Wasserturbine
Montage von zwei Pelton-Turbinen im Walchenseekraftwerk
Eine Wasserturbine ist eine Turbine, welche die Wasserkraft nutzbar macht. Dabei wird kinetische Energie und/oder potentielle Energie des Wassers mittels der Wasserturbine in Rotationsenergie umgewandelt, was die Drehung der Turbinenwelle bewirkt. Diese Drehung kann für den Antrieb von Transmissionsgetrieben verwendet werden, häufiger jedoch dient sie zum Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung.
1 Technische Grundlagen
2 Konstruktive Details
3 Technikgeschichte
4 Turbinen-Typen
4.1 Gleichdruckturbinen
4.2 Überdruckturbinen
4.3 Übersicht
Technische Grundlagen[Bearbeiten]
Kennfeld der gebräuchlichsten Wasserturbinen bei einem angenommenen Wirkungsgrad ŋT von 80 %
Die Leistung P (in Kilowatt) einer Wasserturbine errechnet sich in der sogenannten Turbinengleichung aus dem Wirkungsgrad der Turbine multipliziert mit der Dichte des Wassers (kg/dm3), der Erdbeschleunigung g (m/s2), der Fallhöhe h (m) und dem Volumenstrom (m3/s)
Der Wirkungsgrad variiert je nach Typ, Alter und Betriebspunkt der Turbine. Neue Francis-Turbinen erreichen Wirkungsgrade von knapp über 94 %, heißt also = 0,94.
Die Fallhöhe h entspricht nicht der tatsächlichen Höhe zwischen Oberwasser und Unterwasser. In ihr sind bereits die Verluste durch die Reibung des Wassers in den Rohrleitungen berücksichtigt. Sie hat dennoch 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 aus dem Quotienten der zugeführten Leistung und dem Produkt aus . 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 hinzu und es berechnet sich die mechanische Leistung folgendermaßen:
Weiterhin hat auch der Generator noch Verluste. Die letztendlich erzeugte elektrische Leistung der Turbine errechnet sich aus:
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.
Konstruktive Details[