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Francis-Turbine: Bei der Francis-Turbine wird das Wasser durch ein feststehendes \"Leitrad\" mit verstellbaren
Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. Da das Wasser vor dem Eintritt in die
Turbine unter höherem Druck steht als nach dem Austritt spricht man auch von einer Überdruckturbine.
Pelton- oder Freistrahlturbine: Bei der Pelton- oder Freistrahlturbine wird ausschließlich die Bewegungsenergie des
Wassers genutzt, das aus einer oder mehreren Düsen auf die becherförmigen Schaufeln des Laufrads trifft. Da das
Antriebswasser nach dem Austritt aus der Düse auf Umgebungsdruck entspannt wird, spricht man auch von einer
Gleichdruck-Turbine. Die Pelton-Turbine wird in Wasserkraftwerken mit sehr hohen Fallhöhen (bis 1800m) bei
vergleichsweise geringen Wassermengen eingesetzt. Sie ist typisch für Speicherwasser-Kraftwerke im Hochgebirge.
Ein Nachteil von Fourneyrons Reaktions-Turbine war, daß sich beim Übergang des Wassers aus dem innen
angebrachten Leitwerk in den Schaufeln des Laufrads Turbulenzen ergaben, die bremsende Wirkung hatten. 1837
kam der Deutsche Karl Anton Henschel auf die Idee, dies zu vermeiden, indem er die Leitschaufeln oberhalb des
Laufrads statt in dessen Zentrum anordnete. Weitere Verbesserungen ersannen der Amerikaner Samuel B. Howd, der
1838 das Laufrad ins Innere des Leitwerks verlegte, sowie der Engländer James Thomson, der verstellbare
Leitschaufeln und gekrümmte Laufradschaufeln einführte. 1849 konstruierte der anglo-amerikansiche Ingenieur
James B. Francis auf diesen physikalischen Grundlagen eine auch technisch verbesserte Turbine, die einen
Wirkungsgrad von rund 90 % erreichte. Von ihm hat die Francis-Turbis ihren Namen, die heute die verbreitetste und
am universellsten verwendbare Turbinenart ist. Die größten Francis-Laufräder erreichen ein Gußgewicht von ca. 150
t und eine Leistung von über 700MW. Die Francis-Turbine kann auch als Pumpe arbeiten. Dies macht man sich in
den Pumpspeicher-Kraftwerke zunutze, wo eine Francis-Turbine und der Generator häufig zu sog. Pumpturbine
vereinigt sind, die sich wahlweise auf (stromverbrauchenden) Pumpbetrieb oder (stromerzeugend) Generatorbetrieb
umstellen läßt.
Kaplan-Turbine: Für geringe Wasserdrücke bei großen Durchflüssen wurde aus der Francis-Turbine die Kaplan-
Turbine entwickelt. Bei ihr lassen sich sowohl die Schaufeln des Laufrads wie auch die des Leitwerks verstellen. Das
Laufrad gleicht einem Schiffspropeller. Weiterentwicklungen sind die Rohr-Turbine für besonders geringe Fallhöhen
und die Straflo-Turbine, bei der der Generator und Turbine eine Einheit bilden. Speziell für geringe Wasserdrücke
entwickelte zu Beginn der zwanziger Jahre der österreichische Ingenieur Viktor Kapla die nach ihm benannte
Kaplan-Turbine. Ihr Laufrad gleicht einem Schiffspropeller, durch dessen verstellbare Schaufeln die Wassermassen
strömen und - umgekehrt wie beim Schiffsantrieb - den Propeller antreiben. Das Leitwerk der Kaplan-Turbine lenkt
die einströmende Wassermassen so, daß sie parallel zur Welle der Turbine auf die drei bis sechs Schaufeln des
Laufrads treffen. Sowohl die Laufradschaufeln als auch das Leitwerk sind verstellbar. Dies ermöglicht das Anpassen
an Schwankungen der Wasserführungen und des Gefälles. Große Kaplan-Turbinen werden vor allem vertikal
eingebaut, so daß das Wasser von oben nach unten durchströmt. Die äußerst schnellaufende Turbine weist in einem
weiten Belastungsbereich einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 % auf.
Rohr-Turbinen: Für niedrige Fallhöhen wurde aus der Kaplan-Turbine die Rohrturbine entwickelt, die in Laufwasser-
Kraftwerken Leistungen bis 75MW erzielt. Die Rohrturbine werden horizontal, in der Richtung des strömenden
Wasser, eingebaut, so daß Umlenkverluste weitgehend vermieden werden. Der Generator befindet sich in
Verlängerung der Turbinenwelle in einem vom Wasser umströmten, wasserdichten Gehäuse. Rohrturbinen sind
platzsparend und ermöglichen deshalb hervorragend die landschaftliche Einpassung von Wasserkraftwerken.
Die Leistung einer Turbine errechnet sich aus dem Produkt der Erdbeschleunigung (9,81 m/sec²) mit der Fallhöhe des
Wassers (in m), dem Durchfluß durch die Turbine (in m³/sec) und dem Wirkungsgrad. Um einen optimalen
Wirkungsgrad zu erzielen, muß man die Turbine den unterschiedlichen Fallhöhen und Wasserdurchflußmengen
angepaßt sein. Die größte Verbreitung hat die Francis-Turbine, deren Einsatzbereit sich nach oben mit dem der
Pelton-Turbine und nach unten mit der Kaplan-Turbine überschneidet. Welche Turbine im konkreten Fall gewählt
wird, hängt nicht nur von der nutzbaren Fallhöhe des Wassers ab, sondern auch vom Wasserdurchfluß und anderen
Faktoren.
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