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Turbinenarten bei Wasserkraftwerken

Bei Wasserkraftwerken kommen folgende Turbinenarten zum Einsatz:

Francisturbine

Kaplanturbine

Peltonturbine

Francisturbine

Bei der Francis-Turbine wird das Wasser durch ein schneckenförmiges Rohr, die Spirale und durch ein feststehendes "Leitrad" mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt.
Durch ein als Diffusor wirkendes Saugrohr an der Verlängerung der Turbinenachse wird das Wasser nach Durchströmen des Laufrades abgeleitet. Mit Hilfe der Leitschaufeln wird die Drehzahl und damit die Leistung der Turbine bei Lastwechseln des angeschlossenen Generators und bei wechselnden Wasserständen konstant gehalten.
Am Laufradeintritt ist der Druck höher als am Laufradaustritt. Die Francisturbine ist daher eine Überdruckturbine.
Der zur Turbine gehörende Regler tastet die Drehzahl der Turbine auf der Welle als Regelgröße ab und wandelt das Ergebnis auf servohydraulischem Wege in eine Stellgröße, die die Leitschaufeln entsprechend der Drehzahlabweichung öffnet oder schließt. Der konstruktive Aufwand für die Regelung der Turbine ist erheblich und macht einen spürbaren Anteil der Kosten für die Investition einer Francis-Turbine aus.

Kaplanturbine

Das Laufrad gleicht bei der Kaplan-Turbine einem Schiffspropeller, dessen Flügel verstellbar sind. Turbinen ohne diese Flügelverstellung werden als Propellerturbinen bezeichnet. Allerdings sollte für den Einsatz einer Propellerturbine eine relativ konstante Wassermenge zur Verfügung stehen, da der Wirkungsgrad im Teillastbereich schnell abfällt. Das Wasser wird durch eine Spirale in Drall versetzt und das Leitwerk, auch als Leitschaufeln bezeichnet, sorgt dafür, dass das Wasser parallel zur Welle auf die Schaufeln trifft und dabei die Energie überträgt. Der Wasserdruck nimmt vom Eintritt in das Laufrad bis zum Austritt stetig ab. Die Kaplan-Turbine ist daher eine Uberdruckturbine. Durch das Saugrohr verlässt das Wasser die Turbine.
Der Einbau erfolgt meistens vertikal, so dass das Wasser von oben nach unten durchströmt. Sie erreicht einen Wirkungsgrad von 80-95 %. Durch die verstellbaren Leit- und Laufradschaufeln kann die Kaplanturbine reguliert werden. Dadurch kann sie besser auf die jeweilige Wassermenge und Fallhöhe eingestellt werden. Sie ist bestens geeignet für den Einsatz bei niedrigen bis niedrigsten Fallhöhen und großen Durchflussmengen. Die Kaplanturbine ist damit prädestiniert für große Flusskraftwerke an ruhig fließenden Großgewässern.

Peltonturbine

Bei der Peltonturbine strömt das Wasser in einem Strahl mit sehr hoher Geschwindigkeit aus einer oder mehreren Düsen auf die Schaufeln des Laufrades. Vor der Düse (in Strömungsrichtung gesehen) herrscht ein hoher Druck (bis 200 bar), im Strahl selbst herrscht normaler Atmosphärendruck.
Die Anzahl der Düsen richtet sich nach der Durchsatzmenge, wobei eine Düse ca. 10 m³/s verarbeiten kann. Liegt die Durchsatzmenge höher, so muss die Düsenanzahl erhöht werden, allerdings sind bei horizontaler Wellenlage nur zwei Düsen technisch sinnvoll, weil bei höherer Düsenzahl das Abwasser auf das Laufrad zurückfallen würde. Ist eine höhere Durchsatzmenge notwendig, so wird ein zweites Laufrad auf die selbe Welle aufgebracht oder die gesamte Turbine wird vertikal gebaut.
Jedes der bis zu 40 Schaufelblätter ist in zwei Halbschaufeln geteilt, so genannte Becher. In der Mitte dieser Halbschaufeln trifft der Wasserstrahl aus den Düsen tangential auf. Die Becher haben die Funktion, das Wasser in die entgegengesetze Richtung umzuleiten, damit die kinetische Energie besser ausgenutzt werden kann. Dies war die Innovation von Pelton. Die Mittelschneide ist bei der Erstinbetriebnahme nahezu messerscharf und ein Becher würde schnell vom auftretenden Wasserdruck zerstört, falls keine Mittelschneide eingesetzt würde.
Bei einer Fallhöhe von 1.000 Metern kann der Wasserstrahl dabei eine Geschwindigkeit von nahezu 500 km/h erreichen. Die größte realisierte Aufprallgeschwindigkeit beträgt ca. 185 m/s, bei diesem Wert wird sofort verständlich, dass die Mittelschneide in jedem Becher unverzichtbar ist. Die Peltonturbine verbraucht je nach Bauart und Fallhöhe zwischen 20 und 8.000 Liter Wasser pro Sekunde. Sie hat eine sehr hohe Drehzahl: bis 3.000 Umdrehungen pro Minute. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 85% und 90%, wobei sie, auch wenn sie nicht unter Volllast läuft, noch gute Leistungen erbringt.