2. überarbeitete Auflage 2016:
In dieser Abhandlung wird der Weg von den Wasserrädern bis zu den modernen Turbinen nachgezeichnet, wobei nicht nur auf die Sonderbauformen der Hauptturbinenarten eingegangen wird, sondern auch auf die beeindruckende Zahl von Neuentwicklungen, die insbesondere für Kleinkraftwerke in den letzten Jahren entstanden sind.
Von der Antike über das Mittelalter bis in die frühe Neuzeit waren die Wasserräder die Hauptlieferanten mechanischer Energie zum Antrieb von Mühlen, Förderanlagen, Hämmern, Pumpen und vielen anderen Einrichtungen. Im 18. Jahrhundert befassten sich noch viele Techniker mit der Verbesserung von Wasserrädern. Diese konnten jedoch den steigenden Anforderungen nicht mehr genügen: Ihre Leistungen und Drehzahlen waren zu gering. Daher stieg der Druck auf die Techniker, leistungsstärkere Maschinen zur Ausnutzung von Wasserkräften zu entwickeln.
Der Begriff Turbine (vom lat. Wort „turbo“ für „Kreisel“ abgeleitet) geht auf den Franzosen Claude Burdin zurück, der ihn 1822 erstmals verwendete. In Frankreich wurde damals ein Preis für die Entwicklung leistungsfähiger „Turbinen“ ausgesetzt. Ein Schüler von Burdin, Benolt Fourneyron (1802-1867) holte sich diesen Preis.
Er baute um das Jahr 1835 in St. Blasien im Schwarzwald eine Turbine von 30 KW Leistung bei einer Höhendifferenz von 108 Metern ein. St. Blasien wurde ein „Wallfahrtsort“ der Techniker und Fourneyron ein berühmter Mann.
Viele Techniker befassten sich seither mit der möglichst effizienten Nutzung der Wasserkraft und zahlreiche Erfindungen waren das Ergebnis ihrer Bemühungen. Die Krönung erfuhr die Entwicklungsreihe durch die Erfindungen der Francisturbine und der Peltonturbine im 19. Jahrhundert und der Kaplanturbine im 20. Jahrhundert. Diese drei Turbinenarten decken erfolgreich bis zum heutigen Tage den Hauptanteil der Wasserkraftnutzung ab.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Die Wasserkraftnutzung bis zur Kaplanturbine
2.1 Wasser und Mythologie
2.2 Vom Wasserrad zu den ersten Turbinen
2.3 Die „Geburt“ der ersten Wasserturbine
2.4 James Francis (1815-1892)
2.5 Lester Pelton (1829-1908)
2.6 Die ersten Turbinen mit drehbaren Laufschaufeln
2.7 Pioniere der Wasserkrafttechnik
2.8 Exkurs: Der Traum eines Wiener Hauslehrers
3. Viktor Kaplan
3.1 Tabellarische Übersicht über seinen Lebenslauf
3.2 Vorfahren
3.3 Ergänzung zum tabellarischen Lebenslauf
3.4 Stand der Wasserkraft-Technik am Beginn des 20.Jahrunderts und der Weg zur Kaplanturbine
3.5 Exkurs: Die spezifische Drehzahl
3.6 Die erste Kaplanturbine im praktischen Einsatz
3.7 Patentstreitigkeiten, Kavitation und endgültiger Durchbruch
3.8 Erinnerungsorte
3.8.1 Das Kaplandenkmal in Velm, Niederösterreich
3.8.2 Der „blaue Tausender“
3.8.3 Das Kaplan-Mausoleum in Unterach, Oberöstereich
3.8.4 Der Kaplan-Themenweg in Unterach
4. Historische Kraftwerke
4.1 Das erste Unterwasserkraftwerk, USA 1907
4.2 Das erste Unterwasserkraftwerk in Deutschland 1936
5. Neuere Bauarten von Flusskraftwerken
6. Sonderformen von Kaplan- und Propellerturbinen
6.1 Die Deriazturbine (Diagonalturbine)
6.2 Kaplanturbine, System Reiffenstein
6.3 Rohrturbine oder Horizontalturbine
6.4 PIT-Turbine
6.5 S-Turbine
6.6 Getriebe-Rohrturbine
6.7 Straflo-Turbine
7. Neuere Entwicklungen, eine Auswahl
7.1 Matrix-Systeme und die Strafloturbine
7.2 Die Lamellenturbine
7.3 Die Wasserkraftschnecke
7.4 Die Steffturbine
7.5 Das KataMax-System
7.6 Die DIVE-Turbine
8. Glossar und Allgemeines
8.1 Begriffe und Kenngrößen
8.2 Allgemeines (Diagramme)
8.2.1 Einsatzbereiche der Francis-, Pelton- und Kaplanturbinen
8.2.2 Wirkungsgrade verschiedener Wasserkraftmaschinen
8.2.3 Wirkungsgrad der Wasserkraftschnecke im Vergleich zu Turbinen und Wasserrädern
8.2.4 Leistung eines unterschlächtigen Wasserrades
8.2.5 Die Bauernmühle
8.2.6 Der hydraulische Widder
9. Schluss
10. Quellen und Literatur
10.1 Patentschriften
10.2 Weitere Quellen und Literatur
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zeichnet die historische Entwicklung der Wasserkraftnutzung von den frühen Wasserrädern bis zu modernen Turbinensystemen nach, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Erfindung und Etablierung der Kaplanturbine durch Viktor Kaplan liegt. Die Arbeit untersucht dabei die technologischen Fortschritte, die Herausforderungen bei der Effizienzsteigerung sowie die Bedeutung verschiedener Turbinenbauarten für heutige und zukünftige Kraftwerkskonzepte.
- Historische Evolution der Wasserkraftmaschinen
- Technologische Innovationen von James Francis, Lester Pelton und Viktor Kaplan
- Konstruktionsmerkmale und Anwendungsgebiete moderner Wasserturbinen
- Herausforderungen in der Entwicklung, wie Kavitation und Patentstreitigkeiten
- Zukunftsperspektiven und Neuentwicklungen für Kleinkraftwerke
Auszug aus dem Buch
2.3 Die „Geburt“ der ersten Wasserturbine
Es ist kaum möglich, alle Forscher, die sich mit hydraulischen Maschinen und ihren Theorien beschäftigt haben, namhaft zu machen, denn zu groß ist ihre Zahl. Insbesondere waren es französische, deutsche und schweizerische Techniker, die eine maßgebliche Rolle bei der Entwicklung von „Wassermotoren“ eingenommen hatten. Unter diesem Begriff fasste man damals Wasserräder und Turbinen zusammen. Niemals vorher konnte jedoch ein solcher Erfolg erzielt werden, wie er Fourneyron beschieden war. Nach vielen Versuchen, Irrtümern, Veränderungen an Material, Konstruktionsdetails und Strömungsverhältnissen war er auf ein Turbinenprinzip gekommen, welches in gleicher Weise bzw. in abgewandelter Form später von anderen Konstrukteuren übernommen wurde. Er hatte das bekannte „Reaktionsprinzip“ des Segnerschen Wasserrades von ca. 1750 ausgenützt und seine Maschine mit einem innen liegenden Leitrad ausgestattet. Das Leitrad, das schon der berühmte Mathematiker Leonhard Euler (1703-1783) als sinnvoll erkannte, stand unbeweglich fest, das außen liegende Laufrad wurde von dem radial nach außen strömenden Wasser in Bewegung gesetzt. Diese Maschine stellte etwas völlig Neues dar, und zwar wegen ihres hohen Nutzeffektes von rund 80 %, der hohen Drehzahl und der kleinen Abmessungen. Erstmals konnte sich Fourneyron die Erfindung seines Landsmannes Gaspard Baron de Prony (1755-1839) nutzbar machen, eines Bremsdynamometers zur Bestimmung des Drehmomentes, das später unter dem Namen „Pronyscher Zaum“ bekannt wurde. Diese Methode der Drehmomentbestimmung war noch bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts in Verwendung.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung gibt einen Überblick über die historische Bedeutung der Wasserkraftnutzung und skizziert den Weg von den Wasserrädern hin zu modernen Turbinen.
2. Die Wasserkraftnutzung bis zur Kaplanturbine: Dieses Kapitel behandelt die mythologische Bedeutung des Wassers und die technische Entwicklung der ersten Turbinen sowie die Pioniere Francis, Pelton und die Entwicklung der ersten Turbinen mit drehbaren Laufschaufeln.
3. Viktor Kaplan: Dieses Kapitel widmet sich detailliert der Biografie Viktor Kaplans, seiner Erfindung der Kaplanturbine sowie den damit verbundenen Herausforderungen wie Patentstreitigkeiten und Kavitationsproblemen.
4. Historische Kraftwerke: Hier werden die Anfänge der Unterwasserkraftwerke in den USA und in Deutschland analysiert.
5. Neuere Bauarten von Flusskraftwerken: Dieses Kapitel erläutert verschiedene moderne Bauweisen von Flusskraftwerken.
6. Sonderformen von Kaplan- und Propellerturbinen: Es werden spezielle Turbinenbauarten wie die Deriazturbine und das System Reiffenstein vorgestellt.
7. Neuere Entwicklungen, eine Auswahl: Dieses Kapitel bietet eine Übersicht über innovative Entwicklungen wie Matrix-Systeme, die Lamellenturbine und die Wasserkraftschnecke.
8. Glossar und Allgemeines: Das Kapitel liefert wichtige Begriffsdefinitionen und vergleichende Diagramme zur Wasserkrafttechnik.
9. Schluss: Die Schlussbetrachtung fasst die Entwicklung der Wasserkrafttechnik zusammen und hebt die Bedeutung moderner Turbinen für eine umweltschonende Energiequelle hervor.
10. Quellen und Literatur: Dieses Verzeichnis listet sämtliche herangezogenen Patentschriften und weiterführende Literatur auf.
Schlüsselwörter
Wasserkraft, Kaplanturbine, Francisturbine, Peltonturbine, Wasserturbine, Turbinenentwicklung, Erneuerbare Energie, Patentstreitigkeiten, Kavitation, Flusskraftwerk, Kleinkraftwerke, Wasserkraftschnecke, Hydrodynamik, Wirkungsgrad, Viktor Kaplan
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in diesem E-Book grundsätzlich?
Das E-Book bietet eine umfassende historische und technische Übersicht über die Entwicklung der Wasserkraftnutzung, mit besonderem Fokus auf die Entstehung und den weltweiten Durchbruch der Kaplanturbine.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen sind die Geschichte der Wasserkraftmaschinen, das Leben und Werk von Viktor Kaplan, moderne Kraftwerksbauarten sowie spezielle Lösungen für Kleinkraftwerke.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, den Weg von den einfachen Wasserrädern bis zu hochentwickelten modernen Turbinen nachzuzeichnen und die technologische Bedeutung sowie die wirtschaftlichen Auswirkungen dieser Entwicklungen aufzuzeigen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor stützt sich auf eine detaillierte Analyse historischer Quellen, Patentschriften, technischer Zeichnungen und Lebensbeschreibungen bedeutender Pioniere der Wasserkrafttechnik.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Darstellung der Turbinenentwicklung (Francis, Pelton, Kaplan), die wissenschaftlichen Herausforderungen (wie die Kavitation) und eine ausführliche Analyse moderner Bauarten von Flusskraftwerken.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Wasserkraft, Kaplanturbine, Turbinenentwicklung, Hydrodynamik und Erneuerbare Energien charakterisiert.
Welche Rolle spielt die „Kavitation“ in der Arbeit?
Die Kavitation wird als ein zentrales technisches Hindernis beschrieben, das nach 1922 den Erfolg der Kaplanturbine massiv bedrohte und dessen Bewältigung entscheidend für ihren globalen Siegeszug war.
Warum wird dem „hydraulischen Widder“ ein eigenes Kapitel gewidmet?
Der hydraulische Widder wird als eine perfekte, umweltschonende und autarke Wasserpumpe vorgestellt, die zur Trinkwasserversorgung in abgelegenen Gebieten historisch und teilweise auch heute noch von Bedeutung ist.
- Arbeit zitieren
- Mag.phil. Dr. phil. Martin Gschwandtner (Autor:in), 2016, Die Wasserkraftnutzung im Wandel der Zeit, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/282027
