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Die Durchströmturbine auch bekannt als Querstromturbine oder nach den Namen der Entwickler als Bánki Turbine Michell Tur
Durchströmturbine
Die Durchströmturbine, auch bekannt als Querstromturbine oder nach den Namen der Entwickler als Bánki-Turbine, Michell-Turbine oder Ossberger-Turbine, ist eine Wasserturbine, bei der das Wasser den Turbinenläufer anders als bei einer gewöhnlichen, axial oder radial durchströmten Turbine, quer durchströmt. Das Wasser tritt am Umfang ein und nach Durchlaufen des Laufradinneren gegenüberliegend wieder aus. Durch den doppelten Aufschlag ergibt sich eine vergleichsweise bessere Wirkung und damit ein gewisser Selbstreinigungseffekt oder Schmutzresistenz. Die Durchströmturbine zählt nach ihrer spezifischen Drehzahl zu den Langsamläufern.
Die Turbine wurde parallel vom Ungarn Donát Bánki, vom Deutschen Fritz Ossberger und vom Australier Anthony George Maldon Michell entwickelt. Ossberger brachte diese Turbinenbauart zur Serienreife. Er patentierte 1922 eine „Freistrahlturbine“ und 1933 die „Durchströmturbine“. Das von ihm gegründete Unternehmen ist heute führender Hersteller dieses Turbinentyps.
Das Zellenrad ist in der Breite geteilt, meist im Verhältnis 1:2, die Wasserregelung durch den gleich geteilten Regulierapparat (Klappensystem im Oberwasser) erlaubt einen dreistufigen Betrieb; je nach Wasseranfall mit einem Drittel (kleines Breitenteil), zwei Drittel (großes Breitenteil) oder drei Drittel (beide Breitenteile) der vollen Leistung. Dadurch bleibt der Wirkungsgrad hoch, auch wenn der Wasserzustrom gering ist.
Ausführliche Beschreibung
Die Turbine besteht aus einem walzenförmigen Laufrad mit horizontaler Welle, bestehend aus zahlreichen (bis zu 37 Stk.), im Kreis angeordneten parallelen Schaufeln mit beidseitig angespitztem Profil (wegen des Strömungswiderstandes), bestehend aus einem halbierten Kreisringquerschnitt (Rohr der Länge nach auseinandergeschnitten). Um die käfigförmig angebrachten halbzylindrischen Schaufeln anzuschweißen, sind an beiden Wellenenden kreisrunde Randscheiben angeordnet. Die Welle geht oft nicht durch, weil sie der Strömung im Weg wäre. Beim Aussehen ist der Vergleich mit einem Hamster-Laufrad naheliegend: Die dort runden Laufstäbe sind bei der Turbine rinnenförmig.
Die Turbine wird zunächst von außen nach innen beaufschlagt. Der klappen- und/oder zungenförmige Regulierapparat variiert durch Querschnittsveränderung die Durchflussmenge der Turbine. Die Richtung des Wasserstrahles zur gedachten zylindrischen Laufradaußenfläche ist konstruktiv durch eine feststehende Düse erzeugt, so, dass das Wasser relativ unter ca. 45 Grad zur Eintrittstangente in das Laufrad eintritt und dabei einen Teil der kinetischen Energie an die gerade aktiven Zylinderschaufeln abgibt.
Je nach Stellung des Regulierapparates (0–100 %) werden auch 0–100 % * 30/4 Schaufeln beaufschlagt. Die Triebwasserzufuhr wird durch zwei kraftausgeglichene Profilleitschaufeln gesteuert. Die Leitschaufeln teilen den Wasserstrom, richten ihn und lassen ihn stoßfrei in den Läufer eintreten, unabhängig von der Öffnungsweite. Beide Drehschaufeln sind exakt in das Turbinengehäuse eingepasst. Sie halten die Leckagemenge so klein, dass die Leitschaufeln bei geringen Fallhöhen als Absperrorgan dienen können. Dann können Absperrschieber zwischen Druckrohr und Turbine entfallen. Beide Leitschaufeln lassen sich getrennt voneinander über Regulierhebel verstellen, an die die Automatik- oder Handregulierung angeschlossen ist. Die Turbinengeometrie (Düse–Laufrad–Welle) stellt somit sicher, dass im Laufradinneren kein Zerbesen oder Zerstäuben des Wasserstrahles an der Welle (durch Berührung) auftritt, da ca. 1/3 der Gesamtleistung noch beim Austritt von innen nach außen an das Laufrad abzugeben ist. Damit wird am Laufrad zweimal Arbeit im Verhältnis 2:1 verrichtet. Aus der Sicht der Beschaufelung fließt das Wasser bidirektional durch die Schaufelkanäle, außen–innen und innen–außen. Dadurch, dass die meisten Turbinen zweistrahlig arbeiten, sind zwei Wasserstrahlen im Inneren des Laufrades ohne gegenseitige Beeinträchtigung zu führen. Dies ist jedoch nur gesichert, wenn Turbine, Gefälle und Turbinendrehzahl aufeinander abgestimmt sind.
Die Durchströmturbine ist eine Gleichdruckturbine, das heißt der Druck am Laufrad ändert sich nicht.
Meist wird eine Durchströmturbine in Zellenbauweise gebaut, um ihr Gesamt-Teillastverhalten zu verbessern. Die Turbine besteht dabei aus zwei Kammern mit zwei Laufrädern auf einer gemeinsamen Welle, wobei die Kammern für 1/3 und 2/3 des Volumenstroms aufgeteilt sind. Die kleinere Kammer wird bei kleinen Wasserströmen benutzt, die größere bei mittlerer Wassermenge und bei großem Wasseraufkommen werden beide Kammern durchströmt.
Vergleich mit anderen Turbinen
Im Vergleich zu Kaplan-, Francis- und Peltonturbinen hat die Durchströmturbine einen leicht geringeren Spitzenwirkungsgrad, den der flache Verlauf des Wirkungsgrades jedoch aufwiegt. Durch die Aufteilung wird jede Wassermenge von 1/6 bis 1/1 Beaufschlagung mit optimalem Wirkungsgrad verarbeitet. Aufgrund des günstigen Preises und der einfachen Regulierbarkeit wird sie vor allem bei Klein- und Kleinstkraftwerken mit einer Nennleistung bis ca. 5.000 kW und Fallhöhen bis 200 Meter eingesetzt. Gerade bei kleinen Laufwasserkraftwerken bringt der flache Wirkungsgradverlauf eine höhere Jahresarbeit als bei anderen Turbinensystemen, da Laufgewässer oft über mehrere Monate eine schwache Wasserführung haben. Ob in dieser Zeit Strom erzeugt wird, hängt von der Wirkungsgradcharakteristik der jeweiligen Turbine ab. Turbinen mit hohem Spitzenwirkungsgrad, aber ungünstigem Teillastverhalten, erwirtschaften in Laufwasserkraftwerken mit schwankender Wasserführung einen geringeren Jahresertrag als Turbinen mit flachem Verlauf der Wirkungsgradkurve. Wegen des robusten Teillastverhaltens ist die Turbine auch sehr gut für autonome Stromerzeugung geeignet. Ein Vorteil gegenüber allen übrigen Turbinentypen liegt in der Einfachheit der Konstruktion, es gibt maximal zwei Wälzlager zu tauschen und nur drei sich drehende Teile, die Mechanik ist sehr einfach und daher von fast jedermann ohne Spezialwerkzeug zu reparieren.
Dadurch, dass der Wasserstrahl in das Laufradinnere eintritt und sogleich wieder von innen nach außen seine Durchströmrichtung umkehrt, können Laub, Gras etc. nicht im Laufradinneren hängenbleiben und dadurch Strömungsverluste erzeugen. Die niedrigere Nennwirkungsgradverlaufskurve als Funktion des Teillast/Volllast-Verhältnisses wird durch das ständig saubere Laufrad konstant gehalten. Andere Turbinentypen mit geringer Leistung sind bei unidirektionaler Wasserführung verschmutzungsgefährdeter und verlieren dabei Leistung. Hier muss ein Laufrad-Reinigungsvorgang durch Strömungsumkehr bzw. Strömungsstörung durch Drehzahländerung durchgeführt werden, der bei Durchströmturbinen entfällt.
Literatur
- Philipp Oppermann, Torsten Rüdinger: Kleine Mühlenkunde: Deutsche Technikgeschichte vom Reibstein zur Industriemühle, herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Mühlenkunde und Mühlenerhaltung e. V., Terra Press, Berlin / Potsdam 2010, ISBN 978-3-9811626-7-7.
Einzelnachweise
- Patent DE361593: Freistrahlturbine. Angemeldet am 14. Februar 1922, veröffentlicht am 16. Oktober 1922, Anmelder: Fritz Ossberger.
- Patent DE615445: Durchströmturbine. Angemeldet am 23. März 1933, veröffentlicht am 5. Juli 1935, Anmelder: Fritz Ossberger.
Weblinks
- Wasserkraft in Entwicklungsländern
- Geschichtliches zu Wasserkraftwerken
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Die Durchstromturbine auch bekannt als Querstromturbine oder nach den Namen der Entwickler als Banki Turbine Michell Turbine oder Ossberger Turbine ist eine Wasserturbine bei der das Wasser den Turbinenlaufer anders als bei einer gewohnlichen axial oder radial durchstromten Turbine quer durchstromt Das Wasser tritt am Umfang ein und nach Durchlaufen des Laufradinneren gegenuberliegend wieder aus Durch den doppelten Aufschlag ergibt sich eine vergleichsweise bessere Wirkung und damit ein gewisser Selbstreinigungseffekt oder Schmutzresistenz Die Durchstromturbine zahlt nach ihrer spezifischen Drehzahl zu den Langsamlaufern Funktionsweise einer Durchstromturbine 1 Beluftungsventil 2 Leitapparat 3 Gehause 4 Laufrad 5 Eckkasten 6 Schaufeln 7 Wasserfluss 8 Welle Die Turbine wurde parallel vom Ungarn Donat Banki vom Deutschen Fritz Ossberger und vom Australier Anthony George Maldon Michell entwickelt Ossberger brachte diese Turbinenbauart zur Serienreife Er patentierte 1922 eine Freistrahlturbine und 1933 die Durchstromturbine Das von ihm gegrundete Unternehmen ist heute fuhrender Hersteller dieses Turbinentyps Das Zellenrad ist in der Breite geteilt meist im Verhaltnis 1 2 die Wasserregelung durch den gleich geteilten Regulierapparat Klappensystem im Oberwasser erlaubt einen dreistufigen Betrieb je nach Wasseranfall mit einem Drittel kleines Breitenteil zwei Drittel grosses Breitenteil oder drei Drittel beide Breitenteile der vollen Leistung Dadurch bleibt der Wirkungsgrad hoch auch wenn der Wasserzustrom gering ist Ausfuhrliche BeschreibungAufbau einer Ossberger Turbine 2 zellig 1 2 Zulauf von oben Beaufschlagung von der Seite Die Turbine besteht aus einem walzenformigen Laufrad mit horizontaler Welle bestehend aus zahlreichen bis zu 37 Stk im Kreis angeordneten parallelen Schaufeln mit beidseitig angespitztem Profil wegen des Stromungswiderstandes bestehend aus einem halbierten Kreisringquerschnitt Rohr der Lange nach auseinandergeschnitten Um die kafigformig angebrachten halbzylindrischen Schaufeln anzuschweissen sind an beiden Wellenenden kreisrunde Randscheiben angeordnet Die Welle geht oft nicht durch weil sie der Stromung im Weg ware Beim Aussehen ist der Vergleich mit einem Hamster Laufrad naheliegend Die dort runden Laufstabe sind bei der Turbine rinnenformig Die Turbine wird zunachst von aussen nach innen beaufschlagt Der klappen und oder zungenformige Regulierapparat variiert durch Querschnittsveranderung die Durchflussmenge der Turbine Die Richtung des Wasserstrahles zur gedachten zylindrischen Laufradaussenflache ist konstruktiv durch eine feststehende Duse erzeugt so dass das Wasser relativ unter ca 45 Grad zur Eintrittstangente in das Laufrad eintritt und dabei einen Teil der kinetischen Energie an die gerade aktiven Zylinderschaufeln abgibt Je nach Stellung des Regulierapparates 0 100 werden auch 0 100 30 4 Schaufeln beaufschlagt Die Triebwasserzufuhr wird durch zwei kraftausgeglichene Profilleitschaufeln gesteuert Die Leitschaufeln teilen den Wasserstrom richten ihn und lassen ihn stossfrei in den Laufer eintreten unabhangig von der Offnungsweite Beide Drehschaufeln sind exakt in das Turbinengehause eingepasst Sie halten die Leckagemenge so klein dass die Leitschaufeln bei geringen Fallhohen als Absperrorgan dienen konnen Dann konnen Absperrschieber zwischen Druckrohr und Turbine entfallen Beide Leitschaufeln lassen sich getrennt voneinander uber Regulierhebel verstellen an die die Automatik oder Handregulierung angeschlossen ist Die Turbinengeometrie Duse Laufrad Welle stellt somit sicher dass im Laufradinneren kein Zerbesen oder Zerstauben des Wasserstrahles an der Welle durch Beruhrung auftritt da ca 1 3 der Gesamtleistung noch beim Austritt von innen nach aussen an das Laufrad abzugeben ist Damit wird am Laufrad zweimal Arbeit im Verhaltnis 2 1 verrichtet Aus der Sicht der Beschaufelung fliesst das Wasser bidirektional durch die Schaufelkanale aussen innen und innen aussen Dadurch dass die meisten Turbinen zweistrahlig arbeiten sind zwei Wasserstrahlen im Inneren des Laufrades ohne gegenseitige Beeintrachtigung zu fuhren Dies ist jedoch nur gesichert wenn Turbine Gefalle und Turbinendrehzahl aufeinander abgestimmt sind Die Durchstromturbine ist eine Gleichdruckturbine das heisst der Druck am Laufrad andert sich nicht Meist wird eine Durchstromturbine in Zellenbauweise gebaut um ihr Gesamt Teillastverhalten zu verbessern Die Turbine besteht dabei aus zwei Kammern mit zwei Laufradern auf einer gemeinsamen Welle wobei die Kammern fur 1 3 und 2 3 des Volumenstroms aufgeteilt sind Die kleinere Kammer wird bei kleinen Wasserstromen benutzt die grossere bei mittlerer Wassermenge und bei grossem Wasseraufkommen werden beide Kammern durchstromt Vergleich mit anderen TurbinenOssberger Turbine des Wasserkraftwerks der Neumuhle im Inselbetrieb Im Vergleich zu Kaplan Francis und Peltonturbinen hat die Durchstromturbine einen leicht geringeren Spitzenwirkungsgrad den der flache Verlauf des Wirkungsgrades jedoch aufwiegt Durch die Aufteilung wird jede Wassermenge von 1 6 bis 1 1 Beaufschlagung mit optimalem Wirkungsgrad verarbeitet Aufgrund des gunstigen Preises und der einfachen Regulierbarkeit wird sie vor allem bei Klein und Kleinstkraftwerken mit einer Nennleistung bis ca 5 000 kW und Fallhohen bis 200 Meter eingesetzt Gerade bei kleinen Laufwasserkraftwerken bringt der flache Wirkungsgradverlauf eine hohere Jahresarbeit als bei anderen Turbinensystemen da Laufgewasser oft uber mehrere Monate eine schwache Wasserfuhrung haben Ob in dieser Zeit Strom erzeugt wird hangt von der Wirkungsgradcharakteristik der jeweiligen Turbine ab Turbinen mit hohem Spitzenwirkungsgrad aber ungunstigem Teillastverhalten erwirtschaften in Laufwasserkraftwerken mit schwankender Wasserfuhrung einen geringeren Jahresertrag als Turbinen mit flachem Verlauf der Wirkungsgradkurve Wegen des robusten Teillastverhaltens ist die Turbine auch sehr gut fur autonome Stromerzeugung geeignet Ein Vorteil gegenuber allen ubrigen Turbinentypen liegt in der Einfachheit der Konstruktion es gibt maximal zwei Walzlager zu tauschen und nur drei sich drehende Teile die Mechanik ist sehr einfach und daher von fast jedermann ohne Spezialwerkzeug zu reparieren Dadurch dass der Wasserstrahl in das Laufradinnere eintritt und sogleich wieder von innen nach aussen seine Durchstromrichtung umkehrt konnen Laub Gras etc nicht im Laufradinneren hangenbleiben und dadurch Stromungsverluste erzeugen Die niedrigere Nennwirkungsgradverlaufskurve als Funktion des Teillast Volllast Verhaltnisses wird durch das standig saubere Laufrad konstant gehalten Andere Turbinentypen mit geringer Leistung sind bei unidirektionaler Wasserfuhrung verschmutzungsgefahrdeter und verlieren dabei Leistung Hier muss ein Laufrad Reinigungsvorgang durch Stromungsumkehr bzw Stromungsstorung durch Drehzahlanderung durchgefuhrt werden der bei Durchstromturbinen entfallt LiteraturPhilipp Oppermann Torsten Rudinger Kleine Muhlenkunde Deutsche Technikgeschichte vom Reibstein zur Industriemuhle herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft fur Muhlenkunde und Muhlenerhaltung e V Terra Press Berlin Potsdam 2010 ISBN 978 3 9811626 7 7 EinzelnachweisePatent DE361593 Freistrahlturbine Angemeldet am 14 Februar 1922 veroffentlicht am 16 Oktober 1922 Anmelder Fritz Ossberger Patent DE615445 Durchstromturbine Angemeldet am 23 Marz 1933 veroffentlicht am 5 Juli 1935 Anmelder Fritz Ossberger WeblinksCommons Durchstromturbine Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Wasserkraft in Entwicklungslandern Geschichtliches zu Wasserkraftwerken