Impulsturbinen: Definition, Anwendungen, Komponenten und Funktionsweise

Die Impulsturbine ist eine der einfachsten Turbinen, klassifiziert als Wasserturbine neben der Reaktionsturbine. Gruppiert nach Art des Energieaustauschs zwischen Fluid und Turbine. Sie wandeln potenzielle und kinetische Energie des Wasserstroms in mechanische Arbeit um. Wasserkraftwerke nutzen Impulsturbinen umfangreich, auch für Wasserförderung.

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

Was ist eine Impulsturbine?

Eine Impulsturbine nutzt die kinetische Energie des Fluids, um über die Düse die Schaufeln zu treffen. In diesen Turbinen arbeitet ein Satz rotierender Maschinen bei atmosphärischem Druck. Sie eignen sich für hohe Fallhöhen und niedrige Durchflüsse. Impulsturbinen basieren auf der Änderung von Geschwindigkeitsvektoren: Die potenzielle Energie des Wassers (oder anderer Fluide, z. B. Dampf) – abhängig von der Fallhöhe – wird durch eine oder mehrere Düsen in kinetische Energie umgewandelt.

Trifft Wasser mit hoher Geschwindigkeit auf die Turbinenschaufeln, versetzt es die Turbine in Rotation, und eine mit dem Generator verbundene Welle ermöglicht die Stromerzeugung. Damit eignet sie sich für hohe Fallhöhen und niedrige Durchflüsse.

Impulsturbinen gibt es in drei Typen: Pelton, Turgo und Cross-Flow. Pelton- und Turgo-Turbinen sind im Aufbau sehr ähnlich. Die Cross-Flow-Turbine ist eine modifizierte Impulsturbine, die als Impulsturbine klassifiziert wird, weil der Laufrad bei atmosphärischem Druck rotiert und nicht als getauchte Turbine.

Anwendungen der Impulsturbine

Hauptanwendung: Elektrische Stromerzeugung. Ein großer Anteil der weltweiten Stromerzeugung erfolgt durch Turbogeneratoren.

Die Haupttriebwerke des Space Shuttle nutzten Turbopumpen (pumpengetriebene Turbinen), um Treibstoffe (flüssiger Sauerstoff und Wasserstoff) in die Brennkammer zu fördern.

Wasserturbinen in Wasserkraftwerken nutzen Wasser als Arbeitsmedium.

Dampfturbinen in Kern- und Thermalkraftwerken: Wasser wird zu Dampf erhitzt und durch Turbinen geleitet zur Stromerzeugung.

Hinweis: Hauptfunktion der Impulsturbine: Stromerzeugung und Wasserförderung.

Komponenten der Impulsturbine

Laufrad (Runner)

Kreisförmige Scheibe mit gekrümmten Schaufeln. Zentrale Zylinderwelle aus Edelstahl, ebenso das Laufrad. Bei geringerer Fallhöhe kann das Laufrad aus Gusseisen gefertigt sein.

Schöpfe (Buckets)

Löffelförmige Becher, ringförmig um das Laufrad montiert, für Energieaustausch zwischen Fluid und Turbine. Das Fluid trifft nach dem Austritt aus der Düse mit hoher Geschwindigkeit auf die Schöpfe, versetzt die Turbinenschaufeln in Rotation und verlässt den äußeren Schopfrand. Das Turbinendesign bestimmt die Richtungsänderung des Fluids beim Austritt im Vergleich zum Eintrittswinkel. Maximaler Impuls bei 180° Umlenkung.

Düse (Nozzle)

Funktion: Einstellen, Modifizieren und Strahlen des Fluidstroms auf die Schöpfe. Wichtiges Bauteil für Druckänderung und Umwandlung der Fallhöhe in kinetische Energie. Ein Bauteil namens „Speer“ (Spear) reguliert den Wasserdurchsatz zu den Schöpfen. Düsen aus Wolframkarbid – extrem hart, widerstandsfähig gegen erosive Partikel.

Gehäuse (Casing)

Schutzschild über der Turbine, verhindert Wasserspritzen und leitet Wasser zum Überlauf (Spillway), der überschüssiges Wasser ableitet und die strukturelle Integrität des Damms schützt. Meist aus Gusseisen.

Druckrohr (Penstock)

In Wasserkraftwerken weit verbreitet als Rohre und Kanäle, die Wasser von Stauseen zu Turbinen leiten. Wasser fließt bei sehr hohem Druck. Penstocks meist aus Stahl.

Schema Impulsturbine:

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Typen von Impulsturbinen

Pelton-Turbine

Hauptkomponenten: Laufrad, Düse, Ablenker (Deflektor). Für große Fallhöhen. Eine oder mehrere Düsen (bis zu 6) wandeln Fallhöhe in Hochgeschwindigkeitsstrom um. Leistung wird durch Regulierung der Wassermenge gesteuert.

Reihe symmetrischer Schöpfe um zylindrisches Laufrad. Form und Design bewirken, dass der Wasserstrahl die Schöpfe in der Mitte trifft und beidseitig austritt – ohne die nächsten Schöpfe zu bremsen. Turbinenachse vertikal oder horizontal montierbar. Bei hoher Leistung, hohem Wirkungsgrad und vielen Düsen immer vertikale Welle, Generator oberhalb der Turbine.

Ablenker zwischen Laufrad und Düse verhindert, dass Wasser bei plötzlicher Lastabnahme von der Düse zu den Schöpfen spritzt – dies würde die Drehzahl erhöhen. Schließlich stoppt ein Speer den Wasserfluss.

Schema Pelton-Turbine:

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Turgo-Turbine

Funktionsweise ähnlich Pelton. Hauptunterschied: Wasserstrahl trifft schräg (ca. 20°) auf die Schöpfe. Schöpfeform komplexer, schwerer herstellbar. Turgo-Turbinen haben höhere spezifische Drehzahl als Pelton. Vorteil: Größerer Strahl, kleinere Baugröße bei gleicher Leistung. In Kleinwasserkraftwerken eingesetzt.

Schema Turgo-Turbine:

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Cross-Flow-Turbine (Durchström-/Banki-Turbine)

Modifikation der Impulsturbine, oft in Kleinwasserkraftwerken. Wie Impulsturbinen rotiert der Laufrad in Luft, nicht vollständig getaucht wie Reaktionsturbine. Vorteile: Betrieb in breitem Bereich von Durchfluss, Fallhöhe und Leistung. Gute Anpassung an Durchflussschwankungen bei Erhalt des Wirkungsgrads. Spezielles Steuerungssystem justiert den aktiven Turbinenteil an die Wassermenge an.

Schema Cross-Flow-Turbine:

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Arbeitsprinzip der Impulsturbine

Die Arbeitsweise unterscheidet sich je nach Typ. Allgemein beim Stromerzeugungsprozess in Impulsturbinen folgende Schritte:

• Gespeichertes Wasser fließt von oberstrom durch Druckrohr (Penstock) zur Düse.
• Potenzielle Energie des Wassers in der Düse wird in kinetische Energie umgewandelt und in Schaufeln/Schöpfe eingespeist – Laufrad dreht sich.
• Mechanismus zur Regelung des Wasserdurchsatzes zum Laufrad. Der Speer spielt hierbei wichtige Rolle.
• Generator an der Welle wandelt mechanische in elektrische Energie um.

Video: Arbeitsweise der Impulsturbine

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Vor- und Nachteile der Impulsturbine

Vorteile:

• Einfache Wartung
• Einfacher Aufbau
• Hoher Arbeitswirkungsgrad
• Arbeitet bei atmosphärischem Druck
• Hohe Drehzahl

Nachteile:

• Großer Platzbedarf durch Baugröße
• Hohe Installationskosten
• Wirkungsgrad nimmt mit der Zeit ab
• Nicht für hohe Durchflüsse geeignet
• Nur für niedrigen Durchfluss ideal
• Erfordert hohe Fallhöhe, die schwer zu realisieren ist

Fazit

Impulsturbinen sind spezielle Turbinen für Stromerzeugung und Wasserförderung. Drei Typen: Pelton, Turgo, Cross-Flow. In diesem Artikel wurden Definition, Anwendungen, Funktion, Komponenten, Diagramm und Arbeitsweise der Impulsturbine erklärt. Ebenso Vor- und Nachteile.

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