Wasserturbinen

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 Freistrahltubine für Wasserhöhen bis 2000 m
    • Peltonturbine mit fester Düse (keine Veränderung der Wassermenge und Leistung möglich)
    • Peltonturbine mit verstellbarer Düse η_max 92%
    • Petonturbine mit mehreren Düsen
  • Durchströmturbine auch Ossbergerturbine oder Nepalturbine genannt η_max 85%
  • Wasserrad für Wasserhöhen bis 10 m
    • Wasserrad mit einzelnen Behältern (Zellen), vor allem bei oberschlächtigen Wasserrädern verbreitet
    • Wasserrad mit Schaufeln, für hohen Wirkungsgrad ist eine Abdichtung erforderlich
    • Anordung des Wasserzulaufs am Rad
      • Oberschlächtig (das Wasser tritt oben am Laufrad ein), η_max 80%
      • Mittelschlächtig (das Wasser tritt in der Mitte des Laufrades ein), η_max 70%
      • Unterschlächtig (das Wasser fliesst unter dem Laufrad durch), η_max 70%
      • Tiefschlächtig (das Wasserrad ist in einem Gewässer), kann auch an einem Schwimmkörper befestigt sein (Schiffsmühle)
  • Segnersches Wasserrad das Wasser spritzt tangential aus Flügelöffnungen
• 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. Dieser Turbinentyp kann auch aus Pumpe verwendet werden.
    • Niederdruckanlagen mit obenliegenden Laufrädern für Wasserhöhen von 1 bis 4 m (wurde früher ofters für Sägereien und Mühlen gebaut).
    • Hochdruckaufführung für Wasserhöhen bis 750 m, η_max 95%
  • Axialturbinen das Wasser strömt axial durch ein propellerförmiges Laufrad und je nach Ausführung wie bei einer Francisturbine auf das Laufrad zu.
    • Propellerturbine eine Kaplanturbine ohne verstellbare Leitschaufeln und verstellbaren Flügeln
    • Kaplanturbine mit vertikaler Achsrichtung für Wasserhöhen bis 60 m, η_max 95%
    • Rohrturbine eine Kaplanturbine mit horizontaler Achse, der Generator wird vom Wasser umströmt.
    • Strafloturbine eine Rohrtubine 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.

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.

Volumenstrom in Funktion der Turbinendrehzahl.

Drehmoment

Die Drehmoment-Drehzahlkennline 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.

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.

Wirkungsgrad in Funktion des Volumenstroms. (Normiert auf ein Maximum von 90%)

Aktualisiert: Am 21.06.10 um 13:57 Uhr Erstellt: Am 21.06.10 um 10:54 Uhr Autor: Rolf Gloor