Kreiselmaschine. In der Patentschrift Nr. 68080 ist eine Kreiselmaschine (Wasser-, Dampf- oder Gas turbine, Kreiselpumpe oder -Gebläse) besehrie- ben, deren Leitapparat so ausgebildet ist, dass im Meridianschnitt das Arbeitsmittel dem selben in radialer oder angenähert radialer Richtung zu- beziehungsweise abgeführt wer den kann.
Das Laufrad hingegen ist mindestens vor wiegend mit achsial beaufschlagten Schaufel räumen ausgestattet. Soll daher die Kreisel maschine als Turbine wirken, so erfordert die mindestens vorwiegend achsiale Beauf schlagung des Laufrades eine Ablenkung des Arbeitsnaittels im Leitapparat, zu welchem Zwecke die erwähnten Laufschaufelräume den Stirnkanten der Leitschaufeln zugehörig be- zieliungsweise benachbart sind.
Durch eine derartige Leit- und Laufschaufelanordnung wird daher schon das zwischen den Leit- schaufeln geführte Arbeitsinittel aus seiner ursprünglichen, keine achsiale Komponente aufweisende Eintrittsrichtung im erheblichen Masse abgelenkt, weil dieses Mittel auch min- destens längs eines Teiles der Stirnkanten der Leitschaufeln austreten kann.
Soll die Kreiselinaschine als Pumpe wir ken, so ist klar, dass zu diesem Zwecke nur eine Unikehrung der Strömungsrichtung er forderlich ist. Mindestens der grössere Teil des Arbeitsmittels durchfliesst sodann das Lauf rad in aelisialer oder angenähert achsialer Richtung und wird ini Leitapparat (Diffusor) aus dieser Richtung abgelenkt und verlässt denselben, im Meridianschnitt; gesehen, in wesentlich radialei- Richtung.
Die. vorliea-ende Erfindung betrifft eine weitere Ausgestaltung derartiger Kreiselma schinen, und bezweckt, die Reibungswider stände zu verringern, die bisher erreichte spezifische Drehzahl zu erhöhen und die Un- enipfindlichkeit des Wirkungsgrades gegen über Drehzahl und Belastungsschwankungen zu vergrössern, sowie eine vereinfachte Kon struktion.
Diese Verbesserungen werden gemäss der Erfindung dadurch bewirkt, dass zwischen einem mindestens grösstenteils achsial beauf- schlagien Laufrad und im wesenthelichen ohne achsiale Richtungskomponente durchflossenen Leitschaufeln ein seliaufelloser Raum einge schaltet ist, von solcher Gestalt, dass die Längen der am meridionalen Strombild in ihm gemessenen Wasserwege sieh gegen die Lauf- radwelle hin vergrössern und wenigstens der grössere Teil des Arbeitsmittels in diesein Rauine um etwa 90 abgelenkt wird.
Der ErfindungsgegenstanA ist auf den bei liegenden Zeichnungen durch Ausführungsbei spiele veranschaulicht.
Fig. 1 stellt den Schnitt der linken Hälfte einer Wasserturbine vor, welche einen Leit- apparat mit drehbaren Leitschaufeln S1 und ein aus der Vereinigung einer Francisturbine mit einer Aehsialturbine liervorgegangenes Laufrad, besitzt; Fig. 2 zeigt den Grundriss bei abgenom menem Leitrad- und Turbinendeckel und Fig. 3 die linke Hälfte eines Zwillingslaufrades, wel ches gleichfalls die erwähnte Vereinigung der beiden Turbineritv en zum Ausdruck brinut und durch eine vertikale, durch die Turbinen achse gelegte Ebene geschnitten ist;
Fig. 4 stellt die Verbindung eines mit Drehschaufeln versehenen Leitapparates mit einem im Wesen achsial beaufschlagten Lauf rad vor, wogegen Fig. 5 die Zwillingsanord nung der gleichen Laufradform zeigt; Fig. 6 zeigt den in die Bildebene abge wickelten Schnitt einer Stromfläche z,z (Fig. 4) mit zwei benachbarten Schaufelflächen S2 einer für besonders hohe spezifische Drehzahlen ge eigneten Wasserturbine.
Der einfacheren Darstellungsweise wegen sollen die weiteren Angaben hauptsächlich auf Wasserturbinen eingeschränkt werden, doch können dieselben sinngernäss auf alle andern Arten von Kreiselmaschinen der an gegebenen Art übertragen werden.
Da bekanntlich die Wasserreibungsverluste nicht nur von der Schaufellänge, sondern atiuh vom Grade der Krümmung und von der Weite der Sehaufelkanäle abhängen, so ergibt jede Leitradanordnung umso grössere Verluste an Flüssigkeitsreibung, je näher die Leitschaufel- austrittskanten an die Laufradvelle heran- rücken, weil die lichten Weiten zweier Nach barschaufeln mit der Annäherung an die Lauf radwelle ebenfalls abnehmen.
Eine Verringerung der Wandreibungsver luste lässt sieh daher zum Beispiel im Falle einer Turbine erzielen, wenn ein hauptsächlich mit achsial beaufschlagten Schaufelräumen versehenes Laufrad durch einen radialen Leit- apparat beaufsehlagt wird, dessen Leitsehaufel- stirnkanten entweder gar nicht oder nur in unerheblichein Masse über der) Saugrolirraum beziehungsweise über das Laufrad hineinragen. Ein derartiger Leitapparat ist in den Figuren 1-5 dargestellt. Die Leitschaufeln S1 sind um die Achsen M M drehbar angeordnet, welche Verstellbarkeit die gewünschte Rege lung der Wassermenge ermöglicht.
Das Wasser durchfliesst einen solchen Leit- apparat im wesentlichen ohne achsiale Rich tungskomponente. Dadurch wird im Vereine mit dein mindestens grösstenteils achsial, be- aufschlagten Laufrad bewirkt, dass zwischen Leit- und Laufrad ein schaufelloser Leitrauin Ro (Fig. <B>1)</B> gebildet wird.
von solcher Gestalt, dass die Lärio-en dei- 31eridianprojektionen dei- Wasserwege, das heisst die Längen der am meridionalen Strombild in ihm gemessenen Wasserwege, gegen die Laufradwelle hin zu nehmen, wie dies die Ausführungsbeispiele der Figuren 4 und<B>5</B> zeigen, in welchen durch 2 und<B>3</B> einige 'Wasserwege angedeutet sind. Derartige Wasserwege können bekanntlich mit Hilfe des meridionalen Strombildes gewonnen werden.
Je mehr sich daher die Wasserstril- inung der Luftradwelle nähert, desto weniger wird dieselbe durch Führungswände beeinflusst und desto geringer sind'daher die bei unriell- tiger Winkelstellung auftretenden Verluste.
Ans den Ausführungsbeispielen ist aber auch ersichtlich, dass durch die geschilderte Ausbildung des schaufellosen Leitradraunies wenigstens der grössere Teil des diesen Raum durchströmenden Wassers eine Ablenkung uni etwa<B>900</B> ei-fährt, ohne auf diesem Wege den eiiergieverzehrenden Einfluss besonderer Füh rungsflächen (Leit- oder Laufradschaufeln) aus gesetzt zu sein.
Eine solche Ablenkung des Wassers entspricht durchaus dem natürlichen Strömungsverlauf des Wassers zu einem in axialer Richtung durehflossenen Rohre oder mit anderen Worten: Eine derartige Ablenkung muss auch dann eintreten, wenn das Wasser ohne irgend welche Führungswände, also bei spielsweise nach Entfernung des Leit- und Laufrades dem Saugrohre zuströmen würde.
Zieht man noch die grossen Geschwindigkeits änderungen in Betracht, die bei jeder Ablen kung der Flüssigkeit aus seiner geradlinigen Bahn auftreten müssen, sowie die grossen WiderstandFverluste, welche jedem radial be- aufschlagtenSchaufelraume schon wegen seiner Lage zur Turbinenwelle anhaften, so ist es auch vom Standpunkt der neueren Strömungs- lehre leicht verständlich, dass eine mit einem derartigen schaufellosen Leitradraum ausge stattete Turbine die Erreichung erheblich gilisserer spezifischer Drehzahlen erlaubt als dies bei den üblichen Bauweisen möglich ist.
Wie aber auch bei der Zuströmung des Wassers zu einem Rohre durch entsprechende Abrun dung der Eintrittsmündung desselben die sollst auftretenden schädlichen Wirbelbildungen ver mieden werden können, so ist auch im schaufel losen Leitradraum durch eine entsprechende Abrundung der äusseren Laufradbegrenzungen beziehungsweise des Satigrohrflansches für eine allmähliche Richtungsablenkung des Wassers in diesem Raume zu sorgen. Der Strömungs vorgang vollzieht sich demnach folgender massen: Durch die Leitschaufeln S1 wird das Wasser gezwungen die Leitradaustrittskanten ao ao unter den gewünsebten Leitradau8tritts- winkeln zu verlassen und mit einer Geschwin digkeit in den schaufellosen.
Leitradraum Ro (Fig. 1, 3, 4 und 5) einzuströmen, der im wesentlichen keine achsiale Komponente an haftet. In diesem Raum wird nunmehr ent weder der grössere Teil des Wassers (Fig. 1, 2 und 3) oder die gesamte Wassermenge (Fig. 4 und 5) aus dieser radialen Richtung in die achsiale oder angenähert achsiale Richtung abgelenkt, um die gewünschte Beaufschlagung des Laufrades zu bewirken. In Figur 1 und 4, in welchen einfache Laufräder dargestellt sind, erfolgt die Ablenkung in die achsiale Rich tung an den Stellen der Pfeile 2. wogegen im Falle eines Zwillingslaufrades (Fig. 3 und 5) diese Ablenkung im Sinne der Pfeile 2 Lind 3 erfolgt.
Nur für den Fall, dass das Laufrad aus der Verbindung eines Francisturbinen- laufrades mit einer Achsialturbine erhalten gedacht werden kann, wie dies die Figuren 1 und 3 zeigen, fliesst ein kleiner Teil der im Leitradraum radial eintretenden Wasser menge wenigstens angenähert in dieser Rich tung dein Laufrade zu, wie dies in den Figuren 1 und 3 an den Stellen der Pfeile 1 ange deutet ist.
Nachdem das Wasser seine Energie an das Laufrad abgegeben hat, fliesst dasselbe durch das Saugrohr in das Unterwasser. Es ist selbstverständlich, dass derartig hohe spe zifische Drehzahlen auch grosse sogenannte #Austrittsverluste" bedingen, weshalb zweck mässig durch Anwendung entsprechender Saug rohre, deren Wirkungsweise noch durch die Heranziehung der Fliebkraftwirkung des Was sers verbessert werden kann, für einen ge nügenden #Saugrohrrückgewinn" gesorgt wird.
Das gemäss vorliegender Erfindang benützte Laufrad zeigt<B>die</B> gleiche oder wenigstens eine ähnliche Anordnung der Laufradschaufelpro file, wie diese in der Patentschrift Nr. 68080 atislührlich beschrieben ist. Ist daher ein aus achsialen und radialen Schaufelräumen Ri, R2 (Fig. <B>1</B> und<B>3)</B> bestehendes Laufrad vorgesehen, so zerfällt dasselbe durch den in Figur<B>1</B> ge- strielielt angedeuteten ideellen Laufradkranz, L in zwei bekannte Laufradformen,
von welchen der mit den Schaufelräumen Ri ausgestattete Teil mit einem Francisturbinenlaufrad Ähn lichkeit besitzt, wogegen der mit dem Schaufel- rauin P-u:, ausgestattete Teil ungefähr einem Achsiallaufrad Bauart Jonval entspricht. Da jedoch den radialen Schaufelräumen keine be sondere Uedeutung zukommt, so können diesel ben auch ganz entfallen, oder doch wenigstens durch Schaufelräume mit entsprechend geneig ter Eintrittsrichtung des Wassers ei-setzt wer den.
Auch kann das Laufrad nur im wesent- lieben achsial. beaufschlagte Schaufelräume <I>(R2</I><B>' )</B> besitzen, wie dies in den Ausführungs beispielen (Fig. 4-5) angegeben ist. Selbst verständlich ist es aber zu diesem Behufe durchaus nicht erforderlich, dass etwa die Lauf radeintrittskante zur Laufradwelle senkrecht gerichtet ist, da ja auch eine gekrümmte beziehungsweise schräg zu dieser Achse gerichtete Eintrittskante (z. B. e2 e2 Fig. 4) die gewünschte Ausgestaltung des schaufel losen Leitraumes beziehungsweise die vorge sehene Ablenkung und die Verschiedenheit der Wasserweglängen in demselben gestattet.
Die vorliegende Erfindung kann daher auch kurz als #die Beaufschlagung eines Achsial laufrades durch einen bisher für Radialturbinen verwendeten Leitapparat unter Vermittlung eines schaufellosen Zwischenraumes von be stimmten Eigenschaften angedeutet werden.
Es kann zwar durch eine derartige Leit- und Laufradanordnung ein durch besondere Führungsflächen bestimmter Strömungsverlauf im Leitraum nicht erzwungen werden, weil das Wasser besonders zu den der Turbinen welle benachbarten Schaufelräumen unmittel bar vor diesen durch Leitsehaufeln nicht mehr geführt wird, doch kann der dadurch unter Umständen auftretende Wirkungsgradabfall gegenüber den sonstigen durch die geschilderte Ablenkung des Wassers im Leitraum erzielten Vorteilen von keiner Bedeutung sein. So ist beispielsweise bekannt, dass bei vielen Tur binenanlagen die der Turbinenberechnung zu Grunde gelegte Wassermenge nicht immer zur Verfügung steht.
In solchen Fällen wird da her eine Turbine, welche zwar ein en kleineren Höchstwirkungsgrad, aber in einem grösseren Beaufschlagungsbereich einen höhern Durch schnittswirkungsgrad besitzt, zweifellos selbst einer Turbine mit höherem aber mit der Be aufschlagung stark schwankenden Wirkungs grad überlegen sein.
Ein solcher höherer Durchschnittswirkungs grad lässt sich aber nach vorliegender Erfin dung erzielen, weil bei der mit abnehmender Beaufschlagung erforderlichen Verdrehung der Leitschaufeln die unmittelbare Beeinflussung der Eintrittsrichtung des Wassers in das Lauf rad diesen Leitschaufeln nicht mehr zufällt. Somit kann in der neuen Leitschaufeldrehlage die von den theoretischen Forderungen ab weichende Verteilung der längs der Stirn- kanten vorhandenen Leitradwinkel den Strö- mungsverlauf nicht inehr so ungünstig wirkend beeinflussen.
Ebenso gestattet die geschilderte Leitraum- anordnung eine erhebliche Verkürzung der Leitschaufeln S1 und damit eine erhebliche Verbilligung ihrer Herstellung sowie eine leichte Bedienung des zur Verdrehung der Schaufeln erforderlichen Reguliergetriebes, weil die Lage des Drehbolzens solcher Leit- schaufeln immer so gewählt werden kann, dass der auf diese Schaufeln ausgeübte resul tierende Wasserdruck wenigstens in der Nähe des Drehbolzens angreift, wie dies beispiels weise aus Figur 2 zu ersehen ist. Es kann demnach die Verdrehung der Leitschaufeln mit geringen Regulierkräften bewirkt werden, was insbesoders bei automatischer Regulierung von Bedeutung ist.
Eine bis an die Grenze des il#löglielieil ge- ,steigerte Erhöhung der spezifischen Drehzahl kann bei einer derartigen Kreiselmaschine er zielt werden, wenn das Arbeitsmittel nicht nur auf seinem Wege bis zum Laufrad, son dern auch in den Laufradschaufelräunien nur jene Widerstände findet, welche zu einer brauchbaren Führung dieses M, ittels längs der Schaufeln unter allen Umständen erforderlich sind.
Die übliche Ansicht, dass eine brauch bare Führung des Arbeitstnittels nur in kanal förmigen Schaufelräumen (Laufradzellen) mög- lieh sei, ist nicht stichhaltig.
In der Patent schrift Nr. <B>70009</B> ist ausführlich gezeigt, dass die in der Umfangsriehtung gemessene Schau fellänge 2 (Fig. <B>6)</B> gegenüber der Schaufeltei lung<B>(i)</B> mindestens so verkleinert werden kann, dass die von den Endpunkten eines Schaufelprofiles (b2) normal zu den Strom linien gezogenen Trajektorien (ni, <I>n2)</I> das Nachbarprofil (b1) nicht mehr schneiden ohne die Führung des Arbeitsmittels zu schädigen.
Da demnach eine lichte Weite im Sinne der üblichen Auffassung nicht mehr vorhanden ist und auch die erwähnten Trajektorien zwischen zwei benachbarten Schaufelprofilen ],-einen kanalförmigen Raum abgrenzen, so haben derartige Laufräder an der betrachteten Stelle die übliche Zellenform verloren und eine Flügulform angenommen Solche flügelartige Laufräder, welche wie gezeigt auch vorteilhaft ohne äussere Laufradbegrenzung verwendet werden können, geben in Verbindung init der geschilderten Leitraumanordnung die höchst erreichbaren spezifischen Drehzahlen. Dazu koninit aber noch eine bisher unbekannte Gleichmässigkeit des Wirkungsgrades gegen über Gefällsschwankungen, welch letztere be kanntlich im Turbinenbetricb nicht zu ver meiden sind.
Da die von der Turbine ange triebenen Arbeitsinaschinen eine konstante Drehzahl erfordern, so muss daher das Lauf rad oft durch lange Zeit hindurch mit unrich tigen Schaufelwinkeln beaufschlagt werden. Eine solche Beaufschlagung ist aber bei den Üblichen Bauweisen mit grossen Effektverlusten verbunden.
Diese Nachteile werden aber dann wirksam vermieden, wenn (las In einem schao- fellosen Leitradraum entsprechend abgelenkte Wasser einem mit flügelartigen Schaufeln ver- sehenen Laufrade zugeführt wird, weil es sich in einem solchen Falle selbst jene Ein- trittsriehtung ins Laufrad wählen kann, welche den augenblicklichen Betriebsverhältnissen am besten entspricht, Diese zwanglose Einströ- mung des Wassers in das Laufrad, welche durch die geschilderte Vereinigung der be sprochenen Leitraumanordnung init der Flügel form des Laufrades bewirkt wird,
vermeidet auGerdein jede überflüssige Führung des Was sers, weshalb dasselbe einen genügend wider standslosen Durchfluss durch die Turbine auch dann noch findet, wenn die Radwinkel den augenblicklichen Betriebsverhältnissen nicht entsprechen.
Es ist selbstverständlich, dass die geschil derten Vorteile des schaufellosen Leitradrau- mes nicht an eine engbegrenzte Lage der Leitradaustrittskantsn ao, ao gebunden sind. Auch die im Ausführungsbelspiel Figur 1 ge strichelt angegebene Lage a a erfüllt den ge wünschten Zweck. Ebenso lässt sieh derselbe durch feste oder drehbare Leitscbaufeln von entsprechender Höhe erreichen, deren Aus trittskanten entweder nach geraden Linien (ao ao Fig. 1, 3, 4 und 5) oder nach geneigten beziehungsweise gekrümmten Linien begrenzt sind.
Das gleiche gilt auch für die Laufrad schaufeln und deren Eintrittskanten (siehe ei ei Fig. 1 und e2 e2 Fig. 1, 2, 4 und 5) sofern wenigstens der grössere Teil des Laufrades achsiale Beaufseblagung erfährt und der schau fellose Teil des Leitradraumes, wie vorstehend dargelegt, vorhanden ist. Selbstverständlich richtet sich diese Form auch nach der Aus- bildung des beziehungsweise der innern Laufradbegrenzung. In den Aus führungsbeispielen Fig. 1 und 4 ist der Leit- raddeckel D eben gedacht, doch kann der selbe auch nach den gestrielielt eingezeichneten Erzeugenden D1 gekrümmt sein.
Durch eine derartige Krümmung des Leitraddeckels wird bei einem nach Fig. 1 ausgebildeten Laufrade der radiale Schaufelrauin (R1) verkleinert, was die Schnelläufigkeit des Rades nicht beein trächtigt. Die obere Laufradbegrenzung eines zu einer derartigen Deckelkrämmung passen den Laufrades ist in Fig. 1 dureh die gestrichelt gezeichnete Erzeugung E angedeutet. In Fig. 5 ist schliesslich eine scheibenförmige Verbreite rung der Laufradnabe gestriehelt eingezeichnet, welche Verbreiterung eine zweckmässige Ver teilung des im schaufellosen Teile des Leit- radraumes fliessenden Wassers nach den beiden Laufrädern hin fördern soll.
Es ist bekannt, dass in vielen Gegenden der Ausbau von Wasserkräften atis dem Grunde nicht durchgeführt werden kann, weil die bis her erreichte spezifische Drebzahl der Turbine zu klein ist und kleine Drehzahlen teuire Ma schinen und Bauwerke erfordern.
Durch eine Turbine, nach vorliegender Erfindung ausge führt. wird in allen solchen Fällen die für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderliche Verb'Ilio#iiii-- der Energieumsetzung ei-zielt. <B>1</B> n e_I Aber auch in jenen Füllen, wo es weniger auf die Ersparnis an Betriebswasser, als auf die Erreichung besot)(1c-i .,;z hoher Unii.qtif7alileii ankommt, wird sieh die Überzeugung Bahn brechen, daU) der Ausbau von Niederdruck- anlagen selbst bei sehr geringem (-,'ef,;
tlle noch wirtschaftlich ist, nämlich dann, wenn die bisher oliiie Anwendung vorliegender Erfin dung erreichten spezifischen Drehzahlen ge rade noch als ungenügend eraehtet -werden. Eine nach vorliegender Erfindung ausge bildete Kreiselmaschine lässt sich überall dort verwenden, wo ein geordneter Strömungsver lauf im Leit- und Laufrade gesichert ist. Ein solcher Strömungszustand findet bekanntlich nicht nur bei allen Turbinen (Wasser-, Dampf- oder Gasturbine), sondern auch bei allen zeit gemäss Kreiselpumpen und Gebläsen statt.
Es bedarf keinur weiteren Begründung, dass das Leit- tmd Laufrad der Beschaffenheit des Arbeitsmittels (Flüssigkeit, Dampf, Gas und dergleichen) ohne Änderung des Wesens der vorliegenden Erfindung atigepasstwerden kann. Ebenso kann selbstverständlich bei unelasti schen Arbeitsmitteln dureh Verwendung ent sprechender Saug- beziehungsweise Druck rohre für eine wirksame Euergieunisetzung gesorgt werden. Schliesslich sei noch bemerkt, dass durch die bei Pumpen und Gebläsen er forderliche Umkehrung der Strömmigsrichtung die #Schaufelaustrittskanten" der Turbinen, den #Schaufeleintrittskanten" der Pumpeu mid Gebläse entsprecheu und umgekehrt.