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Wasserturbine mit Gleichdruckwirkung und achsrechtem Durchfluß des
Wassers am ganzen Laufradumfang Es ist bekannt, daß bei Wasserturbinen das Gebiet
der spezifischen Drehzahlen von etwa 4o bis 8o weder mit Freistrahlturbinen noch
mit Francisturbinen in befriedigender Weise beherrscht werden kann. Diese Lücke
wurde schon früher durch besondere Turbinenkonstruktionen auszufüllen versucht.
Erinnert sei an die Wirbelstrahlturbine -und verschiedene Gleichdruckturbinen mit
Spaltschieber oder einem dem übrigen Leitrad gegenüber in achsrechter Richtung verschiebbaren
Leitradkranz.
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Die torliegende Erfindung dient demselben Zwecke. Sie löst die Aufgabe
dadurch, daß sie eine Wasserturbine mit Gleichdruckwirkung und achsrechtem Durchfluß
des Wassers am ganzen Laufradumfang mit einem Leitrage ausrüstet, bei dem der Wasserdurchfluß
aus rein achsrechter Richtung über eine achsrecht-innenachssenkrechte wieder in
eine rein achsrechte auf größeren Durchmesser übergeht und bei dem der innere, kegelig
gestaltete Leitradkranz, getrennt vom übrigen Leitrad ausgeführt, mit Hilfe einer
mit ihm z. B. aus einem Stück bestehenden Führungshülse über die innen zylindrisch
begrenzten und frei stehenden Leitschaufeln hinstreichend achsrecht beweglich und
in an sich bekannter "'eise zum Ausgleich des achsrechten Wasserdruckes auf den
inneren Leitradkranz am anderen Ende der Führungshülse mit einem Gegenkolben ausgerüstet
ist. In weiterer Ausbildung einer Wasserturbine mit diesen Merkmalen gemäß der Erfindung
wird sodann noch der im Durchmesser größer als der innere Leitradkranz gewählte
Gegenkolben zur Steuerung der achsrechten Beweglichkeit des ersteren in der Weise
benützt, daß dem vom Turbinengehäuse aus mit zunehmender Beaufschlagung abnehmend
sich einstellenden Wasserdruck auf den inneren Leitradkranz ein mittels Drosseleinrichtung
abgestufter Wasserdruck ebenfalls aus dem Gehäuse auf den Gegenkolben entgegengesetzt
wird, wobei die künstliche Abstufung des Druckes mittels Steuerdorn entweder durch
Handeinstellung oder Reglerbeeinflussung erzielt wird.
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Eine Wasserturbine mit den Merkmalen gemäß der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen Längsschnitt, Abb. z die Abwicklung
eines Zylinderschnittes durch das Leit- und Laufrad. Das Wasser wird dem Turbinengehäuse
5 von unten her durch einen Anschlußstutzen zugeführt. Vom Gehäuse 5 aus strömt
es am ganzen Umfang durch einen ringförmigen Hals 8 in achsrechter Richtung dem
Leitrage zu. Der äußere Leitradkranz 2 führt vom Hals 8 weg aus achsrecht-innenachssenkrechter
Entwicklung über in rein achsrechte, während der innere Leitradkranz 3 rein kegelig
gestaltet ist, also achsrecht-innenachssenkrechte Entwicklung zeigt.
Der
innere Leitradkranz 3 ist mit der Führungshülse i. aus einem Stück hergestellt oder
sonst mit ihr verbunden und kann, da letztere durch den Mantel 5' des Gehäuses 5
geführt wird, zum Zwecke der Turbinenreglung in achsrechter Richtung verschoben
werden.
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Die Hauptleitschaufeln i und die Hilfsleitschaufeln i' und i" (Abb.
2) sind im äußeren Leitradkranze 2 eingegossen oder eingeschweißt (Abb. r). Nach
innen sind sie frei stehend und nach einer Zylinderfläche vom Durchmesser gleich
dem Außendurchmesser des inneren Leitradkranzes 3 gestaltet. Dieser kann also bei
seiner achsrechten Regelbewegung über die frei stehenden Leitschaufeln i, i', i"
hinstreichen. Dabei wird das Betriebswasser der Turbine einer drosselnden Wirkung
zwischen den Leitradkränzen 2 und 3 ausgesetzt, die ähnlich ist der zwischen Nudel
und Düse bei Freistrahlturbinen.
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Gleichzeitig ist aber das Wasser dem führenden Einfluß der Leitschaufeln
i, i', i" ausgesetzt, wodurch die Umfangskomponente, der Umfangsteil der Geschwindigkeit
-am Leitradaustritt erzwungen wird. Als Ergebnis der Zusammenwirkung von Leitradkränzen
und Leitschaufeln kommt so die verlangte schraubenförmige Bewegung des
w
assers am Leitradaustritt zustande.
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Mit abnehmender Beaufschlagung wird die Lichtweite zwischen den Leitradkränzen
2 und 3 immer geringer, und damit tritt nun der gleichzeitig führende Einfluß der
Hauptleitschaufeln i, wenn diese allein vorhanden gedacht werden, mehr *und mehr
in den Hintergrund. Um diesen Einfluß zur Erzeugung des Umfangsteiles der Leitradgeschwindigk,it
auch jetzt noch sicherzustellen, sind die Hilfschaufeln i' und i" zwischen den Anfängen
der Hauptschaufeln i angeordnet. Die führende Wirkung der Hilfschaufeln kann inan
dadurch noch weitreichender gestalten, daß sie etwas länger ausgeführt werden, wie
bei der Hilfschaufel i" in Abb. 2 strichpunktiert angedeutet ist. Statt zwei Hilfschaufeln
können natürlich auch drei und mehr vorgesehen werden.
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Die über das Ende der Hauptschaufeln i hinausragende zylindrische
Fortsetzung des äußeren Leitradkranzes 2 dient dazu, auf die Bewegung des Wassers
ausgleichend- zu wirken, das durch den Umfangsteil seiner Geschwindigkeit der Fliehkraft
ausgesetzt ist und daher stark nach außen drängt. Infolgedessen werden auch die
aus den einzelnen Leitkanälen kommenden Wasserstrahlen hinter den Leitschaufeln
i sofort zu einem geschlossenen Wasserkörper sich vereinigen. Das Wasser strömt
nun als ringzylindrischer, in flacher, d. h. geringe Steigung zeigender Schraubenbewegung
befindlicher Körper dem Laufrade 9 entgegen. Die Stärke des Ringzylinders aus Wasser
nimmt mit abnehmender Beaufschlagung ab, sein Innendurchmesser Wird größer.
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In Ergänzung der Einleitung muß hier beinerkt werden, daß die dort
erwähnten Turbinen, deren eine auch einen Leitradkranz zeigt, der unabhängig vom
übrigen Leitrad achsrecht verschiebbar angeordnet ist, in ihrer Wirkung mit der
des vorliegenden Erfindungsgegenstandes nicht verglichen werden können. Abgesehen
von dem grundsätzlich andersgestalteten Aufbau des Leitrades aller dieser Turbinen
-ist deren Wirkung deshalb unvollkommen, weil die Leitschaufeln bei geschlossenem
Leitrad innerhalb der beiden schließenden Leitradkränze im Bereiche des Druckwassers
liegen, wo die Strömungsgeschwindigkeit mit abnehmender Beaufschlagung immer kleiner
und schließlich gleich Null wird. Die Leitschäufeln können daher ihren führenden
Einfluß auf das Wasser um so weniger geltend machen, je kleiner die Beaufschlagung
ist. Das Wasser tritt dann nicht mehr in Richtung der Leitschaufelenden aus dem
Leitrad aus, sondern in mehr oder weniger meridionaler Richtung. Der Umfangsteil
der Leitradgeschwindigkeit schrumpft mehr und mehr zusammen.
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Ganz anders ist das bei den Leitschaufeln der vorliegenden Erfindung.
Sie liegen bei geschlossenem Leitrad vollständig außerhalb des Druckwasserraumes,
und durch die Anordnung der Hilfschaufeln i', i" ist auch bei kleinen Beaufschlagungen
dafür gesorgt, daß der Umfangsteil der Leitradgeschwindigkeit voll entwickelt wird.
Auch der letzte dünne Wässerschleier, der zwischen den schließenden Leitradkränzen
noch austritt, wird durch die Leitschaufeln i, i', i" richtig geleitet und in der
vorgeschriebenen Weise geführt. Dieser Umstand läßt es wohl möglich erscheinen,
daß eine Turbine gemäß der Erfindung auch im Gebiet der niedersten spezifischen
Drehzahlen der Francisturbine, also von 8o bis etwa ioo bei kleinen Beaufschlagungen
höhere Wirkungsgrade ergibt als die Francisturbine.
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Schon im Halse 8 wird das Wasser eine schraubenförmige Bewegung anzunehmen
bestrebt sein, so daß ein verhältnismäßig großer Teil des Druckes (Gefälle) hier
bereits in Geschwindigkeit umgesetzt ist. Dieses Bestreben einer Wirbelbildung vor
dem Leitradkranz 3 nimmt naturgemäß mit der Beaufschlagung zu, und man erkennt,
daß nur bei geschlossenem Leitrad der volle Druck des Wassers auf den Leitradkranz
3 wirkt, diesen in achsrechter Richtung belastend. je größer die Beaufschlagung,
desto kleiner ist der noch
auf den Leitradkranz 3 einwirkende achsrecht@
Druck, weil der bereits in Geschwindigkeit unigesetzte Teil des Gefälles im Halse
8 und vor dein Kranze 3 immer größer @c i rd. .
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Zur Aufnahme dieses achsrechten Druckes auf den Leitradkranz 3 ist
am freien Ende der Führungshülse .4 ein Gegenkolben 6 angesetzt und verschraubt.
Dieser an sich bekannte Gegenkolben 6 wird im Zylinder 7 ge-@ührt und erhält durch
die kleine Bohrung io und die größere Bohrung i i den Druck des Wasst-s im Gehäuse
5. Der Außendurchmesser des Gegenkolbens 6 ist etwas größer als der des Leitradkranzes
3, um mit Sicherheit den Abschluß des letzteren gegenüber dem Anfang des äußeren
Leitradkranzes 2 am Halse 8 herbeiführen zu können.
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Der mittels Handrad 14 einstellbare Steuerdorn 13 drosselt die Bohrung
12 mehr oder weniger ab, und das durch die Dross;elstelie strcinende Wasser nimmt
über die Leitung 15 den Weg ins Freie. Schließt der Steuerdorn 13 die Bohrung 12
vollständig ab, dann wirkt der volle Druck des Wassers auf den Gegenkolben 6, das
Leitrad wird geschlossen. je mehr der Steuerdorn 13 die Bohrung 12 freigibt, desto
geringer wird der Druck auf den Gegenkolben 6, weil die kleine Bohrung io das durch
die Drosselstelle abfließende Wasser nicht rasch genug ersetzen kann. Der Druck
auf den inneren Leitradkranz 3 wird also die Überhand gewinnen, das ganze System
3, -., 6 beginnt nach links auszuweichen, das Leitrad wirdgeöffnet. Dieses Ausweichen
hält so lange an, bis infolge der zunehmenden Wirbelströmung vor dein Leitradkranz
3 der Druck auf diesen in dein ',\ilaße abgenommen hat, daß wieder Gleichgewicht
zwischen dein Druck auf den Leitradkranz 3 und dem auf den Gegenkolben Ü eingetreten
ist.
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Durch Abstufung des Wasserdruckes auf den Gegenkolben 6 ist also eine
Regelung der Turbine möglich, und man erkennt, daß jeder Stellung des Leitradkranzes
3, d. h. jeder Beaufschlagung der Turbine, eine ganz bestimmte Stellung des Steuerdornes
13, also eine ganz bestimmte Stufe des Druckes auf den Kolben 6 entspricht.
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Wenn man den Steuerdorn 13 dem Einfluß einer Reglung mittels Fliehkraftpendel
oder Ölkreislauf einer von der Turbine angetriebenen Zahnradpumpe unterstellt, dann
ist ohne weiteres selbsttätige Reglung gegeben.
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Zur Sicherung des Systems 3, 4, 6 gegen Drehung ist am Gegenkolben
6 ein Führungstuminel 17 eingesetzt und verstiftet, der in einer passenden Bohrung
des Deckels i9 diesen durchdringt. An dem Teil des Stummels 17, der über den Deckel
i9 vorspringt, läßt sich die jeweilige Öffnung des Leitrades rkennen.
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Verlängert man den Stummel 17 und v er-@iebt das freie Ende mit Gewinde,
so bann finit Hilfe des Handrades 16 (das in seiner Nabe das Muttergewinde trägt)
und zugehöriger Lagerung das Leitrad in jeder Stellung unverrückbar festgestellt
werden, was unter Umständen bei Stillstand der Turbine und geschlossenem Einlaßorgan
wünschenswert sein kann. Soll der Betrieb der Turbine dann wieder aufgenommen und
mittels Reglung durch die Drosseleinrichtung 12, 13, 14., 15 geführt werden, dann
ist nur in bekannter Weise dafür zu-sorgen, daß der Eingriff des Muttergewindes
am Handrad 16 in das Gewinde des Stummels 17 aufgehoben oder achsrechte Beweglichkeit
des. Handrades 16 eingeschaltet wird.
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Wenn aus irgendeinem Grunde (z. B. bei stark verunreinigtem Wasser)
ein Betrieb mittels Reglung durch- die Drosseleinrichtung 12, 13, 14, 15 nicht empfehlenswert
oder unmöglich sein sollte, kann Reglung durch einen Öldruckregler eingerichtet
werden, der am Führungsturnmel 17 angreift. Der Kolben 6 dient dann lediglich als
druckausgleichender Gegenkolben. Das Handrad 16 mit seiner Lagerung kommt in Wegfall,
weil der Öl-
druckregler selbst mit Feststelleinrichtung von Hand versehen
ist.
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Der Gehäuseteil 18, an dein der äußere Leitradkranz 2 mit dem Gehäuse
5 befestigt ist, kann wie bei Francisturbinen als Saugrohrkrümmer ausgebildet sein,
-wie die Turbine überhaupt ausgestaltet und verwendet werden kann wie eine Francisturbine.
Z. B. kann das gleichachsig zum Leitrad entwickelte Gehäuse 5 durch ein Spiralgehäuse
ersetzt werden. Oder Arbeiten mit Sauggefälle, also Aufstellen der Turbine über
dem Unterwasser ist möglich. Man wird in diesem Falle nur für Belüftung des Laufrades
sorgen müssen, damit die nicht vom Wasser durchströmten Teile der Laufradkanäle
.sich nicht mit totem Wa§ser füllen können. Diese Maßnahme hat sich auch bei Francisturbinen,
die viel mit kleiner Beaufschlagung arbeiten, gut bewährt.
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Der Wirkungsgrad des Saugrohres wird durch die Belüftung natürlich
eine gewisse Minderung erfahren, was aber beim Vergleich mit den erzielten Vorteilen
ohne Bedeutung erscheint.
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Die Belüftung erfolgt durch ein Ventil, das auf dein Deckel i9 sitzt
und nötigenfalls so eingerichtet ist, daß die zugeführte Luftmenge der Beaufschlagung
angepaßt ist, also mit der Beaufschlagung zunimmt. Man wird das Luftventil zu diesem
Zweck in geeigneter Weise an die Reglung anschließen.