Die Gegenangriffsturbine ist eine Art hydraulische Maschine, die den Druck des Wasserstroms nutzt, um Wasserenergie in mechanische Energie umzuwandeln.
(1) Aufbau. Die wichtigsten Bauteile der Gegenangriffsturbine sind das Laufrad, die Wasserumlenkkammer, der Wasserführungsmechanismus und das Saugrohr.
1) Laufrad. Das Laufrad ist ein Bauteil der Wasserturbine, das die Energie des Wasserstroms in rotierende mechanische Energie umwandelt. Je nach Richtung der Wasserumwandlung unterscheiden sich die Laufradstrukturen verschiedener Turbinentypen. Das Laufrad einer Francis-Turbine besteht aus strömungsgünstig geformten, verdrillten Schaufeln, Schaufelkrone, Unterring und weiteren vertikalen Hauptkomponenten. Das Laufrad einer Axialturbine besteht aus Schaufeln, Laufradkörper, Ablaufkegel und weiteren Hauptkomponenten. Die Laufradstruktur einer Diagonalturbine ist komplexer. Der Schaufelwinkel kann je nach Betriebsbedingungen angepasst und auf die Leitschaufelöffnung abgestimmt werden. Die Rotationsachse der Schaufeln verläuft in einem Winkel (45°–60°) zur Turbinenachse.
2) Wasserumlenkkammer. Ihre Funktion besteht darin, den Wasserfluss in den Wasserführungsmechanismus gleichmäßig zu gestalten, Energieverluste zu reduzieren und den Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern. Große und mittelgroße Turbinen verwenden bei Fallhöhen über 50 m häufig Spiralgehäuse aus Metall mit kreisförmigem Querschnitt und bei Fallhöhen unter 50 m Spiralgehäuse aus Beton mit trapezförmigem Querschnitt.
3) Wasserführungsmechanismus. Dieser besteht im Allgemeinen aus einer bestimmten Anzahl strömungsgünstiger Leitschaufeln und deren Rotationsmechanismen, die gleichmäßig am Umfang des Laufrads angeordnet sind. Seine Funktion besteht darin, den Wasserstrom gleichmäßig in das Laufrad zu lenken und durch die Anpassung der Leitschaufelöffnung den Turbinendurchfluss an die Lastanforderungen des Generatorsatzes anzupassen. Im vollständig geschlossenen Zustand dient er außerdem der Wasserabdichtung.
4) Saugrohr. Der Wasserstrom am Austritt des Laufrads enthält noch einen Teil überschüssiger Energie, der nicht genutzt wurde. Das Saugrohr dient dazu, diese Energie zurückzugewinnen und das Wasser stromabwärts abzuleiten. Saugrohre werden in zwei Typen unterteilt: gerade und gekrümmte. Gerade Kegel weisen einen hohen Energiebeiwert auf und eignen sich im Allgemeinen für kleine horizontale und rohrförmige Turbinen. Gekrümmte Kegel haben eine geringere hydraulische Leistung als gerade Kegel, benötigen aber eine geringere Einbautiefe und werden häufig in großen und mittelgroßen Gegenlaufturbinen eingesetzt.
(2) Klassifizierung. Nach der axialen Richtung des Wasserdurchflusses durch das Laufrad wird die Prallturbine in Francis-Turbinen, Diagonalturbinen, Axialturbinen und Rohrturbinen unterteilt.
1) Francis-Turbine. Die Francis-Turbine (auch Radial-Axial-Turbine genannt) ist eine Gegenstromturbine, bei der das Wasser radial vom Umfang des Laufrads in axialer Richtung strömt. Diese Turbinenart zeichnet sich durch einen breiten Anwendungsbereich von Fallhöhen (30–700 m), eine einfache Bauweise, geringe Größe und niedrige Kosten aus. Die größte in China in Betrieb genommene Francis-Turbine befindet sich im Wasserkraftwerk Ertan mit einer Nennleistung von 582 MW und einer maximalen Leistung von 621 MW.
2) Axialturbine. Die Axialturbine ist eine Gegenstromturbine, bei der das Wasser axial ein- und ausströmt. Man unterscheidet zwei Turbinentypen: die feststehende (Schrauben-)Turbine und die drehbare (Kaplan-)Turbine. Bei der Schraubenturbine sind die Schaufeln feststehend, bei der Kaplan-Turbine drehbar. Die Förderleistung der Axialturbine ist höher als die der Francis-Turbine. Da sich die Schaufeln der Schaufelradturbine lastabhängig positionieren können, erzielt sie einen höheren Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich. Die Kavitationsbeständigkeit und die mechanische Festigkeit der Axialturbine sind jedoch geringer als die der Francis-Turbine, und ihre Konstruktion ist komplexer. Aktuell liegt die Fallhöhe dieser Turbinen bei 80 m und mehr.
3) Rohrturbine. Bei dieser Art von Wasserturbine strömt das Wasser axial aus dem Laufrad, ohne Rotation vor oder nach dem Laufrad. Der Einsatzbereich der Fallhöhe liegt zwischen 3 und 20 m. Der Turbinenkörper zeichnet sich durch geringe Bauhöhe, gute Strömungsbedingungen, hohen Wirkungsgrad, geringen baulichen Aufwand, niedrige Kosten und den Verzicht auf Spiralgehäuse und gekrümmte Saugrohre aus. Je geringer die Fallhöhe, desto deutlicher werden diese Vorteile.
Rohrturbinen werden je nach Generatoranschluss und Antriebsart in zwei Typen unterteilt: Volldurchfluss- und Halbdurchflussturbinen. Halbdurchflussturbinen lassen sich weiter in Kolben-, Wellen- und Wellenverlängerungsturbinen unterteilen. Die Wellenverlängerungsturbine wiederum wird in zwei Ausführungen unterteilt: Schräg- und Horizontalwellenturbinen. Derzeit werden vorwiegend Kolbenrohrturbinen, Wellenverlängerungsturbinen und Vertikalwellenturbinen in kleineren Anlagen eingesetzt. In den letzten Jahren finden Wellenturbinen auch in großen und mittelgroßen Anlagen Anwendung.
Der Generator der Wellenverlängerungs-Rohreinheit ist außerhalb des Wasserwegs installiert und über eine längere geneigte oder horizontale Welle mit der Turbine verbunden. Diese Wellenverlängerungskonstruktion ist einfacher als die Kolbenbauweise.
4) Diagonalturbine. Die Diagonalturbine (auch Diagonalturbine genannt) liegt in Aufbau und Größe zwischen der Mischstrom- und der Axialturbine. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Laufradschaufeln in einem bestimmten Winkel zur Turbinenachse verlaufen. Aufgrund der Konstruktionseigenschaften darf die Turbine im Betrieb nicht absinken. Daher ist in der zweiten Struktur eine axiale Verschiebungsüberwachung installiert, um Kollisionen zwischen Schaufeln und Laufradkammer zu verhindern. Die Einsatzhöhe der Diagonalturbine liegt zwischen 25 und 200 m.
Veröffentlichungsdatum: 19. Oktober 2021
