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Hochdruckwasserkreiselmaschine Bei Wasserturbinen können die höchsten
technisch vorkommenden Fallhöhen auch bei verhältnismäßig kleinen Wassermengen in
einem einzigen Laufrade mit gutem Wirkungsgrad verarbeitet werden. Das in diesen
Fällen verwendete Peltonradläßt eine außerordentlich weite Anpassung an die jeweils
vorliegenden Verhältnisse zu. Bei Pumpen war eine ähnlich weitgehende Anpassung
bisher nicht möglich.
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Es ist schon versucht worden, die Flüssigkeit einem Laufrade mehrfach
durch Umführungskanäle zuzuführen. Dabei wurde es für notwendig angesehen, die so
entstehenden Stufen durch feste, beiderseits bis dicht an die Laufradschaufeln reichende
Wände zu trennen. Die erwartete Rückströmung am Laufrad suchte man meist dadurch
zu verhindern, daß an der Trennwand mindestens eine Laufradzelle durch eine feste
Schürze völlig verschlossen wurde. Die durch die Verzögerung und nachfolgende Beschleunigung
der Flüssigkeit in der an der Trennwand vorüberlaufenden Laufradzelle entstehenden
Verluste sind seht groß. Außerdem wird die Stufenzahl bei der Herstellung durch
die bis dicht an das Laufrad reichenden Wände festgelegt, so daß die Maschine im
Betriebe nicht mehr an stark wechselnde Druckhöhen angepaßt werden kann.
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' Bei kleinen Ausführungen ist auch versucht worden, das Laufrad mit
seinen Schaufeln nur in einem ringförmigen Kanal ohne Trennwände oder Leitschaufeln
umlaufen zu lassen., Dabei soll - unter dem Einfluß des Druckanstiegs in dem Ringkanal
eine Strömung nach Art einer Schraube, die zu einem Ring gebogen ist, zustande kommen,
wie es in Fig. r 'schematisch dargestellt ist. Ein starker Druckanstieg zwischen
dem Druckstutzen b und dem Saugstutzen c des Gehäuses wird-eine starke Ablenkung
und Verzögerung der am äußeren Umfang des Pumpenrades mit hoher Geschwindigkeit
in der Umlaufrichtung austretenden Flüssigkeit bewirken, so däß die Steigung der
Schraubenströmung klein ist. Die Flüssigkeit wird also das Rad in vielen Stufen
durchströmen. Bei geringem Druckanstieg wird die Ablenkung gering, also die Steigung
der Schraubenströmung groß und die Stufenzahl klein sein. Durch die Fortlassung
der Leitschaufeln ist also erreicht worden, daß sich die Stufenzahl der Maschine
im Betriebe den wechselnden Bedürfnissen anpassen kann. Die Wirkungsgrade derartiger
Maschinen sind aber sehr gering, weil der Energieaustausch zwischen Flüssigkeit
und Rad in den äußeren Stromfäden der Schraubenströmung wesentlich größer ist als
in den inneren Stromfäden. Im Kern der Schraube wird sogar eine Rückströmung vom
Druckstutzen zum Saugstutzen der Pumpe eintreten.
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Um diese Verluste zu vermeiden, ist bei der in Fig. 2 dargestellten
Maschine ein fester Kernring k in dem unbeschaufelten Umlenkraum e angeordnet. Das
Laufrad a ist mit der Welle fest verbunden. b stellt den Druckstutzen,
c
den Saugstutzen der Maschine dar. d ist ein Sperrstück, das eng an die Laufradschaufeln
anschließt und verhindert, daß Flüssigkeit vom Druckstutzen zum Saugstutzen gelangt,
ohne durch den Arbeitskreislauf der Maschine gegangen zu sein. Die gleichen Bezeichnungen
sind in dem perspektivischen Schema von Fig. i verwendet.
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In Fig. 3 ist eine gleichartige Maschine dargestellt, die für größere
Druckunterschiede bei verhältnismäßig kleineren Flüssigkeitsmengen bestimmt ist.
Die Bezeichnungen stimmen mit denen in Fig. 2 überein. Jedoch sind in dem Umlenkraum
e drehbare Leitschaufeln f und feste Leitschaufeln g zur besseren Regulierung angebracht.
Der Kernring k besteht in Fig. 2 und 3 teils aus einem mit dem Maschinengehäuse
fest verbundenen Ring, teils aus dem äußeren Radkranz des Laufrades. Durch ihn wird
der durchströmte Hohlraum zu einem verhältnismäßig schmalen Hohlring zusammengedrängt,
der durch das Laufrad a und den Umlenkraum (Leitkanal) e gebildet wird. Der Unterschied
des Energieaustausches zwischen den äußeren und den inneren Stromfäden der Schraubenströmung
bleibt deshalb so gering, daß er durch geeignete Formgebung der Laufradschaufeln
ausgeglichen werden kann. Eine Rückströmung der Flüssigkeit im Kern der Schraube
wird völlig verhindert. Gleichzeitig wird durch den Verzicht auf eine Schaufelung
im Umlenkraum nach Fig.2 erreicht, daß die Flüssigkeit je nach dem für den Betrieb
im Augenblick erforderlichen Druckunterschied zwischen Saug- und Druckstutzen mehr
oder weniger oft dem Laufrad zugeführt wird, ohne an eine durch die Konstruktion
festgelegte Stufenzahl gebunden zu sein. Das Laufrad wird fast am ganzen Umfang
nahezu gleichmäßig beaufschlagt. Nur das Sperrstück d unterbricht den gleichmäßigen
Kreislauf. Der ständige Druckanstieg vom Saugzum Druckstutzen im Leitkanal wird
allerdings die Flüssigkeit nicht immer gerade so ablenken, daß sowohl die im Augenblick
,erforderliche Stufenzahl als auch die für den stoßfreien Wiedereintritt in das
Laufrad erforderliche Anströmrichtung erreicht wird. Zur Lösung der zweiten Aufgabe
können in dem Umlenkraum e außer einem ausreichenden schaufellosen kaum noch drehbare
Leitschaufeln f und, wenn nötig, auch feste Leitschaufeln g angebracht werden. Solche
Maschinen können als Pumpe oder als Turbine benutzt werden. Beim Pumpenbetrieb tritt
das Wasser' durch den Saugstutzen c in das Laufrad a ein, durch das es nach
außen- in den Leitkanal e geschleudert wird. Hier wird ein Teil der in der Umlaufrichtung
schräg nach vorn gerichteten Austrittsgeschwindigkeit in Druck umgesetzt und die
Strömungsrichtung so weit umgekehrt, daß das Wasser dicht neben dem Saugstutzen
c wieder in das Laufrad eintritt. Aus der schematischen Skizze Fig. i ist ersichtlich,
wie sich dieser Kreislauf um den Kernring herum wiederholt, bis das Wasser durch
den Druckstutzen b aus der Pumpe ausgestoßen wird. Das Laufrad muß sich dabei in
der Richtung des Pfeiles in. Fig. i drehen. Um dieselbe Maschine als Turbine benutzen
zu können, müssen Drehrichtung und Stromrichtung umgekehrt werden.
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Wegen der großen Anpassungsfähigkeit an wechselnde Druckunterschiede
eignen sich Maschinen von der gekennzeichneten Art für Speicherkraftwerke, wo sie
abwechselnd als Speicherpumpe mit einem um die Rohrleitungsverluste vergrößerten
Gegendruck und als Turbine mit einer um dieselbe Größe verringerten Fallhöhe bei
umgekehrter Drehrichtung arbeiten können. Die getrennte Aufstellung von Speicherpumpe
und Turbine nebeneinander, wie sie jetzt üblich ist, wird dadurch überflüssig.