Pelton Turbine

 

- Einsatz in großen Speicherkraftwerken - geringe Durchflussmengen, aber Einspritzung des Wassers mit sehr hohem Druck - Fallhöhen 300...1.800 m - Wirkungsgrad 85...90 %

 

          Funktions-/Wirkungsweise

Bei der Pelton-Turbine 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), nach Austritt herrscht im Strahl selbst normaler Atmosphärendruck. Daher die Einteilung als Gleichdruckturbine, das Wasser hat vor der Leistungsabgabe am Turbinenrad und danach den gleichen Druck. Teilbeaufschlagt heißt die Pelton-Turbine, weil nur einige der Schaufelbecher gleichzeitig vom Strahl beaufschlagt werden. Die Rückseite, die nicht zur Leistungsgewinnung beiträgt, bewegt sich durch Luft oder Gischt. Dieses Medium hat eine deutlich geringere Dichte und so bleiben die Ventilationsverluste der Pelton-Turbine vergleichsweise gering^[2]. Da jede Schaufel nur kurzzeitig Kraft auf das Rad überträgt und dann wieder kraftlos bleibt, ist wegen der Wechselbeanspruchung die Gefahr des Ermüdungsbruchs sehr groß: das Rad kann nur in einem Stück gegossen werden.

Die Anzahl der Düsen richtet sich nach der Durchsatzmenge, wobei eine Düse maximal 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 dieselbe Welle aufgebracht oder die gesamte Turbine wird mit vertikaler Achse gebaut. In diesem Fall werden regulär vier Düsen eingesetzt, aber es wurden schon Pelton-Turbinen mit sechs Düsen ausgeliefert (Fa. Escher Wyss, Ravensburg).

Die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelkreises sollte genau der Hälfte der Geschwindigkeit des Wasserstrahls entsprechen. Da das Wasser in den Schaufeln um fast 180 Grad abgelenkt wird, gibt es (bei reibungsfreier Betrachtung) dann nahezu seine komplette Energie an die Schaufeln ab. Der Durchmesser der Turbine richtet sich nach der Generatordrehzahl und dem verfügbaren Wasserdruck bzw. der Geschwindigkeit des Wasserstrahls.

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 entgegengesetzte 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 zur Strahlteilung und -lenkung eingesetzt würde.

Bei einer Fallhöhe von 1000 Metern kann der Wasserstrahl eine Geschwindigkeit von nahezu 500 km/h erreichen. Die größte realisierte Aufprallgeschwindigkeit beträgt ca. 185 m/s (666 km/h); bei diesem Wert wird verständlich, dass die Mittelschneide in jedem Becher unverzichtbar ist. Die Pelton-Turbine verbraucht je nach Bauart und Fallhöhe zwischen 20 und 8000 Liter Wasser pro Sekunde. Sie hat eine sehr hohe Drehzahl: bis 3000 Umdrehungen pro Minute. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 85 % und 90 %, wobei sie, auch wenn sie nicht unter Volllast läuft, noch gute Leistungen erbringt. Eine der größten zur Zeit realisierten Fallhöhen beträgt 1773 m, bei einer Durchsatzmenge von 6 m³/s (gebaut von Fa. Voith, Heidenheim, Anlage Reißeck-Kreuzeck, Kärnten). Sie wurde im Jahre 2000 noch übertroffen von der Anlage Bieudron, Wallis. Dort befinden sich drei fünfdüsige Peltonturbinen, die 400 MW bei einer Rekordfallhöhe von 1883 m leisten. Aus demselben Speichersee, dem Lac des Dix, bezieht auch das ältere Kraftwerk Chandoline Triebwasser, das mit fünf Peltonturbinen bei einer Fallhöhe von 1748 m ebenfalls zu den Rekordanlagen gehört. Nicht unerwähnt bleiben als Meilenstein beim Bau von Hochdruckkraftwerken sollte das Kraftwerk Silz im Inntal. Es besteht aus zwei vertikalachsigen Maschinensätzen, mit je einer sechsdüsigen Pelton-Freistrahlturbine und einem vollständig wassergekühlten Generator. Die Wasserstrahlen treffen mit einer Geschwindigkeit von ca. 500 km/h über sechs Düsen mit einer Kraft von 350.000 N (35 t) 50-mal pro Sekunde auf die Turbinenschaufeln. Die Fallhöhe beträgt hier 1258 m. In Naturns, Südtirol, gibt es ein Kraftwerk mit drei Peltonturbinen (180 MW) mit einer Fallhöhe von 1150 m.

 

 

Francis Turbine

 

- Einsatz in Speicher- und Laufwasserkraftwerken - mittlere Durchflussmengen bei kleinen und mittleren Drücken - Fallhöhen 25...300 m - Wirkungsgrad 85...90 %

 

          Funktions-/Wirkungsweise

Bei der Francis-Spiralturbine wird das Wasser durch ein schneckenförmiges Rohr, die Spirale, in zusätzlichen Drall versetzt und anschließend durch ein feststehendes „Leitrad“ mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. Ist der Einlaufbereich zum Leitrad nicht spiralförmig ausgebildet, spricht man von einer Francis-Schachtturbine.

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. Die Francis-Turbine ist eine Überdruckturbine, am Laufradeintritt ist der Druck höher als am Laufradaustritt.

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 Investitionen einer Francis-Turbine aus.

Der Wirkungsgrad der Francis-Turbine variiert je nach Typ, Alter und Betriebspunkt. Moderne Francis-Turbinen erreichen Wirkungsgrade von über 90 %.

 

 

Kaplan Turbine

 

- Einsatz in Laufwasserkraftwerken - hohe Durchflussmengen bei niedrigen Drücken - Fallhöhen 5...20 m - Wirkungsgrad 80...90 %

 

          Funktions-/Wirkungsweise

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 Überdruckturbine. Durch das Saugrohr verlässt das Wasser die Turbine.

Der Einbau erfolgt meistens vertikal, so dass das Wasser von oben nach unten durchströmt. Direkt oberhalb der Turbine wird meist der Drehstromgenerator angebracht, um die durch das Laufrad erzeugte kinetische Energie über eine Vertikalwelle ohne Umlenkverluste zum Generatorrotor übertragen zu können. Der erreichte Wirkungsgrad liegt im Bereich von 80−95 %. Durch die verstellbaren Leit- und Laufradschaufeln kann die Kaplan-Turbine 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 sowie schwankenden Durchflussmengen. Die Kaplan-Turbine ist damit prädestiniert für große Flusskraftwerke an ruhig fließenden Großgewässern.

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