Das Saugrohr – Funktion, Historie und neue Entwicklungen

Helmut Benigni*, Jürgen Schiffer-Rosenberger, Stefan Leithner, Christian Bodner, Peter Meusburger

*Corresponding author for this work

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Abstract

Bei Niederdruckanlagen dominieren nach wie vor die Baukosten den Gesamtaufwand für die Errichtung einer Wasser-kraftanlage – mit etwa 60 % der gesamten Kosten [6]. Preistreiber sind dabei der notwendige Tiefbau und die erforder-liche Setzung von Spundwänden. Die Wasserkraft als der wichtigste erneuerbare Lieferant von Strom in Österreich hat gemäß den Plänen der Regierung die sehr ambitionierte Vorgabe einer deutlichen Erzeugungssteigerung erhalten, die es auch benötigt, um Neuanlagen zu realisieren. Da es gilt, zunehmende ökologische Auflagen monetär zu kompensieren, sind neue durchdachte Modifikationen an Standardkonfigurationen erforderlich, um die oben genannten Mehraufwen-dungen wettzumachen.
Das Saugrohr als wesentliche Komponente der betrachteten Wasserkraftanlagen hat die Aufgabe, die Geschwindig-keitsenergie (also kinetische Energie) am Laufradaustritt in Druckenergie am Saugrohraustritt umzusetzen. Somit steht als wirksame statische Druckdifferenz über dem Laufrad eine deutlich höhere Druckdifferenz zur Verfügung, die ener-getisch genutzt werden kann. Systeminhärent ist die hydraulische Verbindung zwischen Laufradaustritt und Unterwas-ser.
Über die Jahre hinweg waren einige markante Änderungen in Bezug auf die Bauweise von Saugrohren festzustellen, wobei insbesondere am Beginn der 1920er Jahre [2][3][5], jedoch auch erneut in jüngster Zeit die Baukosten ein immer wichtigeres Kriterium darstellen. Zu unterscheiden sind gerade-bauende Saugrohre und L-Bogen-Saugrohre. Beide Typen können sowohl bei horizontaler als auch vertikaler Maschinenachse eingebaut werden. Eine Grenze gibt es ledig-lich in der Schnellläufigkeit der Turbine bei etwa nq, Muschel,opt. =180 U/min für L-Bogen Saugrohre, da in dem Fall schlicht die Verluste zu hoch werden. S-Saugrohre sind eine Besonderheit und eignen sich für den Einbau bei horizontalen Anlagen mit einer stromabwärts gelegenen Wellendurchführung.
Begonnen hat die Geschichte dieses Bauteils von Wasserkraftanlagen an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert mit einem geraden Saugrohr, welches seiner Funktion als Medium zur Energieumwandlung nicht gerecht wurde, jedoch die Verbindung herstellte von einer über dem Unterwasser aufgestellten Maschine zum Unterwasser. Die ersten konischen geraden Saugrohre mit Öffnungswinkeln von 8 bis 10° zeigten bereits hervorragende Energieumwandlungseffekte, waren allerdings zu lang gebaut, um effizient eingesetzt werden zu können. Also musste, neben dem geraden Teil, ein Krümmer eingeplant werden, der die komplexe dreidimensionale Strömung umlenkt. Speziell in diesen Krümmer wurde in den darauffolgenden knapp 100 Jahren die meiste Entwicklungsarbeit gesteckt. Bei den Amerikanern setzte sich zu dieser Zeit das Moody-Spreizsaugrohr durch, bei dem sich die kreisrunde Außenkontur des Laufrades bis zu Ende des Konus weiterzieht und in einer Sammelglocke endet.
Für spezifische schnelllaufende Turbinen sind die Verluste am Saugrohr höher als die Verluste am Laufrad, weshalb es sich gerade bei diesen Maschinen als lohnend erweist, besonderes Augenmerk auf eine korrekte und effiziente Ausge-staltung des Saugrohres zu achten. Zu beachten gilt hier Turbinen- und Anlagenwirkungsgrad [4].
Dem historischen Überblick folgt eine Beschreibung der Wirkungsweise von Saugrohren, die mit Hilfe von Ergebnissen numerischer Simulationen, Beobachtungen an ausgeführten Anlagen und auch Messungen im Modellversuch dargelegt wird. Des Weiteren wird mögliches Optimierungspotential anhand konkreter Anwendungsfälle aufgezeigt. Abschließend wird auf mögliche Schäden und deren Ursachen, beispielsweise Kavitation und Vibrationen, eingegangen.

Referenzen
[1]. Benigni, H., Montenari, B., Jaberg, H., Schiffer-Rosenberger, J., Gehrer, A., Grundner, F., Döltelmayer, R., „Si-mulation Of Damages Due To Cavitation In Non-Rotating Components In A Kaplan Turbine” In 19. Internatio-nales Seminar Wasserkraftanlagen: Flexible Betriebsweise von Wasserkraftanlagen im derzeitigen Energiesys-tem, S. 337-347, 2016.
[2]. Dubs, R. „Bedeutung des Saugrohres“, Wasserkraftjahrbuch 1924.
[3]. Dubs, R. „Beeinflussung des Wirkungsgrades“, Wasserkraftjahrbuch 1925/1926.
[4]. IEC, „Hydraulic Turbines, Storage Pumps and Pump-Turbines-Model Acceptance Tests”. IEC 60193 Standard, International Electrotechnical, Commission, Genf, Nov. 2019.
[5]. Ludin, A, „Die Wasserkräfte, ihr Ausbau und ihre wirtschaftliche Ausnutzung. Ein technisch-wirtschaftliches Lehr- und Handbuch.“ 1. Bd., Berlin, Springer, 1923.
[6]. Penninger, G., „Kleinkraftwerke im VERBUND, Kostenoptimierungen unter dem Druck geänderter Rahmen-bedingungen“, Praktikerkonferenz Wasserkraft, Technische Universität Graz, 15. September 2015
[7]. Voith, „Doppelzwillingsturbinen”, VDI, Seite 213ff., 1918.
[8]. International Journal of Waterpower and Dam Construction, Oktober, 1975.
[9]. Taylor, W.T., Braymer, D.H., „American Hydroelectric Practice: A Compilation of Useful Data and Information on the Design, Construction and Operation of Hydroelectric Systems, from the Penstocks to Distribution Lines”, McGraw-Hill, 1917.
Original languageGerman
Title of host publication25. Internationales Anwenderforum Kleinwasserkraftwerke
PublisherConexio PSE
Pages62-73
Number of pages12
ISBN (Electronic)ISBN 978-3-948176-19-8
Publication statusPublished - 23 Sep 2022
Event25. Internationales Anwenderforum Kleinwasserkraftwerke - Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria
Duration: 22 Sep 202223 Sep 2022
Conference number: 25

Conference

Conference25. Internationales Anwenderforum Kleinwasserkraftwerke
Abbreviated titleOtti
Country/TerritoryAustria
CityInnsbruck
Period22/09/2223/09/22

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