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Kettenturbine mit zweifacher Wasserdurchströmung, bei welcher die
Schaufelwinkel derart gewölbt sind, daß bei normaler Umdrehungszahl der Turbine
die Ausflußgeschwindigkeit mit der Einströmungsgeschwindigkeit der Turbine vektoriell
gleich ist. Es sind bereits turbinenartig wirkende Wasserkraftmaschinen bekannt,
welche die Energie strömender Fluide durch ein System von an endlosen Ketten befestigter
und mit einem System entsprechender Leitschaufeln zuslaimmenwirkenden Turbinenschaufeln
ausnutzen und eine Kettenturbine mit zweifacher Durchströmung bilden. Indem diese
Turbinen die Geschwindigkeitsenergie -usnutzen, war zu erwarten,' daß die Möglichkeit
der Ver=
besserung des Wirkungsgrades derartiger Turbinen durch
die Vergrößerung der Eintritts- und die Herabminderung der Austrittsgeschwindigkeit
gegeben ist. Dieser Weg wurde auch bei der Kettenturbine gemäß der schweizerischen
Patentschrift 6oI78 tatsächlich beschritten. Durch in dieser Richtung angestellte
Versuche hat es sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß bei diesen Turbinen
der bestmöglichste Wirkungsgrad sich nicht bei dieser, sondern im Gegenteil bei
einer derartigen Ausbildung ergibt, wo die Eintrittsgeschwindigkeit und die Austrittsgeschwindigkeit
die gleiche ist. Dies wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung derart erreicht,
daß die an und für sich bekannte Kettenturbine mit zweifacher Durchströmung als
Grenzturbine ausgebildet wird, bei welcher die beiden Leitschaufelreihen ganz gleich
sind, nur daß die eine mit I8o° um eine auf die Eintrittsfläche senkrechte Achse
verdreht ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Turbine als
eine zusammengesetzte Reaktions-Aktionsturbine ausgebildet.
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Zufolge der erwähnten Gleichheit der Eir-und Ausströmungsgeschwindigkeit
kann die Turbine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im kleinsten
Querschnitt eines nach Art einer Venturischen Röhre ausgebildeten Kanals untergebracht
werden, die im Falle der Verwendung als Windmotor auch zur Einstellung der Turbine
in die Windrichtung dient.
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Die beigefügten Abbildungen veranschaulichen einige beispielsweise
Ausführungsformen der Erfindung, und zwar zeigt: Abb. I eine Aktionskettenturbine
imr Horizontalschnitt, Abb. Ia ein Detail derselben, Abb.2 die Geschwindigkeitsverhältnisse
derselben, Abb. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III der Abb. I ; Abb. 4
veranschaulicht eine Aktions- und Reaktionskettenturbine im Horizontalschnitt, Abb.
5 deren Geschwindigkeitsverhältnisse, Abb. 6 einen Querschnitt längs der Linie VI-V
I der Abb. 4; Abb. 7 zeigt in schematischer Draufsicht eine in einem gegen die Mitte
eingeschnürten Leitkanal angeordnete Kettenturbine, Abb. 8 eine Seitenansicht derselben,
Abb. 9 und Io eine sich auf Kreisschienen bewegende, mit asymmetrischem Venturirohrsystem
versehene Einrichtung.
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Abb. II eine Ausführungsform, bei welcher der Trichter der venturiartigen
Röhren als Schwimmer ausgebildet ist.
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Die Abb. I bis 3 zeigen eine in zwei Druckstufen arbeitende Aktionskettenturbine.
Die Profile der Laufschaufeln sind in bezug auf eine mit der Kette parallele Ebene
symmetrisch und, damit dieTurbine unterblasser laufen könne, als Grenzturbinenschaufeln
ausgebildet. Das in der Richtung des Pfeiles x strömende Wasser fließt zwischen
den Leitschaufeln I hindurch, wird bei I' abgelenkt und beaufschlagt die auf eire
Gallsche oder andere ähnliche Kette 2 befestigten, in der Richtung des Pfeiles y
sich bewegenden Laufschaufeln 3 (Abb. Ia). Nachdem es diese letzteren senkrecht
oder doch annähernd senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung verlassen hat, gelangt
das Wasser zwischen die Leitschaufeln 4 und erleidet abermals eine Richtungänderung,
dann beaulfschlagt es die zweite Reihe 3' beweglicher Schaufeln und fließt, wieder
senkrecht oder doch nahezu senkrecht zur Bewegungsrichtung derselben austretend,
frei ab. Die Tragkette 2 der Laufschaufeln ist zwischen den in der Abbildung schematisch
angedeuteten Kettenrädern 5, 5 gespannt und falls die Länge der Kette zu groß wäre,
d. h. ihre Gleichgewichtsfarm, frei ausgespannt, einen zu großen Durchhang ausweisen
würde, wird sie in denn Albschnitte zwischen den Kettenrädern durch ein oder mehrere
Stützräder 6 gestützt, oder es kann die Kette stellenweise zwischen Rollen oder
Führungsrädern 6' geführt werden. Zweckmäßigerweise gehen die Achsen dieser Räder
nicht zwischen den Leitschaufeln q. hindurch, damit sie nicht störend auf kille
Strömung zwischen: den Leitschaufeln einwirken, sondern sie sind - oberhalb und
unterhalb des Schaufelsystems gelagert. Wie auch aus der Abbildung ersichtlich,
ist diese Turbine eine reine Aktionsturbine, -,velche in zwei Druckstufen arbeitet.
Der infolge der Geschwindigkeit des strömenden, von der Turbine aufgestauten Wassers
zur V er frügung stehende Wasserdruck wird zur Hälfte zwischen den Leitschaufeln
i und zur Hälfte zwischen deni Leitschaufeln 4 in Geschwindigkeit umgewandelt, welche
dann in bekannter Weise durch die Aktionsturbinenschaufeln verwertet wird.
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Die Geschwinldngkeitsverhältnisse dieser Kettenturbine sind in Ablx
2 dargestellt. Mit Co ist in derselben jene Geschwindigkeit des Wassers :bezeichnet,
mit welcher dasselbe zwischen die Leitschaufeln eintritt, mit c,. jene, mit welcher
es dieselben verläßt. Aus dieser letzteren - in bekannter Weise die Translationsgeschwindigkeit
u der Laufschaufeln vektorial abgezogen - erhält man die Relativgeschwindigkeit
w. =des zwischen die Laufschaufeln eintretenden Wassers, dessen Richtung gleichzeitig
auch den. Eintrittswinkel der beweglichen Schaufeln angibt. Die Relativgeschwindigkeit
w., mit welcher das Wasser die Schaufeln verläßt, stimmt seiner
Größe
nasch mit w1 überein und ist in bezug auf die Symmetrielängsachse der Laufschaufeln
zu w1 symmetrisch gerichtet. Addiert man zu zu, vektorial die Bewegungsgeschwindigkeit
u der Schaufeln, so erhält man die absolute Geschwindigkeit c2 des aus der ersten
Reihe der Laufschaufeln austretenden Wassers. Diese Geschwindigkeit c2 stimmt mit
der Eintrittsgeschwindigkeit co nach Größe und Richtung überein, demzufolge ist
auch der Eintrittsquerschnitt der zweiten Reihe der Leitschaufeln mit jenem der
ersten Reihe vollständig Übereinstimmend. Werden nun die Leitschaufeln dieser zweiten
Reihe der Form der ersten Reihe entsprechend ausgebildet, so stimmt auch die Geschwindigkeit
c3 des aus dieser Schäufelreihe austretenden Wassers mit der Austrittsgeschwindigkeit
c1 der ersten Schaufelreihe der Größe nach überein, woraus dann in vollständiger
Analogie mit dem vorhergehenden die Relativgeschwindigkeit uw3 und w4 und die absolute
Geschwindigkeit c4 bestimmt werden können. Wie aus der Abbildung ersichtlich, erhält
man, wenn man die Geschwindigkeit der Kettenturbine in der geschilderten Weise aneinanderreiht,
eine vollständig symmetrische Abbildung.
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Zweckmäßigerweise ist die Turbine mit einer bekannten Kettenspannvorrichtung
versehen. An ihrer oberen und unteren Seite ist die Turbine durch einen Mantel abgegrenzt
(s. Abb. 3), welcher verhindert, daß das oberhalb und unterhalb der Turbine strömende
Außenwasser störende turbulente Wasserbewegungen zwischen den Laufschaufeln verursacht
und ermöglicht, daß zwischen den beiden Laufschaufelreihen andere Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse
auftreten als in dem daneben in gleicher Höhe fließenden Außenwasser. Der Mantel
ist zur Aufnahme der Kette mit einem Kanal 8 versehen. Dieser Kanal beeinflußt die
Wirkungsweise der Turbine vorteilhaft, da er stagnierendes Wasser enthält, wodurch
die durch die Kette hervorgerufenen, den hydraulischen Widerstand vergrößernden
turbulenten Wasserbewegungen vermieden werden. An jener Seite, wo die Bewegungsrichtung
der über das Rads laufenden Schaufeln entgegengesetzt der Richtung des Wassers ist,
wird die Turbine mit einem Schutzmantel 9 versehen, welcher den schädlichen Wasserwiderstand
dieser Schaufeln verringert.
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Die in den Abb. 4 bis 6 dargestellte Kettenturbine ist ebenfalls eine
Turbine mit doppeltem Durchfluß, deren erste Stufe eine Reaktionsturbine und die
zweite eine Aktionsturbine darstellt. Wie die Abbildung zeigt, strömt das Wässer
an die Leitschaufeln mit der durch den Pfeil x dargestellten Zuflußgeschwindigkeit
heran, strömt zwischen den Leitschaufeln Io hindurch und beaufschlagt nach Verlassen
derselben die Laufschaufeln II, welche nach Art von Reaktionsturbinenschaufeln ausgebildet
sind. Diese Laufschaufeln bewegen sich, wie aus Abb. 6 ersichtlich, in einem gegen
die Mitte der Turbine sich verengenden Kanal I2, dessen größte und kleinste Querdimensionen
sich zueinander verhalten wie der größte Schaufelzwischenraum zu dem kleinsten.
Aus dieser Reihe der Lauschaufeln austretend, beaufschlagt das Wasser ohne Zwischenschaltung
weiterer Leitschaufeln die zweite Reihe von Laufschaufeln. Diese zweite Reihe von
Laufschaufeln bewegt sich ebenfalls in einem Kanal, dessen Querdimensionen in dem
oben angedeuteten Verhältnisse gegen den stromabwärts liegenden Rand zunimmt. Da
diese Zunahme die Abnahme des Schaufelzwischenraumes gerade ausgleieht, funktioniert
diese Schaufelreihe als eine Aktions- bzw. Grenzturbinenschaufelreihe. Zwischen
den beiden Lauf schaufelreihen I I, I I sind zwei der Richtung der absoluten Fluidenbewegung
entsprechend gestellte ebene Begrenzungsschaufeln 22o, 22I angeordnet.
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Die Geschwindigkeitsverhältnisse dieser Turbine sind in Abb.5 dargestellt.
Das Wasser gelangt in der Richtung des Pfeiles x heranströmend mit der Eintrittsgeschwindigkeit
co zwischen die Leitschaufeln und verläßt dieselben mit der Geschwindigkeit c1.
Zieht man von dieser Geschwindigkeit c1 vektorial die Translationsgeschwindigkeit
u der Laufschaufelreihe ab, so erhält man die Relativgeschwindigkeit w1 des zwischen
die Laufschaufeln eintretenden Wassers. Hier wird das Wasser zur Relativgeschwvindigkeit
w2 beschleunigt, dessen Größe infolge der obenerwähnten Verringerung des Kanalquerschnittes
sich zur Größe von w1 verhält, wie das Quadrat des Schaufelzwischenraumes bei der
Eintrittsstelle zum Quadrat dieses Zwischenraumes bei der Austrittsstelle. Zu dieser
Geschwindigkeit w2 vektorial die Geschwindigkeit u addiert, erhält man die absolute
Geschwindigkeit c2 des austretenden Wassers. Da kein zweites System von Leitschaufeln
vorhanden ist, ist die absolute Geschwindigkeit c, des. zwischen die zweite Reife
von Laufschalufeln eintretenden Wassers mit c. vier Größe und Richtung nach vollständig
ü,bereinstimniend. Hieraus erhält man durch vektoriule Subtraktion der Translationsgeschwindigkeit
u der beweglichen Schaufeln die Relativgeschwindigkeit w., des zwischen die zweite
Lattfschaufedreihe eintretenden Wassers. Zwischen diesen nach Art von Aktions- bzw.
Grenzturbinenschaufeln funktionierenden Schaufeln verändert sich bloß die Richtung
(nicht. aber die Größe der Relativgeschwindigkeit
) des Wassers,
daher erhält man, wenn man die Relativgeschwindigkeit wu3 in unveränderter Größe,
aber in der Richtung der Austrittsstangen der Schaufelkurve aufträgt, die Relativgeschwindigkeit
w4 des die Turbine verlassenden Wassers und hieraus durch vektoriale Addition der
Translationsgeschwindigkeit u die absolute Geschwindigkeit c4 des die Turbine verlassenden
Wassers, welch letztere Geschwindigkeit mit der absoluten Eintrittsgeschvindigkeit
co der Größe und Richtung nach übereinstimmt.
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Hieraus geht hervor, daß bei dieser Bauart von Kettenturbinen im Gegensatz
zur Bauart gemäß Abb. I bis 3 die Schaufeln der zweiten beweglichen Schaufelreihe
zu jenen der ersten nicht um I8o°, sondern um einen bedeutend kleineren Winkel abgeschwenkt
sind, welcher gegebenenfalls auch unter 9o° betragen kann. Dies bedingt eine derartige
Bewegung der Schaufeln, daß dieselben bei Zurücklegung des Weges von der stromabwärts
liegenden Reihe zur stromaufwärts liegenden Reihe sich um einen bedeutend größeren
Winkel als I8o°, evtl. um mehr als 27o° verdrehen müssen. Diese Unsymmetrien der
Schaufeldrehungswinkel läßt sich im Sinne der Erfindung folgendermaßen verwirklichen.
Zur Führung der Schaufeln wird nicht ein System von Ketten, sondern deren zwei Systeme
verwendet, deren Gliederlänge und Anzahl also auch die Gesamtlängen - genau miteinander
übereinstimmen und welche, wie aus Abb. 6 ersichtlich, irr verschiedenen Ebenen
liegen. Die inneren Kanten i i' der Schaufeln sind gelenkig an der Kette 13 befestigt,
welche um die Räder 14, 15 läuft. Die in der Nähe der anderen Kantens befindlichen
Ansätze 16 der Schaufeln werden durch die Stäbe 17 gelenkig an die äußere Kette
I 8 angeschlossen, welche unm die Kettenräder I9, 2o läuft; diese Räder haben einen
größeren Durchmesser als die Räder 14 und 15. Zwischen den Kettenrädern I4 und I9
oder I5 und 2o wird zur zwangläufigen Sicherung der gleichen Umfangsgeschwindigkeit
beider Kettensysteme irgendeine entsprechende und an sich bereits bekannte Übersetzung
eingeschaltet. Demzufolge ist die relative Lage der beiden Drehpunkte einer jeden
Schaufel, sollange sich die Ketten in der Geraden bewegen, unverändert, und daher
ist ihre Bewegung in diesem Abschnitte eine translatorische. Die Lage des inneren
Ketten- und Rädersystems ist nun so gewählt, daß das eine der kleineren Kettenräder
I5 innerhalb des Kettenrades 2o zu stehen kommt, was zufolge der übereinstimmenden
Länge der Fetten zur Folge hat, daß das andere der kleineren Kettenräder I4 über
das benachbarte größere Kettenrad I9 hinausreicht. Dies hat zur Folge, daß, wenn
das System sich in dem durch den Pfeil z angedeuteten Sinne bewegt, die Umfangspunkte
des Rades 2o gegen jene des Rades I5 zurückbleiben, da sie einen größeren Weg mit
der nämlichen Geschwindigkeit zu beschreiben haben. Hieraus folgt, daß sich die
Schaufeln, während sie den Weg von der linken Seite der Abbildung bis zu deren rechten
Seite zurücklegen, um einen kleineren Winkel als I8o° drehen. Aus' der Übereinstimmung
der Umgangsgeschwindigkeiten folgt, daß sich die Schaufeln, während sie mit Hilfe
der Kettenräder I9 und I4 den Weg von der rechten Seite der Abbildung bis zu deren
linken Seite zurücklegen, sich um einen Winkel drehen, welcher den vorerwähnten
auf 36o° ergänzt. Bezüglich der Größe dieser Winkel kann man durch entsprechende
Wahl der gegenseitigen Entfernung der Schaufeldrehpunkte, ferner jenes Winkels,
den die durch die beiden Schaufeldrehpunkte bestimmte Gerade mit der Schaufelsehne
einschließt und endlich der Länge der Verbindungsstäbe zwischen sehr weiten Grenzen
frei verfügen. Zum Schutze der gegen die Wasserströmung bewegten Schaufeln ist hier
der Schutzmantel 2I angebracht.
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Gemäß der in den Abb. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
werden diese Turbinen im engsten Querschnitt eines nach Art der V enturischen Röhren
ausgebildeten Kanals, röhrenförmigen Gebildes o. dgl. verlegt. Mst 30 ist
in den Abbildungen die Kettenturbine selbst bezeichnet, in welche das Wasser durch,das
Konfusorrohr 31 eingeführt wird, es verläßt dieselbe durch das Diffusorrohr 32.
Mit 33 ist das geschlossene Gehäuse der zwecks Umwandlung der durch die Turbine
erzeugten Energie angebrachten Maschine (Dynamo, Kompressor usw.) bezeichnet. Diese
Anordnung ermöglicht, mittels der Turbine die Energie eines ihr eigenes Durchüußprofil
an Größe weit übertreffenden Teiles des Fluidquerschnittes nutzbar zu machen.
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In Fällen, wo die Strömungsrichtung des Mediwus veränderlich ist (z.
B. Wind), werden Einrichtungen angewendet, welche die Turbine automatisch in die
Strömungsrichtung drehen. S.olIche Konstruktionen sind beispielsweise die von den
Windmotoren her bekamite Windfahne und ein kleines Hilfswindrad. Es, .kann aber
zu diesem Zwecke auch eine in den Abb. g und io veranschaulichte erfindungsgemäße
Einrichtung angewendet werden. Es ist bekannt, daß der Zuströmungsteil Venturischer
Röhren, welche von der Flüssigkeit stets in demselben Sinne durchströmt werden,
oft als Kegel mit größerer Öffnung, daher kürzer, ausgebildet wird als der Ausströmungsteil
derselben. Der Grund hierfür ist, da.ß das Konvergieren des zuströmendeu
Mediums
auch durch einen kürzeren Röhrenabschnitt gewährleistet wird, hingegen darf bei
der ausströmenden Flüssigkeit ein gewisser überschritten werden, da sich sonst der
Flüssigkeitsstrahl von der Röhrenwand trennt. Im Sinne der Erfindung kann nun diese
asymmetrische Ausbildung gleichzeitig auch zum Einstellen des Systems in die Windrichtung
benutzt werden. In A1bb.9 und 10 ist 30' das Turbinengehäuse, an dem der kürzere
Rohransatz 31d und der längere Rohransatz 31b befestigt sind, die sich unter Vermittlung
der Räder 141, 142 auf die Kreisschiene 143 stützen. Außer den beiden äußeren Kettenrädern
5, 5 ist in der Turbine, und zwvar im unteren Teil derselben ein drittes Kettenrad
145 angeordnet, welches auf die Hauptwelle 146 aufgekeilt ist, deren Verlängerung
nach unten - evtl. in demn die Turbine tragenden Häuschen - zum Antrieb des Generators
usw. dient, und gdleichzeitig auch die Drehachse des auf der Kreisschiene laufenden
Systems bildet. Verändert nun die strömende Flüssigkeit ihre Richtung, so stellt
sich das System immer so ein, daß dessen kürzere Trichterröhre 31a gegen die jeweilige
Windrichtung zulegen ,kommt, weil ja der Trichter 31bauch die Windfahne ersetzt.
Natürlich kann an Stelle der Kreisschienenführung eine einfache Achse oder irgendein
anderes im Kreise laufendes System angewendet werden.
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Wenn die Turbine als Wasserturbine angewendet wird, so kann gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung (Abb. i i) der Trichter 2o1, 2o2 der Venturischen
Röhre durch Anbringung eines umhüllenden Mantels 2o8 als ein hohler ausgebildet
werden.