Zh. Zhang. Freistrahlturbinen. Hydromechanik und Auslegung. fya Springer

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1 Zh. Zhang Freistrahlturbinen Hydromechanik und Auslegung fya Springer

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1 Arbeitsprinzip von Pelton-Turbinen Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie Pelton-Turbinen und ihre Spezifikation Geometrische Spezifikation des Pelton-Rades Hydromechanische Kennzahlen Hydromechanische Spezifikation der Pelton-Turbine Bauform von Pelton-Turbinen Parameterbezeichnung 24 2 Injektor Strömungsbeschleunigung in der Düse Durchflusszahl <PDO und die Düsenkennlinie Durchflusszahl ^De und Gesetzmäßigkeit der Düsenkennlinie Reynoldszahl-Effekt Strömungskräfte und Gleichgewichtszustand in der Düse Außenregelnder Servomotor Innenregelnder Servomotor 40 3 Wasserstrahl Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) Axial-symmetrischer Wasserstrahl Strahlerweiterung.' Sekundärströmungen im Wasserstrahl und Strahlqualität 49 4 Interaktion zwischen Wasserstrahl und Pelton-Rad Aufprallen runden Wasserstrahls-auf ebene Platte Mindestschaufelzahl! Wasserstrahl-Schaufel-Interaktion und ihre Spezifikation Koinzidenz- und Symmetriebedingungen 59

3 x Inhaltsverzeichnis 4.5 Schaufelzahl des Pelton-Rades Relativlaufbahn des Wasserstrahls Strömungsablösung beim Eintritt am Schaufelausschnitt Stoßfreie Bedingung am Schaufelrücken Stoßkraft und ihre Leistung beim Eintritt Ablenkung der Strömung an der Schaufelmittelschneide Ablenkung der Strömung an der Ausschnittsschneide 73 5 Strömungsmechanik in der rotierenden Schaufel Grundgleichungen Bewegungsgleichung Wasserfilmrotation Relativströmung und Invarianzgleichung Einfluss des Druckgradienten infolge der Oberflächenkrümmung Strahlschichtverfahren Invarianzgleichung und Euler-Gleichung Beispiel: Relativströmung in einer Halbkreisschaufel Kraftwirksamkeit und die Leistungen Zentrifugalkraft Coriolis-Kraft Impulskraft aus Änderung der Strömungsrichtung Gesamte Wirkung von Impuls-, Zentrifugalund Coriolis-Kraft Beispiele Wasserausbreitung in der Schaufel Relativdurchfluss Breite und Höhe des Wasserfilms Überdruck unter dem Wasserfilm Austrittsbedingungen Geschwindigkeitsverhältnis am Schaufelaustritt Allgemeine Austrittsbedingung Austrittsbedingung für Vertikalturbinen Bedingung für die Austrittsströmung in der Wurzelzone Bedingung für die Austrittsströmung im Ausschnittsbereich Auswirkung des Spritzwassers im Fall k m > A: m,max Austrittsverluste Drallverluste Einfluss der Austrittsstelle Einfluss des Austrittswinkels Einfluss der Strahlschichtlage Drallverlust des gesamten Wasserstrahls 132

4 Inhaltsverzeichnis xi 8.2 Reibungseffekt am Schaufelrücken Ablenkungseffekt am Schaufelrücken Reibungseffekte und FFT-Theorem Reibungszahl Direkte Reibungseffekte Reibungseffekte durch Änderung der Druckverteilung Gesamte Reibungseffekte Das Theorem der Strömungsreibung Reibungsbehaftete Querströmung durch die Schaufel Kombinierte hydraulische Verluste Reale Drallverluste Hydraulische Dissipation und Energiebilanz Beispiel zum Einfluss von Reibungseffekten auf den Wirkungsgrad Reibungsbehaftete Längsströmung durch die Schaufel Kinematische Gleichung der Strömung in der rotierenden Schaufel Dynamische Gleichungen und Leistungsberechnungen Auswirkungen von Strömungskräften und die hydraulische Dissipation StoßkraftamSchaufeleintritt Impulskraft in der Schaufel Zentrifugal-Kraft Coriolis-Kraft Direkte Reibungskraft Hydraulische Dissipation Gesamtwirkungsgrad Beispiel Ventilations- und Radreibungsverluste Pelton-Turbinen mit horizontaler Achse Pelton-Turbinen mit vertikaler Achse Auslaufversuch Leistungsverlust durch Lagerreibungen Hydraulischer und mechanischer Wirkungsgrad Hydraulischer Wirkungsgrad...! Mechanischer Wirkungsgrad Reale hydraulische Wirkungsgradkennlinien Kritische Laufzahl ' Reaktionsgrad des Wasserstrahls Reaktionsgrad im kritischen Bereich Reaktionsgrad im überkritischen Bereich 191

5 xii Inhaltsverzeichnis Beispiel zum Reaktionsgrad Reale hydraulische Wirkungsgradkennlinie Durchgangsdrehzahl und Beschleunigungsverlauf Theoretische Durchgangsdrehzahl Reale Durchgangsdrehzahl Mechanische Verlustkennlinie Effektive hydraulische Leistung Reale Durchgangsdrehzahl Beschleunigungsverlauf Unterkritischer Bereich: n < n c Überkritischer Bereich: n > n c Gesamter Beschleunigungsverlauf Hydraulische Auslegung von Pelton-Turbinen Dimensionierung des Pelton-Rades Ellipsenförmiges Schaufelprofil Mehrdüsige Pelton-Turbinen Mindestversatzwinkel zwischen Wasserstrahlen Düsenschutzdach Geometrische und hydraulische Ähnlichkeiten Geometrische Ähnlichkeit Hydraulische Ähnlichkeit Modellversuch und Wirkungsgradaufwertung Wirkungsgradaufwertung Reynolds-Zahl und Strahlkraft Schaufelfestigkeit und Ähnlichkeitsgesetze Dynamische Spannung im Schaufelwurzelbereich Ähnlichkeitsgesetze in der Schaufelbelastung 233 Anhang 1: Parameterbezeichnung 237 Anhang 2: Definitionen der abgeleiteten Größen und Kennzahlen 241 Anhang 3: Spezifische Drehzahl und ihre 'Anwendung in Pelton-Turbinen 243 Anhang 4: Spezifikation des Strahlstücks für eine Schaufel 245 Anhang 5: Spezifikation der Schaufelstellungen 249 Literaturverzeichnis 253 Sachverzeichnis 257