Hydraulische Kreiselmaschine. Bei bekannten Turbinenkonstruktionen verwendet man zur Erzeugung der Rota tionsströmung vor .dem Laufrad entweder ein Spiralgehäuse allein oder ein Spiralge- häuse in Verbindung mit festen oder Leitschaufeln oder dergleichen. Die Absperrung und Regelung der Betriebsflüs sigkeit für das Laufrad geschieht durch be wegliche Leitapparate mit ein oder mehre ren Schaufeln, durch Ringschützen usw.
Es sind auch Turbinen bekannt, bei denen das Laufrad nicht nur als Regulier-, sondern auch als Abschlussorgan verwendet wird. Bei letzteren Ausführungen jedoch strömt die Betriebsflüssigkeit ohne Rotation, also in achsialer Richtung durch den Turbi- nendrucks@chacht dem Laufrad zu.
Erst kurz vor dem Eintritt in das Laufrad wird die Elüs- sigkeitdurch fest eingebaute Leitschaufeln etwas in derUmfangsrichtungabgelenkt. Diese Ablenkung erfolgt aber für alle Beaufschla- gungen in einer gleichbleibenden Richtung, unter welcher der Flüssigkeitsstrom unge fähr im rechten Winkel auf die Schaufel- flächen des Laufrades trifft. Ein schaufel loser Raum zwischen Leit- und Laufrad ist dabei nicht vorhanden.
Während bei bekannten Turbinen zur Erzeugung eines Wirbels mit veränderlicher Steigung gonetruktion@selemente, wie zum Beispiel bewegliche Leitapparate herangezo gen wurden und die Wandformung nur so weit ausgenützt wurde, um eine, ohne be weglichen Leitapparat nicht regulierbare. konstante Einströmung in das Laufrad aus zubilden, wird gemäss der Erfindung die Flüssigkeit selbst dazu herangezogen, und zwar 1. durch geeignete Umhüllung und 2. durch verstellbare Laufschaufeln.
Die den Gegenstand vorliegender Erfin dung bildende Kreiselmaschine (Turbine oder Pumpe) ohne bewegliche Leitschanfeln ist gekennzeichnet durch die Vereinigung einer Vorrichtung zur Ausbildung einer Um fangskomponente des Wassers mit einem an schliessenden, trichterförmigen Rotations hohlraum zur Erzeugung eines FIelmholtz- schen Wirbels und mit einem Laufrad mit verstellbaren Schaufeln mit beliebig gestal teten Ein- und Austrittskanten, dessen Schaufeln derart verstellt werden können, dass sie .den Wasserdurchfluss mindestens unvollkommen absperren,
und das zur Re gulierung und Ausnützung des Helmholtz- schen Wirbels dient, wobei die Steigung der in dem Rotationshohlraum sich ausbildenden Rotationsströmung durch Verstellen der Laufschaufeln, ausgehend von der Geschlos- senstellung der Schaufeln, von der kleinsten bis zur grössten Wassermenge und umgekehrt derart verändert wird, dass die Betriebsflüs sigkeit die Laufradschaufeln in der jeweils hydraulisch günstigsten Richtung anströmt.
Die Erfindung stellt also die planmässige Ausbildung und Ausnützung einer verlu3tar- men rotierenden Potentialströmung (Helm- holtzs.cher Wirbel) dar, dessen Steigung und Ausbildung ausschliesslich durch Veränderung der Lage der entsprechend ausgebildeten und ausgeteilten Schaufeln des Laufrades derart bewirkt wird, dass die Flüssigkeit, ohne eine weitere Strömungsformung zu benö tigen, bei allen vorkommenden Schaufelstel lungen mit der von der Schaufelstellung ab hängigen Richtung der Relativbahn in das Laufrad eintritt,
was für den Grenzfall voll kommenen Staues eine mehr oder minder voll kommen dichtende Anordnung der Laufrad schaufeln notwendig macht, um auch beim Übergang vom Stillstand in den Betrieb eine möglichst vollkommene Stetigkeit in den Zu nahmen der Anlaufmomente und in .den Flüseigkeitsbesehleunigungen zu erhalten.
Die Kreiselmaschine gemäss dieser Erfin dung stellt also in der Gesamtheit ihrer Bau elemente einen verlustarmen, trichterförmi gen Geschwindigkeitstransformator dar, in welchem der Arbeitsstrom selbst dazu her angezogen wird, in sieh in Verbindung mit der Schaufelstellung des Laufrades Winkel und Geschwindigkeit für alle Beaufschla- gungen bis zum vollkommenen Abschluss stetig zu regulieren.
Bei einem Turbinenlaufrad .soll die Be- triebsflü6sigkeit den Laufradschaufeln unter einem gewissen Winkel zugeführt werden und zu diesem Zwecke wird die Flüssigkeit bekanntlich vor dem Laufrad in eine Rota tionsbewegung (rotierende Potentialströmung) versetzt, die durch bekannte Ausbildung des Wasserzulaufes erzeugt werden kann. Die Rotationsströmung kann also beispielsweise durch tangentiellen Einlauf erzeugt werden.
In dem daran ansohliessenden trichterförmi gen Laufradschacht wird sich @durüh die Um fangsströmung (r . c" - const.) einerseits und durch die Meridiangeschwindigkeit c." anderseits eine schraubenförmige verlustarme Potentialströmung einstellen, die die Eigen schaft hat, dass die Tangentialflächen an diese räumliche Flüssigkeitsschraube in jeder Stel- lungder Laufradschaufeln,
wenn deren Ein trittskantenrichtung entsprechend gewählt wird, mit .den Tangentialfläch.en an die Ein trittskanten der einzelnen Schaufelkurven zu sammenfallen, so dass für alle Beaufschla- g-ungen bis zur Beaufsehlagung Null -ein praktisch stoss- und wirbelfreier Eintritt in die nach den Relativstrahlen geformten Laufradschaufeln gewährleistet ist.
Nach einer in diesem Zusammenhang ge wonnenen Erkenntnis wird nämlich die Schraubensteigungder rotierenden Potential strömung, deren Geschwindigkeit in dem trichterförmigen Laufradschacht transfor miert wird, :durch die jeweilige Stellung der entsprechend gestalteten Laufradschaufeln erzwungen, so dass also bei jeder Laufrad stellung die Tangente an einen beliebigen Stromfaden der Schraubenlinie mit der Tan gente an die Schaufelkurve am Eintrittsende zusammenfällt.
Durch die Wechselwirkung zwischen dem ta.ngentiellen Einlauf und dem trichterförmi gen Laufradschacht verändert sich die Stei gung der schraubenförmigen verlustarmen Potentialströmung bei veränderlicher Beauf- sehlagung dadurch, :dass bei kleineren Beauf- s-chlagungen die c"-Strömung, hervorgerufen durch den tangentiellen Einlauf, und bei grossen Beaufs:
chlagungen die c"j- Strömlrng im trichterförmigen Laufradechacht vor- herrscht. Zu dieser Erscheinung tritt noch die Rückwirkung der Laufschaufeln hinzu, so dass die Betriebsflüssigkeit die Laufrad- schaufeln in allen Stellungen in der Relativ bahn anströmt.
Bei der Kreiselmaschine gemäss der Er findung verringert sich durch Weglassung des Leitapparates die Radialausdehnung der Turbinenkammer. Gleichzeitig mit dem Leitapparat werden auch die ansonsten not wendigen Teile für dessen Verstellung er spart und die teure Doppelregulierung des Leit- und Laufrades durch die Einfachregu lierung des Laufrades ersetzt.
Die Abmessungen der Laufradschaufeln werden derart gewählt, dass sie in der Ge- schlossenstellung, ähnlich wie bei den Leit- apparaten, in bekannter Weise zum gegensei tigen Anliegen kommen, oder da.ss zwischen den Eintritts- und Austrittskanten der be nachbarten Schaufeln ein Spalt verbleibt, der so schmal ist, dass der Durchtritt des Wa-s- sers durch da.s Laufrad, praktisch genom men, gesperrt wird.
Bei der zuletzt genannten Ausführung dür Laufschaufeln ist es auch möglieh, durch ein Weiterdrehen über die Geschlos-senstel- lung hinaus eine Bremswirkung auf das Laufrad zu erzielen, um damit beim Abstel len der Maschine eine Verkürzung der Aus laufzeit durch diese Bremswirkung ohne zusätzliche Einrichtungen zu erreichen.
Ein solches Laufrad mittelst dem der Wasserdurchfluss praktisch gesperrt werden kann, hat gegenüber bekannten, diese Eigen schaft nicht aufweisenden Laufrädern den Vorteil, dass beim Durchdrehen der Schau feln zum Zwecke der Bremsung die Betriebs flüssigkeitsmenge durch den Wert :Null geht und sodann allmählich zunimmt, so dass eine stetige Vergrösserung des. Bremsmomentes ohne Stoss und Schwingung erreicht werden kann, was besonders für grosse Maschinen notwendig ist.
Die Kreiselmaschine gemäss der Erfin dung ist nicht durch Zusammenlegen eines Laufrades und eines Leitapparates entstan- den zu denken, sondern sie kann im wesent lichen als eine Vorrichtung zur Erzeugung und Ausnützung eines verlustarmen Helm holtzschen Wirbels betrachtet werden, der bei konstanter Umhüllung durch Regulierung .der in ihm am Ort rotierenden Tragflächen erzeugt und für alle Beaufschlagungen voll kommen stetig verändert wird.
Wenn auch die einzelnen Elemente, wie Abs ohlussturbine, ti-ichterföimiger Druck schacht, tangentielle Zuführung und Schau felverstellung an sich bekannt sind, so liegt die Erfindung doch in der Vereinigung und dem Zusammenwirken dieser Elemente, in dem die Wand zur Umhüllenden herunterge drückt wird und die Strömung für alle Be- aufs-chla-gungen stetig aus sich heraus .ge formt wird.
Übrigens ist der Absohluss des Laufrades nicht als Verschluss die Hauptsache, sondern als Ausgangspunkt für Verstellungen der Schaufeln zur Erzeugung eines verlustarmen Helmholtzschen Wirbels. Jede andere Mög lichkeit, zum Beispiel ein getrennter Ab schluss oben oder unten, ergibt nicht nur un günstige Anlaufverhältnisse, sondern bedeutet hier eine über den Umfang des Laufrades ungleiehmässig verteilte Massenbeschleuni gung aus der Ruhestellung @ heraus, was eine ungeordnete Stromfadenausbildung bedingt, die Ablösungen und Verlagerungen des Wir belzentrums zur Folge hat.
Dadurch würden unzulässig grosse radial zur Turbinenachse gerichtete Kräfte entstehen.
In den Fig. 1 und 2 ist als Ausführungs beispiel der Erfindung eine achsial .durch strömte Turbine dargestellt. An der Grenze zwischen Druck- und Saugraum iet das ab schliessbare Laufrad mit beweglichen Schau feln 1 angeordnet.
Die Schaufeln :dieses Ra des können sich in der Geschlossenstellung wie die bekannten Leitapparate entweder um den Betrag 4 überdecken (Fig. '3), stumpf berühren oder .so ausgebildet sein, dass eie aneinander vorbei in die entgegengesetzte Stellung durchgesehwenkt werden können (Fig. 4 und 5), wobei die Spalte 3, zwischen .den in .die Geschlossenstellung gebrachten Schaufeln so schmal angenommen werden können"dass so geringe Wassermengen durch treten, .dass, praktisch genommen,
ein Ab schluss zustandekommt. Beim DurGhschwen- ken der Schaufeln (Fig. 5) kommen. diese in eine Stellung, in der sie eine Bremswirkung ausüben- Die Ein- und Austrittskanten der Schaufeln können beliebig gestaltet sein.
An das Laufrad 1 schliesst sich nach oben der kegelartig gestaltete Wirbelkern 10 an, cer die Potentialströmung führt und zen triert.
Das Wasser läuft vom Oberwasser 16 flurch Kanäle 13 zu, die durch eine Leit- wand 12 voneinander getrennt und in den trichterförmigen, schaufellosen Laufrad- schaeht in ungefähr tangentialer Richtung einmünden. Durch diesen Wasserzulauf bil det sich in dem trichterförmigen Turbinen schacht 9 die freie rotierende Potentialströ mung aus, deren Drall nur durch Bewegen der Laufradschaufeln von der Wassermenge Null bis zu der grössten Beaufschlagung ste tig verändert wird, ohne dass eine besondere Strömungsformung notwendig ist.
An der Laufradnabe 15 vorbei strömt die Betriebs flüssigkeit durch das Saugrohr 14 in .das Un- terwasser 17.
Alles, was hier für Turbinen ausgeführt worden ist, gilt sinngemäss auch für Kreisel- pumpen.