Eine Wasserturbine ist eine Maschine, die die potenzielle Energie des Wassers in mechanische Energie umwandelt. Mithilfe dieser Maschine zum Antrieb eines Generators kann die Wasserenergie in Strom umgewandelt werden.
Elektrizität. Dies ist das Wasserkraftaggregat.
Moderne Wasserturbinen lassen sich nach dem Prinzip der Wasserströmung und den strukturellen Eigenschaften in zwei Kategorien einteilen.
Eine weitere Turbinenart, die sowohl die kinetische als auch die potenzielle Energie des Wassers nutzt, wird als Prallturbine bezeichnet.
Gegenangriff
Das aus dem vorgelagerten Reservoir entnommene Wasser fließt zunächst in die Wasserumleitungskammer (Spirale) und dann durch die Leitschaufel in den gekrümmten Kanal des Laufrads.
Der Wasserstrom erzeugt eine Reaktionskraft an den Schaufeln, wodurch sich das Laufrad dreht. Dabei wird die Wasserenergie in mechanische Energie umgewandelt, und das aus dem Laufrad austretende Wasser wird durch das Saugrohr abgeleitet.
Flussabwärts.
Die Prallturbine lässt sich im Wesentlichen in Francis-, Schräg- und Axialturbinen unterteilen. Der Hauptunterschied liegt in der Laufradkonstruktion.
(1) Der Francis-Lauf besteht im Allgemeinen aus 12 bis 20 stromlinienförmigen, verdrillten Schaufeln und Hauptkomponenten wie dem Laufrad und dem unteren Ring.
Bei axialem Ein- und Auslauf zeichnet sich diese Turbinenart durch einen breiten Anwendungsbereich bei hohen Fallhöhen, geringes Volumen und niedrige Kosten aus und wird daher häufig bei hohen Fallhöhen eingesetzt.
Axialturbinen werden in Propeller- und Rotationsturbinen unterteilt. Erstere besitzen feststehende, letztere rotierende Schaufeln. Ein Axialturbinenlaufrad besteht in der Regel aus 3–8 Schaufeln, dem Laufradkörper, dem Konus und weiteren Hauptkomponenten. Die Durchflussleistung dieser Turbinenart ist höher als die einer Francis-Turbine. Bei der Schaufelradturbine ist der Wirkungsgrad aufgrund der lastabhängigen Schaufelpositionsänderung bei großen Laständerungen hoch. Die Kavitationsbeständigkeit und die Festigkeit der Turbine sind jedoch geringer als bei Mischstromturbinen, und ihre Konstruktion ist komplexer. Sie eignet sich im Allgemeinen für niedrige bis mittlere Fallhöhen bis zu 10 m/s.
(2) Die Funktion der Wasserumlenkkammer besteht darin, den Wasserfluss in den Wasserführungsmechanismus gleichmäßig zu gestalten, den Energieverlust des Wasserführungsmechanismus zu reduzieren und das Wasserrad zu verbessern.
Maschineneffizienz. Bei großen und mittelgroßen Turbinen mit einer Fallhöhe darüber wird häufig ein Spiralgehäuse aus Metall mit kreisförmigem Querschnitt verwendet.
(3) Der Wasserführungsmechanismus ist im Allgemeinen gleichmäßig um den Laufkanal angeordnet und besteht aus einer bestimmten Anzahl stromlinienförmiger Leitschaufeln und deren Drehmechanismen usw.
Die Funktion der Anordnung besteht darin, den Wasserstrom gleichmäßig in das Laufrad zu lenken und durch Anpassen der Leitschaufelöffnung den Überlauf der Turbine an die jeweiligen Bedingungen anzupassen.
Die Anforderungen an die Anpassung und Änderung der Generatorlast können auch die Rolle der Wasserabdichtung spielen, wenn alle diese Anforderungen erfüllt sind.
(4) Saugrohr: Da ein Teil der verbleibenden Energie des Wasserstroms am Auslass des Laufrads nicht genutzt wird, besteht die Funktion des Saugrohrs darin, die Energie zurückzugewinnen.
Ein Teil der Energie wird genutzt und das Wasser flussabwärts abgeleitet. Kleine Turbinen verwenden in der Regel Saugrohre mit geradem Konus, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, während große und mittelgroße Turbinen …
Da die Wasserleitungen nicht sehr tief verlegt werden können, werden gebogene Ansaugrohre verwendet.
Darüber hinaus gibt es in der Prallturbine Rohrturbinen, Schrägströmungsturbinen, reversible Pumpturbinen usw.
Prallturbine:
Bei dieser Art von Turbine wird die Aufprallkraft des schnell fließenden Wassers genutzt, um die Turbine in Rotation zu versetzen. Am häufigsten wird die Schaufelradturbine verwendet.
In den oben genannten Hochdruck-Wasserkraftwerken werden im Allgemeinen Schaufelradturbinen eingesetzt. Zu ihren Funktionsteilen gehören hauptsächlich Aquädukte, Düsen und Sprühdüsen.
Nadel, Wasserrad und Spiralgehäuse usw. sind am äußeren Rand des Wasserrads mit vielen massiven, löffelförmigen Wasserschaufeln ausgestattet. Der Wirkungsgrad dieser Turbine variiert mit der Last.
Die Änderung ist gering, aber die Wasserdurchflusskapazität ist durch die Düse begrenzt, die deutlich kleiner ist als der radiale axiale Durchfluss. Um die Wasserdurchflusskapazität zu verbessern, muss die Leistung erhöht werden.
Zur Verbesserung der Effizienz wurde die großtechnische Wasserschaufelturbine von einer horizontalen auf eine vertikale Achse umgestellt und von einer Einzeldüse auf eine Mehrdüsenturbine weiterentwickelt.
3. Einführung in den Aufbau der Reaktionsturbine
Die im Betonfundament eingebetteten Teile, einschließlich Spiralgehäuse, Sitzring, Saugrohr usw., sind Teil der Wasserableitung und des Überlaufs der Anlage.
Volute
Das Spiralgehäuse wird in ein Beton- und ein Metallspiralgehäuse unterteilt. Anlagen mit einer Fallhöhe bis zu 40 Metern verwenden meist ein Betonspiralgehäuse. Bei Turbinen mit einer Fallhöhe über 40 Metern kommen aufgrund der erforderlichen Festigkeit in der Regel Metallspiralgehäuse zum Einsatz. Metallspiralgehäuse zeichnen sich durch hohe Festigkeit, einfache Verarbeitung, unkomplizierte Bauweise und problemlosen Anschluss an die Druckleitung des Kraftwerks aus.
Es gibt zwei Arten von Metallspiralen: geschweißte und gegossene.
Für große und mittelgroße Prallturbinen mit einer Fallhöhe von etwa 40–200 Metern werden meist geschweißte Spiralgehäuse aus Stahlblech verwendet. Zur Vereinfachung des Schweißens wird das Spiralgehäuse oft in mehrere konische Segmente unterteilt. Jedes Segment ist kreisförmig, wobei sich der hintere Abschnitt aufgrund der Verjüngung verjüngt und für das Verschweißen mit dem Sitzring eine ovale Form annimmt. Jedes konische Segment wird mittels einer Blechwalzmaschine walzgeformt.
Bei kleinen Francis-Turbinen werden häufig einteilig gegossene Spiralgehäuse aus Gusseisen verwendet. Für Turbinen mit hoher Fallhöhe und großer Leistung kommt üblicherweise ein Spiralgehäuse aus Stahlguss zum Einsatz, bei dem Spiralgehäuse und Sitzring in einem Stück gegossen werden.
Der unterste Teil des Spiralgehäuses ist mit einem Ablassventil ausgestattet, um das angesammelte Wasser während der Wartung abzulassen.
Sitzring
Der Sitzring ist das grundlegende Bauteil der Prallturbine. Er trägt nicht nur den Wasserdruck, sondern auch das Gewicht der gesamten Einheit und des Betons des jeweiligen Abschnitts und muss daher über ausreichende Festigkeit und Steifigkeit verfügen. Der Sitzring besteht im Wesentlichen aus einem oberen und einem unteren Ring sowie einer feststehenden Leitschaufel. Die feststehende Leitschaufel dient als Stütze für den Sitzring, als Strebe zur Übertragung der Axiallast und als Strömungsfläche. Sie ist ein wichtiges Bezugselement bei der Montage der Turbinenkomponenten und gehört zu den ersten Bauteilen, die eingebaut werden. Daher muss sie über ausreichende Festigkeit und Steifigkeit sowie über gute hydraulische Eigenschaften verfügen.
Der Sitzring ist sowohl ein tragendes als auch ein durchströmtes Bauteil, daher hat die Durchflussfläche eine stromlinienförmige Gestalt, um minimale hydraulische Verluste zu gewährleisten.
Der Sitzring weist im Allgemeinen drei Bauformen auf: einteilige, halbintegrale und integrale Bauform. Bei Francis-Turbinen wird üblicherweise ein integraler Sitzring verwendet.
Zugrohr und Fundamentring
Das Saugrohr ist Bestandteil des Strömungskanals der Turbine und kann gerade, konisch oder gekrümmt sein. Gekrümmte Saugrohre werden üblicherweise in großen und mittelgroßen Turbinen eingesetzt. Der Fundamentring verbindet den Sitzring der Francis-Turbine mit dem Einlassbereich des Saugrohrs und ist im Beton verankert. Der untere Laufring des Turbinenrads rotiert darin.
Wasserführungsstruktur
Die Funktion des Wasserleitmechanismus einer Wasserturbine besteht darin, das Zirkulationsvolumen des in das Laufrad einströmenden Wassers zu formen und zu verändern. Die leistungsstarke Drehleitschaufelsteuerung gewährleistet einen gleichmäßigen Wassereintritt entlang des Laufradumfangs mit geringen Energieverlusten bei unterschiedlichen Durchflussmengen. Sie sorgt für optimale hydraulische Eigenschaften der Turbine, passt den Durchfluss zur Leistungsänderung an und sperrt den Wasserstrom ab, um die Rotation der Turbine im Normalbetrieb und bei Störungen zu stoppen. Große und mittelgroße Wasserleitmechanismen lassen sich je nach Achsenposition der Leitschaufeln in zylindrische, konische (Kugel- und Schrägstromturbinen) und radiale (Volldurchdringungsturbinen) unterteilen. Der Wasserleitmechanismus besteht im Wesentlichen aus Leitschaufeln, Leitschaufelantrieben, Ringkomponenten, Wellenhülsen, Dichtungen und weiteren Bauteilen.
Struktur der Leitschaufelvorrichtung.
Zu den ringförmigen Komponenten des Wasserführungsmechanismus gehören ein Bodenring, eine obere Abdeckung, eine Stützabdeckung, ein Steuerring, ein Lagerbock, ein Schublagerbock usw. Sie sind komplexen Kräften ausgesetzt und unterliegen hohen Fertigungsanforderungen.
Unterer Ring
Der untere Ring ist ein flaches, ringförmiges Bauteil, das am Sitzring befestigt ist und meist gegossen und geschweißt ist. Aufgrund der Transportbeschränkungen bei großen Anlagen kann er in zwei Hälften geteilt oder aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein. Bei Kraftwerken mit Sedimentverschleiß werden an der Strömungsfläche Verschleißschutzmaßnahmen getroffen. Derzeit werden hauptsächlich Verschleißschutzplatten an den Stirnflächen angebracht, zumeist aus Edelstahl 0Cr13Ni5Mn. Wenn der untere Ring und die oberen und unteren Stirnflächen der Leitschaufeln mit Gummi abgedichtet sind, muss sich am unteren Ring eine Nut für die Gummidichtung oder eine Druckplatten-Dichtungsnut befinden. In unserem Werk werden hauptsächlich Dichtplatten aus Messing verwendet. Die Bohrung für die Leitschaufelwelle im unteren Ring muss konzentrisch zur oberen Abdeckung sein. Obere Abdeckung und unterer Ring werden bei mittleren und kleinen Anlagen oft in einem Arbeitsgang gebohrt. Große Anlagen werden in unserem Werk direkt mit einer CNC-Bohrmaschine gebohrt.
Regelkreis
Der Steuerring ist ein ringförmiges Bauteil, das die Kraft des Relais überträgt und über den Übertragungsmechanismus die Leitschaufel dreht.
Leitschaufel
Leitschaufeln weisen heutzutage häufig zwei Standardblattformen auf: symmetrische und asymmetrische. Symmetrische Leitschaufeln werden im Allgemeinen in Axialturbinen mit hoher spezifischer Drehzahl und unvollständigem Spiralgehäuse-Umschlingungswinkel eingesetzt; asymmetrische Leitschaufeln hingegen in Spiralgehäusen mit vollständigem Umschlingungswinkel und in Axialturbinen mit niedriger spezifischer Drehzahl und großer Öffnung sowie in Francis-Turbinen mit hoher und mittlerer spezifischer Drehzahl. Die (zylindrischen) Leitschaufeln werden in der Regel einteilig gegossen; bei großen Anlagen kommen jedoch auch gegossene und geschweißte Konstruktionen zum Einsatz.
Die Leitschaufel ist ein wichtiger Bestandteil der Wasserführung und spielt eine Schlüsselrolle bei der Formung und Veränderung des Wasserdurchflusses im Ansaugkanal. Sie besteht aus zwei Teilen: dem Leitschaufelkörper und dem Leitschaufelwellendurchmesser. In der Regel wird sie im Vollgussverfahren hergestellt, bei größeren Anlagen kommt auch das Gussschweißen zum Einsatz. Üblicherweise werden die Werkstoffe ZG30 und ZG20MnSi verwendet. Um die reibungslose Rotation der Leitschaufel zu gewährleisten, müssen die obere, mittlere und untere Leitschaufelwelle konzentrisch ausgerichtet sein. Der radiale Hub darf maximal die Hälfte der Durchmessertoleranz der mittleren Leitschaufelwelle betragen, und die zulässige Abweichung der Leitschaufel-Endfläche von der Senkrechten zur Achse darf 0,15/1000 nicht überschreiten. Das Profil der Strömungsfläche der Leitschaufel beeinflusst direkt den Wasserdurchfluss im Ansaugkanal. Kopf und Fuß der Leitschaufel bestehen in der Regel aus Edelstahl, um die Kavitationsbeständigkeit zu verbessern.
Leitschaufelhülse und Leitschaufel-Schubvorrichtung
Die Leitschaufelhülse fixiert den Durchmesser der zentralen Welle an der Leitschaufel. Ihre Konstruktion hängt vom Material, der Dichtung und der Höhe des Deckels ab. Sie ist meist als einteiliger Zylinder ausgeführt, bei größeren Anlagen jedoch in der Regel segmentiert, was eine präzise Spalteinstellung ermöglicht.
Die Schubvorrichtung der Leitschaufel verhindert, dass die Leitschaufel unter Wasserdruck nach oben aufsteigt. Überschreitet die Leitschaufel ihr Eigengewicht, hebt sie sich an, stößt gegen die obere Abdeckung und beeinflusst die Kraft auf die Pleuelstange. Die Schubplatte besteht üblicherweise aus Aluminiumbronze.
Leitschaufeldichtung
Die Leitschaufel erfüllt drei Dichtungsfunktionen: Sie reduziert Energieverluste, verringert Luftleckagen im Phasenmodulationsbetrieb und minimiert Kavitation. Die Leitschaufeldichtungen werden in Höhen- und Enddichtungen unterteilt.
Im mittleren und unteren Bereich des Wellendurchmessers der Leitschaufel befinden sich Dichtungen. Durch die Abdichtung des Wellendurchmessers wird der Wasserdruck zwischen Dichtring und Wellendurchmesser der Leitschaufel vollständig abgedichtet. Daher verfügt die Hülse über Ablauflöcher. Die Abdichtung des unteren Wellendurchmessers dient hauptsächlich dazu, das Eindringen von Sedimenten und den Verschleiß des Wellendurchmessers zu verhindern.
Es gibt verschiedene Arten von Leitschaufelantrieben, von denen zwei häufig verwendet werden. Der eine ist der Gabelkopfantrieb, der eine gute Belastbarkeit aufweist und sich für große und mittelgroße Anlagen eignet. Der andere ist der Ohrgriffantrieb, der sich hauptsächlich durch seine einfache Konstruktion auszeichnet und besser für kleine und mittelgroße Anlagen geeignet ist.
Der Ohrgriff-Übertragungsmechanismus besteht hauptsächlich aus Führungsflügelarm, Verbindungsplatte, geteilter Halbkeilwelle, Scherbolzen, Wellenhülse, Endkappe, Ohrgriff, Drehhülsen-Verbindungsstangenbolzen usw. Die Kraftübertragung ist nicht optimal, aber die einfache Konstruktion macht ihn eher für kleine und mittlere Betriebe geeignet.
Gabelantriebsmechanismus
Der Gabelkopf-Übertragungsmechanismus besteht hauptsächlich aus Führungsflügelarm, Verbindungsplatte, Gabelkopf, Gabelkopfbolzen, Verbindungsschraube, Mutter, Halbkeil, Scherbolzen, Wellenhülse, Enddeckel und Ausgleichsring usw.
Der Leitflügelarm und der Leitflügel sind mittels einer geteilten Passfeder verbunden, um das Betriebsdrehmoment direkt zu übertragen. Auf dem Leitflügelarm ist eine Endkappe montiert, an der der Leitflügel mit einer Stellschraube befestigt ist. Durch die geteilte Passfeder bewegt sich der Leitflügel beim Verstellen des Spalts zwischen den oberen und unteren Stirnflächen des Leitflügelkörpers auf und ab, ohne dass die Positionen anderer Getriebeteile beeinflusst werden.
Im Gabelkopfgetriebe sind der Führungsflügelarm und die Verbindungsplatte mit Scherbolzen ausgestattet. Wenn die Führungsflügel durch Fremdkörper blockiert werden, steigt die Betätigungskraft der betroffenen Getriebeteile sprunghaft an. Bei einer Belastung um das 1,5-Fache brechen die Scherbolzen zuerst, um andere Getriebeteile vor Beschädigungen zu schützen.
Zusätzlich kann an der Verbindung zwischen Verbindungsplatte bzw. Steuerring und Gabelkopf ein Ausgleichsring zur Justierung montiert werden, um die Verbindungsschraube waagerecht zu halten. Die Gewinde an beiden Enden der Verbindungsschraube sind jeweils links- und rechtsgängig, sodass die Länge der Verbindungsstange und die Öffnung der Leitschaufel während der Montage angepasst werden können.
Drehteil
Der rotierende Teil besteht hauptsächlich aus Laufrad, Hauptwelle, Lager und Dichtung. Das Laufrad wird aus Oberkrone, Unterring und Schaufeln zusammengefügt und verschweißt. Die meisten Turbinenhauptwellen sind gegossen. Es gibt verschiedene Arten von Führungslagern. Je nach Betriebsbedingungen des Kraftwerks kommen unterschiedliche Lagertypen zum Einsatz, z. B. wasser-, dünnöl- oder trockenölgeschmierte Lager. In Kraftwerken werden üblicherweise dünnölgeschmierte Zylinder- oder Blocklager verwendet.
Francis Runner
Der Francis-Lauf besteht aus einem oberen Schaufelkopf, Schaufeln und einem unteren Ring. Der obere Schaufelkopf ist üblicherweise mit einem Dichtring zur Reduzierung von Wasserverlusten und einem Druckentlastungsventil zur Verringerung des axialen Wasserdrucks ausgestattet. Auch der untere Ring verfügt über eine Dichtvorrichtung.
Axiallaufradschaufeln
Die Schaufel des Axialläufers (die Hauptkomponente zur Energieumwandlung) besteht aus zwei Teilen: dem Laufkörper und dem Drehzapfen. Sie werden separat gegossen und nach der Bearbeitung mit mechanischen Teilen wie Schnecken und Bolzen verbunden. (Der Laufkörper hat üblicherweise einen Durchmesser von mehr als 5 Metern.) Als Werkstoffe werden in der Regel ZG30 und ZG20MnSi verwendet. Die Schaufeln sind üblicherweise mit 4, 5, 6 oder 8 Schaufeln erhältlich.
Läuferkörper
Der Laufkörper ist mit allen Schaufeln und dem Betätigungsmechanismus ausgestattet. Sein oberer Teil ist mit der Hauptwelle, der untere mit dem komplex geformten Ablaufkegel verbunden. Üblicherweise besteht der Laufkörper aus ZG30 und ZG20MnSi. Die Form ist meist kugelförmig, um Volumenverluste zu minimieren. Die genaue Struktur des Laufkörpers hängt von der Anordnung des Relais und der Form des Betätigungsmechanismus ab. Die Kupplungsschraube nimmt in Verbindung mit der Hauptwelle lediglich die Axialkraft auf, während das Drehmoment von den entlang der radialen Richtung der Verbindungsfläche angeordneten zylindrischen Stiften aufgenommen wird.
Funktionsmechanismus
Direkte Verbindung mit dem Bedienrahmen:
1. Wenn sich der Blattwinkel in der mittleren Position befindet, ist der Arm horizontal und die Verbindungsstange vertikal.
2. Der Dreharm und die Klinge nutzen zylindrische Stifte zur Drehmomentübertragung, die radiale Position wird durch den Sprengring festgelegt.
3. Die Pleuelstange ist in innere und äußere Pleuelstangen unterteilt, und die Kraft wird gleichmäßig verteilt.
4. Am Bedienrahmen befindet sich ein Griff, der die Justierung während der Montage erleichtert. Die Stirnfläche des Griffs am Bedienrahmen ist durch einen Anschlagstift begrenzt, um ein Blockieren der Verbindungsstange beim Festziehen des Griffs zu verhindern.
5. Der Bedienrahmen hat die Form eines „I“. Die meisten davon werden in kleinen und mittelgroßen Anlagen mit 4 bis 6 Klingen eingesetzt.
Geradliniger Verbindungsmechanismus ohne Betätigungsrahmen: 1. Der Betätigungsrahmen entfällt, und die Pleuelstange und der Dreharm werden direkt vom Relaiskolben angetrieben. (In großen Einheiten.)
Schräggelenkmechanismus mit Betätigungsrahmen: 1. Bei mittlerer Schaufelrotationsstellung weisen Schwenkarm und Verbindungsstange einen großen Neigungswinkel auf. 2. Der Hub des Relais wird erhöht, insbesondere bei Läufern mit mehr Schaufeln.
Läuferzimmer
Die Laufkammer ist eine geschweißte Stahlblechkonstruktion. Die kavitationsgefährdeten Bereiche im Mittelteil sind aus Edelstahl gefertigt, um die Kavitationsbeständigkeit zu verbessern. Die Laufkammer ist ausreichend steif, um im Betrieb einen gleichmäßigen Spalt zwischen den Laufschaufeln und der Laufkammer zu gewährleisten. Unser Werk verwendet ein umfassendes Fertigungsverfahren: A. CNC-Vertikaldrehbearbeitung. B. Profilbearbeitung. Der gerade Kegelabschnitt des Saugrohrs wird im Werk mit Stahlblechen ausgekleidet und vor Ort montiert.
Veröffentlichungsdatum: 26. September 2022
