Impuls- vs. Reaktionsturbinen: Wesentliche Unterschiede und Funktionsweise
Generell werden Wasserturbinen in Impulsturbinen und Reaktionsturbinen klassifiziert, mit einigen Unterschieden. Ein wesentlicher ist die Art des Energieaustauschs zwischen Fluid und Turbine. Gemeinsamkeit: Beide wandeln potenzielle und kinetische Energie des Wasserstroms in mechanische Energie um. Dies wird im Detail erläutert.
Heute lernen Sie den Unterschied zwischen Impuls- und Reaktionsturbine und deren Arbeitsweise kennen. Die Unterschiede werden auch in tabellarischer Form dargestellt.
Unterschied zwischen Impuls- und Reaktionsturbine
Impulsturbine
Arbeitet nach Newtons 2. Gesetz. Statt Schaufeln am Rotor sind elliptische, halbe Schöpfe (Buckets) angebracht. Trifft Wasser mit hoher Geschwindigkeit auf die Schöpfe, rotiert der Rotor – kinetische Energie des Wassers wird in mechanische Drehenergie umgewandelt. Stromerzeugung durch Generatorankopplung. Beispiele: Pelton, Turgo, Cross-Flow.
Pelton- und Turgo-Turbinen sind im Aufbau ähnlich. Cross-Flow-Turbine ist eine modifizierte Impulsturbine, klassifiziert als solche, weil der Laufrad bei atmosphärischem Druck rotiert, nicht als getauchte Turbine.
Schema Impulsturbine:
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Video: Funktionsweise Impulsturbine
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Reaktionsturbine
Die Summe aus potenzieller und kinetischer Energie des Wassers (durch Druck bzw. Geschwindigkeit) bewirkt die Rotation der Turbinenschaufeln. Der gesamte Turbinenkörper ist in Wasser getaucht, Druckänderungen und kinetische Energie bewirken Energieaustausch. Anwendungen typischerweise bei niedrigeren Fallhöhen und höheren Durchflüssen als Impulstypen.
Turbinen- bzw. Laufradschaufeln sind so gestaltet, dass sie bei Durchströmung eine Kraft auf einer Seite erzeugen – wie ein Tragflügel. Im Flugzeug erzeugt der Tragflügel Auftrieb; hier bewirkt die Kraft die Rotation.
Verschiedene Reaktionsturbinentypen haben ideale Betriebsbedingungen:
- 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 – höchste Effizienz, breiter Betriebsbereich.
Schema Reaktionsturbine:
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Video: Funktionsweise Reaktionsturbine
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Unterschied Impuls- vs. Reaktionsturbine in Tabellenform
| Reaktionsturbine | Impulsturbine |
|---|---|
| Mehr Wartung erforderlich | Weniger Wartung erforderlich |
| Nur ein Teil der hydraulischen Energie wird in kinetische Energie umgewandelt | Gesamte hydraulische Energie wird in kinetische Energie umgewandelt |
| Wasserströmung axial und radial zum Laufrad | Wasserströmung tangential zum Laufrad |
| Reaktionsgrad zwischen 0 und 1 | Reaktionsgrad ist null |
| Erfordert hohen und mittleren Wasserabfluss | Erfordert niedrigen Wasserabfluss |
| Arbeitet bei niedrigen und mittleren Fallhöhen | Arbeitet bei hoher Fallhöhe |
| Vergleichsweise hoher hydraulischer Wirkungsgrad | Vergleichsweise geringerer Wirkungsgrad |
| Beispiele: Francis-, Kaplan-Turbine | Beispiel: Pelton-Rad-Turbine |
| Wasser tritt ringsum in das Laufrad ein | Wasser nur in Form von Strahlen zugelassen |
| Laufrad muss in wasserdichtem Gehäuse laufen | Gehäuse nicht zwingend; dient als Schutz |
| Geschwindigkeit und Druck variieren beim Passieren des Laufrads. Saugdruck weit höher als Auslassdruck | Strahlgeschwindigkeit variiert, Druck bleibt atmosphärisch |
| Durchflussregelung über Leitschaufeln. Wichtige Teile: Spiralgehäuse, Leitapparat, Laufrad, Saugrohr | Durchflussregelung über Nadelventil in der Düse |
| Wasser füllt den Raum zwischen den Schaufeln, verrichtet Arbeit beim Durchströmen von Ein- zu Auslass | Turbine läuft nicht voll, Luft hat freien Zugang zu den Schöpfen |
| Keine symmetrischen Schaufeln | Symmetrische Schaufeln |
| Wasserdruck nimmt während der Strömung ab | Wasserdruck bleibt während der Strömung konstant |
| Höhere Drehzahl als Impulsturbine | Niedrigere Drehzahl als Reaktionsturbine |
| Hoher Schaufelwirkungsgrad | Niedrigerer Schaufelwirkungsgrad |
| Benötigt weniger Platz | Benötigt mehr Platz im Vergleich zur Reaktionsturbine |
| Energieübertragung nach Newtons 3. Gesetz | Energieübertragung nach Newtons 2. Gesetz |
Fazit
Der Hauptunterschied zwischen Impuls- und Reaktionsturbine liegt in der Art des Energieaustauschs zwischen Fluid und Turbine. In diesem Artikel wurde der Unterschied in tabellarischer Form erklärt. Auch die Arbeitsprinzipien wurden per Video veranschaulicht.
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