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Wasserturbine Bei den gegenwärtig gebräuchlichen Wasserturbinen wird
der Druck des Wassers in einer einzigem Arbeitsstufe abgegeben (Pelton-Francis-Kaplan
Turbinen), dagegen sind zwei- und mehrstufige Dampfturbinen bekannt. Die Druckabgabe
des Wassers in nur einer Arbeitsstufe kann nicht vollkommen sein, da bei keiner
der genannten Turbinengruppen der Wasserstrahl um genau z8o° gewendet werden kann,
was jedoch theoretisch für die restlose DruckabgabeVoraussetzung ist. Die höchste
Strahlwendung mit i65°, im allergünstigsten! Fall, hat noch die Peltons.chaufel,
jedoch ist der Wasserweg im rotierenden Laufrad zu kurz, um dem beaufschlagenden
Wasserstrahl auch die letzte Energie zu nehmen. Hinzu kommt weiter bei allen Turbinen,
daß ihre konstante Umfangsgeschwindigkeit zwingende Voraussetzung zur Erzielung
eines günstigen Wirkungsgrades ist. Ändert sich die Umfangsgeschwindigkeit bei.
Be, und. Entlastung des Laufrades, was im Kraftwerksbetrieb sehr häufig vorkommt,
so ändert sich auch bei der theoretisch einwandfreiesten Turbinenschaufel sofort
der Auftreffwinkel der Wasserteilchen auf die letztere in ungünstiger Weise, so
daß bei niedrigerer oder höherer Umfangsgeschwindigkeit des, Laufrades der Wirkungsgrad
der Turbine -sofort absinkt und durch Wasserregelung wieder eine Neueinregelung
der konstanten Umfangsgeschwindigkeit 'vorgenommen werden muß. Hierzu sind oft komplizierte
Reguliereinrichtungen nötig. Der gleichbleibende Wirkungsgrad verlangt also bei
allen heutigen Turbinengruppen eine gleichbleibende Umlaufgeschwindigkeit der Turbinenschaufel.
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Bei der nachstehend beschriebenen Konstruktion sind die obengenannten
Mängel abgestellt worden. Der Wasserdruck wird hier in zwei hintereinander
angeordneten
Arbeitsstufen abgegeben. Dadurch wird der Wasserweg im rotierenden Turbinenelement
(Laufrad) um ein mehrfaches länger. In der Hochdruckstufe wird der Wasserstrahl
nicht nur um 18o° gewendet, sondern macht ':hier einen Umlauf von einem vollen Kreis
(36o°), wobei er den größten Teil seiner Energie durch Reibung auf die Läuferwand
überträgt. Die Druckabgabe geschieht über mehrere Elemente der Reihe nach: Hochdruckschaufeln-
Strömungskanal - Niederdruckschaufeln. Dadurch wird die Druckabgabe des Wassers
langsamer, stetiger und vollständiger. Hinzu kommt weiter, daß das Laufrad bei wechselnder
Umfangsgeschwindigkeit den beaufschlagenden Wasserteilchen und allen schraubigen
Wasserwirbeln doch stets den gleichen Auf treffwinkel an allen Schaufeln beider
Druckstufen bietet, wodurch der hohe Wirkungsgrad auch bei wechselnder Umfangsgeschwindigkeit
durch Be- und Entlastung des Laufrades voll erhalten bleibt. Diese Tatsache äußert
sich bei der Turbine so, dag bei gleichbleibendem Wasserstrom das Laufrad bei wechselnderpelastung
bis zur oberen. Leistungsgrenze seine Umfangsgeschwindigkeit (halbe Strahlgeschwindigkeit)
fast beibehält und kaum absinkt oder ansteigt. Hierdurch wird die Wasserregelung
sehr vereinfacht. Durch die allseitige Beaufschlagung aller Schaufeln entsteht kein
einseitiger Druck, so daß- die Konstruktion des Laufrades verhältnismäßig leicht
sein kann, ebenso das fundamentale Auflager der ganzen Turbine.
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Der Stator besteht aus zwei Teilen, dem Statoroberteil A (Bild
I in Draufsicht und Bild II A im Querschnitt) und dem- Statorunterteil C
(Bild II im Querschnitt und Bild III C in Draufsicht).
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Der Statoroberteil A (Bild I) bildet von, oben betrachtet eine kreisrunde
Scheibe, die in der Mitte das Zapfenloch für den Endzapfen der vertikalen Läuferwelle
E (Bild IV) trägt. Im Querschnitt A (Bild II) bildet er einen flachen Hohlzylinder
mit vertikalen Seitenwänden, in dessen rechter Seitenwand die Strahldüse B' eng
bracht ist. In der Mitte befindet sich eine konzentrische Verstärkung, welche bis
auf den Statorunterteil C herabreicht und dient zusammen rnit letzterem als Fundament
für das darüberstehende Laufrad mit Welle. Aus seinem Innern führt ein _sdhriieckenförmiger
Gang durch die Außenwand bei B ins Freie. In: seiner Ausmündungsstelle steht die
Strahldüse B. Der Schneckengang durch .die Außenwand ist in gestrichelten Kreislinien
(Bild I) dargestellt. Seine beiden Endzungen, j e eine mach vorn und rückwärts gerichtet,
an der Ausmündung greifen so -weit übereinander; daß; eine Befestigung der Düse
zwischen ihnen möglich ist. Zur Befestigung mit dem Statorunterteil. -dienen Schraubenlöcher,
die wegen Überladung und dadurch bedingte Beeinträchtigung der Übersichtlichkeit
der Bilder I bis III nicht eingezeichnet sind.
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Die Düse B (Bild II) ist, .wie oben -bemerkt, zwischen: den beiden
Endzungen des Schneckenganges (Bild.I) angebracht. Der eingezeichnete Pfeil zeigt
die Richtung des. ihr zuströmenden Wässers-aus dem Innern des Statoroberteffls an.
WeitereDüsenschnitte zeigt.Bild VIH: Dort zeigt Bi den Querschnitt der Statorwand
unmittelbar vor dem Düseneingang. Sofort am Mundstück der Düse B greifen zwei Strahlführungen,
die obere B3 (in Ansicht und Querschnitt) und die untere B2 (in Ansicht und Querschnitt)
an. Die Aufgabe der oberen Strahlführung B3 ist die Verhinderung der Ausweichung
des Wasserstrahls aus der Düse nach oben in den Strömungskanal G (Bild IV), bevor
er i oder a Hochdruckschaufeln H (Bild IV und Bild V oben rechts) beaufschlagt hat,
um in ihnen aufzusteigen. Eine weitere Aufgabe der oberen Strahlführung B3 ist die
Verhinderung des Altwasserabstieges aus dem Strömungskanal G der Hochdruckstufe
in die Niederdruckstufe im unmittelbaren Eintrittsbereich des Neuwassers in die
Hochdruckschaufeln (Bild V oben rechts). Dagegen: dient die untere Strahlführung
B2 (Bild VIII) dem alleinigen Zweck, dem Düsenstrahl vorzeitig den Übertritt in
die Niederdruckstufe, unterhalb des Statorunterteils, zu verwehren. Ein weiterer
Querschnitt durch Düse und untere Strahlführung in Bild V B und B2.
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Der Statorunterteil C (Bild II und III) ist auf seiner oberen Fläche
(Bild III) von gleichem Durchmes.ser wie der über ihm stehende Statoroberteil. Unter
einer Abrundung von 9o° nach außen: und unten, C (Bild II), vergrößert sich sein
Durchmesser nicht ganz bis zum Durchmesser des ihn allseitig umgebenden Läufermantels
F (Bild IV und IX). Mit dem gleichen: Durchmesser setzt er sich weiter nach unten!
fort, bis seine Stärke zum Tragen; der auf ihm ruhenden Last (Statoroberteil, Laufrad
mit Welle) als ausreichend erscheint. Die Abrundung von 9o° an seiner oberen Außenkante
dient den aus der ersten Druckstufe, der Hochdruckstufe (obere Schaufelreihe H und
Strömungskanal G- in Bild IV) abwärts gerichteten schraubigen Wasserwirbeln als
innere -Wasserführung (Bild IX rechts und links oben gestrichelt) zum Abstieg derselben
nach unten in die zweite Druckstufe, die Niederdruckstufe (untere Schaufelreihe
K im Bild IV und ebenfalls Bild IX). Der .Statorunterteil ist also eine Abgrenzung
der beiden Druckstufen voneinander (Bild IX). Etwa i35° vor der Düse B (Bild Il
und III) wird der Statorunterteil zwecks Aufnahme des Wassereinlaufs.tutzens D (Bild
III und,IX) derart durchbrochen, daß der schräg von unten links nach: oben rechts
eintretende Wasserstrom- sofort an der Innen wand des Statoroberteils entlang (Pfeilrichtung
Bild III und IX unten links, punktiert und gestrichelt) nach der Düse gleitet, wobei
schädliche turbulente Strömungen vermieden werden. Über die Befestigung des Statorunterteils
mit dem -oberteil ist sinngemäß. dasselbe zu sagen wie am Schluß, der Beschreibung
des Statoroberteils, worauf hiermit verwiesen wird.
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Der Läufer ist nach oben durch die runde Deckplatte, das Läuferoberteil
F (Bild IV) mit der oben konzentrischen Verstärkung und dem Durchbruch zur Aufnahme
der vertikalen LäuferwelleE (Bild IV und IX) abgegrenzt. Seitlich und nach unten
setzt er sich in den Mantel fort, an dessen Innenwand die Schaufeln beider Druckstufen
H und K (Bild IV) befestigt sind. In; seinem oberen Teil stehen die um
20°
nach oben geneigten Hochdruckschaufeln H (Bild IV und VI). Über ihnen befindet sich
der Strömungskanal G (Bild IV). Zweck der Hochdruckschaufeln ist, das aus der Düse
B (Bild V) ausströmende Neuwasser unter nur kleinem Ab-
lenkungswinkel (2o°)
sofort in den über ihnen be-
findlichen Strömungskanal G (Bild IV) zu leiten
und in diesem eine starke Rundumströmung zu bewirken, welche «nieder die zwingende
Voraussetzung für die Bildung der später zu beschreibenden schraubigen und nach
abwärts gerichteten Wasserspiralen sowie der ringsum gleichmäßigen Beaufschlagung
der Niederdruckschaufeln K (Bild IV und VII) ist. Je stärker der Wasserstrom im
oberen Laufradteil ringsum wirbelt, um so länger wird sein Weg im rotierenden Turbinenelement
und um so langsamer und stetiger ist seine Energieabgabe an das Laufrad. Die Ringströmung
ist wichtig. Im unteren Abschnitt des Läufermantels, der Niederdruckstufe, befinden
sich die Niederdruckschaufeln K (Bild IV und VII). Ihre Form und Anordnung im Innern
desselben ergibt seich ebenfalls aus den gleichen Bildern. Sie dienen dazu, dem
aus der Hochdruckstufe abströmenden Wasser die letzte Energie zu entnehmen, um sie
auf das Laufrad zu übertragen.
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Das Laufrad wird radial von innen beaufschlagt. Der tangential aus
der Düse B (Bild V) mit Strahlgesch.windigkeit austretende Wasserstrom wird in den
um 2o° nach oben geneigten Hochdruckschaufeln H, da diese sich unter dem eintretenden
Düsenstrahl mit halber Strahlgeschwindigkeit in Umfangsrichtung fortbewegen, um
io° nach oben und etwa 25° in Umfangsrichtung aus seiner ursprünglichen Richtung
abgelenkt und tritt mit kaum verminderter Strahlgeschwindigkeit in die darüberliegende
Ringströmung in den Strömungskanal G (Bild IV und IX, oben rechts und links) und
hat bereits nach einem vollen Umlauf einen weiteren beträchtlichen Teil seiner Strömungsenergie
an den umgebenden Laufradmantel durch Reibung abgegeben. Jedoch ist seine Geschwindigkeit
noch bei weitem größer als die Umfangsgeschwindigkeit des Lauf radmanitels, der
mit halber Strahlgeschwindigkeit, im Leerlauf um ein, geringes mehr, umläuft. Das
mit höherer Geschwindigkeit aus Düse und Hochdruckschaufeln nachdrängende Neuwasser
ist naturgemäß infolge größerer Schwungkraft seiner Teilchen bestrebt, sich an die
äußere Seite des Ringstromes .hart an die Innenwand des Laufradmantels zu legen,
wobei das mit geringerer Geschwindigkeit strömende Altwasser, das bereits einen
Umlauf getan hat, nach der Innenseite des Ringstromes, also nach der Außenwand des
Statoroberteils A (Bild II) abgedrängt wird. Dieses, seiner hohen Geschwindigkeit
beraubte Altwasser wird nun durch sein: Gewicht nach unten gezogen und bewegt sich
dabei in abwärts gerichteten Spiralen (Bild V, oben links) durch den. Spalt zwischen
Statorwand und Hochdruckschaufeln, letztere dabei noch, einmal streifend (Bild IX
rechts und links außen und oben gestrichelt dargestellt), um darauf über die Abrundung
des Statorunterteils C (Bild II und IX) von diesem nach der Niederdruckstufe geleitet
zu werden. Hier bewegt es sich. an der freien Innenwand des Laufradmantels anfänglich
noch in Umfangsrichtung weiter, da seine Geschwindigkeit immer noch größer als die
Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades ist, jedoch reicht seine Energie zum vollen
Rundlauf über den: Niederdruckschaufeln K nicht mehr aus. Zudem macht sich sein
Gewicht immer stärker bemerkbar, so daß es bald in steileren Schraubenlinien halb
umlaufend, halb fallend in die N iederdruckschaufeln gelangt, um seine letzte Energie
an diese abzugeben. Da die letzteren nur eine geringe Wendung des stark nach unten
ziehenden Wassers durchzuführen haben, genügt für sie eine geringere Schaufelkrümmung,
so daß für diesen Zweck ioo bis 1q.0° (Bild VII) vollauf genügen. Aus ihrem unteren
Ende tritt dann das verbrauchte Wasser aus. Der ursprünglich aus der Düse ausgetretene
Wasserstrahl ist während seines Durchganges durch die Turbine vollständig zerlegt
worden und hat seine Energie an das Laufrad restlos abgegeben.
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Die vorgeschlagene Turbine zeichnet sich durch folgende wesentliche
Merkmale aus,: a) Sanfte und dadurch fast stoßfreie Umlenkung aller beaufschlagenden
Wasserteilchen auf langen. Umlenkungswegen; b) restlose Energieabgabe des Wassers
durch lange Wasserwege im rotierenden Turbinenelement und dadurch lange und innige
Berührung aller beaufschlagenden Wasserteilchen mit der inneren Laufradfläche; c)
hoher und gleichbleibender Wirkungsgrad und dadurch fast gleichbleibende Umlaufgeschwindigkeit
der Turbine trotz wechselnder Be- und Entlastung durch stets gleichbleibenden Auftreffwinkel
der Wasserteilchen auf allen Turbinenschaufeln; d) zwangsläufige Regelung der Drehzahl
und dadurch hohe Stabilität derselben im Leerlauf und bei wechselnder Belastung
infolge Massenwirkung der im oberen Laufradteil umlaufenden Strömungsmasse.
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Das Anwendungsgebiet der Turbine ist überall dort zu suchen, wo es
auf gleichbleibenden Wirkungsgrad und gleichbleibende Umlaufgeschwindigkeit des
Laufrades trotz wechselnder Belastung der Turbine ankommt, in erster Linie bei Wasserkraftwerken
und Wassermühlen.