247_1D[1]_Turbinas de agua[1]

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Kleinwasserkraftwerke

Wasserturbinen

PACERImpulsprogramm PACER Bundesamt fr Konjunkturfragen

PACER Wasserturbinen

Impressum

PACER

Konzept und Gestaltung der franzsischsprachigen Ausgabe

J.-M. Chapallaz, Ingeniur EPFL/SIA, 1450 Ste-Croix

Mit Fachbeitrgen von

H.-P. Mombelli, EPFL-DGM-IMHEF, 1015 Lausanne A. Renaud, EPFL-DGM-IMHEF, 1015 Lausanne

Deutsche bersetzung

R. Widmer und H. Kaspar Basler & Hofmann, 8029 Zrich

Satz und Layout

Education Design Sepp Steibli, 3006 Bern

Projektleitung und Koordination

J. Graf, Ingenieur HTL, 1423 Fontanezier

Trgerorganisationen

Die folgenden Verbnde und Organisationen empfehlen und untersttzen die Teilnahme an der PACER-Kursserie Dimensionierung von Kleinwasserkraftwerken

INFEL Informationsstelle fr Elektrizittsanwendung INFOENERGIE ffentliche Energieberatung ISKB Interessenverband Schweizerischer Kleinkraftwerk-Besitzer SIA Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein SOFAS Sonnenenergie Fachverband Schweiz STV Schweizerischer Technischer Verband SVLD Schweizerischer Verein fr Lehr- und Demonstrationskraftwerke vsa Verband Schweizerischer Abwasser- und Gewsserschutzfachleute VSE Verband Schweizerischer Elektrizittswerke

Originalausgabe: ISBN 3-905232-54-5 Copyright Bundesamt fr Konjunkturfragen, 3003 Bern, Oktober 1995 Auszugsweiser Nachdruck unter Quellenangabe erlaubt. Zu beziehen bei der Eidg. Drucksachen- und Materialzentrale, 3000 Bern (Bestellnummer 724.247.1 d)

Form. 724.247.1 d 10.95 1000 U30221

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PACER

Vorwort

VorwortDas Aktionsprogramm Bau und Energie ist auf sechs Jahre befristet (19901995) und setzt sich aus den drei Impulsprogrammen (IP) zusammen: IP BAU Erhaltung und Erneuerung RAVEL Rationelle Verwendung von Elektrizitt PACER Erneuerbare Energien Mit den Impulsprogrammen, die in enger Kooperation von Wirtschaft, Schulen und Bund durchgefhrt werden, soll der qualitative Wertschpfungsprozess untersttzt werden. Dieser ist gekennzeichnet durch geringen Aufwand an nicht erneuerbaren Rohstoffen und Energie sowie abnehmende Umweltbelastung, dafr gesteigerten Einsatz von Fhigkeitskapital. Im Zentrum der Aktivitt von PACER steht die Frderung verstrkter Nutzung erneuerbarer Energien. Bis heute ist der Beitrag der erneuerbaren Energien, mit Ausnahme der Wasserkraft und trotz des betrchtlichen Potentials, sehr gering geblieben. Das Programm PACER soll deshalb die Anwendungen mit dem besten Kosten-/ Nutzenverhltnis frdern, den Ingenieuren, Architekten und Installateuren die ntigen Kenntnisse vermitteln, eine andere konomische Betrachtungsweise einfhren, welche die externen Kosten (Umweltbelastung usw.) mit einbezieht sowie Behrden und Bauherren informieren und ausbilden. Kurse, Veranstaltungen, Publikationen, Videos, etc. Umgesetzt werden sollen die Ziele von PACER durch Aus- und Weiterbildung sowie Information. Die Wissensvermittlung ist auf die Verwendung in der tglichen Praxis ausgerichtet. Sie baut hauptschlich auf Publikationen, Kursen und Veranstaltungen auf. Zielpublikum sind vor allem IngenieurInnen, ArchitektInnen, InstallateurInnen sowie Angehrige bestimmter spezialisierter Berufszweige aus dem Bereich der erneuerbaren Energien. Die Verbreitung allgemeiner Information ist ebenfalls ein wichtiger Bestandteil des Programmes. Sie soll Anreize geben bei Bauherren, ArchitektInnen, IngenieurInnen und Behrdenmitgliedern. Interessentlnnen knnen sich ber das breitgefcherte, zielgruppenorienterte Weiterbildungsangebot in der Zeitschrift IMPULS informieren. Sie erscheint zwei- bis viermal jhrlich und ist (im Abonnement, auch in franzsisch und italienisch) beim Bundesamt fr Konjunkturfragen 3003 Bern, gratis erhltlich. Jedem/r Kurs- oder Veranstaltungsteilnehmerln wird jeweils eine Dokumentation abgegeben. Diese besteht zur Hauptsache aus der fr den entsprechenden Anlass erarbeiteten Fachpublikation. Diese Publikationen knnen auch unabhngig von Kursbesuchen direkt bei der Eidg. Drucksachen- und Materialzentrale (EDMZ), 3000 Bern, bezogen werden. Zustndigkeiten Um das ambitise Bildungsprogramm bewltigen zu knnen, wurde ein Organisations- und Bearbeitungskonzept gewhlt, das neben der kompetenten Bearbeitung durch Spezialistlnnen auch die Beachtung der Schnittstellen sowie die erforderliche Absttzung bei Verbnden und Schulen der beteiligten Branchen sicherstellt. Eine aus Vertreterlnnen der interessierten Verbnde, Schulen und Organisationen bestehende Kommission legt die Inhalte des Programmes fest und stellt die Koordination mit den brigen

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Vorwort

PACER

Aktivitten zur Frderung der erneuerbaren Energien sicher. Branchenorganisationen bernehmen die Durchfhrung der Weiterbildungs- und Informationsangebote. Fr deren Vorbereitung ist das Programmleitungsteam (Dr. Jean-Bernard Gay, Dr. Charles Filleux, Jean Graf, Dr. Arthur Wellinger, Irene Wuillemin, BfK) verantwortlich. Die Sachbearbeitung wird im Rahmen von Arbeitsgruppen erbracht, die inhaltlich, zeitlich und kostenmssig definierte Einzelaufgaben zu lsen haben. Dokumentation Die Broschre Wasserturbinen ist eine von vier Publikationen, in welchen die technischen Aspekte der Projektierung und Ausfhrung von Kleinwasserkraftwerken behandelt werden: Wasserturbinen Generatoren und elektrische Installationen Regelung und Sicherheit der Anlage Wahl, Dimensionierung und Abnahme einer Kleinturbine Zugleich Kursunterlage und Anleitung fr die Praxis, hilft die Broschre den nichtspezialisierten Ingenieuren und Technikern bei der Projektierung und Ausfhrung von Kleinwasserkraftwerken. Sie beschreibt die Familie der Wasserturbinen fr den Ingenieur, der die Turbine auswhlen, kaufen und in das Bauwerk integrieren muss, ohne indessen auf die anspruchsvollen theoretischen Grundlagen und berlegungen tiefer einzugehen. Folgende Themen werden darin behandelt: Parameter und Charakteristiken eines Kleinwasserkraftwerkes, welche die Wahl der Turbine und deren Einbau beeinflussen; allgemeine, fr alle Turbinentypen geltende Kenngrssen; Bauformen, Parameter und Kenngrssen von Aktionsturbinen (Pelton, Durchstrmturbine) und Reaktionsturbinen (Francis, Kaplan, SerienKreiselpumpen im Turbinenbetrieb) Hinweise fr die Ausarbeitung von Offertanfragen und Pflichtenheften (Normalbetrieb, Durchbrennen, Montage, Kavitation, Materialien, konstruktive Details, etc.). Die vorliegende Kursunterlage ist das Ergebnis einer intensiven Vernehmlassung. Die franzsische Version wurde den Teilnehmern des Pilotkurses zur Beurteilung vorgelegt. Dies gestattete den Autoren, notwendige Anpassungen an ihren Texten vorzunehmen. In diesem Sinne knnen sie die Verantwortung fr deren Inhalt bernehmen. Weitere Verbesserungsvorschlge und Anregungen knnen entweder an den Kursleiter oder an das Bundesamt fr Konjunkturfragen gerichtet werden. Wir mchten uns bei allen bedanken, die zum Gelingen der vorliegenden Publikation beigetragen haben. Oktober 1995 Bundesamt fr Konjunkturfragen Prof. B. Hotz-Hart Vizedirektor fr Technologie

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PACER

Inhaltsbersicht

Inhaltsbersicht

Einleitung 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2 2.1 2.2 2.3 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4 4.1 4.2 4.3 5 5.1 5.2 5.3 5.4 Kenngrssen von Turbinen Anlagenteile, Lngenprofil und Energielinie eines Kleinwasserkraftwerkes Hydraulische Leistung einer Turbine Drehmoment, Drehzahl, mechanische Leistung und Wirkungsgrad einer Turbine Betriebszustnde einer Turbine in einem Kleinwasserkraftwerk Kennlinien (Charakteristiken) einer Turbine hnlichkeitsgesetze Klassifikation der Turbinen spezifische Drehzahl Zusammenfassung der wichtigsten Turbinentypen und ihres Anwendungsbereiches Aktionsturbinen Funktionsprinzip Peltonturbine Durchstrmturbine Reaktionsturbinen Funktionsprinzip Anordnung einer Reaktionsturbine Saughhe und Kavitation Durchgangsdrehzahl und Durchgangsvolumenstrom einer Reaktionsturbine Francisturbine Serien-Kreiselpumpen im Turbinenbetrieb Propeller- und Kaplanturbinen Wahl einer Turbine und Offertanfrage Wahl des Turbinentyps Einholen von Richtofferten Pflichtenheft fr die Offertanfrage Fallstudie Turbinierung des Lockwassers einer Fischtreppe Turbinierung von Trinkwasser zwischen zwei Reservoiren Kleines Laufkraftwerk mittlerer Fallhhe Niederdruckanlage

7 9 10 14 16 18 24 33 37 39 43 44 48 52 57 58 64 75 76 80 82 87 88 104 106 111 112 116 120 124 129 131

Literaturhinweise Publikationen und Videos des Impulsprogrammes PACER

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PACER

Einleitung

EinleitungSeit der guten alten Zeit, in der Mhlsteine, Hammer- und Sgewerke durch einfache hlzerne Wasserrder angetrieben wurden, haben die hydraulischen Maschinen eine bemerkenswerte Entwicklung erfahren. Heute gibt es verschiedene Bauarten von Turbinen fr einen breiten Anwendungsbereich, von denen jede ihre charakteristischen Eigenschaften aufweist. Es ist also wichtig, dass der Ingenieur, der sich mit der Beschaffung einer Turbine befasst, ber gewisse Grundkenntnisse verfgt, insbesondere ber den Aufbau und die Funktionsweise und ber ihre Integration in die Kraftwerksanlage.

unter Druck stehendes Wasser Phyd

RO

TWMaschine, die durch unter Druck stehendem Wasser angetrieben wird. Das Wasser strmt durch ein beschaufeltes Rad und wird darin umgelenkt. Die resultierende Kraft erzeugt ein Drehmoment, das ber die Turbinenwelle abgegeben wird.

LR Pmech

RO

Regulierorgan, dessen ffnung die Wassermenge bestimmt; auf diese Weise kann die von der Turbine abgegebene Leistung den Bedrfnissen des Verbrauchers angepasst werden Laufrad mit Schaufeln Turbinenwelle

LR TW

Phyd der Turbine zugefhrte hydraulische Leistung; sie wird durch den Wasserdruck und den Volumenstrom bestimmt Pmech von der Turbine abgegebene mechanische Leistung; sie wird durch Phyd und den Wirkungsgrad bestimmt

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Einleitung

PACER

KurszielDieser Kurs ist fr Ingenieure und Techniker bestimmt, die nicht auf Kleinwasserkraftwerke spezialisiert sind. Er soll ihnen die Grundkenntnisse vermittlen, die ihn befhigen, die Turbine auszulegen, das Pflichtenheft fr die Offertanfrage zu erarbeiten und die Vertragsverhandlungen mit dem Lieferanten zu fhren.

VorbemerkungEs wird vorausgesetzt, dass die Kursteilnehmer die Broschre Kleinwasserkraftwerke und deren Inhalt bereits kennen.

KursinhaltDer Kurs Wasserturbinen ist eines von vier Themen, die im Rahmen von Weiterbildungskursen behandelt werden: Wasserturbinen Generatoren und elektrische Installationen Regulierung und Sicherheit der Anlage Wahl, Dimensionierung und Abnahme einer Kleinturbine Kapitel 1 der vorliegenden Broschre beschreibt die wesentlichen Bestandteile und Kenngrssen eines Kleinwasserkraftwerkes, die Randbedingungen fr die Auswahl der Turbine sowie die hydraulischen hnlichkeitsgesetze, die es erlauben, an Modellturbinen gewonnene Erkenntnisse auf grssere Maschinen zu bertragen. Dies im Hinblick auf ein besseres Verstndnis der Turbinenkennfelder der Hersteller. Die Kapitel 2 und 3 befassen sich mit der Funktionsweise und den konstruktiven Einzelheiten der Aktions- und Reaktionsturbinen. Auf komplizierte theoretische berlegungen wird dabei bewusst verzichtet. Ausgehend von den wesentlichen Kenngrssen der Anlage und mit Hilfe einfacher Formeln ist es mglich, Bauart und Grsse der Turbine zu bestimmen. Das Kapitel 4 stellt gewissermassen den Werkzeugkasten dar, mit dessen Hilfe es dem Ingenieur und Techniker gelingen sollte, ein brauchbares Pflichtenheft fr eine Offertanfrage zu erstellen. Es enthlt verschiedene Tabellen, Diagramme und Skizzen, die dem Projektanten den Weg zur optimalen Lsung weisen.

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

1 Kenngrssen von Turbinen1.1 Anlagenteile, Lngenprofil und Energielinie eines Kleinwasserkraftwerkes Hydraulische Leistung einer Turbine Drehmoment, Drehzahl, mechanische Leistung und Wirkungsgrad einer Turbine Betriebszustnde einer Turbine in einem Kleinwasserkraftwerk Kennlinien (Charakteristiken) einer Turbine Modellversuche Kennlinien (Charakteristiken) bei konstanter Drehzahl Kennlinien (Charakteristiken) bei variabler Drehzahl hnlichkeitsgesetze Umrechnung von Kennlinien einer gegebenen Turbine Modifikation der Kennlinien und Abmessungen einer Turbine Dimensionslose und normierte Parameter Klassifikation der Turbinen spezifische Drehzahl Zusammenfassung der wichtigsten Turbinentypen und ihrer Anwendungsbereiche

10 14

1.2 1.3

16

1.4

18 24 24 26 30 33 33 34 35 37

1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.7 1.8

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

1.1 Anlagenteile, Lngenprofil und Energielinie eines KleinwasserkraftwerkesDie Anlagenteile eines Kleinwasserkraftwerkes sind in der Informationsbroschre Kleinkraftwerke dargestellt und beschrieben worden {1}. Figur 1.1.1 zeigt schematisch die Anordnung der wichtigsten Komponenten eines Kleinwasserkraftwerkes, das Lngenprofil der Anlage sowie den Verlauf der Druck- bzw. der Energielinie. Um die Zusammenhnge zu verdeutlichen, werden die Kenngrssen anhand einer vereinfachten Skizze nochmals definiert (Figur 1.1.2):

Definitionen Volumenstrom Symbol: Q Einheit: [m3s]

Der Volumenstrom ist die Wassermenge, die pro Zeiteinheit der Turbine zugefhrt wird. Bruttofallhhe Symbol: H Einheit: [m]

Die Bruttoffallhhe ist die Hhendifferenz zwischen den Wasserspiegeln im Bereich der Wasserfassung (Punkt 0) und des Turbinenauslaufes (Punkt 3). Nettofallhhe Symbol: Hn Einheit: [m]

Die Nettofallhhe stellt die der Turbine zu Verfgung stehende hydraulische Energie dar. Sie entspricht der Bruttofallhhe abzglich der hydraulischen Energieverluste Hv zwischen der Wasserfassung (Punkt 0) und dem Turbineneinlauf (Punkt 1) bzw. zwischen dem Turbinenauslauf (Punkt 2) und dem Bezugspunkt im Unterwasserkanal (Punkt 3). Die hydraulischen Verluste Hv widerspiegeln die Energie, die aufgewendet wird, um das Wasser durch Rechen, Kanle, Rohrleitungen und Absperrorgane zu treiben. Diese Verluste gehorchen dem folgenden mathematischen Gesetz: Hv = A Q2 Mit Hilfe dieser Beziehung lsst sich die Nettofallhhe fr unterschiedliche Durchflsse berechnen:

Hn = H A Q2

Der Koeffizient A kann bestimmt werden, wenn die Druckverluste in einem Betriebspunkt bekannt sind. So gilt z.B. fr den Punkt i: A = Hvi / Qi2

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

0

Hv

1

2

WF

SF

Ka Re EB

DL

Ek

E Ep

p Hn H

AO Tu Ge 3

Figur 1.1.1: Anlagenteile und Lngenprofil eines Kleinwasserkraftwerkes

WF SF Ka Re EB DL AO Tu Ge 0 1 2 3 E Ek Ep p H Hn Hv

Wasserfassung Sandfang Kanal oder Druckstollen Rechen Einlaufbauwerk Druckleitung Absperrorgan der Turbine Turbine Generator Referenzpunkt im Bereich der Wasserfassung Referenzpunkt vor der Turbine (Einlauf) Referenzpunkt nach der Turbine (Auslauf) Referenzpunkt im Unterwasserkanal Energielinie kinetische Energie Druckenergie Druck Bruttofallhhe Nettofallhhe hydraulische Energieverluste (Verlusthhe)

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

Hydraulische Gesamtenergie

Symbol: E

Einheit: [J/kg]

Nach dem Gesetz von Bernoulli (17001782) errechnet sich die Gesamtenergie E einer hydraulischen Strmung aus der Lageenergie Ez, der Druckenergie Ep und der kinetischen Energie Ekin der Flssigkeit: E = Ez + Ep + Ekin

Definition der Lageenergie: g Erdbeschleunigung z relative Hhe (m) 9.81 [m/s2]

Symbol: Ez = gz

Einheit: [J/kg]

Definition der Druckenergie: p Druck Dichte des Wassers

Symbol: Ep = p/

Einheit: [J/kg]

[N/m2] 1000 [kg/m3]

Definition der kinetischen Energie: v Strmungsgeschwindigkeit g Erdbeschleunigung

Symbol: Ekin = v2/2g Einheit: [J/kg] [m/s] 9.81

[m/s2]

An einer beliebigen Stelle x der Druckleitung (Figur 1.1.2) betrgt somit die hydraulische Gesamtenergie der Strmung:

Ex = gHx = gzx + px/ + vx2/2

[J/kg]

Das Verhltnis zwischen der hydraulische Gesamtenergie und der Fallhhe ist wie folgt definiert:

Hx = Ex/g oder Ex = gHx

Die von der Turbine aufgenommene hydraulische Gesamtenergie E = gHn ist die Differenz der Gesamtenergien vor und nach der Turbine: E = gHn = E1 E2 = gH1 gH2 mit p1 v12 E1 = gH1 = gz1 + + 2 und p2 v22 E2 = gH2 = gz2 + + 2 [J/kg]

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

0 v2x/2 gHv

WF DL px/

gHx

gH

X Q,vx zx 3 1 Tu 2 3

WF Wasserfassung DL Druckleitung Tu Turbine 0 1 2 3 Hn H Hv = Q Referenzpunkt Oberwasser/Wasserfassung Referenzpunkt Einlauf Turbine Referenzpunkt Auslauf Turbine Referenzpunkt Unterwasserkanal Nettofallhhe [m] Bruttofallhhe [m] A . Q2 hydraulische Energieverluste [m] Volumenstrom [m3/s]

Figur 1.1.2: Verlauf der Energielinie in einem Kleinwasserkraftwerk

Gesamtenergie an der Stelle x: px vx2 Ex = gHx = gzx + + 2 g px vx z Erdbeschleunigung Dichte des Wassers statischer Druck in [N/m2] Strmungsgeschwindigkeit Lage bzw. Referenzebene [J/kg] 9.81 [m/s2] 1000 [kg/m3] 1 bar entspricht 105 N/m2 [m/s] [m]

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

1.2 Hydraulische Leistung einer TurbineHydraulische Leistung: Symbol: Phyd Einheit: [W]

Phyd ist die im Triebwasser enthaltene, der Turbine zugefhrte Leistung. Sie ist das Produkt von Dichte, Volumenstrom und Gesamtenergie: Phyd = . Q . gHn [W]

In den einschlgigen Normen (VSE 3055.1974, IEC 41) zu den Abnahmeversuchen an hydraulischen Turbinen wird die Systemgrenze durch die Referenzpunkte am Einlauf (1) und am Auslauf (2) der Maschine definiert. In diesen Punkten werden die Messgerte angeordnet, um den Druck (Manometer) oder den Wasserstand (Limnimeter) zu bestimmen. Figur 1.2 erlutert das Messprinzip und zeigt, wie die Nettofallhhe und die brigen Parameter ermittelt werden, die ntig sind, um die hydraulische Leistung der Turbine zu bestimmen.

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

E Ep p1

v12 2

H1

z1

Tu Ge Hn

v1 Q AO 1 H2

z2 < 0

p2 = 0 v22 2

2

v2

AO Absperrorgan der Turbine Tu Turbine Ge Generator 1 2 E Ep Referenzpunkt am Einlauf der Turbine Referenzpunkt am Auslauf der Turbine Energielinie Drucklinie

Figur 1.2: Parameter fr die Berechnung der hydraulischen Leistung einer Turbine

Gesamtenergie am Turbineneinlauf: p1 v12 E1 = gH1 = gz1 + + 2 p2 v22 E2 = gH2 = gz2 + + 2 [J/kg]

Gesamtenergie am Turbinenauslauf: [J/kg]

Netto-Energie (Nettofallhhe): E = E1 - E2 = gH1 - gH2 Hydraulische Leistung: Phyd = . Q . gHn [W] [J/kg]

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

1.3 Drehmoment, Drehzahl, mechanische Leistung und Wirkungsgrad einer Turbine(siehe Figur 1.3) Drehmoment Symbol: M Einheit: [Nm]

Das in die Turbine strmende, unter Druck stehende Wasser wird durch die Becher oder Schaufeln des Laufrades umgelenkt. Diese erzwungene Richtungsnderung bewirkt eine Kraft in Umfangsrichtung und damit ein Drehmoment, welches das Rad in Drehung versetzt.

Drehzahl

Symbol: n Symbol:

Einheit: [min1]

Winkelgeschwindigkeit = 2 . n/60 = . n/30

Einheit: [rad/s]

Nach dem Anfahrvorgang wird die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit der Turbine durch den jeweiligen Betriebszustand bestimmt.

Mechanische Leistung an der Turbinenwelle

Symbol: Pmech

Einheit: [W]

Die mechanische Leistung ist das Produkt von Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit: Pmech = . M Symbol:

Wirkungsgrad

Einheit: [] oder [%]

Die Erfahrung lehrt, dass jede Art von Energieumwandlung mit Verlusten behaftet ist. Daraus folgt, dass die von der Turbine an den Generator abgegebene Leistung kleiner ist als die zugefhrte hydraulische Leistung. Das Verhltnis dieser beiden Leistungen ist der Wirkungsgrad der Maschine; er definiert die Gte der Turbine als Energietransformator

T = Pmech /Phydoder Pmech = T . Phyd

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

Tu

Ge Fh Ku

M,, Pmech

Fh

Phyd Q, HFigur 1.3: Krfte, Drehmoment, Drehzahl und mechanische Leistung einer Turbine

Tu Ge Ku Phyd Fh M , n

Turbine Generator Kupplung hydraulische Leistung [W] hydrodynamische, auf die Laufschaufel wirkende Kraft [N] resultierendes Drehmoment der hydrodynamischen Krfte Fh [Nm] Winkelgeschwindigkeit [rad/s] bzw. Drehzahl [min1]

Pmech = . M

mechanische Leistung an der Turbinenwelle

T = Pmech /Phyd Turbinenwirkungsgrad

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

1.4 Betriebszustnde einer Turbine in einem KleinwasserkraftwerkNormalbetrieb (Figur 1.4.1) Eine Turbine, die eine Maschine (Sgewerk, Mhle, Pumpe, etc.) direkt antreibt oder ber einen Generator elektrischen Strom erzeugt, dreht normalerweise mit konstanter Drehzahl. Versorgt die Anlage ein eigenes Netz mit Wechselstrom, dann muss die Frequenz, welche direkt proportional zur Drehzahl von Turbine und Generator ist, durch einen Turbinenregler konstant gehalten werden (sog. Inselbetrieb). Luft hingegen die Maschinengruppe parallel zu einem Netz, dann bestimmt die Netzfrequenz die Drehzahl der Gruppe (sog. Parallelbetrieb).

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PACER

z1max

H [m]

Hv1 WF z1min

VHn

Hmin f = 50 Hz

Hmax

Hnmin

Hnmax

Ge zUW Tu Hv2

Kenngrssen von Turbinen

n

Q [m3/s]Figur 1.4.1: Einsatzbereich einer Turbine

WF Tu Ge f n 19

Stausee/Wasserfassung Turbine Generator Netzfrequenz Drehzahl [s1] = [Hz] [min1]

zmax zmin zUW VHn Q

Hchstwasserstand Tiefstwasserstand Unterwasserniveau

[m] [m] [m]

Variationsbereich der Nettofallhhe Abfluss/Volumenstrom [m3/h]

Hnmax Hnmin Hv1 Hv2

maximale Nettofallhhe minimale Nettofallhhe Verluste vor der Turbine Verluste nach der Turbine

[m] [m] [m] [m]

Kenngrssen von Turbinen

PACER

Instationre Vorgnge bei Normalbetrieb Darunter sind vorbergehende (transiente) dynamische Vorgnge whrend des Anfahrens und des Abstellens der Turbine zu verstehen. In beiden Fllen wird der Volumenstrom durch das Regulierorgan der Turbine Dse oder Leitapparat verndert. Wie schnell dieser Vorgang ablaufen darf, ohne unzulssige Druckschlge in der Leitung oder Wellen im Kanal auszulsen, wird durch die charakteristischen Daten der Anlage bestimmt. Whrend dieser Zustandsnderungen ist die Turbine stets unter Kontrolle.

Q

n

nD

Syn

nN QN n

Q

QNO t

Anf

Norm

Figur 1.4.2: Zeitlicher Verlauf von Drehzahl und Volumenstrom whrend des Anfahrens und der Parallelschaltung zum Netz

t n nN nD Q QNO QN Syn Anf Norm

Zeit Drehzahl Nenndrehzahl Durchgangsdrehzahl Volumenstrom Volumenstrom bei Nenndrehzahl ohne Last Nenn-Volumenstrom/Nenndurchfluss Parallelschaltung mit dem Netz (Synchronisation) progressives, kontrolliertes Anfahren (Rampenfunktion) Normalbetrieb

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

Q

n

ND

TrN Stop

nN QN

Q

n

t Norm Dros Aus

t n nN nD Q QN Norm Stop Dros TrN Aus

Zeit Drehzahl Nenndrehzahl Durchgangsdrehzahl Volumenstrom Nenn-Volumenstrom Normalbetrieb Abstellbefehl stetige Drosselung des Volumenstroms Trennung vom Netz Auslaufen der Turbine

Figur 1.4.3: Normales Abstellen einer Turbine Zeitlicher Verlauf von Drehzahl und Volumenstrom

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

Rasche Entlastung des Generators (Lastabwurf) (Figur 1.4.4) Bei einem Netzausfall oder einer ernsthaften Strung an der Maschine z.B. bei einem Kurzschluss in der Generatorwicklung muss die Maschinengruppe mglichst rasch ausser Betrieb genommen werden. Stromversorgung und Regelung sind unterbrochen, aber der Volumenstrom kann wegen des zu erwartenden Druckstosses nicht pltzlich gedrosselt werden. Dies bedeutet, dass die Turbine, die fr kurze Zeit ber die volle hydraulische Leistung verfgt, aber nicht durch den Generator gebremst wird, stark beschleunigt. Die Drehzahl nimmt bis zu einem Hchstwert zu, der sogenannten berdrehzahl. Gleichzeitig verndert sich der Volumenstrom; je nach Turbinentyp kann er zu- oder abnehmen, was sich auf die Anlage auswirken kann. Durch Anlage und Sicherheitsvorkehrungen bestimmt, kann die berdrehzahl ein Maximum aufweisen, die Durchgangsdrehzahl. Dies ist die hchste Drehzahl, die eine unbelastete Turbine bei einem bestimmten Geflle erreicht. Sie ist vom Turbinentyp abhngig und betrgt das 1.5- bis 3.5fache der Nenndrehzahl (vgl. Kapitel 2.1 und Kapitel 3.3). Nach einer schlagartigen Entlastung der Maschinengruppe knnen sich zwei Zustnde ausbilden: 1) Dauer und Hhe der berdrehzahl werden durch die Sicherheitseinrichtungen der Turbine begrenzt: Das Sicherheits-Absperrorgan drosselt automatisch die Wasserzufuhr. Ein unabhngiger Antrieb (Schliessgewicht, Elektromotor mit Batteriespeisung, Druckspeicher) schliesst den Leitapparat bzw. die Dse(n). 2) Die Sicherheitseinrichtungen versagen: Die Gruppe gert ausser Kontrolle und brennt durch bis sie die Durchgangsdrehzahl erreicht bzw. bis das Betriebspersonal eingreift. Wie sie sich in dieser Extremsituation verhlt, hngt davon ab, wie robust sie gebaut ist und welche passiven Sicherheitseinrichtungen vorgesehen sind: Schwungrad zur Begrenzung der Winkelbeschleunigung und zur Dmpfung der Volumenstromschwankungen Lager und Dichtungen die so konstruiert sind, dass sie auch bei hchsten Drehzahlen einwandfrei funktionieren.

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

Q

n

nmax

TrN n Stop

nN QN

QD

t Norm DB Abbr

Figur 1.4.4: Schnellschluss einer Turbine Zeitlicher Verlauf von Drehzahl und Volumenstrom

t n nN nmax Q QN QD Norm TrN DB Stop Abbr

Zeit Drehzahl Nenndrehzahl maximale berdrehzahl Volumenstrom Nenn-Volumenstrom Volumenstrom bei Durchgangsdrehzahl Normalbetrieb Abtrennung vom Netz oder Netzausfall Durchbrennen der Turbine bei konstanter ffnung Beginn des Schliessvorganges Abbremsen der Gruppe durch Drosseln der Wasserzufuhr mittels Absperrorgan, Leitapparat oder Dsennadel

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

1.5 Kennlinien (Charakteristiken) einer Turbine1.5.1 Modellversuche Um das Verhalten einer Turbine bei den verschiedenen, in Kapitel 1.4 beschriebenen Betriebszustnden vorhersagen zu knnen, bestimmen die Konstrukteure die Kennlinien oder Charakteristiken einer bestimmten Bauform anhand von Versuchen an Modellturbinen. Die Kennlinien einer Modellturbine werden auf einem Prfstand aufgenommen, der entweder beim Hersteller selbst oder in einem spezialisierten Labor aufgestellt ist (Ingenieurschule, Hochschule). Mit Hilfe der hydraulischen hnlichkeitsgesetze, auf die spter noch eingegangen wird, kann der Konstrukteur die Kennlinien des Modells auf die geometrisch hnliche Turbine in wahrer Grsse bertragen. Ein solcher Prfstand fr Modellturbinen ist in Figur 1.5.1 schematisch dargestellt.

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

Br H1 p1 M DMG z1 v1 TM M z2 H2 M RO VM UK Pu Re PM v2 p2 DM TY

Figur 1.5.1: Prinzipschema eines Prfstandes fr Modellturbinen

Komponenten: Pu Kreislaufpumpe, welche die Nettofallhhe Hn erzeugt RO Regulierorgan des Kreislaufes MT Modellturbine Br Bremse (Generator) UK Unterwasserkanal Re Reservoir Messungen: des Volumenstroms durch:

des Wasserstandes durch: des Druckes durch: der Drehzahl durch: des Drehmomentes durch:

volumetrische Messung VM Messberfall M Durchflussmessgert DMG Pegelmessung PM Manometer M Tachymeter TY Dynamometer DM

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

1.5.2 Kennlinien (Charakteristiken) bei konstanter Drehzahl Normalerweise bleibt die Drehzahl einer Turbine konstant. Es ist deshalb naheliegend, die Kennlinien fr diesen Betriebszustand zu ermitteln und darzustellen. Whrend der Messungen arbeitet die Turbine bei gleichbleibender ffnung des Leitapparates bzw. der Dse. Der Versuchsingenieur verndert den Volumenstrom mit Hilfe der Pumpe oder des Regulierorgans des Prfstandes. Das Resultat der Messungen sind Kennlinien fr den Zusammenhang zwischen Geflle und Volumenstrom, Wirkungsgrad und Volumenstrom sowie Leistung und Volumenstrom, wie sie in Figur 1.5.2.a dargestellt sind.

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

Hn n = konstant H

A = konstant

Q

T

Q Q

Pmech

Q QoQ Q0 Qmax Q^ Hn Volumenstrom Leerlaufdurchfluss Hchstwert Volumenstrom beim hchsten Wirkungsgrad Nettofallhhe H^

QmaxNettofallhhe beim hchsten Wirkungsgrad (im Optimum) Wirkungsgrad der Turbine Leistung an der Turbinenwelle ffnung des Regulierorgans fr den Volumenstrom (= konstant)

T

Pmech A

Figur 1.5.2.a: Kennlinien einer Turbine bei konstanter Drehzahl und konstanter ffnung

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

Aus einer Versuchsreihe fr verschiedene Turbinenffnungen lsst sich ein sogenanntes Muscheldiagramm des Wirkungsgrades ableiten, mit Hn und Q als Koordinaten (Figur 1.5.2.b). In dieser topographischen Darstellung stellt jede geschlossene Kurve ein Niveau konstanten Wirkungsgrades dar. Die Koordinaten Hn (Nettofallhhe in m) und Q (Volumenstrom in m3/s) werden anschliessend in dimensionsloser Form dargestellt: aus Hn wird (Druckzahl), aus Q wird (Durchflusszahl). Die Herleitung der Koeffizienten und erfolgt in Kapitel 1.6.3. Aus dem --Diagramm lassen sich die Kennlinien und Wirkungsgrade geometrisch hnlicher Turbinen beliebiger Grsse ableiten.

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PACER

Kenngrssen von Turbinen

Hn n = konstant A1 A2 A3 A4

1 2MD

3

Q EB

T

3 2 1A1 A2 A3 A4

QEB Q Hn Einsatzbereich der Turbine Volumenstrom Nettofallhhe Wirkungsgrad der Turbine Muscheldiagramm des Wirkungsgrades Ai ffnung des Regulierorgans fr den Volumenstrom (konstant) Druckzahl Durchflusszahl

MD

T

Figur 1.5.2.b: Kennlinien einer Turbine bei konstanter Drehzahl und variabler ffnung Muscheldiagramm des Wirkungsgrades

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Kenngrssen von Turbinen

PACER

1.5.3 Kennlinien (Charakteristiken) bei variabler Drehzahl Um das Verhalten der Turbine unter instationren Betriebsbedingungen (Anfahren, Lastabwurf, Durchbrennen) beurteilen zu knnen, mssen die Kennlinien in Abhngigkeit der Drehzahl bekannt sein. Dazu wird die Turbine bei konstantem Geflle und konstantem Volumenstrom gefahren, whrend die Drehzahl verndert wird. Aus diesen Versuchen resultieren, als Funktion der Drehzahl n, die folgenden Parameter (Figur 1.5.3a): der Volumenstrom Q (fr die Druckstossberechnung beim Lastfall Durchbrennen) der Wirkungsgrad das Drehmoment M an der Turbinenwelle (fr die Berechnung der Winkelbeschleunigung bei Lastabwurf und die Bemessung des Trgheitsmomentes des Schwungrades) Auf hnliche Weise wie bei den Q-H-Diagrammen knnen die so erhaltenen Kurven in einem Muscheldiagramm zusammengefasst und der Wirkungsgrad als Hgelzug dargestellt werden. Um die Resultate der Modellversuche fr unterschiedliche Abmessungen und Geflle verwenden zu knnen, ist es auch hier sinnvoll, dimensionslose normierte Kennwerte einzufhren: der Volumenstrom Q die Drehzahl n das Drehmoment M wird zu Q11 wird zu n11 wird zu M11

Fr die Definition dieser Koeffizienten vgl. Kapitel 1.6.3.

30

PACER

Kenngrssen von Turbinen

Q

Hn = konstant

Q^ Qo A

n QD

T

^

A

n

M

Mo M^

A

n n^Volumenstrom Drehzahl Nettofallhhe T Wirkungsgrad der Turbine A ffnung des Regulierorganes fr den Volumenstrom (konstant) M Drehmoment Werte bei Durchgangsdrehzahl QD, nD Q0, M0 Werte bei blockiertem Laufrad Q^, ^, n^ Werte bei maximalem Wirkungsgrad (im Optimum) Q n Hn

nDFigur 1.5.3.a: Kennlinien einer Turbine bei konstantem Geflle, konstanter ffnung und variabler Drehzahl

31

Kenngrssen von Turbinen

PACER

Q11

Q

Hn = konstant

= 0 (Durchbrennen) MD 4 A3 1 A2 2 3 2 1 A1 A4

n n11

M11

M A4 A3 A2 A1

n n11

Figur 1.5.3.b: Kennlinien einer Turbine bei konstantem Geflle, variabler ffnung und variabler Drehzahl

Q n Hn Ai M Q11, M11, n11 MD

T

Volumenstrom Drehzahl Nettofallhhe Wirkungsgrad der Turbine ffnung des Regulierorganes fr den Volumenstrom (konstant) Drehmoment an der Turbinenwelle dimensionslose normierte Kennwerte Muscheldiagramm des Wirkungsgrades

32

PACER

Kenngrssen von Turbinen

1.6 hnlichkeitsgesetze1.6.1 Umrechnung von Kennlinien einer gegebenen Turbine Eine Turbine mit bekannter Geometrie und gegebener ffnung wird bei variablem Geflle betrieben. Mit Hilfe der hydraulischen hnlichkeitsgesetze lassen sich die folgenden Beziehungen herleiten:

Nettofallhhe [m]

Hn1

Hn2 H H H n = n H Q2 = Q1n2 n1 2 2 n2 n1

Volumenstrom [m3/s]

Q1

Drehzahl [min1]

n1

Drehmoment [Nm]

M1

Hn2 T2 =T1 Hn1 Hn21.5 P2 =P1 Hn11.5

Leistung [W, kW]

P1

Mit Hilfe dieser Formeln ist es ohne weiteres mglich, die Kennlinien einer gegebenen Turbine, die an einem anderen Standort mit vernderter Fallhhe betrieben werden soll, umzurechnen. Diese Frage stellt sich in der Regel beim Kauf einer Occasionsturbine.

Beispiel Kauf einer Kaplanturbine mit den folgenden Kennwerten: n1 = Hn1 = Q1 = P1 = 600 4.50 2.0 75 min1 m m3/s kW (Wellenleistung)

33

Kenngrssen von Turbinen

PACER

Der Kufer mchte diese Turbine mit reduziertem Geflle betreiben: Hn2 = 3.50 m Fr den neuen Standort ergeben sich die folgenden Werte: Volumenstrom: Q = 2 3.5 = 1.76 m s 4.53 1

3.5 1.5 Wellenleistung: P = 75 = 51 kW 4.5 Drehzahl: n = 600 3.5 = 529 min 4.51

( )

Ohne flankierende Massnahmen kann diese Turbine nicht mehr ohne weiteres mit dem alten Generator betrieben werden, da die neue Drehzahl kein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz von 50 Hz ist. Abhilfe kann ein Zahnradgetriebe oder ein Riementrieb schaffen.

1.6.2 Modifikation der Kennlinien und Abmessungen einer Turbine Die hydraulische hnlichkeitsgesetze erlauben es, zu zeigen, dass die Turbinen aufgrund ihrer geometrischen Form klassiert werden knnen und dass ihre Abmessungen diese Klassierung nicht beeinflussen. Von einem Modell in reduziertem Massstab ausgehend, kann somit auf die Leistungen aller geometrisch hnlichen Turbinen geschlossen werden. Ausserdem sind die betrieblichen Kennwerte direkt von einem Referenzdurchmesser des Laufrades abhngig. Modell: Ausfhrung: Referenzdurchmesser DM Referenzdurchmesser D

Verhltnis der Fallhhen:

Verhltnis der Volumenstrme:

( )( ) Q n D =() () Q n DHn n 2 D = HnM nM DM3 M M M

2

34

PACER

Kenngrssen von Turbinen

Verhltnis der Drehmomente:

Verhltnis der Leistungen:

( )( ) P n D =() () P n DM n 2 D = MM nM DM3 M M M

5

2

Die Wirkungsgrade von Modellturbine und Ausfhrung knnen sich um einige Prozente unterscheiden. Weil hier keine klar definierte hydraulische hnlichkeit besteht, mssen die im Modellversuch gemessenen Wirkungsgrade mit Hilfe empirischer Formeln korrigiert werden. Diese Korrekturanstze sind insbesondere auch in den Normen fr die Abnahmeversuche an Turbinen aufgefhrt. Die angesprochenen Wirkungsgradunterschiede zwischen Modell und Ausfhrung sind auf folgende Einflsse zurckzufhren: das Grssenverhltnis zwischen Modell und Ausfhrung die Ausfhrungsqualitt (Formtreue, Genauigkeit und Gte der Fertigung) die Betriebsbedingungen (Geflle, Volumenstrom, Drehzahl). Fr den garantierten Wirkungsgrad einer Turbine ist somit immer der Hersteller zustndig und verantwortlich.

1.6.3 Dimensionslose und normierte Parameter In Kapitel 1.5.2 wurde erwhnt, dass die Fallhhe Hn und der Volumenstrom Q blicherweise unter Bercksichtigung der hnlichkeitsgesetze als dimensionslose Kennziffern und dargestellt werden.

Ihre Definitionen lauten: Druckzahl (dimensionslos) 8 g Hn = 2 D2 Durchflusszahl (dimensionslos) 8Q = D3 Fr die unter 1.5.3 aufgefhrten Koeffizienten gilt, in normierter Darstellung:

35

Kenngrssen von Turbinen

PACER

Einheitsvolumenstrom Q m1/2 s1 Q11 = D2 Hn

[

]

Q11 ist der Volumenstrom durch eine Turbine mit einem Laufraddurchmesser von 1 m bei einer Fallhhe von 1 m.

Einheitsdrehzahl nD n11 = m1/2 min1 Hn

[

]

n11 ist die Drehzahl einer Turbine mit einem Laufraddurchmesser von 1 m bei einer Fallhhe von 1 m.

Einheitsdrehmoment M M11 = Nm3 3H D n

[

]

M11 ist das Drehmoment einer Turbine mit einem Laufraddurchmesser von 1 m bei einer Fallhhe von 1 m.

Dabei bedeuten: Hn Nettofallhhe g Erdbeschleunigung Winkelgeschwindigkeit n Drehzahl D Bezugsdurchmesser des Laufrades Q Volumenstrom M Drehmoment

[m] 9.81 [m/s2] [rad/s] [min1] [m] [m3/s] [Nm]

Sowohl die dimensionslosen als auch die normierten Ausdrcke finden sich in der Fachliteratur und in den technischen Unterlagen der Turbinenhersteller.

36

PACER

Kenngrssen von Turbinen

1.7 Klassifikation der Turbinen spezifische DrehzahlDie verschiedenen Turbinentypen lassen sich mittels eines einzigen, von den hnlichkeitsgesetzen abgeleiteten Parameters klassifizieren, der spezifischen Drehzahl. Von dieser existieren verschiedene Definitionen, die alle in der Fachliteratur und den Herstellerunterlagen anzutreffen sind.

1. Spezifische Drehzahl ns P1/2 ns = n Hn5/4 ns ist die Drehzahl einer Turbine in [min1], welche bei einem Geflle von 1 m eine Leistung von 1 kW liefert. Diese Formel hat den Nachteil, dass der Wirkungsgrad in der Turbinenleistung P enthalten ist . Eine ltere Darstellung, die aber noch heute von einigen Herstellern verwendet wird, geht von der Pferdestrke aus (1 PS = 1 CV = 0.736 kW): Pcv1/2 nsa = n = 1.166 Ns Hn5/4 2. Spezifische Drehzahl nq Q1/2 nq = n Hn3/4 nq ist die Drehzahl einer Turbine in U/min, welche bei einem Geflle von 1 m einen Volumenstrom von 1 m3/s aufweist. Umrechnung: Ns = 3.65 nq 3.0 nq

37

Kenngrssen von Turbinen

PACER

3. Spezifische Geschwindigkeit1/2 1/2

(Q/) = = (dimensionslos) 3/4 (2 g Hn)

ist eine Kennziffer, die nq entpricht, aber dimensionslos ist = 0.00634 nqEinheiten: Hn Q n P [m] [m3/s] [min1] [kW] [rad/s]

38

PACER

Kenngrssen von Turbinen

1.8 Zusammenfassung der wichtigsten Turbinentypen und ihrer Anwendungsbereiche

PELTON-Turbine Q klein H gross Ns = 6 .... 60 nq = 2 .... 20 = 0.01 .... 0.11

DURCHSTRM-Turbine Q klein bis mittel H mittel bis klein Ns = 30 .... 210 nq = 10 .... 70 = 0.06 .... 0.45

Figur 1.8.1: Aktionsturbinen

39

Kenngrssen von Turbinen

PACER

Leitschaufeln

Welle

Spiralgehuse

Sttzschaufeln

Laufschaufeln Laufrad

Saugrohr

FRANCIS-Turbine Q mittel H mittel Ns = 50 .... 350 nq = 16 .... 120 = 0.1 .... 0.75 Welle

Spiralgehuse oder Halbspirale Laufrad Sttzschaufeln

Leitschaufeln Saugrohr

KAPLAN-Turbine Q gross H gross Ns = 200 .... 950 nq = 65 .... 300 = 0.4 .... 2.0

Figur 1.8.2: Reaktionsturbinen

40

PACER

Kenngrssen von Turbinen

P T

P

T kW

T P T

P

Serien-KREISELPUMPE im Turbinenbetrieb P Pumpenbetrieb T Turbinenbetrieb Q klein bis mittel H gross bis mittel Ns = 50 .... 300 nq = 5 .... 100 = 0.032 .... 0.634

Figur 1.8.3: Reaktionsturbinen

41

PACER

Aktionsturbinen

2 Aktionsturbinen2.1 2.2 2.3 Funktionsprinzip Peltonturbine Durchstrmturbine 44 48 52

43

Aktionsturbinen

PACER

2.1 FunktionsprinzipEin freier Wasserstrahl wirkt auf Becher oder profilierte Schaufeln, die am Umfang eines Laufrades befestigt sind. Dieser Wasserstrahl wird durch die Schaufeln umgelenkt und bt eine tangential wirkende Kraft auf das Laufad aus. Daraus resultiert an der Welle ein Drehmoment (Kraft x Hebelarm) bzw. eine mechanische Leistung (Drehmoment x Winkelgeschwindigkeit). Die Aktionsturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Beschaufelung ausschliesslich kinetische Energie (Bewegungsenergie) zugefhrt wird. Der Energieaustausch zwischen dem Triebwasser und der Beschaufelung des Laufrades erfolgt unter atmosphrischem Druck. Das Laufrad befindet sich ber dem Unterwasser und dreht in der Luft. Figur 2.1.a zeigt schematisch eine Aktionsturbine und ihre Kenngrssen.

44

PACER

Aktionsturbinen

LR

M,

D X Q Hn

Luft X C Fh WS Luft Be U

Wasser

R

Komponenten: D Dse (Injektor) WS Wasserstrahl LR Laufrad Be Becherschaufel Parameter: Q Volumenstrom [m3/s] Hn Nettofallhhe [m] E = gHn hydraulische Gesamtenergie [J/kg] C = 2gHn Austrittsgeschwindigkeit [m/s] U = R Umfangsgeschwindigkeit [m/s] Fh hydrodynamische Kraft des Wasserstrahls auf den Becher [N] M = R . Fh Drehmoment an der Wellenachse [Nm] Winkelgeschwindigkeit [rad/s]

Figur 2.1.a: Prinzipschema einer Aktionsturbine und ihre Kenngrssen

45

Aktionsturbinen

PACER

In Figur 2.1.b sind die drei wichtigsten Betriebszustnde dieser Turbine dargestellt: 1. Laufrad blockiert: ca. 2faches Nenn-Drehmoment 2. Normalbetrieb: Umfangsgeschwindigkeit theoretisch 50% der Strahlgeschwindigkeit, praktisch ca. 45 ... 48% 3. Durchbrennen: Drehzahl theoretisch 200% der Nenndrehzahl, praktisch ca. 180%

Anmerkungen: die Strahlgeschwindigkeit C wird nur durch das Geflle bestimmt; der Volumenstrom Q wird aufgrund des Strahlquerschnittes und der Strmungsgeschwindigkeit berechnet; der Volumenstrom Q ist nicht von der Drehzahl der Turbine abhngig, sondern wird nur durch die Dse bestimmt; bei Durchgangsdrehzahl bleibt er konstant.

46

PACER

Aktionsturbinen

Horizontalschnitt X X durch Becherschaufel (siehe Figur 2.1.a)

C

1 U

C

2 U

C

3

U

=0 U=0 Fh 2 Fhn M1, Pmech MO M

= n = Un R Un 0.5 C Fh = Fhn = Q C

= e 2 n Un C Fh = 0

Pmech max

Pmech M

=0

= n

= D

1. 2. 3.

Laufrad blockiert Normalbetrieb Durchgangsdrehzahl Winkelgeschwindigkeit =0 = n D = 1.8 n (2 ) n

Figur 2.1.b: Betriebszustnde einer Aktionsturbine

Lastfall 1. 2. 3.

Drehmoment M0 = ca. 2 Mn M = Mn M=0

Leistung Pmech = 0 Pmech = max. Pmech = 0

Zusammenhnge: Drehmoment: Leistung: M = Mn

Pmech = M

47

Aktionsturbinen

PACER

2.2 PeltonturbineDie Peltonturbine besteht aus einem mit Becherschaufeln bestckten Laufrad, welches durch einen konzentrierten, aus einer Dse schiessenden Wasserstrahl angetrieben wird. Die Becherschaufeln sind so geformt, dass der eintretende Wasserstrahl optimal, d.h. mglichst verlustfrei umgelenkt wird und das austretende Wasser ungehindert abfliessen kann. Um dies zu erreichen, weist die Becherkante eine besonder Aussparung fr den Strahl auf. Die Dse muss einen zylindrischen, kompakten Wasserstrahl formen, der dispersionsarm den Becher erreicht. Eine Peltonturbine kann ber eine oder mehrere Dsen (bis zu 6) verfgen. Der Volumenstrom wird durch eine Dsennadel geregelt, die im Innern des Dsenstockes lngsverschieblich gelagert ist und durch einen hydraulischen oder elektrischen Servoantrieb bettigt wird. Die Dsennadel ist das Stellglied der Turbinenregulierung. Die meisten Peltonturbinen verfgen ber einen Strahlabweiser, mit dem der Wasserstrahl innert kurzer Zeit von der Beschaufelung abgelenkt werden kann. Damit kann bei einem Lastabwurf verhindert werden, dass die Turbine bis zur Durchgangsdrehzahl hochluft. Oft wird dieser Abweiser durch einen vom Netz unabhngigen Energiespeicher bettigt (Gegengewicht, Druckspeicher). Die verschiedenen Bauelemente sind in einem besonderen Gehuse untergebracht, das sich in der Zentrale ber dem Unterwasserkanal befindet. Da das Laufrad nicht eingetaucht ist, stellt die Abdichtung der Lagerstellen und Fugen keine besonderen Probleme. Um zu verhindern, dass Spritzwasser austritt, gengen Wellenscheiben, welche die Spritzer abfangen und in besondere Ablufe schleudern. Figur 2.2.a zeigt den prinzipiellen Aufbau einer 2dsigen Peltonturbine sowie die wichtigsten Parameter, die bentigt werden, um den Laufraddurchmesser und die Dsenzahl zu bestimmen. Figur 2.2.b zeigt den prinzipiellen Aufbau einer 1dsigen Peltonturbine fr horizontale Aufstellung, d.h. mit vertikaler Welle. Um die Konstruktion einfacher und kostengnstiger zu gestalten, kann das Laufrad direkt auf das Wellenende des Generators angeflanscht werden (sog. Monobloc-Turbine). Figur 2.2.c zeigt den prinzipiellen Aufbau einer 5dsigen Peltonturbine dieser Bauart mit vertikaler Welle. Die Vorzge der Peltonturbine sind der hohe Wirkungsgrad ber einen weiten Durchflussbereich und der einfache mechanische Aufbau.

48

PACER

Aktionsturbinen

Dse

zr = Schaufelzahl Do Laufrad

D2

D1

Becherschaufel B2

Dse

Do D2

Kenngrssen der Dse D0 Dsenmunddurchmesser [m] D2 Strahldurchmesser [m] Durchsatz/Volumenstrom pro Dse: Q1 = c D22 2gHn [m3/s] c = 0.96 ... 0.98 4 Durchsatz/Volumenstrom total: Q = zi Q1 mit zi = Dsenzahl Q ) 0.545 H1/2 1/2 1 1/4 n

Figur 2.2.a: Prinzipschema und Kenngrssen eines 2dsigen Peltonrades

4 Q1 Strahldurchmesser: D2 = c 2gHn

(

Kenngrssen des Laufrades D1 Bezugsdurchmesser = Wirkungsdurchmesser des Strahls [m] D1 U1 = : Umfangsgeschwindigkeit des Rades [m/s] 2 U1 = u1 2gH mit u1 = 0.44 ... 0.48 2 Hn D1 = u1 2gHn = 37 ... 41 n Hn n Nettofallhhe Drehzahl [m] [min1]

Erfahrungswerte fr D2 /D1 zwischen 1 7 und 1 30, je nach spezifischer Drehzahl Durchgangsdrehzahl 180% der Nenndrehzahl bei der nominellen Nettofallhhe Hn

49

Aktionsturbinen

PACER

Ge

Ku

WL

WL

LR WD

UW-Kanal

LR Gh

D SM

DN

SA

GG

UW-Kanal

Figur 2.2.b: Horizontalachsige 1dsige Peltonturbine

LR Gh D DN

Laufrad Gehuse Dse Dsennadel (lngsverschieblich) SA Strahlabweiser SM Servo-Motor des Strahlabweisers

GG Gegengewicht des Strahlabweisers WD Wellendichtung WL Wellenlager Ku Kupplung Turbine-Generator Ge Generator

50

PACER

Aktionsturbinen

SchnittGe

Gh

D

LR

D

UK

Grundriss

D

DL

D UK

LR Gh D Ge DL UK

Laufrad Gehuse Dse Generator Anschluss an Druckleitung Unterwasserkanal

Figur 2.2.c: Vertikalachsige 5dsige Peltonturbine in MonoblocAusfhrung

51

Aktionsturbinen

PACER

2.3 DurchstrmturbineDie Durchstrmturbine, auch Crossflow- oder Ossberger-Turbine genannt, ist eine Aktionsturbine mit der Besonderheit, dass das Triebwasser zweimal durch die Schaufeln des Laufrades fliesst. Von einfachem Aufbau, besteht sie aus drei Hauptkomponenten (Figur 2.3.a): einem rechteckigen Leitapparat, in dem der Triebwasserstrom durch zwei nebeneinander liegende profilierte Leitschaufeln gelenkt, geregelt oder ganz unterbrochen wird. Um auch bei Stromausfall ein sicheres Schliessen zu gewhrleisten, wird oft ein Schliessgewicht verwendet, whrend das ffnen durch einen Hydraulikzylinder erfolgt; einem trommelfrmigen Laufrad, das mit profilierten, kreisbogenfrmigen Schaufeln bestckt ist; einem Gehuse, welches das Laufrad umschliesst und an dem die Wellenlager befestigt sind. In Figur 2.3.a sind die Formeln aufgefhrt, welche eine Abschtzung der Hauptabmessungen erlauben. Figur 2.3.b zeigt die wichtigsten Bestandteile dieser Bauart. Oft sind Leitapparat und Laufrad 2zellig ausgefhrt 1/3 und 2/3 um auch bei kleinen Wassermengen eine gute Durchstrmung und hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Die Zellen knnen einzeln oder zusammen beaufschlagt werden (Figur 2.3.c). Wegen ihrer einfachen Konstruktion ist die Durchstrmturbine in den Entwicklungslndern recht beliebt. Das doppelt durchstrmte Laufrad ist selbstreinigend: Geschwemmsel, das beim Eintritt auf der Trommelaussenseite hngenbleibt, wird durch das abstrmende Triebwasser weggesplt. Dem gegenber steht der mittelmssige Wirkungsgrad dieses Turbinentyps, der bei guten Maschinen zwischen 80 und 83% liegt. Die generell tiefe Drehzahl erfordert den Einsatz eines Getriebes Zahnrad oder Riemen zwischen Turbine und Generator. Weil die Schaufeln des Laufrades nicht sehr steif sind, kann die Maschine wegen der periodischen Anregung durch das aufprallende Triebwasser allenfalls nicht zu vernachlssigende Gerusche und Vibrationen erzeugen. Wenn die Turbine bei geringem Geflle und vernderlichem Unterwasserspiegel betrieben werden soll, kann sie mit einem Saugrohr ausgerstet werden, mit dem etwa die Hlfte bis drei Viertel des Freihanges genutzt werden knnen. Dazu muss die Saughhe mit Hilfe eines im Gehuse montierten Unterdruckventils geregelt werden (Figur 2.3.d).

52

PACER

Aktionsturbinen

LR Gh

LA

D

LA LR Gh

Leitapparat Laufrad mit kreisfrmigen Schaufeln Gehuse

Figur 2.3.a: Schnitt durch eine Durchstrmturbine

Volumenstrom Q DB Q = 0.25 2gHn 0.2 ... 0.3 D B 2gHn [m3 / s] bzw. B D =1.13 ... 0.75 2 Hn D B Hn Laufraddurchmesser (m) Laufradbreite (m) Nettofallhhe (m) Anstrmwinkel (rad)

Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl 2 2gHn 30 = 0.45 2gHn = 0.9 [rad / s] oder n = [min1] D D Hn Qn daraus folgt: D 38 und B = 0.02 ... 0.03 fr = 120 ... 90 n Hn Verhltnis Radbreite/-durchmesser B/D = 0.3 ... 4 je nach Geflle Hn (das durch die mechanische Festigkeit der Laufschaufeln begrenzt ist) Vibrationen n Eigenfrequenz (1. Harmonische): f = zr = zr [Hz] 2 60 mit zr = Schaufelzahl des Laufrades = 24 ... 32 Durchgangsdrehzahl 180% der Nenndrehzahl bei der nominellen Nettofallhhe Hn

53

Aktionsturbinen

PACER

S LS

LA

LR

Gh WL Ku

WS TW

WL

1/3 SR

2/3 B

Figur 2.3.b: Hauptbestandteile einer Durchstrmturbine

S LS LA LR Gh SR Ku WL WS TW

bergangsstck Druckleitung-Turbine Leitschaufel des Leitapparates Leitapparat Laufrad Gehuse Saugrohr Kupplung Getriebe-Generator Wellenlager Wellenspalt Turbinenwelle

54

PACER

Aktionsturbinen

/max

Zellen 1 + 2 = 3/3 Zelle 2 = 2/3 Zelle 1 = 1/3

Q / Qmax

/maxQ/Qmax

Figur 2.3.c: Prinzip der Volumenstromregelung mittels zweizelligem Laufrad

relativer Wirkungsgrad relativer Volumenstrom

Zelle 1 = 1 3 Zelle 2 = 2 3 Zellen 1 + 2 = 3 3

55

56

Aktionsturbinen

Hv Hn = H1 H1 H Hn = H1 + H2 h = Luft H2 = Wasser

Hv

H1

H

h H2

Turbine ohne Saugrohr

Turbine mit Saugrohr

H H1 H2 Hv Hn

Bruttofallhhe Nettofallhhe oberwasserseitig Nettofallhhe unterwasserseitig Energieverluste Nettofallhhe

Figur 2.3.d: Nettofallhhe einer Durchstrmturbine mit und ohne Saugrohr

PACER

PACER

Reaktionsturbinen

3 Reaktionsturbinen3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 Funktionsprinzip Anordnung einer Reaktionsturbine Saughhe und Kavitation Saughhe Saughhe und Kavitation Kavitationszopf Berechnung der Grenzsaughhe einer Reaktionsturbine Durchgangsdrehzahl und Durchgangsvolumenstrom einer Reaktionsturbine Francisturbine Serien-Kreiselpumpen im Turbinenbetrieb Propeller- und Kaplanturbinen 58

64 64 66 70 72

75 76 80 82

3.4 3.5 3.6

57

Reaktionsturbinen

PACER

3.1 FunktionsprinzipEine Reaktionsturbine ist eine gekapselte Maschine, die nicht nur die kinetische, sondern auch die potentielle Energie des strmenden Wassers nutzt. Zwei Prinzipien bilden die Grundlage ihrer Funktion: 1. Durch ein Spiralgehuse, durch Leitschaufeln oder beide Elemente zusammen wird eine drallbehaftete Strmung, ein Wirbel erzeugt; 2. Die im Wirbel enthaltene Energie wird durch die Schaufeln eines rotierenden Rades in mechanische Arbeit umgewandelt, indem sie die Strmung umlenken und ihr eine Richtung parallel zur Drehachse aufzwingen. Die Laufschaufeln verhalten sich wie die Tragflgel eines Flugzeuges: das Wasser, welches das gewlbte Schaufelprofil umstrmt, bewirkt eine hydrodynamische Kraft auf das Schaufelblatt bzw. ein resultierendes Drehmoment auf die Turbinenwelle. Wie beim Flugzeug resultiert diese hydrodynamische Kraft aus den unterschiedlichen Drcken, die auf die Ober- und Unterseite des Schaufelprofils wirken. Figur 3.1.a stellt schematisch eine Reaktionsturbine dar. Die grundlegende Gleichung fr die Reaktionsturbine wird Leonhard Euler (17071783) zugeschrieben. Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen den Strmungsgeschwindigkeiten am Ein- und Austritt der Turbine und der spezifischen Energieausbeute (vgl. Figur 3.1 c): E = gHn = u1cu1 u2cu2 [J/kg]

u1 = R1 Umfangsgeschwindigkeit der Laufradschaufeln am Eintritt cu1 u2 = R2 cu2 Komponente in Umfangsrichtung der absoluten Strmungsgeschwindigkeit c am Laufrad-Eintritt Umfangsgeschwindigkeit der Laufradschaufeln am Austritt Komponente in Umfangsrichtung der absoluten Strmungsgeschwindigkeit c am Laufrad-Austritt Energieinhalt der durch das Spiralgehuse und/oder die Leitschaufeln erzeugten Drallstrmung am Laufrad-Entritt Energieinhalt der Drallstrmung am Austritt. Im optimalen Betriebspunkt der Turbine ist diese Verlustenergie gleich Null (kein Austrittswirbel) absolute Strmungsgeschwindigkeit des Wassers in der Turbine

u1cu1

u2cu2

c

58

PACER

Reaktionsturbinen

LR

TS

DS

Figur 3.1.a: Schematische Darstellung einer Reaktionsturbine

TS exzentrisch zur Turbinenachse angeordneter Zulaufkanal, der die durch eine Turbinenspirale erzeugte Drallstrmung (DS) veranschaulicht LR Schaufelrad, welches das in der Drallstrmung plazierte Laufrad der Turbine darstellt

59

Reaktionsturbinen

PACER

Die zur Drehachse gerichtete Meridiankomponente cm der absoluten Strmungsgeschwindigkeit c ergibt sich aus dem Volumenstrom durch die Turbine (vgl. dazu die Figuren 3.1.c und 3.1.d). w ist die relative Strmungsgeschwindigkeit des Wassers bezglich der Beschaufelung. Ihre Richtung, abgeleitet aus cu, cm und u, bestimmt den Anstellwinkel der Schaufeln zur Strmung. Figur 3.1.b zeigt den grundstzlichen Aufbau einer Francisturbine. Bei dieser Bauart wird die Drallstrmung durch ein schneckenfrmiges Gehuse erzeugt, die Turbinenspirale. Der endgltige Anstrmwinkel am Laufradeintritt wird durch den Leitapparat bestimmt, dessen Leitschaufeln in der Regel beweglich sind. Das Wasser durchstrmt das Laufrad radial von aussen nach innen, wird durch die Laufschaufeln umgelenkt und verlsst das Rad in axialer Richtung. Figur 3.1.c zeigt die Schaufelprofile des Leitapparates und des Laufrades sowie die zugehrigen Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradeintritt und -austritt. In Figur 3.1.d ist schematisch eine Axialturbine dargestellt. Diese Turbine wird in Lngsrichtung durchstrmt. Da keine Spirale vorhanden ist, muss die Drallstrmung ausschliesslich von den Leitschaufeln erzeugt werden. Auch hier sind die wieder die Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradeintritt und -austritt dargestellt.

60

PACER

Reaktionsturbinen

Drehsinn der Drallstrmung und der Laufrder

Laufrad der Turbine Leitschaufeln des Leitapparates

X Spiralgehuse Saugrohr Q X Hs

Figur 3.1.b: Schematische Darstellung einer Reaktionsturbine vom Typ Francis

Spiralgehuse: sich verengendes, den Leitapparat umfassendes, unter Druck stehendes Gehuse, das die Drallstrmung bewirkt Leitapparat: feste oder bewegliche Beschaufelung (Leitschaufeln), die den Volumenstrom regelt und die Intensitt der Drallstrmung bestimmt setzt die in der Drallstrmung enthaltene hydraulische Energie in mechanische um sich stetig erweiterndes Rohrstck, welches die Strmungsgeschwindigkeit und damit die Energieverluste nach dem Austritt aus der Turbine reduziert und zugleich die nutzbare Fallhhe um die Saughhe HS vergrssert

Laufrad:

Saugrohr:

61

Reaktionsturbinen

PACER

Leitschaufeln c1 1 w1 1 cm1 2 1 Drehsinn des Laufrades Laufschaufeln c2 w2

(1) R1 u2 U1

(2) R2

2 cu1 Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradeintritt (1) cu2 2 c1 2 cm1 u1Figur 3.1.c: Schnitt X-X (vgl. Figur 3.1.b) durch Leitapparat und Laufrad einer Radialturbine mit den zugehrigen Geschwindigkeitsdreiecken

cm2

c2 w2 Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradaustritt (2)

u2 w1

1

Geschwindigkeiten am Eintritt (1) und am Austritt (2) des Laufrades: c cu cm absolute Geschwindigkeit des Wassers Umfangskomponente von c (von der Fallhhe Hn abhngig) Radial- oder Meridiankomponente von c (vom Volumenstrom Q abhngig) u = R Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades w Relativgeschwindigkeit des Wassers bezglich der Beschaufelung des Laufrades durch den Leitapparat bestimmter Strmungswinkel (definiert cu) Anstellwinkel der Laufschaufeln

62

PACER

Reaktionsturbinen

Q

co

Eintritt in Leitapparat (0) u1

Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradeintritt (1) cu1 u1 1 cm1 c1 w1

Leitschaufeln

c1

w1 Laufradeintritt (1)

1

Laufschaufeln Laufradaustritt (2) Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradaustritt (2) cu2 u2 2 cm2 c2 Saugrohr w2 2

c2 w2 u2

Wichtige Beziehungen: spezifische Gesamtenergie (Eulersche Gleichung): E = gHn = u1cu1 u2cu2 [J/kg] Volumenstrom: Q = cm A [m3/s] cm = Meridiankomponente der Absolutgeschwindigkeit c A = durchstrmter Querschnitt (Normalebene zu cm) 2gHn Druckzahl: = u2 cm Durchflusszahl: = u [m/s] [m2]

Figur 3.1.d: Schematische Darstellung einer axialen Reaktionsturbine (Kaplan- oder Propellerturbine) mit den zugehrigen Geschwindigkeitsdreiecken. Definition der Geschwindigkeiten siehe Figur 3.1.c

63

Reaktionsturbinen

PACER

3.2 Anordnung einer Reaktionsturbine Saughhe und Kavitation3.2.1 Saughhe Die Saughhe HS einer Reaktionsturbine, definiert gemss Figur 3.2.1, ist die geodtische Hhendifferenz zwischen dem Unterwasserspiegel und der Laufradachse bzw. bei vertikaler Turbinenwelle zwischen dem Unterwasserspiegel und der massgebenden Bezugsebene. Der Wert von HS ist positiv, wenn sich die Turbine ber dem Unterwasserspiegel befindet und negativ im gegenteiligen Fall.

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PACER

Reaktionsturbinen

Generator

Sicherheitsabsperrorgan Turbine

Hs

Saugrohr

horizontalachsige Turbinen

Hsa b c

vertikalachsige Turbinen

Hs

a) b) c)

langsamlufige Francisturbine (nq klein) schnellufige Francisturbine (nq gross) Kaplan- oder Propellerturbine

Figur 3.2.1: Saughhe HS fr verschiedene Turbinentypen

Hs ist positiv, wenn der Unterwasserspiegel tiefer liegt als die Turbine

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Reaktionsturbinen

PACER

3.2.2 Saughhe und Kavitation Um die baulichen Investitionen auf ein Minimum zu reduzieren, ist man bestrebt, die Turbine so hoch wie mglich ber dem Unterwasserspiegel anzuordnen (HS maximal). Dies hat indessen zur Folge, dass der Druck in der Strmung am Laufradaustritt negativ wird, d.h. dass dort Unterdruck herrscht. Zum statischen, der Saughhe entsprechenden Unterdruck gesellt sich der dynamische Unterdruck, der sich in der Strmung um das Leitschaufelprofil einstellt (vgl. auch Figur 3.2.4). Tatschlich herrscht auf der einen Seite des umstrmten Schaufelprofils berdruck (Druckseite), auf der gegenberliegenden Unterdruck (Saugseite). Diese Druckdifferenzen zwischen der Druck- und der Saugseite der Laufschaufeln erzeugen die hydrodynamische Kraft, welche das Laufrad in Bewegung setzt. Aus Figur 3.2.2.a geht die dynamische Druckverteilung um ein Schaufelprofil hervor. Wird die Saughhe Hs erhht, so sinkt der Druck auf der Saugseite entsprechend und erreicht rtlich den Dampfdruck des Wassers. Es bilden sich Dampfblasen, die sich ablsen und mit der Strmung wegtreiben. Gelangen diese Blasen in Bereiche mit hheren Drcken, fallen sie in sich zusammen (sie implodieren) und lsen dadurch starke Druckwellen aus. Diese Dampfblasenimplosionen erzeugen einen charakteristischen Lrm, das Kavitationsgerusch. Sie zerstren mit der Zeit das Materialgefge und fhren zur Erosion der Schaufeloberflche. Figur 3.2.2.a erlutert schematisch das Phnomen der Kavitation; die Fotos von Figur 3.2.2.b zeigen kavitationsbedingte Schden an Laufrdern von Pumpen und Turbinen.

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PACER

Reaktionsturbinen

Druckseite: berdruckbereich

Verteilung der dynamischen berdrcke

wu

s Ero

ion

n szo

e

Verteilung der dynamischen Unterdrcke

w Saugseite: Unterdruckbereich

Dampfblasenbildung Implosion der Dampfblasen

Summe der statischen und dynamischen Unterdrcke kleiner als der Dampfdruck pD Kavitationszone

Figur 3.2.2.a: Druckverteilung und Kavitation auf der Saugseite einer Turbinenschaufel

w Relativgeschwindigkeit des Wassers bezglich der drehenden Schaufel u Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel

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PACER

Reaktionsturbinen

Durch Kavitation erodiertes Laufrad einer Francisturbine

Durch Kavitation angegriffene Stellen auf der Saugseite der Schaufeln eines Francis-Laufrades

Durch Kavitation zerstrtes Laufrad einer KreiselpumpeFigur 3.2.2.b: Kavitationsbedingte Schden an Laufrdern von Pumpen und Turbinen (Quelle: IMHEF/EPFL)

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Reaktionsturbinen

PACER

3.2.3 Kavitationszopf Die Strmung durch eine Reaktionsturbine setzt sich aus zwei Drallstrmungen zusammen: dem Eintrittswirbel vor und dem Austrittswirbel nach dem Laufrad. Der Austrittswirbel verschwindet nur im optimalen Betriebspunkt der Turbine, d.h. wenn der hchste Wirkungsgrad erreicht wird. Bei abweichenden Volumenstrmen, insbesondere bei kleineren Durchflssen zwischen 40 und 60% des Nennwertes, wird der Austrittswirbel sehr stark und kann heftige Instabilitten der Strmung verursachen. hnliches kann sich auch bei berlast ereignen, mit starker Wirbelbildung in in axialer Richtung. Ursache dieser Instabilitten ist das Phnomen des Kavitationszopfes: Im Kern des Austrittswirbels, wo tiefe Drcke herrschen, bildet sich eine sulen- oder zopfartiges Gebilde aus Wasserdampfblasen. Etwas weiter im Saugrohr fllt dieser Zopf schlagartig in sich zusammen. Die Implosion der Dampfblasen lst niederfrequente Druckschlge aus, welche die Anlage gefhrden knnen, da hohe dynamische Lasten auf Turbine und Fundamente wirken; weil Druckschwingungen in den Leitungen angefacht werden, welche zu Durchfluss- und Leistungsschwankungen fhren. Das Phnomen ist nicht leicht voraussehbar; eine wirksame Massnahme besteht darin, unmittelbar nach dem Laufrad Luft in das Saugrohr einzudsen. Auf diese Weise knnen die Druckschlge gemildert und eventuell auch die Frequenzen der Pulsationen gnstig beeinflusst werden; allerdings sind Wirkungsgradeinbussen von 12% mglich. Es ist von Vorteil, den vorgesehenen Einsatzbereich der Turbine im Pflichtenheft fr die Offertanfrage anzugeben, damit der Lieferant das Phnomen des Kavitationszopfes nicht vernachlssigt und wenn ntig vorbeugende Massnahmen trifft. Figur 3.2.3 zeigt einen Kavitationszopf am Austritt einer Francisturbine sowie eine mgliche Anordnung der Belftungsstellen.

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PACER

Reaktionsturbinen

Leitapparat

A

Laufrad X A X A Kavitationszopf (Dampfkern) Saugrohr

A

Belftungsstellen im Saugrohr c

Schnitt X X c

Geschwindigkeiten

absolute Drcke pD: Dampfdruck p = 0: Vakuum

p

Dampfkern (Kavitation)

Figur 3.2.3: Darstellung eines Kavitationszopfes am Austritt einer Francisturbine. Geschwindigkeits- und Druckverteilung am Laufradaustritt

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Reaktionsturbinen

PACER

3.2.4 Berechnung der Grenzsaughhe einer Reaktionsturbine Theoretische Saughhe: Unter Vernachlssigung der dynamischen Effekte zufolge der Strmungsgeschwindigkeit des Wassers bilden sich Dampfblasen, wenn HSth = HB HD HSth = theoretisch mgliche Saughhe in [m] HB = Hhe der Wassersule in [m] entsprechend dem atmosphrischen Druck pB HD = Hhe der Wassersule in [m] entsprechend dem Dampfdruck pD des Wassers Die lokalen bergeschwindigkeiten und Unterdrcke entlang der Schaufelprofile (vgl. Figur 3.2.2.a) bewirken, dass die Dampfblasenbildung bei einer Saughhe HS einsetzt, die unter dem erwhnten theoretischen Wert liegt. Um diese Effekte zu bercksichtigen, wurde in der Praxis die komplementre, vom Volumenstrom abhngige Saughhe . Hn eingefhrt, mit Hn als Nettofallhhe in [m] und als dimensionlosem Koeffizient, Kavitationszahl oder Thoma-Zahl genannt. Die theoretische Saughhe HSth wird somit reduziert zu HS = HSth . Hn HS: Grenzwert fr die Saughhe; wird er berschritten, bildet sich eine das Laufrad schdigende Kavitation. Figur 3.2.4 zeigt schematisch die unterwasserseitige Druckverteilung bei einer Reaktionsturbine. Aufgrund statistischer Erhebungen wurden fr Pumpen und Turbinen Richtwerte fr die Thoma-Zahl definiert. Sie sind von der spezifischen Drehzahl und vom Turbinentyp abhngig. Fr die Vordimensionierung, d.h. die nherungsweise Berechnung von HS kann das in Kapitel 4, Figur 4.1.4.b enthaltene Diagramm verwendet werden.

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PACER

Reaktionsturbinen

Hs (pv) Hn Turbinenachse

Vakuum

Fall 1 Turbine ber dem UW-Niveau (Hs positiv)

Hn Hs

HB (pB)

UW-Niveau

Hs Turbinenachse

Fall 2 Turbine unter dem UW-Niveau (Hs negativ)

Figur 3.2.4: Anhaltswerte zur Berechnung HB (pB ) atmosphrischer Druck (Druck auf dem Unterwasser-Niveau) in der Grenzsaughhe einer [m] Reaktionsturbine oder einer HS Grenzsaughhe der Turbine (kritische Schwelle fr Kavitation) [m] Pumpe

. Hn

Korrekturfaktor zur Kompensation der dynamischen Unterdrcke in der Strmung entlang der Schaufeln [m] HD (pD) Dampfdruck des Wassers; Grenzwert des Druckes, bei dem Dampfblasenbildung einsetzt [m] Atmosphrischer Druck in Funktion der Hhe ber Meer: Hhe: 0 500 100 2000 [m .M.] HB: 10 9.42 8.87 7.84 [m] (International normierte Atmosphre INA) Dampfdruck in Funktion der Temperatur: Temperatur: 8 10 15 20 HD: 0.105 0.125 0.155 0.240 Die Drcke sind in [m] Wassersule angegeben Zusammenhang zwischen Druck pi und Hhe Hi: pi = g Hi pi Hi g oder Hi = pi / ( g)

25 0.325

30 [C] 0.435 [m]

Druck [N/m2] 1 bar = 105 N/m2 quivalente Druckhhe in [m] Dichte des Wassers (1000 kg/m3) Erdbeschleunigung (9.81 m/s2)

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Reaktionsturbinen

PACER

Die genannten Zahlen sind lediglich Anhaltswerte. Der Turbinenlieferant muss sie in seiner Offerte besttigen und przisieren. Fr die Berechnung der Saughhe HS kann somit folgende Formel verwendet werden: HS = HB HD H

Bei Projektstudien ist daran zu denken, dass der atmosphrische Druck pB (bzw. HB) durch Hhenlage und Lufttemperatur am Standort der Anlage beeinflusst werden; der Dampfdruck pD (bzw. HD) von der Wassertemperatur abhngt. Einige Anhaltswerte fr diese physikalischen Parameter sind in Figur 3.2.4 aufgefhrt.

HS ist eine massgebende Grsse fr die Festlegung der Turbinenkote bezglich des Unterwasserspiegels (vgl. Kapitel 4.1.4).

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3.3 Durchgangsdrehzahl und Durchgangsvolumenstrom einer ReaktionsturbineBei den Aktionsturbinen wird die Durchgangsdrehzahl nur durch die Fallhhe und den Laufraddurchmesser bestimmt. Dies ist bei den Reaktionsturbinen wegen der komplexeren Strmungsverhltnisse nicht mehr der Fall. So stellt man bei Laufrdern mit radialer Durchstrmung einen durch die Zentrifugalkraft verursachten Pumpeffekt fest, der sowohl die Durchgangsdrehzahl als auch den Volumenstrom reduziert. Besonders ausgeprgt ist dieser Effekt bei Serien-Kreiselpumpen, welche als Turbinen betrieben werden, weil sie einen grsseren Laufraddurchmesser haben als quivalente Francisturbinen. Wenig Strmungswiderstand bietet dagegen eine parallel zur Drehachse durchstrmte Turbine. Ihre Laufschaufeln schrauben sich gewissermassen in die von der Spirale bzw. vom Leitapparat erzeugte Drallstrmung. Demzufolge erreichen Axialturbinen sehr hohe Durchgangsdrehzahlen, bis zum 3fachen der Nenndrehzahl, was sich auf die mechanische Auslegung von Turbine und Generator auswirkt. Es ist deshalb wichtig, dass aus der Offerte des Turbinenlieferanten klar hervorgeht, wie hoch die Durchgangsdrehzahl und der zugehrige Volumenstrom fr eine gegebene Nettofallhhe ist. Fr eine erste Auslegung im Rahmen eines Vorprojektes knnen die folgenden Anhaltswerte verwendet werden: Turbinentyp Verhltnis Durchgangsdrehzahl/ Nenndrehzahl nD /nN 1.7 ... 2.0 2.0 ... 2.2 1.8 ... 2.2

Francis, nq = 40 ... 80 Francis, nq = 80 ... 120 Propeller, feste Lauf- und Leitschaufeln

Kaplan, verstellbare Laufschaufeln, feste Leitschaufeln 2.4 ... 2.8 Kaplan, verstellbare Lauf- und Leitschaufeln Pumpen im Turbinenbetrieb, nq = 30 ... 100

2.4 ... 3.2 1.4 ... 1.8

Verhltnis der Volumenstrme bei Durchgangs- bzw. Nenndrehzahl: nq < 100 : nq = 100 : nq > 100 : QD < QN QD QN QD > QN

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3.4 FrancisturbineDie wichtigsten Bestandteile einer Francis-Schachtturbine ohne Spirale sind in Figur 3.4.a dargestellt. Diese einfache Bauart trifft man oft bei lteren Kleinkraftwerken an. Der feste Teil der Turbine besteht aus dem Leitrad. Es sitzt direkt auf dem in der Betondecke verankerten Saugrohr, umfasst den Leitapparat und hlt das Turbinenlager. Der Leitapparat, der den Volumenstrom regelt, besteht aus einer bestimmten Anzahl drehbar gelagerter Leitschaufeln, die ber Gelenkhebel mit dem Regulierring verbunden sind. Dieser wird durch die Regulierwelle ber zwei gelenkig befestigte Stangen gedreht. Die Regulierwelle kann, wie dies bei lteren Anlagen oft der Fall ist, von Hand bettigt werden. Automatische Anlagen verfgen ber hydraulische oder elektrische Verstellantriebe. Das Laufrad befindet sich innerhalb des Leitapparates. Die durch das Hauptlager der Turbine gefhrte Welle verbindet das Laufrad mit dem Generator oder dem Zwischengetriebe.

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Reaktionsturbinen

Schnitt

RW TW

HL LA

H

LR

SR

RR Grundriss

RW

VH

LSFigur 3.4.a: Hauptbestandteile einer Francisturbine

LA LS VH RR RW

Leitrad/Leitapparat verstellbare Leitschaufeln Verstellhebel Regulierring Regulierwelle

LR SR HL TW

Laufrad Saugrohr Hauptlager Turbinenwelle

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Reaktionsturbinen

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Figur 3.4.b enthlt einige Angaben, die es ermglichen, die LaufradAbmessungen einer Francisturbine abzuschtzen. Aus dieser Figur geht ausserdem hervor, wie sich die Form des Laufrades mit der spezifischen Drehzahl nq verndert. Bei den sogenannten Langsamlufern (nq klein) wird das Laufrad radial beaufschlagt, whrenddem bei den Schnellufern (nq gross) eine halbaxiale Durchstrmung erfolgt.

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Reaktionsturbinen

Do zo D1i

Bo

zr

D2e

nq = 29 min1

nq = 51 min1

nq = 100 min1

0.11

0.24

1.0

1.0

0.35

0.69 1.0

1.0 1.15

D1i R1i = = 2

2gH () n 1i 2

1/2

Figur 3.4.b: Hauptabmessungen eines Francis-Laufrades fr unterschiedliche spezifische Drehzahlen nq

mit 1i = 1.65 ... 1,8 Hn D1i 64.4 [m] n Q/ () 2e1/3

Hn Nettofallhhe Q Volumenstrom bei max. Wirkungsgrad [m3/s] Winkelgeschwindigkeit [rad/s] n Drehzahl [min1] zo Anzahl Leitschaufeln

D2e R2e = = 2

mit 2e = 0.26 ... 0.28 Q () n1/3

D2e = 4.44

[m]

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3.5 Serien-Kreiselpumpen im TurbinenbetriebDarunter ist eine handelsbliche Kreiselpumpe zu verstehen, die als Turbine funktioniert, wobei die Strmungsrichtung des Wassers und der Drehsinn der Welle wechseln. Von der Funktionsweise her ist sie mit einer Francisturbine vergleichbar, deren Leitapparat in einer bestimmten Stellung fixiert ist. Es handelt sich um eine einfache, preiswerte Maschine, die weniger als die Hlfte einer massgeschneiderten Turbine kostet. Sie eignet sich fr grosse und kleine Fallhhen, doch ist ihr Anwendungsbereich aus den folgenden Grnden eingeschrnkt: die Serien-Kreiselpumpe kann nur bei konstantem Volumenstrom eingesetzt werden; bei rascher Entlastung (Lastabwurf infolge Netzausfall) kann sie erhebliche Druckstsse in den Leitungen verursachen, weil der Volumenstrom bei Durchgangsdrehzahl kleiner ist als bei Normalbetrieb; im Hinblick auf den Einsatz als Turbine muss die mechanische Auslegung berprft werden (Lager, Dichtungen, Durchgangsdrehzahl); der Wirkungsgrad liegt unter demjenigen einer Turbine. Zu beachten ist, dass die optimalen Betriebspunkte bei Turbinen- bzw. Pumpenbetrieb erheblich voneinander abweichen. Die optimale Nettofallhhe bei Turbinenbetrieb betrgt etwa das 1.3- bis 1.6fache des fr die Pumpe geltenden Wertes, der Volumenstrom das 1.2bis 1.4fache. Diese Angaben gelten fr eine spezifische Drehzahl nq zwischen 30 und 100. Die Auswahl einer Kreiselpumpe, welche als Turbine verwendet wird, muss dem Spezialisten berlassen werden. Es wird empfohlen, mit einem auf diesem Gebiet erfahrenen Pumpenlieferanten zusammenzuarbeiten, der in der Lage ist, verbindliche, wenn mglich auf dem Prfstand im Werk gemessene Kennlinien zu liefern. Figur 3.5 zeigt die vollstndigen Kennlinien einer Kreiselpumpe bei konstanter Drehzahl.

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PACER

Reaktionsturbinen

Pumpe als Bremse Hn Pumpe als Turbine n

Vorzeichen Konvention Q+ Q+ n+

TmaxHnP

HnT

Pumpe im normalen Einsatz

Pmaxn+

Q

QnT

QnP

Q+

P PnT

Tmax

Pmax

PnP Q+

Q

QnT

QnP

QnP, HnP, Pmax QnT, HnT, Tmax n Q Hn P

Figur 3.5 Vollstndige Kennlinien einer Pumpe bei konstanter Drehzahl

optimaler Betriebspunkt als Pumpe optimaler Betriebspunkt als Turbine

Drehzahl Volumenstrom Nettofallhhe Leistung Wirkungsgrad

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3.6 Propeller- und KaplanturbinenFr geringe Fallhhen sind Propeller- und Kaplanturbinen die beste Lsung. Ihr Erkennungsmerkmal ist das Laufrad, das einem Schiffspropeller gleicht. Bei den Propellerturbinen sind die Schaufelbltter fest in der Nabe eingespannt, bei den Kaplanturbinen beweglich gelagert und im Betrieb verstellbar. Die Einteilung erfolgt aufgrund der folgenden Merkmale: a) der Regulierbarkeit gemss den standortbedingten Anforderungen: Propellerturbine mit festen Lauf- und Leitschaufeln: fr konstanten Volumenstrom und konstante Leistung; Propellerturbine mit festen Laufschaufeln und verstellbaren Leitschaufeln: fr grossen, wenig vernderlichen Volumenstrom; Kaplanturbine mit verstellbaren Laufschaufeln und festen Leitschaufeln: damit lassen sich Volumenstrme zwischen 30 und 100% mit gutem Wirkungsgrad turbinieren; Kaplanturbine mit verstellbaren Lauf- und Leitschaufeln: geeignet bei stark vernderlichen Volumenstrmen zwischen 15 und 100%. Es handelt sich um die komplizierteste Bauart mit doppelter Reguliermglichkeit: zu jeder Laufradstellung gehrt die entsprechende, bezglich Wirkungsgrad optimale Leitapparatffnung. In der Praxis wird eines der beiden Stellorgane angesteuert (z.B. das Laufrad) und die Lage des zweiten (in diesem Fall der Leitapparat) nach einer bestimmten Korrelation korrigiert. Dieser optimale Zusammenhang zwischen Laufrad- und Leitapparatstellung kann durch mechanische (mittels Kurvenscheiben) oder elektronische Regler (mittels SPS) erfolgen. b) der Durchstrmung: wie bei der Francisturbine kann auch das Laufrad der Kaplanturbine in einen klassischen Leitapparat eingebaut werden. Das Wasser strmt radial durch den Leitapparat und axial durch das Laufrad. Die Turbine befindet sich entweder in einem Spiralgehuse oder wird in einen Schacht eingebaut (vgl. Figur 3.4.a). der Leitapparat kann konisch oder axial engeordnet sein, so dass die Strmung nur geringe Richtungsnderungen erfhrt. Diese Bauart und ihre Hauptbestandteile ist in Figur 3.6.a dargestellt. Diese Anordnung ermglicht eine sehr kompakte Konstruktion: die Turbine lsst sich in eine Rohrleitung integrieren, was den baulichen Teil vereinfacht.

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PACER

TW RR FL LaS VM

Z

HZ

WD

VS

SS

LeSFigur 3.6.a: Hauptbestandteile einer Kaplanturbine

Reaktionsturbinen

Z VS WD HZ TW SS

lzufhrung Verstellstange fr die Laufschaufeln Wellendichtung Hydraulikzylinder der Verstellstange Turbinenwelle Sttzschaufeln

RR LeS FL LaS VM

Regulierring verstellbare Leitschaufeln Fhrungslager verstellbare Laufschaufeln Verstellmechanismus der Laufschaufeln

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Reaktionsturbinen

PACER

Daraus resultiert eine Vielfalt von mglichen Anordnungen: Turbine mit siphonartigem Saugrohr S-Turbine Rohrturbine Kegelrad-Rohrturbine in Kompaktbauweise (vgl. Figur 4.1.4.c)

Figur 3.6.b beschreibt die Hauptabmessungen einer Kaplanturbine mit radialen Leitschaufeln; sie enthlt auch die ntigen Angaben fr die Abschtzung des Laufraddurchmessers.

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PACER

Reaktionsturbinen

Do

zo

Bo

zr

Di

De

Hn De 84,6 cue [m] n Hn n cue cue nq De Di Do Bo zo zr Nettofallhhe [m] Drehzahl [min1] Geschwindigkeitskoeffizient, Funktion von nq 1.2 100 1.4 125 1.51 150 1.65 175 1.75 200 1.85 225 1.95 250

Figur 3.6.b: Hauptabmessungen einer Kaplanturbine und nherungsweise Berechnung des Laufraddurchmessers

Laufrad-Manteldurchmesser [m] Nabendurchmesser [m] Leitapparatdurchmesser [m] Leitschaufelhhe [m] Anzahl Leitschaufeln Anzahl Laufschaufeln

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PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

4 Wahl einer Turbine und Offertanfrage4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 Wahl des Turbinentyps Brutto- und Nettofallhhe in Funktion des Volumenstroms Wirkungsgradverlauf der Turbinen in Funktion des Volumenstroms Drehzahl der Maschinengruppe Anordnung der Turbine Disposition der Maschinengruppe Vorgehen bei der Vorauswahl Einholen von Richtofferten Vorgehensvorschlag fr Offertanfragen Offertanfragen fr die Budgetplanung Pflichtenheft fr die Offertanfrage 88 88 92 94 96 102 104 104 104 105 106

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Wahl einer Turbine und Offertanfrage

PACER

4.1 Wahl des TurbinentypsWelcher Turbinentyp der richtige ist, hngt nicht nur von der Nettofallhhe und vom Volumenstrom ab, sondern auch von den jeweiligen Rahmenbedingungen des Standortes.

4.1.1 Brutto- und Nettofallhhe in Funktion des Volumenstroms Die Fallhhe wird beeinflusst durch: den Volumenstrom (hydraulische Verluste); aussergewhnliche hydrologische Bedingungen (z. B. das Ansteigen des Unterwasserspiegels bei Hochwasser); das Nutzungskonzept (z. B. variabler Wasserstand in einem Speicherbecken). Es ist somit unerlsslich, die Betriebsbedingungen so genau wie mglich abzuklren. Ferner ist zu beachten, dass eine Reaktionsturbine (Francis, Kaplan) erhebliche Fallhhenschwankungen viel eher bewltigt als eine Aktionsturbine (Pelton, Durchstrmturbine). Die Diagramme in Figur 4.1.1.a (Turbinen) und 4.1.1.b (Serien-Kreiselpumpen im Turbinenbetrieb) ermglichen die Vorauswahl des Turbinentyps aufgrund der Fallhhe und des Volumenstroms.

88

PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

Nettofallhhe Hn [m]

Volumenstrom Q [m3/s]

Figur 4.1.1.a: Einsatzbereiche der verschiedenen Turbinentypen (Nettofallhhe, Volumenstrom, Leistung)

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PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

Nettofallhhe Hn [m]

mehrstufige Radialpumpen

einstufige Radialpumpen

Diagonalpumpen

Figur 4.1.1.b: Einsatzbereiche von SerienKreiselpumpen bei Turbinenbetrieb (Nettofallhhe, Volumenstrom, Leistung)

Volumenstrom Q [m3/s] 91

doppelstufige Pumpen

einstufige Pumpen

mehrstufige Pumpen

doppelstufige Pumpen

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

PACER

4.1.2 Wirkungsgradverlauf der Turbinen in Funktion des Volumenstroms Der verfgbare Volumenstrom und seine jhrlichen Schwankungen beeinflussen ebenfalls die Wahl des Turbinentyps: konstanter Volumenstrom (dauernd berschusswasser): Turbine mit fester ffnung, z. B. Serien-Kreiselpumpe im Turbinenbetrieb , Propellerturbine mit festen Schaufeln, Peltonturbine mit Dse konstanter ffnung; geringe Schwankungen des Volumenstroms, Turbine nur whrend weniger Stunden im Jahr schwach belastet. In diesem Fall kann eine Francis- oder Kaplanturbine mit festem Leitapparat, die bei Nenndurchfluss (100%) einen hohen Wirkungsgrad erreicht und unter 40% abfllt, wirtschaftlicher sein, als z. B. eine Durchstrmturbine. Diese kostet zwar weniger, hat aber auch im Optimum einen tieferen Wirkungsgrad; stark vernderlicher Volumenstroms, Turbine hat oft wenig Wasser. Trotz des tieferen Wirkungsgrades im Optimum ist in diesem Fall die Durchstrmturbine mglicherweise einer Francisturbine vorzuziehen. Eine mehrdsige Peltonturbine ist einer Francisturbine berlegen, eine doppeltregulierte Kaplanturbine besser als eine einfachregulierte, billigere Maschine. In gewissen Fllen sind zwei Turbinen aus energetischer wie konomischer Sicht die interessanteste Variante (2 Turbinen die mit nur einem Generator gekoppelt sind oder 2 unabhngige Maschinengruppen). Figur 4.1.2 zeigt den typischen Verlauf der Wirkungsgradkurven. Zusammen mit den charakteristischen Spitzenwirkungsgraden ermglichen sie einen ersten Vergleich der verschiedenen Turbinentypen.

92

PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

relativer Wirkungsgrad /max

relativer Volumenstrom Q/QmaxFigur 4.1.2: Wirkungsgradverlauf verschiedener Turbinen in Funktion des Volumenstroms

Anhaltswerte fr den maximalen Wirkungsgrad max: Kurve 1: Peltonturbine Durchstrmturbine, zweizellig Kaplanturbine Francisturbine Durchstrmturbine, einzellig Serien-Kreiselpumpe im Turbinenbetrieb

max = 8490% max = 7884% max = 8490% max = 8490% max = 7884% max = 7590%

Kurve 2: Kurve 3:

Kurve 4:

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Wahl einer Turbine und Offertanfrage

PACER

4.1.3 Drehzahl der Maschinengruppe Die Drehzahl der Maschinengruppe ist an die konstante Netzfrequenz von 50 Hz gebunden. Bei Synchrongeneratoren wird die Drehzahl durch die Zahl der Polpaare bestimmt: 1 Polpaar n = 3000 min1 2 Polpaare n = 1500 min1 3 Polpaare n = 1000 min1 4 Polpaare n = 750 min1 5 Polpaare n = 600 min1 6 Polpaare n = 500 min1 Asynchrongeneratoren drehen 1 bis 2% schneller als die Nenndrehzahl; diese leichte berdrehzahl ist ntig, um das Magnetfeld in der Maschine aufzubauen. Praktische Hinweise: Mit Rcksicht auf die Durchgangsdrehzahl der Turbinen (vgl. Kapitel 2.1 und 3.3), welche erhebliche mechanische Beanspruchungen verursacht, ist die Nenndrehzahl auf 1500 min1 begrenzt (2 Polpaare). Aus diesem Grund sind Generatoren mit einem Polpaar selten anzutreffen (Durchgangsdrehzahl 6000 min1). Bei Drehzahlen unter 600 min1 (6 Polpaare und mehr) nimmt das Volumen und damit auch der spezifische Preis des Generators zu, whrend gleichzeitig der Wirkungsgrad abnimmt, dies vor allem wegen der magnetischen Verluste. Turbinen mit einer Drehzahl unter 600 min1 treiben meistens ber einen Riementrieb oder ein Zahnradgetriebe einen Generator mit zwei oder drei Polpaaren (1500 bzw. 1000 min1) an. Das Nomogramm von Figur 4.1.3 ermglicht sowohl die Auswahl als auch den Vergleich der verschiedenen Turbinentypen unter Bercksichtigung der Drehzahl. Aus diesem Nomogramm geht deutlich hervor, dass zwei oder sogar drei Turbinentypen fr einen bestimmten Einsatzbereich in Frage kommen: Pelton-, Francis- und Durchstrmturbine fr mittlere Fallhhen Francis-, Durchstrm- und Kaplanturbine fr geringe Fallhhen.

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PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

Drehzahl n in min1

Volumenstrom Q in l/s

Beispiel: Gegeben: Hn = 50 m Q = 100 l/s Mgliche Turbinen: 1) Durchstrm- oder Francisturbine n = 1500 min1 2) mehrdsige Peltonturbine h = 750 min1

Volumenstrom Q in m3/s

spezifische Drehzahl nq in min1

eindsig

mehrdsig

Peltonturbine DurchstrmFrancisturbine turbine KaplanturbineFigur 4.1.3: Nomogramm fr die Wahl des Turbinentyps

Nettofallhhe Hn in m

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Wahl einer Turbine und Offertanfrage

PACER

4.1.4 Anordnung der Turbine Bei mittleren und grossen Fallhhen wird die Turbine ber eine Druckleitung gespiesen und ber dem Unterwasserspiegel angeordnet. Je nach dem gewhlten Turbinentyp geht die Fallhhe zwischen der Turbinenachse und dem Unterwasserspiegel teilweise oder in vollem Umfang verloren: Peltonturbine: 100%ige Einbusse (Freihang des Laufrades)

Durchstrmturbine: 50 bis 75% der Energie knnen durch das Saugrohr genutzt werden (Vorsicht: wegen Kavitation ist die Saughhe auf ca. 3 m begrenzt). Reaktionsturbinen: Francis, Kaplan, Serien-Kreiselpumpen im Turbinenbetrieb: die Energie kann vollstndig genutzt werden (die Verluste sind im Wirkungsgrad der Turbine bercksichtigt). Die Saughhe wird von der Kavitationszahl der Turbine bestimmt.

In Figur 4.1.4.a sind die drei Flle dargestellt. Das Diagramm in Figur 4.1.4.b zeigt den Verlauf der Kavitationszahl in Funktion der spezifischen Drehzahl nq fr die Reaktionsturbinen. In der Vorprojektphase lsst sich mit Hilfe dieser Grafik die Hhenlage der Turbine nherungsweise bestimmen.

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PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

Peltonturbine Wasser Hn

Luft

Hs verloren

Durchstrmturbine mit Saugrohr Hn Luft; ca. 0.3 Hs verloren Hs Wasser Saugrohr Hsmax = ca. 3 m (durch Ventilation begrenzt)

Reaktionsturbine (Francis, Kaplan, Serien-Kreiselpumpe im Turbinenbetrieb) Hn

Wasser

Hs genutzt

Saugrohr

Hsmax = durch Kavitationszahl bestimmt

Figur 4.1.4.a: Nettofallhhe und Saughhe fr verschiedene Turbinentypen

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Wahl einer Turbine und Offertanfrage

PACER

Bei geringen Fallhhen gibt es viele Mglichkeiten, die Turbine anzuordnen, mit z.T. erheblichen Auswirkungen auf die Baukosten der Anlage. Deshalb ist der Preis der Turbine allein kein entscheidender Faktor; wichtiger ist der Einfluss des gewhlten Turbinentyps auf die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage.

Mgliche Anordnungen: Francis- oder Kaplanturbine in offenem Schacht am Ende des Oberwasserkanals, Maschinenachse horizontal oder vertikal; S-Turbine (Kaplan- oder Propellerturbine); Kaplan-Rohrturbine vertikale Kaplan- oder Propellerturbine mit siphonartigem Saugrohr

In all diesen Fllen ist es ratsam, anhand des Diagrammes in Figur 4.1.4.b die Hhenlage der Turbinenachse in bezug auf den minimalen Unterwasserspiegel (= maximale Saughhe) zu berprfen.

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PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

Kavitationszahl

spezifische Drehzahl nq

Kurve 1: fr Kreiselpumpen; anzuwenden bei Serien-Kreiselpumpen im Turbinenbetrieb Kurve 2: fr Francis- und Kaplanturbinen Bestimmung der Saughhe Hs in [m]:

Figur 4.1.4.b: Kavitationszahl der Reaktionsturbinen

HS = HB HD . HnHB = atmosphrischer Druck in [m] 500 m .M. HB = ca. 9.5 m 1000 m .M. HB = ca. 9.0 m HD = Dampfdruck des Wassers [m] T = 8 C HD= 0.1 m T = 24 C HD = 0.3 m Hn = maximale Nutzfallhhe bei voller Beaufschlagung der Turbine (m) Siehe auch Figur 3.2.4

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Wahl einer Turbine und Offertanfrage

PACER

Figur 4.1.4.c zeigt einige der vielen Mglichkeiten fr die Anordnung von Niederdruckturbinen, wie sie von den Lieferanten angeboten werden.

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PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

Turbine

Schwungrad

H

Schacht

Generator

Getriebe

Francisturbine in Schachtbauweise

Generator Flachriementrieb Saugrohr

Turbine Propellerturbine oder einfach geregelte Kaplanturbine mit saugheberartigem Saugrohr

Generator

Saugrohr

Kaplan- oder Rohrturbine im Stauwehr

Getriebe

Turbine

Figur 4.1.4.c: Beispiele fr die Anordnung von Niederdruckturbinen

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Wahl einer Turbine und Offertanfrage

PACER

4.1.5 Disposition der Maschinengruppe Grundstzlich sind drei Anordnungen mglich: Das Laufrad sitzt auf der Generatorwelle; Kompaktbauweise fr horizontale oder vertikale Aufstellung. Dies ist die kostengnstigste und platzsparendste Lsung. Sie erfordert eine genaue Montage sowie eine besondere Auslegung der Generatorlager, welche besonders stark beansprucht werden. Auf dem freien Wellenende kann ein Schwungrad montiert werden. Die Turbine ist direkt mit dem Generator gekuppelt; beide Maschinen haben eigene Wellenlager und sind durch eine elastische Kupplung miteinander verbunden. Es handelt sich um die klassische Anordnung mit klarer Trennung zwischen mechanischen und elektrischen Komponenten. Sie erleichtert die Standardisierung indem die Turbine, mit einem Zwischengetriebe, auch mit asynchroner Drehzahl betrieben werden kann. Langsam drehende Turbine, die den Generator ber ein Zwischengetriebe antreibt (Riementrieb oder Zahnradgetriebe). Sofern technisch mglich, ist der Flachriementrieb einem Zahnradgetriebe vorzuziehen; der Riemen verursacht weniger Lrm, ist praktisch wartungsfrei und erfordert keine periodischen lwechsel).

Figur 4.1.5 zeigt mgliche Anordnungen der Maschinengruppe.

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PACER

Wahl einer Turbine und Offertanfrage

Gehuse

Generator

Peltonturbine in Kompaktbauweise (Laufrad auf der Generatorwelle)Laufrad

Turbine

Generator

Francisturbine mit direkt gekoppeltem Generator

Kupplung

Saugrohr

Kaplanturbine in Schachtbauweise. Indirekte Kopplung des Generators ber Flachriementrieb. Turbine Riementrieb Generator

SaugrohrFigur 4.1.5: Mgliche Anordnungen der Maschinengruppe

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Wahl einer Turbine und Offer