Wasserkraftmaschinen Eine Einführung in Wesen, Bau und Berechnung von Wasserkraftmaschinen und Wasserkraftanlagen von Dipl.-Ing. L. Quantz VDI Stettin Achte, erweiterte und verbesserte Auflage Mit 217 Abbildungen im Text Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1939 ISBN 978-3-662-35780-4 ISBN 978-3-662-36610-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-36610-3 Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Copyright 1929 and 1939 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg Ursprünglich erschienen beiJulius Springer, Berlin 1939 Vorwort zur achten Auflage Vor 32 Jahren schrieb ich die erste Auflage. Damals war die Francis Turbine, besonders durch die Lehrtätigkeit von Professor Pfarr, Darmstadt, bekannt geworden, und von vielen Seiten wurde für die Ausnutzung der unerschöpflichen Energie der "weißen Kohle" ge worben, damit kein Raubbau an dem Volksvermögen der schwarzen Kohle getrieben werde. Die Firmen: Voith, Escher-Wyss, Lutter, Briegleb-Hansen, Queva u. a. hatten sich für die Verbreitung der Turbinen, besonders der Francis-Turbine, eingesetzt und für ihre Ver vollkommnung gesorgt. Seitdem sind große Veränderungen im Wasserturbinenbau 'er folgt, aber mein stetes Bestreben war es, mein Büchlein den Fort schritten anzupassen. Daher sind auch aus der ersten Auflage nur wenige Abbildungen erhalten geblieben; eigentlich nur solche, welche die geschichtliche Entwicklung oder theoretische Vorgänge darstellen. Durchschnittlich alle 41/2 Jahre ist eine neue Auflage von 2-3000 Stück notwendig geworden, und dies darf ich wohl zu meiner Genugtuung feststellen, um so mehr als das Büchlein auch in mehrere Fremdsprachen übersetzt worden ist. In der vorliegenden achten Auflage sind wieder veraltete Formen und Erkenntnisse durch solche ersetzt worden, die der letzten Ent wicklung des Wasserturbinenbaues entsprechen. Besonders wurde der ungeahnten Entwicklung der Propeller-Turbinen Rechnung ge tragen, welche in den letzten Jahren die Fraucis-Turbinen auch bei größeren Gefällhöhen vielfach verdrängt haben. Beibehalten wurde IV Vorwort zur achten Auflage. aber von mir, wie bei allen seitherigen Auflagen, einerseits die elemen tare Behandlung, welche für die Grundlagen der Turbinentheorie vollkommen ausreicht, und andererseits die Theorie der vereinfachten Wasserströmung, also die sogenannte "Stromfadentheorie", trotz der ihr anhaftenden Willkürlichkeit. Sie bildet aber auch heute noch den Ausgangspunkt für den Entwurf der Turbinenlaufräder. Entspre chende Hinweise auf neuere Anschauungen und ihre Literatur werden den Lesern, die sich eingehender vertraut machen wollen, willkom men sem. So möge auch die achte Auflage ihren Zweck als "Einführung" er füllen und mit dazu beitragen, daß der Wasserturbinenbau in Deutsch land, welcher in den letzten Jahren fast gänzlich brach gelegen hat, einen neuen Auftrieb erhält zum Wohle des Volks-Ganzen. Stettin, im Dezember 1938. Dipl.-lng. L. Quantz Inhaltsverzeichnis. I. Wasserkraftanlagen. Seite 1. .Allgemeines über Wasserkraftanlagen. Vorarbeiten 1 .A. Wasserkräfte und ihre Bedeutung 1 B. .Ausnutzung der Wasserkräfte 2 C. Vorarbeiten . 6 2. Wassermessung . . . . . . 7 A. .Allgemeines . . . . . . 7 B. Messung durch Überfall . 8 C. W oltmannscher Flügel . 9 D. "Schirm"-Messung . . . 11 3. Wehre und Zuleitungen zu Kraftanlagen 12 A. Wehre. . . . . . . . . . . . . . 12 B. Offene Zuleitungen zu Kraftanlagen - Berechnung des Kanal- gefälles . . . . . . . . . . 17 C. Rohrleitungen . . . . . . . 20 4. Einlaßschützen und Rechen 25 .A. Einlaßschützen . 25 B. Rechen ........ . 30 II. Allgemeines über Wasserkraftmaschinen. 5. Arten der Wasserkraftmaschinen, Forderungen der Neuzeit und Einteilung der Turbinen 32 6. Turbinen-Arten. . . 36 A. "Überdruckturbinen . . . . . . . . 36 B. Freistrahlturbinen . . . . . . . . 37 7. Die Bewegung des Wassers in den Turbinen 39 8. .Allgemeine Betrachtungen aus der Hydrodynamik . 42 9. Die .Arbeitsleistung des Wassers in Turbinen. 46 .A. "Beschleunigungsrückdruck" und "Strahldruck" . . . 46 B. Die Turbinen-Hauptgleichung. . . . . . . . . . . . 48 10. Verhalten der Turbinen bei wechselndem Gefälle. 51 A. Änderung der Umlaufszahl n . 51 B. Änderung der Wassermenge Q. 51 C. Änderung der Leistung N. 52 11. Spezifische Drehzahl n8 • • • • 53 VI Inhaltsverzeichnis. 111. l'rancis-Turbinen. Seite 12. Konstruktionsformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 13 . .Allgemeine Berechnungsgrundlagen bei Fraucis-Turbinen 59 .A. Laufrad. - Einfluß des Winkels ß auf Schaufelform und Drehzahl 59 1 B. Saugrohr und Kavitation . . . . . . . 63 C. Verhältnisse bei Regelung der Turbine . 66 14. Berechnung der Francis-Turbine 68 .A. Normalläufer . . . . . . . 68 B. Schnelläufer . . . . . . . . . . 72 15. Konstruktion der LaufradschaufeL 76 A. Schaufelschnitte . . . . 77 0 • • • B. Übertragung und Radialschnitte . . 78 C. 1\:lodellschnitte und Schaufelklotz 80 0 • 16. Regelung der Francis-Turbinen. - Leitschaufeln. - Kenn- linien ........ 82 0 • • • • • 0 0 • • • • A. Zweck der Regelung. . . . . . 82 0 0 0 0 • • • B. Drehbare Leitschaufeln . . 83 0 • • • • C. Der Regler. . . . . . . . . . . . . 86 D. Kennlinien und Wirkungsgradkurven. 89 17. Spurlager . . . . . . . . 92 A. Einfache Ringspurlager 92 B. Kugelspurlager . . . . 94 C. Segment-Drucklager. . 95 D. Berechnung der Spurlager. 96 18. Aufstellungsarten von Francis-Turbinen 97 .A. W asserkammer. - Stehende Welle . 97 B. Wasserkammer. - Liegende Welle. 104 C. Rohrzuleitung. - Gehäuseturbinen . 109 IV. Propeller- und Kaplan-Turbinen. 19. Entwicklung, Wirkungsweise und Radformen 116 20. Regelung der Propeller- und Kaplan-Turbinen . 122 .A. Einfluß auf Wasserbewegung und Wirkungsgrad. . 122 B. Regelantriebe bei Kaplan-Turbinen. . . . . . . . 124 21. Aufstellungsarten von Propeller- und Kaplan-Turbinen. 126 22. Berechnungsgrundlagen 131 .A . .Allgemeines . . . . 131 B. Berechnungsbeispiel . 134 V. Freistrahlturbinen. 23 . .Allgemeines. -.Aufbau und Regelung .. 137 24. Berechnungen und Konstruktionsannahmen 146 25. Berechnungsbeispiel ............ . 150 Literaturverzeichnis. Wasserkraftanlagen. Ludin, Die Wasserkräfte, ihr Ausbau usw., Berlin: Julius Springer, 1923. Mattern, Die Ausnutzung der Wasserkräfte, Berlin: Engelmann, 1921. Schlotthauer, Über Wasserkraftanlagen, München: Oldenbourg, 1923. S y m p her, DieWasserwirtschaft Deutschlands und ihre Aufgaben, 2 Bände, 1922. "Die Wasserkraft-Wirtschaft Deutschlands." Herausgegeben vom Deutschen Wasserwirtschafts- und Wasserkraft-Verband 1930. Turbinen theorie. Banki, Energie-Umwandlungen in Flüssigkeiten, Bd. I: Einleitung in die Kon- struktionslehre der Wasserkraftmaschinen usw., Berlin: Julius Springer, 1921. Brauer, Turbinentheorie, Leipzig: Hirzel. Escher-Dubs, Theorie der Wasserturbinen, Berlin: Julius Springer, 1924. Spannhake, Kreiselräder als Pumpen u. Turbinen, I. Bd. Berlin: J. Springer, 1931. Wasserkraftmaschinen. Ca m er er, Berechnungen bei Francisturbinen, Forschungsheft N r. 139. Camerer, Vorlesungen über Wasserkraftmaschinen, Berlin: Engelmann, 1924. Honold-Albrecht, Francisturbinen, Mittweida: R. Schulze, 1910. Thom ann, Wasserturbinen, Stuttgart: Wittwer, 1924. Müller, Die Wasserräder, Leipzig: M. Schäfer, 1930. Kaplan-Lechner, Turbinen-Schnelläufer, München: Oldenbourg, 1931. Regeln für Abnahme-Versuche, Berlin: VDI-Verlag, 1936. Turbinen-Regulatoren. *Bauersfeld, Autom. Regulierung von Turbinen, Berlin: Julius Springer, 1905. Budau, Regulierung hydraulischer Motoren, Wien und Leipzig: Fromme Druckschriften von J. M. Voith, Heidenheim u. Escher Wyss, Ravensburg Zeitschriften. Schweizerische Bauzeitung. "Wasserkraft und Wasserwirtschaft." Z. d. Vereins deutscher Ingenieure. * Vergriffen! I. W asserkraftanlagen. 1. Allgemeines über Wasserkraftanlagen. - Vorarbeiten. A. Wasserkräfte und ihre Bedeutung. "W a s s er k r ä f t e", d. h. in Gewässern aufgespeicherte Energien, stehen uns überall zur Verfügung, denn jedes Gewässer, ob stehend oder fließend, ließe sich durch Stauung und Ableitung zur Arbeits leistung heranziehen. Vielfach werden aber im Vergleich zu der er zielten Arbeitsleistung die Anlagekosten derart hohe, daß sich die Ausnutzung nicht lohnen würde. Dies tritt vor allen Dingen bei Flüssen des Flachlandes auf, weil hier zwar in der Regel große Wassermengen vorhanden sind, aber vielfach das Gefälle zu gering ist, so daß umfangreiche Wehr- und Kanalbauten notwendig werden und doch nur geringe Leistungen her ausgeschlagen werden können. Trotzdem sind aber im Tieflande viele wirtschaftlich günstige Anlagen zu finden. Erwähnt seien z. B. nur einige pommersehe Kraftwerke, wie z. B. bei Lietzow und bei Lebbin an der Rega (zus. 5300 PS), in Rossnow an der Radüe (6900 PS), bei Krien und Klaushof an der Stolpe (zus. 7400 PS) und das Kraftwerk am Glarnbocksee bei Stolp mit 5500 PS. Zur Zeit stehen den pommer sehen Überland-Kraftwerken 13 Wasserkraftwerke mit zusammen etwa 40000 PS zur Verfügung, die jährlich rund 60 Mill. kWh liefern. Beachtenswert ist ferner ein großes Wasserkraftelektrizitätswerk von ungefähr 11500 PS in Hemelingen bei Bremen, welches in einer zur Weserkorrektion notwendig werdenden Wehr- und Schleusenanlage errichtet wurde und dadurch Energien ausnützt, welche sonst verloren gegangen wären. (Abb. 18 später.) Gebirgige Gegenden sind natürlich reicher an ausnutzbaren Wasserkräften, so z. B. Mittel- und Süddeutschland, Österreich, die Schweiz, vor allem aber Schweden und Norwegen sowie die Vereinigten Staaten von Nordamerika. In der Schweiz stehen noch reiche Kraft quellen zur Verfügung, und dies kommt dem Lande um so mehr zugute, als es keine Kohlenschätze aufzuweisen hat. Im Jahre 1935 waren dort etwa 2 Millionen PS ausgebaut und es wurden nahezu 5 Milliarden kWh erzeugt. Bayern verfügt über ungefähr 4 Millionen PS, wovon es be reits einen großen Teil im Walchenseewerk, den Werken an der Isar, dem Inn, Lech usw. ausgebaut hat. Die gesamten Wasserkräfte in Groß deuts eh land werden nach neuesten Schätzungen!) auf rund 16Mil lionen PS angegeben, wovon etwa der dritte Teil zur Zeit aus genützt sein wird. Bei 6000 Betriebsstunden im Jahre und einem Kohlenverbrauch von 0,6 kg pro PS-Stunde werden durch Aus nutzung der gesamten deutschen Wasserkräfte also mindestens 1) Nach Angaben der "Weltkraftkonferenz", 1930, in Berlin. Quantz, Wasserkraftmaschinen. s .Auf!. 1 2 W asserkraftanlagen. 16000000 · 6000 · 0,6=57,5 MillionentKohle jährlich erspart. Die Was serkräfte in Schweden und Norwegen werden auf 21 Millionen PS geschätzt, und es stellen sich dort vielfach Anlage- und Betriebskosten so gering, daß sich der in solchen Anlagen erzeugte elektrische Strom mitunter auf nur 1 Pf. pro Kilowattstunde stellt. Die Frage, ob sich eine Wasserkraftanlage in einem bestimmten Falle lohnt, ist natürlich nicht ohne weiteres zu beantworten. Es müssen die Anlagekosten erst aufgestellt werden, und hierbei ist im allgemeinen als obere Grenze für lohnenden Ausbau 1000 Mark für die Pferdestärke anzunehmen, bezogen auf die durchschnittliche Jahres leistung. Wird eine solche Anlage an sich dann auch wesentlich teurer als eine Dampfkraftanlage, so ist doch vor allem zu beachten, daß die reinen Betriebskosten (also Ausgaben für Löhne, Schmier- und Putzmaterial, Reparaturen, Versicherungen, aber ohne Verzinsung und Amortisation desAnlagekapitals) nachher nur außerordentlichgering sind. Die Kostenfür ausgeführte Wasserkraftanlagen schwanken bedeutend, und zwar werden im allgemeinen Anlagen mit geringem Gefälle teurer als Hochdruckanlagen. Während 1700Mk. für die Pferdestärke vor 1914 als oberste Grenze galt, so können als niedrigste Werte bei besonders gün stigen Anlagen für Deutschland 180 Mk., für die Schweiz 70 Mk., für Kali fornien etwa 50 Mk. für die Pferdestärke angenommen werden. In letz terem Falle können also auch sehr geringe Stromkosten erzielt werden. B. Ausnutzung der Wasserkräfte. Die Ausnutzung der Wasserkräfte kann erfolgen: a) durch Anlagen im Flusse selbst, b) durch besondere Kanalanlagen, c) durch Kanäle und Rohrleitungen, und zwar richtet sich dies nach dem Gelände und den sonstigen örtlichen Verhältnissen. k Stauweite L------~~ ~-----~l---~~ ~ ~ ~-- - - ~- - ~ -1~ ~ - ~ ~ - - - ~ -,_~-~n----. Abb. 1. Stauweiten l und L. a) Anlagen im Flusse selbst. Im allgemeinen werden diese An lagen einfach. Sie sind auch dort ohne weiteres gegeben, wo die Wasserkraftanlage mit einer Schleusenanlage einer Schiffahrtsstraße verbunden wirdl). Durch ein Wehr ist der Fluß aufzustauen und hierbei ist zu beachten, daß sich der Stau bis zu einer ziemlich großen Strecke flußaufwärts bemerkbar macht, also die gesamten Geländeverhältnisse berücksichtigt werden müssen. Beträgt die Stauhöhe H m und ist das 1) z. B. bei den neuerenAnlagen am Main, Neckar, dem Rhein, der Donau usw. (vgl. Abb. 16, 18 u. 20). Auch die in neuester Zeit ausgeführten "Unter wasser-Kraftwerke" an der Persante (1200 PS) und der Iller (10000 PS) sind unmittelbar in den Staudamm eingebaut (vgl. S. 131).