Lauffad für schnellaufende Wasserturbinen. Bei den üblichen Bauweisen von schnell- laufenden Wasserturbinen tritt nicht selten der Fall auf, dass sich bei gleichbleibendem Drehmoment keine eindeutig bestimmte Dreh zahl der Turbine einstellt. So kann beispiels weise das gleiche Drehmoment unter sonst gleichen Verhältnissen bei zwei oder mehre ren voneinander erheblich abweichenden Laufraddrehzahlen zustande kommen, je nachdem dieses Moment durch Belastung oder Entlastung der Turbine erzielt wurde.
Diese in der Praxis zwar oft beobachtete, in der Li teratur aber nicht aufgeklärte Erscheinung ist auf labile Strömungszustände in der Tur bine zurückzuführen, welche dadurch be wirkt werden, dass die Gestaltung und gegen seitige Anordnung der Schaufelflächen den für eine stabile Wasserströmung erforder lichen Voraussetzungen nicht entspricht. Der artige labile Strömungen rufen jedoch im praktischen Betrieb grosse Nachteile hervor, weil die von der Turbine betriebene Arbeits maschine eine gleichbleibende Drehzahl ver langt.
Dazu kommen noch Schwierigkeiten in der Regulierung derartiger Turbinen, so wie die mit jedem labilen Strömungsvorgang unvermeidliche sprunghafte Veränderung des Wirkungsgrades.
Die vorliegende Erfindung bezweckt,. die geschilderten Nachteile zu beheben. Zu diesem Behufe wurde vor allem .die bisher übliche radiale oder angenähert radiale Beaufschla- gong des Laufrades und deren bei Schnell- läufern übliche "Laufraderweiterung" ver mieden, da beides die Ausbildung labiler Strömungserscheinungen begünstigt.
Gemäss der Erfindung ist wenigstens ein in der Nähe der Saugrohrwand befindlicher Schnitt einer Stromfläche mit zwei benach barten Schaufeln so beschaffen, dass die von dem Eintrittspunkt der einen Schaufel nor mal zu den Stromlinien gezogene Trajektorie nur die eine benachbarte Schaufel und diese nur innerhalb jenes Drittels des ganzen Schaufelprofils schneidet, welches von dem Austrittspunkt eben derselben aus gemessen wird.
Der Erfindungsgegenstand ist auf der Zeichnung durch zwei Ausführungsbeispiele veranschaulicht. Fig. 1 zeigt die linke lauf- radhälfte einer Wasserturbine im Aufriss, wobei die Schnittlinie m der Schaufelfläche mit einer durch den Halbierungspunkt H des äussersten Schaufelprofils gelegten Meridian- eb#-,iie ungefähr senkrecht auf die Laufrad welle gerichtet ist. Fig. 2 zeigt zwei in un mittelbarer Nähe der Saugrohrwand befind liche Schaufelprofile, welche durch den Schnitt zweier benachbarter Schaufeln mit einer Stromfläche z z erhalten wurden.
Fig. 3 zeigt ein Laufrad, bei welchem die Schnitte der Schaufelflächen mit Meridianebeiien durch den Halbierungspunkt H des äusser sten Schaufelprofils geneigt zur Laufrad achse stehen, und durch Fig. 4 sind jene Schaufelprofile dargestellt, welche durch den Schnitt der im Ausführungsbeispiel Fig. 3 angedeuteten Stromfläche y .y mit zwei Nach barschaufeln erhalten werden.
Zur Erzielung der gewünschten Schnell- läufigkeit darf der mittlere Eintrittswinkel @. der relativen Wasserströmung nicht gross :ein. Anderseits darf aber auch das Verhält nis zwischen Schaufelprofillänge (d) und Seb.aufelteilung t weder zu gross, noch zu klein sein. Ist dasselbe zu gross, dann kön nen kleine Winkel =;" keinen Erfolg bringen, weil die W.n.scerreibungsverluste zu gross sind. Die gewünschte Schnelläufigkeit wird daher nicht erreicht.
Ist das Verhältnis (d: <I>t)</I> zu klein, dann wird die Schnelläufigkeit zwar gross, aber es wächst damit auch die Gefahr des Eintrittes labiler Strömungszu stände. Sowohl das günstigste Verhältnis von ), : t, als auch der günstigste Wert von ;3", lassen sieh in eine einfache geometriselie Be- zi(-hung bringen, deren Erfüllung nicht nur die gewünschte Stabilität der @Vasserströ- mung sichert, sondern auch die Erreichung entsprechender spezifischer Drehzahlen ge währleistet.
Zieht man, wie aus Fig. 2 und 4 er sichtlich, vom Eintrittspunkte E des Schau felprofils normal zu den Stromlinien s s die Tra,jektorie sa n, so schneidet dieselbe nur ein Nrachbarprofil, und zwar so, dass der Schnitt punkt P innerhalb jenes Drittels der ganzen Profillänge I, gelegen ist, welches vom A.us- trittspunkt A gemessen wird. Diese Beziehung soll wenigstens in einer der Saugrohrwand benachbarten Stromfläche erfüllt sein.
Falls es jedoch die Festigkeit der Schaufel zulässt, so empfiehlt es sich, die äussern Schaufelteile, also etwa die von den äussern Schaufelenden bis zur Stromfläche z, z, (Fig.1) reichenden Schaufelflächen, nach der geschilderten Be ziehung auszugestalten.
Die geschilderten Vorteile sind selbst verständlich nicht von einer bestimmten Zu führungsrichtung des Wassers zum Laufrad abhängig. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist, wie aus den eingezeichneten Strom flächen zu entnehmen, eine Umlenkung des Wassers vor dem Eintritt in das Laufrad vorgesehen. Das Ausführungsbeispiel Fig. 3 zeigt keine derartige Umlenkung. Die La.uf- radschaufeln sind dortselbst gegen die Lauf radwelle geneigt, ohne dass durch diesen Um stand die im Wesen achsiale Beaufschlagung des Rades gestört wird.
Auch hier ist durch Fig. 4 gezeigt, dass die gewünschte geo metrische Beziehung zwischen dem Winkel A", der Teilung t und der Profillänge eingehalten. ist. Da, jedoch in diesem Aus führungsbeispiel der mittlere Eintrittswinkel r3", kleiner ist als in Fig. 2, so besitzt auch ein nach Fig. 4 ausgebildetes Laufrad eine grössere Schnelläufigkeit und demnach auch grössere Reibungsverluste.
Um aber dennoch den Wirkungsgrad eines solchen Rades zu verbessern, wurde der Schnittpunkt P der Normaltrajektorie n n mit dem Nachbarprofil mehr gegen den Austrittspunkt A verschoben. Aus den gleichen Gründen empfiehlt es sich auch, von der üblichen äussern und innern Laufradbegrenzung abzusehen. die Schaufeln also nur mit einer entsprechend ausgebilde ten Nabe H fest oder verstellbar zu ver binden.
'Wie schon der Verlauf der in Fig. 2 ein gezeichneten Stromlinien zeigt, stimmt bei derartigen Radbeschaufelungen der Schaufel eintrittswinkei fl keinesfalls mit dem mitt leren Eintrittswinkel rj", überein. Das gleiche gilt natürlich auch für die Austrittswinkel S bezw. dm. Dies hat zur Folge, dass die Be stimmung der Schaufelprofile nach drei dimensionalen Gesichtspunkten erfolgen muss, falls eine gute Übereinstimmung der rech nungsmässig gefundenen Werte mit den prak tischen Versuchsergebnissen gefordert wird.
Ein nach vorliegender Erfindung aus gebildetes Laufrad kann überall dort Ver wendung finden, wo neben entsprechender Schnelläufigkeit auf eine von der Drehzahl, Wassermenge und Gefällshöhe in weiten Grenzen unabhängige Stabilität der Wasser strömung Gewicht gelegt wird. Selbstver ständlich erfüllt aber eine solche Rad- beschaufelung nur bei Wasserturbinen die beabsichtigte Wirkung, weil es sich dort in der Hauptsache um die Umsetzung von Druck energie in äussere Arbeitsleistung handelt.
Bei Kreiselpumpen oder--gebläsen, Schiffs propellern und dergleichen, wo es sich in der Hauptsache um den. entgegengesetzten Umsetzungsvorgang handelt, lässt sich natür- lieh diese Wirkung nicht erzielen. Ebenso bedarf es keiner besonderen Begründung, dass sich die geschilderten Vorteile nur bei gleich zeitiger Benützung noch anderer Vorrichtun gen erreichen lassen, die zur Erzielung eines geordneten Strömungsvorganges in der Tur bine unter allen Umständen erforderlich sind.
Dazu gehört die Beaufschlagung des Lauf- rades durch einen entsprechend ausgebildeten Leitapparat und die Abführung des Wassers durch ein Saugrohr, welches im Bedarfsfalle noch einen entsprechenden "Saugrohr-Rück- gewinn" ermöglicht. Ebenso muss während des Betriebes das ganze Laufrad von strömen dem Wasser erfüllt sein.