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
Inhalt Einleitung 1 Verzeichnis der wichtigsten verwendeten Symbole 3 1. Besonderheiten von hydraulischen Maschinen 9 2. Energieumwandlung in hydraulischen Maschinen 10 2.1. Arten der Energieumwandlung 10 2.2. Stutzenarbeit, Fallhöhe, Förderhöhe 11 2.3. Der innere Wirkungsgrad, die ihn bedingenden Stoffwerte und seine thermometrische Messung (Thermodynamische Methode) 12 3. Wichtige physikalische Eigenschaften einer Flüssigkeit 15 3.1. Kompressibilität 15 3.2. Oberflächenspannung, Kapillarität 16 3.3. Viskosität, allgemeine Reynoldszahl, Losreißschubspannung, Steifigkeitszahl und Druckverlust im ruhenden geraden Rohr 16 4. Strömung und Druckverlust im umlaufenden Kanal 18 5. Kavitation 21 5.1. Übersicht 21 5.2. Kavitationsbeginn aus Kernen 21 5.3. Dynamik von Dampf- und Gasblasen, deren Schwerpunkt in der Flüssigkeit ruht 22 5.4. Schwingungen von Gasblasen 27 5.5. Verhalten von bewegten Blasen 28 5.6. Die Rolle des Luftgehaltes bei Kavitationsbeginn 28 5.6.1. Wachstum der Luftkerne vor Kavitationsbeginn 28 5.6.2. Überblick über die auftretenden Erscheinungen bei Kavitationsbeginn 29 5.6.3. Einfluß des Gasgehaltes in geschlossenen Versuchskreisläufen 30 5.7. Rolle der Rauhigkeit bei Kavitation 32 5.7.1. Auswirkung einer Einzelrauhigkeit auf den Kavitationsbeginn 32 5.7.2. Einfluß der Rauhigkeit bei Profilen in ebener Strömung 33 5.8. Der Zusammenfall von Kavitationsblasen, Theorie, Beobachtung, Hysteresis.. 34 5.9. Werkstoff Zerstörung infolge Kavitation und ihre Prüfung 35 5.10. Die Kavitationsintensität 39 5.11. Superkavitation 39 5.11.1.Zur Bildung ruhender Hohlräume in bewegter Flüssigkeit 39 5.11.2.Erzeugung und Theorie der Superkavitation in Turbomaschinen 40 5.11.3. Versuche an Turbinen bei Superkavitation 43 5.12. Kavitationserscheinungen an Turbomaschinen, Allgemeines 43 5.13. Kavitation an Turbinen 43 5.14. Kavitation an Kreiselpumpen bzw. Umkehrturbinen im Pumpbetrieb 47 5.14.1.Allgemeines 47 5.14.2. Kavitation an radialen Kreiselpumpen bzw. Umkehrturbinen im Pumpbetrieb 47 5.14.3. Kavitation an diagonalen und axialen Kreiselpumpen bzw. entsprechenden Umkehrturbinen im Pumpbetrieb 50 5.15. Werkstofferosion an hydraulischen Turbomaschinen infolge Kavitation und Sanderosion 51 Seite
5.16. Die Kriterien der Haltedruckänderang bei kontrollierter Kavitation von A. Tenot, D. Thoma und A.J.Stepanoff 52 5.17. Bei Kavitation auftretende instationäre Kräfte 54 5.18. Die Ähnlichkeitsgesetze bei Kavitation 55 5.18.1. Die Thomasche Kavitationszahl a und die zulässige Saughöhe 55 5.18.2. Die mit a gültigen Ähnlichkeitsgesetze 60 5.18.3. Optimierung der Kavitationszahl a 60 5.18.4. Die Saugzahl 61 5.18.5. Zusammenhang von Kavitationszahl a und spezifischer Drehzahl 62 5.19. Schutzmaßnahmen gegen Kavitation 62 5.19.1. Möglichkeiten 62 5.19.2. Zur Formgebung kavitationsfester Profile im Gitterverband 64 6. Das Froudesche Ähnlichkeitsgesetz und die aus ihm folgenden Kennzahlen 66 6.1. Grundlagen 66 6.2. Die Einheitswerte bei hydraulischen Maschinen 67 6.3. Die spezifische Drehzahl in Abhängigkeit von den Betriebsdaten 67 6.4. Gesichtspunkte bei der Wahl der Betriebsdaten für Wasserturbinen 68 6.5. Das praktische Maß für die spezifische Drehzahl 68 6.6. Die spezifische Drehzahl in Abhängigkeit von der Bauart 69 6.7. Die Grenzen der spezifischen Drehzahl 71 7. Instationäre Strömungsvorgänge in hydraulischen Maschinen 74 7.1. Turbulenz 74 7.2. Instationäre Strömung bei Reguliervorgängen und Ausfall des Antriebes.... 74 7.2.1. Druckstoß beim Schließen im Turbinenbetrieb 74 7.2.2. Druckstoß bei Ausfall des Antriebes im Pumpbetrieb 76 7.3. Instationäre Strömung in relativ zueinander bewegten Schaufelreihen 78 7.3.1. Theorie im Umriß 78 7.3.2. Numerische Folgerungen aus der Theorie 81 7.4. Instationäre Strömung in Francisturbinen 84 8. Der Durchgang von Turbinen 85 8.1. Allgemeines 85 8.2. Durchgang bei Kaplanturbinen, vereinfachte Theorie 85 8.3. Maßnahmen zur Minderung der Durchgangsdrehzahl 86 9. Turbinenbauarten 87 9.1. Überdruckturbinen 87 9.1.1. Bezüglich Form und Durchströmung des Laufrades 88 9.1.2. Bezüglich Reguliervorrichtung 9 9.1.3. Bezüglich Leitapparat 97 9.1.4. Bezüglich Diffusor (Saugrohr) 97 9.2. Gleichdruckturbinen 97 9.3. Unterteilung der Turbinen hinsichtlich Betriebsart 104 10. Kennlinien von Turbinen und ihre Messung 107 10.1. Wirkungsgradverlauf über der Leistung bzw. dem Durchfluß 107 10.2. Das Muscheldiagramm 109 10.3. Der optimale a 3 (^-Zusammenhang bei doppeltregulierten Turbinen 109 10.4. Modellversuche zur Gewinnung der Kennlinien 112 10.4.1. Allgemeines 112 10.4.2. Arten der Versuchsstände 112 10.4.3. Messung der zum Wirkungsgrad erforderlichen Größen im Modellversuch 114 10.5. Kontrolle der Kennlinien am Prototyp, Meßverfahren 116 10.6. Wirkungsgradmaßstab, Wirkungsgradaufwertung 118
11. Konstruktion des Laufrades von Überdruckturbinen 119 11.1. Francisturbinen 119 11.1.1. Laufradentwurf einer Francisturbine 119 11.1.2. Fertigung des Laufrades einer Francisturbine 127 11.2. Axialturbine 130 11.2.1. Laufradentwurf einer Axialturbine (Kaplanturbine) 130 11.2.2. Gewinnung der Brettschnitte 135 11.2.3. Herstellung der Flügel von Axialturbinen (Kaplanturbinen) 136 11.2.4. Kontrolle der Schaufelmaße, Toleranzen 137 11.2.5. Befestigung, Lagerung und Abdichtung der Flügel 140 11.2.6. Schaufelantriebe bei Flügelradturbinen 141 11.2.7. Antrieb des Führungskreuzes bzw. der Verstellstange 143 11.3. Festigkeitsberechnung des Laufrades von Überdruckturbinen 146 11.3.1. Francisturbine 146 11.3.2. Flügelwurzel von Kaplanturbinen 151 11.3.3. Nabenkörper einer Kaplanturbine 153 12. Konstruktion des Leitapparates von Überdruckturbinen 154 12.1. Übersicht 154 12.2. Vollspirale 154 12.2.1. Allgemeines 154 12.2.2. Hydraulische Auslegung der Vollspirale 155 12.2.3. Bestimmung der Abwicklung bei geschweißten Spiralgehäusen 158 12.2.4. Ausbildung von Spiralensporn und Nebenauslaßstutzen 158 12.2.5. Ausbildung der axialen Teilfuge 159 12.2.6. Anordnung des Druckstutzens 159 12.2.7. Konstruktive Besonderheiten von Spiralgehäusen 160 12.2.8. Halbspirale 162 12.2.9. Offene Wasserkammer 166 12.3. Festigkeitsberechnung von Spiralgehäuse und Stützschaufelring 166 12.3.1. Nach vereinfachtem Modell 166 12.3.2. Abweichungen vom vereinfachten Modell in der Wirklichkeit 170 12.4. Leitrad und Reguliermechanismus 171 12.4.1. Zweck 171 12.4.2. Bau formen, Bauteile 171 12.4.3. Gestaltung der Leitschaufel 176 12.4.4. Die Lagerung des Regulierringes 177 12.4.5. Konstruktive Einzelheiten des Reguhertriebes 178 12.4.6. Festigkeitsberechnung der Leitschaufeln bei Außenregulierung 178 12.5. Festigkeitsberechnung des Regulierringes und seiner Lager 182 13. Konstruktion des Saugrohrs (Diffusors) 185 13.1. Allgemeines 185 13.2. Bauarten 185 13.3. Hydraulische Bemessung 187 13.4. Konstruktive Merkmale, Belüftung 188 14. Konstruktion von Freistrahlturbinen (Peltonturbinen) 190 14.1. Düse, Becherform, Geschwindigkeitsdreiecke 190 14.2. Becherteilung 194 14.3. Ursache der Becherverluste 195 14.4. Gehäuse von Freistrahlturbinen 195 14.5. Druckrohrleitung vor der Düse 196 14.6. Entwurf einer Freistrahlturbine (Peltonturbine) 196 14.7. Peltonturbine oder Francisturbine? 196
15. Berechnung und Konstruktion von Hauben und Deckeln bei Wasserturbinen 199 15.1. Membranspannungszustand, Verstülpung, Knotenpunkte, Modelle 199 15.2. Berechnung eines unverrippten Kastendeckels 202 15.3. Berechnung eines Spurlageruntersatzes 206 16. Lager von Wasserturbinen, ihre Anordnung, Konstruktion und Schmierung 206 17. Festigkeitsberechnung von Turbinenwellen 209 17.1. Bemessungsgrundsätze 209 17.2. Bestimmung der Biegeeigenschwingung 210 17.3. Bestimmung der Torsionseigenschwingungen am Beispiel einer Turbine mit Planetengetriebe 213 Schrifttum 217 Stichwörter 231