Reaktionsturbinen in Wasserkraftwerken: Funktionsweise und Stromerzeugung

Als spezieller Turbinentyp in Wasserkraftwerken wird die Reaktionsturbine weltweit zur Stromerzeugung eingesetzt. Schätzungen zufolge sind ca. 60 % der in Wasserkraftwerken genutzten Turbinen Reaktionsturbinen, obwohl sie im Wettbewerb mit Impulsturbinen stehen. Eine Reaktionsturbine besteht aus Reihen fester Schaufeln und Reihen beweglicher Schaufeln. Die festen Schaufeln wirken als Düsen, die beweglichen Schaufeln bewegen sich durch den Impuls des Dampfes (aused durch Impulsänderung). Auch durch Expansion und Beschleunigung des Dampfes relativ zu ihnen, wobei sie weiterhin als Düsen wirken. Dies wird weiter unten erläutert.

Heute lernen Sie Definition, Anwendungen, Funktion, Komponenten, Diagramm, Typen und Arbeitsprinzipien der Reaktionsturbine kennen. Ebenso deren Vor- und Nachteile.

Was ist eine Reaktionsturbine?

Eine Reaktionsturbine arbeitet nach Newtons drittem Gesetz (Actio = Reactio). Das System erzeugt Drehmoment als Reaktion auf Druck und Gewicht des Fluids. Im Betrieb trifft Wasser zuerst auf die festen Schaufeln, dann auf die Düse.

In einer Reaktionsturbine verursacht die Summe aus potenzieller und kinetischer Energie des Wassers (durch Druck bzw. Geschwindigkeit) die Rotation der Turbinenschaufeln. Der gesamte Turbinenkörper ist in Wasser getaucht, und Druckänderungen zusammen mit der kinetischen Energie des Wassers bewirken den Energieaustausch. Anwendungen liegen typischerweise bei niedrigeren Fallhöhen und höheren Durchflüssen als bei Impulstypen.

Die Turbinenschaufeln (Laufradschaufeln) sind so gestaltet, dass sie bei Durchströmung eine Kraft auf einer Seite erzeugen – ähnlich einem Tragflügel. Im Flugzeug erzeugt der Tragflügel Auftrieb. Hier bewirkt die Kraft die Rotation der Schaufeln.

Verschiedene Reaktionsturbinentypen haben ihre idealen Betriebsbedingungen. Beispiele:

• Pelton-Turbinen: niedrige Durchflussrate, hohe Fallhöhe (80–1600 m)
• Kaplan-Turbinen: hohe Durchflussrate, niedrige bis mittlere Fallhöhe (2–70 m)
• Francis-Turbinen: mittlerer Durchfluss, mittlere Fallhöhe. Kombination aus Impuls- und Reaktionsturbine.

Francis-Turbinen sind am weitesten verbreitet, da sie höchste Effizienz bieten und in breitem Betriebsbereich arbeiten.

Anwendungen der Reaktionsturbine

• Windkraftanlagen zur Stromerzeugung
• Stromerzeugung in Wasserkraftwerken
• Maximale Leistung aus niedriger Fallhöhe und hoher Geschwindigkeit

Hinweis: Hauptfunktion der Reaktionsturbine ist die Stromerzeugung.

Komponenten der Reaktionsturbine

Spiralgehäuse (Spiral Casing)

Gleichmäßig abnehmender Querschnitt entlang des Umfangs. Dies gewährleistet gleichmäßige Anströmgeschwindigkeit der Laufradschaufeln. Eine Öffnung für Wasserzufluss zum Laufrad vom Gehäuseanfang an bewirkt Druckabfall entlang des Gehäuses. Die Querschnittsreduzierung entlang des Umfangs macht den Druck gleichmäßig, somit auch den Impuls/die Geschwindigkeit, die die Laufradschaufeln trifft.

Leitschaufeln (Guide Vanes)

Im Spiralgehäuse montiert, um sicherzustellen, dass das Wasser die Laufradschaufeln in Richtung der Turbinenachse trifft. Andernfalls wäre die Strömung im Spiralgehäuse stark verwirbelt (swirling), was die Rotation der Laufradschaufeln ineffizient machen würde. In modernen Turbinen sind die Winkel der Leitschaufeln verstellbar, sodass der Durchfluss regelbar ist.

Laufradschaufeln (Runner Blades)

Wichtigste Komponenten – das „Herz“ der Reaktionsturbine. Die Form nutzt die Druckenergie des Wassers zum Antrieb. Das Design ist entscheidend für den Wirkungsgrad. In modernen Versionen können diese Schaufeln um ihre Achse schwenken (verstellbar), sodass die auf sie wirkende Druckkraft je nach Last und verfügbarem Druck variiert.

Saugrohr (Draft Tube)

Verbindet Laufradaustritt mit Unterwasser, Querschnitt nimmt entlang der Länge zu. Wasser aus den Laufradschaufeln hat erheblich niedrigen Druck, der expandierende Querschnitt baut den Druck auf dem Weg zum Unterwasser wieder auf.

Schema Reaktionsturbine:

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Typen von Reaktionsturbinen

Propellerturbinen

Üblicherweise 3 bis 6 Schaufeln, Wasser steht in ständigem Kontakt mit allen Schaufeln. Nur dort installierbar, wo Last und Fallhöhe konstant sind. Wirkungsgradkennlinie sehr spitz unter Teillast – schlechte Teillastperformance.

Kaplan-Turbinen erreichen durch Verstellung der Schaufeln während des Betriebs hohe Wirkungsgrade unter verschiedenen Lastbedingungen. Der Schaufelwinkel wird an die geforderte Leistung angepasst.

Francis-Turbinen

Modifizierte Propellerturbine: Wasser strömt radial und axial in das Laufrad. Strömungskanäle in Spiralgehäuse mit intern verstellbaren Leitschaufeln. Rotor mit neun oder mehr festen Schaufeln. Wasser strömt direkt oberhalb und um das Laufrad, fällt dann ab und dreht es.

Schwerkraftturbinen (Gravity Turbines)

Wandeln Schwerkraft in Drehkraft um. Kinetische Energie der Schwerkraft wird in Strom umgewandelt.

Durchstromturbinen (Bulb Turbines)

Variante der Propellerturbine. Generator in stromlinienförmigem, wasserdichtem Stahlgehäuse im Kanalzentrum untergebracht. Antrieb durch verstellbaren Propeller am stromabwärtigen Ende des Ventils. Strömungsrichtung beim Ein- und Austritt praktisch unverändert. Kompakte Bauweise bietet Flexibilität im Kraftwerksdesign.

Straflo-Turbinen

Axiale Turbinen mit festen Schaufeln. Generator außerhalb des Wasserkanals, direkt mit Laufrad verbunden.

Rohrturbinen (Tube Turbines)

Druckleitung wird kurz vor und nach dem Strömungspfad gekrümmt, was geraden Anschluss an den Generator ermöglicht.

Arbeitsprinzip der Reaktionsturbine

Die Arbeitsweise ist wenig komplex. Ein Rotor mit beweglichen Düsen gibt Wasser unter hohem Druck ab. Beim Austritt aus den Düsen erfahren sie eine Reaktionskraft, die den Rotor auf hohe Drehzahl beschleunigt. Auch eine Reaktionskraft entsteht durch das Fluid auf den Laufradschaufeln. Diese Reaktionskraft bewirkt die Rotation des Laufrads. Das Fluid gelangt nach Passieren der Laufradschaufeln in das Saugrohr und schließlich ins Unterwasser.

Video: Arbeitsweise der Reaktionsturbine

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Vor- und Nachteile der Reaktionsturbine

Vorteile:

• Hoher hydraulischer Wirkungsgrad
• Hohe Drehzahl
• Weniger komplexes Design
• Hoher Schaufelwirkungsgrad
• Geringer Platzbedarf
• Ölfreies Abgassystem
• Kompakte Bauweise
• Fähig, hohe Temperaturen und Drücke zu nutzen

Nachteile:

• Hoher Wartungsaufwand
• Kavitationsprobleme
• Hohe Wartungskosten
• Axialkraft (Schubkraft) entsteht
• Keine symmetrischen Schaufeln

Fazit

Eine Reaktionsturbine arbeitet nach Newtons drittem Gesetz (Actio = Reactio). Das System erzeugt Drehmoment als Reaktion auf Druck und Gewicht des Fluids. Im Betrieb trifft Wasser zuerst auf die festen Schaufeln, dann auf die Düse. In diesem Artikel wurden Definition, Funktion, Anwendungen, Komponenten, Diagramm, Typen und Arbeitsweise der Reaktionsturbine besprochen. Ebenso Vor- und Nachteile.

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