Wählen sie eine Art um direkt zur Beschreibung zu gelangen:
Pelton- oder Freistrahlturbine
Die Wasserkraft wird schon seit Jahrtausenden genutzt, um die Bewegungsenergie- bzw. Lageenergie des Wassers in mechanische Arbeit umzusetzen. Beim Wasserkraftwerk tritt jedoch an die Stelle des gemächlich drehenden Wasserrades die schnellaufende Turbine, die ein geschlossenes System bildet und Wirkungsgrade um 90% erreicht.
Die mechanische Arbeit der Turbine wird auch nicht mehr unmittelbar genutzt, etwa zum Antrieb eines Mühlsteins, sondern über einen angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Die Leistung einer Turbine errechnet sich aus dem Produkt der Erdbeschleunigung (9,81 m/sec²) mit der Fallhöhe des Wassers (in m), dem Durchfluß durch die Turbine (in m³/sec) und dem Wirkungsgrad. Aus dieser Formel geht hervor das die vergleichsweise geringe Wassermenge eines Gebirgsbaches mit Fallhöhen von Hunderten von Metern mehr Strom erzeugen kann, als die große Wassermenge eines Flusses, der die lediglich den Niveaunterschied eines Stauwehres überwindet.
Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, muß man die Turbine den unterschiedlichen Fallhöhen und Wasserdurchflußmengen angepaßt sein.
Die größte Verbreitung hat die Francis-Turbine, deren Einsatzbereit sich nach oben mit dem der Pelton-Turbine und nach unten mit der Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine überschneidet. Welche Turbine im konkreten Fall gewählt wird, hängt nicht nur von der nutzbaren Fallhöhe des Wassers (Bild links Y- Achse) ab, sondern auch vom Wasserdurchfluß (Bild links X-Achse) und anderen Faktoren.
Wird allein die Bewegungsenergie des Wassers genutzt spricht man von dem Aktionsprinzip (siehe Bild "Stoßrad"). Die alleinige Nutzung der Lageenergie, ist das Reaktionssprinzip (siehe Bild "oberschlächtiges Wasserrad").
Die heutigen Turbinen verbinden meist das Aktions- und Reaktionsprinzip (mit Ausnahme der Pelton- oder Freistrahlturbine).
Bei der Francis-Turbine wird das Wasser durch ein feststehendes "Leitrad" mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. Da das Wasser vor dem Eintritt in die Turbine unter höherem Druck steht als nach dem Austritt spricht man auch von einer Überdruckturbine. Diese Turbine hat einen Wirkungsgrad von rund 90%.
Seinen Namen hat die Turbine von dem angloamerikaischen Ingenieur James B. Francis der auf aufgrund der physikalischen Grundlagen eine technisch verbesserte Turbine entwarf.
Heute ist die Francis- Turbine die verbreitetste und am universellsten verwendbare Turbinenart, die größten Francis- Laufräder erreichen ein Gußgewicht von ca. 150 t. und eine Leistung von über 700 MW.
Die Francis-Turbine kann auch als Pumpe arbeiten. Dies macht man sich in einem Pumpspeicher-Kraftwerk zunutze, wo eine Francis-Turbine und der Generator häufig zur sogenannten Pumpturbine vereinigt sind, die sich wahlweise auf (stromverbrauchenden) Pumpbetrieb oder (stromerzeugenden) Generatorbetrieb umstellen läßt.
Pelton- oder Freistrahlturbine
Bei der Pelton- oder Freistrahlturbine wird ausschließlich die Bewegungsenergie des Wassers genutzt, das aus einer oder mehreren Düsen auf die becherförmigen Schaufeln des Laufrads trifft. Da das Antriebswasser nach dem Austritt aus der Düse auf Umgebungsdruck entspannt wird, spricht man auch von einer Gleichdruck-Turbine. Die Pelton-Turbine wird in Wasserkraftwerken mit sehr hohen Fallhöhen (bis 1800m) bei vergleichsweise geringen Wassermengen eingesetzt. Sie ist typisch für Speicherwasserkraftwerke im Hochgebirge.
Bei einer Fallhöhe von 1000 Metern schießt das Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 km/h aus der Düse.
Sie wird hauptsächlich in Speicherkraftwerken verwendet.
Sie erinnert vom Aussehen wie vom physikalischen Prinzip her am ehesten an das klassische Stoßrad. Allerdings gliedert sich jedes der bis zu 40 Schaufelblätter in zwei Halbschalen (Becher).
Sie wurde 1880 von dem amerikanischen Ingenieur Lester Pelton konstruiert.
Für geringe Wasserdrücke bei großen Durchflüssen wurde aus der Francis-Turbine die Kaplan-Turbine entwickelt. Bei ihr lassen sich sowohl die Schaufeln des Laufrads wie auch die des Leitwerks verstellen. Das Laufrad gleicht einem Schiffspropeller. Weiterentwicklungen sind die Rohrturbine für besonders geringe Fallhöhen und die Straflo-Turbine, bei der der Generator und Turbine eine Einheit bilden.
Speziell für geringe Wasserdrücke entwickelte zu Beginn der zwanziger Jahre der österreichische Ingenieur Viktor Kaplan die nach ihm benannte Kaplan-Turbine. Ihr Laufrad gleicht einem Schiffspropeller, durch dessen verstellbare Schaufeln die Wassermassen strömen und - umgekehrt wie beim Schiffsantrieb - den Propeller antreiben.
Das Leitwerk der Kaplan-Turbine lenkt die einströmende Wassermassen so, daß sie parallel zur Welle der Turbine auf die drei bis sechs Schaufeln des Laufrads treffen. Sowohl die Laufradschaufeln als auch das Leitwerk sind verstellbar. Dies ermöglicht das Anpassen an Schwankungen der Wasserführungen und des Gefälles.
Große Kaplan-Turbinen werden vor allem vertikal eingebaut, so daß das Wasser von oben nach unten durchströmt. Die äußerst schnellaufende Turbine weist in einem weiten Belastungsbereich einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 % auf.
Sie werden hauptsächlich in Laufwasserkraftwerken mit sehr niedrigen Fallhöhen eingebaut.
Für niedrige Fallhöhen wurde aus der Kaplan-Turbine die Rohrturbine entwickelt, die in Laufwasserkraftwerken Leistungen bis 75MW erzielt.
Die Rohrturbine werden horizontal, in der Richtung des strömenden Wasser, eingebaut, so daß Umlenkverluste weitgehend vermieden werden. Der Generator befindet sich in Verlängerung der Turbinenwelle in einem vom Wasser umströmten, wasserdichten Gehäuse (siehe Bild). Rohrturbinen sind platzsparend und ermöglichen deshalb hervorragend die landschaftliche Einpassung von Wasserkraftwerken.
Eine Weiterentwicklung der Rohr- Turbine ist die Straflo- Turbine. Generator und Turbine bilden hier eine Einheit: Das Laufrad der Turbine trägt auf seinem äußeren Kranz zugleich die magnetischen Pole des Rotors, während der Stator, der äußere Teil des Generators, in das Turbinengehäuse integriert ist. Das Wasser fließt also durch den Rotor des Generators hindurch.
Quellen: StromBASISWISSEN (IZE).