Pelton-Turbine: Verteilrohrleitung und Bechergeometrie
Für einen mittelständischen Hersteller wurden die Bechergeometrie und die Neukonstruktion einer Verteilrohrleitung analysiert.
Die Bechergeometrie konnte anhand von veröffentlichten Kennwerten und Graphiken beurteilt werden. Die Becherdaten wurden berechnet und gemeinsam mit dem übermittelten Laufrad analysiert. Es zeigte sich, dass die vom Auftraggeber gewählte Becheranzahl deutlich zu niedrig gewählt wurde. Eine Anhebung der Becheranzahl wurde angeraten. Für die gewählte spezifische Drehzahl und den Leistungsbereich sollte sich, unter Bezugnahme auf bereits ausgeführte Maschinen, ein Wirkungsgrad im Bereich von etwa 88-90 % einstellen.
Die Geometrie wurde als stp-file vom Auftraggeber übermittelt, überarbeitet, fehlerbereinigt und mit ICEM CFD® vergittert. Die Düsen wurden inklusive Verstell-Stange, Leitblech, Verstell-Stangen-Lagerung und Düsennadel in der vorgegebenen bzw. vom Auftraggeber übermittelten Position vergittert. Um zusätzlich den sich ausbildenden Wasserstrahl in Luft berechnen zu können, wurden der Strömungsraum nach dem Düsenaustritt modelliert und die CFD-Berechnungen zweiphasig (Luft und Wasser) durchgeführt. Das so entstandene strukturierte Gitter einer Peltondüse ist in Abbildung 42 dargestellt und besteht aus 780.000 Knoten, das vollständige Rechen-Setup der Verteilrohrleitung besteht aus knapp 5,3 Mio. Knoten.
Durch die verwendete Geometrie der Verteilrohrleitung ergibt sich eine zweifache Umlenkung der Strömung. Eine zweifache Umlenkung ist auch in einer Ebene nicht unbedenklich. Sobald sich die Ebene aber verändert, bildet sich eine stärkere Verdrallung der Strömung aus, wodurch auch die Strahlqualität beeinflusst wird. Dies ist bei der ersten konstruktiven Ausführung dieser Verteilrohrleitung gegeben. In Abbildung 43 ist ein Stromlinienplot für die Verteilrohrleitung dargestellt. Man sieht deutlich stärkere Zonen von niedrigen Geschwindigkeiten und Rezirkulationszonen sowie die erwähnte Verdrallung der Strömung. In Richtung des Strahls ist in die Umfangsgeschwindigkeit (rechtsdrehend ist positiv) in mehreren Ebenen dargestellt. Im inneren Bereich der Düse wechseln sich Bereiche mit positiven und negativen Drehrichtungen ab. Die Düsenströmung muss damit als ziemlich „ungesund“ bezeichnet werden, und tatsächlich wird der Strahl aufplatzen.
Der einmal erzeugte Drall (Radius * Umfangsgeschwindigkeit) bleibt in Strömungsrichtung aufgrund mangelnder Einbauten auf einem hohen Niveau (Tendenz leicht sinkend), was aber durch die Verringerung des Durchmessers im Mundstück, die zu einer Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit führt, wieder kompensiert wird.
Diese Geschwindigkeitskomponente wird dem Strahl beim Verlassen des Mundstücks mitgegeben und kann zu einer Verschlechterung der Interaktion des Strahles mit dem Becher führen.
Vorgeschlagen wird nun der Einbau eines Vierbeines - ebenfalls praktikabel wäre ein Dreibein - im Bereich der Stangenführung. Hierdurch soll der durch die Doppelumlenkung entstehende Drall vermindert werden und so die Strahlqualität auf ein höchstmögliches Niveau gehoben werden.
