Francis- Kaplan-, Wasserturbinen II Überdruckturbinen

Name:
BBS Technik Idar-Oberstein
Wasserturbinen II
Datum:
Überdruckturbinen
Überdruckturbinen (S. 157 ff.)
... sind die Umkehrung von Kreisel -pumpen und bestehen im wesentlichen aus einer Leitvorrichtung und dem
Laufrad. In den Leitschaufeln erhält das durchströmende Wasser eine gerichtete Geschwindigkeit. In den
darauffolgenden Laufschaufeln ändern sich der Betrag und die Richtung dieser Geschwindigkeit (Impulsänderung). Bei
diesem Prozess gibt das Wasser die Energie (eigentlich: mech. Arbeit) an die Laufschaufeln weiter.
Bei Überdruckturbinen wird sowohl im Leitrad, wie auch im Laufrad
„Druckenergie“ in Geschwindigkeit umgewandelt. Zwischen
Laufradeintritt und -austritt herrscht eine Druckdifferenz. Dichtungen
erforderlich!
(Labyrinthdichtung am Laufrad, Kohleringstopfbüchse an der Welle)
Da der Rest des Druckgefälles im Laufrad umgesetzt wird, ändert sich dort
der Betrag der Relativ -geschwindigkeit ( w ) des Wassers. (w2 > w1 )
Überdruckturbinen sind vollbeaufschlagt, d.h. alle Schaufeln werden
gleichzeitig angeströmt.
aufgeschnittenes Modell
Überlegungen zur Optimierung des Wirkungsgrades:
• Damit die kinetische Energie des Wassers voll ausgenützt wird, ist zu vermeiden, dass die Strömung des Wassers
am Turbinenausgang drallfrei ist
.
• Durch einen sich erweiternden Turbinenausgang wird die Fließgeschwindigkeit verringert und damit das Druckgefälle erhöht .
• Obwohl die Turbinen i.a. höher als der Unterwasserspiegel liegen, kann man mit Hilfe des Saugrohres trotzdem
das gesamte Druckgefälle ausnützen: die abwärts fließende Wassermasse im Saugrohr bewirkt (lt. Bernoulli) am
Turbinenausgang einen Unterdruck , der das gesamte Druckgefälle zwischen Turbinenein- und -ausgang erhöht.
• Um die Strömungsverluste zu minimieren, ist besonders darauf zu achten, dass keine Stoßverluste zwischen Leitund Laufrad auftreten. ( Schaufeleintrittswinkel = Winkel im Geschwindigkeits- dreieck)
Arten:
Das Wasser strömt über eine
Einlaufspirale radial oder halbaxial
in die Turbine ein. Die Abströmung des Wassers erfolgt
radial . Die am Einlauf drehbar
angeordneten Leitschaufeln
regulieren den Vordrall und halten
dadurch die Laufraddrehzahl
konstant.
radiale
FrancisTurbine
1849, USA
J. B. Francis (1815-1892)
axiale
Die Zu- und Abströmung des
Wassers auf das Laufrad erfolgt
axial. Die propellerartigen
Leitschaufeln sind meist radial
angebracht und (wie die Laufschaufeln) winkel- verstellbar .
Kaplan-,
Propellerturbine
1912 , Österr.
V. Kaplan (1876-1934)
• für mittlere Gefälle (20-500m) (auch: 2m-800m)
• höchster Wirkungsgrad: bis 91%, aber er fällt
bei größeren Abweichungen (ca. 20%) vom
Betriebspunkt sehr schnell ab, denn ...
• Die Regelung durch die Leit -schaufelverstellung verändert nicht nur den
Volumenstrom, sondern auch den Drall. Stoßeintritt (=Energieverluste) und rotierende
Abströmung, Kavitations- gefahr
• für geringe, schwankende Fallhöhen (2-80m)
u. großen Volumenströmen ,
z.B. für Fluss- u. Gezeitenkraftwerke
• günstiges Regelverhalten (Teillastverhalten),
da die Winkelstellung von Leit- und
Laufschaufeln optimal (mittels Kurvenscheibe o.
Prozessrechner) zueinander verändert werden
Sonderformen:
• Kaplan-Rohrturbine liegen waagerecht im Strömungskanal, platzsparend
• STRAFLO (STRAight FLOw): Rohrturbine, bei der der Generator direkt am Propellerkranz sitzt: sehr kompakt
• Doppeltregulierbare Halbaxialturbine (halb Francis-, halb Kaplanturbine): hoher Wirkungsgrad, >100 MW
• Pumpturbinen (S.135): man spart in Pumpspeicherkraftwerken damit zusätzliche Pumpen, Kompromiss,
mäßiger Wirkungsgrad
BBS Technik Idar-Oberstein
Name:
Wasserturbinen II
Datum:
Überdruckturbinen
Teil 2
1. Peltonturbinen müssen notgedrungen einige Meter über
dem Unterwasserspiegel aufgestellt werden. Francis- und
Kaplanturbinen nutzen aber die volle Höhendifferenz
zwischen OW und UW aus, obwohl sie meistens ebenfalls oberhalb des UW-Spiegels liegen.
a) Erklären Sie die Ursache für diese optimale
Höhenausnutzung.
b) Hat sie einen Einfluss auf die Kavitationsgefahr?
a) Durch das Saugrohr entsteht (laut Bernoulli) durch
die restliche Fallhöhe und durch die Verringerung der Geschwindigkeit ein Unterdruck am
Turbinenausgang. Das gesamte Druckgefälle wird von der Anlage energetisch genutzt.
b) Der stärkere Unterdruck erhöht am Turbinenausgang die Kavitationsgefahr. ( wenn p < pDampf)
2. Warum behält eine Kaplanturbine auch im Teillastbereicht einen relativ hohen Wirkungsgrad?
... durch die koordinierte Verstellung von Leit- und Laufschaufeln:
Die Leitschaufelverstellung beeinflusst die Durchlaufmenge und die Anpassung der
Laufschaufelstellung sorgt für stoßfreie Einströmung.
Francisturbine
3. Die skizzierte Francisturbine mit einem
Laufradaußendurchmesser von
Ø 1660 mm (innen: Ø 1130 mm) wird für
3
die Staustufe mit 5 m Fallhöhe und 2 m /s
Durchflussmenge ausgelegt. Der
O
Eintrittswinkel α wir auf 17 festgelegt.
a) Mit welcher Eintrittsgeschwindigkeit
muss gerechnet werden, wenn (bei
einem Reaktionsgrad von 0,5) die
Hälfte des gesamten Druckgefälles im
Turbinenrad abgebaut werden soll?
verstellbare
Leitschaufeln
7 m/s
b) Wie groß ist u und deshalb n zu
wählen, damit eine radiale Einströmung erfolgt?
6,6 m/s
76 1/min
c) Die Austrittsgeschwindigkeit c2 wird auf 2 m/s festgelegt. (Laut Kontinuitätsgleichung muss deshalb die
Höhe des Schaufelkanal vergrößert werden.)
w2 wird auf 5 m/s bestimmt.
(Somit wird laut
gefälle abgebaut.)
d)
das restliche Druck-
Überprüfen Sie, ob die Abströmung drallfrei ist und ermitteln Sie den Austrittwsinkel β !
Skizzieren Sie die Beschaufelung.
a) geg.: h = ½ ⋅5 m
24 O
Punkt 1 : Oberwasserspiegel ; Punkt 2: vor dem Eintritt ins Laufrad
ges.: c1 in m/s
ρ ⋅ g ⋅ h1 +
ρ
2
v12 + p 1 = ρ ⋅ g ⋅ h2 +
ρ
2
v22 + p 2
Da p2 die Hälfte von ρ⋅g⋅h ist, geht nur die Hälfte der Lageenergie in kin. Energie über:
ρ
ρ ⋅ g ⋅ 1 ⋅ h1 = v22
2
a) geg.: c1 = 7 m/s
d1 = 1,66 m
α1 = 17 o
ges.: u1 in m/s
n in 1/min
⇒ c1 = 2 ⋅ g ⋅ 1 ⋅ h = 9,81 m2 ⋅ 5 m = 7 m
s
2
s
2
u1 = ?
cos17o =
w1
u1 = c1 ⋅ cos17o = 7 m ⋅ 0, 9563 = 6, 7 m
s
s
c1 = 7 m/s
u1 = d1 ⋅ π ⋅ n ⇒
u1
c1
n=
u1
d1 ⋅ π
=
6,7 m
s
1, 66 m ⋅ π
= 1,28 1
s
= 77 1
min
BBS Technik Idar-Oberstein
Name:
Wasserturbinen II
c) Schaufelaustritt:
Datum:
Überdruckturbinen
Teil 2
m
u1 ⋅ d2 6,7 s ⋅ 1,13 m
⇒ u2 =
=
= 4,56 m
s
1, 66 m
d1
u1 d1 ⋅ π ⋅ n
=
u2 d2 ⋅ π ⋅ n
u2 = 4,56 m/s
w2 =5 m/s
c2 = 2 m/s
β = 24 o (gemessen)
rechnerisch:
2m
c2
s = 0, 439
ta n β2 =
=
u2 4,56 m
s
⇒
β2 = 23,7o
4. Für welche Turbinenart ( [P]elton, [F]rancis oder [K]aplan) passen die folgenden Eigenschaften?
für hohe Wassermengen
hoher Wirkungsgrad
für Pumpspeicherwerke einsetzbar
große Fallhöhe
5. Verbinden Sie, was
zusammengehört!
Hochdruckanlage
Mitteldruckanlage
Niedrigdruckanlage
Francisturbine
Kaplanturbine
Peltonturbine
teilbeaufschlagt
Axialturbine
Tangentialturbine
Radialturbine
vollbeaufschlagt
Weil noch Platz ist ...
Hier ein imposantes Pumpspeicherkraftwerk im Südschwarzwald: (Anlage liegt unter dem Unterwasserspiegel.)
( Einlaufspirale, Verstellung der 24 Leitschaufeln, FrancisTurbine samt Generator arbeiten auch als Pumpe und Motor)