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Turbine oder Kreiselpumpe, deren Laufrad zwei Kränze drehbarer Schaufeln
trägt Ändert sich bei einer Wasserturbine oder Kreiselpumpe mit festen Laufradschaufeln,die
für eine bestimmte Wassermenge und Gefälle bzw. Förderhöhe gebaut ist, die zu entwickelnde
Leistung, so fällt bekanntlich der Wirkungsgrad beträchtlich. Derselbe ließe sich
aber selbst bei sehr wechselnden Betriebsverhältnissen während des Betriebes auf
nahezu gleicher Höhe halten, wenn man die Laufradschaufeln bei jeder eintretenden
Betriebsänderung durch anders gestaltete Schaufeln ersetzen könnte. Dabei hätte
sich der Ablaufwinkel der Schaufeln um einen anderen Betrag zu ändern wie der Auslaufwinkel.
Nun sind schnellaufende Wasserturbinen und Kreiselpumpen bekannt, deren Laufrad
mit einem Kranze drehbarer Schaufeln versehen ist, die beim Betriebe gleichzeitig
verstellt werden können. Dadurch läßt sich der Abfall des Wirkungsgrades bei Leistungswechsel
wesentlich verringern, keinesfalls aber beseitigen, da dies, wie noch gezeigt wird,
nur möglich wäre, wenn sich bei der Verdrehung der Schaufeln deren Ab- und Auslaufwinkel
um ungleiche Beträge ändern könnte. Das Stellwerk für die Drehschaufeln ist in der
hohlen Laufradnabe untergebracht, was nur bei geringer Schaufelzahl gut auszuführen
ist. Es wurden daher Turbinen und Kreiselpumpen vorgeschlagen, bei welcli.en sich
bloß die Hälfte der Laufradschaufeln während des Betriebes durch ein solches Stellwerk
verstellen läßt, die zweite Hälfte aber feststeht. Die festen Schaufeln wechseln
entweder mit den Drehschaufeln ab oder bilden einen besonderen neben den Drehschaufeln
liegenden zweiten Kranz. Der Wirkungsgrad solcher Turbinen fällt aber bei, Leistungsänderungen
dieser Kreiselmaschinen noch stärker ab wie bei den vorbesprochenen,immerhin aber
noch weniger wie bei Venvendung von Laufrädern mit festen Schaufeln. Es wurdenoch
vorgeschlagen, bei dem varbesprochenen zweikränzigen Laufrade die einen besonderen
Kranz bildenden festen Schaufeln durch Drehschaufeln zu ersetzen, die sich aber
nur während des Betriebsstillstandes verstellen lassen. Man ermöglicht damit, daß
der höchste Wirkungsgrad, je nach Einstellung dieser Schaufeln, bei verschiedenen.
Betriebsverhältnissen erzielt wird. Während des Betriebes verhält sich aber eine
derartige Kreiselmaschine genau «de eine Kreiselmaschine, die ein Laufrad besitzt
mit einem Krame von während des Betriebes zu verstellenden Drehschaufeln und einem
Kranze fester Schaufeln. Im folgenden sind Turbinen und Kreiselpumpen beschrieben,
deren Laufrad ebenfalls zwei Kränze drehbarer Schaufeln trägt, bei denen sich aber
die Schaufeln beider Kränze bei Leistungsänderungen in eigenartiger, Gegenstand
der Erfindung bildender Weise während des Betriebes derart verstellen lassen, daß
man die gleiche Wirkung erzielt, wie wenn das Laufrad dieser Kreiselmaschinen mit
einem Kranre von während des Betriebes austauschbaren Schaufeln versehen wäre, um
dadurch auch bei starken Änderungen der Betriebsverhältnisse den gleichen
hohen
Wirkungsgrad erhalten zu können.
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Abb. i bis 4 veranschaulicht die wesentlichen Teile einer derartigen
Krelselmaschine. Abb. i ist ein Längsschnitt durch das Leit-und Laufrad, Abb.2 ein
Laufradquersehnitt; Abb. 3 .zeigt einen Bestandteil und Abb. ¢ die aufgerollte Mantelfläche
des Leit- und Laufrades und die Stellvorrichtung für die Laufradschaufeln.
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Das Wasser fließt durch ein Leitrad m. mit festen Schaufeln oder auch
-unter Wegfall dieses Rades dem Laufrade zu. Letzteres ist mit zwei nebeneinanderliegenden.
Kränzen von Drehschaufeln c und d versehen. Die Drehzapfen e und
f der Schaufeln sind in dein auf der Antriebswelle a aufgekeilten
Hohlkörper b
zweimal gelagert und tragen die Hebel g bzw. i. Die Hebel
g sind durch Stangen h mit einem Armkreuz k, verbunden, das von einem in der Ausbohrung
der Welle a befindlichen verschiebbaren Rohre o getragen wird. In ähnlicher Weise
sind die Hebel l durch Stangen jmit einem zweiten Armkreuz kd verbunden, das fest
auf einer vom Rohre o umschlossenen, ebenfalls verscläebbaren Spindel iz sitzt.
Rohr und Spindel reichen bis über das Oberwasser und lässen sich dort je durch irgendeine
bekannte Anordnung zwecks Verdrehung der Laufradschaufeln verschieben.
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Daß sich der Wirkungsgrad einer solchen Kreiselmaschine durch die
- den Gegenstand der Erfindung bildende Verstellung der Laufradschaufeln während
des Betriebes auf gleicher Höhe halten läßt, wird durch die folgende Entwicklung
dargetan.
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Es möge vorerst das Verhalten der veranscbaulichten Turbine bei verminderter
Wasserzufuhr festgestellt werden, wenn man ihr zweikränziges Laufrad durch ein Rad
ersetzt, das in bekannter Weise bloß einen Kranz drehbarer Schaufeln besitzt, wo
aber der obere Teil dieser Schaufelt; die gleiche Stellung und Krümmung aufweist
wie die Schaufeln c des neuen Läufrades und der untere Teil genau so gestaltet ist
wie die Schaufelnd des neuen Rades. Das Geschwindigkeitsdreieck 1-2-3 (Abb.4) gibt
die Beziehung zwischen der Umfangsgeschwindigkeit u des Laufrades, der wahren Eintrittsgeschwindigkeit
cl des Wassers am Radumfange und der zugehörigen relativen Eintrittsgeschwindigkeit
w,. In dem Geschwindigkeitsdreieck 4-5-6 ist der Zusammenhang zwischen der Umfangsgeschwindigkeit
u, der wahren Austrittsgeschwindigkeit c2 und der relativen Austrittsgeschwindigkeit
w2 dargestellt. Durch Aufeinanderleg°n dieser beiden Dreiecke erhält man das Geschwdndigkeitsdiagramm
Abb.6. Die Verbindungslinie der beiden Dreiecksspitzen p = cl cos a, stellt bekanntlich
die Kraft dar, mit welcher die am Umfange sekundlich durchfließende Masseneinheit
des Wassers auf die Schaufeln in deren Bewegungsrichtung wirkt, also pu
= ghe die von der Einheit der Wassermasse bei einem Nutzgefälle h, entwikkelte
Leistung. Soll das am Radumfange zugeführte Wasser auch bei wesentlich schwächerer
Beaufschlagung mit unvermindertem Wirkungsgrade arbeiten, so muß auch dann noch
die Einheit der Wassermasse am Radumfange die Leistung pu entwickeln, also trotz
Änderung der Meridiangeschwindigkeit auf die Schaufeln den Druck p ausüben. In Abb.
7 ist in kräftigen Linien das Diagramm verzeichnet, das sich dann ergibt, wenn der
Wasserzufluß etwa auf die Hälfte des ursprünglichen gesunken ist, während das in
schwachen Linien eingezeichnete die Verhältnisse für die ursprünglich aufgenommene
Wassermenge veranschaulicht. Aus Abb. 7 ist zu entnehmen, daß der Wirkungsgrad bei
Abnahme der Wassermenge auf etwa die Hälfte nur dann gleichbleib.en kann, wenn sich
der obere Teil der Schaufel um den Winkel e, der untere Teil. um den wesentlich
kleineren Winkel b verdrehen läßt, was bei derselben Schaufel natürlich nicht möglich
ist. Man müßte also die Schaufeln während des Betriebes gegen anders gestaltete
austauschen, wie eingangs der Beschreibung auch schon angegeben ist, was auch nicht
tunlich ist. Da aber die Wirkung des entlang der Laufradschaufeln strömenden Wassers
vornehmlich von den Ab- und Auslaufwinkeln der Laufradschaufel abhängt, fast gar
nicht von dem Verlaufe der Schaufel zwischen dem obersten und untersten Teil der
Schaufel, falls nur dieser Verlauf keine störenden Wirbelerzeugt, so Mt sich die
Forderung, daß sich bei Ab-
nahme des Wasserzuflusses der Eintrittswinkel
der Schaufel um den Betrag s und der Austrittswinkel um" den Betrag b ändern, erfüllen,
wenn man ein Laufrad mixt zwei Schaufelkränzen gemäß Abb. i bis 4 verwendet und
während des Betriebes die oberen Schaufeln um den Winkele und die unteren um den
Winkel b verdreht. Zweckmäßigerweise wird man die Schaufeln beider Kränze gegeneinander
versetzen, wie in Abb.4 angegeben, und kann dann noch, besserer Wasserführung halber,
die Oberkanten der Schaufelnd noch über die Unterkanten der Schaufeln c hinaufreicheri
lassen.
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Das am Umfange und nahe dem Umfange des Laufrades durchgehende Wasser
verrichtet den größten Teil der von der Turbine entwickelten L@ei!stung: Wenn daher
bei Verstellung der Laufradschaufeln die näher der Achse liegenden Teile der Schaufern
nicht in die für ihre beste Wirkung erforderliche Stellung kommen, so wird-dadurch
der gesamte
Wirkungsgrad doch nur um geringes herabgesetzt, wenn
nur die äußersten Teile der Schaufeln günstig arbeiten.
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Abb. 9 zeigt die Geschwindigkeitsdiagramme einer axialen Kreiselpumpe
mit einem Laufrade, gleich dem der Turbine, welche das Diagramm Abb.7 liefert, und
zwar ebenfalls für die volle und halbe Fördermenge. Das Wasser gelangt unter Wegfall
des Leitrades, also von unten her, parallel zur Radachse, -in das Laufrad. Das in
kräftigen Linien -, erzeichnete Diagramm bezieht sich auf die Förderung der kleineren
Wassermenge, das in schwachen Linien verzeichnete auf Heben der vollen Wassermenge
bei gleichbleibendem Wirkungsgrade. Man entnimmt aus Abb.9, daß die Winkel b und
E, um welche die Schaufeln der beiden Kränze dann zu verdrehen sind, wieder verschieden
sind. Abb. S zeigt noch, um welche Winkel b und s die Laufradschaufeln einer Turbine
nach Abb. i bis ,l verstellt werden sollen, wenn man die Turbine .etwa in einer
anderen Anlage mit größerer Aufschlagswasserm.enge, aber kleinerem Gefälle, bei
unvermindertem Wirkungsgrade verwenden will.
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In Abb. 5 ist eine vereinfachte Ausführung des Stellwerkes für Turbinen
und Kreiselpumpen mit einem zweikränzigen Laufrade dargestellt. Beide Drehschaufeligruppen
des Laufrades werden durch ähnliche Zwischenglieder wie bei dem Laufrade nach Abb.
i bis .l von ein und derselben in der Bohrung der Wellea liegenden verschiebbaren
Spindeln verstellt. Die Hebelg und i haben verschiedene Länge. Die Drehungswinkel
der Schaufeln c und d stehen dann in einem bestimmten Verhältnisse, und kann man
daher den gleichen Wirkungsgrad, streng genominen, bloß für zwei Betriebszustände
erzielen, etwa für die normale und halbe Aufschlagswassermenge u. dgl.
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An Stelle eines axialen Laufrades lassen sich auch radiale Laufräder
mit zwei sich umschließenden Drehschaufelkränzen verwenden, oder mit zwei Drehschaufelkränzen,
von denen der eine vom Wai;ser in axialer Richtung, der andere in radialer Richtung
durchflossen wird.
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Auch bei Kreiselgebläsen kann man Laufräder verwenden, die zwei Kränze
von während des Betriebes zu verstellenden Drehschaufeln tragen, um den Wirkungsgrad
des Gebläses bei wechselnden Betriebsverhältnissen auf gleicher Höhe zu erhalten.