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Wasserturbinen

01. Wie ist die generelle Wirkungsweise einer Wasserturbine?

Die Wasserturbine ist eine Strömungskraftmaschine, mit der die potenzielle und kinetische Energie des Wassers in mechanische Arbeit oder mithilfe eines Generators direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird. Dabei sitzt das Laufrad i. d. R. direkt auf der Welle, die den Generator antreibt.

Wirkungsweise einer Wasserturbine (schematische Darstellung):

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02. Welche physikalischen Zusammenhänge bestimmen den Wirkungsgrad bei Wasserturbinen?

Um einen optimalen Wirkungsgrad bei Wasserturbinen erzielen zu können, muss die Bauart den unterschiedlichen Fallhöhen und den Durchflussmengen des Wassers angepasst werden. Physikalisch kann eine große Fallhöhe einen geringen Wasserdurchfluss kompensieren und umgekehrt. Daher muss beispielsweise eine Turbine im Gebirge mit großer Fallhöhe aber relativ kleiner Wassermenge eine andere Bauart haben als die eines Flusskraftwerkes, bei dem große Wassermengen aber nur die geringe Fallhöhe eines Stauwehrs zu überwinden haben.

  • Die Wirkungsgrade von Wasserturbinen liegen oft über 90 %.

  • Die Leistung einer Wasserturbine P [W] ergibt sich daher als Produkt der Erdbeschleunigung g [9,81 m/s2] mit der Dichte des Wassers ρ [kg/m3], der Fallhöhe des Wassers h [m], dem Wasserdurchfluss durch die Turbine Q [m3/s] und dem spezifischen Wirkungsgradgrad der Turbine η.

    Leistung P einer Wasserturbine:

    $$P = g * ρ * h * Q * η$$

03. Welche Turbinentypen gibt es?

Nach dem Druckverlauf am Laufrad werden folgende Turbinentypen unterschieden:

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  • Bei den Überdruckturbinen (auch: Reaktionsturbine) nimmt der Wasserdruck stetig vom Eintritt bis zum Austritt ab; das Wasser trifft mit relativ geringer Fließgeschwindigkeit aber hohem Druck auf das Laufrad und verlässt die Turbine mit geringem Restdruck:

    Es wird potenzielle und kinetische Energie übertragen.
     Typen: Francis-Turbine, Kaplan-Turbine.
  • Bei den Gleichdruckturbinen (auch: Aktionsturbinen) ändert sich der Druck des Wassers innerhalb der Turbine nicht; das Wasser strömt mit hoher Geschwindigkeit gegen sich drehende Teile der Turbine.

    Es wird nur kinetische Energie übertragen.
     Typen: Pelton-Turbine, Durchströmturbine.

04. Nach welchem Prinzip arbeiten die einzelnen Turbinentypen?

  • Pelton-Turbine (Freistrahlturbine):

    Das Wasser trifft aus einer Düse auf die am Laufrad sitzenden Schaufeln; es ändert dabei seine Geschwindigkeit und überträgt die Energie auf das Laufrad. Der Wasserdruck bleibt innerhalb der Turbine konstant. Das Turbinengehäuse ist nach oben geschlossen, nach unten offen wegen des Wasserablaufs.

    Industrielle Nutzung: → Relativ kleine Wassermengen bei großen Fallhöhen.

    Schematische Darstellung:

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  • Durchströmturbine:

    Die Arbeitsweise ist ähnlich wie bei der Pelton-Turbine; auf den Einsatz einer Düse wird verzichtet: Das Wasser wird auf das Laufrad gelenkt, setzt dieses in Bewegung und fließt ab. Der Wasserdruck ist gleichbleibend.

    Industrielle Nutzung: → Mittlere bis große Wassermengen bei geringer Fallhöhe.

    Schematische Darstellung:

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  • Kaplan-Turbine:

    Sie gehört zu den vollbeaufschlagten Turbinen, d. h. das Wasser wird nicht nur an einigen Punkten auf das Laufrad gelenkt (vgl. oben, Pelton-/Durchströmturbine), sondern umschließt das Laufrad in vollem Umfang.

    Die Turbinenwelle ist senkrecht angebracht; das Laufrad sitzt waagerecht mit schräg gestellten Schaufeln. Der Wasserstrom wird über einen Leitapparat senkrecht nach unten auf das Laufrad gelenkt und setzt es in eine Drehbewegung aufgrund der Schrägstellung der Schaufeln. Der feststehende Leitapparat ist beidseitig mit Leitschaufeln ausgestattet, über die die Wassermenge und die Leistung der Turbine gesteuert werden kann.

    Industrielle Nutzung: → Große Wassermengen bei kleinen Fallhöhen (z. B. Flusskraftwerke); für geringe Fallhöhen gibt es auch Laufräder mit bis zu 10 m Durchmesser.

    Schematische Darstellung:

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  • Francis-Turbine:

    Sie ist ebenfalls eine vollbeaufschlagte Druckturbine und als Radialturbine ausgelegt:

    Das Laufrad ist liegend und die Turbinenwelle stehend.

    Das Wasser wird in die Leitvorrichtung (Spirale = schneckenförmiges Rohr), geführt und trifft dann auf die gekrümmten Schaufeln des Laufrades. Der Wasserdruck ist am Laufradeintritt höher als am Laufradaustritt (Überdruckturbine).

    Die vor dem Laufrad angeordnete Leitvorrichtung (Spirale) hat verstellbare Leitschaufeln, sodass die Turbinenleistung reguliert werden kann (Veränderung der Eintrittsöffnungen für das Wasser).

    Industrielle Nutzung: → Mittlere Fallhöhen und mittlere Durchflussmengen; bei Wasserkraftwerken sehr verbreitet; kann auch als Pumpe eingesetzt werden (Pumpspeicherkraftwerk: Kann sowohl pumpen als auch Strom erzeugen).

    Schematische Darstellung:

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