Laufrad für Kreiselmaschinen mit Leitapparat, insbesondere für Wasserturbinen. Der Gegenstand des Schweizerischen Pa tentes Nr. i0009 betrifft ein Laufrad für Kreiselmaschinen, bei welchen durch eine im Verhältnis zur Schaufelteilung entsprechende Verschmälerung der in der Umfangsrichtung gemessenen Schaufelbreite die bisher gebräuch liche zellen- oder kanalförmige Form der Schaufelräume mindestens längs eines Teils dieser Fläche vermieden ist, wodurch die Schaufeln an diesem Teil flügelartige Formeis annehmen.
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen in der Form und gegenseitigen Lage der Flügel von Laufrädern für Kreisel maschinen mit Leitapparat, insbesondere für Wasserturbinen, durch welche eine erhebliche Steigerung der spezifischen Drehzahl bei ent sprechender Widerstandsfähigkeit des Lauf rades gegen Biegungsbeanspruchungen erzielt werden kann. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass die in dem erwähnten Patent beanspruchte ,,Flügelform" nur an einer ganz bestimmten Stelle, und zwar an den äusseren Flügelteilen vorgesehen ist, wogegen die der Laufradnabe benachbarten Flügelteile die übliche ,,Zellenform" besitzen.
Die Erfindung bezweckt ferner den allen üblichen Laufrad bauweisen anhaftenden Nachteil zu beheben, welcher darin besteht, dass ein und dasselbe Laufrad nur die Beaufschlagung durch einen Leitapparat von ganz bestimmter Durchfluss richtung erlaubt. So müssen bekanntlich die üblichen Schnelläuferbauweisen durch einen Leitapparat mit wesentlich radialem Wasser durchfluss beaufschlagt werden.
Dies führt aber nicht selten zu sehr schwierigen und teuren Einbauverhältnissen, weil der radiale Wassereintritt in den Leitapparat geräumige Turbinenkammern erfordert, welche aber aus örtlichen Verhältnissen oft nur unter grossem Kostenaufwand oder gar nicht hergestellt werden können. rin diese Nachteile zu be heben; wird vorliegende Erfindung auf solche flügelartige Laufradsehaufeln angewendet, die unmittelbar mit der Laufradnabe verbunden sind.
Die Laufradschaufeln können in der Laufradnabe entweder fest oder verstellbar befestigt sein. Eine solche Laufradbauweise erlaubt die Beaufschlagung durch einen Leit- apparat von beliebiger Durchflussrichtung, wie dies anhand der Ausführungsbeispiele noch näher gezeigt werden wird.
DieZeichnung veranschaulicht verschiedene beispielsweise Ausführungsformen des Erfin- dungsgegenstandles.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Aus führungsbeispiel eines mit den angegebenen Erfindungsmerkmalen ausgestatteten Lauf rades, welches durch einen Leitapparat mit radialem Wassereintritt beaufsehlagt wird, wobei Fig. 1 die durch die Vertikalebene A, B (Fig. 2) geschnittene Turbine, die Fig. 2 die Draufsicht der Turbine bei abgenommenem Leitraddeckel L vorstellt. Fig. 3 zeigt den in die Bildebene ausgebreiteten Schnitt zweier benachbarter Laufradschaufeln F', F, welche durch die in der Nähe der Saugrohrwand befindliche Stromfläche s2, s3 (Fig. 1) geschnit ten wurde, wogegen Fig. 4 den auf die gleiche Weise gewonnenen Schnitt mit einer der Laufradnabe benachbarten Stromfläche s4, s5 zeigt.
Die Fig. j und 6 zeigen ebenfalls ein Ausführungsbeispiel eines Laufrades nach vorliegender Erfindung, welches von einem Leitapparate reit radialem Wassereintritt be- aufschlagt ist, wobei jedoch aus konstruktiven Rücksichten ein Laufrad mit schräg nach abwärts gerichteten Laufradflügeln vorgesehen ist. Fig. 5 stellt den Schnitt der Turbine mit der Ebene O, P (Fig. 6) im Aufriss und Fig. 6 den Grundriss bei abgenommenem Leit- raddeckel L vor.
In diesem Grundrisse wurde auch das durch die Ebene X, Y (Fig. 5) geschnittene Laufrad eingezeichnet, dessen Laufradschaufeln F mit der Laufradnabe l aus einem Stücke hergestellt sind. Die Fig. 7 und 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines mit den gleichen Erfindungseigenschaften ausgestatteten Laufeades, welches durch einen Leitapparat mit angenähert achsialem Wasser- durchflusse beaufschlagt wird, wobei die Lauf radschaufeln schräg nach aufwärts angeordnet wurden. Fig. 7 stellt den Schnitt dieser Turbine mit der Ebene O, P im Aufriss und Fig. 8 die Draufsicht auf das Laufrad bei abgenommenem Leitapparate vor.
Fig.9 zeigt die Vorderansicht einer durch Verschraubung bewirkten verstellbaren Verbindung der Lauf radflügel mit der Laufradnabe, wobei ein Flügel durch die Vertikalebene C, E (Fig. 7 und 8) geschnitten ist.
Zur Kennzeichnung der gewünschten Flii- gelform der äusseren Flügelteile wurde in Fig. 1 sowohl in der Nähe der Saugrohrwand als auch in der Nähe der Laufradnabe je eine Stromfläche (s2, s3, bezw. s4, s5) einge zeichnet und dieselbe mit je zwei benachbarten Schaufelflächen zum Schnitte gebracht.
Fig. 3 zeigt den in die Zeichenebene ausgebreiteten Schnitt der äusseren Flügelteile, aus welchem zu entnehmen ist, dass die von den Endpunkten der Schaufelprofile und senkrecht zu den Stromlinien gezogenen Trajektorien (n1, n2 ) das benachbarte Profil nicht mehr schneiden, weshalb auch an dieser Stelle durch zwei benachbarte Schaufeln kein kanalförmniger Raum gebildet wird.
Wie in demn genannten Patent 70009 gezeigt, ist bei den für Schnell- läufer verwendbaren, wenig geneigten, flach gekrümmten Schaufelprofilen nur erforderlich, dass die in einer Stromfläche gemessene wahre Schaufellänge d kleiner ist, als die kleinste in der gleichen Stromfläche gemessene Schaufel teilung (t1). Dagegen zeigt der in Fig. 4 dargestellte Schnitt einer der Laufradnabe benachbarten Stromflächen (gs, s5,), dass an dieser Stelle die ,,Fliigelform" durch eine entsprechende Verbreiterung der Schaufelfläche vermieden ist, wobei der schraffierte Schaufel schnitt diese Verbreiterung angibt.
Durch die letztere wird die Bildung eines kannalförmigen Raumes (Laufradzelle) bewirkt, welcher von den beiden Nachbarprofilen und den beiden Normaltrajektorien na und n4 eingeschlossen und in dieser Figur durch Schraffierung her vorgehoben ist. Diese der Laufradnabe be nachbarte Zellenform hat mit der Rücksicht auf die geringe Wassergeschwindigkeit in hydraulischer HinsichtkeineNachteile, dagegenr den grossen Vorteil, dass die Laufradflügel derart versteift sind, dass dieselben auch bei grosser Flügellänge, bezw. bei gross < ,m Lauf- raddurchniesser D,
(Fig. 1, 5 und 7) eine genügende Betriebssicherheit bieten. (@i-ofie Laufraddurchmesser erh@@h@zn die Durc.hfluss- menge des Wassers und damit die spezifische Drehzahl der Turbine.
Wie schon erwähnt, ist die möglichste Unabhängigkeit der Energieausnützung des Wassers von der Eintritts- und Durchfluss richtung desselben im Leitapparate von beson derer Bedeutung. Zu diesem Zwecke ist es aber erforderlich, solche Laufräder zu ver wenden, deren Laufradflügel unmittelbar mit der auf der Welle aufgekeilten Laufradnabe verbunden sind, wodurch nicht nur der sonst bei Achsialturbinen übliche l nnenrkranz, son dern auch dessen Spalt vermieden wird. Es empfiehlt sich aber nicht nur die energiever zehrende Wirkung des Innenkranzes, sondern auch jene des Aussenkranzes zu vermeiden.
Zu diesem Behufe ist die gebräuchliche Aussen kranzanordnung der Laufräder verlassen, so dass sich die äusseren Flügelenden bis knapp an die Saugrohrwand erstrecken, deren un mittelbare Berührung durch einen kleinen Spalt zwischen dieser Wand und den Flügel enden verhindert wird. Allerdings kann sich ein schmaler, unm die äusseren Flügelenden gelegter Ring dann als zweckmässig erweisen, wenn durch eine besonders starke Schaufel belastung eine Verbiegung der Schaufeln zu befürchten ist. Es ist aber selbstverständlich, dass ein solcher Ring so schmal gemacht werden muss, als dies aus Herstellungs- und Festigkeitsrücksichten überhaupt möglich ist.
Dass ein mnit den erwähnten Erfirdunrgs- merkmalen ausgestattetes Laufrad von einem Leitapparate mit beliebiger Eintritts- und Durchflussrichtung des Wassers beaufschlagt werden kann, geht auch aus den Ausführungs beispielen Hervor. Die Fig. 1 bis 6 zeigen einen Leitapparat, der in ähnlicher Ausführung zur Beaufschlagung der Francisturbinenlauf- räder verwendet wird. Der Wassereintritt in den Leitapparat erfolgt in radialer Richtung. Die Fig. 7 und 8 zeigen das mnit den gleichen Erfindungsmerkmalen ausgestattete Laufrad, welches von eisern Leitapparate mit im Wesen achsialerDurchflussrichtungbeaufschlagt wird.
Es ist aber selbstverständlich, dass dieses Laufrad fmnit demn gleichen Erfolge auch durch einen Leitapparat mit beispielsweise radialem Wassereintritt beaufschlagt werden könnte. Ebenso könnten auch die iübrigernAusführungs- beispiele durch einen Leitapparat mit beliebiger Eintritts- und Durchflussrichtung des Wassers beaufschlagt werden. Man ist daher immer in der Lage, jenen Leitapparat zu verwenden, dessen Benützung bei den vorliegenden ört lichen Verhältnissen am zweckmälssigsten er scheint, ohne an demn Laufrad irgendwelche Veränderungen vornehmen zu müssen. Aber auch die Form und Lage der Leitschaufeln ist in vorliegender Erfindung zur Erfüllung des gewünschten Zweckes belanglos.
So zeigt beispielsweise Fig. 1 und 2, dass die Aus trittskanten k der Leitschaufeln s der Lauf radwelle rw erheblich genähert werden können, weil die geneigte Lage der Laufradeintritts kanten e eine solche Annäherung zulässt. Dadurch kann die Beaufschlagung nicht nur längs der Austrittskanten der Leitschsufeln, sondern auch längs eines grossen Teiles der Stirnkanten i derselben erfolgen.
Das Aus führungsbeispiel Fig. 5 und 6 zeigt dagegen einen Leitapparat, bei welchem der Wasser austritt nur längs der Austrittskanten der Leitschaufeln erfolgt, wodurch das Wasser in einen schaufellosen Leitradraum aus seiner ursprünglichen Eintrittsrichtung abgelenkt wird. Selbstverständlich könnte diese Ab lenkung auch durch eine besondere Krümmung des Leitraddeckels erfolgen.
Den Laufr adein- und Austrittskanten (e, bezw. r < , Fig. 1 bis 8) ist in vorliegender Erfindung keine bestimmte Krümmung vor geschrieben, sofern diese Kauten die Schaufeln so begrenzen.
dass die letzteren die aus Festigkeitsgründen erforderliche achsiale Ver breiterung gegen die Nabe hin aufweisen und die geforderte Richtung in Bezug auf die Laufradwelle ermöglichen, wie dies beispiels weise der gegen die Laufradnabe verstärkte Flügelschaft der Fig. 1 zeigt.
Das durch Fig. 5 dargestellte Laufrad zeigt eine von der Laufradnabe schräg nach abwärts gerichtete Laufradeintrittskante, wodurch auch der Lauf radflügel eine Schräglage erhält. Eine solche Lage verringert während des Betriebes die Beanspruchung der Laufradflügel, weil durch den in der Stromrichtung nach abwärts ver schobenen Angriffspunkt T der resultierenden Fliehlkraft F1 ein dem Wasserdruckmoment entgegengesetzt gerichtetes Drehmoment her vorgerufen wird.
Es kann aber aus konstruk tiven Rücksichten auch die entgegengesetzte SchräglagederLaufradeintrittshanteerwünscht sein, wie dies beispielsweise in Fig. 7 ange deutet ist, bei welcher die gezeichnete Schräg lage eine sichere Lagerung der Laufradwelle bezweckt. Bei besonders hohen Drehzahlen empfiehlt es sich, die äusseren Flügelecken abzurunden, wie dies in Fig. 6 durch r an gedeutet ist.
Die Verbindung der Radflügel mit der Laufradnabe kamt entweder durch Eingiessen der Schaufeln in die Radnabe erfolgen, wie dies das Ausführungsbeispiel Fig. 1 und 2 zeigt, oder es kann die Laufradnabe mit den Laufradflügeln aus einem Stücke hergestellt sein (Fig. 5 und 6). Im Ausführungsbeispiel Fig. 7, 8 und 9 ist die Verbindung der Lauf radfliigel mit der Nabe durch Verschraubung bewirkt, welche Anordnung im Hinblick auf die Möglichkeit einer nachträglichen Änderung der Flügelwinkel zweckmässig erscheint.
So kann beispielsweise der Fall eintreten, dass der Besitzer einer Wasserkraftanlage eine Erhöhung der Turbinenleistung bei möglichst geringen Umbaukosten wünscht, oder es kann in regenarmen Zeiten der Fall sein, dass die der Turbine zufliessetnde Wassermenge durch lange Zeit so gering ist, dass die Turbine nur mit gedrosseltem Leitapparat und daher mit grossen Wirkungsgradverlusten arbeiten muloss. In solchen Fällen wird sich daher eine Ver stellbarkeit der Laufradflügel behufs Anpas sung der Laufradwinkel an die vorhandene Betriebswassermentge zweckmässig erweisen. Nach F ig. 9 wind diese Verstellbarkeit dadurch bewirkt, dass der Laufradflügel F mit einem Flansch f verbunden ist. In diesem Flansche sind Sehlitze p angespart.
Die Befestigung der Flanschen f an die Laufradnabe geschieht durch Schr aubenbolzen, welche durch die Schlitze p hindurchgesteckt und in der Lauf radtrabe befestigt ,werden. Mittelst der aus Fig. 7 und, 8 ersichtlichen Schraubenmuttern i und der erwähnten Schlitze lässt sich eine nachherige Verstellung der Laufradflügel ohne Einbau eines neuen Laufrades leicht ermög lichen. Selbstverständlich könnten auch andere Maschinenelemente, wie Keile und dergleichen zur Befestigung der Laufradflügel an der Nabe verwendet werden.
Es verdient jedoch darauf hingewiesen zu werden, dass die gewünschte Verbesserung der nach Patent Nr. 70009 beschriebenen Lauf- radforrnen nur dann erzielt werden kann, wenn nur die äussern Flügelteile die gewünschte Flügelform besitzen, dagegen die der Lauf radnabe benachbarten Flügelteile eine aus gesprochene Zellenform aufweisen. Aus demn gleichen Grunde kann auch nur durch gleich zeitige Anwendung sämtlicher angegebener Mittel der gewünschte Zweck der Erhöhung der spezifischen Drehzahl, bei nmöglichster Unempfindlichkeit gegenüber der Form und Lage des Leitapparates erzielt werden.
So wäre beispielsweise die Flügelform des Lauf rades mit der üblichen Innen- oder Aussen kranzanordnung demn gewünschten Zweck ebenso hinderlich, als ein kranzloses Laufrad, dessen äussere Schaufelteile eine ,,Zellenform" besitzen, selbst wenn diese Form gegen die Nabe hin in eine ,,Fliigelfornm" übergeht. Da bekanntlich hohe spezifische Drehzahlen auch grofsse sogenannte ,, Attstrittsverluste" bedingen, so ist darauf ztt achten, dass bei derartigen Laufrädern durch Anwendung ent sprechender Saugrohre, deren Wirkungsweise noch durch die Heranziehung der Fliebkraft- wirkung des Wassers verbessert werden kann, für eineu entsprechenden ,,Saugrohrrückge winn" gesorgt wird.
Ebenso ist darauf zu achten. dass während des Betriebes das ganze Laufrad von stri@mcn- dein Wasser erfüllt ist. Im übrigen gelten auch Trier die im Hauptpatente beschriebenen Clesiehtspunkte zur Ermittlung der sclraufel- winkel auf dreiditnensionaler Grundlage,
wenn auf die Übereinstimmung der auf rechnerischem -\V'ege gewonnenen Werte mit den pral-iti,chen Versuchsergebnissen Gewicht gelegt wird. Ein nach vorliegender Erfindung ausge- bildetes Laufrad wird Überall dort Verwendung finden können, wo es sich um die Ausnützung grosser Wassermengen bei kleinen Gefällen handelt und wo die bisher erreichten spezifi schen Drehzahlen einen wirtschaftlichen Ausbau der Wasserkraft erschweren oder unmöglich machen.
Die Anpassungsfähigkeit des Lauf rades an jeden beliebigen Leitapparat wird den Ausbau der Wasserkraft auch dort noch ermöglichen, wo dies bei der üblichen Leit- anordnung nicht mehr durchführbar ist. Im besonderen wird ein derartiges Laufrad be rufen sein, die Wasserenergie von grossen Strömen auszunützen, welche bekanntlich wegen des geringen Gefälles bisher noch gar nicht oder nur unter bedeutenden Kosten verwertet werden konnte. So wird sich auch in kohlenreichen Ländern die Überzeugung Bahn brechen müssen, dass der Ausbau von Niederdruckanlagen selbst bei geringstem Gefälle dann noch wirtschaftlich ist, wenn die bisher bekannten spezifischen Drehzahlen entsprechend erhöht werden können.