Saugrohre (Draft Tubes) in Turbinen: Aufbau, Funktion und Anwendung

Saugrohre (Draft Tubes) sind wesentliche Komponenten in den meisten Turbinentypen wie Kaplan-, Francis- und Reaktionsturbinen. Das Bauteil ist ein Rohr mit allmählich wachsendem Querschnitt, das den Laufradauslass mit dem Unterwasser (Tailrace) verbindet. An seinen beiden Enden ist eines mit dem Laufradauslass verbunden, das andere liegt unterhalb des Wasserspiegels im Unterwasser. In diesem Bauteil wird kinetische Energie in statischen Druck umgewandelt.

Heute lernen Sie Definition, Anwendungen, Funktion, Diagramm, Typen und Arbeitsweise von Saugrohren kennen. Ebenso deren Vor- und Nachteile.

Was ist ein Saugrohr (Draft Tube)?

Ein Saugrohr ist ein Verbindungsrohr, das allgemein am Auslass einer Turbine angebracht wird, um die kinetische Energie des Wassers am Auslass in statischen Druck umzuwandeln. Damit wird der Verlust der kinetischen Energie des Wassers vermieden. Im Saugrohr ist der Durchmesser am Einlass kleiner und am Auslass größer. Der Auslass ist stets im Wasser versenkt. Als Materialien kommen Gussstahl und Stahlbeton zum Einsatz.

Wie erwähnt, werden Saugrohre hauptsächlich in Leistungsturbinen wie Reaktions-, Kaplan- und Francis-Turbinen eingesetzt. Das System befindet sich direkt unter dem Laufrad und bremst die Austrittsströmung vom Laufrad ab.

Saugrohre verhindern das Problem des Rückflusses (Backflow) und liegen daher zwischen Turbinenauslass und Unterwasser. Turbinen wie Pelton- oder Impulsturbinen benötigen kein Saugrohr, da der der Turbine zur Verfügung stehende Fallhöhe sehr groß ist. Dies führt zu einem überatmosphärischen Druck am Turbinenauslass. Wegen dieses Überdrucks kann kein Rückfluss des Wassers auftreten.

Anwendungen von Saugrohren

Die Anwendungen in Turbinen wurden oben bereits genannt. Sie dienen der Druckerhöhung vom niedrigen Turbinenauslassdruck auf den Umgebungsdruck, in den das Fluid abgegeben wird. Die Hauptfunktion: Umwandlung der kinetischen Energie des Wassers in Druckenergie, Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und Druckerhöhung vor dem Eintritt in das Unterwasser. Das Rohr vergrößert den Querschnitt stetig.

Schema Saugrohr:

Saugrohr in Kaplan-Turbine. [Diagramm-Platzhalter]

Typen von Saugrohren

Konisches Saugrohr

Konische Saugrohre haben geradlinige, divergente Strömungsführung. Meist aus Stahlblech gefertigt, kegelförmig mit größerem Außendurchmesser am Auslass. Der Konuswinkel darf nicht zu weit sein, um Strömungsabriss an der Wand zu vermeiden. Er darf auch nicht zu klein sein, da sonst ein längeres Rohr für nennenswerten kinetischen Energieverlust nötig wäre.

Einfaches Knie-Saugrohr (Simple Elbow Draft Tube)

Kniestruktur. Häufig in Kaplan-Turbinen. Querschnittsfläche bleibt über die gesamte Länge konstant, Ein- und Auslass sind kreisförmig. Einsatz bei niedrigen Fallhöhen, wenn die Turbine nah am Unterwasser montiert ist. Minimiert Bohrkosten, Auslassdurchmesser so breit wie möglich, um kinetische Energie am Laufradauslass zurückzugewinnen.

Moody-Saugrohr

Auslass in zwei Abschnitte geteilt, ein Einlass. Ähnlich wie konisches Saugrohr. Reduziert die Drallbewegung des Wassers (Swirl).

Knie-Saugrohr mit veränderlichem Querschnitt

Weiterentwicklung des einfachen Knie-Saugrohrs. Einlass kreisförmig, Auslass rechteckig. Der horizontale Teil ist meist geneigt, um Luftzutritt im Auslassbereich zu verhindern. Querschnitt variiert von Einlass zu Auslass. Auslass liegt unterhalb des Unterwassers.

Funktionsweise von Saugrohren

Die Arbeitsweise in einer Turbine ist wenig komplex. Bei Kaplan- und Francis-Turbinen ist die am Einlass verfügbare Fallhöhe gering, weshalb die Turbine näher am Unterwasser platziert wird, um maximale Fallhöhe zu nutzen. Der größte Teil des Wasserdrucks wird in mechanische Energie der Turbine umgewandelt. Der Druckkopf am Turbinenauslass liegt unter dem atmosphärischen Druck.

Rückfluss kann auftreten, da der Turbinenauslass nah am Unterwasser liegt und der Wasserdruck am Austritt unter dem atmosphärischen Druck liegt. Wasser fließt von hohem zu niedrigem Druck: Am Turbinenauslass ist der Druck niedriger als atmosphärisch, im Unterwasser herrscht atmosphärischer Druck.

Dieser Rückfluss kann schwere Schäden an Turbine und Bauteilen bis zum Totalausfall verursachen. Zur Vermeidung wird ein Saugrohr zwischen Turbinenauslass und Unterwasser eingebaut. Das Saugrohr erhöht den Wasserdruck auf atmosphärischen Druck.

Video: Funktionsweise des Saugrohrs

[Video-Platzhalter]

Anwendung des Bernoulli-Prinzips an den Querschnitten 1-1 und 2-2
[Druckkopf + Geschwindigkeitskopf + Höhenkopf]_1-1 = [Druckkopf + Geschwindigkeitskopf + Höhenkopf]_2-2

Sei
P₁ = Druck des Fluids im Querschnitt 1-1 (Saugrohreinlass)
V₁ = Geschwindigkeit im Querschnitt 1-1
P₂ = Druck im Querschnitt 2-2 (Saugrohrauslass)
V₂ = Geschwindigkeit im Querschnitt 2-2
ρ = Dichte des Fluids
g = Erdbeschleunigung
h_f = Verlusthöhe (Energieverlust) im Saugrohr
H_s = vertikale Höhe des Saugrohrs über dem Unterwasser
y = Abstand des Saugrohrbodens vom Unterwasser
P_a = atmosphärischer Druck des Fluids

(P₁/ρg) + (V₁²/2g) + (H_s + y) = (P₂/ρg) + (V₂²/2g) + (0 + h_f)
(P₁/ρg) = (P₂/ρg) – (H_s + y) + (V₂²/2g) – (V₁²/2g) + h_f

Der Druckkopf im Querschnitt 2-2 entspricht atmosphärischem Druckkopf plus Abstand y.
(P₂/ρg) = (P_a/ρg) + y
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) + y – H_s – y + (V₂²/2g) – (V₁²/2g) + h_f
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) – H_s + (V₂²/2g) – (V₁²/2g) + h_f

Umformung für unsere Anforderung (Mitte der RHS: „-“ ausgeklammert):
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) – H_s – [ (V₁²/2g) – (V₂²/2g) – h_f ]

Der Term [ (V₁²/2g) – (V₂²/2g) – h_f ] heißt kinetischer Kopf.
Hier ist [ (V₁²/2g) – (V₂²/2g) ] der dynamische Kopf.
Daraus folgt:
(P₁/ρg) < (P_a/ρg)
Also P₁ < P_a

Der Druckkopf am Saugrohreinlass / Turbinenauslass ist kleiner als der atmosphärische Druck. Somit steigt die netto Fallhöhe an der Turbine mit Saugrohr an.

Vor- und Nachteile von Saugrohren

Vorteile:

• Verhindern Wasserspritzen vom Laufrad und leiten Wasser direkt ins Unterwasser
• Kinetische Energie am Unterwasser wird drastisch reduziert
• Systemleistung wird gesteigert
• Turbinenfallhöhe wird erhöht, da die Höhendifferenz zwischen Turbinenauslass und Unterwasser wächst

Nachteile:

Die einzigen Nachteile sind das zusätzliche Gewicht für das System und die hohen Anschaffungskosten des Saugrohrs.

Fazit

Das Saugrohr ist eine wesentliche Komponente in den meisten Turbinentypen wie Kaplan-, Francis- und Reaktionsturbinen. Es ist ein Rohr mit allmählich wachsendem Querschnitt, das den Laufradauslass mit dem Unterwasser verbindet. Sein Zweck: Umwandlung der kinetischen Energie des Wassers am Auslass in statischen Druck. In diesem Artikel wurden Definition, Anwendungen, Funktion, Typen und Arbeitsweise von Saugrohren besprochen.

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