Was ist eine Wasserturbine?
Eine Wasserturbine ist eine Turbine, die zur Erzeugung von Wasserkraft an Dämmen eingesetzt wird. Sie wird dort installiert, wo große Wassermengen aus großer Höhe herabstürzen (z. B. Wasserfälle und Dämme) oder wo sich große Wassermengen mit hoher Geschwindigkeit bewegen (z. B. Stromschnellen), wobei die Turbine in Rotation versetzt und die Energie in Strom umgewandelt wird.
Wasserturbinen für die Stromerzeugung aus Wasserkraft werden in Impuls- und Reaktionsturbinen unterteilt, die sich darin unterscheiden, wie das fallende Wasser die Schaufeln in Drehung versetzt. Ein Beispiel für eine Impulsturbine ist die Peltonturbine, die die Geschwindigkeitsenergie des fallenden, beschleunigten Wassers nutzt, um die Schaufeln zu drehen. Beispiele für Reaktionsturbinen sind Francis-Turbinen und Propellerturbinen, die die Geschwindigkeit und den Druck des Wassers nutzen, um die Schaufeln in Drehung zu versetzen.
Typen und Bauweise von Wasserturbinen
Bei früheren Wasserturbinen wurden die Schaufeln durch die potenzielle Energie des fallenden Wassers in Drehung versetzt. Moderne Wasserturbinen wandeln jedoch die potenzielle Energie des Wassers in Geschwindigkeitsenergie um und lassen das Wasser mit hoher Geschwindigkeit auf die Schaufeln einwirken, um die Turbine zu drehen.
Es gibt zwei Arten von Wasserturbinen mit unterschiedlichen Mechanismen zum Drehen der Schaufeln: Impuls- und Reaktionsturbinen. Ein Beispiel für ein Impulswasserrad ist das Pelton-Wasserrad, während ein Beispiel für ein Reaktionswasserrad das Francis-Wasserrad oder Propellerwasserrad ist.
Wasserturbinen sind sehr groß und haben eine hohe Stromerzeugungskapazität, so dass selbst eine Änderung des Wirkungsgrads um 1 % einen erheblichen Einfluss auf die Leistung hat. Daher müssen sie nach der am besten geeigneten Methode ausgelegt werden, die auf Bedingungen wie der Größe des Kraftwerks und der Höhe des auf das Kraftwerk fallenden Wassers basiert.
Impulsturbinen
Ein typisches Beispiel für eine Impulsturbine ist die Peltonturbine. Diese nutzen nur die Geschwindigkeit des Wassers und werden in Kraftwerken mit großem Gefälle und hohen Wassergeschwindigkeiten eingesetzt. Peltonturbinen verwenden eine schmale Düse am Ende einer Wasserleitung, die einen starken Wasserstrahl auf die Turbinenschaufeln, die so genannten Laufräder, spritzt, um die Turbine zu drehen.
Peltonturbinen werden in fast allen Kraftwerken mit großem Gefälle eingesetzt. Das größte ist das Kraftwerk Büdron in der Schweiz, wo das Gefälle etwa 1900 Meter beträgt. Peltonturbinen haben jedoch einen geringeren maximalen Wirkungsgrad als andere Verfahren.
Reaktionsturbinen
Francis-Turbinen und Propellerturbinen sind typische Beispiele für Reaktionsturbinen. Francis-Turbinen nutzen die Geschwindigkeit und den Druck des Wassers, um die Laufräder zu drehen. Das herabfallende Wasser tritt in das Spiralgehäuse ein und strömt in Wirbelrichtung nach innen, wobei es zur Strömungsregulierung bewegliche Schaufeln (Leitrad) passiert und die Laufräder berührt, um die Turbine zu drehen.
Francis-Turbinen machen etwa 70 % der Wasserkraftdämme in Japan aus und sind insofern einzigartig, als sie in einem weiten Bereich von 10 m bis 300 m Gefälle eingesetzt werden können. Eines der größeren Kraftwerke ist das Kraftwerk Arimine Nr. 1 der Hokuriku Electric Power Company mit einem Gefälle von 430 Metern.
Das Grundprinzip einer Propellerturbine ähnelt dem einer Francis-Turbine, wobei das fallende Wasser durch ein Gehäuse und einen Leitapparat fließt, bevor es mit den Laufrädern in Berührung kommt und die Turbine dreht. Propellerturbinen unterscheiden sich jedoch von Francis-Turbinen durch die Form der Laufräder, die wie eine Schiffsschraube geformt sind. Propellerturbinen werden häufig in Kraftwerken eingesetzt, in denen das Wassergefälle relativ gering und die Durchflussmenge hoch ist.
In jüngster Zeit werden in immer mehr Kraftwerken mit geringer Leistung, die auch als Mikro-Wasserkraft bezeichnet werden, Stromerzeugungssysteme mit geringem Wassergefälle und Energiebedarf eingesetzt wie z. B. diese Art von Rücklaufturbine. Die Mikro-Wasserkraft nutzt Wasserströme z. B. für die Wasserversorgung, die Abwasserentsorgung und die Landwirtschaft und es werden Propellerturbinen eingesetzt.
Wasserkraftturbinen und Turbinen
Wasserkraftturbinen sind mit einem Generator verbunden, wobei die Drehung der Turbine auch den Generator antreibt und so Strom erzeugt. Wasserkraftturbinen können daher als eine Art von Turbine betrachtet werden.
Bei der Wasserkrafterzeugung variiert die Drehzahl der Turbine in Abhängigkeit von der Wassermenge und dem Absinken des Wasserspiegels und es besteht die Gefahr, dass Schwankungen in der Drehzahl auch zu einer Instabilität der elektrischen Leistung führen können. Es ist daher notwendig, die Auswirkungen von Drehzahl- und Druckschwankungen, die durch solche Änderungen der Wassermenge verursacht werden, zu verringern. In der Praxis werden Maßnahmen wie die Zugabe von Luft oder Wasser in das Wirbelzentrum des Gehäuses ergriffen.