-
Rohrturbine, Rohrpumpe und Rohrschraube Es sind Rohrturbinen und Rohrpumpen
bekannt, bei denen das Laufrad (Propeller, Schraube) der Turbine oder Pumpe in ein
Rohr eingebaut und entweder unmittelbar mit t einer elektrischen Maschine (Stromerzeuger
oder Motor) gekuppelt ist, die in einem wasserdichten und stromlinienförmig ausgebildeten
Gehäuse ebenfalls im Rohr sitzt, oder mittelbar über ein Getriebe einen außerhalb,
des Rohres angeordneten Stromerzeuger (oder eine Arbeitsmaschine) antreibt oder,
wenn. es sich um eine Pumpe oder Schraube handelt, von einem außerhalb des Rohres
aufgestellten Motor angetrieben wird. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das
Laufrad einer Rohrturbine mit dem Polrad eines Stromerzeugers zusammenzubauen, so
daß das Rohr gewissermaßen durch den Stromerzeuger hindurchgeführt ist und der Generatorständer
außen im Rohr sitzt oder das Rohr umschließt.
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Rohrturbine, Rohrpumpe
oder Rohrschraubee, bei der das Laufrad (Propeller, Schraube) ohne Mittelwelle ausgeführt
und außen gelagert ist. Die Abb. i zeigt schematisch den Grundgedanken dieser Erfindung
an einem ersten Ausführungsbeispiel. i ist das Rohr, a das Laufrad der Turbine oder
Pumpe und 3 der scheibenförmig ausgebildete Laufradkranz. Die Laufradscheibe durchdringt
das Rohr i, das an dieser Stelle vollständig durchgeschnitten und gegen die Scheibe
in irgendeiner
geeigneten Form abgedichtet ist. .Die Laufradscheibe
ist in einem das Rohr konzentrisch umgebenden großen Führungs- und Traglager d.
gelagert. Sie trägt außen entweder, wie im linken Teil der Abb. i dargestellt, einen
irgendwie ausgebildeten Zahnkranz 5, in den ein in Abb. i nicht mehr gezeichnetes
Stirn-, Kegel- oder Schneckenrad eingreift, oder aber, wie es der rechte Teil von
Abb, i veranschaulicht, die Pole 6 oder die Ankerwicklung eines Generators oder
Motors, dessen Ständer 7 das vereinigte Lauf- und Polrad konzentrisch umgibt.
-
Das Wesentliche an der Erfindung besteht darin, daß sich im Rohr nur
das Laufrad allein und keine sonstigen Maschinenteile, wie Lager, Getriebe, Tragkreuze
usw. befinden, die gewartet werden müssen, den Strömungsquerschnitt verengern und
die hydraulischen Verhältnisse und damit den Wirkungsgrad ungünstig beeinflussen.
Man kann das Laufrad (Propeller, Schraube) vielmehr "ausschließlich nach hydraulischen
Gesichtspunkten bauen und damit Wirkungsgrade erzielen, wie sie mit keiner der bisher
bekannten Bauarten erreichbar sind, weil bei ihnen immer die Welle die Strömung
in irgendeiner Form stört.
-
Die Freiheit, die man so bei der erfindungsmäßigen Bauart in hydraulischer
Beziehung gewonnen hat, kann man auf die verschiedenste Art und Weise ausnutzen.
Da der in Abb. i noch gezeichnete stromlinienförmige Körper in der Laufradmitte
zur Befestigung der Schaufeln, oder Flügel nicht erforderlich ist, kann er in beliebiger
Form und namentlich. beliebig klein ausgeführt werden oder, wenn dies in hydraulischer
Beziehung zweckmäßig ist, auch ganz wegfallen. Man kommt so zu Ausführungsformen
des Laufrades, bei denen, wie in Abb. 2 schematisch dargestellt, die Schaufeln oder
Flügel in der Laufradmitte flächig ineinander übergehen oder nur noch über schwache
Stege miteinander in Verbindung stehen oder lediglich an-. einanderstoßen oder,
wie es die Abb. 3 und q. für zwei der vielen möglichen Ausführungsarten zeigen,
sich schließlich überhaupt nicht mehr gegenseitig berühren, sondern, vom Laufradkranz
bzw. der Laufradscheibe allein gehalten, frei tragend in die Laufrad- bzw. Rohrmitte
hineinragen. Da die Schaufeln oder Flügel im allgemeinen an und für sich sektorartig
ausgebildet, d. h. außen breit sind und sich nach der Mitte zu verjüngen und die
auf sie ausgeübten oder von ihnen ausgeübten Kräfte von außen nach innen, d. h.
vom Rand nach der Mitte des Laufrades bzw. Rohres hin, abnehmen, so ist die Befestigung
der Schaufeln oder Flügel an der Laufradscheibe nicht nur ohne Schwierigkeiten
durchführbar, sondern der Befestigung an einer Mittelwelle sogar weit überlegen.
Denn bei der Innenbefestigung ist erstens das Biegungsmoment auf die Schaufel- oder
Flügelbolzen unter sonst gleichen Verhältnissen viel größer als bei der Außenbefestigung,
und außerdem sitzen die Bolzen dabei gerade auf der Seite der Schaufeln: oder Flügel,
wo diese an sich, d. h. rein hydraulisch genommen, die kleinste Angriffsfläche und
den kleinsten Querschnitt haben müßten. Die neue Bauform ist somit in mechanischer
oder konstruktiver Beziehung ebenso günstig wie in hydraulischer Beziehung.
-
Es ist deshalb auch ohne weiteres möglich, die Schaufeln oder Flügel
drehbar zu machen. Sie werden zu diesem Zweck, wie dies Abb. $ veranschaulicht,
an drehbaren, in der Lauf radscheibe 3 gelagerten Bolzen 8 befestigt. Die Verdrehung
dieser Bolzen kann dann beispielsweise mittels eines auf der Laufradscheibe gelagerten
Ringes 9 erfolgen, der mit der Laufradscheibe zusammen umläuft, aber auf ihr eine
gewisse Winkelbewegung ausführen kann, Dabei verdreht er beispielsweise über die
Lenker io die Schaufelbolzen 8 und damit die Schaufeln oder Flügel. Die Winkellage
des Ringes 9 zur Lauf radscheibe 3 kann beispielsweise mit Hilfe eines Differentialgetriebes
auf die in Abb.5 dargestellte Art und Weise eingestellt werden. Die Laufradscheibe
ist mit einem Zahnkranz versehen, über den ein. Kegelrad i i mit im Raum festgelagerter
Welle 12 angetrieben wird, während ein am Ring 9 angebrachter Zahnkranz das Kegelrad
13 antreibt, indem die beiden Planetenräder des Differentialgetriebes umlaufen.
Von den, beiden anderen Kegelrädern des Differentialgetriebes sitzt das eine, i¢,
fest auf der Welle 12, das andere, 15, auf einer eigenen Welle 16, die- sich bei
geeigneter Wahl der Übersetzungen nicht dreht, durch deren Verdrehung aber umgekehrt
die Winkellage des Ringes 9 zur Laufradscheibe 3, selbstverständlich gegen das auf
die Schaufeln oder Flügel oder von ihnen ausgeübte Moment, verändert werden kann.
Man kann so durch Verdrehen der Welle 16 die Schaufeln oder Flügel genau so von
Hand verstellen oder durch einen selbsttätigen Regler verstellen lassen, wie dies
bei Turbinen oder Pumpen mit Schaufelverstellung von der Welle aus gebräuchlich
ist.
-
Um zu zeigen, daß es noch viele andere Ausführungsmöglichkeiten für
die Schaufelverstellung gibt, ist in Abb. 6 noch ein. weiteres Beispiel dar-,gestellt,
bei dem der Ring 9d,_ der dem Ring 9 von Abb. 5 entspricht, die Bolzen 8 über Kegelräder
17 verdreht. Der Ring selbst wird gegen die Laufradscheibe 3 mit Hilfe zweier Stirnräder
18 und i9 verdreht, von denen das erstere fest auf einer im Raum fest gelagerten
Welle 2o sitzt, das andere, i9, dagegen verschieblich, und zwar über spiralig ausgebildete
Keile und Nuten oder ein steilgängiges Schraubengewinde, so daß die Verschiebung
dieses Zahnrades etwa mit Hilfe des Bügels 21 in Richtung der Achse der Welle 2o
zugleich eine Änd°-rung seiner Winkellage gegenüber dem Zahnrad i8 und damit eine
Verdrehung des Ringes 9d auf der Laufradscheibe und der Schaufeln oder Flügel bewirkt.
-
Wegen des geringeren auf die Schaufel- oder Flügelbolzen. wirkenden,
Biegungsmomentes und wegen der besseren Lagerungsmöglichkeit für die Bolzen kann
man. Turbinen oder Pumpen der erfindungsmäßigen Bauart noch bei höheren Gefällen
mit Schaufelverstellung ausführen als bei Turbinen
und Pumpen bekannter
Bauart. Vor allem. aber kann man, weil genügend Platz zur Verfügung steht, die Bolzen
nicht nur radial, sondern in jeder beliebigen Lage zur Laufrad- bzw. Rohrachse,
also sowohl in der Laufradebiene als auch in den durch die Laufrad- b.zw. Rohrachse
gehenden Ebenen oder in beiden Ebenen zugleich jeweils nach allen Richtungen hin
schräg anordnen. Damit erhält man in hydraulischer Beziehung weitere Freiheitsgrade
und neue Möglichkeiten, weil man die Bolzenachsen so legen kann, daß sich die Schaufelverdrehung
den wechselnden Strömungsverhältnissen im Laufrad und im Rohr am besten anpaßt.
Die Verdrehung der Bolzen erfolgt zweckmäßigerweise wieder mit Hilfe eines auf der
Laufradscheibe angeordneten. Stellringes über entsprechend ausgebildete Lenker,
Kardangelenke, Zahnrad- oder andere geeignete kinematische Getriebe bekannter Art.
Irgendwelche besondere Schwierigkeiten entstehen dabei trotz der schrägen Bolzenano.rdnung
nicht.
-
Man kann aber noch weiter gehen und die Bolzen und damit die Schaufeln
und Flügel nicht nur um ihre eigenen Achsen verdrehen, sondern statt dessen oder
außerdem auch die Bolzenachsen selbst in ihrer Lage zur Laufradscheibe verändern,
indem man die Bolzen beispielsweise in Zylindergelenken oder noch allgemeiner in
Kugelgelenken nach allen Seiten hin drehbar auf der Laufradscheibe lagert, wie dies
aus Abb. 7 wohl ohne weitere Erläuterung zu entnehmen ist, da für die einzelnen
Teile ,wieder die gleichen Bezugsziffern wie in den früheren Abbildungen gewählt
sind. Um die Bolzen einzustellen und festzuhalten, wird man im allgemeinen jetzt
zwei Stellringe von der Art der Ringe 9 und 9a in den. Abb. j und 6 und zwei Regelwellen
von der Art der Wellen 16 und 2o in den genannten Abbildungen brauchen, die zweckmäßigerweise
in funktioneller Abhängigkeit voneinander verstellt werden: Die Verbindungsglieder
zwischen den beiden Stellringen und den einzelnen Bolzen sind je nach der Art der
beabsichtigten Bolzenbewegung zu wählen. Diese Aufgabe ist zwar verwickelter als
die bei der Verdrehung der Bolzen um ihre eigene Achse zu lösende, läßt sich aber
doch, nachdem der Gedanke einmal ausgesprochen ist, mit den heutigen kinematischen
Hilfsmitteln ohne weiteres bewältigen. Das gleiche gilt auch in dem Fall, daß man
die Bolzen nicht nur um die Kugelgelenke, sondern zugleich um ihre eigene Achse
verdreht, und grundsätzlich steht auch nichts im Wege, den Bolzen noch andere Bewegungen,
bezogen auf das Laufrad, z. B. in der Bolzenachse, zuerteilen, und mehr als zwei
Stellringe zur Überlagerung der verschiedenen Bewegungen anzuordnen und diese zwangsläufig
oder durch Regler in Abhängigkeit voneinander zu verstellen.
-
Was die übrigen bei der Ausführung der neuen Turbinen- und Pumpenbauart
zu lösenden konstruktiven Aufgaben anbelangt, so wird sich die Abdichtung des Laufrades
gegen das Rohr mit bekannten Mitteln, wie radial oder axial angeordneten Labyrinthen,
Sperrwasserzufuhr, Spritzringen, Packungen usw., bewerkstelligen lassen. Größere
Schwierigkeiten wird die Lagerung des Laufrades machen, zumal wenn es mit dem Anker
oder dem Polrad eines Generators vereinigt wird. Selbstverständlich kommt hierfür
nicht nur die in Abb. i schematisch angeordnete Art der Lagerung in Betracht. Es
gibt vielmehr sehr viele verschiedene Möglichkeiten, von denen im folgenden nur
einige aufgeführt werden sollen. Der Spurring kann beispielsweise nicht doppelseitig,
wie in Abb. i gezeichnet, sondern einseitig ausgebildet und nicht auf seiner inneren
Seite, sondern außen geführt sein. Die Spur- und Führungslager können auch getrennt
voneinander angeordnet werden. Die Lagerung kann auf Gleitflächen, Rollen, festen
oder beweglichen unter Federkraft oder Öldruck stehenden Segmenten oder in irgendeiner
anderen bekannten Art und Weise erfolgen. Dabei wird es vor allem darauf ankommen,
die Wärmedehnung des Laufrades zu berücksichtigen, was beispielsweise so geschehen
kann, daß man sowohl feste als auch bewegliche Segmente oder Rollen anordnet und
dafür sorgt, daß die beweglichen Lagerteile rings um den ganzen Laufradumfang zwangsläufig
dieselben Bewegungen machen, so daß das Laufrad immer genau zentrisch geführt ist,
auch wenn es Spiel gegen die festen Lagerteile hat. Die Spurlager, also die Lager,
die die Verschiebung des Laufrades in. Richtung der Rohrachse verhindern, können,
wenn die Rohrachse im Raume senkrecht oder schief steht und die Lager somit Traglager
sind, unter Umständen. nur einseitig sein, sofern das Gewicht des Laufrades ein
Abheben des Laufrades von den Lagerflächen trotz der gegebenenfalls, besonders beim
Übergang vom Turbinen- zum Pumpenbetrieb oder beim Abbremsen auftretenden hydraulischen
Gegenkräfte mit Sicherheit ausschließt. Im allgemeinen wird aber eine doppelseitige
Lagerung zweckmäßig oder sogar notwendig sein.
-
Es versteht sich von selbst, daß man in das Rohr feste oder bewegliche
Leitschaufeln oder Leitbleche einbauen und das Rohr mit unterschiedlichem Durchmesser,
also z. B. konisch, ausführen kann. In besonderen Fällen, z. B. wenn es sich um
eine Schiffsschraube handelt, kann das Rohr auch sehr kurz ausfallen nach Art eines
kreisförmigen Leitbleches für das durch. die Schraube strömende Wasser.
-
Zum Schluß noch einige Worte über den Zusammenbau oder die Vereinigung,des
Laufrades mit dem Läufer einer elektrischen Maschine, die wohl das wichtigste Anwendungsgebiet
der neuen Turbinen- bzw. Pumpenbauart sein wird. Hierbei treten neben dem Wirkungsgradgewinn,
den die günstigen hydraulischen Verhältnisse bringen, auch die übrigen Vorteile
der neuen Turbinen- bzw. Pumpenbauart, die Baustoff- und Gewichtsersparnis und der
geringere Raumbedarf stark in Erscheinung, weil sie sich auch auf die: elektrische
Maschine auswirken und überdies der bauliche Teil der Kraft- oder Pumpwerke .einfacher,
kleiner und billiger als bisher ausfällt. Die Abb. 8 zeigt ein
Beispiel
für die neuen Kraftwerksbauformen, die sich herausbilden werden. Der schräge Einbau
des Maschinensatzes 23, wie er hier gezeichnet ist, ist zwar in mancher Beziehung
nicht so .günstig wie der senkrechte oder waagerechte, hat aber dafür den .großen
Vorteil, daß das Wasser aus der Druckleitung 22 so gut wie gar keine Umlenkung erfährt.
-
Beim Bau einer solchen hydroelektrischen oder elektrohydraulischen
Maschine können in mancher Hinsicht die bekannten Schirmgeneratoren als Vorbild
dienen. Wie bei diesen der Ständer mit seinen Armen die Lager, oben ein Spur- und
Halslager, unten ein Halslager trägt, so, wird man zweckmäßigerweise auch bei der
neuen Maschine die Lager mit Armen am Ständer befestigen, der seinerseits mit seinen
Füßen waagerecht, schräg oder senkrecht auf seiner Grundplatte 'steht. Die Arme
werden im übrigen dabei weniger beansprucht als bei den Schirmgeneratoren, da sie
nicht bis zur Maschinenmitte vorzugreifen brauchen und zudem ihre Belastung nicht
so groß ist wie bei denSchirmgeneratoren. Aus dem gleichen, Grund- und wegen der
viel größeren Lagerfläche wird auch die Lagerpressung wesentlich kleiner ausfallen
als bei den Spurlagern der Schirmgeneratoren, so daß man unter Umständen keine geschlossen
ringsherum laufenden Lagerflächen braucht, sondern mit einzelnen, über den Umfang
verteilten Lagerflächen auskommt. An den vom Ständer ausgebenden Armen kann. man
dann in einem Armkranz zugleich auch die Anschlußringe oder -stutzen für das Rohr
und die Dichtungen befestigen. Man erhält so eine sehr zweckmäßige Bauform, die
man sich leicht vorstellen kann, wenn man sich bei einem Schirmgenerator üblicher
Bauart an Stelle der Welle das Rohr, natürlich mit vielfach größerem Durchmesser,
gesetzt denkt.
-
Die Zuführung des Erregerstromes erfolgt über Schleifringe in gleicher
oder ähnlicher Weise wie bei anderen elektrischen Maschinen. Die Erregermaschine
kann fremd oder von einem von der Hauptmaschine aus gespeisten Motor oder über ein
Zahnradgetriebe vom Laufrad aus angetrieben werden, wozu man zweckmäßigerweise das
Kegelrad ii von Abb. 5 oder das Stirnrad 18 von Abt. 6 mitbenutzen wird. Man kann
auch eine eigens Erregermaschine an die Hauptmaschine anbauen, etwa in -der Art,
wie dies gelegentlich mit Hilfsgeneratoren für den Hausbedarf der Kraftwerke ,geschieht.
Ganz entsprechendes wie für die Erregermaschinen gilt für die Pumpen für das Schmier-und
Drucköl.
-
Statt die elektrische Maschine mit der Turbine zusammenzubauen, kann
man sie auch über Getriebe mit ihr kuppeln, was den Vorteil hat, daß man mehrere
Turbinen über eine gemeinsame Welle einen Generator antreiben lassen und diesem,
eine höhere Drehzahl geben kann. Außerdem kann man dann das Kraftwerk noch niedriger
bauen und gegebenenfalls überflutbar machen, da man die Generatoren am Ufer, gegebenenfalls,
um das Kraftwerk zu tarnen, in den Uferdämmen aufstellen kann.
-
Selbstverständlich gilt dies alles sinngemäß auch für Pumpwerke und
Pumpspeicherwerke, wie man überhaupt bezüglich der Vereinigung des Turbinen-und
Pumpenbetriebs und des Übergangs von einem zum anderen mit getrennten Turbinen und
Pumpen oder Turbinenpumpen die gleichen Möglichkeiten hat wie bei den hydraulischen
Maschinen bekannter Bauart, darüber hinaus aber beispielsweise auch daran denken
kann, ein Turbinen- und ein Pumpenlaufrad hintereinander im gleichenRo'hr anzuordnen
und mit einer und derselben elektrischen Maschine zu kuppeln oder zusammenzubauen.