„Spiralturbine“ – Versionsunterschied
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Eine '''Spiralturbine''', auch '''geschlossene Turbine''', ist eine [[Wasserturbine]], die mit einer Einlaufspirale versehn ist, im Gegensatz zu einer '''Schachtturbinen''', auch '''offenen Turbine''' oder '''Kammerturbine''', bei der das Wasser vor dem Eintritt in den Leitschaufelkranz nicht besonders geführt wird. Spiralturbinen sind heute die übliche Bauform für [[Francis-Turbine|Francis]]- und [[Kaplan-Turbine|Kaplan-Turbinen]]. Sie haben gegenüber Schachtturbinen einen besseren Wirkungsgrad. Schachtturbinen sind heute meist nur noch bei historischen Kraftwerken und [[Kleinwasserkraft|Kleinwasserkraftwerken]] anzutreffen.<ref name=":0">{{Internetquelle |autor= |url=http://www.kw-reinisch.at/funktion/ |titel=Francisturbine |werk= |hrsg=Kraftwerk Reinisch GmbH |datum= |abruf=2019-05-04 |abruf-verborgen=1 |sprache=}}</ref> |
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[[Datei:Bundesarchiv Bild 102-06848, Montage von Spiralturbinen für Kraftwerk.jpg|miniatur|Montage von Riesen-Spiralturbinen von Voith für eine Leistung von 3677 kW, welche für das Kraftwerk Nore in [[Norwegen]] bestimmt waren, November 1928]] |
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Die '''Spiralturbine''' ist bei großen Fallhöhen gewählte Bauform der Wasserzuleitung für [[Wasserkraftwerk|Wasserkraftanlagen]]. Die Energiewandlung kann durch eine [[Francisturbine]], eine [[Kaplan-Turbine|Kaplanturbine]] oder in selteneren Fällen durch deren Sonderform, eine Propellerturbine, erfolgen. |
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== Geschichte == |
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Für Wasserkraftanlagen mit Fallhöhen bis etwa 600 m und geringen Schwankungen in der Wassermenge ist die 1849 von [[James B. Francis|Francis]] und [[Laufrad (Strömungsmaschine)|Howd]] entwickelte [[Francisturbine]] am besten geeignet. Sie wird für Fallhöhen bis etwa 15 m als Schachtturbine, für größere Fallhöhen als Spiralturbine ausgeführt. Bei der Spiralturbine strömt das Wasser zunächst in ein Spiralgehäuse in Guss- oder Schweißausführung, bei der Schachtturbine in einen Schacht in Betonausführung. Im Inneren des Spiralgehäuses oder des Schachtes befindet sich ein feststehendes Leitrad, ausgeführt als runder Kranz mit vielen schräg gestellten drehbaren Schaufeln. Das Leitrad gibt dem allseitig zuströmenden Wasser eine bestimmte Richtung zum Laufrad und wandelt durch Querschnittsverengung potentielle Energie in kinetische um. Das Laufrad befindet sich innerhalb des Leitrades und besitzt viele räumlich gekrümmte Schaufeln. Infolge dieser Krümmung wird das radial eintretende Wasser stetig bis zum axialen Austritt umgelenkt, drückt auf die Schaufeln und versetzt das Laufrad in Umdrehung. Nach dem Austritt aus dem Laufrad gelangt das Wasser in ein konisch erweitertes Saugrohr, in dem die noch vorhandene kinetische Energie zur Verbesserung des Wirkungsgrades in potentielle Energie rückgewandelt wird, und von dort aus in den Unterwassergraben. Neue Maschinen besitzen drehbare Laufschaufeln, die mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der Stellung der Schaufeln des Leitrades so eingestellt werden, dass jeweils die bestmögliche Energieumsetzung erfolgt. Diese Maschinen lassen sich als Pumpen oder Turbinen umkehrbar verwenden. Der beste Wirkungsgrad von Francisturbinen beträgt ebenfalls oft über 90 Prozent, die maximalen Leistungen liegen bei über 500 MW. |
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Die 1849 entwickelte Francis-Turbine wurde am Anfang als Schachtturbinen ausgeführt. Diese einfache Konstruktion ließ sich aber nur für Fallhöhen bis 5 Meter verwenden.<ref name=":0" /> In Deutschland fügte Georg A. Pfarr der Francis-Turbine die Einlaufspirale hinzu, sodass auch größere Fallhöhen genutzt werden konnten.<ref>{{Internetquelle |autor=Deutsches Museum |url=https://www.deutsches-museum.de/sammlungen/maschinen/kraftmaschinen/wasserturbinen/francis-spiralturbine-1886/ |titel=Francis-Spiralturbine, 1886 |werk= |hrsg= |datum= |abruf=2019-05-03 |abruf-verborgen=1 |sprache=de}}</ref> |
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Die ab 1912 von [[Viktor Kaplan]] entwickelte [[Kaplan-Turbine|Kaplanturbine]] wird vorzugsweise für Wasserkraftanlagen mit Fallhöhen bis zu etwa 80 m und größeren Schwankungen in der Wassermenge eingesetzt. Sie zeichnet sich durch nahezu gleichmäßig hohen Wirkungsgrad bis herunter zu ¼ Last, hohe Schnellläufigkeit und Überlastbarkeit durch Überöffnung aus. Die Kaplanturbine kann ebenfalls als Schachtturbine oder Spiralturbine gebaut sein, wobei allerdings der Schacht auch annähernd spiralförmig ausgebildet ist. Bei der herkömmlichen Bauart wird das Wasser dem Laufrad ebenfalls über ein Leitrad radial zugeführt. Nach dem Leitrad durchfließt es einen schaufellosen Ringraum, in dem es stetig in axiale Richtung umgelenkt und dem Laufrad zugeführt wird. Dieses besitzt vier bis elf flügelähnliche, verstellbare Schaufeln. Das Wasser drückt auf die Schaufeln und versetzt dadurch das Laufrad in Umdrehung. Der Austritt erfolgt im Auslegungspunkt ebenfalls axial in ein sich stetig erweiterndes Saugrohr, das meist als Saugkrümmer ausgebildet ist und in dem die noch vorhandene kinetische Energie zur Verbesserung des Wirkungsgrades in potentielle Energie rückgewandelt wird. Vom Saugrohr aus wird das Wasser dem Unterwassergraben zugeleitet. Neuerdings werden Kaplanturbinen häufig als Rohrturbinen gebaut, wobei das Wasser dem Leit- und dem Laufrad axial zuströmt. Der Wirkungsgrad von Kaplanturbinen beträgt meist über 90 %, die größte Einzelleistung 126 MW. |
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=== Einlaufspirale === |
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Zu den Kaplanturbinen im weiteren Sinne gehört die [[Propeller]]turbine, die nur selten verwendet wird. Sie besitzt ebenfalls flügelähnliche Laufradschaufeln, die aber fest eingebaut sind. Die Laufräder der Wasserturbinen sind fest auf die Turbinenwellen aufgesetzt, die meist direkt oder über Getriebe mit den anzutreibenden Maschinen ([[Elektrischer Generator|Generator]] o. ä.) gekuppelt sind. Zur Einstellung der jeweils gewünschten Leistung werden meist automatische Regler verwendet, mit deren Hilfe die Wassermengen verändert werden können. |
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Die Einlaufspirale sorgt dafür, dass das Wasser schon vor dem Auftreten auf den Leitschaufelkranz einen zusätzlichen Drall erhält und auf dem ganzen Umfang der Turbine mit gleicher Geschwindigkeit auf den Leitschaufelkranz auftritt. Die Einlaufspirale hat die Form einer eingängiger Schnecke, deren Durchmesser sich gegen innen verkleinert. Dies sorgt dafür, dass am ganzen Umfang der Turbine der gleiche Druck und die gleiche Geschwindigkeit gehalten werden kann, obschon der Volumenstrom durch das in die Turbine strömende Wasser Eintrittsstutzen der Einlaufspirale bis zu deren Ende immer kleiner wird. |
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Einlaufspiralen für grosse Fallhöhen sind als [[Stahl|Stahlguss-]] oder [[Schweißen|Schweißkonstruktionen]] ausgeführt. Bei niedrigen Fallhöhen, besonders bei Kaplan-Turbinen, ist die Einlaufspirale meist aus [[Beton]]. |
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* [http://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/technik_didaktik/stroemungsmaschinen.doc Universität Münster, Strömungsmaschinenlehre] ([[Microsoft Word|MS Word]]; 7,7 MB) |
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== Siehe auch == |
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Wasserkraftwerk Rabenauer Grund 005.JPG|Einlaufspirale einer liegenden Francis-Turbine <br />im [[Wasserkraftwerk Rabenauer Grund|Kraftwerks Rabenauer Grund]] |
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* [[Wasserturbine]] |
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Francis Turbine inlet scroll Grand Coulee Dam.jpg|Spiralgehäuse einer vertikalen Francisturbine in den 1940er Jahre, [[Grand-Coulee-Talsperre|Grand Coulee]], USA |
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=== Schachtturbine === |
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Bei Schachtturbinen ist die Turbine in einer einfachen rechteckigen Turbinenkammer untergebracht. Da Wasser läuft ohne zusätzliche Führung direkt in den Leitschaufelkranz ein. Das Gestänge zum Verstellen der Leitschaufeln liegt offen im Oberwasser.<ref>{{Literatur |Autor=M. Adolph |Titel=Strömungsmaschinen: Turbinen, Kreiselpumpen und Verdichter Eine Einführung |Hrsg= |Sammelwerk= |Band= |Nummer= |Auflage= |Verlag=Springer-Verlag |Ort= |Datum=1965 |ISBN=9783642882944 |Seiten=109 |Online=https://books.google.cz/books?id=heinBgAAQBAJ&pg=PA109 |Abruf=}}</ref> Verwirbelungen des Oberwassers in den Ecken der Turbinenkammer und ungelichmässige Anströmung des Turbinenumfangs führen zu Wirkungsgradverlusten. |
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* [http://www.deutsches-museum.de/sammlungen/maschinen/kraftmaschinen/wasserturbinen/francis-spiralturbine-1886/ Francis-Spiralturbine im Deutschen Museum] |
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* [http://www.flussnetzwerke.nrw.de/36/modules/Material/wkraft/wt_ta.htm Turbinenarten] |
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* [http://www.voithsiemens.de/vs_de_lstg_pwrful_prdcte_turb.htm Voith Siemens Hydro Power Generation: Turbinentypen] |
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Francis-Schachtturbine (processed).jpg|Francis-Schachtturbine |
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Stehende Francis-Schachtturbine von G Luther, Braunschweig.png|Stehende Francis-Schachtturbine von G. Luther aus Braunschweig, ca. 1907 |
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Wasserkraftwerk Skogsforsen, Schnitt durch das Maschinenhaus.png|Kaplan-Schachtturbine im schwedischen Kraftwerk Skogsforsen, 1939 |
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== Einzelnachweise == |
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[[Kategorie:Wasserturbine]] |
[[Kategorie:Wasserturbine]] |
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Version vom 4. Mai 2019, 12:13 Uhr
Eine Spiralturbine, auch geschlossene Turbine, ist eine Wasserturbine, die mit einer Einlaufspirale versehn ist, im Gegensatz zu einer Schachtturbinen, auch offenen Turbine oder Kammerturbine, bei der das Wasser vor dem Eintritt in den Leitschaufelkranz nicht besonders geführt wird. Spiralturbinen sind heute die übliche Bauform für Francis- und Kaplan-Turbinen. Sie haben gegenüber Schachtturbinen einen besseren Wirkungsgrad. Schachtturbinen sind heute meist nur noch bei historischen Kraftwerken und Kleinwasserkraftwerken anzutreffen.[1]
Geschichte
Die 1849 entwickelte Francis-Turbine wurde am Anfang als Schachtturbinen ausgeführt. Diese einfache Konstruktion ließ sich aber nur für Fallhöhen bis 5 Meter verwenden.[1] In Deutschland fügte Georg A. Pfarr der Francis-Turbine die Einlaufspirale hinzu, sodass auch größere Fallhöhen genutzt werden konnten.[2]
Technik
Einlaufspirale
Die Einlaufspirale sorgt dafür, dass das Wasser schon vor dem Auftreten auf den Leitschaufelkranz einen zusätzlichen Drall erhält und auf dem ganzen Umfang der Turbine mit gleicher Geschwindigkeit auf den Leitschaufelkranz auftritt. Die Einlaufspirale hat die Form einer eingängiger Schnecke, deren Durchmesser sich gegen innen verkleinert. Dies sorgt dafür, dass am ganzen Umfang der Turbine der gleiche Druck und die gleiche Geschwindigkeit gehalten werden kann, obschon der Volumenstrom durch das in die Turbine strömende Wasser Eintrittsstutzen der Einlaufspirale bis zu deren Ende immer kleiner wird.
Einlaufspiralen für grosse Fallhöhen sind als Stahlguss- oder Schweißkonstruktionen ausgeführt. Bei niedrigen Fallhöhen, besonders bei Kaplan-Turbinen, ist die Einlaufspirale meist aus Beton.
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Einlaufspirale einer liegenden Francis-Turbine
im Kraftwerks Rabenauer Grund -
Spiralgehäuse einer vertikalen Francisturbine in den 1940er Jahre, Grand Coulee, USA
Schachtturbine
Bei Schachtturbinen ist die Turbine in einer einfachen rechteckigen Turbinenkammer untergebracht. Da Wasser läuft ohne zusätzliche Führung direkt in den Leitschaufelkranz ein. Das Gestänge zum Verstellen der Leitschaufeln liegt offen im Oberwasser.[3] Verwirbelungen des Oberwassers in den Ecken der Turbinenkammer und ungelichmässige Anströmung des Turbinenumfangs führen zu Wirkungsgradverlusten.
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Francis-Schachtturbine -
Stehende Francis-Schachtturbine von G. Luther aus Braunschweig, ca. 1907 -
Kaplan-Schachtturbine im schwedischen Kraftwerk Skogsforsen, 1939
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Einzelnachweise
- ↑ a b Francisturbine. Kraftwerk Reinisch GmbH
- ↑ Deutsches Museum: Francis-Spiralturbine, 1886..
- ↑ M. Adolph: Strömungsmaschinen: Turbinen, Kreiselpumpen und Verdichter Eine Einführung. Springer-Verlag, 1965, ISBN 978-3-642-88294-4, S. 109 (google.cz).