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Für elastische Flüssigkeiten bestimmte Kreiselmaschine.
Der bisher üblichen Bauweise von Kreiselmasehinen für elastische Flüssigkeiten (Dampf-und
Gasturbinen bzw. Kreiselgebläse) liegt vorzugsweise die Stromfadentheolie (eindimensionale Theorie) zugrunde, deren Ergebnisse auf Leit- und Laufradkanäle von endlichem Querschnitt übertragen werden.
Dies führt einesteils auf unrichtige Schaufelwinkel und zwingt anderseits zu grossen Schaufelzahlen mit kleinen Schaufelteilungen, um wenigstens noch angenähert den theoretischen Anforderungen der Stromfadentheorie gerecht zu werden. Grosse Schaufelzahlen haben jedoch eine grosse vom Arbeitsmittel benetzte Gesamtsehaufelfläche und daher auch grosse Widerstände zur Folge, welche den Wirkungsgrad dieser
Kreiselmasehinen verschlechtern.
Ferner wird durch die üblichen grossen Schaufelzahlen die Herstellung der Kreiselmaschine verwickelt und verteuert, wozu noch der Umstand tritt, dass die Wahrscheinlichkeit einer Betriebsstörung mit der Zahl der verwendeten Schaufehl wächst.
Es sind zwar Kreiselmaschinen bekannt, welche bei kleiner Sbhaufelprofillänge eine grosse Schaufelteilung besitzen, um die bisher übliche kanal-oder zellenförmige Form der Laufradschaufelräume zu vermeiden. Derartige Bauwesen bezwecken jedoch eine Erhöhung der Drehzahl bei entsprechender Vermehrung der Menge des von der Kreiselmaschine zu verarbeitenden Arbeitsmittels. Da es sich bei der Erfindung jedoch um die Verwertung elastischer Flüssigkeiten handelt, so wäre eine weitere Erhöhung der üblichen Drehzahlen nicht vorteilhaft, sondern sogar schädlich, weshalb nach der Erfindung die Vermeidung der gebräuchlichen kanalförmigen Form der Schaufelräume (Zellen) nicht angestrebt wird.
Bei den erwähnten schnellaufenden Kreiselmaschinen mit grosser Schaufelteilung ist ferner der Eintrittswinkel der Laufradschaufeln klein (etwa 45 ).
Die Erfindung bezieht sich hingegen auf langsam laufende Kreiselmaschinen mit grossem Laufradeintrittswinkel (bei 90 ) und zeichnet sich dadurch aus, dass die Gesamtschaufe1fIäche jedes Rades oder wenigstens eines Rades kleiner ist als jene Drehfläche, die bei dem betrachteten Rade durch Umlaufen der Schaufelaustrittskante um die Kreiselmaschinenachse erzeugt wird, und dass der Laufradarlstritts- winkel kleiner ist als der achte Teil des Laufradeintrittswinkels.
Es wurde zwar bereits ein Turbinenrad vorgeschlagen, das eine im Verhältnis zur Schaufelteilung kleine Schaufellänge und somit auch eine verhältnismässig kleine Gesamtschaufelfläehe besass. Dieses Merkmal bringt jedoch für sich allein keinen technischen Fortschritt, sondern mangels genügender Strahlführung erheblich schlechtere Wirkungsrade als die bisher verwendeten Laufräder mit der üblichen kleinen Schaufelteilung.
In der Zeichnung ist das Wesen der Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert, u. zw. zeigt Fig. 1 die bisher übliche Leit- und Laufradbeschaufelung einer Dampfturbine, deren Schaufelprofile in bekannter Weise durch Ausbreitung der Zylinderfläche. A B (Fig. 5) in die Zeichenebene erhalten wurden. Fig. 2 zeigt die Laufradschaufelprofile nach der Erfindung in Verbindung mit der üblichen Leitradbesehaufelung. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist sowohl im Laufrad als auch im Leitrad eine Radbeschaufelung nach der Erfindung gewählt. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer mit besonders kleinen Schaufelzahlen versehenen Laufradbeschaufelung. Die Figuren 5 bzw. 6 zeigen schematische Skizzen von Axial-bzw. Radialdampfturbinen.
Nach den bisherigen Anschauungen darf'die Schaufelteilung t bzw. t1 (Fig. 1) aus dem Grunde nicht über ein gewisses durch praktische Versuche bestimmtes Mass vergrössert werden, "weil sonst die an der Schaufelrückseite vorbeiströmenden Dampfteilchen nicht vollständig abgelenkt und die gewollten Austrittswinkel nicht mehr erreicht werden." (Vgl. Stodola Die Dampfturbinen", Berlin 1910, S. 106.)
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Diese Ansicht ist nur solange angenähert richtig : als man an den Ergebnissen der ein-und zweidimensionalen Turbinentheorie festhält und für den praktischen Betrieb nur enge Schaufelkanäle bzw. grosse Schaufelzahlen als zweckmässig erachtet.
Derartige Schaufelkanäle gestatten zwar die gewünschte Annäherung an die erwähnten theoretischen Unterlagen, verursachen jedoch beim wirklichen Betrieb die geschilderten Nachteile, welche bei jeder übertriebenen Fiihrung des Arbeitsmittels längs der Schaufelflächen unvermeidlich sind.
Zur Beurteilung der Führung des Dampfes längs der Schaufelflächen gibt jedoch das Verhältnis der Grösse dieser Flächen zur Grösse des freien Durchgangsquerschnittes des Dampfes beim Radaustritt einen zweckmässigen Massstab. Bezeichnet I (Fig. 1) die Länge des Laufradschaufelrückens und b (Fig. 5) die mittlere Laufradschaufelbreite, so ist die gesamte vom Dampf benetzte Schaufelfläche durch das
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dass den bei teilweiser Beaufschlagung benutzten Leitraddüsen H (Fig. 5 und 6) nur jener freie Dampfdurchgangsquerschnitt zugrunde gelegt werden darf, welcher dem Ausflussquerschnitt dieser Beaufschlagung entspricht.
Auch bei Radialturbinen der üblichen Bauweise ist das bisher verwendete Fühmngs- verhältnis erheblich grösser als 1, wobei jedoch noch zu berücksichtigen ist, dass der freie Austrittsquerschnitt aus dem Leit-bzw. Laufrad angenähert durch einen Zylindermantel vom Durchmesser Di bzw. D (Fig. 6) und der Höhe al bzw. U2 (Länge der Austrittskanten) dargestellt wird.
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mässig gefundenen Menge Wert gelegt wird.
Vielmehr muss der Vergrösserung der Teilung t (Fig. 1) auf t2 (Fig. 2) auch eine Veränderung der Laufradwinkel entsprechen, was aus Fig. 2 auch ohne mathematischer Begründung durch folgende Überlegung verständlich wird :
Zieht man von dem Endpunkt p der einen Schaufel einen unter dem Lauf radeintrittswinkel ss geneigten Strahl h, so schneidet derselbe an der Verbindungslinie der beiden Schaufelendpunkte (el, e2)
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so werden zwischen je zwei Nachbarschaufeln durch diese erwähnten Strahlen (lb und f) drei Strömungs- bereiche mit wesentlich verschiedenen Elementarströmungen abgegrenzt.
Jene Dampfmenge, welche durch den mit m bezeichneten Querschnitt fliesst, kann so betrachtet werden, als ob sie in der relativen Eintrittsrichtung, also ohne Richtungsänderung durch das Laufrad zu strömen trachte, wogegen die durch die beiden Querschnitte n fliessenden und den Schaufeln benachbarten Dampfmengen die grösste Ablenkung erfahren. Es wird demnach die mittlere Ablenkung der ganzen durch die Querschnitte m und n fliessenden Dampfmenge um so mehr von den wirkhchen Schaufelwinkeln abweichen, je grösser der Querschnitt m gegenüber jenem von n gewählt und je mehr der Dampfstrahl in der Schaufel aus seiner relativen Eintrittsrichtung abgelenkt werden soll.
Es ist jedoch leicht einzusehen, dass es für den wirklichen Betrieb nicht
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zur Bestimmung des materiellen Schaufeleintrittswinkels angestellt werden müssen, weshalb auch die mittlere relative Eintrittsrichtung des Dampfes mit dem materiellen Eintrittswinkel im allgemeinen nicht übereinstimmen kann.
Daraus erklärt sich auch das überraschende Ergebnis, dass die materiellen Schaufelaustrittswinkel mit dem gewünschten Erfolge nicht nur die Grösse #Null" erreichen, sondern sogar negativ werden können, obwohl die übliche ein-und zweidimensionale Betrachtungsweisen die vollständige Unbrauchbarkeit einer derartigen Beschaufelung ergeben und selbst bei kleinen positiven Winkeln noch von #unvermeidlichen Stossverlusten" sprechen würden.
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solchen Fall ist aus den gleichen Gründen auch der I. eitradaustrittswinkel ao gegenüber den üblichen Angaben (oc, Fig. 1) erheblich zu verkleinern.
Auf Grund dreidimensionaler Untersuchungen, welche auch durch den praktischen Versuch geprüft wurden, konnte vom Erfinder festgestellt werden, dass ein Führungsverhältnis von rund 1/2 sich durch besondere Unempfindlichkeit des Wirkungsgrades der Dampfturbine gegenüber Drehzahlschwankungen derselben auszeichnet. Eine solche Laufradbeschaufelung ist beispielsweise in Fig. 4 durch
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Einführung dreidimensionaler Betrachtungen für einen möglichst geordneten (stoss-und wirbelfreien) Strömungsvorgang in diesen Rädern gesorgt wird. Eine derart geordnete und möglichst wirbelfreie Strömung und die Anwendung von mit Rücksicht auf diese abgeänderten Schaufelwinkeln zur Radbeschaufelung bildet jedoch die Voraussetzung zur Erzielung jener Vorteile, welche durch das durch die Erfindung angegebene Führungsverhältnis bewirkt werden.
Da die übliche Radbeschaufelung auch Schaufeln von verschiedener Wandstärke vorsieht, so wird zur schärferen Kennzeichnung des Erfindungsgegenstandes vorausgesetzt, dass die zur Ermittlung des Führungsverhältnisses erforderliche Gesamtschaufelfläche längs des Schaufelrückens (r, Fig. 3 und 4) gemessen ist. Schliesslich soll noch hervorgehoben werden, dass die in den Fig. 1-4 dargestellten Radbeschaufelungen aus Deutlichkeitsgründen in grösserem Massstab gezeichnet wurden als dies den Schaufelprofilen der durch die Figuren 5 und 6 angedeuteten Ausführungsbeispielen von Dampfturbinen entspricht. Auch bei den letztgenannten Figuren handelt es sich aus Deutlichkeitsgründen nur um schematische Skizzen, wie schon aus den gegenüber dem Raddurchmesser übertrieben gross gezeichneten Radschaufeln hervorgeht.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Für elastische Flüssigkeiten bestimmte Kreiselmaschine, deren Laufradeintrittswinkel nur wenig von 900 abweichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschaufelfläche jedes Rades oder wenigstens eines Rades kleiner ist als jene Drehfläche, die bei dem betrachteten Rade durch Umlaufen der Schaufelaustrittskante um die Kreiselmaschinenachse erzeugt wird, und dass der Laufradaustrittswinkel (80) kleiner ist als der achte Teil des Laufradeintrittswinkels (p).