsialschnitt
einer Turbine mit senkrechter Achse und doppeltem Einlauf. Die von der Begrenzungslinie
zwischen den beiden obengenannten Störungen gebildete Kurve entspricht der Linie
72 in Abb. 4a und 4b. In Abb. 4a bedeuten die anderen Linien die Stromlinien innerhalb
der Grenzlinie 72 für den Fall, in welchem der Strom von der Quelle aus rein radial
ausläuft. In Abb.4b sind entsprechende Stromlinien für den Fall gezeigt, in dem
eine kreisende Strömung derselben Grenzlinien stattfindet. Eine Betrachtung der
Abb.4b zeigt, daß in dem zweidimensionalen Falle eine .größere Menge aus der einen
Hälfte des Kreises 73 ausläuft als aus der anderen. (Es wird bemerkt, daß zwischen
je zwei benachbarten Stromlinien in dieser Abbildung gleiche Wassermengen pro Zeiteinheit
strömen.) Um jenen Unterschied .annähernd auszugleichen, werden die Abmessungen
der Abflußkammer parallel der Turbinenachse von Punkt zu Punkt verändert, ' und
diese Veränderung wird nach den Stromlinien gemäß Abb. 4a so bemessen, daß die Höhe
der Kammer im umgekehrten Verhältnis zur Größe der Geschwindigkeit steht. Dieses
hat zur Folge, daß die Kammer, welche natürlich beim Kreise 73 - um das Laufrad
herum -von gleichförmiger Höhe sein muß, an Höhe dauernd wächst. Diese Zunahme kann
wie folgt bestimmt werden: Abb.4c zeigt einen Schnitt der Kammer nach der Linie
74 der Abb. 4a. Von den Mittelpunkten 7 5, 76 usw. der Linienabschnitte, welche
durch je zwei benachbarte Stromlinien gebildet werden, sind die Linien 77, 78 usw.
projiziert, die als Ordinate dienen, um die Höhe der Kammer in Abb.4c zu messen.
Diese Höhen werden dann proportional den Längen der Kreisbögen 79, 8o usw. gemacht,
welche auf dem Kreise 73 durch dieselben Stromlinien wie- die entsprechenden
Ab-schnitte 75, 76 entstanden sind.
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Dieses Verfahren wird für alle 15 Teile der Linie 74 fortgesetzt.
Hierdurch entsteht die in Abb. 4c gezeigte Querschnittsform. Die Höhe der Kammer
an anderen Punkten kann aus der Anschauung erhalten werden, da.ß der Kreis 73 und-
die Grenzlinie 72 sowie alle in Abb. 4b gezeigten Stromlinien als Horizontalschnitte
angesehen. werden. Die Kurve 81 ist danach der Horizontalschnitt 83; zu diesen gehört
die Kammerhöhe 82. In gleicher Weise werden die Äquidistanten 84 und 85 durch die
Linien 86 und 87 gegeben. Die vier in gestrichelten -Linien umzogenen . Umrisse
in Abb.4b zeigen die halben Querschnitte der Kammer nach den Linien 74, 0-1, o-2
und o-3.
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Dieses Verfahren führt zur Gestaltung einer Abflußkammer von der in
den Abb. 1, 2 und 3 dargestellten Form. Die in Abb.3 gezeigten gestrichelten Linien
geben die Querschnittsform der Kammer nach der Linie 15-15 der Abb.2 an. Eine allgemeine
Kennzeichnung
dieser Kammer ist, daß sie halbovalen Grundriß hat,
daß ihre Höhe von der Mitte nach außen dauernd zunimmt, und daß die Auslauföffnung
an den Seiten eine bedeutend größere Höhe hat als nach der Mitte zu.
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Abb.7 zeigt, wie die Form der Abflußkammer gemäß der Erfindung bei
einer Reaktionsturbinenanlage vom Zentrifugaltypus von einfacher und gedrungener
Anordnung benutzt werden kann. Das gezeigte Beispiel bezieht sich auf eine Turbine,
die für kleine Gefälle und hohe spezifische Tourenzahl berechnet ist. Sie hat eine
senkrechte @Velle, und das Laufrad liegt unterhalb der Wasseroberfläche im Unterwasserkanal
67. Der Saugraum 68, dessen Grundriß halbovale Form hat, mündet unmittelbar in den
Unterwasserkanal. Das Wasser fließt vom Oberwasserkanal 69 zu den Eintrittspiralen
70, 71 ober- und unterhalb des Laufrades. Von hier aus fließt das Wasser zwischen
den Leitschaufeln 23 zu dem Laufrad 21; die allgemeine Bahn des Wassers ist durch
Pfeile angedeutet. Diese Anordnung führt zu verhältnismäßig kleinen Abmessungen
und leicht herstellbarer Form im Vergleich zur Schluckfähigkeit. Die kurze Bahn
und die glatte Wasserströmung durch Eintrittspirale, Leit- und Laufrad und Abflußkammer
sichert die Möglichkeit eines verhältnismäßig hohen Wirkungsgrades.
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Wo die angenommenen Bedingungen der zweidimensionalen Strömung mit
genügender Annäherung erreicht werden können, ist es wünschenswert, sich an den
durch das angegebene Verfahren ermittelten Umriß zu halten. Wo sich jedoch diese
Bedingungen nicht so genau einhalten lassen, sind gewisse Abweichungen von der genauen,
wie vorstehend angegeben, errechneten Form zulässig, ohne jedoch hierdurch von der
allgemeinen parabolischen Gestalt der Kammer im Gegensatze etwa zu einem bloßen
Halbkreis oder ähnlichen Kurven abzuweichen. Abb. 5 und 6 zeigen beispielsweise
ein Profil, das etwas von der errechneten Profilform abweicht. Hier handelt es sich
um eine Ausdaßkammer für eine Turbine, aus der das Wasser in Achsialrichtung austritt,
so daß es innerhalb der Ausflußkammer oder beim Eintritt in diese rechtwinklig wenden
muß. Das Wasser fließt ein mittels des Saugrohres 9o und läuft aus durch die Öffnung
91. Diese Abflußkammer hat im Grundriß noch halbovale Gestalt, wenn man absieht
von der Rippe 92, die aber vermöge ihrer Lage nicht wesentlich die in Abb.4a dargestellte
Strömung beeinflußt. Ferner ist eine stützende Säule 93 eingesetzt. Wie durch die
gestrichelte Linie ersichtlich, ist die Höhe der Kammer an den Seiten bedeutend
größer als in der Mitte. Durch die Verwendung einer solchen Kammer wird das Wasser,
welches durch das Saugrohr 9o achsial eintritt und eine wirbelnde Komponente haben
kann, um einen rechten Winkel gewendet und bei bedeutend verminderter und annähernd
gleichförmiger Geschwindigkeit in den Unterwasserkanal gebracht. Die Kammer hat
solche Abmessungen, daß sie einen Teil der Geschwindigkeit in Druck umzuformen vermag.