DE137706C

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Publication number: DE137706C
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KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Vollturbinen sind die einzigen Turbinen, die man auch als Pumpen und als Stufenturbinen verwenden kann. Da aber die bis jetzt bekannten Arten derselben gröfsere Umdrehungsgeschwindigkeiten haben als die Freistrahlturbinen, so ist es für grofse Gefälle oder Förderhöhen und hierbei besonders auch zum Aufbau von Stufenturbinen erwünscht, eine Vollturbine mit verminderter Umdrehungsgeschwindigkeit zu haben, die dann auch für Dampfturbinen und Heifsluftturbinen gute Dienste leisten kann.

Diesem Bedürfnifs entspricht die vorliegende Turbine.

Statt nämlich, wie bisher, die absolute Ausflufsgeschwindigkeit aus dem Laufrade klein und die Umdrehungsgeschwindigkeit grofs zu machen, wobei der Winkel der absoluten Ausflufsgeschwindigkeit mit der Umfangsgeschwindigkeit annähernd gleich einem rechten, und die Umfangsgeschwindigkeit annähernd gleich der relativen Ausflufsgeschwindigkeit wird, soll bei vorliegender Turbine (vergl. Fig. 1) die Umdrehungsgeschwindigkeit p.₂ an der Ausflufsstelle kleiner als die absolute Ausflufsgeschwindigkeit C₃ genommen und der gröfste Theil dieser letzteren Geschwindigkeit, die z. B. bei den schottischen Turbinen verloren geht, durch einen eigentümlich gebauten festen Schaufel - Diffusor wieder gewonnen werden. Während nämlich bei allen bisherigen Vollturbinen mit Leitschaufelung die Schaufelenden im Spalt mit einander annähernd einen rechten Winkel bilden, ist ihre Richtung bei der vorliegenden Turbine an dieser Stelle nur wenig verschieden, indem sie beide sehr spitze Winkel mit der Umdrehungsgeschwindigkeit bilden, von denen die des Diffusors nur etwas gröfser als die des Laufrades sind, während die Richtung der Schaufeln erst gegen das Ende hin allmählich in einen rechten Winkel mit der Unidrehungsgeschwindigkeit übergeht.

Der Vorgang bei der neuen Turbine ist bei richtiger Anlage der folgende:

Die stofsfrei in das Laufrad eintretende Flüssigkeit eilt mit rasch zunehmender Geschwindigkeit dem Austritt zu, bis dort fast der ganze Druck in Geschwindigkeit verwandelt ist, von der nun, wenn der Diffusor nicht vorhanden wäre, beim Eintritt in die umgebende Flüssigkeit so viel verloren gehen würde, als dem Gegendruck der letzteren entspricht. Im Diffusor aber wird die Geschwindigkeit, entsprechend dem rasch wachsenden Querschnitt der Kanäle, wieder in Druck verwandelt, bis dieser dem an der Ausflufsstelle herrschenden äufseren Gegendruck gleich ist. Dieser Druckunterschied innerhalb des Diffusors kommt in der Leistung des Laufrades zur Geltung. Bei der Pumpe ist der Vorgang der umgekehrte.

Bezeichnet man mit a₃ (vergl. Fig. 1, welche die Winkel einer Abwicklung eines Laufrades schematisch darstellt) den Winkel zwischen der absoluten Ausflufsgeschwindigkeit C₃ und der Umfangsgeschwindigkeit j>₂, so dafs C₃ · cos «₈ die Projection von C₃ auf jp.₂ ist, so wird durch

-^- = e das Verhältnifs dieser Pro-

Pa

jection zu p₂ und somit der Grad der Verminderung der Umdrehungsgeschwindigkeit ausgedrückt.

Bei Achsialturbinen wird unter Annahme des stofsfreien Durchganges des Treibmittels die von diesem auf das Laufrad übertragene Secundenarbeit L bekanntlich (vergl. Zeuner, »Vorlesungen über Theorie der Turbinen«, 1899, S. 185) durch

L = Mp₂ (c₂ cos Ci₂ — C₁ cos aj

dargestellt, worin M die Masse des Treibmittels, C₁ und c₂ die relative Ein- bezw. Austrittsgeschwindigkeit, Ct₁ und a₂ die Winkel beider mit der Umfangsgeschwindigkeit (statt, wie bei Zeuner, mit der Turbinenachse) bedeutete. Ist ferner h das Gefälle und h¹ die Gesammtwiderstandshöhe, so kann auch geschrieben werden:

Mg(h — h^l) = Mp.₂(c₂ cos a₂ — C₁ cos uj
oder

p₂

cos ö₂ —p₂ — C₁ cos K₁ +p₂),

oder, da bei der vorliegenden Turbine als Kraftmaschine das Treibmittel gegebenenfalls unter Fortfall des Leitrades normal zur Umfangsgeschwindigkeit stofsfrei in das Laufrad eintreten soll, und deshalb C₁ cos Ct₁ = p₂ gesetzt werden kann (Fig. 1):

g(h — h¹) = p₂ (c₂ cos C₂ ~p.₂J.
Wird hierin allgemein

C₂ cos a₂—p₂ = ep₂

gesetzt, so kommt:

g(h — h¹) = cp.₂*, 2)

woraus, wenn mit ζ der Wirkungsgrad der Turbine bezeichnet und h— h^l = ζΐι gesetzt wird:

Setzt man /;' = dem Bruchtheil .der Geschwindigkeitshöhe des dem Laufrade entströmenden Treibmittels, also:

Tg*

so erhält man unter Benutzung dieser Gleichung sowie der Gleichungen 1 und 2 durch Einsetzen in die Beziehung:

h — h¹

für den Wirkungsgrad den Werth:

COS ²A₂ ' 2 β

Mit Hülfe der Gleichungen 3 und 5 ist die nachstehende Tabelle berechnet, aus der sich für die Werthe von e — 1 bis 10 die zugehörigen Werthe für den Wirkungsgrad und die Umfangsgeschwindigkeit der Turbine ergeben. Guten Ausführungen in Wirklichkeit entsprechend ist a₂ = 8° und J)- = 0,1 angenommen.

	I	2	3	4	5	6	7	8	9	IO	.]/gh
ζ = i>2 = Pi _	0,831 0,9t ι I ,000	0,813 0,638 0,700	0,786 0,512 0,562	0,758 0,435 0,478 .	0,730 0,382 0,419	0,706 0,343 0,376	0,682 0,312 0,343	0,660 0,287 0,3" 5	0,638 0,2ÖG 0,292	O,6i8 0,249 0,273
0,911

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dafs die Werthe von p₂ schnell abnehmen, während die von ζ noch immer sehr gut bleiben. Zugleich ist aus der Formel für p₂ sowie aus dem für e = 1 gerechneten Werthe

p₂ — 0,911 >Ygh

ersichtlich, dafs selbst für den kleinsten Werth von e, nämlich e = 1, die Umfangsgeschwindigkeit sich zu der bei den bekannten Vollturbinen etwa wie 1 : 1,4 verhält.

Die Bedingung für den stofsfreien Uebertritt des Wassers aus dem Laufrad in den Diffusor ergiebt sich aus Fig. ι und lautet:

COt Ci₃ =

• cot a.>

Hieraus erhält man unter Berücksichtigung des Umstandes, dafs e>i sein mufs, zur Beantwortung der Frage, ob eine vorhandene Turbine nach der Erfindung ausgeführt ist oder nicht, die Bedingung

cot

cot O₂ ■

> i.

■ cot «3 =

Für den Eintrittswinkel der Laufschaufeln ergiebt sich ebenfalls aus Fig. 1 (vergl. auch Zeuner, »Vorlesungen über die Theorie der Turbinen«), wenn α der Winkel zwischen absoluter Eintrittsgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit, Ci₁ der gesuchte Winkel, T₁ der zugehörige Halbmesser, r₂ der Halbmesser

am Austritt, η das' Verhältnifs der Schaufelbreiten bei T₁ zu denen bei r₂ ist,

cot O₁ = ?

· cot α₂ -|- cot Ci₁, 8)

oder wenn, wie fast immer, α = 90⁰ ist,

^cot «i = ψ-J -7^7 ·^cot «a· 9)

Die Formeln 6)·—9) gelten sowohl für Turbinen als auch für Kreiselpumpen, sobald es sich um tropfbar flüssige Treibmittel handelt. Für gasförmige Treibmittel bleiben die Bedingungen 6) und 7) als die eigentlichen Merkmale der neuen Turbine unverändert, nur die

bei der Kraftmaschine

h_s = A₁ -

bei der Pumpe

Bedingungen 8) und g) bedürfen einer der adiabatischen Zustandsänderung Rechnung tragenden Abänderung (vergl. Zeuner, »Vorlesungen über die Theorie der Turbinen«).

Bei Wasserturbinen und Pumpen ist zu beachten, dafs die Werthe der Formeln 5) und 3) nur zur Geltung kommen können, wenn die Wassersäule stetig ist und nicht abreifst, wie es geschehen würde, wenn der Druck bei a₂ und a_& bis auf Null sänke. Für diesen Unterdruck, der mit h_B bezeichnet werden möge, während Ji₁ die der über der Turbine stehenden Wassersäule -\- dem athmosphärischen Druck entsprechende Pressung und h das Arbeitsgefälle oder die wirkliche Förderhöhe bedeutet, erhält man

0,05 (e +

cos" a„ cos"¹ α, 2 e

2 cos^ a,

a₉ ie

Aus diesen Formeln ergiebt sich, wenn man für Λ³ einen bestimmten positiven, den Druckverhällnissen oder Kanalweiten im Diffusor entsprechenden Werth einsetzt, das zugehörige, mit dem hydraulischen Wirkungsgrade ζ ausnutzbare Gefälle oder die entsprechende Förderhöhe.

Zugleich folgt aber aus diesen Formeln, dafs, je höher der Druck an der weitesten Stelle des Diffusors ist, um so höher auch das ausnutzbare Gefälle oder die erreichbare Förderhöhe ausfällt und umgekehrt. Steht die Turbine daher unter dem Unterwasserspiegel oder erzeugt man am Ausflufs des Diffusors auf andere Weise einen erhöhten Druck, so wächst dadurch die Höhe des Oberwasserspiegels und man braucht für dieselbe Leistung weniger Stufen.

Bei gasförmigen Treibmitteln giebt es keine solche Grenze für die durch eine Turbine auszunutzende oder zu erzielende Pressung, weil Λ₃ in diesem Falle nie gleich Null werden kann. Hier stehen p₂ und h für alle Werthe in fester Beziehung. In dieser Hinsicht ist auf Zeuner, besonders S. 235 (Formel 101) zu verweisen, aus der sich bei entsprechender Umwandlung beispielsweise die für Heifsluftturbinen nöthigen Ausdrücke ergeben.

In Fig. 2 und 3 der Zeichnung ist eine Wasserturbine schematisch dargestellt, und zwar eine Radialturbine, die als Kraftmaschine mit innerer, als Pumpe mit äufserer Beaufschlagung arbeitet. Der Grund für die letztere Anordnung liegt darin, dafs hierbei der Diffusor am bequemsten stark zu erweitern ist. Alle Buchstaben für die Winkel stimmen mit den bereits gegebenen Bezeichnungen überein. Neue Bezeichnungen sind L = Laufrad, D = Diffusor, Ls = Laufradschaufeln, Ds = Diffusorschaufeln, W = Turbinenwelle. Der Winkel α ist, da kein Grund für eine Ablenkung der naturgemäfsen Wasserrichtung vorliegt, =90° genommen und Leitschaufeln sind somit nicht vorhanden. Die Beaufschlagung der Turbine findet zur Ausgleichung des Wasserdruckes von unten statt.

Der Diffusor ist nach aufsen hin stark erweitert. In Verbindung mit den Schaufeln Ds entsteht hierdurch eine langgestreckte Form der Diffusorkanäle, die, wenn man die Form wie links gezeichnet wählt, das Wasser frompetenförmig, wenn man die rechts gezeichnete Form wählt, mehr geschlossen austreten lassen. Diese zweite Form mufs benutzt werden, wenn es sich um Anschlufs von Stufenturbinen handelt. Bei diesen mufs dann auch die Schaufelbreite des sich anschliefsenden Laufrades an der Eintrittsstelle ebenso grofs sein, wodurch dann eine etwa doppelt so grofse radiale Weite des Laufrades bedingt wird.

In Fig. 4 und 5 der Zeichnung ist eine Heifsluftturbine schematisch dargestellt, und zwar als Radialturbine mit senkrechter Achse. Die Winkelbezeichnung ist beibehalten. In der Fig. 4 ist links ein normal zur Achse gelegter Querschnitt durch den Compressionsraum, rechts ein ebensolcher durch den Ex-

pansionsraum gezeichnet. In beiden Figuren kommen für den Compressionsrauin nur kleine, für den Expansionsraum nur grofse Buchstaben zur Anwendung, mit einziger Ausnahme des Laufrades in Fig. 5, welches nur mit L bezeichnet ist.

Als Pumpe hat die Heifsluftturbine nicht äufsere und als Kraftmaschine nicht innere Beaufschlagung, wie die Wasserturbine und die Wasserpumpe in Fig. 2 und 3, sondern umgekehrt.

Die wirksamen Halbmesser r₂ und R₂ ergeben sich aus der Gröfse von C₂ und C₂, die wiederum von der Gröfse von e und E im gegenseitigen Verhältnisse abhängig ist.

Als einfachstes Mittel der Erwärmung soll im vorliegenden Falle Erhitzung des Mantels M bei In₁ betrachtet werden.

Aus Fig. 5 ist noch ersichtlich, wie durch eine Umhüllung Ss rings um den Mantel M die Hitze der abgehenden Luft zur Vorwärmung und besonders zur Vermeidung von Niederschlägen auf den Mantelstellen bei h.₂ /z₃ benutzt werden kann.

Sowohl in Fig. 4 als in Fig. 5 deuten die Pfeile die Richtung der durchströmenden Luft an.

Für die Anwendung von Stufenturbinen sind keine Aenderungen in der Bauart der Einzelturbinen erforderlich. Man wird nur die nach dem Umfang hin immer geringer werdende Höhe der Schaufeln, die sich schon in Fig. 5 ausspricht, nach festen Verhältnissen zum Ausdruck bringen müssen.

Claims

Patent- Anspruch:

Hochdruck-Vollturbine mit Schaufeldiffusor, dadurch gekennzeichnet, dafs die Laufrad- und die Diffusorschaufeln im Spalt nahezu tangential in einander übergehen und die Austrittsenden der Laufradschaufeln (Ls) mit der Umdrehungsgeschwindigkeit einen die gröfstmögliche Erweiterung der Diffusorkanäle zulassenden , in Bezug auf den Neigungswinkel (ct_s) der Diffusorschaufeln (Ds) gegen die Umdrehungsgeschwindigkeit der Bedingung

cot

> ι

cot a₂ — cot a₃ =

genügenden, sehr spitzen Winkela₂ einschliefsen, zum Zwecke, die Umlaufsgeschwindigkeit des Laufrades von vorn herein zu vermindern, ohne den Wirkungsgrad der Turbine bei stofsfreiem Durchgang des Treibmittels dementsprechend herabzusetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.