Die Mitarbeit des Turbineningenieurs am Entwurfe einer Wasserkraftanlage. Von Dipl.-Ing. Scheuer, Assistent a.d. Techn. Hochschule München. Die Mitarbeit des Turbineningenieurs am Entwürfe einer Wasserkraftanlage. Der Entwurf einer technisch vollkommenen und wirtschaftlich günstigen Wasserkraftanlage bedingt das Zusammenarbeiten von mindestens drei verschiedenen Fachrichtungen. Bauingenieur, Turbineningenieur und zumeist Elektroingenieur müssen sich über mehrere Grundfragen beraten und einigen. Soll die Wasserkraftmaschine zum direkten Antriebe von Arbeitsmaschinen dienen, oder wird mechanische Transmission der elektrischen vorgezogen, so hat natürlich an die Stelle des Elektroingenieurs der entsprechende Fachmann zu treten. Es soll versucht werden, im Folgenden den Wirkungskreis des Turbineningenieurs beim Entwürfe zu umgrenzen, auf jene Punkte hinzuweisen, bei denen er beratend oder entscheidend einzugreifen hatFür mehrere Zahlenangaben bin ich Herrn Prof. Dr. Camerer, der Firma Briegleb Hansen & Co., Gotha und der Firma Escher, Wyss & Co., Zürich zu erg. Dank verpflichtet.. A. Die technische Seite des Entwurfes. 1. Die Wahl des Gefälles und der Ausbaustufe (Wassermenge)kann dem Bauingenieur überlassen werden. Von 0,5 bis 920 m Gefälle sind durch Francisturbinen bzw. Tangentialräder schon mit Erfolg ausgenützt worden. Sehr kleine Gefälle, solche unter 1,5 m, machen es schwierig, genügende Wasserdeckung über der Turbine zu erreichen zur Vermeidung von Lufttrichterbildung, ohne dem Wasser große Reibungswege aufzuzwingen. Technische Grenzen für Größt- oder Kleinstwerte der Wassermenge sind kaum gegeben. Für Francisturbinen in 0,5 in Gefälle mag als Kleinstwert in Rücksicht auf den Wirkungsgrad eine Wassermenge von etwa 30 l/sec gelten. Von Wichtigkeit sind Gefalleschwankungen. Die Saughöhe und Eintauchtiefe der Saugrohre sind vom Wasserspiegelstand abhängig, es ändert sich mit dem Gefälle die Leistung und, was besonders zu beachten ist, auch diejenige Drehzahl, bei der die Turbine den höchsten Wirkungsgrad erreichen kann. Die Abhängigkeit dieser Drehzahl vom Gefälle läßt Fig. 1 überblicken, die dem Aufsatz von Prof. Dr. Camerer „Wirtschaftliche Gesichtspunkte beim Veranschlagen von Wasserkraftmaschinen“ Z.d.V.d.J. 1908, S. 1901 entnommen ist. Es ist hiebei der Rat des Turbineningenieurs kaum zu entbehren. Veränderungen in der Wassermenge haben nur Einfluß auf die zu wählende Anzahl der Maschineneinheiten. (Siehe unter 3.) Textabbildung Bd. 324, S. 115 Fig. 1. Drehzahl, Wassermenge und Leistung einer Turbine bei verschiedenem Gefälle H. 2. Die Wahl des Turbinensystems obliegt dem Turbineningenieur. Es kommen nur mehr Francisturbinen und Tangentialräder (Pelton- und Löffelräder) zur Verwendung. Erleichtert wird die Entscheidung durch Ausrechnung der spezifischen Drehzahl. Die Ableitung des Ausdruckes dafür n_s=\frac{n}{\sqrt{H}}\cdot \sqrt{\frac{N}{H\,\sqrt{H}}} sei als bekannt vorausgesetzt und kann nebst Tabelle 1 im Taschenbuch „Starkstromtechnik,“ Berlin, 1909, S. 266 f. Abschnitt Wasserkraftanlagen von Professor Dr. Camerer nachgeschlagen werden, dem sie entnommen istTabelle, der spezifischen Drehzahlen moderner Turbinen.. Bei Tangentialrädern ist zu entscheiden, ob eine oder mehrere Düsen f.d. Rad zu verwenden sind, ob ein oder mehrere Räder auf eine Welle zu setzen sind. Bei Francisturbinen ist die Anzahl der Laufräder auf einer Welle festzulegen und zu entscheiden, ob eine Turbine in offenem Wasserkasten oder eine Turbine in geschlossenem, gußeisernem oder schmiedeeisernem Gehäuse mit Druckleitung mehr Vorteile bietet. Bis zu 10 m Gefalle herrscht der offene Einbau vor, der gegebenenfalls; auch noch bei 15 bis 20 m Gefälle angewendet werden kann. In Zweifelsfällen hat der Bauingenieur gehört zu werden. Bei Tangentialrädern in Kraftzentralen wird nur wagerechte Welle ausgeführt. Ob bei Francisturbinen liegende oder stehende Welle und damit meist im Zusammenhang, ob direkte Kupplung zwischen Turbine und Generator, bzw. Arbeitsmaschine oder Uebersetzung durch Riementrieb, Seiltrieb oder Kegelräder bevorzugt werden soll, haben Turbinen-, Elektro- und Bauingenieur gemeinsam zu entscheiden. Tabelle 1. Spezifische Drehzahlen moderner Turbinen. Peltonräder (Löffelräder) mit 1 Düse beaufschlagt n s = 11,5 „ „ „ 2 Düsen „ „ = 16,2 „ „ „ 3 „ „ „ = 19,9 „ „ „ 4 „ „ „ = 23,0 Zentripetal- (Ueberdruck-Francis-) Turbinen     Vierstufenlangsamläufer n s =   15     Zweistufenlangsamläufer „ =   21     Langsamläufer „ =   40 bis 100     Normalläufer „ = 100 „ 200     Schnelläufer „ = 200 „ 300     Zwillingsschnelläufer (2 Laufräder auf einer Welle) „ = „ 425     Vierfachschnelläufer   (4        „         „     „         „   ) „ = „ 600 Textabbildung Bd. 324, S. 115 Fig. 2. Abhängigkeit des Preises und der Grundfläche für 1 PS von der Turbinengröße. Gefälle konstant. 3 Die Anzahl der Maschineneinheiten bestimmt unter beratender Beihilfe des Elektroingenieurs am besten der Turbineningenieur. Dazu muß die Aenderung der Wassermenge im Verlaufe des Jahres bekannt sein. Seit die Beherrschung großer Massen in Herstellung, Montage und Betrieb der Turbinen keine unüberwindlichen Schwierigkeiten mehr bietet, ist die Anzahl der Maschinensätze in einer Anlage zurückgegangen, da größere Maschinen besseren Wirkungsgrad wegen der verhältnismäßig kleineren benetzten Flächen und des geringeren Prozentsatzes der mechanischen Reibung erreichen und, was eigentlich nur wirtschaftlich eine gewisse Rolle spielt, da bei größeren Maschinen die Kosten für die 1 PS-Leistung geringer ausfallen. Auch der Platzbedarf für die Einheit der Leistung sinkt bei steigender Gesamtleistung der Maschine, wenngleich nur gering. Der Charakter dieser Abhängigkeit des Preises und des Platzbedarfes f.d. PS-Leistung von der Maschinengröße ist in Fig. 2 für offene vertikale Francisturbinen in gleichbleibendem Gefälle bei größer werdendem Durchmesser also steigender Leistung dargestellt. Wohl schreibt die Rücksicht auf Transport größte Gewichte und Maße vor, doch sind in der Regel Schwankungen in der verfügbaren Wassermenge, d.h. das Bestreben, auch bei verringerter Wassermenge noch hohen Wirkungsgrad zu erzielen, die Grenzen der spezifischen Drehzahl (siehe unten) und der Hinblick auf Betriebssicherheit für die Wahl der Anzahl der Maschinensätze maßgebend. Bei einer größeren Maschinenanzahl, also stärkerer Unterteilung der gesamten Werkleistung, wird man sich Schwankungen in Wassermenge und Kraftbedarf besser anschmiegen können, Störungen und Reparaturen an einzelnen Maschinen werden nicht so viel Kraft entziehen. Man strebt an, auch mit der kleinsten, längere Zeit andauernden Wassermenge eine Maschine mindestens noch mit 1/2, wenn nicht 3/4 ihrer Normalwassermenge speisen zu können, da sonst der Wirkungsgrad zu sehr sinkt. Die Veränderung des Wirkungsgrades bei wechselnder Beaufschlagung und die Verwendung mehrerer Maschinensätze bei wechselnder Wassermenge zeigt Fig. 3, die dem schon genannten Aufsatze Prof. Dr. Camerers entnommen ist. Textabbildung Bd. 324, S. 116 Fig. 3. Wirkungsgradkurven einer Turbinenanlage mit 1, 2, 3 und 4 Maschinensätzen. Ist so die Leistung der einzelnen Maschine bestimmt, dann kann der Elektroingenieur einige passende Drehzahlen vorschlagen. Auch damit bestimmt sich ein Kleinstwert von Maschinensätzen, da die nunmehr leicht festgestellte spezifische Drehzahl in den oben angegebenen Grenzen bleiben muß. Nun erst kann endgültig die Anzahl der Laufräder auf einer Welle bzw. die Düsenzahl bestimmt werden. Bei geschlossenen Francisturbinen führt man nicht mehr als zwei, bei offenen Francisturbinen nicht mehr als vier Laufräder auf einer Welle aus. Wie beim Generator ergibt auch beider Wasserkraftmaschine eine größere Drehzahl kleinere Abmessungen, doch ist dies bei den letzteren weniger ausgiebig und muß beachtet werden, daß der Wirkungsgrad mit der spezifischen Drehzahl sich ändert, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, die Graf und Thoma in ihrem Aufsatze „Neuere Schnelläuferturbinen“ Z.d.V.d.J. 1907 S. 1005 veröffentlicht haben. 4. Außer dem Platzbedarf der Turbine hat der Turbineningenieur auch Gestalt und Maße der Turbinenkammer, bzw. den Anschluß der Druckrohre, die Maße und Gestaltung des Betonablaufkrümmers und die Maße des Sumpfes unter dem Ablauf anzugeben. Wie aus Fig. 5 zu sehen ist, sinkt natürlich der Platzbedarf für 1 PS Maschinenleistung, wenn die gleiche Turbine in größeres Gefälle gesetzt wird. Das gleiche gilt natürlich auch für die Fundamente und Ablautkammern von Peltonrädern, bei denen es besonders wichtig ist, daß das Wasser ohne Stauung unter dem Laufrad wegfließt. Die Höhenlage der Turbine zwischen Oberwasser- und Unterwasserspiegel legten am besten Bau und Turbineningenieur gemeinsam fest, da die Saughöhe der Turbine (höchstens 7 m) und die Wasserüberdeckung über dem Leitrad davon abhängen, anderseits natürlich auch die Wasserbauten. Bei Peltonrädern ist die Höhe über dem Unterwasserspiegel in der Regel verlorenes Gefälle. Ueber die Notwendigkeit und den Platzbedarf der Regulatoren hat der Turbineningenieur Angaben zu machen. Bei kleineren Anlagen, die nicht zugleich Licht und Kraft liefern, kann ja von einer selbsttätigen Regulierung oft abgesehen werden. 5. Sicherheitsvorrichtungen an Rohrleitungen, Hilfseinrichtungen und Hilfsrohrleitungen (Hochquellwasserleitung für die Regulatoren, Warmwasserleitungen für Schützen, Rechen und Turbinen) sind schon beim Entwürfe vom Turbineningenieur vorsusehen, sonst werden sie aus falscher Sparsamkeit oder Bequemlichkeit nicht ausgeführt, sehr zum Schaden der Betriebssicherheit, oder müssen später mit unverhältnismäßig größeren Kosten nachgeholt werden. 6. Es soll hier noch angeführt werden, daß Geh. Baurat Prof. Pfarr in der Z.d.V.d.J. 1908 S. 2011, wohl auf Grund schlechter Erfahrungen, auch die Anordnung des Wehres mit Kanaleinlaufschützen, Kiesfang und der Hauptsache nach die Schützen und Druckrohre für den Turbineningenieur reklamiert. Textabbildung Bd. 324, S. 117 Fig. 4. Spezifische Drehzahl. B. Die wirtschaftliche Seite des Entwurfs. Es ist von vorneherein klar, daß der Turbineningenieur auf den gesamten wirtschaftlichen Plan wenig Einfluß haben kann, da die Kosten der Turbinen gegenüber den Gesamtkosten, von denen sie etwa 4 bis 12% in normalen Verhätnissen ausmachen, wenig ins Gewicht fallen. Der Turbineningenieur hat natürlich die Kosten der Turbinen, vielleicht für mehrere in Betracht kommende Aufstellungsarten, Größen und Systeme angeben. In der Regel wird es sich, eben wegen des zu den Gesamtkosten geringen Preises, nicht darum handeln, eine billige Ausführung zu wählen, sondern einfach die technisch beste, also Entscheidungen zu treffen, die unter A besprochen sind. Aus den in der Literatur zugänglichen Daten (siehe Thielsch „Baukosten von Wasserkraftanlagen,“ Zeitschrift f.d. ges. Turbinenwesen 1908 S. 357 f.; Mattern „Die Ausnutzung der Wasserkräfte“ Leipzig 1908; besonders auch Koehn „Ausbau von Wasserkräften“ Leipzig 1908, das ausgezeichnetes und reichliches Material für den technischen und wirtschaftlichen Entwurf bietet) folgt, daß für Francisturbinen in Gefällen von 2 bis 20 m mit durchschnittlichen Gesamtanlagekosten (für Wasserbau, Hochbau, elektrische Einrichtung und Fernleitung) die Anlagekosten der Turbinen mit steigendem Gefälle von 12 bis 4,5% der Gesamtanlagekosten sinken, bei Tangentialrädern in Gefällen von 60 bis 350 m von 7 bis 4%. Wollte man also an den Turbinenkosten sparen, so könnte dies im Gesamtbild aller Anlagekosten nur wenig ausmachen, wohl aber könnten dadurch die direkten Betriebskosten (Wartung, Schmier- und Putzmaterial) und die Reparaturkosten (schlechteres Material, schlechtere Ausführung, starker Verschleiß noch dazu an nicht auswechselbaren Teilen) und auch die Tilgungsziffer in ungleich größerem Maße wachsen, der Wirkungsgrad sinken und die Betriebssicherheit, besonders bei Einsparung an Sicherheitsvorrichtungen, sehr leiden und Einnahmeausfall durch Betriebsstillstand verursacht werden. Textabbildung Bd. 324, S. 117 Fig. 5. Abhängigkeit des Preises und der Grundfläche für 1 PS von Gefälle. Turbinengröße konstant. Die Abnahme des Anlagepreises für I PS Maschinenleistung bei steigender Leistung der Turbine in gleichem Gefälle ist bereits unter 3) vorausgreifend erwähnt worden und in Fig. 2 dargestellt. In welcher Art dieser Preis für 1 PS Maschinenleistung abnimmt, wenn die gleiche Turbine in größeres Gefälle gesetzt wird, könnte aus Figur 1 gefolgert Tabelle 2. Technischer Entwurf. 1 2 3 Gefälle B T – Wassermenge B (T) – Turbinensystem T E B Maschinenzahl T (E) (B) Drehzahl T E – Platzbedarf T – – Turbinenkammer, Druckrohranschluß T (B) – Betonkrümmer, Sumpf, Saughöhe T B – Regulator, Sicherheits- u. Hilfseinrichtungen T (E) (B) Wirtschaftlicher Entwurf. Kosten der Turbinen T – – Schmiermaterial T – – Normale Reparatur T – – Tilgung der Turbine T – – Wirkungsgrad bei versch. Beaufschlagg. T – – T = Turb.-Ing.; B = Bau-Ing.; E = Elektro-Ing. werden und ist in Fig. 5 zu ersehen. Natürlich ist zu beachten, daß dies nur so lange gilt, als nicht wegen zu großen Gefälles eine andere Turbine zu wählen ist. Die geschlossene Turbine ist etwa um 30% teurer als die offene gleichen Durchmessers, die horizontale Doppelturbine mit zwei getrennten Abläufen etwa um 90%, die Zwillingsturbine im groben Durchschnitt 20% teurer als die horizontale, einfache, gleichen Durchmessers und natürlich halber Leistung. Obgleich größere Drehzahl bei gleichem Gefalle kleineren Durchmesser gibt, so bleibt doch wegen Vergrößerung der Laufradhöhe und etwas schwierigerer Ausführung der Preis der gleiche. Die Tigungsziffer der Turbinen ist vom Turbineningenieur anzugeben, womöglich auch der normale Verbrauch an Schmiermaterial und die Durchschnittskosten für normale durch den Verschleiß hervorgerufene Reparaturen. Zur Wirtschaftlichkeitsrechnung sind Angaben über die Leistung, d.h. den Wirkungsgrad der Turbinen bei verschiedenen Wassermengen nötig, die selbstverständlich die Turbinenfabrik zu liefern hat. Die Mitwirkung des Turbineningenieurs hat sich also gewöhnlich auf die in der vorstehenden Tabelle 2 zusammengestellten Gesichtspunkte zu erstrecken.