Titel: Regelung aussenschlächtiger Radialturbinen mit Sauggefälle.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1901, Band 316 (S. 656–659)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj316/ar316145

Regelung aussenschlächtiger Radialturbinen mit Sauggefälle.

Von Wilh. Müller, Cannstatt.

(Schluss von S. 619 d. Bd.)

II. Sauggefälle.

Lassen örtliche Verhältnisse es als zweckmässig erscheinen, das Laufrad in einer gewissen Höhe über dem Spiegel des Unterwassers einzubauen, so ist die Anwendung eines Abfallrohres zu empfehlen, das vor allem die Möglichkeit bietet, Sauggefälle in vollkommener Weise auszunutzen. Diese Anordnung wählt man gegenwärtig sehr häufig, um dadurch die Achse der Turbine kürzer und das Rad selbst leichter zugänglich zu machen, hauptsächlich aber zur Ausführung von Turbinen mit wagerechter Achse, sogen. „Spiralturbinen“, zwecks unmittelbarem Antrieb unter Wegfall von Spurzapfen, Halslagern, konischen Zahnrädern u.s.w. Die Gefällhöhe von 2,40 m bildet die unterste Grenze für die Anwendung von Turbinen mit wagerechter Welle. Bei vertikalachsigen Turbinen findet man Saugwirkung schon bei Gefällen von etwa 1 m angeordnet.

Das Turbinenlaufrad befindet sich hier im Inneren eines luftdichten Rohres, das an seiner Ausmündung ins Unterwasser eintaucht und in Einzelfällen mit einer Ringschütze versehen ist, oder nach Art der Heberausläufe aus einem betonierten Saugrohrkrümmer besteht. Das Wasser strömt, aus dem Laufrade kommend, durch das Saugrohr oder den betonierten Krümmerquerschnitt ab, um durch die Mündung im ersteren Falle senkrecht, in letzterem in der Richtung des abfliessenden Unterwassers in den Ablaufkanal überzutreten. Der Druck unter dem Laufrade wird dabei etwas kleiner als der atmosphärische, und zwar ist die Differenz des inneren bezw. äusseren Druckes oder das Saugen um so grösser, je höher das Sauggefälle.

Theoretisch kann das Saugrohr so lange funktionieren, als h (d.h. Gefälle von Laufradunterkante bis Unterwasserspiegel) kleiner ist, als die Wasserbarometerhöhe (10,33 m), nachdem von letzterer die Widerstandhöhe hx abgezogen ist; praktisch geht man bekanntlich nicht über 5 bis 6 m hinauf. In allen Fällen aber soll das Druckgefälle grösser sein als das Sauggefälle.

Strömt aus dem Reservoir A (Fig. 26) das Wasser durch ein offenes Rohr B in das Bassin C ab, und denkt man sich vorerst die Verengung durch die Turbinenräder weg, so fliesst (bei Vernachlässigung der Nebenhindernisse) das Wasser am Ende des Rohres mit der Geschwindigkeit aus, mit welcher dasselbe die Turbine verlässt. Die Verengung des Rohrquerschnittes infolge der in den Wasserstrom eingeschalteten Turbinenräder ändert diese Verhältnisse insofern nicht, als das Saugrohr eine Ansatzröhre bildet und daher der Durchfluss regelrecht vor sich geht. Nach seinem Durchgang durch die Verengung wird das Wasser das Bestreben zeigen, mit gleichbleibender Geschwindigkeit im Querschnitt des Abfallrohres fortzufliessen, wodurch einNachsaugen des Wassers durch die Verengung stattfindet, die Geschwindigkeit somit an dieser Stelle vergrössert wird. Hat nun das Rohr B eine entsprechende Länge, so dass das Wasser Zeit findet, den Ueberschuss der entwickelten lebendigen Kraft, d.h. den Ueberschuss der in der Verengung erzeugten Geschwindigkeit im weiteren Rohrquerschnitt abzugeben, so wird durch die Einschnürung keine Verminderung der Austrittsgeschwindigkeit am Ende des Rohres B verursacht.

Textabbildung Bd. 316, S. 656

Aehnlich verhält es sich beim Saugrohrkrümmer (Fig. 27), abgesehen von den dabei allerdings vermehrten Nebenhindernissen. Das Nachsaugen des Wassers wird wesentlich begünstigt, wenn dem Krümmer unterhalb der Verengung, also vom Turbinenlaufrad ab, eine konisch erweiterte Form gegeben wird und die einzelnen Querschnitte in leicht geschwungener Kurve ineinander übergeführt sind, um Stossverluste zu vermeiden. Der Saugrohrkrümmer soll allmählich in die Höhe der Abflusssohle übergehen; die Austrittsgeschwindigkeit muss mindestens der Geschwindigkeit des im Untergraben abfliessenden Wassers gleichkommen. Die frühere Anordnung, die Turbine nur wenig unter dem Oberwasserspiegel einzubauen und mit hohem Saugrohr zu versehen, ist bei neueren Anlagen verlassen, da das lange Saugrohr äusserst schwierig dicht zu halten ist bezw. im Oberwasser Trichterbildung entsteht, wodurch die saugende Wassersäule abgerissen wird, was absolut vermieden werden muss.

Mit dem Austritt ist ein Verlust an lebendiger Kraft verbunden, wenn man denselben bei partieller Beaufschlagung ohne weiteres vor sich gehen lässt; das Wasser breitet sich nach allen Seiten gleichmässig aus, die vorhandene überschüssige Kraft wird über die Ausflussgeschwindigkeit hinaus durch Stosswirkungen aufgezehrt, es muss eine Erhebung des Unterwasserspiegels stattfinden, um das Wasser nach einer Seite hin entweichen zu lassen. Denkt |657| man sich den Uebergang vom Rad durch das Rohr ins Unterwasser mit Hilfe einer Vorrichtung vermittelt, die eine konstante Durchflussgeschwindigkeit sichert, so würde ein gewisser Effekt für das Rad dadurch gewonnen, dass der Gegendruck des Unterwassers auf die Austrittsöffnung verringert wird.

Textabbildung Bd. 316, S. 657

Die Lage der Turbine zum Unterwasserspiegel hängt auch vom Durchmesser des Abflussrohres ab. Bei grossem Raddurchmesser ist die Wasserbewegung in ein und demselben Querschnitte je nach dem Abstand von der Rohrachse sehr verschiedenartig und kann schon durch den in bestimmter Richtung erfolgenden Abfluss des Unterwassers leicht einseitig werden.

In allen Fällen muss die Luft unbedingt aus dem Saugrohr entfernt bleiben, sei es durch Anfüllen des Abflussrohres und Austreiben der darin enthaltenen Luft, oder |658| durch eine Einrichtung zur Abführung derselben am Anfang des Saugrohres. Immerhin ist darauf Rücksicht zu nehmen, dass der Mantel derart dicht gehalten ist, dass die etwa vorhandene Luft, die sich während des Betriebes ausscheidet, vom Wasser mitgerissen wird und sich keine grösseren Blasen bilden.

Um einen Anhalt über den grössten Vertikalabstand hmax des Laufrades über den Unterwasserspiegel zu erhalten, setzt Prof. Bach1) die empirische Beziehung:

worin

d den Durchmesser des Abflussrohres in Meter bezeichnet.

Die Saugwirkung einer Turbine beruht auf gleichen Grundsätzen, wie das Saugen bei einer Pumpe; am besten lässt sich dieser Vergleich dadurch bestätigen, dass im Saugrohr eher Unzuträglichkeiten entstehen als im Druckrohr.

Für die theoretische Gesamtleistung einer Turbine bleibt es gleichgültig, welcher Teil des Gefälles drückend und welcher saugend wirkt. Die Gefällshöhe kommt auch zur Geltung, wenn die Turbine an der tiefsten Stelle eingebaut ist, eine grössere Leistung wird demnach durch das Saugrohr oder den Saugrohrkrümmer nicht erzielt.

Jedenfalls erscheint das Saugrohr bei solchen Verhältnissen am vorteilhaftesten angebracht, wo der Unterwasserspiegel erheblich steigt und in dieser Lage lange anhält, so dass die Turbine für längere Zeit unzugänglich wäre.

Eine Turbine mit Saugwirkung ist im allgemeinen keine so gute Partialturbine, als eine solche mit Druckwirkung allein. Die veränderlichen Wassermengen sind aber die am häufigsten vorkommenden und ist es deshalb absolut notwendig, eine regulierbare Reaktionsturbine zu haben, die in ihrem Prinzip ganz zum Saugrohr passt und in weiten Grenzen ebenso auf Wasserungleichheiten, wie auf wechselnden Kraftbedarf eingestellt werden kann.

Neben günstiger Einwirkung auf den Motor selbst und vollständiger Ausnutzung des vorhandenen Gefälles durch Anbringung des Saugrohres kommen dem Erbauer manche andere Vorteile zu gute, so die bequeme und rasche Aufstellung. Anstatt, wie früher, den Motor in einem dunklen, schwer besteigbaren Schacht unterbringen zu müssen, baut man das Rad nunmehr in passender Lage leicht zugänglich für die Vornahme der Regulierung ein. Neben Vereinfachung des Betriebes, Ersparnis der Uebertragungsorgane wird dadurch eine gefällige Gesamtanordnung erzielt.

Namentlich bei Turbinen mit wagerechter Welle, welche zum Betrieb rasch laufender, direkt gekuppelter Maschinen Anwendung finden (bei sogen. Spiralturbinen), wird diese Anordnung kaum zu umgehen sein. Bei letzteren müssen jedoch die Stopfbüchsen stets in guter Ordnung gehalten werden, wenn dieselben nicht genügend angezogen, findet Luftzutritt in das Saugrohr statt, die Leistung der Turbine wird beeinträchtigt; sind die Stopfbüchsen dagegen zu hart angezogen, so entsteht unnötige Reibung und der Effekt der Turbine wird dadurch herabgedrückt. Bei allen Turbinen mit ganzem Obergefälle verlässt das Wasser den Radkörper mit einer immerhin noch grossen Geschwindigkeit, die in Wirklichkeit stets grösser und unregelmässiger ist, als sie dem Geschwindigkeitsparallelogramm gemäss sein sollte – was übrigens von den ungleichen Schaufelteilungen, wie sie in der Giesserei eben vorkommen, mit herrühren mag. Diese, dem Wasser nicht abgenommene Geschwindigkeit ist für die Nutzleistung naturgemäss verloren. Versieht man die Turbine jedoch mit Saugrohr, so bringt dasselbe diese unvermeidlichen Verluste teilweise wieder ein. Anstatt, wie bei der offenen Turbine, frei abzufallen, verliert sich die lebendige Arbeit des Abflusswassers im obersten Teile des Saugrohres. Dieser Vorgang kann aber unmöglich wirkungslos bleiben. Die angehängte Wassersäule drückt vielmehr abwärts und vermehrt deren nachsaugende Wirkung, was der Gesamtleistung wieder zu gute kommt.

Ist das Laufrad über dem Unterwasserspiegel eingebaut, so findet infolge der Druckverminderung im Saugrohr die bekannte Ausscheidung von Luft aus dem hier abströmendenWasser statt. Bei voll beaufschlagter Turbine ist die Wassergeschwindigkeit gross genug, um die Luftblasen mit fort zu reissen, die Luftabscheidung schadet demzufolge nicht. Wird hingegen eine geringere Wassermenge als die normale verarbeitet und vermindert sich dadurch die Wassergeschwindigkeit im Rohr in solchem Masse, dass eine Ansammlung von Luft stattfindet, das Wasser somit eine zusammenhängende, stetig fliessende Masse, die alle Räume ausfüllt, nicht mehr bildet, so trennt sich die Wassersäule von der Unterseite des Rades, was ein Abreissen der Saugwassersäule zur Folge hat, selbst wenn das Abfallrohr unter Wasser ausmündet.

Es ist somit eine gewisse Abflussgeschwindigkeit im Saugrohr notwendig, die nicht überschritten werden, noch unerreicht bleiben darf. Nimmt man hierfür die erfahrungsgemäss passende Grösse

bis

an, welche Grösse etwa zwischen 1 und 3 m gewählt werden kann, so ergibt sich der Halbmesser der Saugröhren zu

Zu gross soll cs im Saugrohr nicht werden, um Effektverluste zu vermeiden, andererseits jedoch auch nicht zu klein, um die in vorstehendem bereits erwähnten Störungen zu vermeiden. Auf die saugende Wirkung hat der Durchmesser des Rohres keinen Einfluss, doch geht man aus praktischen Rücksichten nicht über 2,50 m l. W. hinaus.

Um bei partieller Beaufschlagung das Abführen der Luftblasen zu sichern, wäre es notwendig, das Saugrohr der Wasserverminderung entsprechend zu verengen, damit die Durchflussgeschwindigkeit hier annähernd so gross bleibt, wie bei günstig beaufschlagten Turbinen. Das Rohr müsste somit eine Umformung erfahren, damit in der Saugwassersäule eine Strömungsgeschwindigkeit verbleibt, die befähigt ist, die frei gewordene Luft mit fort zu führen. Je mehr also die Turbine abgeschützt wird, desto mehr sollte sich auch der Rohrquerschnitt verengen, mit anderen Worten: bei Verminderung der Beaufschlagung muss das Verhältnis zwischen den freien Durchflussöffnungen der Turbine und dem in Thätigkeit verbleibenden Saugrohrquerschnitt konstant gehalten werden.

Der Lösung dieses Problems beabsichtigt der Verfasser in einem folgenden Aufsatz näher zu treten.

Die Form des Saugrohrs findet sich verschiedenartig ausgebildet, entweder senkrecht oder schräg ins Unterwasser mündend, einfach oder mehrfach, man ist heute bis zu 3 oder 4 getrennten Ausläufen gegangen; die Turbinen in Rheinfelden sind in dieser Hinsicht vorbildlich geworden.

Die doppelten 1500 PS Turbinen der Anlage bei Lyon, ausgeführt von Escher, Wyss und Comp., Zürich, zeigen einen gemeinschaftlichen geschlossenen Saugraum, an den sich ein teils aus Blech, teils aus Gusseisen ausgeführtes Saugrohr anschliesst, das in einen betonierten Kanal übergeht. Der Querschnitt des Rohrs wächst allmählich, so dass das Wasser ruhig austritt. Bei der neuen Anlage am Niagara ist das Saugrohr der 5500 PS Doppel-Francis-Turbinen gegabelt und seitlich schräg in den Unterwasserkanal eingeführt. Infolgedessen bleibt der Unterkanal gänzlich frei, was wichtig ist wegen der Schwankungen des Unterwasserspiegels, die, je nachdem eine oder sämtliche Turbinen im Betrieb sind, bis zu 5 m betragen können. Auch wegen der Querschnittsverengung des Unterwasserkanals wäre ein einfaches Saugrohr unmöglich gewesen.

Obgleich Saugwirkung bisher nur bei Ueberdruckturbinen in Anwendung gekommen ist, kann das Saugrohr, wie u.a. die Ausführungen der Konstruktionswerkstätten in Vevey für eine italienische Spinnerei in Campione und die Anlage des Kubel-Werkes bei St. Gallen beweisen, unter gewissen Vorsichtsmassregeln auch an Turbinen mit freier Abweichung angebracht werden. Diese Anordnung erscheint in solchen Fällen zweckmässig, wo diese Turbinen örtlicher Verhältnisse wegen ziemlich hoch über das Unterwasser gestellt werden müssen, was einen grossen Kraftverlust zur Folge hätte.

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Die im Rohr hängende Wassersäule übt eine ihrer Höhe entsprechende saugende Wirkung auch auf Strahlturbinen aus, die sich auf alle Punkte des das Laufrad bedeckenden und umschliessenden Gehäuses erstreckt. Damit sich dabei die Turbine in Luft und nicht im Wasser dreht, muss fortwährend eine geringe Menge äusserer Luft derart Zutritt ins Gehäuse erhalten, dass die Wasseroberfläche niemals den Umfang des Rades erreicht. Diese Speisung wird durch einen Schwimmer und ein selbstthätiges Luftventil bewerkstelligt, das sich öffnet, wenn der Wasserspiegel im Saugrohr infolge gesteigerten Zuflusses oder Drucküberschusses durch mitgerissene Luft steigt, sich dagegen sofort wieder schliesst, sobald die von aussen entnommeneLuft ein erneutes Fallen der Wasseroberfläche bewirkt hat.

Durch die im Gehäuse eintretende Luftverdünnung wird die Druckhöhe, unter welcher das Wasser aus der Aufschlagdüse austritt, vergrössert. Das Sauggefälle wird natürlich nur in dem Masse ausgenutzt, wie es die Luftverdünnung gestattet; würde dieselbe zu gross, so würde der Unterwasserspiegel ansteigen und schliesslich das Gehäuse anfüllen, wodurch der Wirkungsgrad, wenn das Laufrad im Wasser ginge, sich ausserordentlich verschlechterte. Diese Hilfseinrichtung soll nach den gemachten Erfahrungen so genau arbeiten, dass der Unterwasserspiegel nur um wenige Centimeter schwankt.

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C. Bach: Die Wasserräder, Stuttgart 1886.

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