Hydraulische Maschinen und Anlagen

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1 Hydraulische Maschinen und Anlagen Teil 2 Wasserturbinen Fragen der Konstruktion und des Betriebsverhaltens von Dr.-Ing. Joachim Raabe o. Professor an der Technischen Hochschule München Direktor des Instituts für hydraulische Maschinen und Anlagen VDI-VERLAG SS DÜSSELDORF Verlag des Vereine Deutscher Ingenieure

2 Inhalt Einleitung 1 Verzeichnis der wichtigsten verwendeten Symbole 3 1. Besonderheiten von hydraulischen Maschinen 9 2. Energieumwandlung in hydraulischen Maschinen Arten der Energieumwandlung Stutzenarbeit, Fallhöhe, Förderhöhe Der innere Wirkungsgrad, die ihn bedingenden Stoffwerte und seine thermometrische Messung (Thermodynamische Methode) Wichtige physikalische Eigenschaften einer Flüssigkeit Kompressibilität Oberflächenspannung, Kapillarität Viskosität, allgemeine Reynoldszahl, Losreißschubspannung, Steifigkeitszahl und Druckverlust im ruhenden geraden Rohr Strömung und Druckverlust im umlaufenden Kanal Kavitation Übersicht Kavitationsbeginn aus Kernen Dynamik von Dampf- und Gasblasen, deren Schwerpunkt in der Flüssigkeit ruht Schwingungen von Gasblasen Verhalten von bewegten Blasen Die Rolle des Luftgehaltes bei Kavitationsbeginn Wachstum der Luftkerne vor Kavitationsbeginn Überblick über die auftretenden Erscheinungen bei Kavitationsbeginn Einfluß des Gasgehaltes in geschlossenen Versuchskreisläufen Rolle der Rauhigkeit bei Kavitation Auswirkung einer Einzelrauhigkeit auf den Kavitationsbeginn Einfluß der Rauhigkeit bei Profilen in ebener Strömung Der Zusammenfall von Kavitationsblasen, Theorie, Beobachtung, Hysteresis Werkstoff Zerstörung infolge Kavitation und ihre Prüfung Die Kavitationsintensität Superkavitation Zur Bildung ruhender Hohlräume in bewegter Flüssigkeit Erzeugung und Theorie der Superkavitation in Turbomaschinen Versuche an Turbinen bei Superkavitation Kavitationserscheinungen an Turbomaschinen, Allgemeines Kavitation an Turbinen Kavitation an Kreiselpumpen bzw. Umkehrturbinen im Pumpbetrieb Allgemeines Kavitation an radialen Kreiselpumpen bzw. Umkehrturbinen im Pumpbetrieb Kavitation an diagonalen und axialen Kreiselpumpen bzw. entsprechenden Umkehrturbinen im Pumpbetrieb Werkstofferosion an hydraulischen Turbomaschinen infolge Kavitation und Sanderosion 51 Seite

3 5.16. Die Kriterien der Haltedruckänderang bei kontrollierter Kavitation von A. Tenot, D. Thoma und A.J.Stepanoff Bei Kavitation auftretende instationäre Kräfte Die Ähnlichkeitsgesetze bei Kavitation Die Thomasche Kavitationszahl a und die zulässige Saughöhe Die mit a gültigen Ähnlichkeitsgesetze Optimierung der Kavitationszahl a Die Saugzahl Zusammenhang von Kavitationszahl a und spezifischer Drehzahl Schutzmaßnahmen gegen Kavitation Möglichkeiten Zur Formgebung kavitationsfester Profile im Gitterverband Das Froudesche Ähnlichkeitsgesetz und die aus ihm folgenden Kennzahlen Grundlagen Die Einheitswerte bei hydraulischen Maschinen Die spezifische Drehzahl in Abhängigkeit von den Betriebsdaten Gesichtspunkte bei der Wahl der Betriebsdaten für Wasserturbinen Das praktische Maß für die spezifische Drehzahl Die spezifische Drehzahl in Abhängigkeit von der Bauart Die Grenzen der spezifischen Drehzahl Instationäre Strömungsvorgänge in hydraulischen Maschinen Turbulenz Instationäre Strömung bei Reguliervorgängen und Ausfall des Antriebes Druckstoß beim Schließen im Turbinenbetrieb Druckstoß bei Ausfall des Antriebes im Pumpbetrieb Instationäre Strömung in relativ zueinander bewegten Schaufelreihen Theorie im Umriß Numerische Folgerungen aus der Theorie Instationäre Strömung in Francisturbinen Der Durchgang von Turbinen Allgemeines Durchgang bei Kaplanturbinen, vereinfachte Theorie Maßnahmen zur Minderung der Durchgangsdrehzahl Turbinenbauarten Überdruckturbinen Bezüglich Form und Durchströmung des Laufrades Bezüglich Reguliervorrichtung Bezüglich Leitapparat Bezüglich Diffusor (Saugrohr) Gleichdruckturbinen Unterteilung der Turbinen hinsichtlich Betriebsart Kennlinien von Turbinen und ihre Messung Wirkungsgradverlauf über der Leistung bzw. dem Durchfluß Das Muscheldiagramm Der optimale a 3 (^-Zusammenhang bei doppeltregulierten Turbinen Modellversuche zur Gewinnung der Kennlinien Allgemeines Arten der Versuchsstände Messung der zum Wirkungsgrad erforderlichen Größen im Modellversuch Kontrolle der Kennlinien am Prototyp, Meßverfahren Wirkungsgradmaßstab, Wirkungsgradaufwertung 118

4 11. Konstruktion des Laufrades von Überdruckturbinen Francisturbinen Laufradentwurf einer Francisturbine Fertigung des Laufrades einer Francisturbine Axialturbine Laufradentwurf einer Axialturbine (Kaplanturbine) Gewinnung der Brettschnitte Herstellung der Flügel von Axialturbinen (Kaplanturbinen) Kontrolle der Schaufelmaße, Toleranzen Befestigung, Lagerung und Abdichtung der Flügel Schaufelantriebe bei Flügelradturbinen Antrieb des Führungskreuzes bzw. der Verstellstange Festigkeitsberechnung des Laufrades von Überdruckturbinen Francisturbine Flügelwurzel von Kaplanturbinen Nabenkörper einer Kaplanturbine Konstruktion des Leitapparates von Überdruckturbinen Übersicht Vollspirale Allgemeines Hydraulische Auslegung der Vollspirale Bestimmung der Abwicklung bei geschweißten Spiralgehäusen Ausbildung von Spiralensporn und Nebenauslaßstutzen Ausbildung der axialen Teilfuge Anordnung des Druckstutzens Konstruktive Besonderheiten von Spiralgehäusen Halbspirale Offene Wasserkammer Festigkeitsberechnung von Spiralgehäuse und Stützschaufelring Nach vereinfachtem Modell Abweichungen vom vereinfachten Modell in der Wirklichkeit Leitrad und Reguliermechanismus Zweck Bau formen, Bauteile Gestaltung der Leitschaufel Die Lagerung des Regulierringes Konstruktive Einzelheiten des Reguhertriebes Festigkeitsberechnung der Leitschaufeln bei Außenregulierung Festigkeitsberechnung des Regulierringes und seiner Lager Konstruktion des Saugrohrs (Diffusors) Allgemeines Bauarten Hydraulische Bemessung Konstruktive Merkmale, Belüftung Konstruktion von Freistrahlturbinen (Peltonturbinen) Düse, Becherform, Geschwindigkeitsdreiecke Becherteilung Ursache der Becherverluste Gehäuse von Freistrahlturbinen Druckrohrleitung vor der Düse Entwurf einer Freistrahlturbine (Peltonturbine) Peltonturbine oder Francisturbine? 196

5 15. Berechnung und Konstruktion von Hauben und Deckeln bei Wasserturbinen Membranspannungszustand, Verstülpung, Knotenpunkte, Modelle Berechnung eines unverrippten Kastendeckels Berechnung eines Spurlageruntersatzes Lager von Wasserturbinen, ihre Anordnung, Konstruktion und Schmierung Festigkeitsberechnung von Turbinenwellen Bemessungsgrundsätze Bestimmung der Biegeeigenschwingung Bestimmung der Torsionseigenschwingungen am Beispiel einer Turbine mit Planetengetriebe 213 Schrifttum 217 Stichwörter 231