Leitschaufel

Eine Spirale ist eine gekrümmte, spiralförmige Kammer, die einen Turbinenlaufrad umgibt und die einströmende Flüssigkeit mit minimalen Verwirbelungen in die Schaufeln oder Laufschaufeln leitet. In einer Kreiselpumpe oder Turbine wandelt die Spirale die hohe Geschwindigkeit am Auslauf des Laufrades in eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit um, die für die nächste Stufe oder den Auslauf geeignet ist. Dies reduziert Energieverluste und Vibrationen. Die Form ist keine einfache Spirale, sondern eine allmählich expandierende Kammer, die beim Umgang um die Umfangslinie eine annähernd gleichbleibende Geschwindigkeit beibehält und die Strömung gleichmäßig über alle Einlassöffnungen zum Laufrad verteilt.

Spiralen kommen in verschiedenen Zusammenhängen vor. In der Strömungstechnik sammelt eine Pumpenspirale die radial vom Laufrad ausgestoßene Flüssigkeit und leitet sie zum Auslauf; eine Turbinenspirale (auch Spiralgehäuse genannt) verteilt das einströmende Wasser gleichmäßig um den gesamten Laufradumfang, bevor es in die Leitschaufeln eintritt. Die Spirale muss für die Auslegungsförderleistung richtig dimensioniert sein; zu kleine Spiralen verursachen übermäßige Druckverluste und Wärmeentwicklung, während zu große die Wirkungsgrad reduzieren und den Platzbedarf der Maschine erhöhen.

Auslegung und Betriebsverhalten

Der Querschnitt der Spirale verjüngt sich typischerweise, während sie sich um das Laufrad windet, und folgt bei gut ausgeführten Ausführungen einer Evolvente oder logarithmischen Kurve. Metallspiralen werden als Teil des Pumpen- oder Turbinengehäuses gegossen, häufig aus Gusseisen oder Bronze für Korrosionsbeständigkeit im Wasserbetrieb. Der Spiralwinkel, der Zungenradius und die Ausgangsgeometrie beeinflussen alle, wie sauber die Strömung in das Laufrad oder die Turbine eintritt; schlechte Auslegung erzeugt tote Zonen, in denen Kavitation entstehen kann oder in denen Wirbel Energie verschwenden. Bei Kreiselpumpen ist der Spalt zwischen der Laufradspitze und dem Spiraleinlauf (die Zunge) kritisch; zu groß und es tritt Rückströmung auf, zu klein und es entsteht Blockade.

Der Begriff Spirale leitet sich wahrscheinlich von ihrer Ähnlichkeit mit einer aufgerollten Pergamenturkunde ab, wenn man sie von oben betrachtet. In einigen europäischen hydraulischen Traditionen wird die Spirale Volute genannt, besonders in der Pumpennomenklatur, aber Spirale ist der Standardbegriff in Turbinenauslegungen. Der Zweck der Spirale ist grundlegend, die Geometrie des rotierenden Elements an die feststehende Rohrleitungen anzupassen und so die plötzliche Erweiterung oder Verengung zu verhindern, die Lärm, Kavitation und Druckstöße erzeugen würde.

Verschleiß und Erosion in Spiralen treten typischerweise an der Zunge und in Hochgeschwindigkeitszonen auf, wo abrasive Partikel in der Flüssigkeit gegen die Wände schaben; dies verengt den wirksamen Durchgang und verschlechtert die Leistung im Laufe des Betriebs. Kavitationsschaden erscheint als Pittings auf der Niederdruck-Seite der Spiralenwand, ein Zeichen dafür, dass der örtliche Druck unter den Dampfdruck gefallen ist. Im Langzeitbetrieb können Spiralen auf Erosionsschäden überprüft werden und können in manchen Auslegungen aufgebohrt oder erneuert werden, um die Spalte wiederherzustellen.