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Hydraulische Maschine mit axialem Durchf@uß Die Erfindung bezieht
sich auf Pumpen, Reaktionsturbinen und andere hydraulische Maschinen der Schraubenläuferbauart,
bei der die Hauptrichtung des Durchflusses durch den Läufer parallel zur Läuferachse
liegt.
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Die Hauptaufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer einfach gebauten
Axialturbine oder -pumpe, bei der zwischen Axialkomponente und Tangentiaikomponente
der Geschwindigkeit das im Betriebe wirksamste Verhältnis vorhanden ist. Bei ein;
r Axialpumpe mit nach normalen eigentlichen Schrauben konstanter Steigung gebildeten
Läufer-:chaufeln sind Axialströme und Slip bei allen Halbmessern der Läuferscheibe
gleichförmig, während die Tangentialkomponente am Ausfluß im gleichen Verhältnis
wie der Halbmesser, die Druckhöhe entsprechend dem Quadrat des Halbmessers sich
ändert. Der steile Anstieg der Druckhöhenkurve bedingt ein Rückflußbestreben nach
der Mitte zu, was zur Verwendung großer Nabendurchinesser geführt hat, um den unteren
Bereich von Druckhöhenwerten wegzuschneiden.
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Eine gleichmäßige Druckhöhe bei allen Halbmessern, die, vom Gesichtspunkt
der Druckhöhenv erteilung aus betrachtet, ideal wäre, würde zu ungünstigen Strömungsverhältnissen
und ungünstiger Verteilung in der Steigung der Läuferschaufeln führen, wenn nicht
sehr große Nabendurchmesser beibehalten werden. Von den zahlreichen Vorschlägen
zur Annäherung an eine gleichförmige Druckhöhenverteilung sei der erwähnt, bei dein
man die Tangentialkomponente sich umgekehrt mit dem Halbmesser ändern ließ, zum
Zwecke, daß jedes Flüssigkeitselement im Läufer ein gleiches Drehmoment leistet.
Diese Ausführung bedingt unter anderem die Notwendigkeit, eine übermäßige Steigung
an den Wurzeln der Läuferschaufeln anzuwenden. Die Schaufeln nehmen auch verwickelte
Formen an.
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Die Erfindung verfolgt das Ziel, einen praktisch möglichst günstigen
Kompromiß in der Verteilung der Druckhöhe bei einfacher und widerstandsfähiger Läuferbauart
zu schaffen, höchste spezifische Geschwindigkeiten zu erzielen, die sich nach Maßgabe
der Vermeidung unerwünschter Reibungsverluste anwenden lassen, somit bei hoher mechanischer
Festigkeit des Läufers einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen und gleichzeitig zu
ermöglichen, daß die Leitschaufeln sich konstruktiv sehr einfach gestalten.
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Bei hydraulischen Maschinen mit Axialdurchfluß gemäß. der Erfindung,
bei denen der Läufer entweder allein oder mit Leitschaufeln an einer oder beiden
Seiten Anwendung findet, sind Läuferschaufeln oder Leitschaufein
oder
beide so gestaltet, daß die Tangentialkomponente der Flüssigkeit im Läufer bei allen
Halbmessern ungefähr gleich ist.
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Unter diesem Begriff sollen auch die Fälle verstanden werden, bei
denen eine zusätzliche Tangentialkomponente auf eine schon in Richtung des Umfanges
in gleichem oder entgegengesetztem Sinne strömende Flüssigkeit übertragen wird.
Wenn beispielsweise einem Flüssigkeitsstrom, der in Umfangsrichtung in einer Richtung
mit konstanter Geschwindigkeit strömt, eine ähnliche Tangentialkomponente entgegengesetzter
Richtung zugefügt wird, so wird das gleichbedeutend sein mit der Beseitigung jeder
Tangentialkomponente.
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Obgleich die Wirkung der konstanten Tangentialkomponente gemäß der
Erfindung teils oder gänzlich durch Gestaltung der Leitschaufeln erzielt werden
kann, wird die Wirkung vorzugsweise ausschließlich durch eine geeignete Verteilung
der Steigung der Läuferschaufeln erzielt, mag nun der Läufer in Verbindung mit Leitschaufeln
benutzt werden oder nicht.
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Das Wort »ungefähr« in der angeführten Definition ist in dem Siryne
gebraucht, daß es nicht nur geringfügige Konstruktionsabweichungen von der Bedingung
der konstanten Tangentialkomponente einschließt, sondern eine weitergehende Bedeutung
hat. Die Tangentialgeschwindigkeit mag an verschiedenen Halbmessern verschieden
sein; die Abweichung von der Durchschnittstangentialgeschwindigkeit kann bisweilen
bis zu 25 °jo steigen.
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Eine mathematische Analyse wird deutlicher die Natur der zulässigen
Schwankung von der theoretischen Anforderung der konstanten Tangentialgeschwindigkeit
erkennen lassen.
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Wenn 1a die Druckhöhe bedeutet, die am Läuferaustritt an einer Stelle
erzeugt wird, die den Abstand;- von der Achse aufweist, und wenn c., cl, c2 . .
. Konstanten sind, so ist die mathematische Gleichung für die Druckhöhe, die durch
einen eigentlichen Schraubenläufer erzielt wird, la- c2 r2, während die für einen
Läufer mit der Bedingung der konstanten Tantentialkomponente gültige Gleichung
da - c, r ist, und die Gleichung für den Läufer nach Maßgabe der theoretischen
Idealverteilung der Druckhöhe lautet h - c.. Dies sind die Gleichungen für die Druckhöhenkurven,
und die Druckhöhenflächen, die die Verteilung der Druckhöhe über die Läuferscheiben
anzeigen, erhält man, indem man die Kurven um die Achse des Läufers kreisen läßt.
Der Ausdruck Druckhöhendiagramm soll die Fläche bezeichnen, die unter der Druckhöhenkurve
liegt, d. h. die Fläche, die zwischen Druckhöhenkurve und Bezugsachse (von der aus
die Druckhöhenordinaten gemessen sind) durch Ordinaten bei den Abszissen pR und
R ausgeschnitten ist. Dabei sei R der größte Halbmesser der Läuferscheibe, pR der
Halbmesser der Nabe. Wenn h der Druckhöhenhalbmesser ist, d. h. der radiale Abstand
der Schwerachse des Druckhöhendiagramms von der Läuferachse (für Spezialwerte von
k sollen dabei Indices angewendet werden), so läßt sich zeigen, daß für den Schraubenflächenläufer
folgendes gilt:
dagegen für den Läufer mit konstanter Tangentialkomponente
und für den Läufer mit konstanter Druckhöhe
Zufriedenstellende Druckhöhenverteilung gemäß der Erfindung läßt sich mit allen
Läuferanordnungen erzielen, bei denen der Druckhöhenhalbmesser einen Wert hat, der
sich von k, um weniger als 0,075 R (z -p2) unterscheidet.
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Das Folgende sei beispielsweise als Veranschaulichung dieser Definition
der zulässigen Grenzen der Abweichung von den Bedingungen der konstanten Tangentialkomponente
gegeben. Die Gleichung la - Cn r'v gibt eine Schar von Druckhöhen wieder,
aus der die drei Druckhöhenkurven, die oben erwähnt wurden, besondere Einzelformen
sind. Der Druckhöhenhalbmesser kn für ein allgemeines Glied dieser Schar von Kurven
wird gegeben durch Es zeigt sich, daß die
oberen und unteren begrenzenden Werte des Druckhöhenhalbmessers, die oben erwähnt
sind, erzielt werden, wenn ra Werte aufweist, die etwas größer als 1,5 oder
etwas kleiner als o,5. Demnach sind alle Läuferanordnungen, für die die Druckhöhenkurven
wiedergegeben werden, durch h - C" rIL, bei denen n zwischen o,5 und 1,5
liegt, in die oben gegebene Definition der zulässigen Abweichungsgrenzen von den
Bedingungen der konstanten Tangentialkomponente eingeschlossen. Es ist festzustellen,
daß viele andere Läuferanordnungen, für die dieDruckhöhenkurven eine ganz verschiedene
mathematische Form aufweisen, gleichfalls eine zufriedenstellende Druckhöhenver
teilung ergeben, vorausgesetzt, daß ihre Druckhöhenhalbmesser in den gegebenen Grenzen
liegen.
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Diese allgemeinen Erwägungen werden
noch klarer durch
Vergleich mit den Diagrammen, die in den ersten vierzehn Abbildungen der Zeichnungen
wiedergegeben sind. Darin bedeuten Abb. i und 2 ein Geschwindigkeitsdiagramm und
Druckhöhenkurve für einen eigentlichen Schraubenläufer, Abb. 3 und ¢ entsprechende
Darstellungen für einen Läufer mit konstanter Druckhöhe, Abb.5 und 6 die entsprechenden
Diagramme für einen entsprechenden Läufer konstanter Tangentialkomponente gemäß
der Erfindung und Abb. 7 und 8, Abb. 9 und io, Abb. ii und 12 und Abb. 13
und 1d. entsprechende Diagramme für vier weitere Läuferanordnungen nach der Erfindung.
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Die weiteren Abbildungen veranschaulichen konstruktive Anordnungen
und werden später beschrieben.
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Bei den Geschwindigkeitsplänen und Diagrammen ist die folgende Nomenklatur
angewendet:
| r =radialer Abstand von der Läufer- |
| achse, |
| is = Umfangsgeschwindigkeit des Läufers, |
| v =absolute Fließgeschwindigkeit, |
| ze - Tangentialkomponente der absoluten |
| Strömungsgeschwindigkeit oder Um- |
| flußgeschwindigkeit, |
| x - theoretische Axialkomponente, |
| y - wahre Axialkomponente, |
| 1a = Druckhöhe, |
| ß =Winkel des Relativflusses, |
| y -Winkel der Auslaßleitschaufeln. |
Bei allen Schemen sind drei Halbmesser r,, r2, r3 angenommen, und es sind entsprechende
Zeiger zu jedem der anderen Elemente gefügt, um anzudeuten, zu welchem Halbmesser
sie gehören; r2 liegt in der Mitte zwischen r, und r3. Die Diagramme seien beschrieben
für die Anwendung des Läufers in einer Pumpe; die Anwendung auf eine Turbine wird
durch eine einfache Umkehrung leicht erzielt, so daß beispielsweise v der Austrittswinkel
der Leitschaufeln wird.
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Bei jedem beliebigen Läufer würde die Drehung der Schaufeln bei einer
Umdrehungsgeschwindigkeit u, sofern kein Slip vorhanden wäre, einem Flüssigkeitsteilchen
in der Entfernung r von der Achse eine Axialgeschwindigkeit erteilen (gleich dem
Produkt aus Umlaufgeschwindigkeit und Steigung). Praktisch muß aber ein Slip (durch
s bezeich= net) vorhanden sein mit dem Ergebnis, daß der wahre Flüssigkeitsfluß
Komponenten y (um einen Betrag xs kleiner als x) in axialer und w in Umfangsrichtung
hat. Diese Größen stehen in Beziehung zueinander, die durch folgende Gleichungen
ausgedrückt wird.
Die Druckhöhe h beim Halbmesser r ist proportional waz und demnach auch proportional
U.2 s. Die Steigung beim Halbmesser r ist gleich
und demnach proportional dem Werte
Es ist üblich, einen Läufer so zu entwerfen, daß er gewissen, bestimmt angegebenen
Arbeitsbedingungen entspricht, und die Diagramme zeigen (wenn nicht anders angegeben)
nur die Ergebnisse, die erzielt werden, wenn der Läufer unter den Verhältnissen
arbeitet, für die er bemessen wurde. Unter diesen Verhältnissen ist der Winkel ß
des Relativflusses der wirkliche Schaufelwinkel, und die theoretische Axialgeschwindigkeit
x ist gleich dem Produkt aus Umdrehungsgeschwindigkeit und Steigung. Arbeitet der
Läufer aber unter Verhältnissen, die von denen abweichen, für die er gebaut wurde,
dann fällt der relative Fließwinkel ß nicht mit dem wirklichen Schaufelwinkel zusammen,
und die theoretische Axialgeschwindigkeit x ist nunmehr gleich dem Produkt aus Umlaufgeschwindigkeit
und virtueller Steigung. Diese Verhältnisse werden unten bei Behandlung des Läufers
nach Abb. 5 und 6 noch im einzelnen erörtert.
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Bei dem Läufer mit eigentlichen Schraubenflächen mit gleicher Steigung
bei. allen Halbmessern nach Abb. i und 2 erkennt man, daß die Axialfließgeschwindigkeit
y und der Slip
bei allen Halbmessern gleichförmig sind und daß die Umflußgeschwindigkeit w sich
im gleichen Verhältnis ändert wie der Halbmesser. Die Druckhöhe h ist demzufolge
proportional dem Quadrat des Halbmessers, und die Druckhöhenkurve ist eine Parabel,
wie Abb. 2 zeigt.
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Abb. 3 und 4 betreffen einen Läufer, der für die theoretische Idealverteilung
der Druckhöhe gestaltet ist. In diesem Fall ändert sich die Tangentialkornponente
w umgekehrt mit dem Halbmesser, und die Druckhöhe lt ist die gleiche bei allen Halbmessern..
Man sieht, daß in diesem Fall der Schaufelwinkel ß, der zum kleinsten der drei Halbmesser
gehört, ein stumpfer Winkel ist. Das veranschaulicht die oben gegebene Feststellung,
daß (außer wenn große Nabendurchmesser Anwendung finden) die Idealbedingung der
gleichförmigenDruckhöhe zu anormalen Fließ- und ungünstigen
Steigungsverhältnissen
in den Läuferschaufeln führt.
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Werden von der Betrachtung die elementaren Läufer ausgeschieden; die
ebene Schaufelflächen aufweisen, so können die Schraubenläufer, die sich für hydraulische
Maschinen mit axialem Durchtritt eignen, die vor der vorliegenden Erfindung bekannt
waren, nach-Maßgabe ihrer Charakteristik bezüglich des Slipverhältnisses und der
Druckhöhenv erteilung in zwei Klassen zerlegt werden.
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Die erste Klasse besteht aus den normalen richtigen Schraubenläufern,
bei denen das Slipverhältnis bei allen Halbmessern gleichmäßig ist und die Druckhöhe
sich nach dem Quadrat des Halbmessers ändert. In dieser Gattung findet man die erzwungene
Wirbelarbeit; sie umschließt die Mehrheit der bekannten Läuferformen.
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Die zweite Klasse umfaßt die Läufer konstanter Druckhöhe, bei denen
das Slipverhältnis sich umgekehrt mit dem Quadrat des Halbmessers ändert und die
Druckhöhe bei allen Halbmessern gleich ist. Bei dieser Gattung findet man die freie
Wirbelarbeit. Zu ihr gehört eine Anzahl der neuerdings-entwickelten Läufer.
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Die Läufer beider Gattungen haben ein gemeinsames Kennzeichen, daß
nämlich ihre Schaufelflächen durch Rotieren einer geraden oder gekrümmten Linie
in einer Meridianebene erzeugt werden; üblicherweise wird dieses Kennzeichen bei
der Fabrikation zur Erzeugung eines Läufers für eine besondere hydraulische Anlage
nutzbar gemacht.
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Zu diesen beiden Gattungen oder Klassen hat die Erfinderin nun eine
dritte gefügt, nämlich die des Läufers mit konstanter Tangentialkomponente, bei
der das Slipverhältnis sich umgekehrt mit dem Radius ändert, und die Druckhöhe direkt
mit dem Radius. Dieser Läufer weist eineVerbundwirbelarbeit auf und kann als in
der Mitte zwischen den beiden erwähnten Klassen liegend betrachtet werden. Die Schaufelflächen
dieses Läufers können überhaupt nicht durch Rotation einer Linie in einer Meridianebene
erzeugt werden, mag sie nun gerade oder gekrümmt sein. Sogar die Modifikationen
der bevorzugten Läuferform, die nur eine annähernd konstante Tangentialkomponente
der Absolutgeschwindigkeit ergeben, sind derart, daß ihre Schaufelflächen sich durch
Rotation einer geraden oder gelcrümmten Linie nicht erzielen lassen.
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Der Geschwindigkeitsplan und die Druckhöhenkurve für die vorzugsweise
angewendete Läuferform gemäß der Erfindung. sind durch Abb: 5 und 6 wiedergegeben.
Hierbei ändert sieh die Steigung der 'Läuferschaufeln in radialer Richtung so, daß
die Flüssigkeit bei ihrem Durchgang durch den.Läufer eine .rin wesentlichen gleichförmige
Umflußgeschwindigkeit bei allen Halbmessern zuteilt oder zugeteilt erhält. Dergestalt
ist die Steigung beim Halbmesser r proportional dem Werte
wobei c eine Konstante ist. Bei dieser Läuferform wächst bei einer Schraubenpumpe
der Slip einwärts in Richtung auf die Achse, und die Druckhöhe wächst nach außen
in Richtung auf den Umfang so, daß sie sich in der ersten Potenz des Halbmessers
ändert. Demnach besteht die Druckhöhenkurve aus zwei geraden Linien, die gleichmäßig
gegen die Achse geneigt sind, und die Fläche, die die Verteilung der Druckhöhe über
die Läuferscheibe anzeigt, ist ein umgekehrter Kegel, der durch die Umdrehung dieser
Druckhöhenkurve um die Achse gebildet wird. Hieraus ist ersichtlich, daß der Anstieg
der Druckhöhenkurve, dessen Steilheit ja einen Rückfluß nach der Achse zu erzeugen
strebt, sehr viel geringer ist als für den eigentlichen Schraubenflächenläufer.
Wird beispielsweise 1-1 in Abb. 2 und 6 als Nabendurchmesser gewählt, und bedeutet
r3 den Läuferdurchmesser (der Nabendurchmesser ist dann 3o °/o des Läuferdurchmessers),
so ist der Druckkurvenanstieg bei dem Läufer mit konstantem Umfluß nach Abb. 6 weniger
als halb so groß wie der Anstieg des entsprechenden Läufers mit eigentlicher Schraubenfläche
nach Abb. 2.
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Das Gesagte gilt nur für die Ergebnisse für einen Läufer, der unter
den Verhältnissen arbeitet, für die er konstruiert ist, und diese Ergebnisse sind
in ausgezogenen Linien in Abb. 5 und 6 wiedergegeben. Diese Abbildungen zeigen ferner
in punktierten und strichpunktierten Linien die Ergebnisse, die unter anderen Arbeitsbedingungen
erzielt werden. Die strichpunktierten Linien zeigen den Fall der verringerten Druckhöhe
mit entsprechender Abnahme in der Umflußgeschwindigkeit und Zunahme der Axialgeschwindigkeit;
der relative Neigungswinkel und die virtuelle Steigung sind größer als der Schaufelwinkel
und die wirkliche Steigung. Die punktierten Linien veranschaulichen den Fall der
zunehmenden Druckhöhe mit entsprechender Zunahme der Umflußgeschwindigkeit und Abnahme
der Axialfließgeschwindigkeit. Der relative Austrittswinkel und die virtuelle Steigung
sind kleiner als Schaufelwinkel und wirkliche Steigung. Bemerkt sei, daß auch hier
noch die Umflußgeschwindigkeit bei allen Halbmessern in jedem Falle konstant ist,
wie auch der absolute Austrittswinkel und das Verhältnis zwischen Druckhöhe und
Halbmesser; nur die Werte der Konstanten ändern sich mit veränderten Arbeitsverhältnissen.
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Abb.7 und 8 sowie Abb.9 und io geben ähnliche Geschwindigkeitspläne
- und Diagramme
für zwei Läufer wieder, die sich von dem Läufer
konstanten Umflusses nach Abb. 5 und 6 in einem Maße unterscheiden, das etwa den
oben angegebenen zulässigen Grenzen entspricht. Beide Läufer haben-eine Maximalabweichung
von etwa 25 °f° von der konstanten Umflußbedingung, und zwar der erste (Abb. 7 und
8) in Richtung auf den eigentlichen Schraubenläufer und der zweite nach Abb. g und
io in Richtung auf den Läufer für konstante Druckhöhe.
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Die Haupthalbmesser für diese fünf Läufer sind durch die punktierten
Linien k in Abb. 2, 4, 6, 8 und io angedeutet, wobei der Halbmesser r3 als Maximalhalbmesser
der Läuferscheibe betrachtet ist und r, als Halbmesser für die Nabe. Wenn die Benennung
in der oben gegebenen mathematischen Analyse herangezogen wird, so ist r3 =Rund
r, = pR. In den Zeichnungen beträgt r, 30 °/° von r.., so daß P = 0,3 ist.
Unter diesen besonderen Bedingungen ist das Verhältnis zwischen Druckhöhenhalbmesserk
und größtem Halbmesser R für die fünf Läufer etwa durch folgende Ziffern wiedergegeben:
für den Schraubenläufer nach Abb.2 0,765, für den Läufer konstanter Druckhöhe nach
Abb.4 o,65o, für den Läufer konstanten Umflusses nach Abb.6 o;713, für den Läufer
an der oberen Grenze nach Abb.8 0,750, für den Läufer an der unteren Grenze nach
Abb. io o,676.
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Es ist zu bemerken, daß bei dem Läufer konstanten Umflusses allein
der -effektive Druckhöhenradius, der die Grundlage für praktische Berechnungen bildet,
den Vorteil aufweist, dem Druckhöhenradius gleich zu sein. Der effektive Druckhöhenradius
kann definiert werden als der Radius, bei dem die wirklich erzeugte Druckhöhe gleich
der effektiven Druckhöhe ist, d. h. dem Durchschnitt der Druckhöhen, die an allen
Punkten der Läuferscheibe erzeugt werden. Somit erhält man die effektive Druckhöhe,
indem man das durch den Umlauf des Druckhöhendiagramms ausgeschnittene Volumen durch
die Fläche der Läuferscheibe teilt. Bei dem Läufer konstanten Umflusses ist der
effektive Druckhöhenhalbmesser theoretisch nur ein wenig kürzer als für den eigentlichen
Schraubenläufer (im besonderen in den Schemen dargestellten Falle etwa um 31/g °/°
kürzer), und die theoretische Zunahme in der Umdrehungsgeschwindigkeit kann deshalb
außer Betracht bleiben. In praktischer Ausführung hat sich bei einer Schraubenpumpe
gezeigt, daß sogar für die gleiche Druckhöhe und Leistung die Umlaufgeschwindigkeit
bei einem Läufer konstanten Umflusses etwas geringer ist als für den entsprechenden
Läufer mit eigentlicher Schraube, und zwar infolge von Gewinn in anderer Richtung.
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Der verlangte annähernd konstante Umfluß kann entweder durch geeignete
Verteilungen von Steigung und Fläche in den Läuferschaufeln oder zum Teil durch
dieses Mittel und zum Teil durch Neigung der Einlaßleitschaufeln erzielt werden.
Bei einer Schraubenpumpe ist es theoretisch möglich, einen konstanten Linfluß an
der Austrittsstelle des Läufers selbst mit einem eigentlichen Schraubenläufer (d.
h. einem Läufer, dessen Schaufeln einer Schraube konstanter Steigung entsprechen)
von geeigneter Länge zu erzielen, indem man die radialen Einlaßschaufeln, die an
den Läufer angrenzen, derart verstellt; daß sie eine erhöhte Zufuhr nahe der Achse
und eine sparsame Zufuhr nahe dein Umfange verursachen. Der Geschwindigkeitsplan
und die Druckhöhenkurve für eine solche Anordnung sind ausgezogen in Abb. i i und
12 wiedergegeben; die Ergebnisse, die sich mit einem eigentlichen Schraubenläufer
mit normaler Zufuhr einstellen, sind zum Vergleichszweck punktiert eingezeichnet.
An der Unterseite des Geschwindigkeitsplanes (Abb. ii) ist die Neigung der Einlaßleitschaufeln
angedeutet. Man sieht, daß die Druckhöhenkurve (Abb. 12) identisch mit der Druckhöhenkurve
des Läufers nach Abb.6 ist. Trotzdem der Umfluß gleichgemacht ist, würde diese Anordnung
praktisch nicht sehr befriedigend sein, und zwar im Hinblick auf Wirbelverluste
und ungleichmäßiges Fließen. Man sieht nämlich, daß die Axial -fließgeschwindigkeit
y am größten nahe dein Umfange und am kleinsten nahe der Achse ist, während es allgemeines
Bestreben für Fließgeschwindigkeiten ist, gleichförmig über einen Schnitt quer zur
Achse zu werden oder sogar etwas größer in der Nähe der Achse als in der Nähe des
Umfanges. Überdies hat diese Anordnung nicht den Vorteil, der dem Läufer konstanten
Umflusses zukommt, nämlich einen konstanten Austrittswinkel zu ergeben.
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Eine Zwischenlösung zwischen dieser"Anordnung und der bevorzugten
Anordnung, bei der die verlangte Bedingung des konstanten Umflusses allein durch
die Bemessung der Läuferschaufeln erzielt wird, kann bisweilen praktischen Wert
haben. Bei dieser Übergangslösung kann der verlangte Zustand teils durch Verteilung
der Steigung der Läuferschaufeln und teils durch Verwinden der Einlaßleitschaufeln
hervorgerufen werden. Abb. 13 und 14 zeigen Geschwindigkeitsplan und Druckhöhenkurve
für eine andere Anordnung, die bisweilen. zweckmäßig erscheinen
kann.
In diesem Falle ist wieder ein Läufer mit eigentlicher Schraube angewendet, und
die Einlaßleitschaufeln sind so verwunden, daß eine verstärkte Zufuhr nahe der Achse
und eine sparsame Zufuhr nahe dem Umfange eintritt. Das Maß der Verwindung der Einlaßschaufeln
ist jedoch kleiner als bei der Anordnung nach Abb. ii und z2 und ist so bemessen,
daß die absolute Austrittsrichtung an der Austrittsseite des Läufers bei allen Halbmessern
die gleiche ist. Ersichtlich ist der Umfluß nicht mehr bei allen Halbmessern der
gleiche, aber die Abweichung von dieser Voraussetzung (außer falls besondere Umstände
außerordentlich hohe Slipverhältnisse mit sich bringen) ist doch immerhin derart,
daß die oben angegebenen Grenzen innegehalten werden. Die Druckhöhenkurve hierfür
ist in Abb. 1d. gegeben, und der Haupthalbmesser, der durch die punktierten Linien
k für normale Slipwerte angedeutet ist, liegt zwischen denen der Anordnung nach
Abb. 6 und B. Diese Anordnung besitzt zwar nicht eine so hohe Wirksamkeit wie die
bevorzugte Anordnung nach Abb. 5 und 6, besitzt aber (gemeinsam mit dieser) den
wichtigen praktischen Vorteil, daß die im Anschluß an den Läufer angeordneten Austrittsleitschaufeln
vom Fuß bis zur Spitze gleiche konstante Steigung haben können. Ersichtlich kann
auch ein gleichförmiger absoluter Austrittswinkel aus dem Läufer mit Läuferformen
erzielt werden, die nicht Läufer mit eigentlicher Schraube sind, indem mau die Einlaßleitschaufeln
entsprechend der Gestaltung der Läuferschaufeln verwindet.
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Wie bereits erwähnt, ist die bevorzugte Anordnung die, nach der die
Steigung der Läuferschaufeln sich in radialer Richtung so ändert, daß die Flüssigkeit
bei ihrem Durchgang durch den Läufer eine im wesentlichen gleichförmige Geschwindigkeit
in Richtung des Umfanges mitteilt oder empfängt. Bei dieser Läuferform ist die Verteilung
der Steigung, verbunden mit der projektierten Größe und Verteilung der Schaufelfläche,
wie sie notwendig sind, um ein richtiges Fließen zu sichern, derart, daß ein solcher
Läufer eine viel widerstandsfähigere mechanische Einheit wird als ein gleichwertiger
Läufer mit eigentlicher Schraube. Überdies hat die Anwendung eines Läufers konstanten
Umflusses einen anderen sehr wichtigen Vorteil bei der Konstruktion von Schraubenpumpen,
wie schon kurz im vorigen Abschnitt angedeutet wurde, nämlich daß bei gleichförmiger
Geschwindigkeit des Axialflusses die absolute Richtung und Geschwindigkeit des Austritts
(dargestellt durch y und v in Abb. 5) aus dem Läufer bei allen Halbmessern gleich
sind. Infolgedessen- können die Auslaßleitschaufeln, wenn solche im Anschluß an
den Läufer angewendet werden, in der Konstruktion sehr einfach sein, weil die Neigung
ihrer an den Läufer angrenzenden Kanten vom Fuß bis zur- Spitze jetzt gleichförmig
gestaltet ist.
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Die Erfindung kann auf mannigfaltigen Wegen in die Praxis umgesetzt
werden; Abb. 15 bis 32 der Zeichnung geben beispielsweise eine zweckmäßige Gestaltung
von Pumpen und Turbinen nach der Erfindung, und zwar ist Abb, 15 ein senkrechter
Achsschnitt durch eine einfache Pumpenform, Abb. 16 ein Schema, das Zylinderschnitte
nach drei Halbmessern durch Läufer- sowie Einlaß- und Auslaßleitschaufeln wiedergibt,
Abb. 17 ein Grundriß des Pumpenläufers, Abb. i8 in der oberen Hälfte ein Grundriß
der Auslaßleitschaufeln und in der unteren Hälfte ein Grundriß der Einlaßleitschaufeln.
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Abb. i g ist eine Darstellung ähnlich Abb. 15 und zeigt eine abgeänderte
Pumpenform mit einstellbaren Auslaßleitschaufeln.
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Abb.2o ist eine Seitenansicht eines Gehäuseteiles der Pumpe nach Abb.
ig.
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Abb.2i ist eine weitere Abänderung, bei der ein axial beweglicher
Läufer verwendet wird, Abb. 22 ein Axialschnitt durch eine Turbine mit drehbaren
Einlaßleitschaufeln, Abb. 23 eine Abänderung des Ausführungsbeispieles nach Abb.
22, Abb. 2d. eine weitere Ausführung mit Einstellmöglichkeit für den Fluß durch
den Läufer in beiden Richtungen, Abb.25 eine Bauart mit einer Spiralkammer, Abb.
26 eine Anordnung mit zwei Läufern auf der gleichen Welle, Abb.27 eine Anordnung
mit zwei entgegengesetzt kreisenden Läufern.
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Abb. 28 bis 32 zeigen verschiedene wahlweise anzuwendende Läuferformen.
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Abb.2g ist ein axialer Schnitt durch den Läufer nach Abb. 28.
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Die einfache Axialpumpe nach Abb. 15 bis 18 besitzt einen mit Schaufeln
versehenen Läufer zwischen zwei Sätzen von Leitschaufeln, die koaxial mit dem Läufer
und an ihn angrenzend angeordnet sind und von einem zylindrischen GehäuseA mit glockenförmigem
Einlaß umschlossen werden. Die Schaufeln B des Läufers sitzen mit dem Fuß in der
zylindrischen Nabe B1 geeigneten Durchmessers, die auf der Welle BZ befestigt ist.
Im Beispiel hat der Läufer vier Schaufeln B mit je sichelförmig gestalteten Kanten
(Abb. i7). Er ist ein offener Läufer, und die Spitzen der Schaufeln liegen dicht
an der Wand des Gehäuses A. Die Einlaßleitschaufeln C und die Auslaßleitschaufeln
D sind mit den äußeren
Enden im Pumpengehäuse A befestigt und mit
den inneren Enden in geeigneten Naben Cl, Dl; die Auslaßleitschaufelnabe
Dl enthält das Lager für die Läuferwelle Bz.
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Der Läufer ist ein solcher des konstanten Umflusses, wofür die Verhältnisse
an Hand der Abb.5 und 6 erörtert sind. Abb.16 zeigt den Ouerschnitt jeder Läuferschaufel,
und zwar an der Nabe bei mittlerem Halbmesser (an Stelle der strichpunktierten Linie
in Abb. 15 und 17) und an der Spitze; die Halbmesser der drei dargestellten Schnitte
entsprechen den Halbmessern r,-r. der Abb. 6. Man sieht, daß die Schnitte der Arbeitsflächen
der Schaufeln gerade sind und Neigungswinkel entsprechend den Winkeln ß1, ß2, ß3
des Planes nach Abb. 5 aufweisen. Die Schaufelrücken sind gekrümmt, um in der Mitte
die nötige Dicke und Widerstandsfähigkeit zu erzielen und doch scharfe Schaufelkanten
zu behalten. Somit nimmt die Steigung der Schaufeln, die bei einem gegebenen Halbmesser
in axialer Richtung gleich bleibt, radial nach außen derart ab, daß dem Flüssigkeitsstrom,
auf den der Läufer einwirkt, eine Umflußgeschwindigkeit an der Ausflußseite erteilt
wird, die bei allen Halbmessern den gleichen linearen Wert hat. Die verfügbare freie
Ouerschnittsfläche für den Flüssiglceitsdurchfluß zwischen den Schaufeln ist so
bemessen, daß die Axialflußkomponente bei allen Halbmessern annähernd konstant ist.
Unter diesen Umständen ergibt sich aus dem Vorangegangenen und dem an Hand der Abb.5
Angeführten, daß der absolute Ausflußwinkel aus dein Läufer, d. h. die Neigung der
Bahn jedes besonderen Flüssigkeitsteilchens gegen eine senkrecht zur Achse gelegte
Austrittsebene, bei allen Halbmessern konstant ist. Die Pfeile in Abb. 16 und 17
zeigen die Umlaufrichtung des Läufers.
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Die Einlaßleitschaufeln C (vgl. besonders Abb. 16 und untere Hälfte
der Abb. 18) liegen hauptsächlich in Flächen axialer Richtung. Ihre Hauptaufgabe
ist die Verhütung eines übermäßigen Vorumflusses und eine Matte Führung der Flüssigkeit
in Axialrichtung auf den Läufer zu. Die Kanten der Einlaßschaufeln, die an den Läufer
angrenzen, sind jedoch vorzugsweise ein wenig in Richtung des Läuferumlaufs gekrümmt
(wie bei C2 in Abb. 16 gezeigt), um Wirbelungen beim Einfluß zu den Läuferschaufeln
zu verhüten. Diese Ränder sind auch nach Maßgabe der veränderlichen axialen Länge
des Läufers (Abb.15 und 16) gekrümmt; die Axiallänge ist größer an der Nabe und
nimmt radial nach außen ab, um eine Anpassung an die in Richtung des Radius erfolgende
Veränderung der Schaufelneigung herbeizuführen. In dein besonderen dargestellten
Beispiel sind sieben Einlaßleitschaufeln vorhanden, und sie liegen mit ihren oberen,
d. h. an den Läufer angrenzenden Kanten in radialen Ebenen.
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Da die absolute Austrittsrichtung aus dem Läufer bei allen Halbmessern
gleichförmig ist, so ist auch der Einlaßwinkel der Auslaßleitschaufeln D über die
ganze Länge jeder Schaufel hin gleichförmig. Die Auslaßschaufeln D sind so gekrümmt,
daß die die Schaufeln verlassende Flüssigkeit axial fließt. Die Schaufeln dienen
dazu, den LJmfluß in Pressung oder Druckhöhe umzuwandeln, ohne die axiale Fließgeschwindigkeit
zu vergrößern. Im dargestellten Beispiel sind sieben Auslaßschaufeln vorhanden,
und ihre unteren (an den Läufer angrenzenden) Ränder liegen in radialen Ebenen.
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Bei dieser Anordnung saugt der Läufer infolge seines Umlaufs Flüssigkeit
durch den Einlaßleitschaufelraum in Axialrichtung und erteilt der Flüssigkeit eine
Austritts-Umfluß-Geschwindigkeit, die bei allen Halbmessern die gleiche ist; auch
die Axialfließgeschwindigkeit ist gleichförmig. DieseAxialfließgeschwindigkeit bestimmt
die Menge der von der Pumpe geförderten Flüssigkeit, und die Umflußgeschwindigkeit
wird in Druckenergie oder Druckhöhe durch die Auslaßleitschaufeln umgesetzt. Die
für den Flüssigkeitsdurchfluß verfügbaren Querschnittsflächen sind in der ganzen
Maschine derart bemessen, daß ein stetiger Fluß in Axialrichtung so wenig wie möglich
beeinträchtigt wird.
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Im Vorangegangenen ist der Läufer als ein solcher der Type mit konstantem
Umfluß beschrieben worden. Es sei jedoch hinzugefügt, daß Ergebnisse, die vom Standpunkt
der Verteilung des Druckes über die Läuferscheibe fast ebenso zufriedenstellend
sind, auch erzielt werden können, wenn die Steigungsverteilung derart ist, daß nur
eine Annäherung an den Zustand des konstanten Umflusses erreicht wird. So kann der
Läufer eine Zwischenform zwischen denen annehmen, die in bezug auf Abb. 7 und 9
beschrieben wurden. Es darf aber nicht außer acht bleiben, daß jede erhebliche Abweichung
von dem Zustand des konstanten Umflusses, wenn nicht begleitet von einer entsprechenden
Veränderung in der Axialfließgeschwindigkeit, etwa erreicht durch Verwinden der
Einlaßleitschaufeln in der am unteren Rande der Abb. 13 angedeuteten Weise, zu einer
Veränderung im absoluten Austrittswinkel in der Läuferaustrittsseite und damit zu
einer verwickelteren Gestaltung der Auslaßleitschaufeln führt.
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Für die Auslaßleitschaufeln einer Schraubenpumpe ist der Eintrittswinkel
(d. h. die
i"Teigung der Kanten der Auslaßleitschaufeln, wenn diese
in der Nachbarschaft des Läufers liegen) offenbar, wenn sie feststehen, nur richtig
für einen bestimmtenWert von Druckhöhe und Menge bei beliebig gegebener Drehgeschwindigkeit.
Diese bestimmte Kombination von Druckhöhe und Menge entspricht gewöhnlich dem Eintreten
des Maximalwirkungsgrades, der . bei der gegebenen Drehgeschwindigkeit erreichbar
ist. Um einen Maximalwirkungsgrad für andere Wertverbindungen von Menge und Druckhöhe
bei der gegebenen Umdrehungsgeschwindigkeit zu erzielen, muß- der Eintrittswinkel
der Auslaßleitschaufeln veränderlich sein, um eine Anpassung an die entsprechend
veränderte absolute Austrittsöffnung des Läufers zu erzielen. Bei Auslaßleitschaufeln
schraubenförmiger Gestalt, wie geeignet für die Fließverhältnisse, die sich bei
einem mit richtiger Schraube versehenen Läufer ergeben, würde jede . Verstellung
der Schaufeln -um ihre Längsachsen bewirken, daß sie aus der richtigen Steigung
herauskommen. Bei Leitschaufeln .gleichförmigen Eintrittswinkels dagegen, entsprechend
den Anforderungen eines Läufers mit konstantem Umfluß, können die Schaufeln oder
ihre Eintrittskanten um die Längsachsen gedreht werden,. um sie über einen erheblichen
Veränderungsbereich den Arbeitsbedingungen der Maschine anzupassen unter Beibehaltung
entsprechend hoher Wirkungsgrade über einen weiten Bereich. Eine solche Anordnung
ist in Abb. i9 und 2o wiedergegeben.
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Bei der Konstruktion nach Abb. i9 und 2o sind Läufer und Einlaßleitschaufeln
in ähnlicher Weise angeordnet wie bei der Ausführung nach Abb. 15 bis 18, nur däß
die veränderliche Axialerstreckung des Läufers durch entsprechende Gestaltung der
Auslaßkanten erzielt ist, derart, daß Einlaßfläche des Läufers und Auslaßfläche
der Einlaßleitschaufeln eben sind. Die betreffenden Teile, die mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind, bedürfen hier keiner weiteren Beschreibung. Die Auslaßleitsehaufeln
aber sind abweichend angeordnet, und jede einzelne Auslaßschaufel E ist so im Gehäuse
A angebracht, daß man sie um ihre Längsachse drehen kann. Jede Schaufel_E besitzt
einen zylindrischen Schaft E-großen Durchmessers, der durch das Gehäuse A hindurchtritt
und außerhalb des Gehäuses eine Scheibe E2 mit Schlitzen E3 trägt, durch die Bolzen
E4 hindurchtreten, die als Stiftschrauben in die Gehäusewandung eingesetzt sind.
Wenn die Anzugsmuttern der Bolzen E4 gelockert werden, so kann die Scheibe E2 und
damit die Schaufel E um einen kleinen Winkel gedreht werden. Die inneren .Enden
der-SchgufelE liegen nahe der. NabeB' des Läufers, die in diesem Falle um den Leitschaufelrauin
verlängert worden ist. Die Drehbarkeit der Auslaßleitschaufeln um ihre Längsachsen
kann auch in anderer Weise herbeigeführt werden, und diese Einrichtungen können
so ausgestattet sein, daß alle Auslaßleitschaufeln gleichzeitig drehbar sind (ähnlich
wie die Schaufeln bei der Ausführung nach Abb. 22 und 23), wenn eine Einzeleinstellung
unbefriedigend ist.
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Man kann die Auslaßleitschaufeln bisweilen, statt sie angrenzend an
den Läufer anzubringen, vorteilhaft unter Belassung eines Freiraumes zwischen den
Elementen anbringen. Wenn dann entweder der Läuferoder--der Satz von Leitschaufeln
axial verschieblich ist, um die axiale Länge des Freiraumes zu verändern, so kann
eine Wirkung erzielt werden, die der durch Drehen der Schaufeln um ihre Achsen etwas
ähnelt; denn die Fließverhältnisse in der den Läufer verlassenden Flüssigkeit werden
die eines erzwungelien oder teilweise erzwungenen Wirbels sein, und diese Verhältnisse
werden sich in dem Freiraum in die eines freien Wirbels zu ändern suchen. Die absolute
Fließrichtung der Flüssigkeitsteilchen wird sich demnach bei verschiedenen Axialabständen
vom Läufer ändern, und die axiale Länge des Freiraumes kann so eingestellt werden,
daß der Eintrittswinkel der Austrittsleitschaufeln nahezu mit der absoluten Fließrichtung
zusammenfällt.
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Eine solche Anordnung ist in Abb.21 wiedergegeben, bei der die Einlaß-
und Auslaßleitschaufeln in der gleichen Weise angeordnet sind wie in der Ausführung
nach Abb. 15 bis i 8 (vgl. die übereinstimmenden Bezugsbuchstaben) mit der Ausnahme,
daß größerer Abstand zwischen den Teilen vorlianden ist. Der Läufer ist aber in
diesem Falle axial im Raum zwischen den beiden Leitschaufelsätzen aus der in ausgezogenen
in die in punktierten Linien dargestellte Lage verschiebbar. Der Läufer ist vorzugsweise
wieder ein Läufer nach der Type mit konstantem Umfluß und weist Schaufeln F an einer
Nabe F1 auf einer Läuferwelle FZ auf; die Konstruktion ist identisch mit der des
Läufers, der an Hand der Abb. 15 bis 18 beschrieben wurde.
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Die Anordnung nach Abb. 21 ist auch von Wichtigkeit, wenn der Läufer
selbst nicht so ausgeführt wurde, daß er genau die Bedingungen des konstanten Umflusses
schafft, oder wenn eine Annäherung an die Bedingungen des konstanten Umflusses mit
einem richtigen Schraubenläufer durch Verwinden der Einlaßleitschaufeln erzielt
ist. In einem solchen Falle werden die Fließverhältnisse beim Austritt der Flüssigkeit
aus dem. L-iufer die eines
Verbundwirbels- sein, der im besonderen
von dem Gesetz abhängig ist, nach dem sich die Steigung im Läufer ändert, oder von
dem Ausmaß der Verwindung der Einlaßleitschaufeln. Der allmähliche Übergang von
-diesem teilweise erzwungenen Wirbel zu dem freien Wirbel bewirkt eine Veränderung
der Beziehungen zwischen Umfluß und Halbmesser bei verschiedenen Axialabständen
vom Läufer. Die absolute Fließrichtung der Flüssigkeitsteilchen wird sich gleichfalls
ändern, und es wird auf diese Weise möglich -sein, eine Axiallänge für den Freiraum
zwischen Läufer und Auslaßleitschaufeln derart zu wählen, daß die Schaufeln einfache
und zweckmäßige Konstruktionen ohne irgendwelchen beträchtlichen Verlust an Wirkungsgrad
erhalten können.
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Die Konstruktionen nach Abb. 15 bis 21 sind insbesondere unter Bezug
auf ihre Verwendung als Axialkreiselpumpen beschrieben. Die Konstruktionen können
aber auch für Axialturbinen verwendet werden, wenn schon hierfür im allgemeinen
eine gewisse Abänderung erwünscht ist.
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Betrachtet man zuerst die einfache Anordnung nach Abb. 15 bis 18,
bei der ein Läufer der Type konstanten Umflusses zwischen zwei Sätzen von festen
Leitschaufeln angebracht ist, die koaxial damit sind und in seiner Nähe liegen,
so wirken die Einlaßleitschaufeln für die Turbine (die die Auslaßleitschaufeln D
für die Pumpe waren) derart, daß sie der in den Läufer eintretenden Flüssigkeit
einen Umfluß erteilen. Die Flüssigkeit wirkt auf die Schaufeln B des Läufers und
veranlaßt ihre Drehung, wobei die Umflüßenergie der Flüssigkeit in Drehmomentenergie
in der Läuferwelle B2 verwandelt wird. Würde unter den Verhältnissen des idealen
theoretischen Wirkungsgrades gearbeitet, so würde die gesamte Umflußenergie aus
der Flüssigkeit entzogen und in Drehmoment verwandelt werden, und wenn die Flüssigkeit
den Läufer v erläßt, würde ihre absolute Fließrichtung axial sein. Man sieht, daß
die Auslaßleitschaufeln (die die Einlaßleitschaufeln C für die Pumpe darstellten)
dann unnötig werden würden und wegbleiben könnten. In Fällen aber, in denen eine
beachtliche Umflußkomponente in der den Läufer verlassenden Flüssigkeit verbleibt,
kann die Anordnung von Leitschaufeln an der Auslaßseite erwünscht sein, um die Möglichkeit
der Bildung eines Luftkernes zu vermindern und eine Verzögerung des Austritts durch
spiraliges Fließen zu vermeiden. Diese Leitschaufeln würden, wenn angrenzend an
den Läufer angeordnet, dem Läufer zunächstliegende Kanten aufweisen, die etwas der
Drehrichtung des Läufers entgegengekehrt sind (statt in Drehrichtung, wie es bei
einer Pumpe der -Fall- isst); um Y-#Tirbelverluste zu verhüten.
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Die Erwägungen, die bezüglich der Neigung der Kanten der Einlaßschaufeln
bei Angrenzen an den Läufer einer Turbine gelten, sind genau die gleichen wie die,
die in bezug auf die Auslaßleitschaufeln einer Pumpe angewendet wurden. Wenn somit
ein Läufer konstanten Umflusses Anwendung findet, so sollten die Einlaßleitschaufelkanten
von Fuß bis Spitze eine konstante Neigung aufweisen, um eine konstante absolute
Fließrichtung der in den Läufer eintretenden Flüssigkeit mitzuteilen. Wie bei einer
Pumpe wird auch hier die wirkliche Neigung der Leitschaufeln theoretisch richtig
nur für eine bestimmte Kombination von Druckhöhe und Menge für jeden Wert der Umdrehungsgeschwindigkeit
des Läufers sein, und die beispielsweise an Hand der Abb. 1g und 2o gegebene Ausführungsart,
bei der die Leitschaufeln E um ihre Längsacbsen drehbar angeordnet sind, ist von
besonderem Wert bei einer Turbine, was keiner weiteren Erläuterung bedarf.
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Auch bei einer Turbine ist eine gewisse Abweichung von der Bedingung
des konstanten Umflusses bei der Entwurfsverteilung der Steigung über den Läufer
zulässig; das Zusammenwirken zwischen Läufer und angrenzenden Leitschaufeln mit
dem Ziel, sich einem konstanten Umfluß anzunähern, wie es für die Pumpe beschrieben
wurde, ist für die Turbine von geringer praktischer Bedeutung.
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Die Anordnung nach Abb. 21, bei der ein Freiraum konstanter oder veränderlicher
axialer Länge zwischen Läufer und Einlaßleitschaufeln der Pumpe vorhanden ist, hat
erhebliche Bedeutung für die Anwendung bei einer Turbine. Hierbei gibt die Anordnung
eines einstellbaren Freiraumes eine 'ziemlich beträchtliche Freiheit bezüglich der
Gestalt der Einlaßschaufeln (das sind die Pumpenauslaßschaufeln) und in der Verteilung
der Steigung in den Läuferschaufeln, weil bei einer Einstellung des Freiraumes und
entsprechender Veränderung in der Regelung der absoluten Fließrichtung die Ein=wirkung
von Veränderungen im Entwurf im hohen Maße ausgeglichen werden kann.
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Diese Betrachtung führt zu einer wichtigen weiteren Anordnung von
hydraulischen Maschinen gemäß der Erfindung. Diese Ausführung, für die Beispiele
in den Abb. 22 bis 24 wiedergegeben sind, hat besondere Bedeutung für eine Turbine
und wird deshalb unter Bezug auf diese beschrieben werden; sie kann aber auch mit
Vorteil in gewissen Fällen für Axialpumpen Verwendung finden.
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Bei der Anordnung nach Abb.22 ist der Schrauhenläufer, vier für konstanten
Umfluß
entworfen ist und Schaufeln K an einer Nabe KI trägt, die
auf der Läuferwelle I@2 sitzt, in einem senkrecht angeordneten, in Abwärtsrichtung
durchflossenen zylindrischen Gehäuse.G angeordnet. Der Einfluß zur Oberseite des
Gehäuses ist wagerecht angeordnet. Er kann entweder durch eine Reihe entsprechend
angeordneter Durchlässe oder durch einen ringsumlaufenden Durchlaß zwischen einem
Flansch GI an der Oberseite des Gehäuses und einer Deckplatte G2 an einer
festen Nabe oder Lagerstelle G$ erfolgen, durch die die Läuferwelle K2 hindurchgeht;
der Flansch Gl- und die Platte G2 sind durch Bolzen G4 verbunden. Der wagerechte
Einfluß wird durch eine Reihe um vertikale Zapfen drehbarer Schaufeln H gesteuert,
die als ausbalancierte Flügel ausgebildet sind (wie sie gewöhnlich bei Wasserturbinen
mit einwärts und abwärts gerichtetem Einlauf angewendet werden). Die Bolzen G4 können
als Drehachsen für die Schaufeln dienen.
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Zahl und Größe der Schaufeln H, die in einem Ring konzentrisch zur
L<uferachse angeordnet sind, sind vorteilhaft so, daß bei Drehung aller Schaufeln
derart, daß sie ihre Breitseiten dem Flüssigkeitsstrom zuwenden, der Einlaß völlig
abgeschlossen ist. Zweckmäßig sind Einrichtungen zur gleichzeitigen Drehung der
Schaufeln um ihre Achsen vorgesehen. Abb.22 zeigt ä.ls Beispiel eine- zweckmäßige
Anordnung, bei der ein Armkreuz J auf dem feststehenden Teil G3 drehbar ist und
Schlitze J1 aufweist, in denen Zapfen J2 an den inneren Enden von Armen J3 gleiten
können, die an den Schaufeln H angreifen. Wenn somit der Armstern J um einen kleinen
Winkel entweder von Hand oder durch geeignete Steuergetriebe bewegt wird, drehen
sich sämtliche Schaufeln H gleichzeitig, Lind der Einflußwinkel der Flüssigkeit
in die Oberseite des den Strom nach unten leitenden Gehäuses wird entsprechend geändert.
Statt der üblichen rechteckigen Umrißform können die Leitschaufeln H, wenn es erwünscht
ist, auch schräge oder gekrümmte Kanten aufweisen, wie es beispielsweise in punktierten
Linien bei Hl und H2 dargestellt ist.
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Die Leitschaufeln H teilen der Flüssigkeit einen Umfluß mit. Sie fließt
in die Turbine ein unter der Einwirkung des Spiegelunterschiedes zwischen Oberwasser
und Unterwasser der Maschine. Die Verhältnisse des Wirbels oder Umflusses, der anfänglich
von den Leitschaufeln der einfließenden Flüssigkeit mitgeteilt wird, sind die eines
erzwungenen Wirbels, bei dem die Umflußgeschwindigkeit proportional dem Halbmesser
ist. Es tritt jedoch ein Abwärtsfluß ein, und die natürlichen Verhältnisse beim
Abwärtswirbel sind die eines freien Wirbels, bei dem die Umfluß- oder Kreiselgeschwindigkeit
umgekehrt proportional dem Halbmesser ist. Demnach wird eine allmähliche Umwandlung
aus dem erzwungenen in den freien Wirbelfluß eintreten, und es wird ein mittlerer
Verbundwirbelzustand vorhanden sein, der ziemlich genau dem des gewünschten konstanten
Umflusses entspricht, während über einen ziemlich weiten Bereich hin die Verhältnisse
sich nicht wesentlich von denen des konstanten Umflusses unterscheiden werden.
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Wenn somit der Läufer in dem N iederflußgehäuse G an einer Stelle
angeordnet ist, an der dieser Zwischenzustand besteht, so wird die Flüssigkeit dem
Läufer annähernd unter den Verhältnissen des konstanten Umflusses zuströmen. Die
Steigungsverteilung in der Läuferschaufel K ist zweckmäßig so, daß sie genau dem
Gesetz entspricht, das die Beziehung zwischen Umfluß und Halbmesser an der gewählten
Zwischenstufe zwischen erzwungenem und freiem Wirbel ausdrückt. Diese Beziehung
kann bis zu einer ziemlich engen Annäherung an den Zustand des konstanten Wirbels
gebracht werden; praktisch ergibt sich sehr geringe Einbuße im Wirkungsgrad, wenn
der Läufer genau hierfür entworfen ist.
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Bei der Anordnung nach Abb.22 ist der Läufer in dem Niederflußgehäuse
G in fester Stellung angeordnet. Es wird aber im allgemeinen vorzuziehen sein, den
Läufer so anzubringen, daß diese Stellung in Axialrichtung einstellbar ist, um eine
Anpassung an Veränderungen in der besten Wirkstellung herbeizuführen, die durch
Druckhöhenveränderung, Zuflußmenge und Neigung der Einlaßleitschaufeln hervorgerufen
werden. Eine solche Anordnung ist in Abb. 23 dargestellt, die gleichzeitig eine
Abänderung in der Anordnung der Einlaßleitschaufeln wiedergibt.
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Bei dieser Ausführung nach Abb. 23 weist der Läufer Schaufeln L an
einer Nabe L1 der Läuferwelle L= auf; er ist für die Verhältnisse des konstanten
Umflusses oder annähernd konstanten Umflusses entworfen. Der Läufer kreist in einem
zylindrischen Niederflußgehäuse M und ist darin axial aus der in ausgezogenen in
die in punktierten Linien dargestellte Lage verstellbar. Der Einlauf erfolgt durch
schräge Kanäle zwischen einem Flansch Ml am oberen Ende des Gehäuses M und einer
glockenförmigen Deckplatte 1112 an einer festen Nabe oder Lagerstelle M3, durch
die die Läuferwelle M2 hindurchgeht. Die Platte M2 ist am Flansch 11,11 durch Bolzen
1LV befestigt. Der Einlaß wird durch Schaufeln N (ausbalancierte Flügel) geregelt,
die um die Bolzen M4 drehbar sind. Diese sind so angeordnet, daß die Drehachsen
der
Schaufeln N auf einer Kegelfläche liegen, deren Achse mit der Läuferachse zusammenfällt.
Die Wirkung dieser Abänderung der Leitschaufelanordnung besteht in einer Veränderung
der Verhältnisse des Wirbelflusses in der Flüssigkeit an der Oberseite der Einlauföffnung
und in der Möglichkeit einer früheren und engeren Annäherung an die Verhältnisse
des konstanten Umflusses im oberen Ende des Niederflußgehäuses. Offenbar können
auch hier die Schaufelräder in der Weise geformt werden, wie es bei Hl, H2 der Abb.22
gezeigt wurde, um die Strömungsverhältnisse im oberen Ende des Niederflußgehäuses
zu beeinflussen. Die -Neigung des Einflußkanals und der Schaufelachsen kann nach
Maßgabe der Anforderungen besonderer Ausführungen geändert werden. Die Grenze liegt
zwischen den beiden äußersten Stellen nach Abb.22 mit wagrechten und nach Abb. ig
mit senkrechtem Einlauf.
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Die Anwendung schräg angeordneter Einlaßschaufeln hat den praktischen
Vorteil, zu ermöglichen, daß die Regelung des Einlaufs und Wirbels (durch Drehung
der Schaufeln um ihre Achsen) in zweckmäßiger Weise durch ein einfaches Aufsatzstück
geringen Durchmessers herbeigeführt werden kann, das konzentrisch zur Läuferachse
angeordnet ist. Im Beispiel besitzt jede Schaufel N nahe einem Ende einen kleinen
Fortsatz NI, der in einen Schlitz N2 einer Scheibe N3 faßt, die drehbar auf der
festen Nabe 1113 sitzt.
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Wenn eine der Anordnungen nach Abb. 22 oder 23 als Turbine benutzt
wird, so wird es im allgemeinen unnötig sein, Auslaßleitschaufein vorzusehen. Finden
sie jedoch Anwendung, so kann man sie entweder als feste Leitschaufeln oder als
einstellbare Flügelschaufeln in einem schrägen oder wagrechten Ausflußkanal anbringen.
Statt dessen können sie auch gleichzeitig mit dem Läufer in dessen Nähe angebracht
werden, ähnlich wie es an Hand der Abb. 15 bis 21 beschrieben wurde. Die Anordnungen
nach Abb. 22 und 23 sind auch für Pumpen verwendbar; in diesem Falle wird aber die
Anordnung von Leitschaufeln an der Einlaßseite allgemein notwendig sein.
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Die Ausführung, bei der einstellbare ausbalancierte Schaufeln in konvergierenden
oder divergierenden Ringkanälen zu beiden Seiten des Läufers angebracht sind, gibt
eine zweckmäßige und praktische Konstruktion für eine umkehrbare Pumpe, weil sowohl
Einlaß- wie Auslaßverhältnisse in beiden Fließrichtungen leicht durch einfache äußere
Einrichtungen steuerbar sind, die auf die Leitschaufeln wirken. Eine solche Anordnung
ist in Abb. 24 wiedergegeben. Sie weist einen Läufer der Bauart mit konstantem Umfluß
auf, der auf einer Welle 011 sich in einem zylindrischen Gehäuse P zu drehen vermag,
das am oberen und unteren Ende Flanschen P1 und P2 aufweist. Zwei Sätze ausgeglichener
Flügelschaufeln O und R sind zwischen diesen Flanschen P1, P2 und feststehenden
Endstücken P3, P4 angebracht und regeln Zufluß und Abfluß für das Gehäuse P. Die
feststehenden Teile werden durch Bolzen P5 zusammengehalten, die abwechselnd mit
den Drehzapfen für die Schaufeln O, R angeordnet sind. Die Schaufeln Ö des unteren
Satzes sitzen auf Spindeln Q1, die bis zum oberen Ende zur Maschine hindurchragen,
wo sie mittels eines geeigneten Antriebsstückes, wie beispielsweise in Abb. 22 wiedergegeben,
gedreht werden können. Gleicherweise sitzen die Schaufeln R auf Hülsen R1, die die
Spindein Q1 umschließen und die gleichfalls durch ein Antriebsstück am oberen Ende
der Maschine verstellt werden können. Die ganze Maschine ist vorzugsweise symmetrisch
zu einer wagrechten Mittelebene angeordnet, so daß sich für den Fluß in Richtung
von unten nach oben ähnliche Verhältnisse ergeben wie für den Abwärtsfluß.
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Bei den Ausführungen nach Abb.22 bis 24 kann es bisweilen angebracht
sein, feste Leitschaufeln statt der ausgeglichenen Flügelschaufeln anzuordnen, und-eine
ähnliche Wirkung kann auch dadurch erzielt werden, daß der Einlaß (bei einer Turbine)
bzw. der Auslaß (bei einer Pumpe) in Gestalt einer Reihe von tangential angeordneten
Kanälen oder eines einzelnen Spiralkanals mit oder ohne Führungsschaufeln vorgesehen
ist. Eine derartige Anordnung ist in Abb. 25 dargestellt, die im besonderen mehr
für die Anwendung als Pumpe gedacht, jedoch auch für eine Turbine anwendbar ist.
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Bei dieser Anordnung ist der Läufer S konstanten Umflusses auf einer
Welle S1 angrenzend an feststehende Einlaßleitschaufeln S2 und über diesen in einem
Gehäuse S3 angeordnet, das an seinem oberen Ende in einem Schneckenaustrittskanal
S4 endigt, dessen Gestalt derart ist. daß Auslaßleitschaufeln unnötig werden.
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Bisweilen, und zwar für Pumpen wie für Turbinen, können die Arbeitsverhältnisse
die Anwendung von zwei oder mehr Läufern in Reihe auf der gleichen Welle statt eines
einzelnen Läufers verlangen. Eine Anordnung finit zwei Läufern ist beispielsweise
in Abb.25 veranschaulicht. Hier sind die beiden Läufer T und TI- von der Type mit
konstantem Umfluß. Sie sitzen auf einer Welle T2 drehbar in einem feststehenden
Gehäuse T°. Sätze von Leitschaufeln T4, T @, T6 wechseln mit den Läufern
ab, so daß also der mittlere Satz T2; gleichzeitig als Einlaßschaufelsatz für den
einen Läufer und als Auslaßschäufelsatz
für den anderen Läufer
-wirkt. -lach der Zeichnung sind die Schaufeln T@ bis T' im Gehäuse angrenzend an
die Läufer befestigt. Es ergibt sich aber nach dem Vorangegangenen, daß bestimmte
Leitschaufeln auch um Längsachsen wie bei der Anordnung nach Abb. i9 drehbar sein
können oder daß die Endschaufelsätze T4, T' im Abstand von den Läufern angebracht
und als ausbalancierte Flügelschaufeln gestaltet sein können, wie an Hand der Abb.
22 bis 2,4 beschrieben.
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Bei einer weiteren Anordnung -(Abb.27), die in manchen Ausführungen
sowohl für Pumpen wie für Turbinen oder für ähnliche hvdraulische Maschinen mit
Axialdurchfluß vorteilhaft verwendbar sein kann, sind zwei Läufer U, Z,Tl konstantenUmflusses
angrenzend auf koaxialen Wellen U2, U3 angebracht, die durch Zahngetriebe oder in
sonstiger Weise derart verbunden sind, daß sie entgegengesetzt kreisen. Dabei hat
dann der eine Läufer rechtsgängige und der andere linksgängige Schaufeln. Bei dieser
Anordnung kann man Leitschaufeln U4 an der Pumpeneinlaß- (oder Turbinenäuslaß-)
Seite anwenden; gemeinhin wird es aber umnötig sein, Leitschaufeln an der Pumpenauslaß-
(oder Turbineneinlaß-) Seite anzubringen, weil der zweite Läufer U1 selbst die Tätigkeit
derartiger Leitschaufeln ausübt. Wenn die beiden Läufer im wesentlichen identisch
sind (abgesehen von der Umkehr der Schaufelrichtung und etwaiger Beerücksichtigung
hydraulischer Verluste), -ird der Umfluß, der durch einen Läufer mitgeteilt wird,
genau durch den zweiten Läufer herausgenommen werden. Haben die beiden Läufer wesentlich
verschiedene Steigung, so kann die verlangte Umflußkompensation immer noch erzielt
werden, indem man das Getriebe zwischen den beiden Wellen so bewegt, daß die verlangten
relativen Geschwindigkeiten der Umdrehung eintreten. Ein Vorteil dieser Anordnung
ist, daß der zweite Läufer in richtiger Weise die Funktion der Leitschaufeln unter
allen Fließverhältnissen erfüllt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß einem gegebenen
Läuferdurchmesser und einer gegebenen Umdrehungsgesch,ivindigkeit größere Energie
und Druckhöhe zugeteilt werden können. Man sieht, daß bei Weglassen des Getriebes
zwischen den beiden Wellen die Anordnung als hydraulisches Kraftübertragungsgetriebe
benutzt werden kann, w=obei der eine der Läufer, z. B. U, der mit der treibenden
Welle U2 verbunden ist, als Pumpe wirkt, während der zweite Läufer als Turbine arbeitet.
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In allen beschriebenen Anordnungen kann der Läufer sich- baulich in
mannigfaltiger Weise verändern,. sofern er der Bedingung des konstanten oder annähernd
konstanten Umflusse5.entspricht. , .afi@b, p@ bis 3p_ zeigen verschiedene-Ausführungsformen
für den Läufer beispielsweise; die eingezeichneten Pfeile bedeuten die Umlaufrichtung
bei der Verwendung der Pumpe. So zeigen- Abb. 28 und 29 einen Läufer mit zwei Radialkanten
aufweisenden Schaufeln V zwischen einer zylindrischen Nabe V' und einem zylindrischen
Mantel V2. Abb. 30 zeigt einen ähnlich ummantelten Läufer mit drei Schaufeln
V3 und sichelförmig gestalteten Rändern. Andere Gestaltungen für Mantel und Nabe
(beispielsweise kegelig oder gekrümmt, wie es für den Mantel durch die punktierten
Linien V4- und VI, in Abb. 29 angegeben ist) können, wo es angebracht erscheint,
Verwendung finden.
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-1bb. 31 und 32 geben zwei offene Läufer mit vier bzw. fünf Schaufeln
VO bzw. V7 wieder. In einem Falle sind beide Schaufelkanten tangential angeordnet.
Im anderen Falle sind die nacheilenden Kanten tangential und die voreilenden Kanten
teils tangential, teils sichelförmig. Es ist klar, daß die Anordnung der Schaufeln
sich noch mannigfach modifizieren läßt, und daß Zahl der Schaufeln und auf ein;.
quer zur Achse gelegte Ebene projizierte Schaufelfläche in bezug auf Verteilung
und Gesamtscheibenfläche auf ein für die vorliegenden Arbeitsverhältnisse am besten
geeignetes Maß gebracht werden können.
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Die Projektion der Schaufeln auf eine durch die Achse gelegte Ebene
kann gerade, geneigte oder gekrümmte Schaufelkanten zeigen, und wenn die Richtung
einer Kante als für die vorliegenden Arbeitsverhältnisse am besten geeignet festgelegt
ist, so wird Schaufeltiefe und Begrenzung für die andere Kante durch die Steigung
sowie durch die Verteilung der Projektion auf die Axialebene festgelegt.
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Zylinderschnitte durch die Schaufeln, bei irgendeinem Halbmesser geführt,
können parallele Dicken, Linsenform, Stromlinienform oder sonst geeignete Gestalt"
je nach den Arbeitsverhältnissen aufweisen. Die Schaufelkanten können gerundet sein.
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Die bezüglich der baulichen Einzelheiten aufgestellten Betrachtungen
für die Läuferschaufeln gelten auch für die Leitschaufeln.
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Es können mannigfache Gehäuseformen Anwendung finden, wie sie am besten
den baulichen Besonderheiten der Turbinen und Pumpen entsprechen, die Läufer aufweisen,
die für die Bedingungen des annähernd konstanten Umflusses bestimmt sind, und die
Maschinenachsen können -senkrecht, wagerecht oder geneigt angeordnet sein, wie es
den Arbeitsbedingungen am besten entspricht.
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Die Innenbegrenzungen der Gehäuse müssen so sein, _daß plötzliche
Wechsel in Allgeineinrichtung und Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes vermieden.
und'Reibüngs- und
Wirbelverluste auf ein praktisches Mindestmaß
herabgesetzt werden.
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Außer der Radialveränderung der Steigung zwecks Erzielung der Wirkung
des konstanten Umflusses oder einer Annäherung an diesen können die Läuferschaufeln
eine Steigungsveränderung in Axialrichtung aufweisen, ohne daß dadurch- die Bedingung
beeinträchtigt wird, daß die der Flüssigkeit mitgeteilte Umflußgeschwindigkeit bei
allen Halbmessern annähernd die gleiche ist.
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Offenbar sind die verschiedenen Konstruktionen und Anordnungen, die
eingehender beschrieben worden sind, lediglich beispielsweise behandelt, und es
sind Abweichungen möglich, ohne daß damit der Erfindungsbereich verlassen wird.
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Ferner ist die Erfindung zwar im besonderen in bezug auf ihre Anwendung
für Axialpumpen und Turbinen beschrieben, ist aber auch anwendbar auf andere Typen
von hydraulischen Maschinen mit Axialfluß, z. B. für Schraubenpropeller, in welchem
Fall der Schraubenläufer entweder allein oder in Verbindung mit Leitschaufeln Verwendung
finden kann. _