Wasserturbine mit hoher spezifischer Drehzahl. Die wirtschaftlichen Verhältnisse und die immer fortschreitende Entwicklung der Elektrotechnik verlangen bei der Ausnützung e der Wasserkräfte für die in Betracht kom menden Turbinen hohe Drehzahlen, bei mög lichst günstiger Ausnützung der Natur kräfte.
Diese Forderung führt bei Wasserkraft werken mit kleinem Gefälle auf Wasser turbinen mit hoher spezifischer Drehzahl. Den bisher bekannt gewordenen Konstruk tionen von Schnelläuferturbinen haftet der Nachteil an, dass sie zum Teil nicht genü gend hohe Drehzahlen oder Wirkungsgrade erreichen und dass bei verhältnismässig klei ner Verringerung des Durchflusses der Wir kungsgrad zu sinken beginnt und bei wei terer Verringerung des Durchflusses verhält nismässig rasch abnimmt.
Die bisherigen Schnelläuferkonstruktionen sind im allgemeinen charakterisiert durch Laufräder, deren Schaufeln im Verhältnis zum mittleren Radumfang und zum Laufrad durchmessen, gemessen in der Richtung des relativen Wasserdurclxflusses, kurz sind. Ausserdem wurde- im allgemeinen erkannt, dass ein verhältnismässig grosser Schaufel spalt zur Erreichung eines guten Nutzeffek tes notwendig ist.
Die verschiedenen, für die Turbinenberechnungen in Betracht kommen den Theorien, nämlich die ein-, zwei- oder dreidimensionale Theorie, gestatten bei den komplizierten Strömungsvorgängen. welche für Schnelläufer in Betracht kommen, die ge naue Berechnung der Stromlinien, selbst für die normalen Verhältnisse, welche der be treffenden Konstruktion zugrunde sind, nicht;
und um so weniger für die verschie denen Teilbeaufschlagungen. Infolgedessen ist es kaum möglich, die Eintrittswinkel der Laufradsch.aufeln derart zu bestimmen, dass wenigstens bei normalen Betriebsverlhältnis- sen ein stossloser Eintritt des -Wassers in das Laufrad erfolgt, während bei Teilbeauf- schlagungen die Grössen der beträchtlichen Winkelabweichungen der relativen Eintritts strömung und des Eintrittsschaufelwinkels kaum annähernd bestimmt werden können.
Infolgedessen arbeiten diese Schnelläufer räder im allgemeinen mit beträchtlichen Ein- trittsstossverlusten, welche an und für sich einen bedeutenden Leistungsverlust darstel len. Ausserdem pflanzen sich die von der Stosswirkung herrührenden Wirbelungen mit der Strömung längs der ganzen, verhältnis mässig kurzen Schaufeln fort, so dass sie beim Austritt des Wassers aus dem Laufrad noch vorhanden sind und sich mit den neu hinzukommenden Wirbelungen des Austritts stosses in das Saugrohr fortpflanzen und da selbst die für Schnelläufer besonders wich tige Energieumsetzung stören.
Die Fortpflan zung der vorgenannten Wirbelungen längs der ganzen Laufradschaufel verursacht auch Korrosionen, welche die Oberfläche der Schaufelung aufrauhen, den hydraulischen Reibungswiderstand vergrössern und zu einer raschen Abnahme des Nutzeffektes der Tur bine und zur allmählichen Zerstörung der selben führen.
Die kurzen Schaufeln der bisherigen Konstruktionen geben dem Wasser eine ver hältnismässig schlechte Führung, insbeson dere dann, wenn durch den Eintrittsstoss in das Laufrad Wirbelungen und Kontraktionen eintreten, wodurch die Bestimmung der re lativen Austrittsrichtung, mit welcher das Arbeitsmittel das Laufrad verlässt, nicht ge nügend genau bestimmt werden kann. Da aber bei Schnelläuferkonstruktionen noch ein grosser Teil der Gesamtenergie in dem aus dem Laufrad austretenden Wasser enthalten ist, kann eine unsichere Bestimmung der Richtung und Grösse des relativen, bezw. ab soluten Wasseraustrittes aus dem Laufrad zu viel zu grossen Austrittsverlusten führen, wodurch der Nutzeffekt der Turbine schlecht wird.
Es sind auch Schnelläuferturbinen mit verhältnismässig langen Schaufeln bekannt geworden, bei welchen jedoch die Umlenkung des Betriebswassers von der radialen Rich tung in die achsiale innerhalb des Laufrades erfolgt. Solche Laufräder haben allerdings den Vorteil, dass zufolge der langen Schaufeln in der abgewickelten Stromfläche die abso lute und relative Austrittsrichtung des Was sers bestimmt ist, dagegen ist die Bestim- mung der Stromflächen selbst wegen der Umlenkung innerhalb des Laufrades eine unsichere und infolgedessen ist auch bei die sen Schnelläuferturbinen die Bestimmung der genauen Richtung und Grösse des rela tiven und absoluten Austrittes im Raume unsicher und schwierig.
Vorstehend beschriebene Nachteile sollen durch die Turbine, welche Gegenstand der Erfindung bildet, vermieden werden. Erfin dungsgemäss ist diese Schnelläuferwassertur- bine mit in axialer Richtung vom Wasser durchströmten Laufrad, das höchstens drei als Schraubenflächen ausgebildete Schaufeln ohne Aussenkranz aufweist, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schraubenflächen mit ver änderlicher Steigung verlaufen und die Schaufeln von solcher Länge sind. dass für jeden Punkt jeder Schaufel die Länge eines Schnittes der letzteren mit einer Strom fläche durch diesen Punkt mindestens gleich ist der Schaufelteilung am Austrittsende des Laufrades in dieser Stromfläche.
Trotzdem die Wandreibungsverluste im Verhältnis der Schaufellängen zunehmen, werden bei dem Laufrad einer Turbine, ge mäss der Erfindung, wesentlich längere Schaufeln angewendet, als bisher üblich wae, und zwar um eine lange und sichere Wasser führung beim Durchfluss durch das Laufrad zu bewirken und um die Störungen und Wir- belungen, welche bei nichtstosslosem Eintritt des Wassers in das Laufrad auftreten, vor dem Austritt aus dem Laufrad zu beruhigen.
Dadurch wird ein gleichmässiger und in sei ner Richtung genauer besi:immter, relativer bezw. absoluter Austritt aus dem Laufrad erzielt, welcher verhältnismässig leicht rech nerisch oder konstruktiv bestimmt werden kann. Daneben ist. es möglich, den Laufrad schaufeln überall eine sanfte Krümmung zu geben, was bei den ausserordentlich grossen Relativgeschwindigkeiten innerhalb des Lauf rades zweckentsprechend ist, um Stossver luste, Kontraktionen und Wirbelungen zu vermeiden.
Bedingung für die Länge der einzelnen Schaufeln ist, wie eben erwähnt, erfindungs- gemäss, dass für irgend einen Punkt jeder Schaufel die Länge eines Schnittes der letz teren mit einer Stromfläche durch diesen Punkt mindestens gleich ist der Schaufel teilung am Austrittsende des Laufrades in dieser Stromfläche.
Ermöglicht die Anwendung einer an sich bereits bekannten langen Schaufel die genaue Ermittlung der relativen und absoluten Was seraustrittsrichtung in der abgewickelten Stromfläche, so bewirkt die Anwendung des axialen Durehflusses im Laufrad die mög lichst genaue Bestimmung der Stromflächen selbst, womit die Strömungsrichtungen im Raume im absoluten und relativen System bestimmt- sind.
Die Anwendung einer Schraubenfläche mit konstanter -Steigung bei Laufradschau- feln ist bekannt, wäre aber für die allmäh liche und möglichst vollständige Energie abgabe an das Laufrad nicht zweckmässig. Die Schaufeln .der Schnelläuferturbine ge mäss der Erfindung werden deshalb als Schraubenflächen mit veränderlicher Stei gung ausgeführt.
Es ist günstig, wenn die Steigungshöhe der Schaufelfläche in der re lativen Durchflussrichtung des Wassers ge sehen, allmählich abnimmt, dass also der Schaufeleintrittswinkel grösser wird als der Sehaufelaustrittswinkel. Ein verhältnismässig grosser Schaufeleintrittswinkel bietet in hy draulischer Beziehung den Vorteil der Ver minderung hoher Relativgeschwindigkeiten beim Laufradeintritt und der Steigerung der meridionalen Durchflussgeschwindigkeit, wo durch die Eintrittsdurchmesser des Lauf rades geringer gewählt werden können und eine höhere Schnelläufigkeit erzielt wird.
Je nach der Wahl des Eintrittswinkels im Verhältnis zum Austrittswinkel des Lauf rades kann der .das Laufrad einhüllende Ro- tationshohlrauriz zylindrisch- kegelförmig oder ein beliebiger Rotationshohlraum mit stetiger Meridiankurve sein, deren Haupt richtung nicht wesentlich von der Richtung der Laufaxe abweicht.
Die neue Erkenntnis, für Schnelläufer wasserturbinen ein axiales Schraubenrad mit Schraubenflächen als Schaufeln anzuwen den, deren Steigung veränderlich ist und deren Längen in jedem Schnitt mit einer Stromfläche mindestens gleich ist der Schau felteilung am Austrittsende des Laufrades in dieser Stromfläche, ergibt Schnelläufer wasserturbinen, deren Strömungsverhältnisse besonders stabile und verhältnismässig leicht und sicher bestimmbare sind, und welche we gen dem axialen Durchfluss dem in jeder Richtung sanften Umlenken des Wassers und der veränderlichen Schaufelsteigung sich für hohe Schnelläufigkeit und günstige -Ausnüt- zung der Naturkraft besonders gut eignen.
Da durch die Kombination der an und für sich bekannten Schraubenschaufel mit ver änderlicher Steigung mit der ebenfalls an sich bekannten langen Schaufel bei axialem Durchfluss eine wesentlich sicherere Fest stellung der Strömungsvorgänge im Lauf rad möglich ist, als dies bei den bisher be kannten Schnelläuferkonstruktionen der Fäll war, kann die erfindungsgemässe Sühnell- läuferturbine nicht nur rechnerisch und kon struktiv im vornherein mit mehr Sicherheit entworfen werden, als dies der Fall war,
son dern sie kann insbesondere durch Versuche wegen der besseren Erfassung lind Erkennt nis der innern. Vorgänge auf einen hohen Grad der Vollkommenheit betreffs Nutz effekt und Stabilität gebracht werden..
Da das vorbeschriebene Laufrad bei sehr hoher Schnelläufigkeit mit grossen Durch flussgeschwindigkeiten arbeitet, ist es zweck- i ässig zur Vermeidung von Reibungsver- m lusten und von Wirbelbildungen, dass das zu gehörige Leitrad besonders reichliche Aus trittsflächen besitzt, wie solche bisher bei den bekannten Konstruktionen nicht angewendet worden sind.
Es hat sich ergeben, dass es zweckmässig ist, wenn die Austrittsfläche des Leitrades, welche durch Rotation der Leit- radaustrittskante bei voller Leitradöffnung um die Wellenaxe dargestellt ist, gleich oder grösser genommen wird als 3 r27r wobei r der Radius des kleinsten Quer- schnitten des das Laufrad umhüllenden Ro tationshohlraumes ist.
Eingehende Versuche haben weiter ge zeigt, dass es zweckmässig ist, den mittleren Austrittsdurchmesser Dm des Leitrades nicht beliebig zu vergrössern, was auch den prak tischen Forderungen widersprechen würde und dass die Verhältnisse am günstigsten werden, wenn die Leitradbreite B gleich oder grösser als r ausgeführt wird.
Beispielsweise Ausführungsformen der er findungsgemässen Turbine sind auf beiliegen der Zeichnung schematisch gezeigt, in welcher Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt; Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel im Vertikalschnitt, Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel im Vertikalschnitt; Fig. 4 ist ein schematisch gehaltener Vertikalschnitt durch eine Turbine zur Ver anschaulichung der Bedingung für die Schau fellänge; Fig. 5 ist eine Abwicklung des Schnit tes der Stromfläche mit der schraubenförmi gen Schaufel von Fig. 4.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bezeichnet 1 das Laufrad, das mit einer schraubenförmigen Schaufel mit veränder licher Schaufelsteigung von entsprechender Länge versehen ist. Der Rotationshohlraum \2, 2, welcher das Laufrad einhüllt, - ist von zylindrischer Gestalt, an welches ein belie biges, den besonderen Verhältnissen ange- pa.sstes und in der Zeichnung nicht gezeigtes Saugrohr anschliesst. Die Welle 3 des Lauf rades ist senkrecht angeordnet. Der Leitappa- rat besitzt bewegliche Leitschaufeln 4 und ist im wesentlichen vom Wasser in radialer Richtung durchflossen.
Zwischen das radial durchströmte Leitrad und das axial durchströmte Laufrad muss naturgemäss ein grosser, freier Ströinungs- ra.um H eingeschaltet werden, in welchem sieh die vom Leitrad herrührenden Wirbe- lungen und Austrittsstossverluste beruhigen können, bevor die Strömung das Laufrad erreicht, da beim Eintreten dieser wirbeln- den Strömung in das mit hohen Durchfluss- geschwindigkeiten arbeitende Laufrad der Nutzeffekt und die Haltbarkeit der Turbine beträchtlich herabgemindert würden.
Ausser dem soll dieser freie Strömungsraum bewir ken, dass das Aufschlagwasser sich nach dem Prinzip der wirbellosen Strömung bereits vor dem Laufrad sammelt und dass möglichst geringe Eintritts- und Durchflussverluste sich ergeben. Ausserdem kann die Form gebung dieses Strömungsraumes so gewählt werden, dass eine möglichst verlustlose Be schleunigung des Betriebswassers vom Leit- radaustritt bis zum Laufradeintritt bewirkt wird.
Der -Übergang zwischen Leitrad und Um hüllungshohlraum 2, 2 .des Laufrades wird im Meridianschnitt durch einen Viertelkreis bogen vom Radius s als Erzeugenden be grenzt. Die lichte Weite B des Leitrades ist gleich dem Halbmesser R des Rotationshohl raumes 2, 2.
Fig. 2 stellt eine geschlossene Turbine dar mit diagonal durchflossenem, mit drehbaren Leitschaufeln 4 -ausgestatteten Leitapparat. Das Laufrad besitzt zwei schraubenförmige Schaufeln. Der freie, schraffiert gezeichnete Strömungsraum ist wieder mit H bezeichnet, und der Übergang desselben nach dem das Laufrad umhüllenden Rotationshohlraum 2, 2 geschieht durch eine Wand mit einer Erzeugenden, welche nach den Krümmungs- radien ;i, c@z. s3 gekrümmt ist.
3 bezeichnet die vertikale Laufradwelle und 5 das Gehäuse der geschlossenen Tur bine. Der das Laufrad 1 umhüllende Rota tionshohlraum 2, 2 ist als Kegelmantel aus gebildet. an welchen sich wieder ein Saug rohr anschliesst.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 stellt eine Turbine dar, bei welcher der Wasserdurchfluss sowohl im Leitapparate, als auch im Laufrade in axialer Richtung er folgt. Der Leitapparat ist mit festen Leit- schaufeln 4 ausgestattet. Die innere Begren zung des freien Strömungsraumes H ist zy lindrisch, .durch ein Führungsrohr 6, in wel- chem- sich die Turbinenwelle 3 bewegt, ge- bildet, während die äussere Begrenzungs fläche durch Rotation eines S-förmigen Me ridians 7 erzeugt wird.
Der das Laufrad um hüllende Rotationshohlraum 2, 2 besitzt eine Erzeugende von .variabler Krümmung, an welchen Raum sich wiederum ein Saug rohr anschliesst.
Fig. 4 und 5 zeigen die schraubenförmi gen Schaufeln in ihrer Länge. Fig. 5 zeigt ausserdem die veränderliche Steigung der Schraubenschaufel. Die erzeugende Strom linie der Stromfläche ist im Abstand ria im Laufradeintritt und r2a im Laufradaustritt in Fig. 4 eingezeichnet, und Fig. 6 zeigt die Abwicklung des Schnittes der Schrauben fläche mit der Stromfläche;
wobei letztere annäherungsweise als Kegelmantel angenom- mezi wurde. Die Länge lx ist grösser als die Teilung auf dem Austrittsende, welche in diesem Falle gleich 2r2gzr ist.
Sämtliche in vertikaler Anordnung ge zeichneten Ausführungsbeispiele gelten na turgemäss auch für horizontale Anordnung.