Einführung
Dieser Artikel behandelt Wasserturbinen-Typen, deren Konstruktionen, Kategorisierungen und typische Anwendungen. Impuls- und Reaktionsturbinen werden besprochen, ebenso wie die Eigenschaften jeder einzelnen. Francis, Kaplan und Pelton-Wasserturbinen werden im Detail besprochen, zusammen mit ihren Funktionsprinzipien.
Historischer Überblick
Wasserräder sind die Vorläufer moderner Wasserturbinen. Das moderne Äquivalent eines Wasserrads wird heute als ‘Turbinenläufer’ bezeichnet. Die Konstruktionen der Turbinenläufer haben sich im Laufe der letzten tausend Jahre erheblich verändert, aber ihr Zweck nicht. Der Zweck eines Wasserturbinenläufers ist es, potentielle Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Diese mechanische Energie kann genutzt werden, um nützliche Arbeit zu verrichten, wie zum Beispiel das Drehen von Pumpenlaufrädern in Pumpen oder Rotoren in elektrischen Generatoren. In diesem Video konzentrieren wir uns auf die gängigen Wasserturbinenläufer-Konstruktionen, die in der Energietechnik verwendet werden.
Wasserrad
Gängige Turbinenläufer
Die drei gängigsten Turbinenläufer sind die Francis-, Kaplan- und Pelton-Turbinenläufer. Die Francis- und Pelton-Turbinen wurden im 19. Jahrhundert von James Francis und Lester Pelton erfunden. Der verstellbare Propeller-Läufer wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Victor Kaplan erfunden. Es gibt auch feste Propeller-Läufer, aber nur der verstellbare Propeller wird als Kaplan-Turbinenläufer bezeichnet. Es gibt andere Läuferkonstruktionen wie die Deriaz- und Durchströmturbinen, aber diese sind weniger verbreitet. Jeder Läufer hat unterschiedliche Betriebseigenschaften und ist nur für bestimmte Betriebs-höhen und Durchflussraten geeignet; es ist jedoch möglich, dass mehrere Läuferkonstruktionen für eine gemeinsame Anwendung geeignet sind.
Klassifizierung von Wasserturbinenläufern
Wasserturbinenläufer können auf verschiedene Weise kategorisiert werden:
-
Die drei gängigen Wasserturbinenkonstruktionen sind die Kaplan-, Pelton- und Francis-Konstruktionen.
-
Es gibt Reaktions- (Kaplan und Francis) und Impuls- (Pelton) Turbinen, die Druck- bzw. drucklos sind.
-
Nach der Art des Durchflusses durch oder auf die Läufer-schaufeln oder schaufeln (axial, gemischt, tangential und radial durchströmte Turbinen).
-
Nach der Volumenstromrate, die dem Läufer zugeführt wird.
-
Nach der spezifischen Drehzahl des Läufers.
-
Nach dem Betriebs-Druckhöhen.
Genießen Sie diesen Artikel? Dann schauen Sie sich unbedingt unseren Videokurs über Wasserkraftwerke an! Der Kurs enthält ein Quiz, ein Handbuch und Sie erhalten ein Zertifikat, wenn Sie den Kurs abschließen. Viel Spaß!
Klassifizierung nach Energie
Reaktionsturbinen sind Druckturbinen und verlassen sich auf einen kontinuierlichen Wasserstrom vom Oberwasser zum Unterwasser. Reaktionsturbinen nutzen die Form der Läuferschaufeln, um einen Druck-unterschied zwischen der Saug- und der Druckseite der Schaufeln zu erzeugen. Die Druckänderung über die Schaufeln stellt die Menge an Energie dar, die in mechanische Energie umgewandelt wird, obwohl auch kinetische Energie von diesem Turbinentyp in mechanische Energie umgewandelt wird. Francis- und Kaplan-Läufer sind Reaktionstyp-Läufer.
Betriebsprinzip der Reaktionsturbine
Impulsturbinen sind drucklose Turbinen. Impulsturbinen verlassen sich auf Wasserstrahlen, die tangential auf Schaufeln gerichtet sind. Wenn das Wasser auf jede Schaufel trifft, bewegen sich die Schaufeln von jedem Strahl weg und Drehmoment wird auf die Läuferwelle ausgeübt, wodurch sie sich dreht. Pelton-Turbinenläufer können von einem oder mehreren Wasserstrahlen angetrieben werden. Der Pelton-Läufer ist der häufigste Impulsläufer.
Betriebsprinzip der Impulsturbine
Klassifizierung nach Durchfluss
Läufer können als axial, gemischt, radial, quer oder tangential durchströmt klassifiziert werden. Wenn Wasser parallel über den Läufer fließt, handelt es sich um einen axial durchströmten Läufer. Wenn Wasser radial über den Läufer fließt, entweder nach innen oder nach außen, handelt es sich um einen radial durchströmten Läufer. Läufer, die sowohl axialen als auch radialen Durchfluss nutzen, werden als gemischt durchströmte Läufer bezeichnet. In der Praxis sind Reaktionstyp-Läufer normalerweise entweder axial oder gemischt durchströmt. Kaplan-Läufer werden als axial durchströmte Läufer klassifiziert, während Francis-Läufer als gemischt durchströmte Läufer klassifiziert werden. Pelton-Läufer sind tangential durchströmte Läufer, da das Wasser die Schaufeln tangential trifft. Querströmmturbinen-Läufer werden als transversal durchströmt kategorisiert, da das Wasser auf einer Seite des Läufers ein- und auf der anderen Seite austritt.
Klassifizierung nach Geschwindigkeit
Die spezifische Drehzahl wird in Umdrehungen pro Minute (U/min) angegeben und bezieht sich auf die Drehzahl des Läufers, sollte er auf eine Größe reduziert werden, bei der er eine Leistungseinheit erzeugt. Die Reduzierung des Läufers auf eine Größe, bei der er nur eine Leistungseinheit erzeugt, ermöglicht es uns, die spezifische Drehzahl von Turbinenläufern unterschiedlicher Konstruktionen zu vergleichen.
-
Niedrige spezifische Drehzahl-Turbinen sind solche mit einer spezifischen Drehzahl von weniger als 50.
-
Mittlere spezifische Drehzahl-Turbinen haben eine spezifische Drehzahl von zwischen 50 und 250.
-
Hohe spezifische Drehzahl-Turbinen arbeiten bei spezifischen Drehzahlen von über 250.
Klassifizierung nach Druckhöhe
Die Druckhöhe wird durch den Unterschied in der Höhe zwischen dem Oberwasser und dem Unterwasser gemessen. Eine niedrige Kopf-Turbine hat eine Betriebshöhe von 30 m oder weniger, eine mittlere Kopf-Turbine hat eine Betriebshöhe von zwischen 30 und 300 m, und eine hohe Kopf-Anlage hat eine Betriebshöhe von über 300 m.
Faktoren, die die Effizienz beeinflussen
Unabhängig von der Konstruktion des Turbinenläufers hängt die Menge an potentieller Energie, die in mechanische Energie umgewandelt werden kann, von drei Hauptvariablen ab:
-
Verfügbare Höhe
-
Durchflussrate
-
Effizienz des Turbinenläufers
Die Höhe ist der Unterschied in der Höhe zwischen dem Oberwasser und dem Unterwasser. Die Durchflussrate wird durch die Querschnittsfläche der Wasserleiter und die Fließgeschwindigkeit bestimmt. Die Effizienz der Turbine hängt von der Konstruktion und Anwendung des Turbinenläufers ab; wenn der richtige Läufer für die richtige Anwendung verwendet wird, können oft Effizienzen von über 90% für alle gängigen Läuferkonstruktionen erreicht werden.
Wasserturbinenläufer
Impulsturbinen, Reaktionsturbinen und die drei gängigsten Wasserturbinenläuferkonstruktionen wurden kurz besprochen. Dieser Artikel wird nun jede Läuferkonstruktion im Detail betrachten.
Francis-Turbinen
Francis-Läufer bestehen aus einer Reihe von festen Schaufeln, die an einer Läuferkrone oben und einem Läuferband unten befestigt sind. Dieser Läufertyp wandelt sowohl Druckenergie als auch kinetische Energie in mechanische Energie um.
Francis-Turbine Funktionsprinzip
Das Erscheinungsbild von Francis-Läufern kann erheblich variieren, was auf die Bedingungen und die Geschwindigkeit zurückzuführen ist, unter denen der Läufer betrieben werden soll. Francis-Läufer haben einen weiten Betriebsbereich und können für viele Kopf- und Durchflussanwendungen verwendet werden, was sie zu einem sehr verbreiteten Läufertyp macht.
Im Gegensatz zu anderen Turbinenläuferkonstruktionen sinkt die Effizienz der Francis-Turbine nicht merklich, bis die Last auf etwa 40% reduziert wird, und sie hat die einzigartige Eigenschaft, sowohl als Pumpe als auch als Turbine fungieren zu können.
Francis-Turbinenläufer
Francis-Läufer können über einen weiten Bereich von Drücken und Durchflussraten verwendet werden; sie wurden für Anwendungen mit über 800 MW eingesetzt.
Kaplan-Turbinen
Kaplan-Läufer bestehen aus einer Reihe von Schaufeln, die auf einem zentralen Nabe montiert sind. Jede Schaufel kann innerhalb ihrer Halterung rotieren, was bedeutet, dass der Neigungswinkel einstellbar ist; dies ist der unterscheidende Faktor zwischen Kaplan-Turbinen und festen Propellerturbinen. Typischerweise verwenden Kaplan-Turbinen zwischen drei und sechs Schaufeln, obwohl bis zu zehn Schaufeln möglich sind. Die einstellbaren Neigungsschaufeln können verwendet werden, um die Drehzahl des Läufers zu regulieren und somit auch die Menge an potentieller Energie, die aus dem fließenden Wasser extrahiert werden kann.
Kaplan-Turbine Funktionsprinzip
Kaplan-Turbinen werden für niedrige Kopf-Anwendungen verwendet, bei denen ein mittlerer bis hoher Durchfluss vorhanden ist; dies macht sie zu einer idealen Wahl für Laufwasserkraftwerke und Gezeiten-Wasserkraftwerke. Kaplan-Läufer wurden für Anwendungen mit über 200 MW eingesetzt.
Kaplan-Turbinenläufer
Pelton-Turbinen
Pelton-Läufer haben das markanteste Erscheinungsbild aller Wasserturbinen. Der äußere Umfang des Läufers enthält eine Reihe von Schaufeln, die an einer kreisförmigen Scheibe befestigt sind. Ein Wasserstrahl wird auf diese Schaufeln aus einer Düse gesprüht, und die resultierende Impulskraft, die auf den Läufer ausgeübt wird, lässt ihn rotieren. Die Anzahl der Düsen hängt von der Größe des Pelton-Läufers ab, obwohl typischerweise zwischen einem und sechs Düsen verwendet werden.
Pelton-Turbine Funktionsprinzip
Eine ‘Nadel’ wird verwendet, um den Wasserfluss durch die Düse zu starten, stoppen und zu regulieren. Die Nadel ist ein kegelförmiges Element, das in die Düse eingeführt oder aus ihr herausgezogen werden kann, um den Durchfluss zu regulieren; sie wird normalerweise manuell oder elektrisch betätigt. Es ist die Düse, die die Druckenergie des Wassers in kinetische Energie umwandelt, die dann vom Läufer in mechanische Energie umgewandelt wird. Beachten Sie, dass der Pelton-Läufer keine Druckenergie in mechanische Energie umwandelt, da er unter atmosphärischen Bedingungen arbeitet. Stattdessen wird das Wasser direkt aus den Pelton-Läuferschaufeln in eine Ablassgrube und dann in den Ablauf geleitet.
Pelton-Turbinen können mit einer horizontalen oder vertikalen Ausrichtung installiert werden. Kleinere Einheiten werden tendenziell horizontal installiert, während größere Einheiten vertikal installiert werden.
Pelton-Turbinen werden nur für hohe Kopf- und niedrige Durchfluss-Anwendungen verwendet. Pelton-Läufer wurden für Anwendungen mit über 400 MW eingesetzt.
Zusammenfassung
In diesem Artikel haben wir gelernt, wie Impuls- und Reaktionsturbinen funktionieren. Wir haben gelernt, wie Francis-, Kaplan- und Pelton-Turbinen funktionieren und für welche Anwendungen jede Turbine geeignet ist.
Der Inhalt dieses Artikels stammt aus unserem Einführungskurs in die Wasserkraftwerkstechnik.
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine