-
Kreiselpumpe, Wasserturbine o. dgl. Der axialen Strömung in den Gehäusen
von Pumpen oder Turbinen ist stets eine Wirbelströmung überlagert. Um einen guten
Nutzeffekt zu erreichen und durch einen gegebenen Querschnitt eine bestimmte, möglichst
große Wassermenge geordnet hindurchführen zu können, ist es wichtig, den Wirbel
unter Vermeidung von Verlusten vom Laufrad fort-bzw. zum Laufrad hinzuführen. Es
ist zwar bereits vorgeschlagen worden. 'zu diesem Zwecke an das Laufrad ein Gehäuse
anzuschließen, dessen Wände mit wachsendem Abstand von der Maschinenachse einander
genähert sind, jedoch ist bei diesem Vorschlag keine Rücksicht auf eine geordnete
Wasserströmung und Vermeidung von Mischbewegungen und Strudelungsverlusten genommen,
sondern Wert auf die Überführung der axialen in eine radiale Strömung gelegt worden.
-
Die Forderung verlustloser Strömung verlangt in erster Linie die Vermeidung
von Reibungen der einzelnen Wasserfäden gegeneinander. Zu diesem Zweck ist anzustreben,
die gesamte Wassermasse in axialer Richtung möglichst gleichförmig vorwärts zu bewegen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß nicht nur mit wachsendem Kanaldurchmesser
der Wandungsäbstand geringer wird, sondern daß auch die Zunahme des Kanaldurchmessers
sich mit wachsendem axialen Abstand vom Laufrad verringert. Eine völlig gleichförmige
Bewegung der gesamten Wassermasse in axialer Richtung ist dann zu erreichen, wenn
die beiden Kanalwände kongruenten, axial verschobenen Paraboloiden angehören. In
diesem Falle ist die Bahn eines jeden Wassertropfens zwangläuffrg gegeben. Bei gleichem
Energieinhalt durchlaufen alle Teilchen kongruente, parabolische Bahnen. Hierdurch
ist jeder Verlust infolge von Mischbewegungen vermieden, die sich bei willkürlich
gekrümmten Kanälen einstellen. Vielmehr bleibt nun die axiale Geschwindigkeit der
ganzen Wassermasse an allen Stellen der Maschine, also nicht nur im Saugrohr, konstant.
-
Einige der zahlreichen möglichen Ausführungsformen des Erfindungsgedankens
sind auf der Zeichnung ganz schematisch im Axialschnitt veranschaulicht. Die einander
im wesentlichen gleichen Abb. i und z zeigen die Strömungsverhältnisse bei einer
Pumpe bzw. einer Turbine. Die Maschine nach Abb. 3 besitzt eine besonders geformte-Nahe;
Abb. q. zeigt die Ausbildung der Zu- bzw. Ableitungskanäle bei Anordnung von Leitschaufeln
in ihnen; Abb. 5 stellt eine Form mit etwas anderer Lage der Nabe dar und Abb.6
die Vereinigung der neuen Führung des Wassers mit der bei Turbinen üblichen Wasserzuführung.
-
Gleichgültig, welche Art der Energieumsetzung - diejenige vom Laufrad
auf das Wasser
(Abb. i) oder die umgekehrte vom Wasser auf das
Laufrad (Abb.2) - in der Maschine vorgenommen wird, besitzt die Maschine in üblicher
Weise ein Saugrohr a, an dessen innerem Ende sich das Laufrad b mit seiner Welle
c anschließt. Die Führung des Wassers außerhalb des Saugrohres a, also die äußere
und die innere Gehäusewandung dl bzw. d2, welche den sich an das Saugrohr a anschließenden
Kanal e beiderseits begrenzen, sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen gegenüber
der Achse f der Maschine geneigt und zweckmäßig derart gekrümmt geführt, daß die
Nabenwandung b1 des Laufrades konvexe Form annimmt.
-
Die günstigste Führung des Wassers in dem Kanal e - d. h. also bei
Pumpen nach dem Verlassen, bei Turbinen vor dem Durchströmen des Laufrades - ist
zu erreichen, wenn der Querschnitt des Kanals e durch Annäherung, der beiden Begrenzungswändedl,d2
nach bestimmten Gesetzen in der Richtung enger wird, nach welcher der Abstand der
Wände dl, d2 von der Achse f zunimmt, und zwar ändert sich zweckmäßig der radiale
Abstand ro zwischen den beiden Wänden dl, d2 umgekehrt proportional mit dem Radius
r. Es ergeben sich am zweckmäßigsten Ratationsparaboloide als Begrenzungswände,
deren Scheitel in axialer Richtung gegeneinander verschoben sind.
-
Es ist zu erkennen, daß in dem einfachsten Falle der Abb. i und 2
der Scheitels der inneren Paraboloidwandung d2 genau diejenige Axialebene g berührt,
in welcher das zylindrische Saugrohr a in die Paraboloidaußenwand dl übergeht. Diese
Lage des Scheitels des inneren Paraboloidkörpers ergibt sich aus dem Gedanken, die
axiale Geschwindigkeit gleichbleibend zu erhalten. Denn sobald sich das Saugrohr
bzw. die äußere Kreisfläche erweitert, welche das Wasser begrenzt, muß, damit dem
Wasser stets die gleiche Fläche für den axialen Durchfluß zur Verfügung gestellt
wird, auch im Innern eine Begrenzung des Wasserstromes beginnen, welche das Wasser
entsprechend der äußeren Erweiterung nach außen drängt.
-
Die Nabe b ist also als ein Verdrängungskörper anzusehen, welcher
im Falle der Abb. i (Pumpe) durch Verdrängung des vom Saugrohr a kommenden Wassers
für die genaue Gleichhaltung der axialen Geschwindigkeit innerhalb dieses das Wasser
abführenden Teiles der Maschine sorgt. Die genaue Einhaltung der Geschwindigkeit
in axialer Richtung bedingt, wie erwähnt, eine Paraboloidwandung d2, und zwar ist
der Parameter der erzeugenden Parabel gleich dem Parameter derjenigen Parabeldl,
die sich an das Saugrohr a anschließt. Beide Kurven dl, d2 sind kongruent und in
dem dargestellten Fall lediglich so weit axial verschoben, daß der Scheitels der
inneren Parabel d, mit dem Übergang des Saugrohres a in die Außenwand dl zusammenfällt.
-
In gleicher Weise, wie sich die Abströmung des Wassers aus dem Laufrad
einer Pumpe zwischen zwei Paraboloidwänden als günstig erweist, gibt die Wasserzuströmung
zu einem Turbinenlaufrad (Abb.2) zwischen parabolischen Begrenzungswänden wesentliche
Vorteile. Diese liegen besonders darin, daß infolge der überall gleichen axialen
-Geschwindigkeit die gleichmäßige Beaufschlagung des Saugrohres a in vollem Umfange
gewährleistet wird. Im Gegensatz hierzu ergeben sich bei den bisher bekannten Turbinenausführungen
innerhalb der Maschine axiale Geschwindigkeiten, die sich in offenbar willkürlicher
Weise ändern, derart, daß die Saugrohrgeschwindigkeit in keinem festen Verhältnis
zu den axialen Geschwindigkeiten in den übrigen Querschnitten der Maschine steht.
Die bekannten Beobachtungen über die außerordentliche Empfindlichkeit in der Arbeitsweise
von Turbinensaugrohren kennzeichnen aber die überragende Bedeutung, welche einer
einwandfreien Strömung innerhalb des Saugrohres zukommt. Bei der in Abb.2 dargestellten
Art der Zuführung der kreisenden Wassermassen unter genau gleicher axialer Geschwindigkeit
mittels des durch Paraboloidwandungen dl, d2 begrenzten Kanals e hat nunmehr das
Laufrad als einzige Aufgabe, den Wasserwirbel aufzufangen und ihm seine Energie
zu entziehen, während die axiale Geschwindigkeit in keiner Weise beeinflußt zu werden
braucht. Diese bleibt vielmehr unverändert erhalten und liefert die gesamte Wassermasse
in einheitlichem gleichen Fluß an das Saugrohr a ab.
-
Bei der praktischen Ausführung kann es nun aus baulichen oder hydraulischen
Gründen erwünscht sein, die Welle c in der Gegend des Laufrades, also die eigentliche
Nabe b desselben zu verstärken, wie dies beispielsweise rein schematisch in Abb.
3 angedeutet ist. Es ergibt sich dann im Saugrohr ein kleinerer freier Querschnitt
für den Durchfluß der Wassermassen. Um dennoch die axialen Geschwindigkeiten innerhalb
der Maschine, _ d. h. besonders auch im Kanal e, auf gleicher Größe zu halten, empfiehlt
es sich nun, den Scheitels der inneren parabolischen Begrenzungswand d2 tiefer in
das Saugrohr a zu verlegen, und zwar am besten, wie dies Abb. 3 zeigt, so '"weit,
daß dieses innere Paraboloid die Führung des Wassers der Nabe in derjenigen Radialebene
g abnimmt, in welcher die äußere Paraboloidwandung dl an die Wandung des Saugrohres
a anschließt.
Werden in üblicher Weise (bei Pumpen oder Turbinen)
in dem Kanal e ein oder mehrere Le itsc haufein h (Abb. 4.) zur Umsetzung der Wassergeschwindigkeit
in Druck oder umgekehrt angeordnet, so empfiehlt es sich. bei der Begrenzung der
Wasserführung auf die Querschnittsverengung des Kanals e durch die Schaufeln lt
Rücksicht zu nehmen, damit erfindungsgemäß die gleiche Axialgeschwindigkeit überall
erhalten bleibt. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, die begrenzenden Paraboloidwandungen
di, d.. an diesen Stellen nicht mehr genau als kongruente Paraboloide zu führen,
sondern, --wie dies gestrichelt angedeutet ist, sie in dem Maße voneinander zu entfernen,
wie die durch die Leitschaufeln hervorgerufenen Strömungsänderungen dies erfordern.
Außer den Leitschaufeln können sich auch noch andere Einflüsse auf die Formgebung
der Wand geltend machen, z. B. kann die Berücksichtigung der Rauhigkeit der Wände
es zweckmäßig erscheinen lassen. den wirklichen Querschnitt der Strömung anzupassen,
wie sie durch die Reibung der Wandungen hervorgerufen wird. Abb. q. läßt verschiedene
Abweichungen von der parabolischen Form andeutungsweise erkennen, jedoch bleibt
als kennzeichnendes Merkmal dieser Wandungsform, daß die Wandungen stets sich in
der Richtung einander nähern, in welcher ihre axiale Entfernung vom Laufrad größer
wird.
-
Zudem ist kennzeichnend, daß die Nabe b stets eine konvexe Form zeigt,
sich also gegen das Saugrohr a hin wölbt. Das Maß dieser Wölbung ergibt sich in
gleicher Weise, wie hinsichtlich des Ringkanals e erläutert, aus den Strömungsbedingungen,
die beim Übergang vom Saugrohr a in diesen Kanal e mit paraboloidischen oder zum
mindesten paraboloidähnlichen Begrenzungswandungen mit Rücksicht auf die Gleichhaltung
der Axialgeschwindigkeit vorliegen. Die daraus folgenden geringen Abweichungen der
Wandungsform von der genauen parabolischen Kurve beeinflussen aber diese Wandform
nur gering, jedenfalls nicht so weit, daß die konvexe Gestalt der Nabenfläche bi
verschwindet. Es kann vorteilhaft sein, die Kuppe des Nabenparaboloids nicht genau
in die Ebene g zu legen, in welcher das Saugrohr a in die Außenwand d, übergeht,
sondern etwas in das Saugrohr a hineinzuziehen, wie dies Abb. 5 veranschaulicht.
-
Schließlich zeigt Abb.6 noch als Beispiel, wie die der Erfindung zugrunde
liegende Wandführung und Formgebung des Ringkanals e mit einer rein radialen Wasserzuführung
h vereinigt werden kann, wie sie bei Turbinenanlagen üblich ist. Die radiale Zuführung
des Wassers kann natürlich beliebig nahe an das Laufrad herangezogen werden.