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Wasserkraftmaschine mit spiraligem Leitgehäuse und Beaufschlagung
des Laufrads durch einen konzentrischen Strahl kreisringförmigen Querschnitts Gegenstand
der Erfindung ist eine Wasserkraftmaschine von besonderer Bauart und Wirkungsweise,
die in erster Linie berufen erscheint, die Lücke zwischen den spezifischen Drehzahlen
der schnellst laufenden Freistrahlturbinen und langsamst laufenden Preßstrahlturbinen
auszufüllen.
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Es sind bereits Turbinen mit spiraligem Leitgehäuse bekannt, bei denen
das Laufrad durch einen mit demselben achsgleichen Wasserstrahl von kreisringförmigem
Querschnitt beaufschlagt wird. Bei diesen Turbinen wird der Strahl jedoch in jedem
Falle zwischen einer äußeren und inneren Begrenzungswand gebildet, sei es nun, daß
ein Düsenkörper mit kreisringförmigem Spalt angeordnet ist oder daß das Laufrad
mit einem in die in einem Spiralgehäuse kreisende Wassermasse hineinragenden kegelförmigen
Ansatz die innere 'Begrenzungsfläche bildet. In letzterem Falle dient eine schraubenförmige
Ausbildung der dem Laufrad gegenüberliegenden Bodenfläche des Spiralgehäuses zur
Beeinflussung des Wasseraustritts. Die Anordnung von Laufrädern zu beiden Seiten
des Gehäuses ist hierbei nicht möglich.
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Den bekannten Ausführungen gegenüber besteht nun das Wesen der Erfindung
darin, daß in der einen oder in beiden Seitenwänden des Gehäuses konzentrische Kreisöffnungen
der Art vorgesehen sind, daß der Ringstrahl durch überlauf der im Gehäuse kreisenden
Wassermasse mit freier innerer Oberfläche über diese Öffnungen gebildet wird.
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Das Wesentlichste der sich daraus ergebenden Wirkung besteht darin,
daß sich die Wandstärke des Ringstrahles der jeweilig zugeführten Wassermenge entsprechend
durch Durchmesserveränderung der inneren freien Oberfläche selbsttätig einstellt,
wobei alle Komponenten der Wassergeschwindigkeit im wesentlichen ungeändert bleiben,
demnach auch der Wirkungsgrad bei verschiedenen Wassermengen wenig schwankt.
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Die Turbine zeichnet sich ferner durch geringe Wasserreibungsverluste
und einfache Regelmöglichkeit aus. Schließlich besteht einfachste Ausführungsmöglichkeit
von Doppelrädern mit Ausgleich des Axialschubes und doppelter Schluckfähigkeit.
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In der Zeichnung ist die Wirbelstrahlbildung in Abb. i im Längsschnitt
und in Abb. z im Axialschnitt durch das Gehäuse schematisch dargestellt. Die Abb.
3 und q. zeigen schematisch zwei verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
in seinen Hauptteilen.
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Das Gehäuse (Abb. i und z) besteht aus den beiden ebenen Seitenwänden
i und z und dem spiralförmigen Mantel 3. Durch den Stutzen q. wird das Betriebswasser
tangential eingeführt. Das Wasser wird durch den Mante13 im Kreis herumgelenkt und
bekommt dort, wo der Druck Null ist, also wo es mit der Luft in unmittelbarer Berührung
steht,
die dem Gefälle ,entsprechende Geschwindigkeit C.
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Das im Gehäuse kreisende Wasser befolgt die Gesetze eines echten Strudels,,
d. h. in jedem Punkt ist das Produkt v # C,t auls Achsabstand und Umfangsgeschwindigkeit
konstant. Es ist daher ein bestimmter kleinster Achsabstand vorhanden, innerhalb
dessen kein Wasser fließt. Der innere zylindrische Raum ist also wasserleer.
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Durch das stetig nachströmende Wasser wird der Innendurchmesser des
Wirbelringes immer kleiner, bis @er dem Durchmesser des Kreisausschnitts 5 in der
Seitenwand 2 gleich wird. Das Wasser fließt nun über die Kante des Austrittskreises
mit der Tangentialgesehwindigkeit c" unter einer gleichzeitigen Axialgeschwindigkeit
c" in einem Kreisringquerschnitt ab. Die einzelnen Stromfäden sind also in der Ansicht
nach Abb. i tangential zum Umfang des Austrittskreises und in der Ansicht nach Abb.
2 unter .einem Winkel a zur Seitenwand 2 gerichtet. Sie bilden in ihrer Gesamtheit
ein einschaliges Hyperboloid, dessen Asymptoten den Winkel 2 a einschließen.
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Durch die Anordnung nach vorliegender Erfindung wird daher ein Wirbelstrahl
erzeugt, dessen einzelne Stromfäden, abgesehen von der Formänderung durch die Schwerkraftwirkung,
gerade Linien darstellen, die alle unter demselben Winkel a zur Ebene des Austrittsquerschnitts
geneigt sind, wobei deren Geschwindigkeit der um die geringen Widerstandsverluste
verminderten Gefällsgeschwindigkeit j ä gH gleich ist.
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Achsengleich. mit der Austrittsöffnung 5 steht das Laufrad 7 (Abb.
3), deseen Schaufeln der Vollheaufschlagung halber, die in der beschriebenen Richtung
erfolgt, besonders, geformt sind.
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Abb.4 zeigt .eine besondere Ausführungsform, bei der beide Seitenwände
i und 2 des Spiralgehäuses Kreisausschnitte besitzen. Vor jedem Ausschnitt ist ein
Laufrad 7 bzw. 8
angeordnet. Neben der doppelt so großen Schluckfähigkeit
bietet diese Anordnung den Vorteil, daß die Achsschübe auf beide Laufräder sich
ausgleichen.
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Der vom Laufrad abgehende Wasserkörper nimmt bei verschiedenen Betriebszuständen
folgende besondere kennzeichnende Formen an: i. Leerlauf: Der Abwasserkörper behält
seine hyperboloide Form, als ob gar kein Laufrad vorhanden wäre.
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2. Laufrad festgebremst: Der durch die feststehenden Laufschaufeln
umgelenkte Wirbelstrahl bildet einen gegen früher spiegelverkehrten, durch die Schaufeln
unterteilten Körper.
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3. Entsprechende Drehzahl: Der Wirbelstrahl wird durch die Laufradschaufeln
in seinen einzelnen Elementen in die Achserrichtung abgelenkt und verläßt das Laufrad
als ein träger, in der Achserrichtung abgehender Wasserzopf, der deutlich nach der
einen oder anderen Richtung gewunden -erscheint, sobald die entsprechende Drehzahl
über-oder unterschritten wird.
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Die Regelung der Wassermenge erfolgt durch Querschnittsverengung des.
Zuflußstutzens 4 (Nadeldüse usw.). Hierdurch wird die beaufschlagende Wassermenge
Q und die axiale Austrittsgeschwindigkeit c" geändert, w ,ährend die absolute Austrittsgeschwindigkeit
c urgeändert bleibt. Die Wandstärke des Wirbelstrahls, wird kleiner und der Austrittswinkel
a der Stromfäden spitzer, wo; durch bei entsprechender Schaufelform der Wirkungsgrad
bei sinkender Wassermenge günstiger wird. Die Wasserkräftma:schine kann mit waagerechter
oder mit lotrechter Achse gebaut werden. Statt eines Einströmstutzens 4 können auch
mehrere im Kreis versetzte Einströmstutzen angeordnet sein. Der Austritt aus dem
Gehäuse kann fernerhin nicht nur, wie in Abb. z- und 2 gezeichnet, an der Breitseite
desselben stattfinden, sondern auch in .einem- Schlitz an der Stirnseite erfolgen.-
Auch kann das Laufrad so angeordnet sein, daß seine Schaufeln nicht, wie in Abb.
4, axial beaufschlagt, sondern im Wesen radial durchströmt werden.
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Ohne aus dem Rahmen der Erfindung- zu treten, läßt sich der Erfindungsgegenstand
bzw. die Bildung des Ringwirbels auch in anderer Art als in den Zeichnungen dargestellt
:erreichen. So -kann z. B. der Wirbel in einer in größerer Entfernung vom Laufrad
befindlichen Spiralführung erzeugt und in einer zweckmäßig profilierten Rohrleitung
zum Laufrad weitergeleitet werden, das dann 'nicht mehr als Freistrahllaufrad arbeitet,
sondern als Laufrad einer Überdruckturbine mit Saugrohr.