AXIAL FLOW WATER TURBINE WITH REGULATION OF THE VOLUME OF WATER

Abstract: 1. Water turbine with a vertically oriented rotatable main shaft (3) carrying a turbine rotor (4) with rotor blades (5), which rotor is surrounded concentrically by a fixed casing (1), and with a circular guide blade arrangement (10) being positioned coaxially up-stream of the rotor blades (5), and which guide blade arrangement (10) carries guide blades (11) being oriented such to the position of the rotor blades (5), that incoming water is acting at a high gain onto the rotor (4), and with a shiftable setting means (6, 3; 70, 4, 3, 18; 33, 31a, 31b, 18a; 6, 72) by means of which the effective outlet cross section (a2, a3) of the rotor (4) is changeable, characterized in that the guide blades arrangement (10) is positioned over the rotor, and at the cylindrical casing (1) underneath or sideways of the lower region of the rotor (4) a casing cone (7, 33) is connected, which is directed down-stream with its widening end, and the rotor (4) has a cylindrical hub (62), which in the region of the outlet cross section is widening in the down-stream direction into a displacing cone (70), and the casing cone (7, 33) and the displacing cone (70) are shiftable supported relative to each other such, that the down-stream rim (61) of the displacing cone (70) is settable between the two edges (A, B) of the casing cone (7, 33).

Description: Axial beaufschlagte Wasserturbine mit Durchflussm engensteuerung Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine mit einem um eine vertikale Achse drehbar gelagerten mit Laufradschaufeln besetzten Laufrad, das von einem feststehenden Gehäusemantel konzentrisch umgeben ist und mit einem in Strömungsrichtung vor dessen Laufradschaufeln konzentrisch angeordneten Leitschaufelkranz, dessen Leitschaufeln so zu der Laufradschaufelstellung orientiert sind, dass einströmendes Wasser mit hohem Wirkungsgrad das Laufrad antreibt, und mit einer verschieblichen Einstellvorrichtung, durch die der wirksame Austrittsquerschnitt des Laufrades verändert werden kann. Es ist bekannt, Wasserturbinen mit schwenkbaren Leitschaufeln auszurüsten, um die durchfliessende Wassermenge damit zu steuern. Dabei wird auch die Einströmung des Wassers in das Laufrad verändert. Ausserdem wird mit der veränderten Wassermenge die Strömungsgeschwindigkeit im Laufrad kleiner oder grösser. Dadurch wird der Wirkungsgrad dieser Turbinenart bei kleiner werdender Wassermenge zunehmend schlechter und es erhöht sich hier die Kavitationsgefahr an der unteren Fläche der Laufradschaufeln. Weiterhin ist es bekannt, die Laufradschaufeln schwenkbar anzuordnen, um die Durchflussmenge damit zu steuern. Dabei ist die Anzahl der Schaufeln pro Laufrad aus konstruktiven Gründen begrenzt. Dadurch entsteht besonders bei geöffneten Schaufeln ein grosser Wasserschlupf zwischen Gehäusewand und Schaufelaussenrand, oder bei geschlossenen Schaufeln ein grosser Wasserschlupf zwischen den Schaufeln selbst. Auch hier wird der Wirkungsgrad bei kleineren Wassermengen zunehmend schlechter. Die maschinellen Bauteile zur Regelung der Durchflussmenge durch die drehbaren Leitschaufeln und schwenkbaren Laufradflügel verursachen hohe Anschaffungskosten und unterliegen grossem Verschleiss. Auch hier besteht, besonders bei eng geschlossenen Laufradschaufeln eine erhöhte Kavitationsgefahr. Weiterhin ist es aus CH-PS 28 79 79 und FR-PS 1 405 696 bekannt, die Wandflächen des Laufrades gegeneinander verschieblich anzuordnen, wobei die Laufradschaufeln durch eine der Wandflächen hindurchtreten, so dass der wirksame Querschnitt des Laufrades auf diese Weise veränderlich ist. Diese Konstruktion ist wegen der engen Führungen Laufradschaufeln in der Wandfläche notwendig. Es ist weiterhin bekannt, den Einlassquerschnitt von Turbinen durch gegeneinander verschiebliche konische Wände zu verändern. Hierbei entsteht aber bei geringer Durchströmung eine grosse Kavitationsgefahr im Laufrad und ein starker Abfall des Wirkungsgrades. Es ist weiterhin aus DE-AS 1 o87 o90 bekannt, eine zentripetal beaufschlagte Turbine mit einer gegenüber dem Auslauf des Laufrades verschieblichen Nabe zu versehen, um damit den Durchfluss steuem zu können. Diese Turbinenart hat einen relativ begrenzten Wirkungsgrad insbesondere bei zunehmender Durchströmung, da die Wassermenge in eine Richtung, die nicht Wirkrichtung ist, bei höchster Geschwindigkeit und im engsten Querschnittsbereich umgelenkt wird. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wasserturbine für mittlere und niedrige Wasserhöhen zu offenbaren, die einfach herzustellen ist, einen hohen Wirkungsgrad bei Durchströmung sowohl mit grosser als mit kleiner Wassermenge besitzt, durch einfache Bedienung der Wassermenge angepasst werden kann, und geringem Verschleiss insbesondere durch Kavitation unterliegt. Die Lösung der Erfindung besteht darin, dass der Leitschaufelkranz über dem Laufrad angeordnet ist und an dem zylindrischen Gehäusemantel sich im Bereich der Austrittsquerschnitte in Strömung richtung erweiternd ein Gehäusekonus angeschlossen ist und das Laufrad eine zylindrische Nabe besitzt, die im Bereich der Austrittsquerschnitte in Strömungsrichtung sich erweiternd in einen Verdrängerkonus übergeht und der Gehäusekonus gegenüber dem Verdrängerkonus axial so verschieblich gelagert ist, dass seine abströmseitige Kante zwischen den beiden Kanten des Gehäusekonus einstellbar ist. Bei der erfindungsgemässen Konstruktion der Turbine sind keine aufwendigen Einzellagerungen und Verstellantriebe von Schaufeln erforderlich. Auch werden keine engen Führungen in Wandflächen über Schaufeln bewegt. Auch der untere Bereich der Laufradschaufeln ist stets unter Druck, da der Austrittsquerschnitt geändert wird, wodurch eine Kavitation verhindert wird. Weiterhin ist die Richtung der Strömung stets vertikal und zirkular, das heisst so wie sie optimal am Laufrad wirksam angreift. Eine Wirbel und somit Verluste erzeugende zusätzliche Richtungsumlenkung erfolgt nicht. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die höchste Geschwindigkeit im engsten Querschnitt auftritt und das abgebremste Wasser in einen erweiterten Querschnitt austritt. Das Trägheitsmoment des rotierenden Laufrades ist dadurch minimal. Die Schaufelzahlen und Formen des Leit- und Laufrades können jeweils optimiert werden. Durch diese Anordnung ergibt sich, dass auch bei unterschiedlichem Durchsatz, das heisst unterschiedlicher Fliessgeschwindigkeit insbesondere in dem Leitschaufelkranz, die Eintrittsrichtung des Wassers in das Laufrad auch bei gleichbleibenden Schaufelstellungen weitgehend optimal ist. Bei hohem Durchsatz erfolgt eine stärkere Ablenkung (Rotation) des Wassers als bei geringem, und durch die Verstellung des Austrittsquerschnitts mit Hilfe der Verschiebung der konischen Leitflächen zueinander wirkt die Turbine im ersteren Fall teilweise radial und im letzteren fast axial in jeweils optimaler Weise. Durch eine geeignete Steuerung der Durchflussverstellung lässt sich die Wasserhöhe stets optimal halten,und eine konstante Drehzahl der Turbine kann eingeregelt werden. Gemäss dem Wasserangebot oder der benötigten Leistung lässt sich die Turbine stets mit optimalem Wirkungsgrad betreiben. Es ist eine vorteilhafte Teilerfindung, statt eines Leitschaufelkranzes mehrere mit zunehmendem Schaufelanstellwinkel hintereinander anzuordnen, da solche Kränze einfacher zu fertigen sind. Ebenso kann das Laufrad aus gestaffelten Einzelrädern vorteilhaft gefertigt werden, und unterschiedlichen Verhältnissen einfach angepasst werden. Die Ausführung der abstromseitigen Schaufelkanten ist vorteilhaft den Strömungsverhältnissen anzupassen, wie in den Beispielen für unter schiedliche Wasserhöhen bzw. Druckhöhen dargestellt ist. Weiterhin wird vorteilhaft oberhalb von dem Turbinenmantel eine bekannte Einlaufspirale so angeordnet, dass die horizontale Fliessgeschwindigkeit des Zuflusses in Rotationsgeschwindigkeit mit gleichem Drehsinn wie die der Leitschaufelrotation umgesetzt wird. Es ist ein Vorteil der koaxialen Konstruktion der Turbine, dass alle beweglichen und funktionalen Bauteile eine geschlossene Baueinheit bilden, die in dem Gehäusemantel sehr einfach montiert bzw. zu Wartungsarbeiten aus diesem entnommen werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind aus den Beispielen und den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Beispiele betreffen unter anderem Ausführungen für unterschiedliche Wasserstände. Die verschiedenen vorteilhaften Ausführungsdetails können in beliebigen Kombinationen miteinander verknüpft werden. Die dargestellten Mittel, die der Höhenverstellung dienen, z.B. Steuerwelle, Steuerhydraulik, Steuergestänge können in fachmännischer Weise durch äquivalente Mittel ersetzt werden. Die Figuren zeigen im einzelnen folgendes: Fig. 1 Turbine für mittlere Druckhöhe mit verstellbarem Lauf rad, senkrecht geschnitten, hoher Durchlass, Fig. 2 wie Fig. 1, geringster Durchlass, Fig. 3 u. 4 Abwicklung der Schaufelkränze schematisch gemäss Fig. 1 bzw. 2, Fig. 5 Turbine mit gestaffeltem Laufrad im Schnitt und schema tischer Abwicklung der Schaufelkränze, Fig. 6 u. 7 wie Fig. 5 mit unterschiedlich gestalteten doppelten Leitschaufelkranz; verschiedene Durchlasseinstellungen, Fig. 8 wie Fig. 7 mit Einlaufspirale und Gitterschieber, Fig. 9 Aufsicht zu Fig. 8, Fig. lo Schnitt EE zu Fig. 8, Fig. 11 Turbine für sehr niedrige Wasserhöhen im Schnitt; grosser Durchlass; mit Gitterschieber und Einlaufspirale, Fig. 12 wie Fig. 11 mit kleinem Durchlass, Fig. 13 u. 14 schematische Abwicklung des Laufrades in der Lage zum Gehäusekonns gemäss Fig. 11 bzw. 12, Fig. 15 Turbine für mittlere Wasserhöhen im Schnitt mit fest angeordnetem Laufrad und verschieblichem Verdränger konus. Linke Bildhälfte geringster Durchlass; rechte Bild hälfte grösster Durchlass, Fig. 16 Alternative Lauf radausführung zu Fig. 15, Fig. 17 Schnitt C-C zu Fig. 16, Fig. 18 Weitere alternative Laufradausführung zu Fig. 15, Fig. 19 Verdränger mit hydraulicher Verstelleinrichtung im teil weisen Schnitt, Fig. 20 Detailschnitt D-D des Verdrängers Fig. 19; Fig. 21 Aufsicht auf den Verdränger Fig. 19 mit Wirbelbrecher. Fig. 1 und 2 zeigen den Grundbaustein aller Ausführungsbeispiele. In einem zylindrichen Gehäuserohr 1 ist ein zylindrisches Innenrohr 2 koaxial angeordnet, und darin ist zentrisch eine Antriebswelle 3 gelagert, die drehfest mit dem Laufrad 4 verbunden ist. Dieses Laufrad 4 hat eine rohrförmige Nabe 8, die gleitbar unter dem Innenrohr 2 liegt und eine Abdichtung gegen dieses trägt. An das untere Ende der Nabe 8 ist ein konischer Verdrängungskörper 6 mit einem sich nach unten erweiternden Verdrängungskonus 70, der mit dem am Ende des Gehäuserohres sich erweiternden Gehäusekonus 7 eine axial einstellbare und in der Grösse veränderliche ringförmige Querschnittsfläche zur Wassermengenregulierung bildet, angebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 schliesst sich an das untere Ende des Gehäusemantel 1 ein Gehäusekonus 7 an, dessen obere Verbindungsebene mit A, und dessen untere an das Saugrohr 34 anschliessende Ebene mit B bezeichnet ist. Der Abstand der Kanten A,B des Gehäusekonus entspricht etwa der halben Laufradhöhe. Die Antriebswelle 3 ist obenendig in beliebiger Wiese mit einem die Arbeitsleistung weitergebenden Abtrieb verbunden. Im Innenrohr 2 sind mit einem Zwischenraum 14 über dem Laufrad 4 zwei feststehende Leitschaufelkränze lo und 12 angebracht, welche gleichzeitig als Zentrierung für das Innenrohr 2 ausgebildet sind. Das Innenrohr 2 enthält die Lagerung der Abtriebswelle 3 und unten die erforderlichen Dichtungselemente. Die Abtriebswelle 3 ist ausser zur Übertragung des Drehmomentes ein Bestandteil einer anderweitig dargestellten Verstellvorrichtung mit welcher das Laufrad 4 mit der Nabe 8 und dem Verdrängungskörper 6 relativ zum Innenrohr 2 nach oben oder unten in Achsenrichtung verstellt werden kann. Zwischen dem Innenrohr 2 und dem Gehäusemantel 1 ist ein ringförmiger Strömungskanal 9 für das durchströmende Wasser gebildet. Im Strömungskanal 9 ist der Leitschaufelkranz lo mit Leitschaufeln angeordnet, die ortsfest und nicht drehbar sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ausserdem ein zweiter Leitschaufelkranz 12 mit flacher liegenden Führungsschaufeln ebenfalls feststehend angebracht. Die Änderung der Laufradlage ist grundsätzlich so vorgesehen, dass zwischen der oberen Kante A und der unteren Kante B des Gehäusekonus 7 die untere Kante 61 des Verdrängerkonus verstellbar ist. Die Lage bestimmt sich jeweils gemäss einer Steuer- oder Reglervorgabe. Fig. 1 zeigt die untere Endlage des Verstellbereiches bei maximaler Wasserdurchflussm enge bzw. bei maximalem Durchflussquerschnitt, die durch die Länge der Kante 4c bestimmt ist, und Fig. 2 zeigt eine obere Endlage der Verstellung bei minimaler Durchflussmenge und minimalem Du rchflussquerschnitt, wobei der Durchflussquerschnitt durch die Länge der Kante 4b bestimmt ist, wobei jeweils die Kreisring- bzw. Kegelfläche zu berücksichtigen ist. Die Fig. 1 und 2 zeigen in ihrer linken und rechten Hälfte je eine verschiedene Ausführung der Auslaufkanten der Laufradschaufeln 4b,4c. Die linke Version ist für höhere Wasserstände günstiger und die rechte für im allgemeinen niedrigere. Je nach den im einzelnen vorliegenden Wasser- und Betriebsverhältnissen empfiehlt sich die eine oder die andere oder eine dazwischenliegende Ausführung. Fig. 3 und 4 zeigen schematische Abwicklungen der Enden der Leitschaufeln 11,13 der Leitschaufelkränze 10,12 und der Laufradschaufeln 5 jeweils bei höchster bzw. geringster Durchströmung cml,cm2. Die Leitschaufeln 11,13 sind in Stromrichtung mit einem flacher werdenden Anstellwinkel oQ 2 o & ausgebildet. Bei grosser Durchflussmenge wird die Strömung stärker in Rotation versetzt und trifft somit unter einem flacheren Winkel Y 1 auf das Laufrad, dessen Laufradschaufeln 5 mit dem Winkel g entgegengesetzt zu den Leitschaufeln 11,13 angestellt sind. Diesem flacheren Winkel ae 1 entspricht der leicht radiale Wasseraustritt bei voll geöffnetem Durchlass. Bei geringer Durchströmung gilt das umgekehrte gemäss Fig. 4. Für beide Extrem fälle ergeben sich somit günstige Verhältnisse, was auch für den dazwischenliegenden Bereicht gilt. Fig. 5 zeigt eine weiter optimierte Ausführung der Laufradanordnung und enthält schernatisch deren Abwicklungen. An der Nabe 8 sind in Strom richtung in kurzen Abständen drei Schaufelkränze 22,24,4 hintereinander angeordnet, die in ihrer Bauhöhe zunehmen und in ihren Anstellwinkeln Y! 1,f 2, P fortlaufend flacher gestaltet sind, wie dies der Umlenkung der Strömung durch die Abbremsung jeweils entspricht. Durch diese Anordnung ist eine zusätzliche Steigerung des Wirkungsgrades möglich; die Herstellung ist verhältnismässig einfach, da leicht gebogene Schaufeln hergestellt werden müssen. Eine. Ausführung des Laufrades mit gebogenen Schaufeln zeigen Fig. 13 und 14, die für besonders niedrige Wasserstände vorzuziehen ist. Fig. 6 und 7 zeigen zwei Turbinenausführungen, die jeweils, wie gehabt, auf unterschiedlichen Durchlauf eingestelit sind. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass zur Anpassung an verschiedene Wasserhöhen und die demgemässe gewünschte unterschiedliche Umsetzung der Fallenergie in Rqtationsenergie die Leitschaufelkränze 10,12, die standardmässig ausgeführt sind, zueinander in Stromrichtung verstellbar sind und von einem Irleinandergreifen der Schaufeln um eine Überlappung dl (Fig. 6) bis zu einem Abstand d2 (Fig. 7) jeweils verschoben gezeigt sind. In analoger Weise können auch die Schaufelkränze des Laufrades gegeneinander einstellbar ausgeführt sein, so dass mit einem Standardbausatz ein breites Anwendungsgebiet abgedeckt werden kann und auch bei im Laufe der Jahre veränderten Wasserverhältnissen eine Anpassung leicht vorgenommen werden kann. Weiterhin ist eine zweckmässige Weiterentwicklung, die beiden Leitschaufelkränze in Axiallage einstellbar auszuführen, wodurch auch der Zwischenkanal 14 zwischen den Leitschaufelkränzen 10,12 und dem Laufrad 4 in seiner Höhe einstellbar ist und die Anströmung weiter optimiert werden kann. Fig. 8 zeigt die Turbine um eine bekannte Einlaufspirale 15 vervollständigt und den Abtrieb 17, sowie die Stellvorrichtung 18, die zwischen der Abtriebwelle 3 und dem Innenrohr 2 in bekannter, nicht gezeigter Weise angreift. Es ist zu erkennen, dass sämtliche funktionalen Bauteile zu einer Baugruppe so zusammengefasst sind, dass sie nach Lösen des Flanschverbinders 19 aus dem Gehäusemantel 1 entnommen und überprüft werden können. Im eingebauten Zustand stützt sich die Baugruppe mit dem Aussenrand 12a des Schaufelkranzes 12 im Mantel 1 ab. Der Mantel 1 geht im Bereich der Einlaufspirale 15 in ein Rohrgitter 20 über, dessen Durchbrüchen ein innengelagerter Gitterschieber 21 entspricht. Die Anordnung ist in der Draufsicht in Fig. 9 und im Schnitt E-E in Fig. 1o näher gezeigt. Der Gitterschieber 21 ist über eine Spindel 28 zum Öffnen und Schliessen des Gatters betätigbar. Die Spindel 28 ist zweckmässig über einen Stellantrieb 28a, der ein Hebelgestänge, Seilzug oder ähnliches sein kann, mit der Stellvorrichtung 18 so verbunden, dass der Zulauf der Einstellung des Auslaufes entspricht. Durch die Spirale 15 wird die Zuströmenergie in Rotationsenergie umgesetzt. Die Rotationsrichtung wird der Rotationsrichtung der Lenk schaufeiströmung gleich gewählt. Fig. 11 und 12 zeigt eine Turbinenausführung für besonders niedrige Wasserhöhen. tiierbei ist nicht das Laufrad 4 mit dem Verdrängerkonus verschieblich ausgeführt; sondern im Gehäusemantel 1 ist axial verschieblich ein Mantel rohr 30 gelagert, dessen unteres Ende einen sich erweiternden Mantelkonus 33 trägt. Fig. 11 und 12 zeigt dessen Stellung für grössten bzw. geringsten Durchlass. Im übrigen kann die Schaufelgestaltung gemäss Fig. 6 und 7 ausgeführt sein. Die Verstellung erfolgt von der Stellvorrichtung 18a gegenüber dem Innenrohr 2 über die Stellglieder 31a, 31b, die Gestänge oder ähnliches sind. Der gesamte Turbinensatz ist oben wieder am Flausch 19 gelagert und ist unten im Verdränger 6, der mit Streben 40 im Saugrohr 34 zentrisch gehalten ist, drehbar und axial herausnehmbar gehaltert. Vom Bereich der Einlaufspirale 15 führt ein Zulauftrichter 41 zum oberen Leitschaufelkranz, oder er erstreckt sich teilweise seitlich über diesen, vergl. Fig. 12. In Fig. 13 und 14 sind Abwicklungen der Laufradschaufeln 5 in den beiden extremen Lagen des Gehäusekonus 7 gezeigt. Die Schaufeln 5 haben einen Abstand al und sind zunehmend gekrümmt mit von oben nach unten verflachendem Winkel. In der oberen Stellung des Laufrades ist der Querschnitt des Kreisringes gemäss der Weite a3, vergl. Fig. 14 und in der unteren Stellung der Querschnitt des Kegelmantelabschnitts gemäss a2 für den Durchlass bestimmen. Fig. 15 zeigt eine Turbine für mittelhohe Wasserstände. Auf eine Einlaufspirale ist verzichtet. Die linke und rechte Zeichnungshälfte ist jeweils für die obere bzw. untere Stellung des Verdrängungskonus 70. Das Laufrad 4 ist axial nicht verschieblich sondern nur der Verdrängerkonus 7c mit dem Verdränger 6. Das Laufrad 4 ist an einer Hohlwelle 3a, die dem Abtrieb dient, befestigt, und der Verdränger 6 ist an der Steuerwelle 3, die in der Hohlwelle 3a verschieblich geführt ist, befestigt. Durch gegenseitige Verschiebung der Wellen 3, 3a wird somit der Verdränger gegen das Laufrad verschoben. Die L)ie Laufradschaufeln 5 bilden deshalb eine innere Aussparung, die der Höhle des Gehäusekonus 7 entspricht. In der oberen Stellung des Verdrängers schliesst dessen obere Kontur mit den Laufradschaufeln ab. Dadurch ist der minimale Durchlauf gegeben, vergl. Fig. 15, links. Um eine gute Ausnutzung der Wasserkraft bei hohem Wasserdruck zu ermöglichen, sind die Laufradschaufeln 4 gemäss der Kante 4a in den Mantelkonus 7 hineingeführt. Dadurch arbeitet die Turbine verstärkt radial mit der Rotationsenergie. Fig. 16 zeigt hingegen eine waagerechte Unterkante der Laufradschaufeln. Je nach verfügbarer Wasserhöhe liegt das Optimum zwischen diesen Ausführungen, wie z. B. in Fig. 18 mit Kante 4c gezeigt. Fig. 17 zeigt eine Ansicht gemäss Schnitt C-C von oben. Fig. 19 zeigt eine alternative der Verknüpfung der Stellvorrichtung mit dem Verdränger 6d. Dabei ist die verschiebliche Welle 3 durch einen Abstandsmelder 71 und eine Hydraulik 72 ersetzt, deren Signalverbindung 51 bzw. Hydraulikleitungen 52 durch die Hohlwelle 3a geführt sind. In Fig. 20 und 21 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Bereiches oberhalb des Verdrängerkonus 70 gezeigt, in dem ein Schaufelkranz 37 mit Schaufeln 38 angeordnet ist, dessen obere Kontur 70a mit der unteren Laufradkontur abschliessend oder in der höchsten Stellung auch in diese hineinreichend gestaltet sein kann. Im letzteren Fall wird der Verdränger so mit der Steuerung verbunden, dass er mit dem Laufrad mitrotieren kann. Die Schaufeln 38 sind so gestellt, wie die Aufsicht Fig. 21 zeigt, wenn ein Mit rotieren vorgesehen ist. Ist der Verdränger 6d feststehend, so sind die Schaufeln entgegengesetzt oriertiert, so dass das von oben eintretende Wasser zusätzlich in Rotation versetzt wird, die die Laufradschaufeln 4 antreibt. Die Gestaltung der Schaufeln ist nur beispielhaft gezeigt und kann den Erfordernissen gemäss variiert werden. In Fig. 8 und 11 ist im Bereich des Turbinenauslaufs eine Düsenanordnung 26 gezeigt, mit der dem ausströmenden Wasser Luft zur Verbesserung der Wasserqualität in einfacher Weise zugeführt werden kann. Durch die konische Erweiterung des Saugrohres 34 und die Verengung des Durchlasses am Austritt der Turbine tritt in diesem Bereich ein Unterdruck auf, der die Luft ansaugt. Durch den Luftzu strom wird bei geeigneter Dosierung und geeigneter z.B. ringförrniger Plazierung der Düsen der Unterdruck begrenzt, wodurch einer Kavita tion an dem unteren Laufradkanten vorgebeugt wird.

Claims: Patentansprüche 1. Wasserturbine mit einem um eine vertikale Achse drehbar ge lagerten mit Laufradschaufeln (5) besetzten Laufrad (4), das von einem feststehenden Gehäusemantel (1) konzentrisch um geben ist, und mit einem in Strömungsrichtung vor dessen Laufradschaufeln (5) konzentrisch angeordneten Leitschaufel kranz (lo), dessen Leitschaufeln (11) so zu der Laufrad- schaufelstellung orientiert sind, dass einströmendes Wasser mit hohem Wirkungsgrad das Laufrad (4) antreibt, und mit einer verschieblichen Einstellvorrichtung (6,3;6-4,3 ,18;33,3 la,3 lb,18a; ; 6,72), durch die der wirksame Austrittsquerschnitt (a2,a3) des Laufrades (4) verändert werden kann dadurch gekenn zeichnet, dass der Leitschaufelkranz (lo) über dem Laufrad (4) angeordnet ist und an dem zylindrischen Gehäusemantel (1) sich im Bereich der Austrittsquerschnitte (a2,a3) in Strömungsrichtung erweiternd ein Gehäusekonus (7,33) ange schlossen ist und das Laufrad (4) eine zylindrische Nabe (62) besitzt, die im Bereich der Austrittsquerschnitte (a2,a3) in Strörnungsrichtung sich erweiternd in einen Verdränger konus (70) übergeht'und der Gehäusekonus (7,33) gegenüber dem Verdrängerkonus (70) axial so verschieblich gelagert ist, dass seine abstromseitige Kante (61) zwischen den beiden Kanten (A,B) des dehäusekonus (7,33) einstellbar ist. 2. Wasserturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkonus (70) mit der Nabe (8) fest verbunden ist und das Laufrad (4) mit dem Verdrängerkonus (70) gemeinsam axial verschieblich ist oder dass der Verdrängerkonus (70) gegen die Nabe (8) axial verschieblich gelagert ist oder dass der Ge häusekonus als Mantelkonus (33) im Gehäusemantel (1) axial verschieblich gelagert ist. 3. Wasserturbine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (4) über eine axiale Abtriebswelle (3,3a), mit einem Abtrieb (17) verbunden ist und der Verdrängerkonus (70) direkt über die Antriebswelle (3) oder durch die als Hohlwelle (3a) ausgeführte Antriebswelle hindurch mit einer Steuerwelle (3b) oder mit vorzugsweise hydraulischen Steuerleitungen (52), die zu einen Hydraulikstellglied (72) im Verdränger (6) führen, mit einer Stellvorrichtung (18) verbunden ist bzw. ggf. der Mantelkonus (33) über Stellglieder (31a,31b), z.B. Gestänge oder Seilzüge, zenit der Stellvorrichtung (18a) verbunden ist, die die axiale Lage des Gehäusekonus (7,33) zu dem Verdrängerkonus (70) vorgibt. 4. Wasserturbine nach Aspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkranz (lo,11) und/oder das Laufrad (4,22,24) aus rnehreren axial hintereinander angeordneten Schaufeikränzen besteht, deren Leitschaufeln (11,13) bzw. Laufradschaufeln (5,23,25) in Strömungsrichtung jeweils zunehmend flacher gestellt sind und die untersten Leitschaufeln (12) gegenüber den untersten Laufradschaufeln (22) etwa senkrecht stehen und dass die Leit- und/oder Laufradschaufelkränze (10,12;22,24,4) axial verschieblich und feststellbar vorzugsweise auf dem Innenrohr (2) oder im Gehäusemantel (1) bzw. der Nabe (8) angebracht sind, wobei die Schaufeln (11,13;23,25;25,5) benachbarter Leit bzw. Laufradschaufelk ränze vorzugsweise teilweise überlappbar sind. 5. Wasserturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (11) und/oder die Laufradschaufeln (5) jeweils einen von oben nach unten einen zunehmend flacheren Anstell winkel haben und der Auslaufwinkel der Leitschaufeln (11) etwa senkrecht zum Einlaufwinkel der Laufradschaufeln (5) ist. 6. Wasserturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkante (4a,4b,4c,4d) der Laufradschaufeln (5) für zunehmende Wasserhöhe der Turbine von der Unterkante (61) des Verdrängerkonus (70) waagerecht oder in maximaler Durch flussstellung auf die Oberkante (A) des Gehäusekonus (7) schräg zulaufend oder von der Unterkante (B) des Gehäusekonus (7) schräg nach unten zum Verdränger (6) verlaufend gestaltet ist. 7. Wasserturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, d a ss auf dem Verdrängerkonus (70) ein Schaufelkranz (37) mit schräg zum Radius, vorzugsweise gekrümmt verlaufenden Schaufeln (38) in einen Freiraum des Laufrades (4) oder in dieses selbst überlappend verschieblich angeordnet ist. 8. Wasserturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Gehäusemantel (1) obenendig ein Rohrgitter (20) anschliesst, das von einer Einlaufspirale (15) umgeben ist und gegen das innenseitig ein entsprechend gelochter Gitterschieber (21) verstellbar gelagert ist, und die Einlaufrichtung der Spirale (15) der Drehrichtung des Leitschaufelkranzes (10,12) entspricht und der Gitterschieber (21) über einen Stellantrieb (28a) mit der Stellvorrichtung (18,18a) gleichsinnig in Verbindung steht. 9. Wasserturbine nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, d a ss sämtliche beweglichen und verschieblichen Bauteile mit dem Innenrohr (2) zu einer Baugruppe verbunden sind und über einen Flansch (19,19a) mit dem Gehäusemantel (1) lösbar verbunden sind und vorzugsweise der Leitschaufelkranz (lo) eine verschiebliche Zentrierung zwischen dem Innenrohr (2) und dem Gehäusemantel (1) bildet. lo. Wasserturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Lauf rades (4) Luftzutrittsdüsen (26) angeordnet sind.

Inventors: GERK, HEINRICH
Applicants: GERK, HEINRICH
Application year: 1983
Main classification: F03B3
IPC codes: F03B11, F03B3