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Mehrstufige Wasserturbinenanlage Es ist .nah.eliegend, auch für höhere
Gefälle Wasserturbinen mit großer spezifischer Drehzahl zti verwenden und so die
Drehzahlen der Maschinen auf die wirtschaftlich günstigste Grenze zu treiben. Allein
die bei großen Wasser- und Laufradgeschwindigkeiten einsetzende Hohlraumbildung
(Kavitation) setzt diesem Bestreben eine Grenze, indem der Wirkungsgrad der Turbinen
bei starker havitation zurückgeht.
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Das Studium der Kavitation hat in letzter Zeit zur Erkenntnis geführt,
daß das zulässige Gesamtsauggefälle der Turbinen (statisches -i- dynamisches durch
Diffusorwirkung erzeugtes Sauggefälle) in gesetzmäßiger Abhängigkeit von den Wassergeschwindigkeiten
im Laufrad steht. Je größer die letzteren sind, um so kleiner muß das Gesamtsauggefälle
gewählt werden, um Verluste zu vermeiden. Es sind heute Versuchseinrichtungen vorhanden
und beschrieben,, die eine Wirkungsgradverminderung durch Hohlraumbildung bei sich
gleichbleibendem Gesamtgefälle und veränderlichem Sauggefälle genau festzustellen
gestatten. Gemäß der Erfindung wird nun bei einer mehrstufigeci Wasserturbinenanlage
für mittlere und höhere Gefälle für Turbinen mit relativ großer spezifischer Drehzahl
die Aufteilung des Gefälles auf die Stufen so vorgenommen, daß das Verhältnis des
Staudruckes zum Gefälle so groß ist, daß höchstens etwa i o °'o Kavitationsverluste
(bezogen auf die der betreffenden Stufe zur Verfügung stehende Energie) eintreten.
Man gelangt so zu Stufenanordnungen von Turbinen, die sich von den bisher bekannten
wesentlich unterscheiden.
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Mit dem hier noch als zulässig erachteten Energieverlust von io o%
hat es folgende Bewandtnis: Das Einsetzen der Höhlraumbildun,g erfolgt nicht plötzlich,
sondern ziemlich allmählich mit der Vergrößerung des Gefälles oder auch des Sauggefälles.
Es ist deshalb sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, den Gegendruck, der die Hohlraumbildung
vollständig unterdrückt, mit absoluter Genauigkeit festzulegen. Der Einsatz der
Hohlraumbildung ist stark abhängig von der Art der Wasserzuführung, von der Forni
des Saugrohres, von .örtlichen Zufälligkeiten baulicher Art. Ein Energieverlust
von i o Oi'o ist die Grenze, die in jedem Fall gerade noch mit Sicherheit eine Wirkungsgradeinbuße
als durch Hohlraumbildung und nicht durch zufällige Umstände, wie sie eben erwähnt
wurden, hervorgerufen, kennzeichnet. Der Gegendruck, der notwendig ist, um Hohlraumverluste
zu verhindern, die größer sind als i o (!,,o der der betreffenden Turbine zur Verfügung
stehenden
Energie, ist für jede Laufradtype und Einbauart des Laufrades
unter Berücksichtigung der Versuchsergebnisse auf dem Kavitationsprüfstand und an
ausgeführten Anlagen genau bestimmbar.
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Die-Aufstauung oder Drosselung kann auf mannigfache Weise erfolgen.
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Auf der beiliegenden Zeichnung sind eine Anzahl Anlagen schematisch
veranschaulicht, die das neue Verfahren auszuführen gestatten.
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Abb. i zeigt eine Wasserturbinenanlage mit zwei Stufen, wo sich durch
passende Einstellung der Leitvorrichtung der zweiten Stufe der für die erste Stufe
nötige Aufstau erreichen läßt, wobei ein zwischengeschalteter Speicher noch für
einen unter Umständen nötigen Ausgleich sorgt.
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Abb. 2 und 3 zeigen ,ähnliche Anordnungen, bei denen jedoch an Stelle
des Speichers ein Windkessel bzw. ein Drosselorgan vorgesehen ist, und Abb. q. zeigt
eine Anordnung, bei der drei primäre Turbinen einer ersten Strie ihr Abwasser unter
dem durch einen Speicher konstant gehaltenen Gegendruck an eine Turbine zweiter
Stufe abgeben.
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Bei der in Abb. i gezeigten Anlage strömt das Wasser aus einem Oberwassergraben
0W durch eine Turbine TI, welche die erste Stufe der Anlage bildet. Unmittelbar
hinter dem Laufrad dieser Turbine T1 wird ein konstanter Gegendruck mit Hilfe der
Leitvorrichtung der Turbine T2 der zweiten Stufe hergestellt, wobei ein zwischen
die Turbinen Ti, 72 geschalteter Speicher R für den erforderlichen Ausgleich
sorgt. Das Wasser verläßt infolgedessen die Turbine T1 unter dem Gegendruck lt.,
tritt hierauf durch die Turbine T2 der zweiten Stufe in gleicher oder nahezu gleicher
Höhenlage wie die Turbine T1 und fließt schließlich in einen Unterwassergraben UW.
Die Turbine iTi nutzt also das Gefälle h,-h. aus, die Turbine T2 das Gefälle h2
+h3. Kurzzeitige Mehr- oder Minderverbrauche der Turbine -T. werden durch den Speicher
R in höherer Lage als diese Turbine ausgeglichen. Der für die erste Stufe nötige
Aufstau wird also hier im wesentlichen mit der Leitvorrichtung der Turbine T2 der
zweiten Stufe hergestellt. Im allgemeinen ist nicht zu vermeiden, daß der Wirkungsgrad
der zweiten Turbine T2 durch die ungewöhnliche Verwendung der Leitvorrichtung derselben
als Stauvorrichtung etwas sinkt, doch spielt dieser Verlust bei dem verhältnismäßig
geringen Leitungsanteil der zweiten Turbine T2 keine große Rolle. Statt des Speichers
R kann zur Erreichung des mit diesem angestrebten Zweckes in der in Fig. 2 gezeigten
Weise zwischen der Turbine T, der ersten Stufe und der Turbine T2 der zweiten Stufe
ein Windk-ssel W vorgesehen werd; n. Bei der Anlage nach Fig. 3 ist ein Drossel-23
vorgesel=_n. Der Einbau eines solchen Drosselorganes kommt vor allem dann in Frage,
wenn vorhandene Turbinen in einer nach der Erfindung auszubildenden Anlage zu verwenden
sind. In einem solchen Falle kann der Gegendruck lt. unter Umständen zu groß für
die vorhandene Maschine sein, etwa aus Gründen der Festigkeit oder des Wirkungsgrades,
und es wird nötig sein, in bekannter Weise einen Teil des Gefälles h., zu vernichten.
Hierzu dient in gleichfalls - bekannter Weise das Ventil Di, das unter Umständen
eine Verbilligung der Anlagekosten in erheblichem Maße bedingen kann, dessen Anwendung
auf die Gefälleverteilung nach Anspruch i die Erfindung ist.
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Da das Gegendruckgefälle im allgemeinen ein Bruchteil des Gesamtgefälles
ist, beträgt die Leistung der zweiten Turbine bei stufenweiser Anordnung ebenfalls
nur einen Bruchteil der Leistung der ersten Turbine. Geht man aus wirtschaftlichen
oder betriebstechnischen Gründen darauf aus, bei größeren Anlagen Maschinen von
möglichst gleich großer Leistung aufzustellen, so ist es zweckmäßig, eine Anordnung
zu wählen, bei der das Abwasser mehrerer Einheiten erster Stufe in eine geringere
Anzahl Einheiten zweiter Stufe gelangt, welche dann eine relativ größere Schluckfähigkeit
aufweisen. Eine solche Anordnung ist in Abb. q. gezeigt, wo dreiprimäre Turbinen
TI, T2, T3 ihr Abwasser unter dem durch den Speicher R konstant gehaltenen
Gegendruck an eine Turbine T, zweiter Stufe abgeben, deren Leitvorrichtung wiederum
im wesentlichen den nötigen Stau schafft. Wie gezeigt, kann neben dem Speicher R
unter Umständen auch noch ein Drosselorgan vorgesehen werden.
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Die Erfindung läßt sich selbstverständlich auch bei Anlagen mit mehr
als nur zwei Gefällstufen anwenden, wobei dann hinter dem Laufrad mindestens einer
Stufe der absolute Wasserdruck so hoch zu halten ist, daß die weiter oben angegebenen
Leistungsverluste nicht überschritten werden.