WASSERTURBINEN

Wasserkraftnutzung durch Wasserturbinen

Im Gegensatz zu den zuvor behandelten Wasserrädern wird bei der Turbine die mechanische Arbeit nicht mehr unmittelbar zum Antrieb eines Mühlsteins, einer Säge oder eines Hammerwerkes etc. genutzt, sondern über einen angeschlossenen Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Das gemächlich drehene Wasserrad wird hier durch die schnellaufende Turbine ersezt, welche als geschlossenes System Wirkungsgrade von um die 90% erreicht.

Die Turbine muß, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, den unterschiedlichen Wasseraufkommen und Fallhöhen entsprechend angepasst sein.

Bauformen von Kleinwasserkraftanlagen

Unterscheidet man nach der Fallhöhe, so gibt es drei verschiedene Typen von Kleinwasseranlagen:

• Hochdruckanlagen mit Fallhöhen über 50 m
• Mitteldruckanlagen mit Fallhöhen von 15 bis 50 m
• Niederdruckanlagen mit Fallhöhen kleiner 15 m

Hochdruckanlagen nutzen das große Gefälle im Gebirge (>50m).

Mitteldruckanlagen werden meist in Mittelgebirgen gebaut, bei einem Gefälle zwischen 15 und 50 m.

Bei den eben genannten Lagen (Hoch- und Mittelgebirge) wird das Wasser an manchen Standorten durch Pumpspeicherkraftwerke mehrfach genutzt. Pumpspeicherkraftwerke dienen vor allem als Energiespeicher. Das heißt: Nachts wird gepumpt, tagsüber werden Spitzen abgefahren.

Niederdruckanlagen sind für Flusstäler mit einem Gefälle von weniger als 15 m ausgelegt. Es sind meist Laufwasserkraftwerke, bei denen man wiederum zwischen Fluss- oder Buchtenkraftwerken und Ausleitungskraftwerken unterscheidet .

Turbinentypen

Die heute gebräuchlichen Wasserturbinen lassen sich in Gleichdruckturbinen (Pelton-Turbine, Durchström-Turbine/Ossberger-Turbine) und Überdruckturbinen (Francis-Turbine, Kaplan-Turbine) einteilen.

Gleichdruckturbinen

nutzen die kinetische Energie des Wassers
das Laufrad wird druckfrei durchströmt und teilbeaufschlagt
werden meist bei größeren Anlagen eingesetzt

Die Pelton- (Freistrahl-) Turbine wird meist bei großen Fallhöhen (über 200 m, max. 2.000 m) eingesetzt. Das Wasser wird hier als freier Strahl tangential auf die Schaufeln (meist eine doppelte Becherreihe) geführt. Die Turbinenleistung kann über Düsen gesteuert werden. Es werden in Abhängigkeit des Volumenstroms 1 bis 6 Nadeldüsen eingesetzt. Sie wandeln die im strömenden Wasser noch enthaltene potentielle Energie in kinetische Energie um. Das Teillastverhalten ist sehr günstig, bereits bei ca. 30 % der Nennleistung wird der maximale spezifische Wirkungsgrad erreicht.

Die Durchströmturbine/Ossberger-Turbine wird bei geringen Fallhöhen mit geringem Volumenstrom eingesetzt. Das Prinzip entspricht dem von oberschlächtigen Wasserrädern, wobei jedoch auch eine Mehrfachbeaufschlagung der Schaufeln mit strömendem Wasser durch konstruktive Leitschaufelgestaltung möglich ist.

Überdruckturbinen

nutzen die kinetische und potentielle Energie des Wassers
der Druck ist bei Eintritt des Wassers ins Laufrad größer als beim Austritt
das Laufrad wird vollbeaufschlagt
werden häufig bei Großanlagen eingesetzt

Die Francis-Spiral-Turbine wird meist bei Fallhöhen von 50 m bis 400 m (max. 600 m) eingesetzt. Die Wasserumlenkung wird innerhalb des Laufrades vorgenommen. Das Teillastverhalten ist ungünstiger als bei anderen Turbinen, das Maximum des Wirkungsgrades liegt bei 70 bis 90 % der Nennleistung und ist ausgeprägt, d.h. der Wirkungsgrad fällt bei sinkender Nennleistung stark ab.

Die Francis-Schacht-Turbine wird meist bei Fallhöhen von 1,5 m bis 10 m eingesetzt. Es sind ein relativ konstanter Zufluss und große Wassermengen erforderlich. Anstatt der Einlaufspirale (Francis-Spiral-Turbine) hat sie einen Einlaufschacht, wodurch sie geringere Wirkungsgradverlußte hat. Technisch ist sie einfacher gebaut. Nachteil: Bei Teilbeaufschlagung nimmt der Wirkungsgrad sehr schnell ab.

Die Kaplan-Turbine wird meist bei geringen Fallhöhen (bis 50 m, max. 80 m) und großen Wassermengen eingesetzt, also meistens in Flusskrafwerken (Laufkraftwerken). Die Wasserumlenkung wird vor Eintritt in das Schaufelrad durch feststehende regelbare Leitschaufeln vorgenommen, um den Aufprallwinkel des Wassers auf die Laufschaufeln zu optimieren. Die tragflügelartigen Laufschaufeln können Durchmesser bis 6m aufweisen. Die Überdruckturbinen nutzen neben der kinetischen auch die potentielle Energie des strömenden Wassers. Das Teillastverhalten ist günstig, bereits bei ca. 40 % der Nennleistung wird der maximale spezifische Wirkungsgrad erreicht.

Eine Sonderform der Kaplan-Turbine ist die Rohrturbine, die Generator und Turbine in einem Gehäuse im wasserführenden Rohr unterbringt. Der Einsatzbereich von Rohrturbinen liegt hauptsächlich bei Überflutungskraftwerken und Gezeitenkraftwerken.

Entwicklungsstufen in der Turbinentechnologie:

1707-72 Segner-Wasserrad (Göttingen)
1827 Fourneyron, hydraulische Maschine (vertikalachsiges Wasserrad mit radialen Wasseraustritt)
1848 Zuppinger und Schwamkrieg
1850 Impuls-Gleichdruckmaschine
1863 Girard Turbine zwischen heutiger Gleich- und Überdrucktechnologie
In der weiteren Entwicklung werden diese Turbinenarten verworfen
1849 Francis (England) Überdruckturbine - Francisturbine
1890 Pelton (USA) Freistrahlturbine, Gleichdruckturbine -Peltonturbine
1913 Kaplan (Österreich) Propellerturbine mit feststehenden/beweglichen Laufradschaufeln – Kaplanturbine
Kombination von Propeller, Kaplanturbine und vorgeschaltetem Generator - Rohrturbine
1919 Harza (USA). Fentzloff/Schmick {Deutschland)
Vereinigung von Turbinenlaufrad und Rotor des Generators zur Einheit von Wasserturbine und
Stromerzeugung (Laufradschaufel bilden Speichen des
Polrades des Generators) Straight-Flow-Turbine, (Straflo-Turbine)
1936 erste Bauausführung durch Fischer(Laufwasserkraftwerk)
1917 Banki (Ungarn) zweistrahlige Turbine als Überdruck- oder als Gleichdruckturbine
Ossberger (Deutschland) vervollkommnet diesen Typ zur Durchströmturbine - Ossberger-Turbine
-speziell für den Bereich der Kleinwasserkraftwerke
1903 Mitchell (Australien) lässt sich ähnliche Turbine patentieren)
-S-Turbine Fa. AIlis-Chalmers (USA),
Fa. Voith (Deutschland),
Fa. Kössler (Österreich)