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Reaktionswasserturbine Die Erfindung bezieht sich auf Reaktionswasserturbinen,
wie Francis- oder Propellerturbinen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, Einrichtungen
zu schaffen, mit denen das Arbeiten solcher Turbinen unter den sogenannten kritischen
Betriebsbedingungen verbessert werden kann, indem durch sie die Kernströmung hinter
den Schaufeln des Turbinenlaufrades stabilisiert wird.
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Wie bekannt, treten bei Reaktionsturbinen bei bestimmten Betriebsbedingungen
Kavitationserscheinungen auf, die ihre Ursache in der Unstabilität des Kernteiles
der aus dem Laufrad in den Saugschacht austretenden Strömung haben. Die Heftigkeit
dieser Erscheinungen, die an den gedämpften, aber kräftigen, übrigens aperiodischen,
knallenden Geräuschen erkennbar sind, rufen kurzzeitige, aber sehr kräftige Beanspruchungen
der Turbinenteile hervor. Um diese Erscheinungen erheblich abzuschwächen, hat man
bereits vorgeschlagen, Luft in den Kernbereich der Strömung einzublasen. Bei einer
Francisturbine kann diese Luft beispielsweise durch die üblichen Entlastungslöcher
im Radboden eingeblasen werden, die den stromaufwärts liegenden Raum, der zwischen
diesem Boden und dem Deckel der Turbine eingeschlossen ist, mit dem stromabwärts
liegenden Raum am Ausgang des Laufrades verbinden. Man kann zu dem gleichen Zweck
auch Rohre vorsehen, die in den: Saugschacht eingeführt sind und die Luft unmittelbar
unter dem Laufrad dem Kern der Strömung zuführen.
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Der Einfluß der Turbinenleistung auf die erforderliche Luftmenge führt
bei diesen Anlagen jedoch zu kostspieligen Vorrichtungen und in gewissen Fällen
zu einem unsicheren Verhalten. Im übrigen
beeinflußt ein solches
Einführen von Luft nicht selten die Leistung der Turbine.
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Zur Stabilisierung des Kernbereiches der Strömung ist es weiter bekannt,
einen Teil der Strömung durch die Laufradnabe und die Laufradspitze hindurchzuleiten;
hierbei sind in der Laufradnabe oberhalb der Eintrittskante der Schaufeln
Öff-
nungen vorgesehen, durch die das Wasser in die Laufradnabe eintritt.
Dieses Wasser tritt aus einer Öffnung am unteren Rand der Laufradspitze aus und
bildet einen Kernstrahl. Diese Konstruktion hat den Nachteil, daß erhebliche Wassermengen
durch die Laufradnabe hindurchgeleitet werden, welche keine Nutzarbeit abgeben.
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Es ist schließlich bekannt, bei Laufradspitzen, welche im allgemeinen
von dem eigentlichen Laufrad und seiner Nabe gesonderte Elemente darstellen, das
untere Ende der Laufradspitze offen auszubilden.
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Gemäß der Erfindung wird eine Stabilisierung der Kernströmung hinter
den Schaufeln des Turbinenlaufrades dadurch erreicht, daß die stromabwärts von der
Austrittsebene des Laufrades bis in den Eingang des Saugschachtes verlängerte und
an ihrem äußeren Ende mit einer Durchgangsöffnung für Wasser versehene Laufradspitze
in ihrer- Seitenwand in unmittelbarer Nachbarschaft der Schaufelaustrittskanten
mit Wasserdurchtrittsöffnungen versehen ist.
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Bei einer derartigen Laufradspitze bewirkt jeder Unterschied zwischen
den Drücken, die in den Bereichen, die diesen Öffnungen benachbart sind, herrschen,
im Inneren der Laufradspitze eine Flüssigkeitsströmung von den Bereichen hohen Druckes
zu den Bereichen niedrigen Druckes, die ohne jede Verltistleistung zu einer wirksamen
Stabilisierung der Kernströmung führt.
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Im normalen Betrieb derTurbine läßt dieZentrifugalkraft, die auf das
Wasser in der sich drehenden Laufradspitze wirkt, dieses Wasser entlang der Innenwand
der Laufradspitze aufsteigen und durch die seitlichen Öffnungen herausströmen. Hierdurch
ergibt sich im Inneren der Laufradspitze eine unterschiedliche Druckverteilung.
Die Drücke im Inneren und am äußersten Ende der Laufradspitze sind niedriger als
die Drücke im Kernbereich der Strömung unmittelbar stromabwärts der Laufradspitze.
Die Hilfsströmung stellt sich also so ein, daß Wasser vom äußersten Ende der Laufradspitze
her in deren Inneres zurückkehrt. Dieses Wasser tritt dann in Strahlen durch die
seitlichen Öffnungen in der Nähe der Schaufelaustrittskanten wieder aus. Die Entnahme
von Wasser aus dein Kern der Flüssigkeitsströmung am Eingang des. Saugschachtes
bewirkt eine Stabilisierung dieses Kerns. Die Strahlen, die aus den seitlichen Öffnungen
in der Nachbarschaft der Schaufelaustrittskanten austreten, werden durch die Hauptströmung
mitgenommen und bewirken um die Laufradspitze herum eine Mischzone, die dazu beiträgt,
den Kernteil der Strömung von den Schaufelaustrittskanten an zu stabilisieren. Das
Wasser, das auf die beschriebene Weise örtlich einen Kreislauf ausführt, ist hauptsächlich
dem Kern der Strömung entnommen; es kann aber bei einer Francisturbine teilweise
auch aus dem Spalt der Labyrinthdichtung zwischen dem Laufradboden und dem Deckel
der Turbine herrühren und durch die Ausgleichsöffnungen hindurchtreten. Dieses Wasser
enthält auch Luft, die sich abscheidet.
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Um dieAusbildung der erfindungsgemäßen Hilf sströmungen zu erleichtern,
wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, im Inneren der Laufradspitze
gekrümmte Flächen anzubringen, die in geeigneter Weise so angeordnet sind, daß sie
infolge einer Relativdrehung des Wassers gegenüber der Laufradspitze als Pumpe wirken.
Die gekrümmten Flächen können als Schaufeln, die an der Innenwand der Laufradspitze
befestigt sind, oder auch als Flügel eines Propellerrades ausgebildet sein, deren
Enden an der Innenwand der Laufradspitze angeschweißt sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, das
Ausscheiden der Luft aus dem am Eingang in den Sangschacht kreisenden el Wasser
dadurch zu erleichtern, daß man das in die Laufradspitze eintretende Wasser in Einzelströme
aufteilt, indem man die Öffnung am äußersten Ende der Laufradspitze in an sich bekannter
Weise aus einer großen Anzahl kleiner Löcher bestehen läßt. Auf diese Weise wird
in der Laufradspitze Luft angesammelt, die auf Grund ihrer Zusammendrückbarkeit
einen Schwingungsdämpfer bildet, der auf einfache Weise im Inneren der Laufradspitze
aufrechterhalten werden kann. Die Luft, mit der das Wasser der Hilfsströmungen gemischt
ist, trägt auf Grund ihrer Ausdehnungsfähigkeit dazu bei, die Kavitationserscheinungen
zu mildern.
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Die beiden letztgenannteii Einrichtungen können gleichzeitig verwendet
werden, wobei die Löcher beispielsweise in der Nabe des Propellerrades an der Laufradspitze
vorgesehen sein können.
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Im übrigen haben die beiden letztgenannten Einrichtunglen, mögen sie
getrennt oder zusammen Anwendung finden, den weiteren Vorteil, daß durch sie die
erfindungsgemäße Hilfsströmung gleichförmiger gestaltet wird, was die Stabilität
der kreisenden Wasserströrnung im Saugschacht noch verbessert.
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Die Erfindung ist im nachstehenden an Hand der Zeichnungen, die verschiedeneAusführungsbeispiele
zeigen, im einzelnen beschrieben.
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Fig. i zeigt einen Axialschnitt einer Francisturbine, deren Laufrad
die erfindungsgemäßen Mittel in einer ersten Ausführungsform aufweist; Fig.:2 stellt
im Axialschnitt eine Abwandlung der in Fig. i gezeigten Laufradspitze dar; Fib-.
3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2; Fig. 4 zeigt im großen
Maßstab den Axialschnitt einer Hälfte der Laufradspitze, in die die Stromlinien
des Wasserkreislaufes eingezeichnet sind, der sich im Inneren der Laufradspitze
der in Fig. i gezeigten Francisturbine während des Betriebes ausbildet; Fig.
5 zeigt im Axialschnitt eine andere Ausführungsform
der
Erfindung bei einer Francisturbine nach Fig. i; Fig. 6 zeigt den Axialschnitt
einer Abwandlung der Laufradspitze der Francisturbine nach Fig. 5;
Fig.
7 ist ein Schnitt längs der Ebene VII-VII in Fig. 6;
Fig.
8 gibt eine schematische Teilansicht mit einem Axialschnitt durch eine Kaplanturbilie
wieder, deren Lauf rad mit den erfindungsgemäßen Einrichtungen in einer anderen
Ausbildungsform versehen ist.
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Bei der in Fig. i dargestellten Francisturbine ist an dein Turbinenlaufrad
i eine hohle Laufradspitze:2 angeschraubt, die bis unter die Austrittsebene
3 des Laufrades am Eingang des Sangschachtes 4 hinabreicht, wo sie mit einer
öffnung 5
endet. Diese Laufradspitze 2, die im großen und ganzen k-egelstumpfförmig
ist (s. auch Fig. 4), ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, die mit gleichem Durchmesser
aneinander anschließen und durch Schrauben miteinander verbunden sind.
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Außer der Öffnung 5 an ihrem unteren Ende be-
sitzt die
Laufradspitze2 erfindungsgemäß in ihrer Seitenwand 6, die das äußere Profil
des Laufradbodens 7 fortsetzt, in unmittelbarer -Nachbarschaft der Schaufelaustrittskanten
8 über den Umfang verteilte Wasserdurchtrittsöffnungen 9, die in regelmäßigem
Abstand gebohrt und auf mehrere Ebenen beliebig verteilt sind. Um einen ungefähren
Anhaltspunkt zu geben, sei angegeben, daß z. B. bei einem ausgeführten Francislaufrad
von 4,4o m Durchmesser der Abstand der Löcher 9, die mit 30 mm Durchmesser
gebohrt waren, 6o mm betrug und daß drei Lochreihen mit jeweils --8 Löchern
angebracht waren.
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Das Innere der Laufradspitze 2, das über die Öffnungen 5 und
9 mit dem außerhalb derselben kreisenden Wasserstrom in Verbindung steht,
kann darüber hinaus durch Entlastungsöffnungen io im Laufradboden 7 mit dem
Raum ii oberhalb des Laufradbodens 7 in Verbindung stehen.
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In Fig. 4 ist durch Stromlinien schematisch ein Strömungszustand dargestellt.
Die Hauptströmung ist in ihrem Kern durch Linien 12 wiedergegeben. Bei ihrer Drehung
erzeugt die Laufradspitze 2, deren Seitenwand 6 nach oben divergiert, auf
Grund der Zentrifugalkraft eine Pumpenwirkung. Wasser, das aus dem Kern 13 des am
Eingang des Saugschachtes 4 kreisenden Wassers abgesogen wird, steigt im Inneren
der Laufradspitze 2 entlang deren Seitenwand 6 hoch (Stromlinien i-1) und
flie#ßt durch die Wasserdurchtrittsöffnungen 9 in Form von Wasserstrahlen
15 wieder aus der Laufradspitze heraus in den Hauptstrom (Stromlinien 12).
Die Wasserstrahlen 15, denen zusätzlich Wasser aus dem Raum i i durch die Entlastungsöffnungen
io entlang den Stromlinien 16 zugeführt ZD l'n werden kann, werden durch die Hauptströmung
stromabwärts umgelenkt. Sie umhüllen dabei längs der ganzen Laufradspitze 2 eine
Mischzone 17. So-
wohl dieWirkung des Absaugens vonWasser aus dein Strömungskern
13 ana Eingang des Saügschachtes 4 als auch die Zuführung von Wasser in die,
Mischzone 17 ergibt eine merkliche Stabilisierung der Strömung unterhalb
der Schaufelaustrittskanten 8.
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Die Strömung 14, die durch die untere öffnung 5
in die Laufradspitze:2
eintritt, enthält feinverteilte Luft. Es ist vorteilhaft, diese Luft vom Wasser
zu trennen. Zu diesem Zweck kann nach einer anderen Ausbildungsform der Laufradspitze
2, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, das untere Ende der Laufradspitze
statt der bereits beschriebenen vollen Öffnung 5 einen Boden 18
besitzen, der in bekannter Weise mit einer großen Anzahl von Öffnungen ig versehen
ist.
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Im Betrieb teilt sich das aus dem Strömungskern 13 am Eingang
des Saugschachtes 4 durch die Pumpwirkung der Laufradspitze:2 auf Grund der Zentrifugalkraft
angesaugte Wasser in den Öff-
nungen ig in einzelne Teilströme auf, wodurch
das Ausscheiden der in dem Wasser enthaltenen Luft im Inneren der Laufradspitze
unterstützt wird. Dadurch enthält der Innenraum der Radspitze, wie übrigens auch
der Raum i i stromaufwärts von dem Lauf radboden 7 immer eine bestimmte Menge
Luft, die auf Grund ihrer Zusammendrückbarkeit im Inneren der Laufradspitze einen
Schwingungsdämpfer bildet. Darüber hinaus trägt diese Luft, die teilweise durch
die Flüssigkeitsstrahlen 15 Mitgerissen wird, die durch die Wasserdurchtrittsöffnunglen
9 der Laufradspitze austreten, auf Grund ihrer Ausdehnungsfähigkeit dazu
bei, jede Kavitation in der Kernzone der Strömung zu verhindern und die Strömung
am Wasseraustritt aus den Schaufeln zu stabilisieren.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5, die wiederurn eine Francisturbine
mit senkrechter Welle darstellt, ist die Höhe des Turbinenlaufrades i relativ zu
seinem Durchmesser größer als bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Dabei ist die Konizität der Seitenwand 6 der Laufradspitze 2 kleiner. Um
die. Pumpwirkung über dem Kern des kreisenden Wasserstromes zu verstärken, enthält
die Öffnung 5 am unteren Ende der Laufradspitze 2 ein Propellerrad 2o, dessen
Nabe 2 1 in Richtung der Laufradachse liegt und dessen Flügel
22 mit ihren
Außenenden an die innere Seitenwand der Radspitze im Bereich der Öffnung
5 angeschweißt sind.
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Das Propellerrad 20 in der Laufradspitze 2 macht deren Drehbewegung
mit und bildet eine richtige Pumpe, die die Pumpwirkung auf Grund der Zentrifugalkraft
bei einer Laufradspitze mit schwächerer Konizität verstärkt.
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Von diesem Hilfsmittel kann man nicht nur Gebrauch machen, wenn der
Durchinesser der Laufradnabe an den Schaufelaustrittskanten kleiner ist als bei
den beschriebenen Beispielen und die Seitenwand der Laufradspitze daher auf Grund
der Tatsache, daß die untere Öffnung
5 der Laufradspitze eine bestimmte Fläche
in der Mitte des Saugschachteinganges einnehmen muß, nur eine schwächere Konizitat
haben kann, sondern auch dann, wenn die Drehzahl der Turbine niedrig ist und daher
die Zentrifugalkraft nicht ausreicht, die erfindungsgemäße Hilfsströmung in Gang
zu setzen.
| Das erwähnte Hilfsmittel kann auch mit den |
| Mitteln kombiniert werden, die die Trennung der |
| Luft von dem Wasser unterstÜtzen, welches aus |
| dem Raum stromabwärts der Laufradspitze ange- |
| saugt wird. Ein Ausführungsbeispiel. für eine der- |
| artige Kombination ist in den Fig. 6 und 7 darge- |
| stellt. Man gibt hierbei der Nabe des Propeller- |
| rades :2o, das in der stromabwärts liegenden |
| Öffnung 5 der Lauf radspitze 2 liegt, einen Durch- |
| messer, der es ermöglicht, sie als rolirförmige Nabe |
| :23 auszubilden. Eine Platte 2,4 mit zahlreichen |
| Öffnungen:25 ist quer in der rohrförmigen Nabe:23 |
| befestigt, wobei die Öffnungen 25 einen sehr fein |
| unterteilten Durchgang bilden. |
| Um in diesem Falle die Montage der Laufrad- |
| spitze zu ermöglichen, wird die perforierte Platte |
| 24 erst an ihren Platz gesetzt, wenn die Befesti- |
| gungsflansche der Teile, die die- Laufradspitze |
| bilden, angeschraubt worden sind. Auf diese Weise |
| hat man zum Inneren der Laufradspitze durch die |
| Öffnung der rohrförmigen Nabe 23 Zugang. Die |
| Befesti ' gung der Platte --24 kann dann durch eine |
| Anzahl von Schweißpunkten am Umfang der strom- |
| abwärts liegenden Fläche der Platte :24 vorge- |
| nommen werden. Diese Schweißpunkte können mit |
| einem Meißel entfernt werden, so daß die Platte |
| gelöst werden kann, wenn es nötig sein sollte, aufs |
| neue Zugang zum Inneren der Laufradspitze zu |
| schaffen. Wenn der Durchmesser der Laufradspitze |
| relativ klein ist, kann man die rohrförmige Nabe |
| 23 und die Schaufeln 22 des Propellerrades 2o auch |
| als Ganzes abnehmbar ausbilden. |
| Die Anordnung gemäß den Fig. 6 und 7 kann |
| vorzugsweise dann benutzt werden, wenn sich unter |
| kritischen Betriebsbedingungen der Maschine die |
| Druckverhältnisse einerseits unmittelbar strom- |
| abwärts der Laufradspitze 2 und andererseits in |
| deren Innerem auf Grund der Zentrifugalkraft, die |
| besonders intensiv an innerem Umfang der Lauf- |
| radspitze ist, so einstellen, daß sich am Umfang der |
| öffnung 5 der Laufradspitze eine Strömung aus- |
| bildet, die nach außen gerichtet ist, während im |
| mittleren Bereich der Öffnung 5 das Wasser weiter- |
| hin in das Innere der Laufradspitze gesogen wird. |
| Die vorstehend beschriebene Einrichtung zur |
| Teilung des in die Laufradspitze eingesogenen |
| Wasserstromes und zur Verstärkung der Pump- |
| wirkung über dem Kern des Wasserstromes am |
| Eingang des Saugschachtes können auch in der in |
| Fig. 8 dargestellten Weise ausgeführt sein. Sie ist |
| vorzugsweise für eine Kaplanturbine geeignet, wie |
| sie in dieser Figur dargestellt ist. |
| Erfindungsgemäß ist stromabwärts der Laufrad- |
| nabe 26 des Kaplanrades eine Haube befestigt, die |
| in den Eingang des Saugschachtes 4 hinabreicht |
| und durch einen Hohlkörper 27 gebildet wird. |