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Vorrichtung an Wasserturbinen zur Herabsetzung unerwünschter Drehzahlsteigerungen
Wasserturbinen haben die unerwünschte Eigenschaft, daß sich ihre Drehzahlen bei
plötzlicher Entlastung stark erhöhen und ihre Durchgangsdrehzahl im Verhältnis zur
Normaldrehzahl hoch liegt. Da nun die Fliehkräfte dem Quadrat der Umdrehungszahl
proportional sind, so entstehen beim Durchgehen Beanspruchungen det rotierenden
Teile, die ein Vielfaches derjenigen bei der Normaldrehzahl betragen. Dies gilt
nicht nur für die Turbinen selbst, sondern auch für alle von denselben direkt oder
indirekt angetriebenen Maschinen, auch .diese Maschinen müssen für die Grenzdrehzahl
der Wasserturbine berechnet werden, was .eine wesentliche Preiserhöhung ergibt.
Da andererseits aus Ersparnisgründen die zulässigen Beanspruchungen beim Durchgehen
der Turbine hoch gewählt werden, so tritt beim Durchgehen stets eine gewisse Gefährdung
der davon betroffenen Maschinen auf.
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Bei Wasserturbinen mit hoher spezifischer Drehzahl ist das Verhältnis
der Durchgangsdrehzahl zur Normaldrehzahl oft besonders ungünstig, insbesondere,
wenn diese Wasserturbinen noch mit stark veränderlichen Gefällen arbeiten. Das vorstehend
bezeichnete Verhältnis kann dann Werte von 2,5 bis 3 und mehr annehmen, und
die Zentrifugalkräfte steigen dadurch beim Durchgehen auf das sechs- bis neun- und
mehrfache derjenigen. bei Normalbetrieb an.
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Es sind nun bereits Vorrichtungen bekanntgeworden, bei welchen die
Herabsetzung unerwünschter Drehzahlsteigerungen durch mechanische Reibung fester
Körper, welche bei der Drehzahlsteigerung über .ein bestimmtes Maß hinaus durch
Fliehkräftwirkung in Tätigkeit gesetzt werden, erfolgt. Diese Art der Bremsung hat
jedoch bei größeren Leistungen, wie sie bei Wasserturbinen in der Regel vorkommen,
den Nachteil, daß sich die Bremskörper rasch abnützen und große Wärmemengen erzeugt
werden, die künstlich abgeführt werden müssen.
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Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, bei welchen am Laufradaustritt
von Wasserturbinen schwenkbare Klappen angebracht sind, welche mit steigender Drehzahl
durch Fliehkraftwirkung die Laufradaustrittsöffnungen mehr und mehr abschließen
und dadurch die Höchstdrehzahl herabsetzen. Diese Vorrichtungen haben aber den Nachteil,
daß sie teilweise schon bei normaler Drehzahl wirksam
sind und
dadurch die Normalleistung und N7-ormaldrehzahl herabsetzen und- den Wirkungsgrad
verschlechtern.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet di,e` vorgenannten Mängel dadurch,
daß im Rot 'ir, der Wasserturbine (Laufradnabe) mindesten, ein Bremsflügel so untergebracht
ist, daß er' bei normaler Drehzahl, bei welcher er durch eine Verriegelungsvorrichtung
in seiner Lage festgehalten wird, völlig unwirksam ist und bei Überschreiten einer
bestimmten Drehzahl durch Fliehkraftwirkung in den Strömungsraum der treibenden
Flüssigkeit hinaustritt und alsdann so gestellt ist, daß das von der Flüssigkeit
auf ihn ausgeübte Drehmoment demjenigen der Laufradflügel entgegengesetzt und möglichst
groß ist.
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In den Fig. i bis 7 der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele
einer Wasserturbine mit den Bremseinrichtungen gemäß der Erfindung dargestellt.
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Die Fig, i bis 3 zeigen ein erstes Ausf Uhrungsbeispiel an einer Propellerturbine,
bei der Störungskörper in Gestalt von Bremsflügeln in der Verlängerungsspitze der
Laufradnabe untergebracht und um Achsen schwenkbar sind. Fig. i ist ein Axialschnitt
durch die Turbine. Fig.2 zeigt die Abwicklung eines Zylinderschnittes durch einige
Laufradschaufeln und einen Bremsflügel. Fig.3 ist ein Schnitt durch die Bremsvorrichtung
senkrecht zur Achse der Turbine.
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Fig.4 ist ein gleicher Schnitt wie Fig.3 durch eine Abwandlung.
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Die Fig. 5 bis 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei Fig.
5 ein Axialschnitt durch die Turbine und Fig. 6 und ; Schnitte senkrecht zur Turbinenachse
durch die Bremsvorrichtung sind.
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Brei der Wasserturbine nach den Fig. i bis 3 fließt die Arbeitsflüssigkeit
vom Leitapparat i durch die Schaufeln 2 des Laufrades in das Saugrohr 3. In der
Spitze 5 der Laufradnabe 4. sind die Bremsflügel 6 untergebracht, welche um die
Zapfen 7 schwenkbar sind und bei normaler Drehzahl durch die Schließfedern 8 in
ihrer in Fig.3 in ausgezogenen Linien dargestellten unwirksamen Lage gehalten werden.
In dieser Lage bilden die Flügel einen Teil der glatten Außenfläche der Laufradspitze,
so daß keine Bremswirkung entsteht. Bei Steigerung der Drehzahl wird die Schließkraft
der Federn durch die Fliehkraft der Bremsflügel überwunden, und diese treten, wie
in den Figuren in gestrichelten Linien angedeutet, dadurch in den Strömungsraum
hinaus. Es entsteht hierdurch einesteils eine direkte Bremswirkung durch Um= lenkung
des Wassers an den Bremsflügeln. und überdies eine indirekte, durch Verminderung
des Laufrad- und Saugrohrwirkungsgrades infolge der durch die Bremsflügel erzeugten
stark wirbelnden Strömung. Durch ...das Zusammenwirken dieser Faktoren ist es möglich,
die Durchgangsdrehzahl, wie Versuche ergaben, schon durch verhältnismäßig ;kleine
Bremsflügel beträchtlich herabzusetzen. ' ljie Bremswirkung ist aus Fig. z, welche
die Abwicklung eines Zylinderschnittes durch einige Laufrad- und einen Bremsflügel
darstellt, besonders deutlich ersichtlich. Beim Durchgehen der Turbine durchfließt
die Strömungsflüssigkeit das Laufrad 2 mit sehr großer Relativgeschwindigkeit, und
diese ist beim Austritt aus dem Laufrad beinahe senkrecht in Bezug auf die Bremsflügel
6 gerichtet. Die dort entstehende Umlenkkraft wirkt der Umfangsgeschwindigkeit a
des Laufrades direkt entgegen, so daß letztere herabgesetzt wird.
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Fig.4 stellt eine Abwandlung der vorbeschriebenen Ausführungsform
dar, bei welcher die Bremsflügel in ihrer unwirksamen Lage durch unter Federwirkung
stehende Klinken 9 festgehalten werden, welche sich unter dem Einfluß der Zentrifugalkräfte
bei beginnendem Durchgehen der Maschine derart drehen, daß sie die Bremsflügel freigeben.
Diese Bauform hat gegenüber der Vorrichtung nach Fig.3 den Vorteil, daß die auf
die Klinken wirkenden Federn bedeutend kleiner und schwächer gehalten werden können
als die Schließfedern B. Der Verbindungshebel io mit Drehpunkt i i hat den Zweck,
genau gleichzeitiges Verschwenken beider Klinken zu erreichen, da sonst beim Ausschwenken
nur eines Bremsflügels eine Unausgeglichenheit des Laufrades :entstehen würde, welche
Schwingungen erzeugen könnte.
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Eine ähnliche Verbindung der beiden Bremsflügel miteinander könnte
naturgemäß auch beim .ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen seile.
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In den Fig.5 bis 7 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei welcher die
Bremsflügel durch schieberartige Körper 12 gebildet werden. In Fig. 6 sind die Bremsflügel
im ausgestreckten Zustand entsprechend der Stellung beim Durchgehen, in Fig. 7 in
zurückgezogener Lage .entsprechend der Stellung bei normaler Drehzahl dargestellt.
Sie werden bei normaler Drehzahl durch die Federn 13 zurückgehalten. Ihre äußere
Stirnfläche ist dann mit der Außenfläche der Laufradspitze bündig, so daß sie bei
normaler Drehzahl keine Bremswirkung verursachen. Die ausgestreckte Lage der Bremsflügel
wird durch die Nocken 14 begrenzt. Die Querschnittsform und Stellung der Bremsflügel
ist so gewählt, daß sie in der Drehrichtung einen möglichst großen Widerstand erzeugen.
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Die Vorspannung der Federn 8 bzw. 13 wird so gewählt, daß die Bremsflügel
schon bei
einer nur wenig über der normalen liegenden Drehzahl in
Tätigkeit treten.
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In Abweichung von den dargestellten Ausführungsformen des Gegenstandes
der Erfindung können die Störungskörper auch vor oder zwischen den Laufradschaufeln
angeordnet werden. Ihre Zahl kann beliebig sein. Sie wird vorteilhaft aber größer
als i gewählt, um nichtausgeglichene Kraftwirkungen und deren Folgen zu vermeiden:
In Fig. 8 ist schließlich noch ein normales Geschwindigkeitsdiagramm einer Propellerturbine
dargestellt, in welchem c die absoluten, w die relativen und u die Um#angegeschwindigkeiten
bedeuten. Die Indices i b:e ziehen sich dabei auf die Eintritts- und z auf die Austrittskanten
der Laufschaufeln. Es ist daraus ersichtlich, daß sich die Relativgeschwindigkeiten
beim Durchfluß des Wassers durch das Laufrad nur verhältnismäßig wenig ändern. Dies
ist beim Durchgehen wegen der Vergrößerung von u noch in vermehrtem Maße der Fall.
Aus diesem Grunde ist die Wirksamkeit der Bremsflügel, da sie in erster Linie auf
der Umlenkung der Relativgeschwindigkeit beruht, fast gleich groß, ob sie vor, zwischen
oder nach den Laufradschaufeln angebracht werden, wie dies auch durch Versuche bestätigt
wurde. Obschon die Figuren nur Ausführungsformen mit Anordnung der Bremsflügel hinter
den Laufradschaufeln darstellten, bezieht sich die Erfindung sinngemäß auch auf
andere Lagen derselben, sofern nur die angegebenen Bedingungen erfüllt sind.