Wasserkraft - Turbinen Flashcards

Question

Turbinentypen – Kleinwasserkraft Bewegliches Wasserkraftwerk

Answer 1

``` ▪ Wirkweise: Umwandlung Impulsenergie des Wassers in Bewegung (bewegliche Kaplanturbine) ▪ Fallhöhe: 3 m bis 4 m ▪ Durchfluss: etwa 20 m³/s ▪ Leistung: 400 kW bis 500 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischdurchgängigkeit gegeben aufgrund der Beweglichkeit ```

Answer 2

▪ Wirkweise: Umwandlung Gewichtskraft des Wassers in Bewegung ▪ Fallhöhe: 0,2 m bis 10 m ▪ Durchfluss: 0,1 m³/s bis 10 m³/s ▪ Leistung: 1 kW bis 250 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischdurchgängigkeit weitestgehend gegeben aufgrund langsamer Drehzahl

Answer 3

▪ Wirkweise: Umwandlung Bewegungsenergie des Wassers in Bewegung der Turbine ▪ Fließgeschwindigkeit: 7 m/s ▪ Durchfluss: nicht relevant ▪ Leistung: 180 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischdurchgängigkeit unproblematisch ▪ Anmerkungen: Niedrige Effizienz, hohe Installationskosten; Einsatz in Kanälen und bei sehr niedrigen Fallhöhen möglich

Answer 4

▪ Wirkweise: Umwandlung Impulsenergie des Wassers in Bewegung (modifizierte Kaplanturbine) ▪ Fallhöhe: bis 6 m ▪ Durchfluss: 5 m³/s bis 12 m³/s ▪ Leistung: ab 150 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischaufstiegsanlage erforderlich, Fischabstieg eingeschränkt ▪ Anmerkung: Kann an bestehenden Querbau-werken nachgerüstet werden, führt Wasser über das Querbauwerk nicht hindurch

Answer 5

``` ▪ Wirkweise: Umwandlung Lageenergie in Bewegung ▪ Fallhöhe: 0,5 m bis 7 m ▪ Durchfluss: 0,1 m³/s bis 8 m³/s ▪ Leistung: 10 kW bis 100 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischaufstiegsanlage erforderlich; Fischabstieg geringfügig eingeschränkt ▪ Anmerkungen: Wirkungsgrad von Bauart abhängig: Oberschlächtig (ηmax 80%), Mittel- und unterschlächtig (ηmax 70%) ```

Answer 6

▪ Wirkweise: Umwandlung Impulsenergie des Wassers in Bewegung ▪ Fallhöhe: 0,5 m bis 3 m ▪ Durchfluss: 0,5 m³/s bis 1 m³/s ▪ Leistung: 10 kW bis 100 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischdurchgängigkeit weitestgehend gegeben aufgrund langsamer Drehzahl ▪ Anmerkungen: Wirkungsgrad zwischen 50 % und 80 %

Answer 7

▪ Wirkweise: Umwandlung Bewegungsenergie des Wassers in Bewegung der Turbine ▪ Fließgeschwindigkeit: ab 3 m/s ▪ Durchfluss: nicht relevant ▪ Leistung: 16 kW bis 84 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischdurchgängigkeit unproblematisch ▪ Anmerkungen: Niedrige Effizienz, hohe Installationskosten; Einsatz in Kanälen möglich

Answer 8

▪ Wirkweise: Umwandlung Bewegungsenergie des Wassers in Bewegung der Turbine ▪ Fließgeschwindigkeit: ab 2,2 m/s ▪ Durchfluss: nicht relevant ▪ Leistung: 35 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischdurchgängigkeit unproblematisch ▪ Anmerkungen: Niedrige Effizienz, hohe Installationskosten; Einsatz in Kanälen und bei sehr niedrigen Fallhöhen möglich

Answer 9

▪ Wirkweise: Umwandlung Bewegungsenergie des Wassers in Bewegung der Turbine ▪ Fließgeschwindigkeit: 1,5 m/s bis 3 m/s ▪ Durchfluss: nicht relevant ▪ Leistung: 25 kW (auch schon ab 3 kW möglich) ▪ Fischfreundlichkeit: Fischdurchgängigkeit unproblematisch ▪ Anmerkungen: Niedrige Effizienz, hohe Installationskosten; Einsatz in Kanälen und bei sehr niedrigen Fallhöhen möglich

Answer 10

``` ▪ Wirkweise: Umwandlung Lageenergie in Bewegung ▪ Fallhöhe: 2 m bis 6 m ▪ Durchfluss: 0,2 m³/s bis 0,6 m³/s ▪ Leistung: bis 12 kW ▪ Fischfreundlichkeit: Fischaufstiegsanlage erforderlich Fischabstieg eingeschränkt ```

Answer 11

Francis- und Kaplanturbinen werden vollständig umströmt. Aufgrund des Druckunterschieds zwischen Turbinenoberseite und Turbinenunterseite wird das Laufrad in Drehbewegung gesetzt.

Answer 12

• Die Francis-Turbine wurde 1849 von dem anglo-amerikanischen Ingenieur James B. Francis entwickelt und erreichte Wirkungsgrade von rd. 90%. Das ursprüngliche Prinzip geht allerdings auf Benoit Fourneyron im Jahr 1824 zurück. • In der Francis-Turbine strömt das Wasser aus zwei Richtungen (axial und radial) über eine Einlaufspirale in die Turbine ein. Die Ausströmung aus der Turbinen erfolgt axial. Die an der Einlaufspirale drehbar angeordneten Leitschaufeln regulieren den sogenannten Vordrall. Dadurch kann die Laufraddrehzahl konstant gehalten werden.

Answer 13

Die Kaplan-Turbine wurde von dem österreichischen Maschinenbauer Viktor Kaplan entwickelt. Hierbei gestaltete er die Laufradschaufeln verstellbar. Auf diese Weise konnte er Wirkungsgrade von 80%, unter optimalen Verhältnissen sogar bis 94% erreichen.

Answer 14

• Das Laufrad der Kaplan-Turbine wird axial horizontal oder vertikal angeströmt. Bei den horizontal angeströmten Turbinen unterscheidet man zwischen Propellerturbinen und Kaplan-Turbinen. • Dabei strömt das Wasser zuerst durch den Leitapparat, um eine gleichmäßige Anströmung zu erreichen. Außerdem kann hier der Durchfluss reguliert werden. • Die Laufradschaufeln ähneln einem Propeller und können zur Regulation der Laufradgeschwindigkeit bei den Kaplan-Rohrturbinen verstellt werden. Da der Durchfluss sowohl vom Leitrad als auch vom Laufrad reguliert werden kann, spricht man von doppelt regulierbaren Kaplan-Turbinen. Sind die Laufradschaufeln nicht verstellbar, so spricht man von einfach regulierbaren Propellerturbinen. Diese kommen insbesondere bei sehr gleichmäßigem Durchfluss zum Einsatz. • Kaplan-Turbinen sind insbesondere bei geringen Fallhöhen und großen Durchflüssen geeignet. Daher werden sie überwiegend für Laufwasserkraftwerke im Mittel- und Unterlauf der Flüsse eingesetzt.

Answer 15

Das axial anströmende Wasser löst eine Impulskraft auf die Turbinenflügel aus, die in Abhängigkeit des Anstellwinkels der Flügel sowie des Flügelprofils eine Rotation des Propellers erzeugt. Die erzeugte Kraft wird dann über die Welle auf den Generator übertragen.

Answer 16

Da das Triebwasser am Laufradaustritt noch energiebehaftet ist, ist es wichtig, das Saugrohr entsprechend auszubilden.

Answer 17

Die Rohrturbine stellt eine Weiterentwicklung der Kaplan-Turbine dar. Im Gegensatz zur Kaplan-Turbine wird bei der Rohrturbine die Welle horizontal gelagert. Dies bedeutet, das sich Einlaufschlauch, Turbine und Saugrohr weitestgehend auf einer Achse befinden. Der Generator ist wasserdicht eingebaut und wird vom Triebwasser umströmt. Da keine Strömungsumlenkung stattfindet, ist der Wirkungsgrad von Rohrturbinen höher als der von konventionellen Kaplan-Turbinen. Außerdem könne die Baukosten aufgrund der kompakten Bauweise niedrig gehalten werden.

Answer 18

Unterformen der Kaplan-Rohrturbine sind: - PIT-Turbine - S-Turbine - Straflo-Turbine - CAT-Turbine

Answer 19

Im wesentlichen ähnelt die PIT-Turbine der Kaplan-Rohrturbine. Allerdings ist der Generator zugänglich in einem Schachtgehäuse untergebracht. Dadurch wird eine höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer ermöglicht.

Answer 20

Bei der S-Turbine ist das Saugrohr s-förmig angeordnet. Dadurch kann der Generator wartungsfreundlich in der Maschinenhalle aufgestellt werden.

Answer 21

Bei der Straflo-Turbinen liegen Turbine und Generator in der gleichen Achse und bilden eine bauliche Einheit. Auf dem Außenkranz des Laufrades sind magnetische Pole befestigt. Damit funktioniert die Turbine auch als Rotor des Generators. Aufgrund der kompakten Bauweise benötigt eine Straflo-Turbine sehr wenig Platz.

Answer 22

- Kompaktheit der gesamten Einheit - gute Zugänglichkeit des Generators und Laufrades zu Wartungszwecken - freie Wahl der Generatorabmessungen - gute Kühlung des Kranzgenerators durch den Triebwasserstrom - hohes Rotorträgheitsmoment, ohne die Effizienz des Generatorkühlsystems zu beeinträchtigen - geeignet zur Modernisierung bzw. Leistungssteigerung von Flusskraftwerken

Answer 23

Die CAT-Turbine (compact axial turbine) konkurriert aufgrund ihrer Kompaktheit mit der S-Turbine. Sie wurde für Fallhöhen von bis zu 30m und Durchflüsse von bis zu 80m3 /s konstruiert. In diesem Fall führt die Welle zum Generator nicht durchs Saugrohr, sondern durch den Einlaufschlauch.

Answer 24

Für die genaue Bemessung von Turbinen und insbesondere der Laufräder werden überwiegend Modellversuche oder aufwändige numerische Modelle eingesetzt. Für eine Vordimensionierung der Wasserkraftanlage können jedoch die folgenden Ansätze verwendet werden.

Answer 25

Kaplan- und Rohrturbinen werden mit 4 bis 8 Schaufeln ausgerüstet, wobei die Schaufelzahl zL insbesondere durch die Fallhöhe, das Kavitationsverhalten und die Festigkeit bestimmt wird. Wichtigster Parameter bei der Bemessung ist der Laufradaußendurchmesser D3 .

Answer 26

Die Anzahl der Maschinensätze zm kann aus dem Gesamtdurchfluss Q und dem notwendigen Durchfluss pro Maschine Qm bestimmt werden. Zm = Q/Qm

Answer 27

Aus sogenannten Muscheldiagrammen können die Grundgrößen Laufradaußendurch-messer D3 , spezifische Drehzahl nq und Drehzahl n bestimmt werden. Stehen Muscheldiagramme nicht zur Verfügung, so stehen eine Reihe von Gleichungen zur Bestimmung dieser Parameter zur Verfügung. Zuerst ist die spezifische Drehzahl nq zu bestimmen. Diese darf die höchste zulässige spezifische Drehzahl nq,max nicht überschreiten. n q,max = 850/Wurzel(hf)

Answer 28

Bei Gleichdruckturbinen verlässt das Triebwasser unter sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Zuleitung zur Turbine und trifft unter Atmosphärendruck tangential auf die Turbine. Da der Wasserstrahl das Laufrad mit sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten verlässt, gibt das Wasser seine Energie fast vollständig an den Generator ab. Durch den starken Impuls wird das Laufrad in Drehbewegung versetzt. Daher heißen diese Turbinen auch Freistrahlturbinen. Es besteht praktisch keine Kavitationsgefahr.

Answer 29

• Die gängigste Form der Freistrahl-Turbine ist die Pelton-Turbine. Es gibt sie mit einer oder mehreren Düsen. Sie sind für Fallhöhen bis zu 2000m und Leistungen bis zu 300 MW ausgelegt. Die PeltonTurbine wurde 1880 von Lester A. Pelton entwickelt. • Die Pelton-Turbine selber besteht aus bis zu 40 Schaufelblättern, die auch Becher genannt werden. Diese Becher sind in zwei Halbschaufeln unterteilt. Die Beaufschlagung von Pelton-Turbinen liegt zwischen 20 Liter/s und 8 m3/s bei Drehzahlen von bis zu 3000 U/min. Hierbei werden Wirkungsgrade von 85% bis 90% erreicht.

Answer 30

Bei der Ossberger-Turbine handelt es sich um eine radial, teilbeaufschlagte Freistrahlturbine. Aufgrund ihrer spezifischen Drehzahl gehört sie zu den Langsamläufern. Ihr Leistungsspektrum reicht von wenigen Kilowatt bis zu 1000 kW. Sie wird überwiegend im Nieder- und Mitteldruckbereich eingesetzt.

Answer 31

``` • Wirkweise - Umwandlung Impulsenergie des Wassers in Bewegung • Fallhöhe - bis 600 m • Durchfluss - bis 10 m³/s • Leistung - bis 750000 kW • Fischfreundlichkeit - Fischaufstiegsanlage erforderlich - Fischabstieg eingeschränkt • Anmerkung - Überdruckturbine - Wirkunngsgrad sinkt bei Teilbeaufschlagung ```

Answer 32

``` • Wirkweise - Umwandlung Impulsenergie des Wassers in Bewegung • Fallhöhe - bis 2000 m • Durchfluss - 0,02 m³/s bis 8 m³/s • Leistung - bis 700000 kW • Fischfreundlichkeit - Fischaufstiegsanlage erforderlich - Fischabstieg über Turbine nicht möglich • Anmerkung - Gleichdruckturbine - Verschleißanfälligkeit an Schaufeln durch hohe Fließgeschwindigkeit ```

Answer 33

``` • Wirkungsweise - Umwandlung Impulsenergie des Wassers in Bewegung • Fallhöhe - bis 10 m (2-80 m) • Durchfluss - 3 m³/s bis 1000 m³/s • Leistung - bis 75000 kW • Frischfreundlichkeit - Fischaufstiegsanlage erforderlich - Fischabsteg eingeschränkt • Anmerkung - sehr flacher Verlauf des Wirkungsgrads durch doppelte Regulierbarkeit - Überdruckturbine ```

Answer 34

``` • Wirkweise - Umwandlung Lageenergie in Bewegung Laufrad wird quer durchströmt • Fallhöhe - 2,5 m bis 200 m • Durchfluss - 0,04 m³/s bis 13 m³/s • Leistung - 15 kW bis 5000 kW • Fischfreundlichkeit - Fischaufstiegsanlage erforderlich - Fischabstieg eingeschränkt • Anmerkungen - Gleichturbine - Selbstreinigung ```