Wasserturbinen


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Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 22.04.2014

Wasserturbinen haben eine lange handwerkliche und industrielle Tradition und haben einen hohen Wirkungsgrad von bis 95%. In diesem Beitrag werden verschiedene Wasserturbinen aufgelistet und schnell erklärt, sowie die gängigsten Turbinen (Pelton, Francis und Kaplan) hinsichtlich Volumenstrom, Drehmoment und Wirkungsgrad verglichen.

Je nach Typ unterscheidet sich die Abhängigkeit von Volumenstrom und Drehmoment von der Drehzahl und der Wirkungsgrad vom Volumenstrom. Für die Umwandlung der hydraulischen Energie in mechanische Energie gibt es verschiedene Arten von Turbinen:

  • Gleichdruckturbinen. Der statische Wasserdruck ist am Eintritt am Laufrad gleich gross wie am Austritt.
    • Peltonturbine. Eine Freistrahlturbine für Wasserhöhen bis 2000 m. Das Laufrad kann auf einer horizontalen oder vertikalen Achse liegen.
      • Peltonturbine mit fester Düse. Es ist keine Veränderung der Wassermenge und Leistung möglich.
      • Peltonturbine mit verstellbarer Düse, ηmax 92%.
      • Peltonturbine mit mehreren Düsen.
    • Durchströmturbine auch Ossbergerturbine oder Nepalturbine genannt, ηmax 85%.
    • Wasserrad für Wasserhöhen bis 10 m.
      • Wasserrad mit einzelnen Behältern (Zellen). Vor allem bei oberschlächtigen Wasserrädern oft angewendet.
      • Wasserrad mit Schaufeln. Für einen hohen Wirkungsgrad ist eine Abdichtung erforderlich.
      • Anordnung des Wasserzulaufs am Rad:
        • Oberschlächtig. Das Wasser tritt oben am Laufrad ein, ηmax 80%.
        • Mittelschlächtig. Das Wasser tritt in der Mitte des Laufrades ein, ηmax 70%.
        • Unterschlächtig. Das Wasser fliesst unter dem Laufrad durch, ηmax 70%.
        • Tiefschlächtig. Das Wasserrad ist in einem Gewässer, es kann auch an einem Schwimmkörper befestigt sein (Schiffsmühle).
    • Segnersches Wasserrad. Das Wasser spritzt tangential aus Flügelöffnungen (Rückstossprinzip).
  • Überdruckturbinen. Der statische Wasserdruck ist am Eintritt am Laufrad grössere als am Austritt.
    • Francisturbine. Das Wasser strömt tangential-radial über eine Einlaufspirale auf das Laufrad und fliesst in der Mitte axial ab. Die Einstellung der Wassermenge erfolgt über Leitschaufeln am Umfang des Laufrades.
      • Niederdruckanlagen mit obenliegenden Laufrädern für Wasserhöhen von 1 bis 4 m (wurde früher öfters für Sägereien und Mühlen gebaut).
      • Hochdruckausführung für Wasserhöhen bis 750 m, ηmax 95%
    • Wasserwirbelturbine. Das Wasser strömt tangential in ein rundes Becken indem es einen grossen Wirbel bildet. Das In der Mitte fliesst das Wasser durch ein Loch ab und treibt eine Turbine an. Das System ist für Wasserhöhen von 0.5 bis 2 m und wird von Herrn Zotlöterer entwickelt. In der Schweiz gibt es die Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke.
    • Axialturbinen. Das Wasser strömt axial durch ein propellerförmiges Laufrad.
      • Kaplanturbine. Eine Art Schiffspropeller mit verstellbaren Flügeln (Leitschaufeln) mit vertikaler Achse, für Wasserhöhen bis 60 m, ηmax 95%.
      • Propellerturbine. Eine Kaplanturbine ohne verstellbare Flügel. Im Teillastbereich hat die Propellerturbine einen schlechten Wirkungsgrad.
      • Rohrturbine. Eine Kaplanturbine mit horizontaler Achse, der Generator wird vom Wasser umströmt.
      • Strafloturbine. Eine Rohrturbine mit aussenliegendem Generator, ohne Achse (Beispiel Flusskraftwerk Laufenburg).
      • Dériazturbine. Eine Kaplanturbine mit tragflügelähnlichen Schaufeln, welche auch als Pumpe eingesetzt werden kann.
    • Industriepumpen welche rückwärts laufen.
    • Archimedische Schraube. Eine in einem Rohr verlaufende Schraube für Wasserhöhen bis 15 m. Wird vorwiegend als Pumpe verwendet und auch Schneckenpumpe genannt.
wasserturbinen
Haupteinsatzbereich der verschiedenen Wasserturbinentypen. Wassermenge (Q) zu Fallhöhe (H).

Volumenstrom

Bei den Freistrahlturbinen (Pelton, Ossberger) ist der Volumenstrom unabhängig von der Drehzahl. Bei der Francisturbine nimmt der Volumenstrom mit der Drehzahl leicht zu und bei den Propellerturbinen ist der Volumenstrom stark von der Drehzahl abhängig.

wasserturbinen_volumenstrom
Volumenstrom in Funktion der Turbinendrehzahl.

Drehmoment

Die Drehmoment-Drehzahlkennlinie der Pelton- und Francisturbine ist der einen Nebenschlussgleichstrommaschine sehr ähnlich. Die Kaplanturbine hat je nach Ausführung nur ein Anlaufdrehmoment von 25 bis 100% des Nenndrehmomentes.

wasserturbinen_drehmoment
Drehmoment in Funktion der Drehzahl.

Bei der obenstehenden Grafik kann man auch die Durchgangsdrehzahl (Schleuderdrehzahl) der verschiedenen Turbinentypen erkennen. Bei der Peltonturbine ist die Schleuderdrehzahl etwa die 1,7 bis 1,9-fache Nenndrehzahl, bei der Francisturbine die die 1,6 bis 2,1-fache Nenndrehzahl und bei der Kaplanturbine die 2,2 bis 2,8-fache Nenndrehzahl.

Wirkungsgrad

Die Peltonturbinen und die Kaplanturbinen mit verstellbaren Flügeln haben bis zu einem tiefen Volumenstrom einen hohen Wirkungsgrad.

wasserturbinen_wirkungsgrad
Wirkungsgrad in Funktion des Volumenstroms. (Normiert auf ein Maximum von 90%)
Der maximale Wirkungsgrad von Fancis- und Kaplanturbinen liegt bei 95%, die besten
Peltonturbinen erreichen einen Wirkungsgrad von nur 92%.

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