Kaplan-Turbine

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

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]

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.

Weiterentwicklungen[Bearbeiten]

Kaplan-Rohrturbine[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. 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.

Sonderformen der Kaplan-Rohrturbine sind die S-Turbine (für Fallhöhen bis 15 m) und die Getriebe-Rohrturbine (für Fallhöhen bis 12 m). Bei der S-Turbine ist das Saugrohr s-förmig gebogen und die Turbinenwelle wird aus dem Turbinengehäuse geführt. Der Generator wird dadurch 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. Siehe auch Typen von Wasserkraftwerken. S-Turbinen werden in Kraftwerken bis zu einer Leistung von 15 MW eingesetzt. Die Getriebe-Rohrturbine 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.

S-Turbinen werden beispielsweise im Historischen Wasserwerk am Hochablass, Augsburg zur Stromerzeugung genutzt. Mit dem erzeugten Strom werden die Pumpen zur Wasserversorgung betrieben und der Eigenbedarf des Wasserwerks gedeckt. Der „überschüssige Strom“ wird ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Deutlich zu erkennen ist das Laufrad mit seinen verstellbaren Flügeln, der Mechanismus (Farbe Gelb) zur Verstellung der Leitschaufeln und das s-förmige Saugrohr. Den Zulauf der Turbine bildet der trichterförmige Einlass mit dem kegelförmigen Leitwerk. Die transparenten Plexiglaswände stehen für festes Mauerwerk.

Straflo-Turbine[Bearbeiten]

Einbau einer Turbinenpanzerung für eine Straflo-Turbine im Kraftwerk Albbruck-Dogern, Mai 2008

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, welches die Turbine antreibt. Die Lagerung der Turbinenachse erfolgt einseitig in einem abgedichteten Gehäuse.

Literatur[Bearbeiten]

  • Josef Nagler: Entstehung und Werdegang der Kaplanturbine bei der Firma Storek, in: Blätter für Technikgeschichte Volume 15, 1953, pp 89-102. [2]
  • Gschwandtner, Martin: Aurum EX AQUIS. Viktor Kaplan und die Entwicklung zur schnellen Wasserturbine. Phil. Diss. Salzburg 2006. (2 Bände, 650 Seiten).
  • Gschwandtner, Martin: Energie aus den Gewässern. Viktor Kaplans schnellste Erntemaschine. Disserta -Verlag Hamburg, 4. Auflage 2015, ISBN 978-3-95425-940-3, (1. Lizenzausgabe nach drei Ausgaben beim GRIN-Verlag, München).

Weblinks[Bearbeiten]

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

Anmerkungen[Bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Patent DE293591: Kreiselmaschine (Wasser-, Dampf- oder Gasturbine bzw. Kreiselpumpe oder Gebläse). Veröffentlicht am 23. Juli 1913, Erfinder: Victor Kaplan.
  2. Zusammenfassung