Wasserturbine

Kaplanturbine und elektrischer Generator in der Schnittansicht. ⓘ

Das Laufrad der kleinen Wasserturbine ⓘ

Eine Wasserturbine ist eine rotierende Maschine, die die kinetische Energie und die potenzielle Energie des Wassers in mechanische Arbeit umwandelt. ⓘ

Wasserturbinen wurden im 19. Jahrhundert entwickelt und waren vor der Einführung elektrischer Netze in der industriellen Energieversorgung weit verbreitet. Heute werden sie hauptsächlich für die Stromerzeugung eingesetzt. Wasserturbinen werden meist in Staudämmen eingesetzt, um aus der potenziellen Energie des Wassers elektrischen Strom zu erzeugen. ⓘ

Montage von zwei Pelton-Turbinen im Walchenseekraftwerk ⓘ

Geschichte

Der Bau eines Ganz-Wasser-Turbogenerators in Budapest im Jahr 1886 ⓘ

Wasserräder werden schon seit Hunderten von Jahren für die industrielle Stromerzeugung genutzt. Ihr größtes Manko ist die Größe, die die nutzbare Durchflussmenge und Förderhöhe begrenzt. Die Umstellung von Wasserrädern auf moderne Turbinen dauerte etwa hundert Jahre. Die Entwicklung erfolgte während der industriellen Revolution unter Anwendung wissenschaftlicher Prinzipien und Methoden. Dabei wurden auch neue Werkstoffe und Fertigungsmethoden eingesetzt, die zu dieser Zeit entwickelt wurden. ⓘ

Wirbel

Das Wort Turbine wurde von dem französischen Ingenieur Claude Burdin Anfang des 19. Jahrhunderts eingeführt und leitet sich von dem griechischen Wort "τύρβη" für "Wirbeln" oder "Wirbel" ab. Der Hauptunterschied zwischen frühen Wasserturbinen und Wasserrädern besteht in einer Wirbelkomponente des Wassers, die Energie an einen sich drehenden Rotor weitergibt. Dank dieser zusätzlichen Bewegungskomponente konnte die Turbine kleiner sein als ein Wasserrad mit gleicher Leistung. Sie konnten mehr Wasser verarbeiten, weil sie sich schneller drehten, und sie konnten viel größere Fallhöhen nutzbar machen. (Später wurden Impulsturbinen entwickelt, die keine Verwirbelung nutzten). ⓘ

Die technikgeschichtlichen Vorgänger der Wasserturbinen waren Wasserräder mit senkrecht angeordneter Welle, die im 18. und 19. Jahrhundert in Gebrauch kamen. Der Name Turbine stammt von Claude Burdin (1790–1873), der 1824 seine Erfindung so nannte. 1826 hatte die französische Société d’encouragement in Paris einen Preis von 6000 französischen Franc auf die Herstellung von Turbinen ausgeschrieben. Die ersten Bewerbungen waren resultatlos, bis es erst 1833 dem französischen Ingenieur Benoît Fourneyron gelang, den Preis mit der nach ihm benannten Turbine zu erwerben, deren Theorie 1838 von Jean-Victor Poncelet ermittelt wurde. ⓘ

Zeitleiste

Römische Turbinenmühle in Chemtou, Tunesien. Der tangentiale Wasserzufluss des Mühlenkanals brachte das untergetauchte horizontale Rad in der Welle wie eine echte Turbine zum Drehen. ⓘ

Ein Francis-Turbinenlaufrad mit einer Leistung von fast einer Million PS (750 MW), das am Grand-Coulee-Damm in den Vereinigten Staaten installiert wird. ⓘ

Ein Propeller-Laufrad mit einer Leistung von 28.000 PS (21 MW) ⓘ

Die ältesten bekannten Wasserturbinen stammen aus dem Römischen Reich. In Chemtou und Testour, im heutigen Tunesien, wurden zwei fast baugleiche Spiralturbinenmühlen gefunden, die auf das späte 3. oder frühe 4. Das horizontale Wasserrad mit abgewinkelten Schaufeln war am Boden eines mit Wasser gefüllten, kreisförmigen Schachtes installiert. Das Wasser des Mühlenkanals floss tangential in den Schacht und erzeugte eine wirbelnde Wassersäule, die das vollständig untergetauchte Rad wie eine echte Turbine wirken ließ. ⓘ

Fausto Veranzio beschrieb in seinem Buch Machinae Novae (1595) eine Mühle mit vertikaler Achse und einem Rotor, der dem einer Francis-Turbine ähnelte. ⓘ

Johann Segner entwickelte in der Mitte des 18. Jahrhunderts im Königreich Ungarn eine reaktive Wasserturbine (Segner-Rad). Sie hatte eine horizontale Achse und war ein Vorläufer der modernen Wasserturbinen. Es handelt sich um eine sehr einfache Maschine, die noch heute für den Einsatz in kleinen Wasserkraftwerken hergestellt wird. Segner arbeitete zusammen mit Euler an einigen der frühen mathematischen Theorien der Turbinenkonstruktion. Im 18. Jahrhundert erfand ein Dr. Robert Barker eine ähnliche hydraulische Reaktionsturbine, die als Vorführung im Hörsaal populär wurde. Das einzige bekannte überlebende Beispiel eines solchen Motors, der zur Stromerzeugung eingesetzt wurde, stammt aus dem Jahr 1851 und befindet sich auf der Hacienda Buena Vista in Ponce, Puerto Rico. ⓘ

Im Jahr 1820 entwickelte Jean-Victor Poncelet eine Turbine mit einwärts gerichteter Strömung. ⓘ

Im Jahr 1826 entwickelte Benoît Fourneyron eine Auswärtsströmungsturbine. Dabei handelte es sich um eine effiziente Maschine (~80 %), die Wasser durch ein Laufrad mit in einer Dimension gekrümmten Schaufeln schickte. Der stationäre Auslass hatte ebenfalls gekrümmte Leitbleche. ⓘ

1844 entwickelte Uriah A. Boyden eine Auswärtsströmungsturbine, die die Leistung der Fourneyron-Turbine übertraf. Ihre Laufradform ähnelte der einer Francis-Turbine. ⓘ

Im Jahr 1849 verbesserte James B. Francis die nach innen gerichtete Reaktionsturbine auf einen Wirkungsgrad von über 90 %. Er führte auch anspruchsvolle Tests durch und entwickelte technische Methoden für die Konstruktion von Wasserturbinen. Die nach ihm benannte Francis-Turbine ist die erste moderne Wasserturbine. Sie ist auch heute noch die am häufigsten verwendete Wasserturbine der Welt. Die Francis-Turbine wird auch als Radialturbine bezeichnet, da das Wasser vom äußeren Umfang zum Zentrum des Laufrads fließt. ⓘ

Einwärtsströmende Wasserturbinen haben eine bessere mechanische Anordnung, und alle modernen Reaktionswasserturbinen sind von dieser Bauart. Wenn das Wasser nach innen wirbelt, wird es beschleunigt und überträgt Energie auf das Laufrad. Der Wasserdruck sinkt auf den atmosphärischen Druck oder in einigen Fällen auf den Unterdruck, wenn das Wasser die Turbinenschaufeln passiert und Energie verliert. ⓘ

1876 stellte John B. McCormick auf der Grundlage der Entwürfe von Francis mit der Entwicklung der Hercules-Turbine die erste moderne Mischstromturbine vor, die zunächst von der Holyoke Machine Company hergestellt und später von Ingenieuren in Deutschland und den Vereinigten Staaten verbessert wurde. Die Konstruktion kombinierte das Prinzip der Einwärtsströmung der Francis-Konstruktion mit der Abwärtsströmung der Jonval-Turbine, wobei die Strömung am Einlass einwärts, axial durch den Radkörper und am Auslass leicht auswärts gerichtet war. Diese Konstruktion, die anfangs bei niedrigeren Geschwindigkeiten einen optimalen Wirkungsgrad von 90 % erreichte, wurde in den folgenden Jahrzehnten durch Ableitungen unter Namen wie Victor", Risdon", Samson" und New American" verbessert und leitete eine neue Ära des amerikanischen Turbinenbaus ein. ⓘ

Wasserturbinen, insbesondere in Amerika, wurden mit der Einrichtung der Holyoke Testing Flume, die von Robert E. Horton und Clemens Herschel als erstes modernes hydraulisches Labor in den Vereinigten Staaten bezeichnet wurde und deren Chefingenieur er eine Zeit lang war, weitgehend standardisiert. Ursprünglich 1872 von James B. Emerson aus den Versuchsrinnen von Lowell entwickelt, wurde das hydraulische Labor in Holyoke, Massachusetts, nach 1880 von Herschel standardisiert, der es zur Entwicklung des Venturi-Meters nutzte, dem ersten genauen Mittel zur Messung großer Durchflüsse, um die Effizienz der Wasserkraft verschiedener Turbinenmodelle richtig zu messen. Obwohl europäische Hydrologen bestimmten Wehrberechnungen skeptisch gegenüberstanden, ermöglichte die Einrichtung bis 1932 standardisierte Wirkungsgradtests unter den großen Herstellern, bis sich modernere Einrichtungen und Methoden durchsetzten. ⓘ

Um 1890 wurde das moderne Flüssigkeitslager erfunden, das heute allgemein zur Lagerung von Schwerwasserturbinenspindeln verwendet wird. Im Jahr 2002 lag die mittlere Ausfallzeit von Flüssigkeitslagern bei mehr als 1300 Jahren. ⓘ

Um 1913 entwickelte Viktor Kaplan die Kaplanturbine, eine propellerartige Maschine. Sie war eine Weiterentwicklung der Francis-Turbine und revolutionierte die Möglichkeiten zur Erschließung von Wasserkraftwerken mit geringer Fallhöhe. ⓘ

Neues Konzept

Abbildung aus Peltons Originalpatent (Oktober 1880) ⓘ

Alle bis zum späten 19. Jahrhundert gebräuchlichen Wassermaschinen (einschließlich der Wasserräder) waren im Grunde genommen Reaktionsmaschinen; die Druckhöhe des Wassers wirkte auf die Maschine und erzeugte Arbeit. Bei einer Reaktionsturbine muss das Wasser während der Energieübertragung vollständig eingeschlossen sein. ⓘ

Im Jahr 1866 erfand der kalifornische Mühlenbauer Samuel Knight eine Maschine, die das Impulssystem auf eine neue Stufe stellte. Inspiriert von den Hochdruckstrahlsystemen, die im hydraulischen Bergbau in den Goldfeldern eingesetzt wurden, entwickelte Knight ein Schaufelrad, das die Energie eines Freistrahls einfing, der eine hohe Wassersäule (Hunderte von Metern in einem Rohr oder Druckrohr) in kinetische Energie umgewandelt hatte. Dies wird als Impulsturbine oder Tangentialturbine bezeichnet. Die Wassergeschwindigkeit, die etwa doppelt so hoch ist wie die Geschwindigkeit des Schaufelumfangs, macht in der Schaufel eine Kehrtwendung und fällt mit geringer Geschwindigkeit aus dem Laufrad. ⓘ

1879 entwickelte Lester Pelton, der mit dem Knight-Rad experimentierte, ein Pelton-Rad (Konstruktion mit zwei Schaufeln), das das Wasser zur Seite ableitete und so den Energieverlust des Knight-Rads, das einen Teil des Wassers gegen die Mitte des Rads ableitete, eliminierte. Um 1895 verbesserte William Doble die halbzylindrische Schaufelform von Pelton durch eine elliptische Schaufel, die einen Einschnitt aufwies, um dem Strahl einen saubereren Eintritt in die Schaufel zu ermöglichen. Dies ist die moderne Form der Peltonturbine, die heute einen Wirkungsgrad von bis zu 92 % erreicht. Pelton war ein recht effektiver Förderer seiner Konstruktion, und obwohl Doble die Pelton-Firma übernahm, änderte er den Namen nicht in Doble, da der Markenname bekannt war. ⓘ

Turgo- und Kreuzstromturbinen waren spätere Impulskonstruktionen. ⓘ

Funktionsprinzip

Fließendes Wasser wird auf die Schaufeln eines Turbinenlaufrads geleitet, wodurch eine Kraft auf die Schaufeln ausgeübt wird. Da sich das Laufrad dreht, wirkt die Kraft über eine Strecke (Kraft, die über eine Strecke wirkt, ist die Definition von Arbeit). Auf diese Weise wird Energie vom Wasserstrom auf die Turbine übertragen. ⓘ

Wasserturbinen werden in zwei Gruppen eingeteilt: Reaktionsturbinen und Impulsturbinen. ⓘ

Die genaue Form der Schaufeln einer Wasserturbine hängt vom Versorgungsdruck des Wassers und von der Art des gewählten Laufrads ab. ⓘ

Reaktionsturbinen

Reaktionsturbinen werden vom Wasser angetrieben, das beim Durchströmen der Turbine seinen Druck ändert und seine Energie abgibt. Sie müssen ummantelt sein, um den Wasserdruck (oder den Sog) aufzufangen, oder sie müssen vollständig in den Wasserstrom eingetaucht sein. ⓘ

Das dritte Newtonsche Gesetz beschreibt die Energieübertragung bei Reaktionsturbinen. ⓘ

Bei den meisten Wasserturbinen handelt es sich um Reaktionsturbinen, die bei geringen (<30 m) und mittleren (30-300 m) Fallhöhen eingesetzt werden. Bei Reaktionsturbinen tritt der Druckabfall sowohl in den festen als auch in den beweglichen Schaufeln auf. Sie wird hauptsächlich in Staudämmen und großen Kraftwerken eingesetzt. ⓘ

Impulsturbinen

Impulsturbinen verändern die Geschwindigkeit eines Wasserstrahls. Der Strahl stößt auf die gekrümmten Schaufeln der Turbine, wodurch sich die Richtung der Strömung ändert. Die daraus resultierende Impulsänderung bewirkt eine Kraft auf die Turbinenschaufeln. Da sich die Turbine dreht, wirkt die Kraft über eine bestimmte Strecke (Arbeit), und der umgelenkte Wasserstrom wird mit verminderter Energie zurückgelassen. Bei einer Impulsturbine ist der Druck der über die Rotorblätter strömenden Flüssigkeit konstant, und die gesamte Arbeitsleistung ist auf die Änderung der kinetischen Energie der Flüssigkeit zurückzuführen. ⓘ

Vor dem Auftreffen auf die Turbinenschaufeln wird der Druck des Wassers (potenzielle Energie) durch eine Düse in kinetische Energie umgewandelt und auf die Turbine gelenkt. An den Turbinenschaufeln findet keine Druckänderung statt, und die Turbine benötigt für ihren Betrieb kein Gehäuse. ⓘ

Das zweite Newtonsche Gesetz beschreibt die Energieübertragung bei Impulsturbinen. ⓘ

Impulsturbinen werden häufig in Anwendungen mit sehr großen Fallhöhen (>300m/1000 ft) eingesetzt. ⓘ

Leistung

Die in einem Strom verfügbare Leistung ist; ⓘ

$P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {q}}$ ⓘ

wobei:

• $P=$ Leistung (J/s oder Watt)
• $\eta =$ Wirkungsgrad der Turbine
• $\rho =$ Dichte der Flüssigkeit (kg/m³)
• $g=$ Erdbeschleunigung (9,81 m/s²)
• $h=$ Fallhöhe (m). Bei stehendem Wasser ist dies der Höhenunterschied zwischen der Einlass- und der Auslassfläche. Bei bewegtem Wasser kommt eine zusätzliche Komponente hinzu, die die kinetische Energie der Strömung berücksichtigt. Die Gesamtförderhöhe ist gleich der Druckhöhe plus Geschwindigkeitsförderhöhe.
• ${\dot {q}}$= Durchflussmenge (m³/s) ⓘ

Pumpspeicherkraftwerke

Einige Wasserturbinen sind für Pumpspeicherkraftwerke ausgelegt. Sie können den Durchfluss umkehren und als Pumpe arbeiten, um ein hohes Reservoir während der stromschwachen Zeiten zu füllen, und dann in eine Wasserturbine für die Stromerzeugung während der Stromspitzen umgewandelt werden. Bei dieser Art von Turbine handelt es sich in der Regel um eine Deriaz- oder Francis-Turbine. ⓘ

Diese Art von System wird auf El Hierro, einer der Kanarischen Inseln, eingesetzt: "Wenn die Winderzeugung den Bedarf übersteigt, wird mit der überschüssigen Energie Wasser aus einem unteren Reservoir am Fuß eines Vulkankegels in ein oberes Reservoir auf der Spitze des Vulkans 700 Meter über dem Meeresspiegel gepumpt. Das untere Reservoir speichert 150.000 Kubikmeter Wasser. Das gespeicherte Wasser wirkt wie eine Batterie. Die maximale Speicherkapazität beträgt 270 MWh. Wenn die Nachfrage steigt und die Windkraft nicht ausreicht, wird das Wasser an vier Wasserkraftturbinen mit einer Gesamtleistung von 11 MW abgegeben. ⓘ

Wirkungsgrad

Große moderne Wasserturbinen arbeiten mit mechanischen Wirkungsgraden von über 90 %. ⓘ

Arten von Wasserturbinen

Verschiedene Typen von Wasserturbinenlaufrädern. Von links nach rechts: Peltonrad, zwei Arten von Francis-Turbinen und Kaplan-Turbinen. ⓘ

Reaktionsturbinen

• VLH-Turbine
• Francis-Turbine
• Kaplanturbine
• Tyson-Turbine
• Deriaz-Turbine
• Gorlow-Schneckenturbine ⓘ

Impulsturbine

• Wasserrad
• Pelton-Rad
• Turgo-Turbine
• Querstromturbine (auch bekannt als Bánki-Michell-Turbine oder Ossberger-Turbine)
• Jonval-Turbine
• Umgekehrtes oberschlächtiges Wasserrad
• Schraubenturbine
• Barkh-Turbine ⓘ

Konstruktion und Anwendung

Die Wahl der Turbine richtet sich nach der verfügbaren Wassersäule und weniger nach dem verfügbaren Durchfluss. Im Allgemeinen werden Impulsturbinen für Standorte mit großer Fallhöhe und Reaktionsturbinen für Standorte mit geringer Fallhöhe eingesetzt. Kaplanturbinen mit verstellbarer Schaufelsteigung eignen sich gut für einen großen Bereich von Durchfluss- oder Fallhöhenbedingungen, da ihr Spitzenwirkungsgrad in einem großen Bereich von Durchflussbedingungen erreicht werden kann. ⓘ

Kleine Turbinen (meist unter 10 MW) können horizontale Wellen haben, und selbst größere Rohrturbinen bis zu 100 MW oder so können horizontal sein. Sehr große Francis- und Kaplan-Turbinen haben in der Regel vertikale Wellen, da so die verfügbare Fallhöhe am besten genutzt werden kann und die Installation eines Generators wirtschaftlicher ist. Peltonräder können sowohl mit vertikaler als auch mit horizontaler Welle betrieben werden, da die Größe der Maschine viel geringer ist als die verfügbare Fallhöhe. Einige Impulsturbinen verwenden mehrere Düsen pro Laufrad, um den Wellenschub auszugleichen. Dies ermöglicht auch die Verwendung eines kleineren Turbinenlaufrads, was Kosten und mechanische Verluste verringern kann. ⓘ

Typischer Bereich von Förderhöhen

- Wasserrad
- Schraubenturbine
- VLH-Turbine
- Kaplanturbine
- Francis-Turbine
- Peltonrad
- Turgoturbine

0,2 < H < 4 (H = Fallhöhe in m)
1 < H < 10
1.5 < H < 4.5
2 < H < 70
10 < H < 300
80 < H < 1600
50 < H < 250 ⓘ

Spezifische Geschwindigkeit

Die spezifische Geschwindigkeit $n_{s}$ einer Turbine charakterisiert die Form der Turbine in einer Weise, die nicht von ihrer Größe abhängt. Dies ermöglicht die Skalierung eines neuen Turbinenentwurfs anhand eines bestehenden Entwurfs mit bekannter Leistung. Die spezifische Drehzahl ist auch das Hauptkriterium für die Zuordnung eines bestimmten Wasserkraftwerksstandorts zum richtigen Turbinentyp. Die spezifische Drehzahl ist die Drehzahl, mit der sich die Turbine bei einem bestimmten Abfluss Q und einer bestimmten Fallhöhe dreht und somit eine bestimmte Leistung erzeugen kann. ⓘ

Affinitätsgesetze

Mit Hilfe der Affinitätsgesetze lässt sich die Leistung einer Turbine anhand von Modellversuchen vorhersagen. Ein Miniaturnachbau einer vorgeschlagenen Konstruktion mit einem Durchmesser von etwa 0,3 m kann getestet werden, und die Labormessungen lassen sich mit großer Sicherheit auf die endgültige Anwendung übertragen. Die Affinitätsgesetze werden abgeleitet, indem eine Ähnlichkeit zwischen dem Testmodell und der Anwendung gefordert wird. ⓘ

Der Durchfluss durch die Turbine wird entweder durch ein großes Ventil oder durch an der Außenseite des Turbinenlaufrads angeordnete Schieber geregelt. Die Differenzhöhe und der Durchfluss können für eine Reihe verschiedener Werte der Schieberöffnung aufgezeichnet werden, wodurch ein Hügeldiagramm entsteht, das den Wirkungsgrad der Turbine bei unterschiedlichen Bedingungen zeigt. ⓘ

Durchgangsdrehzahl

Die Durchgangsdrehzahl einer Wasserturbine ist ihre Drehzahl bei vollem Durchfluss und ohne Wellenbelastung. Die Turbine ist so ausgelegt, dass sie den mechanischen Kräften bei dieser Drehzahl standhält. Der Hersteller gibt die Leerlaufdrehzahl an. ⓘ

Regelsysteme

Betrieb eines Flyball-Reglers zur Regelung der Drehzahl einer Wasserturbine ⓘ

Seit Mitte des 18. Jahrhunderts werden verschiedene Arten von Reglern zur Steuerung der Wasserturbinendrehzahl eingesetzt. In den ersten 100 Jahren der Drehzahlregelung von Wasserturbinen wurde eine Vielzahl von Flyball-Systemen oder Reglern der ersten Generation eingesetzt. Bei den frühen Flyball-Systemen wirkte die Flyball-Komponente über eine Feder direkt auf das Ventil der Turbine oder das Schlupftor, um die in die Turbinen eintretende Wassermenge zu steuern. Neuere Systeme mit mechanischen Reglern entstanden um 1880. Ein früher mechanischer Regler ist ein Servomechanismus, der aus einer Reihe von Zahnrädern besteht, die die Turbinendrehzahl zum Antrieb des Flügelrads und die Turbinenkraft zum Antrieb des Regelmechanismus nutzen. Die mechanischen Regler wurden durch die Verwendung von Zahnrädern und das dynamische Verhalten in der Leistungsverstärkung weiter verbessert. Um 1930 verfügten die mechanischen Regler über zahlreiche Parameter, die über das Rückkopplungssystem für eine präzise Steuerung eingestellt werden konnten. Jahrhunderts begannen elektronische Regler und digitale Systeme, die mechanischen Regler zu ersetzen. Bei den elektronischen Reglern, die auch als Regler der zweiten Generation bezeichnet werden, wurde der Flyball durch einen Drehzahlsensor ersetzt, aber die Steuerung erfolgte immer noch über analoge Systeme. Bei den modernen Systemen, die auch als Begrenzer der dritten Generation bezeichnet werden, erfolgt die Steuerung digital durch Algorithmen, die in den Computer des Begrenzers programmiert werden. ⓘ

Schlupftür

Leitapparate (gelb), die eine Francis-Turbine umgeben. ⓘ

Ein Leitapparat ist eine Komponente von Wasserturbinen, die den Wasserdurchfluss in der Turbine steuert. Die Turbine ist von einer Reihe kleiner Öffnungen umgeben, den sogenannten Leitschaufeln. Wenn die Leitschaufeln weiter geöffnet werden, strömt mehr Wasser in das Turbinenlaufrad, was zu einer höheren Leistungsabgabe führt. Durch die Steuerung des Öffnens und Schließens der Leitschaufeln kann die von den Turbinen erzeugte Energiemenge an die gewünschte Energiemenge angepasst werden. ⓘ

Materialien der Turbinenschaufeln

Da die Turbinenschaufeln in einer Wasserturbine ständig Wasser und dynamischen Kräften ausgesetzt sind, müssen sie eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit aufweisen. Das am häufigsten verwendete Material für die Beschichtung von Laufrädern aus Kohlenstoffstahl in Wasserturbinen sind austenitische Stahllegierungen, die 17 bis 20 % Chrom enthalten, um die Stabilität des Films und damit die Korrosionsbeständigkeit in Wasser zu erhöhen. Der Chromgehalt in diesen Stahllegierungen übersteigt das für eine gewisse atmosphärische Korrosionsbeständigkeit erforderliche Minimum von 12 % Chrom. Eine höhere Chromkonzentration in den Stahllegierungen ermöglicht eine wesentlich längere Lebensdauer der Turbinenschaufeln. Derzeit werden die Schaufeln aus martensitischen nichtrostenden Stählen hergestellt, die im Vergleich zu austenitischen nichtrostenden Stählen eine um den Faktor 2 höhere Festigkeit aufweisen. Neben der Korrosionsbeständigkeit und der Festigkeit sind die Schweißbarkeit und die Dichte der Turbinenschaufel die Kriterien für die Materialauswahl. Eine bessere Schweißbarkeit ermöglicht eine einfachere Reparatur der Turbinenschaufeln. Dies ermöglicht auch eine höhere Qualität der Schweißnähte, was zu einer besseren Reparatur führt. Die Auswahl eines Werkstoffs mit geringer Dichte ist wichtig, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, da sich die leichteren Schaufeln leichter drehen lassen. Das am häufigsten verwendete Material für Schaufeln von Kaplanturbinen sind Edelstahllegierungen (SS). Die martensitischen Edelstahllegierungen weisen eine hohe Festigkeit auf, sind dünner als herkömmlicher Kohlenstoffstahl und haben eine geringere Masse, was die hydrodynamischen Strömungsbedingungen und die Effizienz der Wasserturbine verbessert. Es hat sich gezeigt, dass SS (13Cr-4Ni) bei allen Anstellwinkeln durch den Prozess des Laser-Peening eine verbesserte Erosionsbeständigkeit aufweist. Es ist wichtig, die Erosion zu minimieren, um einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, da sich die Erosion negativ auf das hydraulische Profil der Schaufeln auswirkt und die relative Leichtigkeit der Drehung verringert. ⓘ

Wartung

Eine Francis-Turbine am Ende ihrer Lebensdauer mit Lochfraß, Ermüdungsrissen und einem katastrophalen Ausfall. Frühere Reparaturen, bei denen Schweißdrähte aus rostfreiem Stahl verwendet wurden, sind sichtbar. ⓘ

Turbinen sind für einen jahrzehntelangen Betrieb mit sehr geringer Wartung der Hauptelemente ausgelegt; die Überholungsintervalle liegen in der Größenordnung von mehreren Jahren. Die Wartung der Laufräder und der dem Wasser ausgesetzten Teile umfasst den Ausbau, die Inspektion und die Reparatur verschlissener Teile. ⓘ

Zu den normalen Verschleißerscheinungen gehören Lochfraßkorrosion durch Kavitation, Ermüdungsrisse und Abrieb durch Schwebstoffe im Wasser. Stahlelemente werden durch Schweißen repariert, in der Regel mit rostfreien Stahlstäben. Die beschädigten Bereiche werden ausgeschnitten oder ausgeschliffen und dann wieder auf ihr ursprüngliches oder ein verbessertes Profil geschweißt. Bei alten Turbinenlaufrädern kann auf diese Weise bis zum Ende ihrer Lebensdauer eine erhebliche Menge an rostfreiem Stahl hinzugefügt werden. Um die höchste Qualität der Reparaturen zu erreichen, können aufwendige Schweißverfahren eingesetzt werden. ⓘ

Zu den weiteren Elementen, die bei der Überholung überprüft und repariert werden müssen, gehören Lager, Packungsgehäuse und Wellenschutzhülsen, Servomotoren, Kühlsysteme für die Lager und Generatorspulen, Dichtungsringe, Schiebergestängeelemente und alle Oberflächen. ⓘ

Umweltauswirkungen

Das Wasserkraftwerk Walchensee in Bayern, Deutschland, ist seit 1924 in Betrieb ⓘ

Wasserturbinen gelten im Allgemeinen als saubere Stromerzeuger, da die Turbine im Wesentlichen keine Veränderungen im Wasser verursacht. Sie nutzen eine erneuerbare Energiequelle und sind für einen jahrzehntelangen Betrieb ausgelegt. Sie tragen in erheblichem Umfang zur weltweiten Stromversorgung bei. ⓘ

In der Vergangenheit gab es aber auch negative Folgen, die meist mit den für die Stromerzeugung erforderlichen Dämmen zusammenhängen. Staudämme verändern die natürliche Ökologie von Flüssen und können zum Tod von Fischen, zur Unterbrechung von Wanderungen und zur Beeinträchtigung der Lebensgrundlagen der Menschen führen. So lebten beispielsweise die indianischen Stämme im pazifischen Nordwesten von der Lachsfischerei, doch der aggressive Dammbau zerstörte ihre Lebensweise. Staudämme haben auch weniger offensichtliche, aber potenziell schwerwiegende Folgen, wie eine erhöhte Wasserverdunstung (insbesondere in trockenen Regionen), die Ablagerung von Schlamm hinter dem Damm und Veränderungen der Wassertemperatur und der Strömungsmuster. In den Vereinigten Staaten ist es jetzt illegal, die Wanderung von Fischen zu blockieren, z. B. des weißen Störs in Nordamerika, so dass die Dammbauer Fischtreppen vorsehen müssen. ⓘ

Technische Grundlagen

Kennfeld der gebräuchlichsten Wasserkraftmaschinen und Wasserturbinen bei einem angenommenen Wirkungsgrad η von 85 %. Legende:
Pelton-Turbine Francis-Turbine
Durchströmturbine oder Ossberger-Turbine Kaplan-Turbine
Wasserkraftschnecke DIVE-Turbine VLH-Turbine
Wasserrad mit Unterteilung:
Oberschlächtiges Wasserrad; Rückschlächtiges Wasserrad;
Mittelschlächtiges Wasserrad; Zuppinger-Rad + Kropfrad + Poncelet-Rad;
Unterschlächtiges Wasserrad ⓘ

Die Leistung P (in Watt) einer Wasserturbine errechnet sich in der sogenannten Turbinengleichung aus dem Wirkungsgrad der Turbine $\eta _{\mathrm {T} }$ multipliziert mit der Dichte des Wassers $\rho _{\mathrm {H_{2}O} }$ ≈ 1000 kg/m³, der Erdbeschleunigung g ≈ 9,81 m/s², der Fallhöhe h (m) und dem Volumenstrom ${\dot {V}}$ (m³/s) ⓘ

$P_{\mathrm {Turbine} }=\eta _{\mathrm {T} }\cdot \rho _{\mathrm {H_{2}O} }\cdot g\cdot h\cdot {\dot {V}}$ ⓘ

Der Wirkungsgrad variiert je nach Typ, Alter und Betriebspunkt der Turbine. Neue Francis-Turbinen erreichen Wirkungsgrade von knapp über 94 %, heißt also $\eta _{\mathrm {T} }$ = 0,94. ⓘ

Die Fallhöhe h ist geringer als die tatsächliche Höhendifferenz zwischen Oberwasser und Unterwasser. In ihr sind bereits die Verluste durch die Reibung des Wassers in den Rohrleitungen berücksichtigt. Sie hat die Einheit Meter. ⓘ

Veranschaulichen kann man sich diesen Zusammenhang, indem man dieselbe Formel für eine Pumpe benutzt, die das Wasser vom Unter- zum Oberwasser pumpt. Führt man dieser Pumpe mechanische Leistung zu, so dass sich ihr Laufrad dreht, berechnet sich der Wirkungsgrad $\eta _{\mathrm {Pumpe} }$ aus dem Quotienten der zugeführten Leistung und dem Produkt aus $\rho _{\mathrm {H_{2}O} }\cdot g\cdot h\cdot {\dot {V}}$. Hier ist die Höhe jedoch nur die tatsächliche Förderhöhe der Pumpe – ebenso ist dies dann auch bei der Wasserturbine der Fall. ⓘ

In einigen wenigen Wasserkraftwerken wird die Drehung der Turbine mittels eines Getriebes auf einen Generator übertragen. Somit kommen zu den Verlusten der Turbine noch die Verluste durch das Getriebe $\eta _{\mathrm {Getr.} }$ hinzu und es berechnet sich die mechanische Leistung $P_{\mathrm {mech.} }$ folgendermaßen:

$P_{\mathrm {mech.} }=\eta _{\mathrm {T} }\cdot \eta _{\mathrm {Getr.} }\cdot \rho _{\mathrm {H_{2}O} }\cdot g\cdot h\cdot {\dot {V}}$ ⓘ

Weiterhin hat auch der Generator noch Verluste. Die letztendlich erzeugte elektrische Leistung $P_{\mathrm {elek.} }$ der Turbine errechnet sich aus:

$P_{\mathrm {elek.} }=\eta _{\mathrm {T} }\cdot \eta _{\mathrm {Getr.} }\cdot \eta _{\mathrm {Gen.} }\cdot \rho _{\mathrm {H_{2}O} }\cdot g\cdot h\cdot {\dot {V}}$ ⓘ

Aus den Gleichungen wird ersichtlich, dass eine große Fallhöhe einen geringen Wasserdurchfluss kompensieren kann und umgekehrt. Das bedeutet: Die relativ geringe Wassermenge eines Gebirgsbachs mit großer Fallhöhe kann unter Umständen mehr elektrische Energie erzeugen als die große Wassermenge eines Flusses, die nur den Höhenunterschied eines Stauwehrs überwindet. ⓘ

Turbinen-Typen

Gleichdruckturbinen

Bei Gleichdruckturbinen ändert sich der Wasserdruck beim Durchströmen der Turbine nicht: Es wird nur kinetische Energie aus der Strömungsgeschwindigkeit auf das Laufrad übertragen, die sich dabei entsprechend verringert. Das bedeutet, dass das Unterwasser mit entsprechend größerem Querschnitt abströmen muss. Zu den Gleichdruckturbinen zählen die Girard-Turbine, die Pelton-Turbine (Freistrahlturbine) und die Durchströmturbine (z. B. Ossberger-Turbine). ⓘ

Überdruckturbinen

Bei einer Überdruckturbine ist der Druck des Wassers beim Eintritt am höchsten und nimmt bis zum Austritt ab, so dass primär die potentielle Energie aus der Fallhöhe auf das Laufrad übertragen wird. Dies gilt für die Francis-Turbine und die Kaplan-Turbine bzw. deren vereinfachte Ausführung als Propellerturbine, außerdem für die Diagonalturbine (z. B. die Deriazturbine), die aber nur selten gebaut wurde. Diagonalturbinen der Bauweise nach Lawaczeck (Lawaczeck-Turbine) wurden im amerikanischen Kraftwerk Grand-Coulee eingebaut. ⓘ

Sofern dabei (wie bei der Gleichdruckturbine) zugleich der Strömungsquerschnitt vergrößert und so die Strömungsgeschwindigkeit verringert wird, kann deren kinetische Energie zusätzlich ausgenutzt werden. Ähnlich wirkt ein Diffusor im Abstrom hinter der Turbine, dessen Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit als Sog (Saugwirkung) auf die Druckdifferenz über der Turbine zurückwirkt. ⓘ

Konstruktive Details

Eine Fourneyron-Turbine aus dem 19. Jahrhundert ⓘ

Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, muss die Turbine den unterschiedlichen Fallhöhen und Wasserdurchflussmengen angepasst sein. Ein Speicherkraftwerk im Gebirge braucht demnach eine andere Turbine als ein Laufwasserkraftwerk an einem Fluss. ⓘ

Wasserturbinen werden mit Leistungen von etwa 200 Watt bis hin zu tausend Megawatt ausgeführt. Die Turbinen der Großkraftwerke werden individuell konstruiert und angefertigt, bevor sie auf der Baustelle des Kraftwerkes endgültig zusammengebaut werden. Die Laufräder solcher Turbinen besitzen einen Durchmesser von bis zu 11 m. Wasserturbinen lassen sich allerdings nicht beliebig miniaturisieren, da Kleinturbinen einen ähnlichen Aufwand zur Regelung haben wie Großturbinen und besonders empfindlich auf Wasserverschmutzungen reagieren. ⓘ

Eine Besonderheit der Wasserturbine ist die aufwendige Regelung ihrer Drehzahl bei dem immer leicht schwankenden Durchfluss des Wassers. Die ausgeführten Regler halten mit hydraulisch betätigten Stellorganen (Armaturen und Leitschaufeln) die Drehzahl konstant und sichern die Turbine außerdem gegen „Durchgehen“, falls das Drehmoment an der Generatorwelle beispielsweise wegen eines Leerlaufes abfallen sollte. ⓘ

Wasserkraftwerk von 1891 in Schöngeising mit Francis-Turbinen ⊙48.13720211.208085 ⓘ

Auf eine Drehzahlregelung kann bei kleinen Turbinen im Netzbetrieb verzichtet werden, da der Generator bei Netzeinspeisung aufgrund der Netzfrequenz auf konstanter Drehzahl gehalten wird. Bei Netzausfall muss dann aber mittels Klappen oder Schützen die Wasserzufuhr unterbrochen werden, um das Durchgehen zu verhindern, wenn die Turbine und der Generator nicht für die Leerlaufdrehzahl ausgelegt wurde. Normalerweise liegt diese etwa bei der doppelten bis zweieinhalbfachen Betriebsdrehzahl. ⓘ

Der Anteil von Turbine und Regler an den gesamten Investitionen eines Wasserkraftwerkes ist erheblich. Dieser Kostenanteil beträgt bei Kleinanlagen bis zu 50 %, bei Großanlagen 10 bis 20 %. Wasserturbinen zeichnen sich andererseits durch eine hohe Lebensdauer aus, in manchem Kraftwerk sind Maschinen seit dem Ende des Ersten Weltkrieges im Einsatz. Sie zählen in diesem Falle zu den technischen Denkmälern, die immer noch in Betrieb stehen. ⓘ

Pumpenturbinen in modernen Pumpspeicherwerken

In Pumpspeicherwerken werden heute vermehrt sogenannte Pumpenturbinen eingebaut. Sie sind alternierend Wasser-Turbine als auch Pumpe, je nachdem in welcher Strömungsrichtung sie durchströmt werden (Drehrichtungsumkehr). Es sollen radiale als auch axiale Typen gebaut werden. Ziel ist die Minimierung von Investkosten, die Reduzierung des Platzbedarfs und die Optimierung des hydraulischen Wirkungsgrades. Heute gebaute große radiale Pumpenturbinen sollen den Francis-Turbinen äußerlich ähneln. Bohl weist darauf hin, dass wegen der Energieverluste aus der Euler´schen Strömungsmaschinen-Hauptgleichung folgt, dass die Drehzahl im Pumpenbetrieb größer sein muss als im Turbinenbetrieb. Zitat: „Die im Mosel-Kraftwerk Detzem eingebauten ‚Kaplan-Pumpenturbinen‘ sollen im Pumpenbetrieb eine um 45 % höhere Drehzahl haben als im Turbinenbetrieb“. Bei gleicher Drehzahl würde daher eine Pumpenturbine als Pumpe einen kleineren Volumenstrom pumpen im Vergleich mit dem Volumenstrom der im Turbinenbetrieb bei dieser Drehzahl durch sie hindurchfließen würde. ⓘ

Auch die „Isogyre Umkehrturbine“ (nach. Fa.Charmilles) gehört zu den Pumpenturbinen. Laut Abbildung verfügt sie über ein spiegelsymmetrisches Laufrad, welches also bei Anströmung von der einen oder der anderen Seite jeweils in beiden Fällen als Pumpe oder als Turbine arbeiten kann, je nachdem welche Drehrichtung die Laufradwelle gerade hat. Entscheidend ist also in beiden Fällen nur, ob der Welle Energie entnommen (Turbinenbetrieb) oder zugeführt wird (Pumpenbetrieb). Der durchströmte Gehäuseteil der Isogyren Umkehrturbine ist ebenfalls spiegelsymmetrisch aufgebaut. ⓘ

Für Förderhöhen/Aufschlagwasser-höhen von über 90 m werden Diagonalturbinen nach P. Deriaz auch als Pumpenturbinen eingesetzt.(Vermutlich Typen mit verstellbaren Leitschaufeln.) ⓘ

Museen zu Wasserkraft & Turbinentechnik

• Das Infozentrum am Kraftwerk in Hemfurth-Edersee an der Edertalsperre informiert über die Entstehung des Edersees und die Funktion von Pumpspeicherkraftwerken. Im Rahmen von Führungen kann das Kavernenkraftwerk Waldeck II besichtigt werden.
• Der Bergbau im Harz war mit umfangreicher Nutzung von Wasserkraft verbunden (Kehrräder, Wasserlösungsstollen etc.), die vielerorts noch zur Stromerzeugung genutzt und in zahlreichen Museen und touristischen Sehenswürdigkeiten dokumentiert wird (siehe: Harzer Wasserregal). ⓘ

Wasserkraftmuseum Ziegenrück

Turbinenausstellung im Wasserkraftmuseum Ziegenrück ⓘ

Im thüringischen Ziegenrück befindet sich eines der ältesten noch teilweise in Betrieb befindlichen Laufwasserkraftwerke Deutschlands (um 1900), die Fernmühle. Es wird als Museum und teilweise noch aktiv zur Stromgewinnung betrieben. Vermittelt wird die Funktionsweise der Gewinnung von Elektroenergie mittels Wasserturbinen anhand erhaltener Altanlagen (teilweise nur zu Schauzwecken erhalten) sowie die neuen Technologien von großen Wasserkraftwerken an Talsperren. Im Gelände des Wasserkraftmuseums Ziegenrück wird eine umfangreiche Freilandausstellung verschiedenster Wasserturbinen gezeigt. Das Wasserkraftmuseum Ziegenrück ist nicht mit dem stillgelegten Conrod-Kraftwerk in Ziegenrück zu verwechseln. ⓘ

Berechnung von Turbinen

Siehe dazu:

• Turbine#Eulersche Turbinengleichung. ⓘ