Wasserturbine: Typen

Eine Wasserturbine muss an die unterschiedliche Fallhöhe und die Menge des durchfliessenden Wassers angepasst werden. So sind die Turbinen häufig Einzelanfertigungen für jedes Kraftwerk. Je nach Fallhöhe und Wassermenge werden die Turbinen im Wesentlichen unterschieden in Kaplan-, Francis- und Pelton-Turbinen. Diese drei bekanntesten Wasserturbinen-Arten stellen wir im Folgenden kurz vor.

Eine Wasserturbine für grosse Fallhöhehn ist die Pelton-Turbine.

Das Laufrad einer Pelton-Turbine. Foto: www.wws-wasserkraft.at

Pelton-Turbine

Eine in der Schweiz oft anzutreffende Wasserturbine ist die Pelton-Turbine. Sie ist nach dem amerikanische Ingenieur Lester Allan Pelton benannt. «Sie ist für grosse Fallhöhen geeignet und in der Schweiz häufig anzutreffen, besonders in den Kraftwerken wie etwa Fionnay, Nendaz und Bieudron, die ihr Wasser aus dem Grande-Dixence-Komplex beziehen», erklärt François Avellan, Professor und Direktor des Laboratoire de machines hydrauliques an der ETH Lausanne in einem Beitrag des Bundesamtes für Energie. In der Regel eignet sich die Turbine für Fallhöhen von 100 bis über 1000 Meter und für kleine Wassermengen.

Das Wasser gelangt von einem höher gelegenen Speicherbecken, zum Beispiel einem Stausee, durch ein Druckrohr zur Turbine. Bei einer Fallhöhe von 1000 Metern kann es Geschwindigkeiten von fast 500 Kilometern pro Stunde erreichen. Das Wasser trifft dann aus einer oder mehreren Düsen, je nach Wassermenge, auf die Schaufeln des Laufrades. Diese becherartigen Schaufeln haben in der Mitte eine Schneide, welche das Wasser, das darauf trifft, in zwei Strahlen teilt. Sie soll verhindern, dass die Schaufeln durch den hohen Druck des Wassers zu schnell kaputt gehen. Der Wasserstrahl wird in den Schaufelhälften um fast 180 Grad abgelenkt. Dadurch kann fast die gesamte Energie des Wassers an das Laufrad abgegeben werden, welches sich dadurch dreht.

Eine Wasserturbine für mittlere Fallhöhehn ist die Francis-Turbine.

Das Laufrad einer Francis-Turbine. Foto: www.wws-wasserkraft.at

Francis-Turbine

«Francis-Turbinen sind die stärksten Turbinen der Welt, die erreichen heute eine Leistung von 850 Megawatt», sagt François Avellan. Sie werden vor allem bei mittleren Fallhöhen von etwa 20 bis 200 Metern und konstanten Wassermengen eingesetzt. Diese Turbinen werden heute am meisten verwendet. Benannt sind sie nach dem amerikanischen Ingenieur James B. Francis, der sie 1849 entwickelte. Die Turbine erreicht einen hohen Wirkungsgrad von 90 Prozent.

Bei der Francis-Turbine gibt es neben dem Laufrad, welches wie ein schneckenförmiges Rohr oder eine Spirale aussieht, auch ein feststehendes sogenanntes Leitrad. Die beweglichen Schaufeln am Leitrad sind dazu da, die Wassermenge zu regulieren. Das Wasser wird nun durch das Leitrad auf die Schaufeln des Laufrades gelenkt. Im Laufrad wird das Wasser um 90 Grad abgelenkt. Die dabei frei werdende Energie ermöglicht es, dass sich das Laufrad dreht und der damit verbundene Generator angetrieben wird.

Eine Wasserturbine für niedrige Fallhöhehn ist die Kaplan-Turbine.

Das Laufrad einer Kaplan-Turbine. Foto: www.wws-wasserkraft.at

Kaplan-Turbine

Für grosse Durchflussmengen von Wasser, einen sehr geringen Wasserdruck und niedrige Fallhöhen ist die Kaplan-Turbine geeignet. Das sind vor allem ruhig fliessende Grossgewässer wie Flüsse. Der Österreicher Viktor Kaplan entwickelte sie 1913 aus der Francis-Turbine weiter. Sie kann einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 Prozent erreichen.

Das Laufrad der Kaplan-Turbine sieht aus wie ein Schiffspropellor. Ähnlich wie bei der Francis-Turbine gibt es ein Leitwerk mit Leitschaufeln, welches die Wassermassen auf die Schaufeln des Laufrades lenkt. Die Laufradschaufeln und auch die Leitschaufeln sind verstellbar und können so an die Menge des durchfliessenden Wassers angepasst werden. Die Leitschaufeln lenken das Wasser so auf die Laufradschaufeln, dass die Energie des Wassers optimal übertragen werden kann.

Link-Tipps zum Thema Wasserturbine

  • Detaillierte Informationen zu den verschiedenen Turbinenarten gibt auf den Seiten der Fachhochschule Aachen. www.alt.fh-aachen.de
  • Das Technische Museum Wien veranschaulicht die Funktionsweise der Turbinenarten in einer Flash-Animation. www.tmw.at

 

 

Text: Angela Zimmerling