DE616763C - Wasserturbine mit Gleichdruckwirkung und achsrechtem Durchfluss des Wassers am ganzen Laufradumfang - Google Patents

Wasserturbine mit Gleichdruckwirkung und achsrechtem Durchfluss des Wassers am ganzen Laufradumfang

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DE616763C
DE616763C DEH136672D DEH0136672D DE616763C DE 616763 C DE616763 C DE 616763C DE H136672 D DEH136672 D DE H136672D DE H0136672 D DEH0136672 D DE H0136672D DE 616763 C DE616763 C DE 616763C
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B1/00Engines of impulse type, i.e. turbines with jets of high-velocity liquid impinging on blades or like rotors, e.g. Pelton wheels; Parts or details peculiar thereto
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. .
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Wirkungsgrad des Saugrohres wird durch die Belüftung natürlich eine gewisse Minderung erfahren, was aber beim Vergleich mit den erzielten Vorteilen ohne Bedeutung erscheint.
  • 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wasserturbine mit Gleichdruckwirkung und achsrechtem Durchfluß des Wassers am ganzen Laufradumfang, gekennzeichnet durch ein Leitrad (i, i', i", 2, 3), bei dem der Wasserdurchfluß aus rein achsrechter Richtung über eine achsrecht-innenachssenkrechte wieder in eine rein achsrechte auf größeren Durchmesser übergeht urid bei dem der innere, kegelig gestaltete Leitradkranz (3), getrennt vom übrigen Leitrad (i, i', 1", 2) ausgeführt, mit Hilfe einer mit ihm z. B. aus einem Stück bestehenden Führungshülse (q.) über die innen zylindrisch begrenzten und frei stehenden Leitschaufeln (i, i', i") hinstreichend achsrecht beweglich und in an sich bekannter Weise zum Ausgleich des achsrechten Wasserdruckes auf den inneren Leitradkranz (3) am anderen Ende der Führungshülse (q.) mit einem Gegenkolben (6) ausgerüstet ist.
  2. 2. Wasserturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der im Durchmesser entsprechend größer als der innere Leitradkranz (3) gewählte Gegenkolben (6) zur Steuerung der achsrechten Beweglichkeit des ersteren in der Weise benützt wird, daß dem vom Turbinengehäuse (5) aus mit zunehmender Beaufschlagung abnehmend sich einstellenden Wasserdruck auf den inneren Leitradkranz (3) ein mittels Drosseleinrichtung (12, 13, 1q., 15) künstlich abgestufter Wasserdruck ebenfalls aus dem Gehäuse (5) auf den Gegenkolben (6) entgegengesetzt wird, wobei die künstliche Abstufung des Druckes mittels Steuerdorn (13) entweder durch Handeinstellung oder Reglerbeeinflussung erzielt wird.
DEH136672D 1933-06-27 1933-06-27 Wasserturbine mit Gleichdruckwirkung und achsrechtem Durchfluss des Wassers am ganzen Laufradumfang Expired DE616763C (de)

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