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Wasserturbine für schwankendes Gefälle und wechselnde Wassermenge
In den zur Zeit gebräuchlichen Wasserturbinen der Systeme Francis, Kaplan und ähnlichen
wird das Triebmittel mittels der sogenannten Leitschaufeln (drehbaren Leitschaufeln)
in einer mit der Beaufschlagung wechselnden Richtung dem zwischen Leitapparat und
Laufrad liegenden Spaltraum zugeführt.
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Die Eintrittsgeschwindigkeit des Triebmittels in den Spaltraum (gleich
der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Leitapparat) ändert sich gleichfalls mit der
Beaufschlagung, ist aber außerdem, und zwar in höherem Maße, abhängig vorn Wechsel
des Gefälles. In dem Spaltraum ist das Triebmittel bis zum Eintritt in das Laufrad
sich selbst überlassen, und je nach der Größe und Gestaltung dieses Raumes bewegt
es sich in einem mehr oder weniger ausgesprochenen Drehwirbel, dessen Drehachse
in der Regel mit der Turbinenachse zusammenfällt Und dessen Winkelgeschwindigkeit
sich ändert mit jeder Änderung der Leitapparatstellung und mit jeder Änderung des
Gefälles.
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Bei Turbinen der vorerwähnten Art, die mit festen Laufradschaufeln
ausgerüstet sind, bei denen also die Eintritts- und Austrittswinkel unveränderlich
bleiben, bei denen aber die Richtung und Geschwindigkeit, mit der das Triebmittel
an der Laufradeintrittskante ankommt, mit der Bea:ufschlagung und mit dem Gefälle
sich ändern, entspricht das Eintrittsdiagramm unter der Voraussetzung gleichhl-eibender
Drehzahl nur für eine einzige Leitschaufelstellung und für ein einziges Gefälle
der Bedingung stoßfreien Eintritts; sinngemäß gilt dasselbe auch für das Laufradaustrittsdiagramm.
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Bei Turbinen finit drehbaren Laufradschaufeln (Kaplan-Turbinen) passen
sich durch die Schaufeldrehung deren Eintritts- und Austrittswinkel in gewissen
Grenzen der durch Leitapparatstellung und Gefälle bedingten Fließrichtung an; dies
äußert sich in einem wesentlich günstigeren Verlauf der Wirkungsgradkurven dieser
Turbinen -gegenüber den .entsprechenden Kurven der zuerst genannten Turbinen mit
festen Laufradschaufeln.
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Den beiden betrachteten Turbinenarten, Francis und Kaplan, ist gemeinsam,
daß ihre- Schluckfähigkeit mit dem Gefälle abnimmt.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche Fließmittelbewegung
in dem Raum unmittelbar vor dein Laufrad zu schaffen, daß deren Richtung und Geschwindigkeit
am Laufradeintritt bei wechselnder Beaufschlagung und bei wechselndem Gefälle in
Verbindung mit gleichbleibender Drehzahl gleichbleibende Eintrittsdiagramme verbürgen,
gleichzeitig aber die aus Gründen der Reguliermöglichkeit nötige Änderung der Durchflußlichtweite
des Laufrades durch Veränderung des Laufraddurchmessers, also ohne än-derung der
Laufradeintritts- und -austr ittswinkel, zu bewirken.
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Der Erreichung dieses Zweckes dienen folgende Mittel: Erstens wird
der bislang gebräuchliche stillstehende Leitapparat mit Drehschaufeln verlassen
und ersetzt durch eine Einrichtung, die
dem Triebmittel in dem Raum
vor dem Laufrad durch äußere Kräfte eine Drehbewegung aufzwingt, ähnlich derjenigen,
die bislang durch die Leitschaufeln erzielt wurde, deren Winkelgeschwindigkeit aber
in Abhängigkeit vom Gefälle so geregelt wird, daß die Bedingungen stoßfreien Eintritts
auch bei wechselnder Beaufschlagung und wechselndem Gefälle erfüllt sind.
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Zweitens erfolgt die Anpassung der Schluckfähigkeit an die jeweils
vorhandene Wassermenge nicht mehr durch den Leitapparat, wie bei der Francis-Turbine,
oder durch den Leitapparat und das Laufrad, wie bei der Kaplan-Turbine, sondern
allein durch Veränderung der Durchflußquerschnitte des Laufrades, aber nicht, wie
seither, durch Drehung der Laufradschaufeln um eine Achse, sondern zum Zweck der
Erhaltung möglichst gleichbleibender Winkel durch Schwenkung der Schaufeln vermittels
der zu Kurbeln ausgebildeten Schaufelbolzen. Die Schaufelbolzen der schwenkbaren
Laufradschaufeln stehen dabei nicht senkrecht zur Turbinendrehachse, sondern parallel
zu derselben. Jede Drehung der Schaufelbolzen bewirkt eine Veränderung des Laufraddurchmessers.
Um hierbei die Ein- und Austrittswinkel möglichst unverändert zu erhalten, sind
die Schaufelpunkte p an die Regulierringgpunkte q angelenkt (siehe Abb. 2,).
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Im übrigen zeigen: Abb. i das Schema einer solchen Turbine senkrechter
Anordnung im Schnitt durch das Wellenmittel, Abb. 2 den zugehörigen Grundriß, Abb.
3 den schematischen Einbau einer derartigen Turbine mit Zu- und Ablauf im Schnitt,
Abb. 4 dasselbe im Grundriß. In Abb. i und 2 bezeichnen: a die fest mit dem Fundament
verbundenen Tragringe der Turbine, b die Tragsäulen für die oberen Ringe und für
etwaige senkrechte Lasten durch Bau- und Maschinenteile, c die Turbinenwelle, d
den Laufradboden, e die als Kurbeln ausgebildeten Laufradschauf elbolzen, f die
Laufradschaufeln, g die zur Drehung der Schaufelbolzen bzw. zur Schwenkung der Laufradschaufeln
erforderlichen Zahnritzel, lt den mit Zahnkranz versehenen Regulverring, i Verbindungsglieder
zwischen Laufradschaufeln und Regulierring, die im Zusammenwirken mit den Kurbeln
die zwangläufige Verstellung der Laufradschaufeln parallel mit sich selbst bewirken,
_ , h Wasserführungsring im Anschluß an die Einlaufspirale, L notierende Schaufeln
zur Erzwingung der gewollten Richtung und Geschwindigkeit des Triebmittels, vor
dem Laufrad, m die Hohlwelle zum Antrieb von 1.
In Abb. 3 und q. bezeichnen:
it den Weg der Z'iTasserzuführung, ,c den Weg der Wasserabführung.
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Wird die durch l und in erzwungene Geschwindigkeit beim normalen
Gefälle ebenso groß gemacht, wie sie bei Verwendung des seither gebräuchlichen Leitapparates
sich von selbst ergibt, so würde eine gewisse Normaldrehzahl erreicht werden, zu
deren Erhaltung mit guten Wirkungsgraden bei wechselndem Gefälle eine bestimmte
Änderung der Drehzahl von 1 und in erforderlich ist. Diese Drehzahlvariation
von 1 und m läßt sich leicht erzielen durch Anordnung eines Asynchronmotors
auf der Welle nz, der durch einen auf der Welle c sitzenden Generator angetrieben
wird. Die Drehzahl des Asynchronmotors wird mittels eines Schwimmers entsprechend
dem Gefälle geregelt.
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Geht man mit der durch 1, m erzwungenen Geschwindigkeit über
das im Vorsatz erwähnte Maß hinaus, wird also die Drehzahl von m gegenüber derjenigen
von c durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Generator und. Asynchronmotor
gesteigert, so stellt dies ein Mittel dar, die Drehzahl der Turbine zu steigern.
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Die in der Erfindung gekennzeichneten Einrichtungen haben alsoi die
Eigenschaften eines Gefällsausgleichers und eines Gefällsvermehrers.
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Da die Laufradschaufelbolzen mit dem Laufrad rotieren, üben die Kurbeln
und die Schaufeln selbst in den meisten Betriebsfällen ein Drehmoment auf die Kurbeln
aus; die zum Massenausgleich erforderlichen Gegengewichte sind nicht zur Darstellung
gebracht, desgleichen nicht die Ausgleichgewichte, die dazu dienen, innerhalb des
sich drehenden Systems eine möglichst gleichmäßige Form des Druckdiagramms zu gewährleisten,
das die Kurbeln auf den Regulierring ausüben bzw. das der Servomotor des Reglers
auf den Regulierring ausüben muß.