Vergleichende Untersuchungen an Leitapparaten von Francisturbinen

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Doctoral Thesis

Vergleichende Untersuchungen an Leitapparaten von Francisturbinen

Author(s):

Strickler, Albert Publication Date:

1916

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Vergleichende Untersuchungen ^an Leitapparaten ^von Francisturbinen

Von der

Eidgenössischen Technischen Hochschule

in Zürich

zur

Erlangung

^der

Würde eines Doktors der technischen Wissenschaften

genehmigte

Promotionsarbeit

vorgelegt

^von

A. Strickler, dipl. Masch.-Ingenieur

aus Hirzel (Zürich)

Referent:

Herr Prof. Dr. F.

Prâsil

155

Korreferent

^{: Herr Prof.}

R.

Escher

ZURICH 1916

Jean Frey,

^{Buch- und} Kunstdruckerei

— II ^—

Curriculum vitae.

Ich wurde am 25.

Juli

1887 in Wädenswil

(Kt. ^Zürich) geboren

und durchlief die

dortigen

Primär- und Sekundärschulen. Nach

Erlangung

^des

Maturitätszeugnisses

der zürcherischen Industrie¬

schule

bezog

ich im Herbst 1906 die

Eidg.

^Techn.

Hochschule,

^an deren

Abteilung

^für

Maschinen-Ingenieure

^{ich im} Sommer 1911 das

Diplom

^erwarb.

Die Studienzeit war durch

einjährige praktische Tätigkeit unterbrochen,

die ich in der Tuchfabrik von

Pfenninger $

^{Co. in}

Wädenswil und in den Werkstätten von Gebrüder Sulzer in Winter- thur absolvierte. Nach einer

längern

Studienreise in Deutschland undSkandinavienimSommer 1911 trat ich im

August

^dieses

Jahres

als

Ingenieur

^{in die} Dienste der Maschinenfabrik von Escher

Wyss

$

^{Cie. in}

Zürich,

^wo ich bis Sommer 1913 in deren

Abteilung

^für

Wasserturbinen

tätig

^war. Seit Oktober 1913 habe ich die

Stellung

eines Konstrukteurs und Assistenten für Maschinenbau bei Herrn Prof. Dr. Prâsil an der

Eidg.

^Techn. Hochschule inne.

(1

Ill

Vorliegende

Arbeit verdankt ihr Entstehen teilweise den Erfah¬

rungen während meiner frühern

praktischen Tätigkeit

^als

Ingenieur

der Maschinenfabrik Escher

Wyss ^{b, Co.,}

^{z. T. auch der}

Anregung

durch meinen verehrten

Lehrer,

Herrn Prof. Dr. F. Prahl. Ich

spreche

ihm und allen

andern,

^{die mich bei der}

Vorbereitung

^{und Durch¬}

führung

^der Versuche mit Rat und Tat unterstützt

haben,

^meinen

tiefgefühlten

^{Dank aus. Dieser}

gebührt

in erster Linie auch der Firma Escher

Wyss 8f Co.,

welche die Versuchsturbine dem Maschinen- Laboratorium zum Geschenk machte; sodann verdanke ich dem Wohl¬

wollen der Herren Generaldirektor Dr.

Zoelly

und Direktor

Huguenin,

sowie der

bereitwilligen

^{Mithülfe von Herrn}

Ober-Ingenieur Gagg

^das

weitere Fortschreiten und die

Beendigung

meiner Arbeit.

ZURICH, Juni

^1915.

A.

STRICKLER, Ing.

— IV ^-

Inhaltsübersicht.

Seite

Einleitung

¹

Kapitel

^I.

Die Versuchsturbine und die

Versuchseinrichtungen

im Maschinen-

Laboratorium der

Eidg.

Techn. Hochschule 3

Kapitel

^II.

Die

vergleichenden

Bremsversuche an der Versuchsturbine . . 9

Kapitel

^HL

Die

Druckmessungen

^an

Leitapparat

^{und Gehäuse} der Versuchs¬

turbine 15

a) Durchführung

^der

Versuche; Fehlerbestimmung

^{. . 15}

b) Darstellung

^der Resultate 16

c) Verwertung

^{der Resultate 27}

Kapitel

^IV.

Versuche über die

Regulierarbeiten

grosser Francisturbinen ^{. .} 29

a)

^Versuche

Laufenburg

^{u. a .... 29}

b)

^{Der reine} Schaufelwiderstand 36

c)

^Der Leerwiderstand 40

d)

Der zusätzliche Widerstand 45

Kapitel

^V.

Hydrodynamische Untersuchungen

⁴⁹

1

Einleitung.

Bei dem

heutigen

^scharfen

Konkurrenzkampf

^im Wasserturbinenbau wird das

Augenmerk

des Konstrukteurs ^{immer mehr auf}

möglichst

^ökonomisch

abgepassten

Ausbau der einzelnen Teile

gelenkt,

^{um die}

Konstruktion

^zu vereinfachen und hiermit die

Herstellungskosten

^zu

ertnässigen.

^{Hierbei muss} natürlich auf

möglichste Erhaltung

der Güte der

Turbine,

^{also ihres}

Wirkungsgrades

^{und ihrer}

Regulierfähigkeit geachtet

^werden.

So ist z. B. die

Konstruktion

des

Leitapparates

^von Francis-Turbinen einflussnehmend auf die

Regulatorgrösse. Kleinere,

^also

billigere Regulatoren

^können dann verwendet

werden,

wenn die

Regulierarbeit

^am

Leitapparat gering

^{ist. Dies kann erreicht werden durch Ver¬}

wendung

^einer

möglichst geringen

^{Anzahl von} Leitschaufeln in

entsprechender Dimensionierung

und

Formgebung.

^Die

weitgehende Berücksichtigung

^dieses

Konstruktionsgrundsatzes

^kann

aber unter Umständen eine unwirtschaftliche

Verminderung

^des

Wirkungsgrades

^zur

Folge

haben. Wie fast überall im

Maschinenbau,

^muss daher auf einen

Kompromiss hingearbeitet werden,

^{der die Güte der}

Wirkungsweise

der ganzen Einheit sichert.

Den Einfluss dieses

Prinzipes

^{und der mit demselben}

zusammenhängende Fragen

^etwas

näher zu

studieren,

^ist der Zweck der

vorliegenden Arbeit,

^{für die}

folgendes Programm

^als Richtlinie genommen wurde. Es soll untersucht werden :

1. Der Einfluss verschiedener Leitrad-Schaufel/or/ne« auf den

Wirkungsgrad

^bei

Spiral¬

turbinen.

2. Der Einfluss der Leitrad-SchaufelzaA/ resp.

Schaufel/a/^e

^{auf denselben.}

3. Die

Strömungsverhältnisse

^{und namentlich die}

Druckverteilung

^{in den}

Leitkanälen,

durch welche die Grösse des Drehmomentes

bedingt ^ist,

^{das vom} Wasserdruck auf die

Leit¬

schaufeln

ausgeübt

^wird.

4. Die Grösse des Arbeitsbedarfes für einen

Reguliergang

^an grossen,

ausgeführten

Turbinen.

5. Der Einfluss verschiedener

Anordnungen

^{des Antriebes des}

Leitapparates

^{auf die}

Bewegungswiderstände.

Das

Programm

erfordert die

Durchführung folgender

^Versuche:

1. Bremsversuche an einer im Maschinenlaboratorium der E.T. H zu diesem Zwecke

aufgestellten, vollständig betriebsmässigen Spiralturbine

^{mit zwei} verschiedenen Leitschaufel¬

sätzen von

je

^{12 Schaufeln}

(in

^der

Folge

^als Versuchsturbine

bezeichnet).

2. Bremsversuche mit kleinerer Schaufelzahl

(ein

^{Teil der Schaufeln}

herausgenommen).

3.

Druckmessungen

^{mit Piezometer an} verschiedenen Stellen des Leitkanales der Ver¬

suchsturbine,

^{besonders an den Schaufeln}

selbst,

^mit

möglichster Vermeidung

^von

Störungen

im Durchfluss des

Wassers,

^{und unter}

betriebsmässigen Bedingungen.

4.

Indizierung

der Druckölservomotoren ^an den Turbinen der

Anlage Laufenburg

^am Rhein

(vom

^Verfasser

durchgeführt),

und ausführliche

Bearbeitung

ähnlicher Versuche an den Turbinen der

Anlagen Äugst

^am

Rhein, Chippis

^{an der}

^Rhone, Bremgarten, Lenzburg

^und

Felsenau bei Bern

(von Ober-Ing. Gagg

^{von Escher}

Wyss durchgeführt).

— 2 ^—

5. Aufnahme der Widerstandskräfte

längs

^des

Regulierhubes

^mit

registrierendem Dynamo¬

meter,

^{und zwar für den} ganzen

Leitapparat

^unter

Wasserdruck,

sowie ohne

Wasser,

^und für einzelne Teile des Antriebes.

Es kennzeichnet sich somit diese Arbeit als eine

praktisch-technische.

^Der

Hydro¬

dynamik

als reiner Wissenschaft konnte darin

naturgemäss

^{nursoweit Raum}

gewährt werden,

als ihre Theorien zur

Erläuterung

^und

qualitativen Verarbeitung

^des Versuchsmateriales dienen mussten.

(Literaturhinweise

^{werden an}

entsprechenden

Stellen in den Text

eingefügt.)

KAPITEL I.

Die Versuchsturbine und die Versuchseinrichtungen

im Maschinen-Laboratorium der E. T. H.

Für den Entwurf und die

Ausführung

^der Versuchsturbine war für mich in erster Linie

wegleitend,

^{soviel als}

möglich

^von bereits vorhandenem Material der

hydraulischen Abteilung

des Maschinen-Laboratoriums zu benützen. In den

Figuren ^1,

² und 3 sind diese benutzten Teile ersichtlich:

1. die

gesamte Rohrleitung

^mit

Absperrschieber

^{und Anschluss an die}

Wasserkammer,

2. Laufrad mit

Welle,

3. Hals- und

Spurlager,

4.

Gehäusedeckel,

5.

Saugrohr

^mit

Krümmer,

6. Bremsscheibe mit Zaum.

Neuanzufertigen

^waren:

1. ein

Spiralgehäuse,

2. zwei Sätze

Leitschaufeln,

3. zwei

Leitradseitenwände,

4. zwei

Regulierringe

^und

dazugehörige

Hebel und Lenker^'

),

5. ein

Anschlusskrümmer,

6.

Einrichtung

^zu

Druckmessungen.

Alle diese Stücke wurden von der Maschinenfabrik Escher

Wyss 8j

Co. dem Maschinen- Laboratorium

schenkungsweise

^{als ein}

Beitrag

^zur

Förderung

technisch-wissenschaftlicher

Bestrebungen geliefert,

^{und ich}

spreche

^{auch an} dieser Stelle der

Geschäftsleitung

^meinen

besten Dank aus.

Bezüglich

^der

Berechnung

^{der neu zu} konstruierenden Teile ist zu bemerken:

1. das vorhandene Laufrad entstammt der

Versuchseinrichtung

^{von Dr. Dübi. Es wurde}

damals konstruiert für

C ^=-

Y2 JH

⁼

^6,27 m/sec

Nc ⁼

2,5

PS

ff^=--

2,0

^m

<?

^=--

128,5 I/sec

n ⁼⁼ 200

jm

ⁱⁿ

und hat die Dimensionen:

Affl

⁼

^0,40

^m

A

⁼

0,066

^m

Am

⁼

^0,24

^m

Ds

⁼

0,325

^m

rmi 0,083

^m"

F*

⁼

^{0,048 m2.}

'nii ⁼

0,085

^nf

A

⁼

^73°

h

⁼⁼

^34°

*) ^Zum Antrieb der Leitschaufeln ist je ^{nur 1}

Ring notwendig;

^die beiden wurden alternativ eingebaut.

_ 4 ^—

2. Der dazu

gehörige Leitapparat

besass einen lichten

Austrittsquerschnitt

^von

F9

⁼

^0,036

^mz.

Aus diesen

Konstruktions-

^und

Ausführungsdaten ergeben

^{sich die}

spezifischen Geschwindig¬

keiten.

ux ⁼

0,67

^C

vlm

⁼

0,246

^C

\

vx ⁼

0,57

^C

w2 ⁼

0,40

^C

|

^{v-im = 0,240 C}

(

^{w, =}

^0,425

^{C V}

Um diese Grössen auf ihre

hydraulische Uebereinstimtnung

^zu

kontrollieren,

^wurde

versucht,

sie nach dem

Diagramm

^{von Camerer}

(graph. Darstellung

^des

Turbinenhauptsatzes) zusammenzutragen.

^{Will man das}

gegebene

^Laufrad

beibehalten,

^so

ergibt

^sich

jedoch

^ein

grösserer

^{Wert von} vlt nämlich

0,645

^C.

(Fig. 4.)

Für die Neukonstruktion der zwei

Leitapparate

^wurde daher dieser Wert zu Grunde

gelegt,

^{aus dem ein}

Querschnitt F0

⁼

^{0,032 m2} folgt,

sowie ein Winkel a ⁼ 23°.

Dieser Winkel wurde über die ganze Höhe konstant angenommen. Die beiden Versuchs¬

leitapparate,

^deren Schaufelformen aus

Fig.

¹ ersichtlich

sind,

wurden immerhin für eine

Ueberöffnung

^{bis auf}

F0

⁼

^0,040

^m2

eingerichtet.

^{Die eine} Schaufelform

(A)

^ist mit ge¬

krümmter Mittellinie

ausgebildet,

^{wie sie für}

Spiralturbinen

^{heute vielfach}

angewendet

^wird

(in

^der

Folge

^als

„spiralförmige

Schaufel"

bezeichnet);

Schaufel B hat

gerade

Mittellinie als

Symmetrieaxe

^{für das}

^Profil,

^und

entspricht

^{der für} offene Turbinen

gebräuchlichen

^Form.

3. Das neue

gusseiserne Spiralgehäuse

^{ist in}

Fig.

²

dargestellt.

^Es hat einen recht¬

eckigen Eintrittsquerschnitt

^von

0,050 m2

^{und ist somit für die} relativ sehr hohe Wasser-

20,5

^C

geschwindigkeit

^von vc ⁼ —^r— ⁼

0,41

^C

gebaut.

Diese abnorme

Geschwindigkeit

^wurde

zu Grunde

gelegt,

^um die vorhandene

Rohrleitung

^{benutzen zu können. Die zwei Seiten¬}

wände des

Leitapparates

sind durch Bolzen

gegeneinander

^fixiert.

4. Der Antrieb der Leitschaufeln

geschieht

^durch

aussenliegende

^Hebel

(Fig.

^{1 u.}

2),

die auf den Schaufelbolzen mit

Klemmschrauben befestigt

^sind.

Des

geringen

Wasserdrucks wegen sind die Schaufelbolzen in den Büchsen weiter nicht

abgedichtet.

Der eine der beiden

Regulierringe (K) ^ist,

^{wie 2umeist}

gebräuchlich,

konzentrisch

zu Welle und Laufrad

(Fig. 5),

^die

Verbindung

^{mit den Hebeln}

geschieht

durch Lenker. Die Dimensionen sind so

gehalten,

^{dass die Hebel sowohl radial wie auch als} Kniehebel ^auf¬

montiert werden können. Der andere

Regulierring (E)

ist exzentrisch zur

Turbinenaxe;

die Hebel werden in diesem Falle sämtlich

parallel

^{zu einander}

(Fig. 6),

^{und es} sind keine Lenker

notwendig. (Diese Anordnung

^{wird von Th. Bell}

8)

Co.

verwendet.)

Beim Antrieb des

Ringes

K

(laut Fig. 5)

^{kann die}

Hebellänge

/ verändert werden.

5. Die

Einrichtung

^zur

Druckmessung

besteht in einem Sammelrohr mit

aufgesetztem

Piezometer I

(Fig.

³

c)

; die einzelnen Rohre sind an verschiedenen Stellen der obern Leitrad¬

wand,

^{sowie am}

Spiralgehäuse angeschlossen (s. ^Fig.

^{1 ;} die Anschlüsse der Leitradwand sind

von 1 bis 7

numeriert)

; ein weiteres Rohr kommt von einer besondern

Schaufel,

^deren

Zapfen

^{hohl ist. In diese zentrale}

Bohrung

^{münden 21}

Kanäle

^{von 3 mm}

Durchmesser,

^die

von verschiedenen Stellen der Schaufeloberfläche herführen und von denselbenimmer normal

abzweigen.

^Diese

Anordnung

^{sichert die}

Angabe

^reiner

Pressungswerte

^{In die zentrale}

Schaufel-Zapfenbohrung

^{kann von aussen ein satt}

eingeschliffenes Messingrohr

^{mit verlötetem}

Boden und einer seitlichen

Oeffnung eingeführt

^werden

(Fig. 12).

^Das

Messingrohr

^{wird so}

tief

gesenkt

^{und so weit}

gedreht,

^{bis seine}

Seitenöffnung

^{mit der}

Mündung

^{der zu unter¬}

suchenden

Schaufelbohrung

übereinstimmt. Aussen am Rohr befindet sich eine Skala mit

Marken,

damit

jederzeit

^die

Lage

^der

angeschlossenen Bohrung

erkannt werden kann. Piezo¬

meter II ist

unabhängig

^{von allen andern}

Anschlusspunkten

^{direkt am}

Spiralgehäuse

ange-

Grundriss

— 6 ^—

schlössen,

^{und zwar an}

demjenigen Teil,

^{wo eine}

geradlinige Strömung

vorhanden ist. Ausser¬

dem sind an Piezometer I drei Punkte des

Spiralgehäuses angeschlossen.

^Der

Nullpunkt

^der

Piezometer ist auf Mitte

Leitapparat eingestellt.

6. Zur

Wassermessung

^{diente der Ueberfall im} Ablaufkanal; es wurde dazu die Eich¬

kurve

benützt,

die bei früherer

Gelegenheit gefunden

wurde.*)

7. Das Turbinen-Drehmoment wurde mit einem Bremszaum gemessen, der dem Inventar der

hydraulischen Abteilung

^des Maschinen-Laboratoriums

angehört.

Das verwendete Feder¬

dynamometer

^{wurde am} 30. Oktober 1914 und 20. März 1915

geeicht

^und beidemal als

richtig

^{befunden. Die}

Messung

^{der Umlaufzahl}

geschah

^{mit einem}

Handtachometer,

d.is mit einem Zähler vorher kontrolliert worden war.

8. Die

Einrichtung

^zur

Messung

^des

Regulierwiderstandes

^{ist aus}

Fig.

5 ersichtlich.

Die schliessende

Bewegung

^des

Leitapparates

^{wurde durch eine kleine Handwinde bewerk-}

Fig. ³

stelligt;

^{letztere war in}

Verbindung~mit"einem Gegengewicht,

^{welches so} gross

gewählt

wurde, dass es den

geschlossenen Leitapparat

^{mit Sicherheit öffnete. In den}

Zugdraht

^{war ein}

Federdynamometer

^mit

Indiziervorrichtung,

^{bestehend aus Trommel und} Schreibstift

einge¬

schaltet, und ausserdem noch eine zweite,

gewöhnliche Federwaage angebracht

^{zur Vornahme}

von

Kontrollablesungen.

^Das

registrierende Dynamometer

^{entstammt dem} Inventar der

hydrau¬

lischen

Abteilung

^{; seine}

Einrichtung

^{ist aus der} schematischen

Figur

⁵ ersichtlich : die Trommel ist auf der einen, der Schreibstift auf der andern Hälfte montiert; die Schnur zum

Antrieb der Trommel ist an einem

passend gewählten Fixpunkt befestigt.

Der Stift schreibt während des ganzen Hubes die im Draht herrschende

Zugkraft

^auf.

9. Die

Aufstellung

^der Versuchsturbine wurde über dem grossen Messkanal des Maschinen-Laboratoriums vorgenommen. Um bei der

begrenzten

Wassertiefe im Kanal

günstige

Abflussverhältnisse zu erzielen, ^{wurde am}

Saugrohrende

^{noch ein Krümmer in} der Abfluss-

Prof.Dr. 1".PräMI, Vergleichende Untersuchungen ^an Reaktions-Niederdruckturbinen. Schweiz.

Bauzeitung ^1905.

7

Geschwindigke^sdiagramme

Fig.5

Schemades Leirapnarar-Antriebes

mil'konzentrischem Requlierring schemaderjntjiziervornchtung

Rad alhebel

Fig ⁶

Schema desLeirapparar-flnrriebes mirexzentrischemRequlierring

Reg^srrFederwage

Fig ^12.

f _ill Hi

-£5i

J

j

h^^WKKK^KW»

^^^.vmma^

.w,v,TOwmw^w^

Y

. x_

--ÔÎ-

4

— 8 ^—

richtung angebracht.

^Das

Saugrohr

^{hat konstanten}

Querschnitt.

Die

Zuleitung

des Betriebs¬

wassers

erfolgte

durch eine 250 mm weite

gusseiserne Rohrleitung,

^{die an den}

Kessel

^der Niederdruckturbine

angeschlossen

^war. Dem Behälter wurde das Betriebswasser durch die

Niederdruck-Zentrifugalpumpe zugeführt.

Das

Druckgefälle

^der

Spiralturbine

^konnte durch Höher' oder Tieferstellen der Ueberfall- kante im

Niederdruck-Reservoir,

^{sowie durch den}

Absperrschieber reguliert

^{werden. Die}

Versuche wurden in der

Folge

^mit

Totalgefällen

^{zwischen den Grenzen}

2,6

^und

3,2

^m

durchgeführt.

In diesem Intervall dürfte die

gebräuchliche

Methode der

Umrechnung

^{auf kon¬}

stantes Gefälle ohne wesentlichen Fehler anwendbar sein.

KAPITEL ^II.

Die vergleichenden Bremsversuche ^an der Versuchsturbine.

1.

Durchführung

^der

^Versuche.

Die Methode der

Bremsung

^{selbst bietet kein weiteres}

Interesse,

^{da die}

allgemein gebräuchliche

^{Art benützt wurde. Die ziemlich}

stark,

aber ganz

unregelmässig pulsierende

Wassersäule im Piezometer erforderte eine äusserst

zeitraubende, lange Beobachtung

^für

jede Ablesung,

deren Mittelwert nach

einiger Uebung

^ziemlich genau durch

Schätzung gefunden

werden konnte.

2.

Die Resultate ^der Bremsung

mit den

Leitapparaten

^{A und B sind in}

Fig.

^{7 bis 9}

zusammengestellt.

^{Da das Gefälle}

während der Versuche nur mit grossem Zeitaufwand hätte konstant

gehalten

^werden

^können,

wurden nur die Resultate auf ein konstantes Gefälle

umgerechnet,

^{und zwar nach den}

bekannten

Beziehungen

_3_

-Ç-

-

A IJL

^•

^IL

^-

\ IJL

^•

Jh-

^-

t.LX\

²

Q'

-

V

^{H' ' n ~}

V

^{ff '} ffc

~

W!

(Tabelle

^{1 enthält}

beispielsweise

eine Versuchsserie

zahlenmässig dargestellt.)

Eine solche

Umrechnung

^war unerlässlich zur

Führung richtiger Vergleiche

^{zwischen den beiden Leit¬}

apparaten.

^Als

H'

wurden

3,00

^m angenommen.

Legt

^{man das}

Geschwindigkeitsdiagramm

in

Fig.

^{4 zu}

Grunde,

^so

ergibt

sich für dieses Gefälle eine Umlaufzahl

ri

⁼

245/mfn.

Bei

Leitapparat

^A

zeigt

sich der beste

Wirkungsgrad

^fürden

Querschnitt F0

⁼

0,032 m2 (a

^{= 40}

mm)

^{bei ca. 240}

Touren/W/7,

der Wasserkonsum ist 153

I/sec;

^{die Ueberein-}

stimmung

^{mit der}

Rechnung (158 J/sec)

ist somit eine

befriedigende,

^{wenn man} in Betracht

zieht,

^{dass nurmit einem mittleren}

Austrittsdiagramm gerechnet

^{wurde. Das}

Leistungsmaximum

tritt

dagegen

^{für a = 40 mm bei ca. 225}

Touren/m/o

^{auf. Bei}

Leitapparat

^{B sind die} Maxima bei einer um

je

^ca.20 Touren tiefer

gelegenen Umlaufzahl,

^{d. h. bei}

220,

resp. bei 205. Ausserdem scheint der Wasserkonsum für dieselbe

Oeffnung

^bei B wesentlich

geringer

zu sein als bei A. Im

übrigen zeigen

^die

£?-r\urven

^ähnlichen Charakter fürbeide

Leitapparate.

Von

praktischem

^Interesse ist natürlich ein

Vergleich

^{der beiden} Schaufelformen über ihren ganzen

Regulierbereich

^{für eine konstante} Umlaufzahl. Als solche wurde statt der

gegebenen (245)

^die dem Maximum des

Wirkungsgrades

^am

Leitapparat

^B

entsprechende,

d. i. 220

gewählt.

^{Um diese Resultate noch etwas sichererzu}

gestalten,

wurden noch

je

^eine

Serie

bei

konstanter

Umlaufzahl

220/m/n

^und

^möglichst

^{konstantem Gefälle}

^3,00

^{m auf¬}

genommen.

— 10 ^—

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11

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Versuchsturbine

Bremsungmifl_eihapparar.fl"(12Schaufeln]

Charaktenshkenbeikonstantem GaMIle. H.r300m a-47

Fig ⁹

Verjuchsrurbine.

Bremsung^mirnormalem

Lelrapparar.ft"

mit6Schaufeln ^undohne Schaufeln Charakrenshk bei konstantem Gefalle.^H*3.00m

L/sec

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J'S.ScnauftlS'

Fi9-8- Versuchsrurbine

Bremsung ^mirLeirapparar.B".^(t2

Schaufeln)

Charakrtnshkenb«. koniranrtm Garalla.U.^ißflfll»

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Energieverlusre der Leitepparafe

flundB

n»konstant.JZOTAnin

ubrigan

150l/mc

— 12 ^—

An Hand der

Fig.

10 lässt sich ein

Vergleich

^ohne weiteres ziehen. Der

Leitapparat

^A

zeigt

^{in der}

Hauptsache

eine merkliche

Ueberlegenheit gegenüber

^B; bei ^*den

spiralförmig gekrümmten

Leitschaufeln ist der maximale

Wirkungsgrad 76%.

^{bei den}

symmetrischen

nur

66%.

i

Ein Unterschied war

ja

^{natürlich von vornherein zu}

erwarten,

^{aber durchaus kein so} grosser. Bei kleinern

Belastungen

^scheint B etwas besser zu sein_; die

^-Kurven

kreuzen sich bei ca. 50

1/sec.

Um einen genauem Einblick in die

Energieverlüste

^des

Leitapparates

^{und deren Ver¬}

hältnis im

Vergleich

^{zu den}

übrigen

^{Verlusten zu}

bekommen,

^wurde

folgendes

^Verfahren

eingeschlagen:

^{aus den}

später

^zu beschreibenden

Druckmessungen

^{wurden hier}

vorgängig

die mittlem Drücke am Ende der Leitschaufeln

benützt,

^{die in diesen}

Querschnitten

^auf¬

tretenden

Geschwindigkeitshöhen

^{aus der}

Kontinuitätsgleichung

^{berechnet und die Summe}

P V2

___i —

verglichen

^{mit den}

entsprechenden

^{Grössen am}

Anfang

^{des Gehäuses}

(Piezo-

Y

2g

meter

II)

; die Differenz

ergibt

^den

Energieverlust

pro

kg

durchfliessenden Wassers, ^{und die}

entsprechende Total-Leistung

^{wurde als}

„Gehäuse-

^und

Leitapparatverlust"

^bezeichnet

(Fig. 11).

Die Gesamtverluste

ergeben

^{sich aus}

Fig.

10 als Differenz zwischen

Na

^und

/ye

; sub¬

trahiert man davon die

obigen

Gehäuse- und

Leitapparatverluste,

^so

ergeben

^{sich in beiden}

Fällen nahezu dieselben Summen aller

übrigen

^Verluste; da

ja

^nurder

Leitapparat ausgetauscht wurde,

^{sollen die}

übrigen

Verluste auch von vorneherein dieselben sein. Die sich durch die

Messung ergebende Abweichung beträgt

^im benützten Intervall von

Q

^{= 91}

1/sec

^{bis 150}

Ijsec

im Mittel

5,5 °/0

^der Totalverluste.

Fig.

¹¹

zeigt

diese Verluste. Um sie auch mit den

übrigen

Einzelverlusten

vergleichen

^zu

können,

^{wurden letztere soweit als}

möglich

^noch

getrennt.

^Der mechanische Verlust wurde der Promotionsarbeit von E. Dübi entnommen; letzterer hatte dasselbe Rad und das

gleiche

^{Hals- und}

Spurlager benützt;

^{es wurde nur}

entsprechend

^dem

grössern

Gewicht der

jetzigen

Bremsscheibe und der stärkern

Spurbelastung

das Widerstandsdrehmoment im Verhältnis 45 : 35 erhöht.

Der Verlust beim Austritt aus dem Laufrad wurde aus den Austrittsdreiecken

(Fig. 4)

entnommen. Der Rest der Verluste entfällt

hauptsächlich

auf das Laufrad

{Stoss

^am

^Eintritt, Reibung

^und

Krümmung),

sowie auf den

Spalt.

Vorgängig

der genauem

Untersuchung

^der

Strömungsverhältnisse

^{in den} Leitkanälen soll hier nur kurz die Ursache der

Ueberlegenheit

^{von A}

angegeben

werden. Sie

liegt darin,

dass bei B eine dreifache

Energieumsetzung längs

^der Strombahnen eintritt, d. h. zuerst Abnahme des Druckes und Zunahme der

Geschwindigkeit,

^sodann wieder Zunahme des Druckes und zuletzt nochmals Druckabnahme. Eine

Umsetzung

^von

Geschwindigkeits-

ⁱⁿ

Druckenergie

ist aber für denselben

Kanal

^immer verlustreicher als die

umgekehrte.")

^Nach

den Resultaten ^der

Druckmessungen (Kap. III)

^{verläuft im}

Leitapparat

A die Druckabnahme

längs

^der Strombahnen

stetig;

daher sind hier die Verluste kleiner.

DieSchaufelform A hat auch den

Vorteil,

dass sie

grössere Geschwindigkeit

^{im Gehäuse}

gestattet;

^{letzteres kann} daher leichter und

billiger gehalten

^{werden als bei}

Verwendung symmetrischer

^{Schaufeln. Dieser Umstand dürfte}

weniger Bedeutung

^{haben für}

grössere Gefälle,

^{wo die}

Geschwindigkeit

^{im Gehäuse an und} für sich schon gross ist;

dagegen

^dürfte

für die sog. halboffene

Anordnung

^{mit vertikalen Achsen in}

Betonspiralen (bei

Niederdruck-

t anlagen)

^die

Erhöhung

^der

Eintrittsgeschwindigkeiten

unter Umständen bedeutende

Ersparnisse

*) ^Darüber

gibt spezielle

^Auskunft die Arbeit:

Andres,

^{Versuche über die}

Umsetzung

^von

Wassergeschwindigkeit

^{in Druck.}

in den Baukosten

bedingen (näheres

^{über die}

Geschwindigkeitsverteilung

^{im Gehäuse im}

Kapitel V).

In ähnlicher Weise wie die ersten Versuchsserien wurden noch zwei weitere

durchgeführt,

einmal mit nur 6 Schaufeln

A,

^{das andere Mal}

überhaupt

ohne Schaufeln. Die Resultate sind in

Fig.

^{9 und 10}

dargestellt.

Daraus Iässt sich

erkennen,

dass der Verlauf der

Wirkungsgrad-

Kurven ^für

A6

^{sich mit}

derjenigen

^von

A12

fast deckt biszu einer

Wassermenge

^{von 130}

I/sec,

von da an fällt sie ab. Ohne Leitschaufeln erhält man für ff⁼

3,0

^{m und n = 220}

T/min

in diesem

Diagramm

^{natürlich nur} einen Punkt_; der

Wirkungsgrad

^ist hiebei immer noch so

F'9 ^1" Bremsungder Versuchsfurbine

Leistungs-^VIrkungsgradkun/enbei konstantem Gfllalle H«300m, undkonsl-anterUmlaufzahl n-220T/min

i I 1

hoch wie bei 12 und 6 Schaufeln bei der

gleichen Tourenzahl; merkwürdigerweise

^{ist der}

Wasserkonsum nur so gross wie für ^{a =} 30 mm bei 12

Leitschaufeln,

^{aber auch im}

n-Q

und im n-i]

Diagramm

stimmen, die

Q-

^und

^-Linien

^{nahezu mit den}

entsprechenden

^für

a ⁼ 30mm überein. Dieser Wert von

Q

^{ist im}

übrigen

^so gross wie

derjenige,

bei welchem die

j^-Kurve

^für

A0

^{sich von}

derjenigen

^von

A12

^{merklich zu entfernen}

beginnt,

^{und auch}

absolut

anfängt

^{zu sinken.}

Aus diesen

Versuchen

lassen sich als

Beantwortung

^der

Programmpunkte

^{1 und 2}

(s.

^Seite

1)

^die

Schlussfolgerungen

^ziehen:

2

- u ^—

/. Die

Schaufelform

^{hat bei}

Spiralturbinen

einen grossen Einfluss aufdie Verluste im

Leitapparat,

und somit auf den

Gesamtwirkungsgrad.

^Es

eignen

^{sich am besten}

spiralförmige

^Schaufeln. Schlechte Schaufeln

bedingen grössere

Verluste als gar keine Schaufeln.

2. Bei

einigermassen

^korrekter

Ausführung

^des

Spiralgehäusos spielt

^{die Schaufel¬}

zahl _{resp. die}

Schaufellänge

^fast gar ^keine

Rolle

ⁱⁿ

Bezug

^{auf den}

Wirkungsgrad,

^wenn

die Schaufelform der

Strömung angepasst

^ist.

15

KAPITEL HI.

Die Druckmessungen ^an Leitapparat ^{und Gehäuse}

der Versuchsturbine.

a) Durchführung

^der

^Versuche.

Die

Druckmessungen verfolgen

^den

Zweck,

^{über die}

Verteilung

^{des Druckes in den}

Leitkanälen und im Gehäuse Aufschluss ^zu

geben;

^{sie sollen einen Schluss ziehen lassen}

über die Art und

Verteilung

^der

Energieverluste

^im

Leitapparat. Geechwindigkeitsmessungen

wurden keine vorgenommen, da die

Einführung

^eines Pitot'schen Rohres nicht ohne

Störung erfolgen könnte,

sodass die Resultate doch mehr oder

weniger getrübt

erschienen. Da es

sich im

übrigen

^{in erster Linie um eine}

technische,

und nicht eine

physikalische Untersuchung handelt,

^so wurde

streng

^darauf

geachtet, möglichst betriebsmässige

^{Zustände zu} untersuchen und

darzustellen,

^{und es} wurde darauf

verzichtet,

die

Messungen

^so

vollständig

^{und so fein}

durchzuführen,

wie dies für eine rein

wissenschaftliche, hydrodynamische

^Arbeit erforderlich und auch

möglich

^wäre.

Die

Durchführung

^der

Druqkmessungen ^geschah

^{mit den besonderen}

Einrichtungen,

die im

Kapitel

^I beschrieben sind. Die

Messungen

^wurden

begonnen

^{mit dem}

Leitapparat

^A; für die vier verschiedenen

Oeffnungen

^{a =}

40, 30, 20,

^{10 mm} wurden die Drücke an den Leitschaufeln gemessen bei fest

gebremstem Laufrad,

bei normaler Umlaufzahl und im Leerlauf.

Es wurden der Reihe nach die Anschlüsse 1 bis

7, Au B1

^{. . .}

Di

^{an das} Piezometer I

hergestellt

und der Mittelwert des

Wasserspiegels

während einer

Beobachtungsdauer

^{von ca.}

1 Minute

schätzungsweise abgelesen.

^Diese Methode erwies sich viel

zweckmässiger

^und

genauer als öfteres

Ablesen,

^z. B. alle 10 Sekunden und

Bildung

^des arithmetischen Mittel¬

wertes. Um über die Art der Pulsationen ein Bild zu

erhalten,

wurden die Piezometer-

schwankungen

^{für eine}

Probemessung graphisch aufgezeichnet:

der Maschinist zog einen

Papierstreifen

^mit

möglichst

^konstanter

Geschwindigkeit

^{unter dem} Piezometerrohr horizontal

fort,

^während der Beobachter mit dem Bleistift

möglichst gleichzeitig

^dem

Wasserspiegel folgte.

^Dieses

Diagramm

^{Hess eine}

periodische Bewegung

durchaus nicht erkennen_; im

übrigen gingen

auch die Pulsationen in Piezometer I nicht

synchron

^mit

denjenigen

ⁱⁿ Piezometer II.

Eine

planimetrische Mittelwertbestimmung ergab

fast genau dasselbe Resultat wie die Beob¬

achtung

^von

Auge

während einer Minute.

Nach einer

Ablesungsserie

^{wurde in}

umgekehrter Reihenfolge

^wieder

abgelesen,

^also

nach einander die Anschlüsse

Dit C4

^{. . .}

Av

^{7 bis}

1,

^{G. Dadurch}

ergab

^{sich eine}

Kontrolle,

ob die Kanäle luftfrei waren. Bei der ersten

ausgeführten Messung ergaben

^{nämlich die}

erste und die zweite Serie ganz verschiedene

Werte,

während erst die dritte mit der zweiten übereinstimmte. Um Zeit zu sparen, wurden

später

^{in der ersten Serie nur}

jeweilen

^die

Anschlüsse

hergestellt

^zur

Entlüftung, dagegen

^{noch keine}

Ablesungen gemacht.

— 16 ^—

Mit dem

Leitapparat

^{B wurden ausser} den normalen

Messungen

^{noch solche}

ausgeführt,

bei denen der vor der Messchâufel stehende Gehäusebolzen entfernt war.

Bei allen

Messungen

^{war eine Reihe von}

Ungenauigkeiten

unvermeidlich. Die Fehler¬

quellen liegen

^{in erster Linie in der}

Messung

^der Austrittsweite a der Leitschaufeln. Diese

konnte,

^{wie schon}

erwähnt,

^{an einem} mit dem

Regulierring /(

ⁱⁿ

Verbindung

^stehenden

Indikator

abgelesen

^werden; die

Genauigkeit

^{in der}

Angabe

^{des Wertes a} kann^'daher keine grosse sein. Hur für

einige wenige Messungen

^{wurde am} Ende der Versuche der

Leitapparat

so

demontiert,

^{dass die} Schaufelweite direkt mit dem Tastzirkel gemessen werden konnte.

Für die

übrigen

Versuche sind die Werte von a nur in runden Zahlen

(40, 30, 20, 10) angegeben

; die Resultate dieser

Messungen

^{sind zu} keiner weitern

Berechnung

benützt worden.

Die

Genauigkeit

^der

Messung

^{von a kann auf ca.}

^ 0»2

^mm

geschätzt

^werden; füra⁼ 20mm

ist der

mögliche

Fehler somit

^ l°/0;

^{bei a = 40 mm}

0,5%.

Eine

grössere Fehlerquelle liegt

^{auch in} der verschiedenen Grösse von a in den ein¬

zelnen Leitkanälen_; die

Abweichungen

^{können bis zu 1 mm}

betragen.

Für die

Wassermessung

^{ist im} benutzten Bereich der Ueberfallshöhe ein Einstellfehler in h von ca.

1,0/mm

^{sehr wohl}

^möglich,

^{da der}

Wasserspiegel

^{am Ueberfall kein absolut}

ruhiger

^war.

Beträgt

^{z. B.}

(bei Leit-App. B,

^{a = 20} mm, ^{n =}

220/m/n) hx

⁼

^265,0 (4- 1,0)

^mm

h0

⁼

.195,0 (± 0,5)

mm, so ist:

Qtot.

^{= 203}

(± 1) I/sec Qneb.

^{= 125}

(± 0,5) I/sec

somit

Qrurb.

^{= 78}

(4^ 1,5) I/sec

im extremen Fall der

Fehlerhäufung

oder

Qrurb.

^{= 78}

(4^ 0,5) I/sec

^{im Fall der}

Fehlertilgung.

Der Fehler von 1 mm in der

Ablesung

^wurde

experimentell ermittelt,

^{indem mehrere} Mal nacheinander beim

gleichen Beharrungszustand

^die

Pegelspitze

^frisch

eingestellt,

^{und an}

der Skala die

Ablesung gemacht

^{wurde. Für die}

Messung

^der

Leerwassermengen ergab

^sich

die

Genauigkeit

der Grösse h zu

0,5

mm, da in diesem Fall der

Wasserspiegel

^bedeutend

ruhiger

^war.

Der Fehler in der

Wassermenge

^im oben erwähnten Fall

liegt

^zwischen

0,64%

^u°d

1.9%.

Die Fehler in den

Piezometerablesungen

^{sind ihrer} Grösse nach

schwieriger

^zuschätzen; stellt man denselben Anschluss kurz nacheinander zweimal

her,

so unterscheiden sich die beiden

Ablesungen (wie

^{Seite 15}

beschrieben)

^{nicht um mehr als ca.}

0,5

^cmWassersäule bei den

Schaufelanschlüssen,

^{und um} ca.

1,0

^cm beim Gehäuseanschluss. Bei Druckhöhen von

1,0

resp.

1,6

^{m ist} der wahrscheinliche Fehler somit nur

0,3

^{bis 1}

%;

^{die Resultate der}

Druckmessungen

sind also genauer als die andern Grössen.

b)

^Die

Darstellung ^der Druckmessungen.

Die gemessenen Druckhöhen sind in den

Fig.

^{13 bis 22}

graphisch dargestellt;

^sie

wurden als Funktion der

abgewickelten Schaufellänge aufgetragen.

^Die tabellarische Dar¬

stellung

ist dieser Arbeit nur für eine bestimmte Versuchsreihe

beigegeben (Tab. 2).

Die ermittelte

Druckverteilung längs

^der

Schaufeln,

^sowie die in den Punkten 1 bis 7 gemessenen

Pressungen

^an der Leitradwand

ergaben

^die

Führung

^{für die}

Aufzeichnung

^der Kurven

gleichen

^Druckes

(Fig.

^{23 bis}

28).

18

Fig.

^13. DruckverheilunganSchaufel fl Zeiehng ^Karur

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*Leerlauf

—•Stromunjisrichl'ung d, c,

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