Durchströmturbine, Ossberger

Durchströmturbinen sind immer den jeweiligen Betriebsbedingungen vor Ort angepasst (Fallhöhe/Durchfluss).

„Einfach aus Prinzip“ dies war das Motto bei der Entwicklung einer Durchströmturbine, die für einen permanent zuverlässigen Betrieb über mehrere Jahrzehnte hinweg ohne Anwendung von speziellen Mitteln, Wartungsmitteln und -werkzeugen ausgelegt wurde. Sie kann auch von Laien installiert und in Betrieb gesetzt werden.

Einsatzbereich

Fallhöhe: H = 3… 200 m
Durchfluss: Q = 0,03… 13 m³/s
Leistungswerte: N = 5… 3 000 kW

Prinzip der Ossberger Turbine

Die Durchströmturbine ist eine radiale Turbine mit leichtem Überdruck, tangentialer Beaufschlagung der Laufradschaufeln und horizontaler Welle. Gemäß spezifischer Drehzahl zählt sie zu den langsam laufenden Turbinen. Das Verteilungssystem reguliert den Wasserstrom so, dass er über den Schaufelkranz in den inneren Bereich des Laufrads einläuft, durch den anderen Auslauf über den Schaufelkranz das Innere des Laufrads verlässt und in den Bereich des Turbinengehäuses gelangt. Aus dem Turbinengehäuse fließt das Wasser entweder ganz frei oder durch ein Saugrohr in das Unterwasser unter der Turbine ab.

Abb.1 Horizontaler Einlauf

Abb.2 Vertikaler Einlauf

In der Praxis hat diese Wasserströmung einen selbstreinigenden Effekt im Laufrad. Verunreinigungen, die beim Wassereinlauf in das Laufrad zwischen die Schaufeln eindringen, werden nach einer halben Raddrehung durch die Schwingkraft wieder herausgezogen und vom durchlaufenden Wasser aus dem Laufradbereich ins Unterwasser abgeleitet.

Ist die Wassermenge im Wasserstrom unbeständig, so wird die Durchströmturbine mit zwei Kammern ausgerüstet. Standardmäßig erfolgt die Aufteilung der Einlaufkammern im Verhältnis 1:2. Die engere Kammer bearbeitet den kleineren und die breitere Kammer den mittleren Wasserdurchfluss. Beide Kammern zusammen bearbeiten den vollen Durchfluss. Durch diese Aufteilung wird die Wassermenge vom vollen Durchflussbereich bis zu 1/6 dessen mit optimalem Wirkungsgrad genutzt. Auf diese Art und Weise nutzen die Durchströmturbinen sehr effektiv, mit einem Wirkungsgrad von über 80%, auch sehr schwankenden Stromfluss.

Turbinenwirkungsgrad

Der gesamte Wirkungsgrad von Durchströmturbinen bei kleinen Fallhöhen und Leistungen im gesamten Durchflussbereich liegt bei 84%. Für mittlere und größere Turbinen wird bei größeren Fallhöhen ein Wirkungsgrad von bis zu 87% erreicht.

Die Abbildung 3 zeigt die Vorteile einer Durchströmturbine im Bereich einer teilweisen Belastung. Sehr häufig haben Flussströme über mehrere Monate im Jahr hinweg nur eine sehr niedrige Durchflusskapazität. Die Möglichkeit, elektrischen Strom auch in diesen Monaten zu erzeugen, hängt von der Charakteristik des Wirkungsgradverlaufs der jeweiligen Turbine ab. Turbinen mit einem hohen Spitzenwirkungsgrad, jedoch einem ungünstigen Wirkungsgrad bei niedrigeren Durchflusswerten, erreichen an den Stellen mit schwankendem Wasserdurchfluss niedrigere Jahresproduktionskapazitäten als Turbinen mit einer flachen Wirkungsgradkurve.

Abb.3 Wirkungsgradverlauf einer Durchströmsturbine bestehend aus 3 Wirkungsgradkurven bei der Regulierung durch eine geteilte Klappe im Verhältnis 1:2 im Vergleich zur Francis-Turbine.

Das Beaufschlagungssystem

In der geteilten Durchströmturbine wird das Wasser durch zwei kräftemäßig ausgewogene profilierte Regelklappen reguliert. Diese verteilen den Wasserstrahl, gleichen ihn aus und lassen ihn ohne Aufschlag ins Laufrad einlaufen – unabhängig von der Kammerbreite. Beide drehbaren Regelklappen sind in das Turbinengehäuse präzise eingesetzt und können bei niedrigeren Fallhöhen auch als eine Art Abschließvorrichtung der Turbine dienen. Dann ist die Absperrarmatur zwischen der Druckleitung und der Turbine nicht mehr notwendig. Beide Regelklappen sind unabhängig voneinander mit verlängerten Armen ausgerüstet, an die eine automatische oder manuelle Regulierung angeschlossen ist. Die Regelklappen sind in selbstschmierenden Hüllen gelagert und erfordern keinerlei Wartung. Durch das Anschließen von Gewichten an den Enden der Arme erreichen wir die Fähigkeit einer gravitationsbedingten Notabsperrung der Turbine im Falle ihrer Abschaltung.

Turbinengehäuse

Das Gehäuse der Durchströmturbine ist aus Konstruktionsstahl gebaut, es ist sehr robust, stoßfest und frostbeständig.

Abb.4 Konstruktion einer Durchströmsturbine mit zwei Kammern.

Das Laufrad

Der wichtigste Bestandteil der Turbine ist das Laufrad. Dieses ist mit Schaufeln ausgerüstet, die nach einer bewährten Methode aus glatt geschliffenem, profiliertem Blankstahl erzeugt wurden. Diese sind beiderseitig in die Endscheiben eingesetzt und nach einer speziellen Methode mit den Innenscheiben des Laufrads verschweißt. Je nach seiner jeweiligen Größe hat das Laufrad bis zu 37 Schaufeln. Die linear geschrägten Schaufeln bilden eine sehr geringe Axialkraft, so dass keine verstärkten Axiallager mit deren komplizierter Befestigung und Schmierung erforderlich sind. Bei breiteren Laufrädern werden die Schaufeln mit eingesetzten Scheiben mehrfach unterstützt. Vor der Endmontage der Turbine werden die Laufräder sorgfältig ausgewuchtet und einer defektoskopischen Untersuchung unterzogen.

Die Lager

Die Durchströmturbinen sind mit normalisierten, kippbaren Rollenlagern ausgerüstet, die in einer Wasserturbine Vorteile bieten, die völlig unumstritten sind. Es handelt sich dabei vor allem um den geringen Rollwiderstand und die leichte Wartung. Die Konstruktion des Lagergehäuses verhindert das Durchdringen des Wassers zu den Lagern und den Kontakt der Schmiermittel mit dem Arbeitswasser. Dies ist eine wesentliche Eigenschaft der patentierten Konstruktion des Lagergehäuses der Durchströmturbinen unserer Konstruktion. Gleichzeitig ist das Laufrad durch den Lagereinbau im Gehäuse der Turbine zentriert. Diese clevere technische Lösung ergänzen die wartungsfreien Abdichtungselemente. Außer dem alljährlichen Schmierstoffwechsel erfordert der Einbau der Lager keinerlei Wartung. Die angewandte technische Lösung ermöglicht einen einfachen Laufradwechsel, ohne die gesamte Turbine aus ihrer Position auszubauen.

Das Saugrohr

Gemäß diesem Prinzip ist die Durchströmturbine eine Freistrahlturbine. Im Bereich mittlerer und niedrigerer Fallhöhen kann jedoch auf ein Saugrohr nicht verzichtet werden. Dieses dient zur Absicherung des Maschinenraums gegen Überflutungen und auch zur verlustfreien Nutzung der gesamten Fallhöhe.Bei einer Freistrahlturbine mit einem breiten Anwendungsbereich, muss die Wassersäule im Saugrohr steuerbar sein. Dies erfolgt über das zur Einstellung dienende Belüftungsventil, welches den Unterdruck im Turbinengehäuse beeinflusst. Auf diese Art und Weise können Turbinen mit einer Höhe ab 1 – 3 m optimal genutzt werden, ohne dass hierbei die Gefahr der Kavitationsentstehung drohen würde. Die Konstruktion einer Saugrohrleitung in Form einer Sammelleitung aus Stahl reduziert außerdem wesentlich die Kosten für den Unterbau bei niedrigen Fallhöhen, wodurch so manche problematische Projekte preisgünstig werden.

Die Betriebseigenschaften

Bei den Durchströmturbinen unserer Konstruktion kommt es zu keiner Kavitation. Damit entfallen die Notwendigkeit des Einbaues eines Laufrades unterhalb der Grundwasseroberfläche und die damit zusammenhängenden kostspieligen Bauten und betrieblichen Nachteile.

Für Fallhöhen von bis zu 90m wird beim Bau normaler Konstruktionsstahl verwendet. Für Fallhöhen von 90 – 120 m wird das Laufrad bereits aus Edelstahl geliefert. Bei Fallhöhen von über 120m ist die gesamte Turbine aus Edelstahl gefertigt.

Die Durchgangsdrehzahl von Durchströmturbinen liegt meistens beim 2,3 -fachen der Nenndrehzahl. Dies ermöglicht auch die Anwendung von serienmäßig hergestellten Generatoren.

Ökonomische Effektivität

Das steigend positive Verhältnis der Menschen zur Umwelt bemüht sich um eine ideale Nutzung der Naturkraft, ohne damit die Umwelt zu belasten, z. B. um die Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen. Die Nutzung von Wasserkraftwerken ist jedoch durch einen wichtigen Faktor beschränkt: nämlich die hohen Investitionskosten, die mit der Projektierung, Planung, Dimensionierung, Konstruktion und Ausführung der maschinellen Ausrüstung des Baues verbunden sind.

Die Ingenieure – Berater und Turbinenkonstrukteure – haben deshalb versucht, die Gesamtkosten durch die Standardisierung der Wasserturbinen zu reduzieren. Dieser Weg ist bei großen Turbinen möglich, bei kleinen Wasserturbinen jedoch führt er zu Problemen bei der Dimensionierung bezüglich des Ausbaugefälles und des Schwankungsbereichs des jährlichen Wasserdurchflusses.

Abb.5 Anwendungsbereich

Die Durchströmturbinen unserer Konstruktion bestehen aus einzelnen standardisierten Komponenten, die je nach Anforderung – d. h. je nach der Wassermenge und der Fallhöhe der jeweiligen Lokalität – auf Wunsch des Kunden als Gesamtanlage konfiguriert werden. Dieses Baukastensystem ermöglicht eine preisgünstige Lösung, und dies unter gleichzeitiger Sicherstellung aller durch das Projekt vorgegebenen Faktoren.

Die Durchströmturbinen sind vor allem durch ihre langjährige und wartungsfreie Nutzungsdauer hervorragend. Im Verlauf ihres Betriebes erfordern sie keine teuren und komplizierten Ersatzteile, ihre eventuellen Reparaturen können meistens direkt am Einbauort erfolgen. Der spezifische Vorteil von Durchströmturbinen ist ihre Verwendung in Gravitationssystemen für Trinkwasser, und zwar auch bei sehr langen Rohrzuleitungen, wo sie im Verlauf des Betriebes keine Wasserstöße verursachen, und somit auch die Trinkwasserqualität nicht gefährden. Dies wurde von unserer Firma bereits mehrfach in vielen Ländern der Welt mit Erfolg erprobt.

Wir bieten auch andere Turbinentypen an:

System Cink – Banki, Kaplan Turbine, Pelton Turbine, Francis Turbine, Turbine Microcross.