Kaplan-Turbine

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Laufrad einer Kaplan-Turbine im Walchenseekraftwerk. Deutlich erkennbar ist die Verstellmöglichkeit der einzelnen Schaufeln des Laufrads.[Anm. 1]

Die Kaplan-Turbine ist eine axial angeströmte Wasserturbine mit verstellbarem Laufrad und wird in Wasserkraftwerken verwendet. Sie wurde vom österreichischen Ingenieur Viktor Kaplan im Jahre 1913 aus der Francis-Turbine weiterentwickelt und patentiert.[1] Die bei diesem Turbinentyp besonders leicht auftretende Kavitation führte bei den Entwicklungsarbeiten immer wieder zu Rückschlägen. Die ersten Kaplan-Turbinen konnten erst in einen erfolgreichen Dauerbetrieb gehen, als man es verstand, dieses Phänomen durch konstruktive Maßnahmen an der Turbine in den Griff zu bekommen.

Funktionsprinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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. Vor dem Laufrad befindet sich das Leitwerk, auch als Leitschaufeln bezeichnet. Es sogt dafür, dass das Wasser optimal auf die Schaufeln der Turbine trifft und dabei die Energie überträgt. Durch die verstellbaren Leit- und Laufradschaufeln kann die Kaplan-Turbine reguliert werden. Dadurch kann sie besser auf die jeweilige Wassermenge und Fallhöhe eingestellt werden.[2] Der erreichte Wirkungsgrad liegt im Bereich von 80−95 %. 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. 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.

Bauarten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vertikale Kaplan-Turbine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schematische Darstellung einer vertikalen Kaplan-Turbine

Der Einbau von Kaplan-Turbinen erfolgt meistens vertikal, so dass das Wasser von oben nach unten durchströmt. Bei relativ großen Fallhöhen kommt vor der Turbine eine Spirale zu Einsatz, die Wasser in einen Drall versetzt. Bei geringeren Fallhöhen genügt ein Einlaufschacht bzw. eine vereinfachte Halbspirale. 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.

Rohrturbinen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aus der Kaplan-Turbine wurde die Kaplan-Rohrturbine für niedrige Fallhöhen bis maximal 25 m und eine Leistung bis zu 75 MW entwickelt, deren Welle mit Laufrad horizontal in Richtung des strömenden Wassers eingebaut wird. Dadurch werden Umlenkverluste vermieden und somit eine größere Schluckfähigkeit und ein höherer Volllastwirkungsgrad erreicht.

Klassische Rohrturbine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Modell einer Kaplan-Rohrturbine im Kraftwerk Ybbs-Persenbeug;
1 Laufradflügel, 2 Leitschaufel, 3 Leitradregulierung, 4 Stützschaufel, 5 Turbinenwelle, 6 Generator, 7 Einstiegsschacht

Der Generator befindet sich in einem wasserdichten Gehäuse am verlängerten Ende der Turbinenwelle. Durch die horizontale Anordnung ist ein geringerer Platzbedarf und damit eine geringere Bauhöhe des Maschinenhauses möglich, wodurch das Landschaftsbild weniger beeinträchtigt wird.

S-Turbine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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Modell der S-Turbine im Wasserwerk am Hochablass. Den Zulauf der Turbine bildet der trichterförmige Einlass mit dem kegelförmigen Leitwerk. Der Mechanismus zur Verstellung der Leitschaufeln ist Gelb gekennzeichnet. Das Laufrad hat verstellbare Flügel.

Eine der Sonderformen der Kaplan-Rohrturbine ist die S-Turbine (für Fallhöhen bis 15 m). Das Saugrohr ist s-förmig gebogen um die Turbinenwelle herausführen zu können. Der Generator wird außerhalb der Turbine installiert und ist deshalb für regelmäßige Kontrollen und Wartungsarbeiten leichter zugänglich. Die Bauhöhe kann dadurch noch weiter verringert werden. Dies macht auch den Einbau der Turbinen in kleine Wasserkraftwerke, beispielsweise über einen schmalen Fluss oder einen Kanal, mit Fallhöhen bis maximal 5 m oder leichte Aufstauung durch ein Wehr möglich. S-Turbinen werden in Kraftwerken bis zu einer Leistung von 15 MW eingesetzt.

Siehe auch Typen von Wasserkraftwerken.

Getriebe-Rohrturbine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine weitere Sonderformen ist die Getriebe-Rohrturbine (für Fallhöhen bis 12 m). Sie ähnelt der S-Turbine stark, jedoch unterscheidet sie sich durch zwei wesentliche Merkmale. Das Saugrohr ist gerade und die Turbinenwelle ist über ein Getriebe, statt direkt, mit dem Generator verbunden. Dies kann horizontal oder vertikal erfolgen, wodurch die Bauform noch kompakter gegenüber den S-Turbinen ausfällt. Durch eine geeignete Über- oder Untersetzung lässt sich die Turbinendrehzahl optimal an den Generator anpassen. Getriebe-Rohrturbinen werden in Kraftwerken mit einer Leistung bis 4 MW eingesetzt.

Straflo-Turbine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Weiterentwicklung der Kaplan-Rohrturbinen sind die sogenannten Straflo-Turbinen (von engl. straight flow, geradeaus fließen). Bei diesem Turbinentyp bilden der Rotor der Turbine und der Rotor des Generators eine Einheit, die in einer gemeinsamen Ebene liegen. Somit besitzt die Straflo-Turbine keine eigene Welle, stattdessen tragen die Turbinenschaufeln einen umlaufenden Ring, in dem die Erregerwicklung integriert ist. In das Gehäuse der Turbine ist dagegen die Statorwicklung eingebaut; sie liegt im Wasser, das die Turbine antreibt. Die Lagerung der Turbinenachse erfolgt einseitig in einem abgedichteten Gehäuse.

VLH-Turbine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mehrere nebeneinander installierte VLH-Turbinen in der nähe von Grenoble.

Die VLH-Turbine (von engl. Very-Low-Head) ist eine Neuentwicklung aus dem Jahr 2003,[3] die speziell für niedrige Fallhöhen optimiert ist. Sie verwendet große Laufraddurchmesser wodurch sich kleine Drehzahlen und damit eine relative Fischfreundlichkeit ergeben. Der Generator ist zentral im inneren des Laufrads installiert. Der Hersteller gibt Fallhöhen von 1,5 bis 4,5 m bei 10 bis 27 m³/s Durchfluss an. [4] Derzeit existieren (Stand 2013) etwa 40 Anlagen.[5]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Christian Böhm: Numerische Simulation des Fischdurchgangs durch Wasserturbinen, München 2004, DNB 974170887, (Dissertation Technische Universität München 2004, 157 Seiten, Volltext online PDF, 157 Seiten, 40,7 MB, Zusammenfassung).
  • Martin Gschwandtner[6]: Gold aus den Gewässern: Viktor Kaplans Weg zur schnellsten Wasserturbine, e-Book, Grin, München 2007, ISBN 978-3-638-71574-4 (Philosophische Dissertation Universität Salzburg 2006, 384 Seiten, unter dem Titel: Aurum ex aquis. Viktor Kaplan und die Entwicklung zur schnellen Wasserturbine).[7]
  • Martin Gschwandtner: Energie aus den Gewässern. Viktor Kaplans schnellste Erntemaschine. 4. Auflage, Disserta, Hamburg 2015, ISBN 978-3-95425-940-3[8].
  • Karl Meise, Grete Meise: Die Turbine: das Abenteuer einer Erfindung, Leben und Werk Viktor Kaplans, Styria, Graz 1965, OCLC 73543599.
  • Josef Nagler: Entstehung und Werdegang der Kaplanturbine bei der Firma Storek, in: Blätter für Technikgeschichte Volume 15, 1953, S. 89–102, ISSN 0067-9127. [9]
  • Gerlind Weber, Gunten Weber: Viktor Kaplan: 1876-1934, Technické muzeum v Brně / Technisches Museum, Brünn 2003, ISBN 978-80-8641-311-2 (deutsch und tschechisch, překlad / Übersetzung ins Tschechisch von Jaromír Hladík).
  • Gerlind Weber, Gunter Weber: Viktor Kaplan - Höhen und Tiefen eines Erfinderlebens, in: Wasserwirtschaft , Vol. 104, Nr. 6, 24. Juni 2014, Seiten 10-22, Springer, Berlin 2014, ISSN 0043-0978.
  • Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi: Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb. 6. Auflage. Springer Vieweg, ISBN 978-3-642-53870-4, 15.1, S. 591–600.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Kaplan-Turbine – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Anmerkungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Im Walchenseekraftwerk sind keine Kaplanturbinen im Einsatz. Das Schaufelrad dient dort nur der Demonstration.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Patent DE293591: Kreiselmaschine (Wasser-, Dampf- oder Gasturbine bzw. Kreiselpumpe oder Gebläse). Veröffentlicht am 23. Juli 1913, Erfinder: Victor Kaplan.
  2. Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi: Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb. 6. Auflage. Springer Vieweg, ISBN 978-3-642-53870-4, 14.4.1.1, S. 570.
  3. Patent FR2862723: Turbine for hydro-electric power station, has case traversed by opening having cylindrical portion, and wheel having blades arranged at level of portion, where rotating speed of wheel is less than specific turns per minute. Angemeldet am 3. November 2003, veröffentlicht am 27. Mai 2005, Anmelder: Jacques Fonkenel, Erfinder: Jacques Fonkenel.
  4. Webseite des VLH-Turbinen-Herstellers. Abgerufen am 4. Dezember 2016.
  5. Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi: Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb. 6. Auflage. Springer Vieweg, ISBN 978-3-642-53870-4, 15.5.4.3, S. 638.
  6. Martin Gschwandter bei Salzburgwiki
  7. Inhaltsverzeichnis und Leseprobe beim Grin Verlag
  8. (1. Lizenzausgabe nach drei Ausgaben beim GRIN Verlag, München, 388 Seiten)
  9. Josef Nagler: Entstehung und Werdegang der Kaplanturbine bei der Firma Storek. In: Blätter für Technikgeschichte (= Blätter für Technikgeschichte). Nr. 15. Springer Vienna, 1953, ISBN 978-3-211-80298-4, S. 89–102, doi:10.1007/978-3-7091-2291-4_6 (springer.com [abgerufen am 8. Dezember 2016]).