Freistrahlturbinen (eBook)

Dr. -Ing. Zh. Zhang hat an Xian-Jiaotong Universität in der Volksrepublik China Energie und Kraftwerkbau studiert. Nach seiner anschließenden Promotion an der Ruhr-Universität Bochum in Deutschland im Fachbereich Wärmetechnik ist er in 1990 in die Firma Sulzer Innotec, Winterthur in der Schweiz, eingetreten. Im Rahmen der industriellen Forschung und Entwicklung fokussierte er seine Tätigkeit auf lasergestützte Verfahren (LDA, PDA, PIV) zu Strömungsuntersuchungen. Seit 2004 ist er für die hydraulische Auslegung und Entwicklung von Strömungsmaschinen bei Grimsel Hydro der Kraftwerke Oberhasli AG (KWO) in Innertkirchen tätig.

Geleitwort 5
Vorwort 7
Inhaltsverzeichnis 9
Einleitung 13
A Hydraulik von Pelton-Turbinen 15
B Strukturmechanik von Pelton-Turbinen 19
C Zielsetzung dieses Fachbuches 20
Arbeitsprinzip von Pelton-Turbinen 22
1.1 Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie 22
1.2 Pelton-Turbinen und ihre Spezifikation 26
Injektor 36
2.1 Strömungsbeschleunigung in der Düse 37
2.2 Durchflusszahl D0 und die Düsenkennlinie 39
2.3 Durchflusszahl De und Gesetzmäßigkeit der Düsenkennlinie 42
2.4 Reynoldszahl-Effekt 43
2.5 Strömungskräfte und Gleichgewichtszustand in der Düse 44
Wasserstrahl 54
3.1 Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) 55
3.2 Axial-symmetrischer Wasserstrahl 56
3.3 Strahlerweiterung 59
3.4 Sekundärströmungen im Wasserstrahl und Strahlqualität 60
Interaktion zwischen Wasserstrahl und Pelton- Rad 63
4.1 Aufprallen runden Wasserstrahls auf ebene Platte 63
4.2 Mindestschaufelzahl 64
4.3 Wasserstrahl-Schaufel-Interaktion und ihre Spezifikation 66
4.4 Koinzidenz- und Symmetriebedingungen 69
4.5 Schaufelzahl des Pelton-Rades 71
4.6 Relativlaufbahn des Wasserstrahls 74
4.7 Strömungsablösung beim Eintritt am Schaufelausschnitt 76
4.8 Stoßfreie Bedingung am Schaufelrücken 77
4.9 Stoßkraft und ihre Leistung beim Eintritt 79
Strömungsmechanik in der rotierenden Schaufel 86
5.1 Grundgleichungen 86
5.2 Relativströmung und Invarianzgleichung 89
5.3 Kraftwirksamkeit und die Leistungen 99
Wasserausbreitung in der Schaufel 115
6.1 Relativdurchfluss 115
6.2 Breite und Höhe des Wasserfilms 118
6.3 Überdruck unter dem Wasserfilm 119
Austrittsbedingungen 121
7.1 Geschwindigkeitsverhältnis am Schaufelaustritt 121
7.2 Allgemeine Austrittsbedingung 122
7.3 Austrittsbedingung für Vertikalturbinen 126
Austrittsverluste 134
8.1 Drallverluste 134
8.2 Reibungseffekt am Schaufelrücken 140
8.3 Ablenkungseffekt am Schaufelrücken 141
Reibungseffekte und FFT-Theorem 144
9.1 Reibungszahl 144
9.2 Direkte Reibungseffekte 148
9.3 Reibungseffekte durch Änderung der Druckverteilung 150
9.4 Gesamte Reibungseffekte 152
9.5 Das Theorem der Strömungsreibung 154
Reibungsbehaftete Querströmung durch die Schaufel 156
10.1 Kombinierte hydraulische Verluste 156
10.2 Reale Drallverluste 157
10.3 Hydraulische Dissipation und Energiebilanz 160
10.4 Beispiel zum Einfluss von Reibungseffekten auf den Wirkungsgrad 161
Reibungsbehaftete Längsströmung durch die Schaufel 164
11.1 Kinematische Gleichung der Strömung in der rotierenden Schaufel 164
11.2 Dynamische Gleichungen und Leistungsberechnungen 168
11.3 Auswirkungen von Strömungskräften und die hydraulische Dissipation 169
11.4 Beispiel 174
Ventilations- und Radreibungsverluste 177
12.1 Pelton-Turbinen mit horizontaler Achse 178
12.2 Pelton-Turbinen mit vertikaler Achse 181
12.3 Auslaufversuch 182
Leistungsverlust durch Lagerreibungen 184
Hydraulischer und mechanischer Wirkungsgrad 187
14.1 Hydraulischer Wirkungsgrad 187
14.2 Mechanischer Wirkungsgrad 188
Reale hydraulische Wirkungsgradkennlinien 189
15.1 Kritische Laufzahl 189
15.2 Reaktionsgrad des Wasserstrahls 192
15.3 Reale hydraulische Wirkungsgradkennlinie 196
Durchgangsdrehzahl und Beschleunigungsverlauf 198
16.1 Theoretische Durchgangsdrehzahl 198
16.2 Reale Durchgangsdrehzahl 200
16.3 Beschleunigungsverlauf 204
Hydraulische Auslegung von Pelton-Turbinen 208
17.1 Dimensionierung des Pelton-Rades 208
17.2 Ellipsenförmiges Schaufelprofil 211
Mehrdüsige Pelton-Turbinen 218
18.1 Mindestversatzwinkel zwischen Wasserstrahlen 218
18.2 Düsenschutzdach 220
Geometrische und hydraulische Ähnlichkeiten 222
19.1 Geometrische Ähnlichkeit 223
19.2 Hydraulische Ähnlichkeit 223
Modellversuch und Wirkungsgradaufwertung 227
20.1 Wirkungsgradaufwertung 228
20.2 Reynolds-Zahl und Strahlkraft 229
Schaufelfestigkeit und Ähnlichkeitsgesetze 231
21.1 Dynamische Spannung im Schaufelwurzelbereich 231
21.2 Ähnlichkeitsgesetze in der Schaufelbelastung 235
Anhang 1: Parameterbezeichnung 239
Indizes 242
Anhang 2: Definitionen der abgeleiteten Größen und Kennzahlen 243
Anhang 3: Spezifische Drehzahl und ihre Anwendung in Pelton- Turbinen 245
Anhang 4: Spezifikation des Strahlstücks für eine Schaufel 247
Anhang 5: Spezifikation der Schaufelstellungen 250
Literaturverzeichnis 253
Sachverzeichnis 256