Die Diagonalturbine in der Kleinwasserkraft

Turbinen für Wasserkraftwerke werden immer an die hydraulischen Gegebenheiten am Standort angepasst. Sehr wichtige Kriterien für die Auswahl der passenden Turbinentype sind Durchfluss und die Fallhöhe, d. h. der Höhenunterschied zwischen dem Entnahmepunkt des Triebwassers und dem Rückgabepunkt sowie die zur Verfügung stehende Wassermenge, die entsprechend dem Wasserrecht für den Betrieb der Turbine verwendet werden darf.

Pelton-Turbinen sind „Hochdruckturbinen“. Sie werden primär an Standorten mit großen Fallhöhen und kleinen Wassermengen eingesetzt. Kaplan-Turbinen sind für ideal für niedere Fallhöhen und große Wassermengen geeignet. Die Francis-Turbine rangiert im mittleren Fallhöhenbereich zwischen 5 bis maximal 300 m Fallhöhe.

Die verschiedenen Turbinentypen haben aber noch weitere unterschiedliche Eigenschaften, die bei der Auswahl der geeigneten Turbinentype berücksichtigt werden sollten. So kann beispielsweise bei einer Pelton-Turbine (Freistrahlturbine) die Fallhöhe unterhalb des Laufrades nicht mehr energetisch genutzt werden. Bei den meisten anderen Turbinentypen ist dies in einem gewissen Ausmaß jedoch möglich. Man spricht hier vom „Sauggefälle“. Bei der Turbinenauswahl gibt es aber noch mehrere Punkte zu berücksichtigen, damit das Maximum an Jahresproduktion (kWh) erwirtschaftet werden kann. Hierfür betrachtet man die Jahresganglinie. Darunter versteht man die Beobachtung, an wie vielen Tagen im Jahr welche Wassermenge zur Verfügung steht. Dies ist ein wichtiges Auslegungskriterium, da manche Turbinentypen ein schlechtes Teillastverhalten haben. Wenn an sehr vielen Tagen im Jahr im Vergleich zur maximalen Ausbauwassermenge nur eine geringe Wassermenge zur Verfügung steht bedarf es besonderer Maßnahmen, um das vorhandene Energiedargebot in Form des Triebwassers möglichst effizient in elektrische Energie umzuwandeln.

In solchen Fällen werden beispielsweise Pelton-Turbinen mehrdüsig ausgeführt. Bis zu drei Düsen können bei horizontaler Turbinenwelle realisiert werden. Falls mehr Düsen erforderlich sind, wird die Turbinenwelle vertikal angeordnet.

Francis-Turbinen haben bauartbedingt den Nachteil, dass im Teillastbereich der Wirkungsgrad sehr stark einbricht. Aus diesem Grund werden bei Francis-Turbinen sehr oft Mehrmaschinen-Lösungen umgesetzt. Hierbei sind dann zwei oder mehrere Turbinen an einer gemeinsamen Druckrohrleitung installiert. Häufig wird das vorhandene Wasserdargebot auch unsymmetrisch auf die Turbinensätze verteilt – beispielsweise im Verhältnis 1/3 zu 2/3. Der Vorteil dieser Aufteilung besteht darin, dass das vorhandene Triebwasser im Teillastbereich noch idealer abgearbeitet werden kann als bei einer symmetrischen Aufteilung der Wassermenge (50 : 50%) – der Nachteil: noch höhere Kosten, da Planung und Konstruktion doppelt ausgeführt werden müssen und es keine Synergieeffekte bei der Fertigung und auch Lagerhaltung der Ersatzteile gibt.

Welches Konzept der Tiroler Turbinenbauer Geppert aus Hall in Tirol mit der Diagonalturbine verfolgt ist in der Ausgabe 4 des Magazins „Wasserkraft & Energie“ nachzulesen.

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