Ueber Strahlturbinen und das Pelton-Rad. Von W. Müller in Cannstatt. (Fortsetzung des Berichtes S. 84 d. Bd.) Ueber Strahlturbinen und das Pelton-Rad. Zu den Ländern, in denen hohe Wasserfälle ausgenutzt werden, zählen naturgemäss in erster Linie die Schweiz und Italien mit ihren Gebirgsbächen. Die Girard-Turbine, welche allgemein Bevorzugung geniesst, wird von mehreren Konstruktionswerkstätten, worunter diejenige von J. J. Rieter und Co., A.-G., Winterthur, als eine der hervorragendsten bezeichnet werden darf, mit Abänderungen gegen die ursprüngliche Bauart bei dieser Turbinengattung ausgeführt. Eine grosse Anzahl Turbinen für Gefälle von 300, 400 und 500 m sind aus dieser Fabrik hervorgegangen. Rieter hat überhaupt bis jetzt die höchsten Gefälle bei verschiedenen Wassermengen durch Turbinen ausgenutzt, wie nachstehende kurze Uebersicht, Gefälle über 100 m umfassend, erkennen lässt.

Gefällein Meter Aufschlag inLiter in derSekunde Bleibergwerke in Oesterreich 196   0,8 Gebr. Sulzer in Winterthur 600   1,0    „        „       „         „ 550   2,0    „        „       „         „ 260   2,0 Polytechn. Schule in Paris 200 2,53 Gebr. Sulzer in Winterthur 250   3,0    „        „       „         „ 170   6,0 Aristide Bergès in Lancey (Isère) 450    13 Edison-Gesellschaft in Mailand 128    60 Gebr. Sulzer in Winterthur 180    84 Stirnemann und Weissenbach in Zürich 180 120

Gefällein Meter Aufschlag inLiter in derSekunde Pigni und Schwarzenbach in Baveno 110      120 Wasserleitung von Ferrari-Galliera in    Genua, 44 Turbinen 150 100 bis 206 Bleibergwerke in Oesterreich 104 250  „  325 Spinnerei Schilsbach in Flums 137           540 Stahlwerke von Terni, 22 Turbinen 180 12 bis 670

Die Anlage in Immenstadt (Bayern) mit 500 1 Aufschlag in der Sekunde, 174 m Gefälle und 1500 m langer Zuleitung vom Sammelweiher, ist bekannt (Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, Bd. 26 S. 301); zwei Turbinen, eine von 450, die andere von 350 betreiben die Bindfadenfabrik, eine dritte mit etwa 100 dient für elektrische Beleuchtung. Die durch Prof. Schröter in München angestellten Versuche haben einen Wirkungsgrad von 76,4 % nachgewiesen. Die Stahlwerke in Terni bei Rom verfügen über ganz bedeutende Wasserkraft, welche durch den Marmorawasserfall, der durch den Velino gespeist wird, gebildet – dessen kleinster Zufluss 50 cbm in der Sekunde – eine Kraft von 60000 darstellt. Bei Anlage der Stahlwerke in Terni, die nach dem neuesten Standpunkt der Technik eingerichtet wurden, hatte das Haus Rieter Gelegenheit, seine Turbinenkonstruktionen, sowohl was den effektiven Wirkungsgrad, als auch den Gang im allgemeinen betrifft, zu erproben, da 22 Turbinen, unter einem Druck von 180 in arbeitend, aufgestellt wurden. In solchen Ausnahmefällen hat man sich bisher nicht selten mit einem Wirkungsgrad von 60 % und selbst noch darunter begnügt; die Versuche haben jedoch trotz der aussergewöhnlichen Geschwindigkeit, mit der man hier zu rechnen hatte, den Nachweis erbracht, dass der Effekt einer mit Bezug auf Entwurf und verwendetes Material mit grösster Sorgfalt gebauten Turbine sich nicht wesentlich niedriger stellt, als bei einer solchen, die bezüglich Gefälle und Geschwindigkeit unter günstigsten Umständen arbeitet.

Fig. 5. Schwamkrug-Turbine von Rieter in Winterthur.

Die Kraft der einzelnen Motoren wechselt von 30 bis 1200 , die Geschwindigkeit von 100 bis 1000 Umdrehungen in der Minute.

Fig. 6. Regelung durch Drehschütze.

Girard-Turbinen lassen sich örtlichen Bedingungen am ehesten anpassen, da sie mit verschiedenen Wassermengen laufen und die Umdrehungszahl durch Aenderung des Durchmessers nach Bedarf gewählt werden kann, ohne das Güteverhältnis wesentlich zu beeinflussen. Ebenso können Arbeitsmaschinen mit grosser Geschwindigkeit unmittelbar an die Turbinen angeschlossen werden, wodurch Zwischentransmissionen überflüssig sind. Da der grössere Radumfang an der Austrittsstelle ist, gestattet er, das Wasser unter einem sehr kleinen Winkel austreten zu lassen, ohne dass man gezwungen wäre, zu einer zu grossen Ausweitung des Laufrades zu greifen. Bei Bestimmung der Lichtweite der Einströmungsöffnungen wird allgemein nach der Formel von Darcy unter Benutzung der Tabelle von Levy gerechnet; neuerdings findet die Tabelle der Wassermengen und Widerstandshöhen für Rohrleitungen, aufgestellt von H. Halberstma1)Sonderabdruck aus Journal für Gasbeleuchtung und Wasserversorgung, 1892 Nr. 9., Verwendung.

Fig. 7. Regelung durch Drehschütze.

Die Anlage in Terni2)Vgl. Le Génie civil, Tome XXVI Nr. 3, und J. J. Reifer, Installation hydrauliques des acieries de Terni, Winterthur II. Aufl. von diesem Gesichtspunkt aus betrachtend, finden wir die Rieter-Turbinen in zwei Klassen – je nachdem die erzeugte Arbeit unter oder über 50 beträgt – eingeteilt. Bei der ersten Serie von 20 bis 50 sind die Turbinen auf Grundplatten montiert, was sie leicht versetzbar macht (Fig. 5), ferner ist zu ersehen, dass das Laufrad eine volle Scheibe besitzt und der Fundamentrahmen den Einströmungsapparat trägt. Die Terni-Turbinen sind grossenteils an die Arbeitsmaschinen, welche sie zu betreiben haben, unmittelbar angeschlossen. Die einzelnen Motorengruppen wurden für folgende Betriebe bestimmt:

Anzahld. Tur-binen Bestimmung Auf-schlagin Liter Umdre-hungs-zahl Durch-messer 1 Gebläsemaschinen 1200 670 110 4,715 1              „ 1000 560 200 2,400 1 Universalwalzenstrasse 1000 560 200 2,400 Eisenbahnschienenwalzwerk 2 jede   800 450 200 2,500 1 Bandagenwalzwerk   500 280 240 1,980 2 Walzwerk für 500 mm       jede   350 200 200 2,500 1       „           „   280 mm   150   85 250 1,950 2 Grosse Ventilatoren       jede     80   45 375 1,170 2 Schiebebühnen                 jede     80   45 375 1,170 1          „     50   28 850 0,565 1 Pumpe     50   28 850 0,565 2 Grosse Blechscheren       jede     40   24 450 1,070 2 Blechwalzwerke               jede     40   24 450 1,070 1 Pumpe     30   17 600 0,800 2 Kleine Ventilatoren           jede     30   17 120 3,190

Für diese Type ist der Regler durch eine runde in das gekrümmte Wasserzuleitungsrohr eingesetzte Drehschütze gebildet, die Bewegung derselben erfolgt durch ein Getriebe mit Schneckenschraube. Fig. 6 und 7 lassen die Anordnung der Schütze erkennen, die zufolge ihrer symmetrischen Ausbildung einen vollständigen Cylinder bildet. Wird letzterem eine drehende Bewegung entsprechend der Drehung des Stellzeuges erteilt, so schliesst die i volle Scheidewand des Cylinders nach und nach eine oder zwei Oeffnungen der Einströmung (Fig. 6). Die Kraft des Motors kann man auf ⅔ oder ⅓ vermindern, ohne damit, wenn die Geschwindigkeit konstant bleibt, das Güteverhältnis zu ändern. Fig. 7 gibt den Schnitt der Cylinderschütze und der ausgeweiteten Laufradschaufeln, welche die Hauptteile der Turbine darstellen. Wenn der Kraftbedarf nicht genau gleich ⅓ oder ⅔ beträgt, verursacht die nicht völlig abgeschlossene Zelle eine beträchtliche Verringerung des Wirkungsgrades. Die stärkeren Turbinen sind auf Mauerfundamenten gelagert (Fig. 8 bis 10 und 13 bis 14), das Laufrad wurde in seinem Mittelstück mit vollständiger Scheibe ausgebildet und einem Armstern vorgezogen, deren gekrümmte Form die Anbringung des Einlaufstückes erleichtert. Sobald die Einströmung sich über mehr als zwei oder drei Oeffnungen erstreckt, wurde von der Cylinderschütze des kleinen Modells abgesehen und die Regelung durch einen Zungenschieber bewerkstelligt; nur bei ganz grossen Abmessungen, auf welche sich die Fig. 8 bis 10 beziehen, schien es unbedingt notwendig, die Bewegung des Schiebers mittels hydraulischen Stellzeugs (Fig. 11) besorgen zu lassen, damit der Wasserstoss nicht plötzlich aufgefangen werden muss. Um den gefährlichen Rückstoss bei vollständigem Abschluss des Wassers zu vermeiden, war dagegen unerlässlich, letzterem einen freien Abfluss in den Unterkanal zu bieten. Zu diesem Zweck ist auf der Achse der Zungenschütze ein konisches Getriebe angebracht, welches einen besonderen Abfluss in den Unterkanal, wie aus Grundriss Fig. 9 ersichtlich, öffnet; der völlige Abfluss des Aufschlagwassers wird mittels einer ins Unterwasser gelegten Düse bewirkt, die nach Bedarf eingestellt werden kann (Fig. 12).

1000pferdige Terni-Turbine von Rieter und Co. A.-G. in Winterthur.

Die Hauptgrössen der 1000pferdigen Turbine, welche unter einem Gefälle von 180 m arbeitet, sind folgende:

Durchmesser des Zuflussrohres 0,680 m Durchmesser des Leerlaufrohres 0,230 m Weite der drei Einströmungsöffnungen 0,125 m     „      „   Laufradschaufeln am Eintritt 0,140 m     „      „   Austritt 0,400 m Innerer Durchmesser des Laufrades 2,400 m Aeusserer Durchmesser des Laufrades 2,760 m

Schaufelzahl des Laufrades 90 Umdrehungszahl in der Minute 180 bis 240 Beaufschlagung in der Sekunde 0,560 l Umfangsgeschwindigkeit in der Minute 34,70 m Schaufelwinkel im Leitapparat mit der    Tangente 17½° Schaufelwinkel am Eintritt Laufrad 140°           „               „  Austritt    „ 22° 45' Durchmesser der mit Ansätzen versehenen Stahlwelle 0,19, 0,26, 0,31 m Gewicht derselben 1630 kg     „         des Rades 4500 kg

Fig. 10. 1000pferdige Terni-Turbine von Rieter und Co. A.-G. in Winterthur.

An diesen Turbinen vorgenommene Versuche haben ergeben, dass die effektive Ausflussgeschwindigkeit aus dem Leitapparat = 0,95 der theoretischen Endgeschwindigkeit beträgt, das Vorbeigehen der Schaufelkanten des Laufradkranzes jedoch die Beaufschlagung noch um weitere 5 % vermindert, derart, dass die Abmessung der Austrittsquerschnitte um 10 bis 15 % grösser gewählt werden muss als der absoluten Geschwindigkeit $$\sqrt{2gh}$$ zukommt, die bezüglich der geleisteten Arbeit massgebend ist. Zieht man den Geschwindigkeitsverlust am Austritt aus dem Leitapparat, die radiale Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad und die Stossverluste von der theoretischen Arbeit des Gefälles ab, so gelangt man nahezu zu einem gleich hohen wie durch Prüfung gefundenen Güteverhältnis von 75 %. Bei der 1000pferdigen Turbine erreicht die Austrittsgeschwindigkeit 11,25 m in der Sekunde, was einen Druckverlust von 6,5 m oder 3,6 % darstellt. Die Austrittsgeschwindigkeit aus dem Leitapparat dieser Turbine kommt der theoretischen Geschwindigkeit sehr nahe und wechselt zwischen 0,90 bis $$0,95.\sqrt{2gh}$$. Diese Endgeschwindigkeit ist jedoch nur für Bestimmung der Winkel massgebend und darf nicht bei der Berechnung zu Grund gelegt werden, welche den Querschnitt der Austrittsöffnungen bestimmt, gewöhnlich wird genommen c = 0,85 bis $$0,90.\sqrt{2gh}$$. Durch sorgfältige vergleichende Versuche, während welchen das abgeflossene Wasser in geaichten Behältern aufgefangen oder auch abgewogen wurde, ist nachgewiesen, dass der Querschnitt durch den Koeffizienten 0,85 oder 0,9 mit $$\sqrt{2gh}$$ multipliziert, ein Wasserquantum $$Q=0,85.F.\sqrt{2gh}$$ ergeben würde, wobei Q = Wassermenge in der Sekunde, F = Austrittsquerschnitt normal zum letzten Schaufelelement, h = Nettogefälle bis Austrittskante Leitapparat. Mit dem Ausflusskoeffizienten 0,85 blieben nur noch 72 % des Gefälles beim Eintritt in das Laufrad wirksam, d.h. $$\frac{c^2}{2g}=0,{85}^{2}H=0,72H.$$ Rechnet man aber wegen der Schaufelstösse beim Durchgang durch das Laufrad u.s.w. 10 % Verlust, so würden nur noch 62 % Nutzeffekt für die Druckturbinen übrig bleiben, was in offenbarem Widerspruch mit der Erfahrung steht.

Fig. 11. Hydraulisches Stellzeug.

Diese Unvereinbarkeit ist jedoch nicht vorhanden, wenn wir den Ausflusskoeffizienten durch einen Querschnitts- und einen Geschwindigkeitskoeffizienten ersetzen setzen und den Ausdruck $$Q=\alpha F\beta \sqrt{2gh}$$ schreiben. Es ist klar, dass der Austrittsquerschnitt nicht völlig in Rechnung genommen werden darf, da die Laufradschaufeln bei ihrem Durchgang unter den Leitzellen den Ausfluss verzögern, weshalb man α = 0,90 – 0,95 setzt. Nimmt man den Querschnitts- und Ausflusskoeffizienten zu 0,92, erhält man $$Q=0,92.F_1.0,92.\sqrt{2gh}=0,846.F_1.\sqrt{2gh},$$ wobei die Wassergeschwindigkeit beim Austritt aus dem Leitapparat noch ungefähr 85 % der dem Gefälle zukommenden Geschwindigkeit darstellt, somit $$\frac{c^2}{2g}=0,{92}^2.H=0,845,$$ was mit einem Nutzeffekt von 75 %, den eine richtig konstruierte Girard-Turbine ergeben muss, gut übereinstimmt. Bei diesen Turbinen fliesst das Wasser frei, ohne die Rückwand der konvexen Schaufeln zu berühren, mit einer fast gleichbleibenden relativen Geschwindigkeit durch das Laufrad, verlässt, nachdem es seine lebendige Kraft abgegeben, dasselbe mit einem Minimum von absoluter Austrittsgeschwindigkeit $$0,4-0,5\sqrt{2gH}$$.

Fig. 12. Hydraulisches Regulierventil.

Unter sehr veränderlicher Beaufschlagung bleibt der Nutzeffekt sowohl bei voller als auch bei auf ein Minimum verminderter Wassermenge annähernd gleich hoch. Die vorteilhafteste Umfangsgeschwindigkeit entspricht der Gleichung $$v=0,43\sqrt{2gH},$$ welche von derjenigen, welche die Konstrukteure für ihre Berechnung zu Grunde gelegt haben, $$v=0,45\sqrt{2gH},$$ nur wenig abweicht. Eine bessere Uebereinstimmung zwischen Theorie und Praxis ist auch kaum zu erreichen, insbesondere, wenn man die Reibung und Kontraktion des Wassers, die auf vollkommen zuverlässige Weise zu bestimmen schwierig ist, in Betracht zieht.

1200pferdige Terni-Turbine von Rieter und Co. A.-G. in Winterthur.

Schliesslich ist noch zu bemerken, dass es für den Nutzeffekt nachteiliger ist, über die normale Geschwindigkeit hinauszugehen, als innerhalb derselben zu bleiben. Zwischen der Umfangsgeschwindigkeit vu, dem Durchmesser D und der Tourenzahl n bestehen folgende Beziehungen: $$v_{\text{u}}=\frac{D\pi n}{60}$$ $$n=\frac{v_{\text{u}}.60}{D.\pi }.$$ Setzt man 30 m Umfangsgeschwindigkeit, so erhalten wir für verschiedene Durchmesser folgende Umlaufzahlen:

D = 0,25 0,50 0,75 1 1,25 1,50 1,75 m ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– n = 2300 1150 766 573 460 383 330 Umg. i. d. Min.

Gewisse Einzelheiten bei Ausführung solcher Kraftmaschinen bieten immer einige schwierige Punkte dar, so die Festigkeit des Laufradkranzes unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft. Für Gusseisen, dessen spezifisches Gewicht = 7,3 und dessen Zerreissfestigkeit mindestens 1300 kg pro Quadratcentimeter beträgt, würde für die maximale Geschwindigkeit, welche den Bruch hervorruft, die Gleichung: $$1300=v^2\frac{0,0073}{9,81}$$, woraus v = 130 m Geltung haben. Die Konstrukteure sind mit der Geschwindigkeit jedoch nicht über 35 m gegangen, was einen normalen Sicherheitskoeffizienten von 1/15 ergibt und genügenden Spielraum für mögliche Geschwindigkeitsänderungen frei lässt. Trotzdem haben sie das Laufrad mit zwei warm aufgezogenen, geschweissten Stahlringen gebunden und die Turbinen durch eine mit Holz ausgefütterte eiserne Schutzhaube bedeckt. Für die Achse, welche gleichzeitig das Laufrad und die vertikale Komponente des Wasserdruckes trägt, beziffert sich bei der 1000pferdigen Turbine die Totalbelastung zu 8000 Fig. Mit Rücksicht auf gleiche Festigkeit wurde sie mit Ansätzen ausgeführt und ergeben die in der Uebersicht bezeichneten Dicken eine maximale Beanspruchung von 2 kg per Quadratmillimeter; die normale Zerreissfestigkeit der Stahlwelle erreicht 60 kg, infolgedessen die angenommenen Stärken ausreichende Sicherheit für Torsionsstösse, welche durch rasches Anhalten oder Ingangsetzen entstehen können, zulassen. Was schliesslich die Erwärmung der Lager und Zapfen anbetrifft, welche bei so stark belasteten und unter grosser Geschwindigkeit arbeitenden Wellen zu befürchten wäre, so hat bei der Sorgfalt, mit der die Konstruktion ausgeführt ist, der Betrieb in den Stahlwerken in Terni in dieser Hinsicht sehr befriedigende Resultate ergeben.

Fig. 15. Pelton-Rad von Rieter in Winterthur.

Verfasser dieses möchte bei neuen Ausführungen, gestützt auf das sachverständige Urteil der Betriebsleiter solcher Anlagen, dringend empfehlen, die Abmessungen der einzelnen Konstruktionsglieder genügend stark, sogar recht reichlich zu wählen, da man unter ähnlichen Verhältnissen mit Kräften und deren Wirkungen zu rechnen hat, die im gewöhnlichen Turbinenbau weniger Anstände verursachen und wobei ohne besondere Schwierigkeit hinwegzukommen ist. Vorstehendem Bericht wäre noch anzufügen, dass die Regelung und Abschützung der Terni-Turbinen mit Sorgfalt und den Lieferungsbedingungen entsprechend ausgeführt wurde. Andere Gewerbebetriebe können abweichende Konstruktionsart bedingen, denn jeder Einzelfall muss Gegenstand besonderen Studiums sein, und wird sich von früheren Ausführungen unterscheiden. Die Aufgabe kann deshalb nicht als gelöst angesehen werden, wenn der Motor unter bestimmtem, unveränderlichem Druck einen gleichmässigen Gang besitzt, die Regelung muss im Gegenteil in den allermeisten Fällen äusserst empfindlich sein und mit grösster Schnelligkeit und Kraft eine grössere oder kleinere Geschwindigkeitsschwankung, so unbedeutend sie auch scheinen mag, ausgleichen. Um den in jüngster Zeit ganz besonders durch die elektrische Industrie geschaffenen Bedingungen in bester Weise entsprechen zu können, ist die Konstruktion hydraulischer Motoren und ihre Geschwindigkeitsregelung einer fortwährenden Vervollkommnung unterworfen, auf welche der auf diesem Arbeitsfelde thätige Fachmann ein aufmerksames Auge zu richten hat.

Fig. 16. Hochdruckturbine von Rieter in Winterthur.

Ausser solchen grossen Turbinen werden von Rieter auch Pelton-Räder (Fig. 15) und kleine Hochdruckturbinen (Fig. 16) für geringe Wassermengen auf Vorrat ausgeführt, die vollständig zusammengebaut zum Versandt kommen und wobei diejenige nach Fig. 16 ein Gewicht von nur 325 kg besitzt. Die Bestandteile derselben sind: 1 Laufrad, 1 Einlaufrohr, 1 Leitapparat mit Schieber samt Getriebe, Zeiger und Handrad, 1 wagerechte zweifach gelagerte, oder in Spitzen laufende Stahlwelle mit zwei Selbstölern, 1 Riemenscheibe, 1 Fundamentplatte. Wasserverbrauch, Leistung und Umdrehungszahl der Turbine(Fig. 16) bei verschiedenen Druckhöhen,gebaut von J. J. Rieter und Co. Akt.-Ges. in Winterthur.

Nutz-gefällem Tourenzahlin der Min. Turbine Nr. 6 Turbine Nr. 6a Wassermengel in der Sek. Wassermengel in der Sek.   20   340   4,8   0,8   8,0   1,4   30   415   6,0   1,6 10,0   2,6   40   480   6,8   2,4 11,3   4,0   50   545   7,6   3,4 12,7   5,6   60   590   8,3   4,5 14,0   7,4   70   630   9,0   5,6 15,0   9,4   80   670   9,6   6,8 16,0 11,4   90   710 10,2   8,2 17,0 13,7 100   740 10,7   9,6 18,0 16,0 120   800 11,8 12,6 19,6 21,0 140   860 12,7 16,0 – – 160   900 13,6 19,4 – – 180   950 14,4 23,0 – – 200 1000 15,0 27,0 – –

Innerer Durchmesser des Einlaufrohres = 110 mm, äusserer Flanschendurchmesser = 220 mm, Durchmesser der Riemenscheibe = 250 mm, Breite der Riemenscheibe = 120 mm. Diese Turbinen werden auch mit verlängerter Welle geliefert. (Schluss folgt.)