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Anfahren einer
geheberten Turbine
– bis die Luft
raus ist!
Bei modernen Kaplanturbinen wird bei niedrigen
Stauhöhen der Leitapparat teilweise oder sogar ganz oberhalb des
Wasserspiegels angeordnet, um das Fundament nicht so tief bauen
zu müssen und um das Saugrohr strömungstechnisch günstig ausbilden
zu können.
Man spricht von geheberten Anlagen, wenn der
Leitapparat oberhalb des Wasserspiegels angeordnet ist, und das
Wasser also zuerst „nach oben“ fließen muss, um in die Turbine zu
gelangen. In Abb. 1 ist eine teilgeheberte Anlage zu sehen, der
Leitapparat liegt teilweise oberhalb des normalen Pegels. Hier ist
der Zustand eingezeichnet, dass der Pegel in der Turbinenkammer
gleich dem Pegel Oberwasser entspricht. 
Abb.1: Teilgeheberte
Anlage (Fa. Gugler Hydro Energy, Niederrannan / Österreich)
Der Leitapparat ist 40 cm hoch und im normalen
Betrieb wird die Luft aus der Turbinekammer über den Leitapparat
ins Unterwasser mitgerissen. Der Pegel in der Turbinenkammer steht
dann höher, und füllt diese bis oben Oberkante Leitapparat aus (im
Bild mit der dunkelblauen Linie markiert). Voraussetzung ist, dass
eine geschlossene Turbinenkammer und eine Wellendichtung den Lufteintritt
verhindern. Die Fallhöhe und die Leistung wird durch die geheberte
Ausführung natürlich nicht größer.
Abb.2: Prinzip des Saug-Hebers
Das gleiche Prinzip wird bei einem Saug-Heber
verwendet, um z. B. aus einem Weinfass über einen Schlauch den Inhalt
abzusaugen (Abb. 2). Man spricht auch vom „hebern“ oder „schlauchen“.
Dazu saugt man die Flüssigkeit mit dem Mund an, bis sie über den
Rand kommt und im Schlauch tiefer als der Flüssigkeitsspiegel im
Gefäß ist. Die Schwerkraft im tieferen Teil des Schlauches „hebt“
den Wein über die Kante des Weinfasses. Ebenso verwendet man dieses
Prinzip, um z. B. ein Aquarium zu entleeren, oder Benzin aus einem
Tank anzusaugen. Die Höhe des oberen Teils ist – bis zu gewissen
Grenzen - dabei nicht von Bedeutung, wichtig ist nur die Höhendifferenz.
 Abb.3:
Gehebertes Wehr
Interessant ist auch der Einsatz eines gehebertes
Wehrs (Abb. 3). Auf der linken Seite ist der Oberwasserspiegel dargestellt.
Sobald er noch etwas ansteigt, wird die Wehrkrone überströmt, und
bei genügender Wassermenge springt der Heber an, er reißt die Luft
mit, was durch die Stufe im unteren Bereich begünstigt wird. Das
Wasser wird sehr schnell abgesaugt, etwa entsprechend einer gleich
großen Öffnung am unteren Ende des Wehres. Der Oberwasserspiegel
wird rasch sinken. Sobald die gestrichelte Linie unterschritten
wird, gelangt Luft in den Heber und die Funktion wird damit gestoppt.
Da diese geheberten Wehre einen sehr starken Schwall erzeugen, führt
man am Scheitelpunkt Luft über ein Drosselventil zu, um die „brutale“
Wirkung etwas abzuschwächen.
Ganz alltäglich wird das Heber- Prinzip in vielen
Waschmaschinen angewandt, für das Einbringen des flüssigen Weichspülers.
Das Fach wird bis zu einer Markierung, die die unter die Grenze
des Hebers darstellt, mit dem Weichspüler aufgefüllt. Sobald der
Weichspüler benötigt wird, öffnet sich ein Ventil und das Fach wird
weiter mit Wasser gefüllt, der Heber „springt an“ und saugt den
Weichspüler über die Kante in die Trommel der Waschmaschine.
Abb.4: Prinzipdarstellung einer geheberten Turbine
Abb. 4 ist die Prinzipdarstellung einer teilgeheberten
Anlage. Der Leitapparat hat in der Vertikalen eine lichte Öffnung
von 40 cm, wovon bei normalem Oberwasserpegel nur 20 cm im Wasser
liegen, im Bild angedeutet durch die gestrichelte Linie. Die Nase
„N“ soll das Einströmen von Luft verhindern, auch wenn der Rechen
teilweise verlegt ist und der Pegel nach dem Rechen niedriger ist.
Diese Nase ragt in dem Beispiel ca. 20 cm in das Oberwasser. Insbesondere
bei Anlagen mit überströmter Spülrinne kann diese Nase konstruktionsbedingt
sehr tief in das Oberwasser reichen.
Zurück zur Luft: Wenn die Anlage abgeschaltet
wird und der Oberwasserpegel unter die Nase „N“ abfällt, gelangt
Luft in die Kammer und der Pegel in der Kammer fällt entsprechend
dem Oberwasserpegel. Im Saugrohr fällt der Pegel auf Unterwasser.
Die schematische Darstellung zeigt den Oberwasserpegel auf der linken
Seite, die Turbinenkammer mit Nase, den Propeller, darüber den Leitapparat,
und das Saugrohr, das in das Unterwasser führt.
Wenn man jetzt die Turbine wieder anfahren möchte,
so wird man den Oberwasserpegel durch Schließen der Schleuse wieder
auf normalen oder sogar erhöhten Pegel bringen. In der Kammer bleibt
aber, bedingt durch die Nase „N“, weiter Luft, und auch im Saugrohr!
(Abb. 5). Man beachte, dass der Propeller sich in der Luft befindet.
Abb.5: Luft in der Turbinenkammer
Hier etwas Theorie,
die aber gern übersprungen werden kann:
Um diesen Zustand zu berechnen, wird das Gesetz
von
Boyle-Mariotte, auch Boyle-Mariottesches Gesetz verwendet. Es
sagt aus, dass der Druck „idealer“ Gase bei gleichbleibender Temperatur
und gleichbleibender Gasmenge
umgekehrt proportional zum Volumen ist. Oder anders gesagt:
Druck mal Volumen sind konstant. Erhöht man den Druck auf ein Gaspaket,
zieht sich dieses folglich zusammen. Dieses Gesetz wurde kurz hintereinander
und unabhängig von zwei Physikern entdeckt, dem Engländer Robert
Boyle (1662) und dem Franzosen Edme Mariotte (1676).
Die Gleichung lautet:
p1 * V1 = p2 * V2 . Wobei p1 * V1 der Druck mal
Volumen in der drucklosen Kammer ist, und p2 * V2 der Druck mal
Volumen unter Einwirkung des aufgestauten Wassers ist. Das Volumen
V ergibt sich aus x * y * h. Da bei senkrechten Wänden x und y gleich
sind, bleibt die Höhe h, und man kann die Formel umformen:
p1 * h1 = p2 * h2, oder umgestellt:
h2 = (p1 * h1) /
p2, oder p1 / p2 * h1
10 Meter Wassersäule entsprechen 1 bar, 40 cm
entsprechen also 0,04 bar, 10,40 m also 1,04 bar. Der Luftdruck
auf Meereshöhe ist 1 bar. Die Höhe der Luft in der Kammer
beträgt in dem Beispiel 40cm Näherungsweise ergibt sich also folgende
Rechnung:
h2 = 1 / 1,04 * 40
= 38,5 cm
Zurück zur Praxis:
Nach diesem Beispiel ist der Wasserspiegel außen 40 cm angestiegen,
in der Kammer aber nur ca. 1,5 cm. Der Leitapparat wird also in
einer Höhe von nur 1,5 cm überströmt. Das ist sicher zu wenig, um
die Turbine anlaufen zu lassen.
Für diesen Fall ist ein Ventil „V“ vorgesehen,
um die Luft ablassen zu können. Die Luft in der Kammer wird herausgedrückt;
der Pegel in der Kammer wird nach dem Gesetz der kommunizierenden
Röhren genauso hoch stehen, wie der Oberwasserpegel. (Abb. 6). Meist
wird das Ventil von Hand betätigt, in seltenen Fällen auch
über einen Stellmotor, damit auch ein automatisches Anfahren möglich
ist. Möglicherweise könnte man auch ein Rückschlagventil verwenden.
Abb.6: Die Luft wird mitgerissen
Für eine konkrete Anlage sollte man wissen um
wie viele Zentimeter diese hebert ist um alle Luft aus der Turbinenkammer
drücken zu können.
Man wird zum Anfahren jetzt den Leitapparat öffnen, die Turbine
kommt auf Drehzahl und die noch vorhandene Luft wird vom Wasserstrom
mitgerissen und erscheint im Unterwasser. Die Luftblasen steigen
dabei im Wasser etwa mit 0,5 m/s auf, abhängig von der Größe der
Luftblasen. Wenn der Querschnitt des Saugrohrs an der senkrechten
Stelle z. B. 1,5 m2 beträgt, so müssen ca. 0,75 m3/s Wasser
fließen, um die Luftblasen mitzureißen, und aus dem Saugrohr zu
befördern.
Betrachtet man den Leitapparat als kreisförmigen Überfall, so
kann man überschlagsmässig die Wassermenge nach der Formel am freien
(vollkommenen) Überfall von Poleni berechnen.
Q = 2 / 3 * u * b * ( 2 * g * ) 0,5 * h 1,5
Dazu ist die Länge des Überfalls (b) und die Höhe des Wassers (h)
über dem Überfall notwendig.
Abb.7: Die Luft wird mitgerissen
Bei einem Durchmesser von 1,12 m ergibt sich ein Umfang von 3,5
m. Vernachlässigt man den Strömungswiderstand durch den Leitapparat,
so muss entsprechend der Formel von
POLENI über eine
gut ausgerundete Kante von 3,5 m Länge das Wasser mit einer Höhe
von ca. 25 cm strömen, damit die oben genannte Wassermenge
erreicht wird. Die untere Kante des Leitapparates muss in diesem
Beispiel also mindestens 25 cm überströmt werden.
In der Praxis werden beim Anfahren einer geheberten, doppelt
geregelten Kaplanturbine verschiedenen Möglichkeiten angewendet.
Das Laufrad wird zuerst wenig, z. B. 20%, geöffnet, also der
Propeller flach gestellt, der Leitapparat wird anschließend geöffnet,
die Turbine auf Nenndrehzahl gebracht, die restliche Luft wird mitgerissen
und der normale luftlose Zustand in der Turbinenkammer ist wieder
hergestellt (Abb. 8).
Abb.8: Normalzustand ohne Luft in der Turbinenkammer
Manche Anlagen werden auch gestartet, indem das Laufrad auf volle
Öffnung gebracht wird, also ganz steil gestellt wird. Anschließend
wird – wie schon beschrieben – der Leitapparat geöffnet und die
Turbine auf normale Drehzahl gebracht. Welches Verfahren besser
geeignet ist hängt von den baulichen Gegebenheiten ab, z. B. ob
eine Einlaufspirale vorhanden ist, und sollte am besten getestet
werden.
Nur bei kleinen Anlagen kann man auch folgendes Verfahren anwenden,
unter der Voraussetzung, dass der Propeller sich nicht im Unterwasser
befindet: Das Laufrad wird leicht geöffnet, ca. 20%. Der Hauptschütz
wird eingeschaltet, so dass der Generator als Motor läuft, und wie
bei einem Spülvorgang die Turbine antreibt. Bevor die Rückstromüberwachung
auslöst, muss der Leitapparat auf ca. 50% geöffnet werden. Das Wasser
strömt auf den Propeller, die Luft wird nach unten herausgedrückt,
und der Wasserdruck erzeugt Leistung.
Welches Verfahren sinnvollerweise und ohne die Gefahr von Beschädigung
angewendet werden kann, ist von den technischen Gegebenheiten abhängig.
Bei voll geheberten Anlagen, bei denen also der Leitapparat ganz
oberhalb des Oberwasserpegels liegt, kann auch dieses Verfahren
nicht immer den gewünschten Erfolg bringen. Voll geheberte Anlagen
werden nur bei sehr niedrigen Stauhöhen unter 1,80 Meter angewendet,
siehe Abb. 9. Bei solchen Anlagen kann man die Luft nicht mehr aus
der Kammer drücken, sondern muss sie absaugen und damit den Pegel
in der Kammer anheben, was durch eine Luftpumpe erfolgen kann. Der
benötigte Luftdruck ist dabei recht gering, er entspricht in dem
Beispiel nur etwa 180 cm Wassersäule. Bei diesen voll geheberten
Anlagen verzichtet man meist auf den Leitapparat, es ist nur das
Laufrad verstellbar. Zum Abschalten wird einfach ein Luftventil
geöffnet, der Pegel fällt unterhalb die Unterkante Turbineneintritt,
und die Turbine ist ohne Leistung.
Abb.9: Vollgeheberte Anlage
Für Kaplan-Turbinen sind teilgeheberte Anlagen bei niedrigen
Stauhöhen sinnvoll, um Kosten zu sparen und ein strömungstechnisch
günstiges Saugrohr realisieren zu können. Das untere Führungslager
liegt nicht im Wasser, und hat dadurch wahrscheinlich eine höhere
Lebensdauer. Da kein Überdruck an der Turbinenwelle herrscht, kann
auch kein Leckwasser eindringen. Allerdings sind beim Anfahren einige
Punkte zu beachten, die an Hand der Bilder leicht verständlich sind.
www.srw-hydro.de
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