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Die wohl älteste Form des Wasserrades dürfte daher das Felgenrad sein. Es wird auch Strauber-Rad genannt und zählt zu den unterschlächtigen Wasserrädern. Unterschlächtig, weil das Wasser das Rad von unten umströmt und antreibt. Es besteht aus einem aus radial gebogenen Hölzern, die einem Ring aus Holz bilden. An diesem Ring sind nun die Radarme befestigt sowie Löcher in den Kranz eingestemmt, in welche dann die Schaufelhalter eingesetzt werden. Die Schaufelhalter werden in den Löchern des Kranzes eingesteckt und verkeilt, das Schaufelbrett wird am Schaufelhalter mit Holznägeln befestigt und die Nägel Werden verkeilt. Die Strauberräder in Franken haben zudem dann oft noch einen Halter, der von der Rückseite des Schaufelhalters zur Vorderseite des folgenden Schaufelbrettes führt, die stabilisiert die Kontruktion zusätzlich. Breitere Räder bestanden dann aus der gleichen Konstruktion, nur das zwei oder mehr Kränze zu einem Breiten Rad auf der Welle zusammen gefügt wurden, die dann mit über die gesamte Breite des Rades reichenden Schaufelbrettern zu einem breiten Rad zusammen gefügt wurden. Bevor gusseiserner Rosetten zur Aufnahme der Radarme aufkamen, wurden die Radarme in die Wellen mit großem Durchmesser eingelassen und verkeilt, oder sogar durch die Welle durchgesteckt und dann verkeilt. Strauberräder waren erst reine Stossräder, die Kraft des Wassers übte ausschließlich mit seiner Strömungskraft eine Kraft auf die Schaufeln aus, nicht aber mit seinen Gewicht. Man versuchte die Leistungsfähigkeit der Räder zu steigern, in dem die Räder in einer Hölzernen Schussrinne drehten, die das Wasser mit hoher Geschwindigkeit dem Schaufelweg zuführten. |
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| Unterschlächtiges Wasserrrad der ehem. Sägemühle Kaltenberg Wasserrad mit über 6 Meter Durchmesser, und trieb dereinst eine kleine HochgangSäge an. Vorläufer des Sägewerks am heutigen Standort. |
Details des Wasserrad der Sägemühle Kaltenberg Gut erkennbar sind Schaufelhalter, Gegenplatte, Holznägel, Schaufelbrett und Versteifungsriegel Auch die hölzene Felge ist gut zu erkennen. |
| Eine weitere alte Konstruktion ist das Staber-Rad. Bei Staberrädern besteht das Rad nicht aus einem Felgenring aus massiven Hölzern, sondern wird aus zwei Ringen gebaut. Diese Aussenringe sind aus bogenförmigen Bretten zu einem dünnen Holzring mit Holznägeln verbunden, die Radarme greifen diese Ringe außen an, wo diese an zusätzlichen Radarmträgern befestigt werden. Zwischen diese Ringe werden nun in eingestemmte Nuten die Schaufelbretter eingeschoben und mit Keilen oder Holznägeln gesichert. Die Schaufeln befinden sich daher hier nicht auf dem Radkranz, sondern zwischen den beiden Felgenringen. Noch im 18. und frühen 19. Jahrhundert waren Staberräder weit verbreitet und drehten sich wie die Strauberräder in einer hölzernen Schussrinne, um mehr Wasser mit höherer Geschwindigkeit gezielt den Schaufeln zuzuführen. |
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Es ist eigentlich keine eigene Kontruktion, sondern nur eine Verbesserung hinsichtlich der Wasserführung, dem Gerinne des Rades. Anstelle einer geraden hölzernen Rinne wurde um den Teil des Rades, der vom Wasser beaufschlagt wurde, eine radiale Rinne angelegt. Diese Rinne zunächst aus Holz, später aus Zement umschloss die Schaufeln sehr dicht, was eine. Hohen Leistungsgewinn zur Folge hatte. Denn Anstelle mit der reinen Stoßkraft wirkte das Wasser nun hauptsächlich mit seinem Gewicht auf die Schaufeln. Dies war ein nicht unerheblicher Leistungsgewinn, weshalb heute viele Strauber- und Staberräder als Kropfräder zu finden sind.
Moderne Räder wie Sagebien, Poncelet oder Zuppinger, aber auch viele mittelschlächtige Räder wären ohne dieses Kropfgerinne undenkbar. Im Bild haben aber ein Staberrad mit gekrümmten Schaufeln dargestellt, welches im Kropfgerinne läuft, auch das in der Skizze dargestellte Strauber-Rad dreht sich in einem Kropfgerinne. Die gekrümmten Schaufeln sollten mehr Wasser im Rad halten, aber auch den Stoß aufnehmen und stellt die erste Verbesserung des Wasserrades an sich dar. |
| Bei großen Gefällen nutzte man sogenannte Zellenräder. Der aus gebogenen Brettern zusammen äussere Ring begrenzte das Rad zu beiden Seiten. Bohlen dienten den Radarmen als Ansatzpunkte und die Ringe wurden nach unten mit genau behobelten Brettern zur Radmitte verschlossen - der Radboden schloss dieses Rad wasserdicht zur Achse ab und ließ nur die Aussenseite offen. So konnten dann einzelne Kammern mit Riegelbrett und Schaufel geschaffen werden. Dabei war das Schaufelbrett passen zur Einströmung geneigt, die Riegelbretter hingegen stehen leicht geneigt oder völlig senkrecht zum Radbodenbrett. So werden einzelne Zellen oder Kammern unterteilt, die mit Wasser gefüllt werden. Der Einlauf liegt daher strömungsgünstig knapp über den oberen Scheitel des Rades, bei modernen Rädern sogar leicht hinter dem oberen Scheitelpunkt. Es ist zumeist eine einfache Rinne, die Kännel, Kähne oder Trog genannt wird. Das Einströmende Wasser fließt so auf das obere Schaufelbrett und fließt so der obersten Kammer zu, ist diese gefüllt, läuft diese Kammer über und die nächste Kammer in Richtung Radvorderseite/Radunterseite, so füllen sich nach und nach die Kammern des Rades von oben, bis ein übergewicht des Rades an dessen Vorderseite es in Drehung versetzt. Unten entleeren sich die Kammern und der Radbauer legt viel Geschick darauf, daß sich die Kammern so spät wie möglich dem Unteren Rascheitel entleeren. Später wurden die hölzernen Schaufeln durch gebogene Blechschaufeln ersetzt, später diese Räder vollständig aus Eisenblechen gefertigt. Es gab von namhaften Herstellern, wie der Württembergischen Maschinenfabrik, Maffai München, Hohenzollern, Maschinenfabrik Hartmann in Chemnitz und anderen. Diese Räder bekamen nicht nur optimierte Einläufe, sondern konnten auch in großen Breiten hergestellt werden. Damit die Blechschaufeln sich durch den Druck der Wasserfüllung nicht nach aussen bogen und so verformten, wurden die Bleche mit kleinen Bolzen zum Radboden versteift. So konnten Räder mit 3, ja sogar über 4 Meter Breite gebaut werden. Ein gutes Beispiel der modernen Hochleistungsräder ist das Rad der Hagenmühle, welches man im virtuellen Rundgang betrachten kann. |
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| Oberschlächtiges Wasserrrad der ehem. Aumühle, Bad Schlangenbad Wasserrad mit über 9 Meter Druchmesser, leistet bei Voll- last über 18 kW elektrisch. |
Wasserrad der Gallussägemühle im Schwarzwald Eines der größten Räder des nördlichen Schwarzwaldes. Wird noch heute zum Antrieb eine Sägemühle benutzt und eingesetzt. |
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Reichte die Fallhöhe nicht für einen Einlauf über dem Rad, führte man das Wasser möglichst hoch dem Rad zu, es strömte dann dem Rad an der Aussenkante zu und füllt wie beim oberschlächtigen Rad die einzelnen Kammern von der Rückseite her. Ansonsten bleibt die Funktion wie beim oberschlächtigen Rad. |
Das mittelschlächtige Wasserrad
| Die Wasserzuführung erfolgte nun über eine Rinne auf ungefähr der Mitte des Rades. Dabei muss man erkennen, daß mitelschlächtige Räder auch eigentlich rückschlächtige Räder sind.
Hingegen baute man später diese Räder mit einem Kropfgerinne, so daß sich die Kammern später entleerten und damit das Wasser länger in den Zellen verbleiben konnte, wo somit das Gewicht länger wirksam war. So vereinen diese Räder als Zellenräder hohe Wasseraufnahme mit der Wirkung unterschlächtiger Räder mit großem Schluckvermögen. Strömungsgünstige Schaufeln machen gerade diese Räder interessant, weil man den schädlichen Stoß auf die Schaufeloberfläche vermeidet, aber auch mit geringen Spaltmaßen arbeiten kann, zudem das Wasser nicht über die Schaufel zur Radmitte überströmen kann. Dies vermindert die Verluste des Rades erheblich. Moderne Konstruktionen mit gekrümmten Schaufeln verbinden die Funktion moderner Räder mit der Kapazität der unterschlächtigen Räder und erreichen aussergewöhnliche Wirkungsgrad. Dabei erfolgt der Einlauf stoßfrei in eine Kammer mit gekrümmter Schaufel, wobei die Strömungsenergie in eine Lageenergie umgewandelt wird, der erste Impuls der Kraft sofort auf die Schaufel übertragen wird, bevor dann die reine Gewichtskraft des in der Kammer eingeschlossenen Wassers durch sein Gewicht die Haupterbeit verrichtet. Da das Rad in einem Kropf läuft, entleert sich die Kammer nur langsam und kann durch den Kropf nicht wirklich abfließen, so daß wie bei unterschlächtigen Rädern weiterhin das Gewicht auf die Schaufeln einwirkt. Beim Entleeren kann die Schaufel frei aus dem Unterwasser austauchen und schiebt kein Wasser vor sich her, wobei abströmendes Wasser zudem einen leichten Druck, und damit Kraft auf die Schaufelfläche ausübt. Diese Räder erreichen die höchsten Wirkungsgrade aller Wasserräder. |
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Das Sagebien Rad ist in Frankreich als unterschlächtiges Rad entstanden. Es ist ein Kropfrad mit dem Gedanken, die Gewichtswirkung des Wassers besser zu nutzen, dabei kamen schrägt gestellte Schaufeln zum Einsatz. Dies ist in der Skizze etwas übertrieben dargestellt, normalerweise war der Winkel der Schaufeln geringer, aber es wird klar, woran das Sagebien Rad litt - die Kammern entleerten sich zum Teil zu rasch, die Wirkung war nicht wie erhofft.
Trotzdem sorgte die Minimierung des Stoßes am Einlauf für eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und damit für eine Umwandlung der dynamischen Energie in Lageenergie, die dann auf die Schaufeln wirkte. |
| Auch dieses Rad wurde in Frankreich entwickelt und zeichnete sich durch extrem hohe Wirkungsgrade aus. Es verwendet das sogenannte Turbinenprinzip: Durch die schräge Ponceletschütze wird das Wasser dem Rad von schräg unten zugeführt. Es strömt daher die gekrümmte Schaufel aufwärts, wobei diese Strömungsenergie durch die Bewegungsumkehr zur Strömung in eine Kraft auf die Schaufel überträgt. Dies nennt man auch Turbineneffekt, so daß große Ponceleträder auch oft Turbinenräder genannt wurden - was diese aber nicht sind. Das Wasser füllte so die Kammer und bewegte dann das Rad über die Lageenergie weiter, bis die diese Kammern an einer Stufe ins Unterwasser entleerten. Ponceleträder hatten große Wirkungsgrad, waren aber nicht verbreitet. |
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Das vom Schweizer Ingenieur entwickelte Wasserrad vereinte die Erkenntnisse moderner Wasserturbinen mit dem Wissen der Lageenergie der alten Wasserräder. Die strömungsgünstige Form der Schaufeln verinderte nicht nur den schälichen Stoß des Wassers beim Einlauf, sondern sorgte durch die Krümmung zudem für eine Umwandlung der Strömungsenergie in eine Lageenergie. Die Hauptleistung wurde dann durch die Gewichtskraft des Wassers auf die Schaufelfläche erbracht. Moderne Zuppingerräder nehmen daher das Wasser nahezu stoßfrei auf, halten es mit geringsten Wasserverlusten in den Räumen zwischen den Schaufeln. Zudem sorgen beim Abströmen des Wassers die gekrümmten Schaufeln zudem dafür, daß die Schaufel ohne Verluste aus dem Unterwasser wieder austauchen kann, wobei auch die Strömung hier noch leicht auf die Fläche einwirken kann. Gut konstruierte Zuppingerräder erreichen daher sehr hohe Wirkungsgrad von bis zu 88% und stehen daher Turbinen in der Regel kaum nach, was die Leistung angeht, sie erzeugen aussergewöhnlich hohe Drehmomente und gelten als eine der fortschrittlichsten Entwicklungen der Wasserkraftmaschinen. |
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| Zuppinger Wasserrrad der Wasserkraftanlage inatura, Dornbirn, Österreich Neu erstelle Anlage mit 18 kW Leistung am ehem. Werkgraben der Rösch Werke, in Erinnerung an die Tradition der Rösch Werke als Hersteller von Wasserrrkaftanlagen in Österreich. |
Zuppinger Wasserrad der ehem. Sandmühle in Homberg/Ohm Über 25 kW Leistung erzeugt das Rad heute elektrisch, früher trieb es eine Getreidemühle an, heute eine attraktive Kleinwasserkraftlösung. |
| Im Bild ist die wohl am weitesten verbreite Freistrahlturbine, die Pelton Turbine zu sehen. Freistrahlturbinen gibt es viele. Von der einfachen Löffelrad Turbine bis zu den Mehrdüsen Peltonturbinen sind viele Bauformen entstanden. Sie werden gern Aktionsturbine genannt. Dabei steht vor dem Laufrad ein hoher Druck an, nahezu das gesamte Gefälle in Drucksäule wird nun durch eine Düse in einen Wasserstrahl umgewandelt, der die Schaufeln trifft. Über das Newtonsche Gesetz fügt dieses Auftreffen des Wassers auf die Schaufel zu einer Kraft, welche nun die Schaufel in Bewegung setzt. Frühe Freistrahlturbinen hatten schräge Düsen, die schräge Schaufeln trafen und man kann sogar die waagrechten Wasserräder, sogenannte Löffelräder oder Stockräder als Vorläufer der Freistrahlturbine, ja sogar als eine Form der Freistrahlturbine ansehen. Pelton erkannte, daß der Strahl des Wassers immer wieder beim Durchgang der Schaufeln kurz unterbrochen wird, zudem mehr Energie auf die Schaufeln übertragen wir, wenn der Strahl nicht direkt die Schaufel trifft, sondern durch die besondere Hohlform der Schaufel möglichst nahe zurück der Eintrittsdüse zurück gelenkt wir. Denn bei dieser Strahlumkehr wird nahezu alle Energie des Strahls auf die Schaufel übertragen. So hat die Peltonturbine ager besonders geformte Schaufeln, die unten einen V-Einschnitt haben, der dem Strahl es ermöglicht, länger und besser eine Schaufel zutreffen und der Moment des Schaufeldurchgangs durch den Strahl wird auf ein Minimum reduziert, was Energieverluste vermindert. Zudem bildete sich in der Mitte der Schalenförmigen Schaufel ein messerscharfer Steg, der den Strahl teilte und durch die Hohlform eine Strahlumkehr nahezu vollständig zum Ausgangspunkt des Strahles bewirkte. Das Laufrad ist im Bild näher dargestellt, die Skizze gibt eine Übersicht der Turbine, die anderen Bieler illustrieren eine solche Anlage. |
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| Pelton Wasserrkraftwerksanlage Links die Zulaufrohre mit den Düsenköpfen Rechts der hydraulische Regler |
Läufer einer Peltonturbine Der defekte Läufer wurde aufgrund gebrochener Schaufeln getauscht Gut ist aber die Hohlform der Schaufeln, die Aussparung und der Messersteg zu erkennen. |
Die Francisturbine
Das schwierigste ist eine Darstellung des Laufrades, da es seitlich ringsum beaufschlagt und das Wasser unterseits axial abströmt. Zudem liegt das Laufrad vollständig umbaut in einem Rohrstück, so daß es meist unsichtbar ist. Sieht man mal etwas von der Turbine, so ist es bei Spiralturbinen den Einlaufbereich umgebende, Schneckenhaus ähnliche Gussgehäuse, bei den Schachtturbinen der mit en Leitschaufeln bestückte Leitapparat, wo dann eine drehende Welle aus der Stopfbuchse hervor ragt.
Aber habe ich Bilder eingestellt, die das Laufrad illustrieren. Die gesamte Turbine lässt sich besser über Bilder darstellen, als mit einer Skizze.
Hier sieht man gut die Schaufeln, deren Aussenkanten nahezu umgekrümmt das Wasser aufnehmen und ins Innere des Läufers leiten, da die Schaufeln zudem L förmig gewunden sind, wird das Wasser so nach unten zur Achse geleitet, wo es die Schaufeln erneut durchströmt.
In diesem Strömungsvortex bildet sich ein Druckgefälle, weshalb man von Überdrucktrurbine oder Reaktionsturbine spricht. Der Druck am Eintritt der Wasserkraftanlage ist größer als am Austritt, da der Druckunterschied im Laufradbereich in Energie umgewandelt wir.
Bei Schachtturbinen gibt es die abgebildete Wandmontage im Knierohr, oder die stehende Ausführung, wo der Leitapparat an einem Bodendurchbruch dicht aufmontiert worden ist. Bei der stehenden Ausführung ragt die Welle senkrecht aus dem mit Wasser gefüllten Schacht, bei der liegenden Ausführung führt das Knierohr das Wasser durch den Bodendurchbruch ins Unterwasser ab, während die Welle seitlich durch eine Stopfbuchse aus der Wand geführt wird.
Spiralturbinen sind von einem Schneckenhaus förmigen Gussgehäuse umgeben, die das Wasser dem Laufrauf vollständig ringsum zuführt. Die meisten leistungsfähigen Francisturbinen sind als Spiralturbinen ausgeführt, so daß viele große Wasserkraftwerke mit Spiralturbinen ausgerüstet sind, bei einigen hat das Laufrad mehrere Meter Durchmesser und einen Durchsatz von einigen dutzend Kubikmetern die Sekunde.
Schachtturbinen sind meistens bei Anlagen mit weniger Fallhöhe und mittleren bis geringen Durchflussraten eingesetzt.
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| Francis Doppelspiralturbine Gusseiserne Spiralturbine der Rüsch Werke, Dornbirn für eine Wasser- Kraftwerksanlage. Der Läufer ist doppelt bestückt, so daß je ein Abfluss links und rechts des Spiralgehäuses bestehen. Beide Läufer sind auf einer Welle aufgebracht. |
Francis Spiralturbine in einem Kraftwerk Spiralturbinenanlage des historischen Kraftwerks Giesenbachklamm. Gut zu erkennen das Schneckenhausförmige Gehäuse und die Stellmechanik für die Leitschaufelverstellung. Der abfluss über das Knierohr ist nicht zu sehen. |
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| Francis Schachtturbeine Francis Turbine in Schachtbauweise, liegende Ausführung. Man erkennt gut den Kranz aus Leitschaufeln, das Knieförmige Ablaufrohr und den Wellendurchbruch zum Antrieb der Anlage. Oben ist die Verstellwelle zu erkennen, im Hintergrund Wassereinlass und Absperrschieber. |
Läufer einer Francisturbine Der defekte Läufer wurde aufgrund verbogener Schaufeln getauscht Gut ist aber die L-Form der Schaufeln, der radiale Wassereinlauf und der Abfluss unter der Achse zu erkennen. Die Turbine wurde stehend betrieben |
Die Henschel Turbine
Die Henschel Turbine wurde von den Carl Anton Henschel in der Maschinenfabrik Henschel&Sohn in Kassel im Jahr 1837 entwickelt, doch die Patentierung wurde ihm seitens des hessischen Staates verweigert, trotzdem lieferten die Henschel Werke einige dieser Turbinen aus.
Der französische Ingenieur Nicolas Jonval studierte diese Bauform, baute diese nach und bekam in Frankreich im Jahr 1843 ein Patent dafür. Da man allerdings um den Urheber weiß, benannt man heute diese Turbine als "Henschel-Jonval-Turbine". In anderen Ländern hat sich diese Bezeichnung nicht durchgesetzt, so daß hier die Erfindung Henschels nach dem Patentinhaber auch einfach als "Jonval-Turbine" bezeichnet wird.
| Die Henschel Turbine wurde eigentlich eher selten in Mühlen verbaut, trotzdem gibt es Hinweise, daß gerade in Hessen diese Turbine auch an Turbinen verbaut worden ist, später aber dann durch andere Turbinen ersetzt worden ist. Die Henschel Turbine wird über den Rohrdurchmesser im Durchsatz begrenzt, und das Rohr wird über Klappen oder einen Zulaufschieber beaufschlagt. So ist eine gewisse Mengenregelung und damit Drehzahlregleung möglich, doch ist dies eher grob. Gerade Francis Turbinen sind durch die Verstellbaren Leitschaufeln besser regelbar, so daß in Mühlen solche regelbaren Turbinen die eher ungeregelten Anlagen ablösten. Im Bild zu sehen die Henschel Turbine aus der Sammlung des Deutschen Museums, man erkennt die über Ketten bedienbaren Klappen zur Steuerung des Wasserzulaufes. Direkt unter diesen Klappen ist eine flache Scheibe eingebaut, die einen oder mehrere Kreise mit schräg gestellten Leitschaufeln enthält. Diese leiten das Wasser dann in die gekrümmten Laufschaufeln, die man auch im Bild erkennen kann. Der Zulauf kann, wie im Bild über einen Schacht erfolgen, oder aber auch durch ein Rohr, unterhalb der Turbine sitzt dann das Ständerlager, welche die Welle des Läufers trägt und darunter kommt dann das Ablaufrohr, welches bei späteren Ausführungen aus konisches Rohr, sogenanntes Saugrohr ausgebildet worden ist. Bei einigen Mühlen ragte der Rohrstutzen der Turbine nach oben aus der Montage, seitlich war in das Rohr dann der Zulauf eingelassen und über den Kanal floss so das Triebwasser direkt in die Röhre der Turbine. Oft saß direkt vor dieser Öffnung an dem Rohrstutzen dann auch der Zulaufschieber. Klassisch bei den alten Turbinen ist die Herstellung in Niettechnik. Viele Bauteile, wie die Röhren oder die Montage der Laufschaufeln auf die Träger erfolgt durch entsprechende Nieten, wobei die Platte mit den Leitschaufeln zumeist im Gußverfahren hergestellt wurde. Auch Abdeckung und ein Klappensystem wie im Bild wurden dann im Gußverfahren hergestellt. Wie im Bild zu erkennen, waren die Schächte meistens auch gemauert und nicht, wie bei neueren Turbinen aus Beton gefertigt. Die Henschel Turbine zählt damit zu den ältesten Wasserturbinen überhaupt. |
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Der häufigste Einsatz sind die Bereiche der Flusswasserkraftwerke. Da man Kaplan Turbinen auch in Rohre einbauen kann, werden diese Anlagen dann Rohrturbinen genannt. Bei Kaplan Turbinen gibt es doppelt geregelte Anlagen, die höchsten Wirkungsgrad aller Wasserkraftmaschinen haben. Dabei wird über einen Ring aus verstellbaren Leitschaufeln wie bei der Francisturbine der Durchfluss geregelt und verstellbare Propellerschaufeln des Läufers regulieren die Drehzahl und den endgültigen Durchsatz. Einfach geregelte Anlagen haben feststehende Propeller mit einem regelbaren Einlauf, andere haben einen direkten Einlauf, mit einem verstellbaren Propeller. Im Bild ist eine doppelt verstellbare Kaplanturbine zu sehen, der Einlauf ist in Betonbauweise ausgeführt, ein Ring aus Leitschaufeln führt das Wasser nun in die Röhre des Laufrades, welches einer Schiffsschraube ähnlich ist. Hier ist es eine Hohlwelle in deren Mitte der Verstellapparat der Laufschaufeln. Kaplanturbinen eigenen sich für viele Einsatzgebiete, sie sind jedoch auch die Umstrittensten Anlagen |
| Die Girard Turbine stammt aus Frankreich und wird oft mit der Schwamkrugturbine verwechselt. Doch wurde die Girardturbine erst nach der Schwamkrugturbine entwickelt und gebaut, sie war und ist auch weniger verbreitet.
Girard Turbinen gibt es mit riesigen Laufrädern. Das Laufrad ist ein Ring oder eine Scheibe. Der äussere Teil ist dabei mit gekrümmten Schaufeln versehen, die Wasser durch den Ring oder die Scheibe lassen. Ein bogenförmiger, mit Leitschaufeln versehener Einlauf liegt so dicht der Fläche an, so daß Strahlen von Wasser auf die Schaufeln treffen, dieses axial durchströmen und so in Drehung versetzen. Dabei gibt es Turbinen mit nur einem Einlaufbogen, andere Turbinen haben mehrere, ja sogar Anlagen mit einem ganzen Zulaufring. Die Anlagen sind sehr selten, waren aber als Gleichdruckturbinen sehr zuverlässig und von einem guten Wirkungsgrad, brauchten aber eine etwas größere Fallhöhe. In Frankreich gibt es Pumpwerke für die Trinkwasserversorgung, die Girard Turbinen einsetzen. Der Läufer hat dabei Durchmesser von über 3 Metern und dreht so langsam wie ein oberschlächtiges Wasserrad. Sehr imposante Anlagen klassischer Maschinenbaukunst, sehenswert. |
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Sie wurde zur Bewetterung von Bergwerksschächten erfunden. Dabei bediente man sich dem in Minen vorkommenden Wassern. Eine Zulaufröhre wurde axial von innen dem Laufrad zugeführt. Dieses besass aussen angeordnete gekrümmte Schaufeln. Das Wasser wurde über eine Düse von innen zugeführt, durchströmte die Schaufeln nach aussen und trat radial aus. Während die Girard Turbine in axialer Richtung durchströmt wird, wird die Schwamkrugturbine radial durchflossen. Die Turbine ähnelt daher einem Milton Rad, welches ein mittelschlächtiges Wasserrad war, wo das Wasser anstelle aussen, von innen zugeführt wurde. Auch die Schwamkrugturbine ist eine Gleichdruckturbine. Sie trieb in der Bewetterung Lüfterräder zur Belüftung der Minenschächte an, die direkt mit der Turbinenachse gekoppelt waren. Die Kompakte Bauform und die durch ein zentrales Regelventil war diese Anlage an vielen kleineren Wasserkraftstandorten sehr beliebt, bis diese durch andere Anlagen verdrängt wurde. Im Bild ist gut der Unterschied zur Girard Turbine zu erkennen: Das Wasser durchströmt die Schwamkrug Maschine radial, von innen nach aussen. Bei der Girard Turbine durchströmt das Wasser den Läufer axial. Schon deshalb kann man Schwamkrug Turbinen nicht mit Girard Turbinen verwechseln. Schwamkrug Turbinen sind inzwischen sehr, sehr selten geworden, da diese durch moderne Francis- oder Durchströmturbinenanlagen ersetzt worden sind. |
| Sie entwickelte sich aus den flachen Wasserrädern, sogenannten Watscheln oder Wascherln. Durch einen steilen Zulaufkanal wurde Wasser über einen Schlitz einem Tonnenförmigen Wasserrad zugeführt, welches mit einer Vielzahl Schaufelblechen besetzt war - der Strahl trieb in Stoßwirkung dieses Rad an.
Neben Ossberger entwickelte Banki und Mitchell den ähnlichen, fast baugleichen Typ. Das Laufrad ist walzenförmig und ringsum mit gekrümmten Schaufeln besetzt. Das Wasser wird über eine Rinne oder ein Rohr zugeführt und dann einer schlitzförmigen Düse zugeführt, welche die gesamte Breite des Laufrades mit einem dünnen, breiten Wasserstrahl beaufschlagt. Das Wasser trifft die gekrümmten Schaufeln. Durch die Strahlumkehr wird Kraft auf die Schaufeln übertragen und setzt den Läufer in Drehung, das Wasser gelangt so ins Innere des Läufers, wo es der Schwerkraft folgend nach unten umgelenkt wird und erneut auf die Schaufeln trifft. Dabei setzt es nochmals Energie frei, als so auch die Schaufeln freigespült werden, solle sich aussen etwas auf dem Läufer festgesetzt haben. Durchströmturbinen waren an vielen Wassermühlen sehr beliebt, wo man gerade oberschlächtige Wasserräder durch diese Turbinen ersetzt hat. Durchströmturbinen haben aber keinen Wirkungsgradvorteil gegenüber Wasserrädern, trotzdem wurden und werde diese gern als Allheilmittel verkauft. |
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| Läufer einer Ossberger Turbine Das Wasser wird über ein Rohr der Anlage zugeführt, sammelt sich im Endstück, welches ein wenig vergrößert ist und unten einen breiten Flansch besitzt, an dem die Breitstrahldüse mit Schlitzklappen montiert ist. Der Abfluss erfolgt frei in einen Betonschacht. |
Ossberger Turbinenanlage Gut zu erkennen das Vergrößerte Rohrende mit dem darunter befindlichen Flansch. Daran schließt sich nun in Orange die Turbine an, vorn das rundliche Spritzschutzblech Die Gewichte sind die Gegengewichte der Klappenregulierung, über welche die Turbine geregelt wir. |
Die letzte Aussage läßt klar werden, daß es es bei Wasserkraftmaschinen um Wirkungsgrad geht. Sprich wieviel der reinen Wasserkraft wird in Energie umgesetzt. Dabei muss man zwischen Wellenenergie und elektrischer Energie unterscheiden. Denn was am Generatorausgang ankommt, ist nicht der Wirkungsgrad der Wasserkraftmaschine, sondern der Wirkungsgrad der gesamten Anlage. Zwar kann man bei großen Turbinen den Generator direkt an die Wasserkraftmaschine anschließen und so den Wirkungsgrad in die Höhe treiben, bei vielen kleinen Anlagen hingegen ist ein Getriebe nötig.
Genau dieses Getriebe macht Wasserräder oft recht ineffektiv, weil hier große Drehmomente mit geringer Drehzahlen an der Wasserradwelle vorliegen, während Turbinen mit geringeren Drehmomenten, aber höheren Drehzahlen arbeiten.
Andererseits laufen die meisten Turbinen mit sehr geringen Spaltmaßen, so daß nur wenig Wasser an den Schaufeln der Läufer vorbei fließt, ohne Arbeit zu verrichten. Dies ist ein großer Unterschied zu vielen Wasserrädern, wo größere Wassermengen ohne Arbeit zu verrichten an den Schaufeln vorbei strömen. Diese Verluste nennt man Schlupf und er ist bei gerade den unterschlächtigen Rädern bedeutend.
Zudem kann man bei den meisten Turbinen die Fallhöhe 100%ig ausnutzen, bei den meisten Wasserrädern gibt es hier Fallhöhenverluste. Das oberschlächtige Rad hat einen Abstand zum Einlauf und muss frei über dem Unterwasser hängen, so daß zum Oberwasserspiegel und zum Unterwasserspiegel ungenutzte Abstände bleiben, die schlicht Verlust sind. Auch unterschlächtige Räder müssen einen geringen Abstand zum Unterwasser haben, damit das Wasser frei vom Rad weg abfließen kann, auch dies ist ein Verlust.
Der größte Nachteil der Wasserräder aber ist deren Größe. Man bedenke, daß ein oberschlächtiges Wasserrad für 800 Liter die Sekunde bei 5 Meter Fallhöhe einen Durchmesser von über 4,5 Meter hat und eine Breite von 4 Metern. Eine Wasserturbine für diese Wassermenge und dieses Gefälle passt in eine 1,5 mal 1,5 Meter messende Öffnung!
Dies dürfte der Hauptgrund sein, warum viele Wasserkraftanlagen von Wasserrad auf Turbine umgestellt wurden. Denn oft konnte man so zwei große Räder durch zwei kleinere Turbinen ablösen, bekam man zudem mehr Wasser, wäre ein größeres Rad platztechnisch nicht möglich gewesen, eine größere Turbine war meist ein leichtes.
Allerdings - und das schreibt auch Wilhelm Müller in seinem Werk (vgl. "Die Wasserräder" - Moritz Schäfer Verlag, 1938) auf Seite 1 - ist der Umbau oft mit erheblichen Nebenwirkungen verbunden.
Müller schreibt: "Seitdem sich der Turbinenbau auch auf die Ausnutzung kleiner Wasserkräfte - entweder mit Niedergefälle oder mit Fallhöhen bis etwas 10 Meter , letztere mit schwachem, stark schwankenden Wasserzufluss - ausdehnte, hat die Erfahrung gezeigt, daß die Nutzwirkung dieser Kraftmaschinen nicht mehr diejenige Höhe ergab, die man unter anderen günstigen Betriebsverhältnissen zu erreichen gewohnt war."
In vielen Fällen sind daher bei kleinen Anlagen die Turbinen mit Hilfsmaschinen versehen worden, die bei entsprechenden mangelhaften Bedingungen dann mit Hilfsenergie eingesprungen sind. So ist dies auch heute noch. Nur heute fällt es nicht mehr so auf.
Früher wurden die Anlagen direkt vom Wasserrad betrieben, und das Rad trieb die Anlagen direkt an. Heute treibt die Turbine meist einen Generator an und die Anlagen werden per Einzelelektroantrieb indirekt angetrieben. So fallen Leistungsverluste der Wasserkraftanlage nicht mehr ins Gewicht, da dann die Anlagen immer noch über den öffentlichen Strombezug lauffähig sind. Wie gut daher die Wasserkraftanlage war, sieht man dann meistens nur an den Verbrauchsdaten, die zusätzlich der Eigenerzeugung aus dem öffentlichen Netz bezogen werden mussten.
Andere Anlagen fallen gar nicht mehr ins Gewicht, weil hier schwankende Leistungsdaten sich nur als geringere Netzeinspeiseleistung zeigen, trotzdem die Anlage aber läuft. Es gibt zudem keinerlei Vergleiche mehr.
Auch haben sich die Turbinen fertigungstechnisch kontinuierlich weiter entwickelt, bei den Wasserrädern greift man auf alte Traditionen zurück, so daß hier der Technologievorsprung der Turbine sich ebenfalls zu Buche schlägt, sich leider nicht auf die Wasserräder überträgt - obwohl man diese neuen Technologien übertragen müsste.
Trotzdem: Oft überschätzt man die Leistungsfähigkeit der Anlagen. Gern werden Turbinen mit einem Wirkungsgrad von über 95% verkauft, hingegen erreichen die meisten Turbinen diese hohen Wirkungsgrade nur unter optimalsten Bedienungen. Selbst dann zeigen sich oft Verluste, die vorher nicht einberechnet wurden, so daß viele Anlagen unter 90% Wirkungsgrad angesiedelt sind, ja einige Anlagen selbst unter optimalen Beimengen aufgrund Spaltverluste, Strömungsverlusten und so weiter dann auch nur Wirkungsgrade von rund 80% erreichen.
Baut man heute ein modernes Zuppinger Wasserrad mit computer berechneten Schaufeln und läßt es in einem Stahl- oder Betongerinne mit geringsten Spaltmaßen drehen, so erreicht es ebenfalls Wirkungsgrade jenseits der 85%. Moderne computer erstellte mittelschlächtige Wasserräder haben in Versuchen Wirkungsgrad von über 88% erreicht und spielen daher in der gleichen Liga wie viele Turbinen.
Die Unterschiede sind daher letztendlich oft nur der große Raumbedarf, doch bei vielen Anlagen war der Raumbedarf gar nicht maßgeblich oder wichtig. Auch wurden mit dem Einbau der Turbinen auch größere Wassermengen beantragt, so daß etwaige Leistungsverluste kaum aufgefallen waren.
Viele Umbauten passierten daher oft aufgrund falscher Versprechungen. Gerade bei schwankenden Wassermengen schwächeln viele Turbinen erheblich und verlieren stark an Wirkungsgrad, bei Wasserrädern viel diese Problematik weniger ins Gewicht.
Viele Anlagen, darunter eine von mir besuchte Mehrfach-Mühle im Odenwald, leiden zudem unter anderen Problemen.
Da keine großen Turbinen oft verbaut worden sind, litten die kleinen Anlagen oft auch unter Schwemm- und Schwebestoffen im Wasser. In der besagten Mühle wurden zwei oberschlächtige Räder durch eine kleine Turbinen mit Druck und Saugrohr ersetzt. Der Zulauf hat aber nur ca. 500 Liter pro Sekunde, was ein kleines Gewässer ist, welches gerade im Herbst durch größere Mengen Falllaub auffällig wird, aber auch Sand und kleinere Steine sind zu bemerken. Dies gestaltete sich bei den oberschlächtigen Rädern als unproblematisch, bei der neuen Lösung mit der kleinen Turbine verstopfen die Blätter rasch den Rechen und die Turbine verliert an Leistung - und muss vom Netz getrennt werden. Auch ist es mehrfach vorgekommen, daß Reste den Rechen durchdringen konnten und sich dann im Läufer verkeilt haben, was dazu führte, daß der Läufer gereinigt werden musste, wobei dann hier Schäden durch Steine und Sand auffällig geworden sind.
So ist man an diesem Standort sehr unzufrieden mit dem Umbau und damit, daß man sich hat überreden lassen. Hier fallen die Verluste auf, denn die Anlage hat sich nicht amortisiert. Sprich die Investition konnten nicht durch die Arbeit der Turbine zurück gewonnen werden - heute steht der Standort, dem Verfall preis gegeben. So ist sicher, daß moderne Wasserradlösungen an einigen Standorten viel sinnvoller und praktischer sind, als die Turbinenlösung, vor allem dort, wo der Raumbedarf keine Rolle spielt.
So stellt sich abschließend heraus, daß es keine Eine-für-Alles-Lösung gibt. Jeder Wasserkraftanlage muss daher einzeln beleuchtet werden und eine generelle Empfehlung, weg vom Wasserrad, hin zur Turbine gibt es bestimmt nicht. Oft kann es sogar sinnvoll sein, ein Wasserrad zu erhalten und zu modernisieren, anstelle eine teure Turbinenlösungen anzustreben, mit der Hoffnung, daß man damit in jedem Fall Gewinne einfährt.
Problematisch beim Wasserrad bleibt die Baugröße und das Getriebe. Denn dieses muss das Drehmoment abfangen und in Drehzahl umwandeln. Viele Getriebe fangen Drehzahl ab und wandeln es in Drehmoment, so daß die Drehzahl am Eingang höher ist als am Ausgang, dafür steigt die Kraft auf dem Weg an. Beim Wasserrad ist die Eingangsdrehzahl sehr gering, dafür das Kraftmoment sehr hoch. Dabei fällt dieses Kraftmoment auf dem Weg zum Getriebeausgang, wobei die Drehzahl steigt. Doch hier gibt es nur wenige Getriebe, die mit solch hohen Drehmomenten und geringen Drehzahlen umgehen können, was Wasserradlösungen heute ebenso teuer macht, dafür sind Wasserräder mit schwankenden Wassermengen eher zufriedenstellend zu betreiben, als Turbinen.
Es ist also oft passiert, daß man Wasserräder zu Turbinen umgebaut hat, und nüchtern betrachtet der Umbau sinnfrei war. Das Wasserrad wäre ebenso leistungsfähig und zuverlässig gewesen, wenn nicht vielleicht sogar aufgrund der Betriebsumstände sogar zuverlässiger.
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Vor zur Hammermühle
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