Wasserkraftmaschinen: Eine Einfuhrung in Wesen, Bau und Berechnung von Wasserkraftmaschinen und Wasserkraftanlagen

183 Pages·1948·9.796 MB·German

by  Dipl.-Ing. L. Quantz (auth.)

Wasserkraftmaschinen
Eine Einführung in Wesen, Bau und Berechnung
vonW asserkraftmaschinen und Wasserkraftanlagen
von
Dipl.-Ing. L. Quantz
Staat!. Baurat a. D., Frankfurt a. Main
Neunte
erweiterte und verbesserte Auflage
Mit 225 Abbildungen im Text
und 2 Leitertafeln
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1948
ISBN 978-3-662-13413-9 ISBN 978-3-662-13412-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-13412-2
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1929, 1939 and 1948 I:iy Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag in Berlin 1948
Gedruckt in der Gallus Druckerei KG Berlin Charloltenburg 2
Vorwort zur neunten Auflage
Vor 40 Jahren, im Fruhjahr 1907, erschien die erste Auflage
dieses Buches. Damals war die Francist ur bin e, besonders
durch die Lehrtatigkeit von Professor Pfarr, Darmstadt, bekannt
geworden und von vielen Seiten wurde fur d1e Ausnutzung der
unerschopflichen Energie der "weißen K o h I e" geworben, damit
kein Raubbau an dem Volksvermogen der schwarzen Kohle getrieben
werde. Mehrere deutsche Firmen, vor allen; I.M. V o i t h, Heiden·
heim, Brie g I e b • H a n s e n & Co , Gotha, und Esche r · W y s s,
Ravensburg, hatten sich fur die Verbreitung der Turbinen, beson·
ders der Francisturbine, eingesetzt und für ihre stete Vervoll·
kommnung gesorgt.
Seitdem sind sehr große Veranderungen im Wasser·
turbinenbau eingetreten und neue Formen entwickelt worden, welche
ungeahnte Verbesserungen brachten. Mein stetes Bestreben ist
aber gewesen, das Büchlein den jeweiligen Fortschritten anzu
passen und so sind z. B. auch nur solche Abbildungen aus der
ersten Auflage erhalten geblieben, welche geschichtliche Entwick·
Iungen oder theoret1sche Vorgange darstellen. Durchschnittlich <ille
ftinf Jahre ist eine neue Auflage von emigen tausend Stuck not·
wend~g gewesen und außerdem wurde das Buchlein in mehrere
Fremdsprachen ubersetzt.
ln der vorliegenden neunten Auflage sind wieder veraltete Formen
und Erkenntn1sse durch solche ersetzt worden, die der letzten Ent·
wiekJung des Wasserturbinenbaues entsprechen. Besonders wurde
der ungeahnten Entwicklung der Pro p e II er tu r bin e n Rechnung
getragen, welch\! die Francisturbmen auch bei größeren Fallhohen
vielfach verdrangt haben. Neu aufgenommen wurden die Durch·
s t r o m ·Tu r b 1 n e n, die in letzter Ze1t fur kleinere Fallhohen
Verwendung finden. Schließlich 1st ein ganz neuer Abschnitt uber
d1e Normung der Turbinen und d1e Aufstellung von Tu r ·
bin e n reihen angefugt' worden, welcher einen Ausschnitt aus
meinen diesbezugliehen Arbeiten fur den deutsehen Normenausschuß
in den Jahren 1943 bis 1945 enthalt.
IV
Wie bei allen seitherigen Auflagen ist aber auch jetzt wieder die
e I e m e n t a r e Be h an d I u n g beibehalten worden, welche für
die Grundlagen der Turbinentheorie ausreicht. Entsprechende Hin
weise auf neuere Anschauungen und schwierigere Berechnungen
sind überall vorhanden.
Durch den unseligen Krieg und seine schlimmen Nachwirkungen ist
die Herausgabe der neunten Auflage um fast fünf Jahre verzögert
worden. Möge sie nun ihren Weg finden und mit dazu beitragen,
daß der Wasserturbinenbau einen neuen Auftrieb zum Wohle des
Volksganzen erhält!
Frankfurt a. M., Frühjahr 1947.
L. Quantz
Inhaltsverzeichnis.
I. Wasserkraftanlagen.
Seite
1. A II g e m e in e s üb e r W a s s er k r a f t a n I a g e 11. Vor-
arbeiten ........ .
A. Wasserkräfte und ihre Bedeutung
B. Atrsnutzung der Wasserkräfte 3
C. Vorarbeiten . . 7
2. W a s s e r m e s s u n g 9
A. Allgemeines . . 9
B. Messung durch überfall 9
C. Woltmannscher Flügel . 11
D. "Schirm"-Messung 13
3. W e h r e u n d Z u I e i t u n g e n z tt K r a f t a n I a g e n 13
A. Wehre ..... 13
B. Offene Zuleitungen zu Kraftanlagen Berechnung des
Kanalgefälles 20
C. Rohrleitungen 23
4. E in I a ß s c h ü t z e n u n.d R e c h e n 29
A. Einlaßschützen 29
B. Rechen . . . . . 34
II. Allgemeines über Wasserkraftmaschinen.
5. A r t e n d e r W a s s e r k r a f t m a s c h i n e n , F o r d e r u n g e n
d e r N e u z e i t u n d E i n t e i I u n g d e r T u r b i n e n 36
6. T u r b i n e n -A r t e n 40
A. Überdruckturbinen 40
B. Freistrahlturbinen . 41
7. Die Bewegung des Wassers in den Turbinen 44
8. A II g e m e i n e Be t r a c h t u n g e n a u s d e r H y d r o -
dy n a m i k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
9. D i e A r b e i t s I e ist u n g d e s W a s s e r s in T ur bin e n 50
A. "Beschleunigungsrückdruck" und "Strahldruck" . . . 50
B. Die Turbinen-Hauptgleichung . . . . . . . : . . 53
10. V e r h a I t e n d e r T u r b i n e n b e i w e c h s e I n d e m 0 e f ä II e 56
A. Änd~rung der Umlaufszahl n 56
B. Änderung der Wassermenge Q . . . . 56
C. Änderung der Leistung N . . . . . . 57
11. S p e z i f i s c h e D r e h z a h I e n n, u n d nq 58
VI Inhaltsverzeichnis.
111. Francis-Turbinen. Seite
12. K o n s t r u k t ionsformen . . . . . . . . .. 62
13. A II g e m e in e B e r e c h n u n g s g r u n d I a g e n b e i
Francis-Turbineil ..... 65
A. Laufrad. - Einfluß des Winkels ß auf Schaufelform und
1
Drehzahl . . . . . . . . . . 65
B. Saugrohr und Kavitation . . . . . 69
C. Verhältnisse bei Regelung der Turbine 73
14. B e r e 'C h n u n g d e r F r a n c i s -T u "r b i n e 75
A. Normalläufer . . . . . . . . 75
B. Schnelläufer . . 79
15. K o n s t r u k t i o n der Laufradschau f e I 83
A. Schaufelschnitte . . . . . 84
B. Übertragung und Radialschni'tte . . . 86
C. Modellschnitte und Schaufelklotz . . . 87
16. Regelung der Francis-Turbinen.- Leitschaufeln.
-Kennlinien.... 89
A. Zweck der Regelung. . 89
B. Drehbare Leitschaufeln 90
C. Der Regler . . . . . 93
D. Kennlinien und Wirkungsgradkurven 96
17. Spur I a g er . . . . . . 9Q
A. Einfache Ringspurlager . 99
B. Kugelspurlager . 101
C. Segment-Drucklager . . 101
D. Berechnung tler Spurlager . 103
18. A u f s t e II u n g s a r t e n v o n F r a n c i s -T u r b i n e n 104
A. Wasserkammer. - Stehende Welle. - Schaclrt-Turbinen 104
B. Wassetkammer. - Uegende Welle 108
C. Rohrzuleitung. - Spiral-Turbinen . 111
IV. Propeller- und Kaplan-Turbinen.
19. E n t w i c k I u n g, Wirkungsweise und Radformen 119
20. Regelung der Propeller- und Kaplan-Turbinen 124
A. Einfluß auf Wasserbewegung und Wirkungsgrad . . . . . 124,
B. Regelantriebe bei Kaplan-Turbinen . . . . . . . . 127
21. Aufs t e II u n· g s arten von ·pro p e II er- und Kap I an-
Tu r b in e n . . . . . . . . . 128
22. B e r e ,c h n u n g s g r u n d I a g .e n . 136
A. Allgemeines . . . 136
B. Berechnungsbeispiel . . . . 138
lnhaltsverzeichnis. VII
V. Fre·istrahlturbinen. Seite
23. A II gemeines über Tangent i a Ir ä der. Aufbau
und-RegeJung ........... . . . . 142
24. Be rechnun g e n von Tangentialrädern und K o n-
s
s t r u k t i o n m a ß nahmen . . . . . . . . . . . . 150
25. B e r e c h n u n g s b e i s p i e I e in e s Ta n g e ~ t i a I r a d e s 155
26. D ur c h s t r ö m - o d er M i c h e 11 -Tu r bin e n . . . . . 157
VI .. Normung von Turbinen~
27. Grundlagen zur Normung ..... . ,160
28. Aufs t e II u n g von Turbinen-Reihen 163
A. Seitherige Verfahren . . . . . . . . . 163
B. Francis-Turbinen-Reihen nach ns und Qr • 166
1
C. Francis-Turbipen-Reihen nach nq und D r 168
1
D. Turbinen-Reihen von Propeller-Kaplan- und Freistrahlturbinen 170
Tafef 1. Ermittlung geeigneter Turbinen, deren Leistungen und Dreh
zahlen.
Tafel 2. Ermittlung geeigneter RaddurchJVesser.
Fachbücher-Verzeichnis
Wasserkraftanlagen
u d in, Die Wasserkräfte, ihr Ausbau usw., Berlin~, Julius Springer, 1923.
a t t e r n , Die Ausnutzung der Wasserkräfte, Berlin: Engelmann, 1921.
c h I o t t h a u e r, über Wasserkraftanlagen, München: Oldenbourg, 1923.
y m p her, Die Wasserwirtschaft Deutschlands und ihre Aufgaben,
2 Bände, 1922.
Oie Wasserkraft-Wirtschaft Deutschlands." Herausgegeben vom Deutschen
Wasserwirtschafts- und Wasserkraft-Verband 1930.
Turbinentheorie
an k i, Energie-Umwandlungen in Flüssigkeiten, Bd. I: Einleitung in die
Konstruktionslehre der Wasserkraftmaschinen usw., Berlin: Julius
Springer, 1921.
rauer, Turbinentheorie, Leipzig: Hirzel.
scher-Du b s, Theorie der Wasserturbinen, Berlin: Julius Springer, 1924.
p an ·n h a k e, Kreiselräder als Pumpen und Turbinen, I. Bd. Berlin:
Julius Springer, 1931.
Wasserkraftmaschinen
a m er er, Berechnungen bei Francisturbinen, Forschungsheft Nr .. 139.
a m er er, Vorlesungen über Wasserkraftmaschinen, Berlin: Engel
mann, 1924.
o n o I d-A I brecht, Francisturbinen, Mitweida: R. Schulze, 1910.
h o man n, Wasserturbinen, Stuttgart: Wittwer, 1948.
ü i I er, Die Wasserräder, Leipzig: M. Schäfer, 1930.
a p I an-Lech n er, Turbinen-Schnelläufer, München: OIMnbourg, 1931.
egeln für Leistungs~V ersuche, Berlin: V D 1-Verlag, 1942.
Tu r b i.n e n-Rege I u n g
a u er s f e I d, Automatische Regulierung von Turbinen, Berlin: Julius
Springer, 1905.
u da u, Regulierung hydraulischer Motoren, Wien und Leipzig: Fromme.
ab r i·t z, Die Regelung der Kraftmaschinen, Wien: Julius Springer, 1940.
uckschriften von J. M. V o i t h, Heiden heim, und Esche r-W y s s,
Ravensburg.
Zeitschriften und Normblätter
hweizerische Bauzeitung.
Vasserkraft und Wasserwirtschaft."
d. Vereins deutscher Ingeni·eure.
brmblätter: DIN 33 Blatt 1 bis 5. (Beuth-Verlag, Berlin.)
1
DIN, E 33, Blatt 6 bis 8. ( " " " .)
I. Wasserkraftanlagen
1. Allgemeines über Wasserkraftanlagen - Vorarbeiten
A. W a s s e r k r ä f t e u n d i h r e B e d e u tu n g
"Wasser k r ä f te", 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 A n I a gekost e n derart hohe, daß sich
die Ausnutzung nicht lohnen würde.
Dies tritt vor allen Dingen bei Flüssen des F I a c h 1 an des auf,
weil hier zwar in der Regel große Wassermengen vorhanden sind,
aber vielfach das Ge f ä II e oder di·e Fa II höhe zu gering ist, so
daß umfangreiche Wehr- und Kanalbauten notwendig werden und
doch nur geringe Leistungen herausgeschlagen werden können.
Trotzdem sind aber im Tieflande viele wirtschaftlich günstige An
lagen zu finden, besonders in Verbindung mit einer Flußregelung
oder einer Kanalanlage.
Beachtenswert ist z. B. ein Wasserkraftelektrizitätswerk von unge
fähr 11 500 PS in Hemelingen bei Bremen, welches in einer zur
Weserkorrektion notwendig werdenden Wehr- und Schleusenanlage
errichtet wurde und dadurch Energien ausnützt, welche sonst ver
lorengegangen wären. (Abb. 18 später.)
Ge b i r g i g e Gegend e n sind natürlich reicher an ausnutzbaren
Wasserkräften, so z. B. Mittel- und Süddeutschland, Österreich, die
Schweiz, vor allem aber Schweden und Norwegen sowie die Ver
einigten Staaten von Nordamerika. In der Sc h w e i· z stehen noch
reiche Kraftquellen 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 ePZeugt. Bayern verfügt über
ungefähr 4 Millionen PS, wovon es bereits einen großen Teil im
Walchenseewerk, den Werken an der Isar, dem Inn, Lech usw. aus
gebaut hat. Die gesamten Wasserkräfte in Deutsch I an d werden
nach neuesten Schätzungen1) auf rund 9 Mi II i o n e n PS angegeben,
wo\'on etwa der dritte Teil zur Zeit ausgenützt sein wird. Bei 6000
Betriebsstunden im Jahre und einem Kohlenverbrauch von 0,6 kg
pro PS-Stunde werden durch Ausnutzung der gesamten deutschen
1) Nach Angaben der "Weltkraftkonferenz", 1936, in Washington.
Quantz, Wasserkraftmaschinen, 9. Aufl.