Eine hydraulische Turbine ist eine Maschine, die die Energie eines Wasserflusses mittels eines Systems rotierender Schaufelblätter in mechanische Energie umwandelt. Diese mechanische Energie kann zum Antrieb einer anderen Maschine oder eines elektrischen Generators verwendet werden.
Eine einfache Turbine besteht aus einem einzelnen Rotor mit Schaufelblättern, die für den Energieaustausch mit der Strömung sorgen. Die Laufradschaufeln lenken den Stromfluss ab, um kinetische Energie und Druckenergie umzuwandeln oder den Flüssigkeitsimpuls gegen ein Kraftmoment auf der Welle auszutauschen.
Das Kraftmoment auf der Welle versetzt die Turbine in Rotation und erzeugt so Rotationsenergie. Wird die Turbine mit einem elektrischen Generator verbunden, entsteht Strom. In anderen Fällen wird diese Energie direkt zur Erzeugung mechanischer Arbeit genutzt.
Bei den meisten hydraulischen Turbinen ist der Wasserfluss axial oder radial. Bei einer Querstromturbine hingegen durchströmt das Wasser die Turbinenschaufeln zweimal in Querrichtung, zunächst in Richtung der Achse und dann von ihr weg.
Klassifizierung: Arten von hydraulischen Turbinen
Wasserturbinen, die in Wasserkraftanlagen verwendet werden, können nach zwei Kriterien klassifiziert werden.
Eine erste Klassifizierung erfolgt nach der Funktionsweise. Es kann sich um Aktion oder Reaktion handeln. Aktionsturbinen nutzen nur die Geschwindigkeit des Wasserflusses, während Reaktionsturbinen auch den Druckverlust des Wassers innerhalb der Turbine ausnutzen.
Je nach Bauart kann eine Turbine:
1. Peltonturbine
Peltonturbinen sind Querstromturbinen mit teilweiser Beaufschlagung. Einer der effizientesten Wasserturbinentypen.
Die Peltonturbine besteht aus einem Rad (Laufrad oder Rotor), das an seinem Umfang mit Löffeln ausgestattet ist. Diese Schaufeln sind speziell dafür ausgelegt, die hydraulische Energie eines Wasserstrahls umzuwandeln, der auf die Schaufeln trifft.
Peltonturbinen sind für die Nutzung großer hydraulischer Sprünge bei geringem Durchfluss ausgelegt.
2. Francis-Turbine
Die Francis-Turbine ist eine Innenströmungs-Reaktionsturbine, die sowohl Radialströmungs- als auch Axialströmungskonzepte kombiniert.
Er besteht aus einem festen Teil mit gekrümmten Führungen, den sogenannten Deflektoren (oder Verteilern), und einem beweglichen Teil mit ebenfalls gekrümmten Schaufeln, dem sogenannten Rotor. Durch die Neigung der Deflektoren kann die auf die Schaufeln wirkende Strömung angepasst und so die Drehzahl der Turbine geregelt werden.
Es handelt sich um einen Turbinentyp, der sich sehr gut für mittelhohe Sprünge mit mittleren Durchflussraten eignet und sehr hohe Leistungen erzeugen kann.
3. Kaplan-Turbine
Kaplan-Turbinen sind Axialströmungs-Reaktionswasserturbinen mit einer Rolle, die ähnlich wie ein Schiffspropeller funktioniert.
Ihr Einsatzgebiet liegt in Wasserkraftwerken mit kleinen Wasserfällen. Die breiten Rotorblätter oder Schaufeln der Turbine werden durch unter hohem Druck stehendes Wasser angetrieben, das durch ein Tor abgelassen wird.
Das Wasser fließt in Achsenrichtung. Neben der Möglichkeit die Neigung der Deflektoren zu verstellen, ist auch eine Verstellung der Neigung der Rotorblätter möglich. Auf diese Weise passt sich die Turbine dem jeweiligen Leistungsbedarf an. Es wird in Anlagen mit kleinem Gefälle und großem Wasserdurchfluss verwendet, wie zum Beispiel in Stauseen.
4. Propellerturbine
Die Propellerturbine besteht wie alle Wasserturbinen aus einem Leitring mit Leitschaufeln und einem Rotor. Abhängig von der Strömung kann die Propellerturbine einfachgeregelt (Verstellung der Leitschaufeln) oder doppeltgeregelt (Verstellung der Leitschaufeln und der Rotordrehzahl) ausgeführt werden.
Leitschaufeln regulieren die Wasserdurchflussmenge, die in den Rotor eintritt. Gleichzeitig ändern sie die Richtung der Strömung, sodass diese mit ihrem eigenen Drehmoment in den Rotor eindringt und diesen zum Drehen bringt.
Vom Wirkungsgrad her ist die Propellerturbine mit einer Kaplanturbine vergleichbar. Darüber hinaus können durch die elektronische Regelung einer Propellerturbine Niedrigwasserbetriebspunkte erreicht werden, die mit einer Kaplanturbine nicht erreicht werden können.
Teile einer hydraulischen Turbine
Die Hauptteile einer hydraulischen Turbine sind:
- Rotor oder Rotorblätter : Dies sind die beweglichen Teile der Turbine. Sie sind so konstruiert, dass sie von der Wasserströmung getroffen werden und dadurch in Rotation versetzt werden. Die Form der Schaufelblätter hängt vom Turbinentyp ab, zum Beispiel Pelton-, Francis- oder Kaplan-Turbinen.
- Welle : Verbindet den Rotor mit einem Generator oder mechanischen System. Die Welle überträgt die Drehbewegung des Rotors auf die Stromerzeugungsmaschine oder ein anderes Nutzgerät.
- Gehäuse : Dies ist die Struktur, die den Rotor umgibt und schützt, die Richtung des Wasserflusses beibehält und die Energieübertragung vom Wasser auf den Rotor erleichtert. Es hilft auch, den Wasserfluss zum Rotor zu kontrollieren.
- Turbine (Gehäuse) : Das Gehäuse ist der Teil der Turbine, der alle Komponenten enthält. Im Allgemeinen tritt hier das Wasser ein, strömt in Richtung der Rotorblätter und wird ausgestoßen, nachdem es seine Energie auf den Rotor übertragen hat.
- Blattwinkel : Bei einigen Turbinen, insbesondere Kaplan-Turbinen, ist der Blattwinkel einstellbar, um die Effizienz basierend auf Durchflussrate und Wasserfallhöhe zu optimieren.
- Einlasskanal (Ansaugrohr oder -kanal) : Dies ist der Kanal, durch den das Wasser die Turbine erreicht und der Wasserfluss zu den Turbinenschaufeln geleitet wird. Wasserdruck und -geschwindigkeit sind wichtige Faktoren für die Turbinenleistung.
- Regler oder Gouverneur : Hierbei handelt es sich um ein System, das die Drehgeschwindigkeit der Turbine durch Anpassen des Wasserdurchflusses, der die Rotorblätter erreicht, steuert. Ermöglicht der Turbine, mit maximaler Effizienz zu arbeiten.
- Diffusor : Bei einigen Turbinen befindet sich der Diffusor am Ende der Turbine und hat die Funktion, die Geschwindigkeit des Wassers zu reduzieren und gleichzeitig den Druck zu erhöhen, bevor es in die Umgebung austritt. Dies trägt dazu bei, die Effizienz der Turbine zu verbessern.
- Ventile : In vielen Hydrauliksystemen werden Ventile verwendet, um die in die Turbine eintretende Wassermenge zu steuern. Ventile sind außerdem für den sicheren Start oder Stopp des Turbinenbetriebs unerlässlich.