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Laufrad für Wasserturbinen mit flügelartigen Schaufeln. Der Gegenstand
des Patentes 3oo59i betrifft eine Kreiselmaschine, -bei welcher durch eine im Verhältnis
zur Schaufelteilung entsprechende Verschmälerung der in der Umfangsrichtung gemessenen
Schaufelbreite die bisher gebräuchliche zellen- oder kanalförmige. Form der Schaufelräume
mindestens längs eines Teiles dieser Fläche vermieden ist. Die vorliegende Erfindung
betrifft Verbesserungen in der Form und: gegenseitigen Lage der Laufradflügel von
Wasserturbinen, durch welche eine erhebliche Steigerung der spezifischen Drehzahl
bei entsprechender Widerstandsfähigkeit des Laufrades 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. Auch soll der allen üblichen Laufradbauweisen
anhaftende Nachteil behoben werden, welcher darin besteht, daß ein und dasselbe
Laufrad nur die Beaufschlagung durch einen Leitapparat von ganz bestimmter Durchflußrichtung
erlaubt. So müssen bekanntlich die üblichen Schnelläuferbauweisen durch einen .
Leitapparat mit wesentlich radialem Wasserdurchfiuß beaufschla.gt 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. Um diese Nachteile zu beheben, wurde in vorliegender Erfindung den
flügelartigen Laufradschaufeln eine zur Laufradachse im Wesen senkrecht oder geneigt
gerichtete Lage gegeben und die Laufradnabe so weit verkleinert, als dies aus Festigkeitsrücksichten
überhaupt möglich ist. Eine solche Laufradbauweise erlaubt nun die Beaufschlagung
durch einen Leitapparat von beliebiger Durchflußrichtung, wie dies an Hand der Ausführungsbeispiele
noch näher gezeigt werden wird.
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Die Fig. x und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines mit den angegebenen
Erfindungsmerkmalen ausgestatteten Laufrades, welches
durch einen
Leitapparat mit radialem Wassereintritt beaufschlagt wird, wobei Fig. x die durch
die Vertikalebene A-B (Fig. 2) geschnittene Turbine im Aufriß zeigt, wogegen Fig.
2 den Grundriß der Turbine bei abgenommenem Leitraddeckel L vorstellt. Fig. 3 zeigt
den in die Bildebene äusgebreiteten Schnitt zweier benachbarter Laufradschaufeln
F, F, welche durch die in der Nähe der Saugrohrwund befindliche Stromfläche -s2,
s3 (Fig. i) geschnitten wurden, wogegen Fig. q. den auf die gleiche Weise gewonnenen
Schnitt mit einer der Laufradnabe benachbarten Stromfläche s4, ss zeigt. Die Fig.
5 und' 6 zeigen ebenfalls ein Ausführungsbeispiel eines Laufrades nach vorliegender
Erfindung, welches von einem Leitapparat mit radialem Wassereintritt beaufschlagt
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 0-P (Fig. 6) im Aufriß und Fig. 6 den Grundriß bei abgenommenem Leitraddeckel
L vor. In diesem Grundriß wurde auch das durch die Ebene X-Y (Fig.5) geschnittene
Laufrad eingezeichnet, dessen Laufradschaufeln F mit der Laufradnabe N aus einem
Stück hergestellt sind. Die Fig. 7 und 8 zeigen ein Ausführung beispiel eines mit
den gleichen Erfindungseigenschaften ausgestatteten Laufrades, welches durch einen
Leitapparat mit angenähert achsialem Wasserdurchfluß beaufschlagt wird, wobei die
Laufradschaufeln schräg nach aufwärts angeordnet wurden. Tig. 7 stellt den Schnitt
dieser Turbine mit der Ebene 0-P im Aufriß und Fig. 8 die Draufsicht auf das Laufrad
bei abgenommenem Leitapparat vor. Fig. g zeigt 'die Vorderansicht einer durch Verschraubung
bewirkten verstellbaren Verbindung der Laufradflügel mit der Laufradnabe, wobei
ein Flügel durch die Vertikalebene C-E (Fig. 7 und 8) geschnitten ist.
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Zur Kennze chnung der gewünschten Flügelform der äußeren Flügelteile
wurde in Fig. _ sowohl in der Nähe der Saugrohrwand, als auch in der Nähe der Laufradnabe
je eine Stromfläche s2, sg bzw. s4, ss eingezeichnet 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 kanalförmiger Raum gebildet wird. - Wie in dem genannten
Patent gezeigt, ist bei den für Schnelläufer verwendbaren, wenig geneigten und flach
gekrümmten Schaufelprofilen nur erforderlich, daß die in einer Stromfläche gemessene
wahre Schaufellänge X kleiner ist als die kleinste in der gleichen Stromfläche gemessene
Schaufelteilung t1. Dagegen zeigt der in Fig. 4 dargestellte Schnitt einer der Laufradnabe
benachbarten Stromfläche s4, s6, daß an dieser Stelle die nFlügelform(c durch eine
entsprechende Verbreiterung der Schaufelfläche vermieden ist, wobei der schraffierte
Schaufelschnitt diese Verbreiterung angibt. Durch die letztere wird die Bildung
eines kanalförmigen Raumes (Laufradzelle) bewirkt, welcher von den beiden Nachbarprofilen
und den beiden Nörmaltrajektorien na und n4 eingeschlossen und in dieser Figur durch
Schraffierung hervorgehoben ist. Diese', der Laufradnabe benachbarte Zellenform
hat mit Rücksicht auf die geringe Wassergeschwindigkeit in hydraulischer Hinsicht
keine Nachteile, dagegen den großen Vorteil, daß die Laufradflügel derart, versteift
sind, *daß dieselben auch bei großer Flügellänge bzw. bei großem Laufraddurchmesser
Dl (Fig. x, 5 und 7) eine genügende Betriebssicherheit bieten. Große Laufraddurchmesser
erhöhen die Durchflußmenge des Wassers und damit die spezifische Drehzahl der Turbine.
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Wie schon erwähnt, ist die möglichste Unabhängigkeit der Energieausnutzung
des Wassers von der Eintritts- und Durchflußrichtung desselben im Leitapparat von
besonderer Bedeutung. Zu diesem Zwecke wurde in vorliegender Erfindung der Nabendurchmesser
d (Fig. i, 5 und 7) so weit verkleinert, als dies aus Festigkeitsrücksichten des
Laufrades- .-. ist. Gleichzeitig wurde auch die Lage der Laufradflügel durch
die Bedingung festgelegt, daß deren -Richtung ungefähr senkrecht oder entsprechend
geneigt zur Laufradwelle steht. Durch diese Maßnahme wird nicht nur d, r sonst bei
Ächsiallaufrädern übliche Innenkranz, sondern auch dessen Spalt vermieden, also
jene Maßnahmen erzielt, welche die gewünschte Unabhängigkeit von der Form -des Leitapparates
bewirken. Dazu kommt aber noch, daß die übliche Bauweise von Achsiallaufrädern große
Widerstände hervorruft, welche die Erreichung der gewünschten Drehzahlerhöhung-
verhindert. Aus dem gleichen Grunde wurde in vorliegender Erfindung die übliche
Außenkranzanordnung der Laufräder verlassen, . so. daß sich die äußeren Flügelenden
bis knapp an die Saugrohrwund erstrecken, deren unmittelbare Berührung durch einen
kleinen Spalt zwischen dieser Wand und den Flügelenden -verhindert wird. Allerdings
kann sich ein schmaler, um die äußeren Flügelenden gelegter Ring dann als zweckmäßig
erweisen, wenn durch eine besonders starke Schaufelbelastung 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.
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Daß ein mit den erwähnten Erfindungsmerkmalen ausgestattetes Laufrad
vori einem Leitapparat mit beliebiger Eintritts- und Durchflußrichtung des Wassers
beaufschlagt werden kann, geht auch aus den Ausführungsbeispielen hervor. Die Fig.
= bis 6 zeigen einen Leitapparat, der in ähnlicher Ausführung zur Beaufschlagung
der Francisturbinenlaufräder verwendet wird. Der Wassereintritt in den Leitapparat
erfolgt in radialer Richtung. Die Fig. 7 und 8 zeigen das mit den gleichen Erfindungsmerkmalen
ausgestattete Laufrad, welches von einem Leitapparat mit im Wesen achsialer Durchflußrichtung
beaufschlagt wird. Es ist aber selbstverständlich, daß dieses Laufrad mit dem gleichen
Erfolge auch durch einen Leitapparat mit beispielsweise radialem Wassereintritt
beäufschlagt' werden könnte. Ebenso 'könnten auch die übrigen Ausführungsbeispiele
durch einen Leitapparat mit beliebiger Eintritts- und Durchflußrichtung des Wassers
beaufschlagt werden. Man ist daher immer, in der Lage, jenen Leitappaiat zu verwenden,
dessen Benutzung bei den vorliegenden örtlichen Verhältnissen am zweckmäßigsten
erscheint, ohne an dem 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 zeigen beispielsweise Fig. i und
2, daß die Austrittskanten h der Leitschaufeln S der Laufradwelle w erheblich genähert
werden können, weil die. geneigte 'Lage' der Laufradeintrittskanten e eine solche
Annäherung zuläßt. Dadurch kann die Beaufschlagung nicht nur längs der Austrittskanten
der Leitschaufeln, sondern. auch längs eines großen Teiles der Stirnkanten i derselben
erfolgen. Das Äusführungsbeispiel Fig. 5 und 6 zeigt dagegen einen Leitapparat,
bei welchem der Wasseraustritt nur längs der Austrittskanten der Leitschaufeln erfolgt,
wodurch das Wasser in einem schaufellosen Leitradraum aus seiner ursprünglichen
Eintrittsrichtung abgelenkt wird. Selbstverständlich könnte diese Ablenkung auch
durch eine besondere Krümmung des Leitraddeckels erfolgen.
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Den Laufradein-.und -austrittskanten e bzw. u (Fig. i bis 8) ist in
vorliegender Erfindung keine bestimmte Krümmung und Lage vorgeschrieben, sofern
diese Kanten die Schaufeln so begrenzen, daß die letzteren die aus Festigkeitsgründen
erforderliche achsiale Verbreiterung gegen die Nabe hin aufweisen 'und die geforderte
Richtung in bezug auf die Laufradwelle ermöglichen, = wie dies beisp eisweise der
gegen die Laufradnabe verstärkte Flügelschaft der Fig. x zeigt. Das durch Fig. 5
dargestellte Laufrad zeigt eine von der Laufradnabe schräg nach abwärts gerichtete
Laufradeintrittskante, wodurch auch der Laufradflügel eine Schräglage erhält. Eine
solche Lage verringert während des Betriebes die Beanspruchung.der Laufradflügel,
weil durch den in der Stromrichtung nach abwärts. verschobenen Angriffspunkt T der
resultierenden Fliehkraft F1 ein dem Wasserdruckmoment entgegengesetzt Berichtes
Drehmoment hervorgerufen wird. Es kann aber aus konstruktiven Rücksichten auch die
entgegengesetzte Schräglage der Laufradeintrittskante erwünscht sein, wie dies beispielsweise
in Fig.7 angedeutet ist, bei welcher die gezeichnete Schräglage eine sichere Lagerung
der Laufradwelle bezweckt. Bei besonders hohen Drehzahlen empfiehlt es sich, die
äußeren Flügelecken abzurunden, wie dies in Fig. 6 durch -r angedeutet ist.
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Die Verbindung der Radflügel mit der Laufradnabe kann entweder durch
Eingießen der Schaufeln in die Radnabe erfolgen, wie dies das Ausführungsbeispiel
Fig. i. und 2 zeigt, oder es kann die Laufradnabe mit den* Laufradflügeln aus einem
Stück hergestellt sein (Fig. 5 und 6). Im Ausführungsbeispiel Fig. 7, 8 und 9 ist
die Verbindung der Laufradflügel 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 zufließende Wassermenge durch lange Zeit so gering ist, daß die Turbine
nur mit gedrosseltem Leitapparat und daher mit großen Wirkungsgradverlusten arbeiten
muß. Iri solchen Fällen wird sich daher eine Versteilbarkeit der Laufradflügel behufs
Anpassung der Laufradwinkel an die vorhandene Betriebswassermenge zweckmäßig erweisen.
Nach Fig. 9 wird diese Versteilbarkeit dadurch bewirkt; daß der Laufradflügel F
mit einem Flansch f verbunden ist. In diesem Flansch sind Schlitze p ausgespart.
Die Befestigung der Flanschen f an die Laufradnabe geschieht durch. Schraubenbolzen,
welche durch die Schlitze P hindurchgesteckt und in der Laufradnahe befestigt werden.
Mittels der aus Fig. 7 und 8 ersichtlichen Schraubenmuttern t und der erwähnten
Schlitze läßt sich eine nachherige Verstellung der .Laufradflügel ohne Einbau eines
neuen Laufrades leicht ermöglichen. Selbstverständlich könnten auch
andere
Maschinenelemente, wie Keile u. dgl., zur Befestigung der Laufradflügel an der Nabe
verwendet werden.
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Es verdient jedoch darauf hingewiesen zu werden, daß die gewünschte
Verbesserung der nach dem Patent 300591 beschriebenen Laufradformen nur dann erzielt
werden kann, wenn nur die äußeren Flügelteile die gewünschte Flügelform besitzen,
dagegen die der Laufradnabe benachbarten Flügelteile eine ausgesprochene Zellenform
aufweisen. Aus dem gleichen Grunde kann auch nur durch gleichzeitige Anwendung sämtlicher
angegebener Mittel der gewünschte Zweck der Erhöhung der spezifischen Drehzahl bei
möglichster Unempfindlichkeit gegenüber der Form und Lage des Leitapparates erzielt
werden. So wäre beispielsweise die Flügelform des Laufrades mit der üblichen Innen-
oder Außenkranzanordnung dem gewünschten Zwecke ebenso hinderlich als ein kranzloses
Laufrad, dessen äußere Schaufelteile eine »Zellenform« besitzen, selbst wenn diese
Form gegen die Nabe hin in eine »Flügelform« übergeht.
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Da bekanntlich hohe spezifische Drehzahlen auch große sogenannte »Austrittsverluste«
bedingen, so muß bei derartigen Laufrädern durch Anwendung entsprechender Saugrohre,
deren Wirkungsweise noch durch die Heranziehung der Fliehkraftwirkung des Wassers
verbessert werden kann, für einen entsprechenden »Saugrohrrückgewinn« gesorgt werden.
Ebenso muß während des Betriebes das ganze Laufrad vom strömenden Wasser erfüllt
sein. Im übrigen gelten auch hier die im Patent 300591 beschriebenen Gesichtspunkte
zur Ermittelung der Schaufelwinkel auf dreidimensionaler Grundlage, wenn auf die
Übereinstimmung der auf . rechnerischem Wege gewonnenen Werte mit den praktischen
Versuchsergebnissen Gewicht gelegt -wird.
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Ein nach vorliegender - Erfindung ausgebildetes Laufrad wird überall
dort Vetwendung finden können, wo es sich um die Ausnutzung großer Wassermengen
bei kleinen Gefällen handelt, und wo die bisher erreichten spezifischen Drehzahlen
einen wirtschaftlichen Ausbau der Wasserkraft erschweren oder unmöglich machen.
Die Anpassungsfähigkeit des Laufrades an jeden beliebigen Leitapparat wird den Ausbau
der Wasserkraft auch dort noch ermöglichen, wo dies bei der üblichen Leitradanordnung
nicht mehr durchführbar ist. Im besonderen wird ein derartiges Laufrad berufen sein,
die Wasserenergie von großen Strömen auszunutzen, 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, yvenn die bisher bekannten spezifischen Drehzahlen entsprechend
erhöht werden können.