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100 Jahre Kaplanturbine

Vor 100 Jahren meldete der große Erfinder das erste Patent auf eine Turbine mit drehbaren Laufschaufeln an

Wissenschaftlicher Aufsatz 2013 27 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Leseprobe

Vom Wasserrad zu den ersten Turbinen

Von der Antike über das Mittelalter bis in die frühe Neuzeit waren die Wasserräder der Hauptlieferant mechanischer Energie zum Antrieb von Mühlen, Förderanlagen, Hämmern 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“ für Techniker und Fourneyron ein berühmter Mann. Unter den Dutzenden von Forschern, die weiter an der Turbinenentwicklung arbeiteten, seien stellvertretend folgende Persönlichkeiten herausgegriffen: Der deutsche Lokomotivbauer Carl Anton Henschel (1780 -1861) aus Kassel; der Professor für Maschinenbau am Polytechnikum in Karlsruhe, Jacob Ferdinand Redtenbacher aus Steyr in Oberösterreich (1809 -1863), sowie der Hydrauliker Julius Ludwig Weißbach (1806 -1871), aus Annaberg im Erzgebirge. In Deutschland wurden trotz aller Erfindungsleistungen die Wasserturbinen zunächst äußerst misstrauisch betrachtet. Beispielsweise hielt auch die Regierung des Herzogtums Braunschweig einen Patentschutz nicht für notwendig, weil sie für Wasserturbinen ohnehin keine Zukunftschancen sah.[1] Anschließend führte die Entwicklung zu jenen drei Haupttypen von Turbinen, die bis zum heutigen Tage den großen Bereich der Wasserkraftnutzung in wirtschaftlicher Weise ermöglichen. Zuerst zur Francisturbine des geb. Engländers James Francis (1815-1892) und dann zur Pelton-Turbine des US-Amerikaners Leston Pelton (1829-1908) und schließlich zur Kaplanturbine des Österreichers Viktor Kaplan (1876-1934). Die Francisturbine, geeignet für mittlere bis große Wassermengen und mittlere Gefälle, wurde vor allem in Deutschland durch die Firma Voith in Heidenheim weiterentwickelt. Peltons Erfindung der Freistrahlturbine wurde 1880 patentiert. Seine Turbine, die für kleine bis größere Wassermengen und bis zu sehr großen Fallhöhen geeignet ist, wurde ebenfalls ein großer Erfolg.[2] Die Kaplanturbine ermöglicht vor allem die wirtschaftliche Wasserkraftnutzung der Flüsse. Sie wurde erstmals 1913 patentiert.

Stand der Wasserkraft-Technik zu Beginn des 20. Jahrhunderts

An der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert waren die Pelton- und die Francisturbine schon sehr ausgereift und weit verbreitet. Es fehlte nur noch eine Turbine, welche die wirtschaftliche Nutzung der Wasserkräfte der Flüsse ermöglichte. Francisturbinen waren dazu nur unzulänglich in der Lage, denn sie hatten zu geringe Drehzahlen, man musste daher zwischen Turbine und Generator teure Getriebe anordnen, deren Reibungsverluste den Wirkungsgrad der Gesamtanlage verschlechterten. Sie hatten aber auch einen mit sinkender Beaufschlagung stark abfallenden Wirkungsgradverlauf. Viktor Kaplan setzte sich die Lösung dieser Aufgabe zum Ziel.

Viktor Kaplans Lebenslauf

Kaplans Leben währte nur 58 Jahre, von 1876 bis 1934. Die Hälfte davon verbrachte er in der mährischen Hauptstadt Brünn. Viktor Kaplan kam am 27. November 1876 im Bahnhofsgebäude von Mürzzuschlag in der Steiermark – heute eine Bezirkshauptstadt mit rund 9.200 Einwohnern – als Sohn des Bahnbeamten Karl Viktor Kaplan und dessen Frau Johanna, geb. Wust zur Welt. Der Vater war vorher schon an sieben anderen Stationierungsorten der k.k. Südbahn im Einsatz, darunter auch Agram (heute Zagreb), wo Viktor Kaplans Bruder Karl 1871 geboren wurde, und Lekenik in Kroatien, im Gebiet der ehemaligen k.k. Militärgrenze[3], wo seine Schwester Anna Luise 1873 das Licht der Welt erblickte, aber schon 4 Wochen nach der Geburt verstarb. Im Gegensatz zum Militär, wo man Kinder, die in den jeweiligen Garnisonsorten des Vaters geboren wurden „Tornisterkinder“ nannte, gab es bei der Eisenbahn keine ähnliche Bezeichnung.

Kaplans Vater und Großvater stammten aus Wiener Neustadt, Mutter Johanna, geb. Wust, aus Pettau in der Untersteiermark, dem heutigen Ptuj in Slowenien. Der Großvater Kaplans mütterlicherseits, Franz Wust, geb. in Josefstadt in Böhmen (heute ein Stadtteil von Jaromer an der Elbe, nordöstlich von Prag) war zuletzt, bis zur Revolution 1848/49, Oberpostverwalter in Temesvar im Banat in Südungarn (Siedlungsgebiet der Donauschwaben), heute als Timisoara in Rumänien gelegen.

Man sieht, dass Orte des ehemaligen alten Österreich weit herumgekommen sind, obwohl sie immer am selben Platz geblieben waren.

Viktor Kaplan besuchte in Neuberg an der Mürz und in Hetzendorf (damals noch nicht zu Wien gehörig) die Volksschule und anschließend die k.k. Staatsrealschule, Wien IV, Waltergasse 7, die damals nur sieben Jahre Schulzeit umfasste. Schon als kleiner Knabe bastelte Kaplan Wasserräder, später an der Realschule einen Elektrisierapparat, einen Photoapparat und eine Dampfmaschine, die alle funktionierten und seinen Physiklehrer Franz Daurer in großes Staunen versetzten. Nach der Matura studierte er von 1895 -1900 Maschinenbau an der Technischen Hochschule in Wien. (Einen Titel gab es damals für die Absolventen noch nicht! Erst ab 1917 „Ing.“). Anschließend leistete er seinen Militärdienst als „Einjährig-Freiwilliger“ und so genannter „Maschinenbau -Eleve“ bei der k.u.k Kriegsmarine in Pola auf der Halbinsel Istrien, damals Teil des Kronlandes „Küstenland“, heute „Pula“ und zu Kroatien gehörig. Vom Militärdienst hinterließ Kaplan keine schriftlichen Erinnerungen außer einigen Ansichtskarten. Überliefert ist hingegen, dass Kaplan später seinen Studenten in Brünn den beim Militär herrschenden Geist folgendermaßen vermitteln wollte:

„Wenn Sie beim Militär einmal gefragt werden, wer größer gewesen sei, Napoleon oder Bonaparte, dann heißt die richtige Antwort: „jawohl !!!“.

Im Oktober 1901 trat er bei der Niederlassung der Budapester Maschinenfabrik GANZ in Leobersdorf (30 km südlich von Wien) als Konstrukteur ein. Dieser Betrieb baute damals Dieselmotoren und Francisturbinen. Kaplan hatte bald eine Idee für einen verbesserten Motor. Weil er diesen in einem Vortrag ohne Absprache mit seiner Firma bekannt machte, bekam er die Kündigung, die jedoch nach kurzer Zeit zurückgenommen wurde.

Die über diesen Motor eingereichte Dissertation an der TH Wien wurde mit dem Hinweis zurückgestellt, die Arbeit durch Vornahme von Versuchen zu ergänzen. Dazu kam es jedoch nicht mehr, weil Kaplan an der Deutschen Technischen Hochschule (DTH) in Brünn, (die amtliche Bezeichnung war „k.k. deutsche Franz Josef Technische Hochschule Brünn“, (seit dem letzten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts gab es auch eine „Tschechische Technische Hochschule“), die Stelle eines Konstrukteurs am Institut für Maschinenbau bei Professor Alfred Musil (*1846 in Temesvar, † 1924 in Brünn) bekam. Dieser war der Vater des berühmten Robert Musil (*1880 in Klagenfurt, † 1942 in Genf), der vor seiner späteren Karriere als Schriftsteller das Maschinenbaustudium an der DTH absolviert hatte und von 1902 -1903 Assistent an der TH in Stuttgart war. Kaplan trat Ende 1903 – gerade 27 Jahre alt geworden – seinen Dienst in Brünn an.

Mit der Hauptstadt der damaligen Markgrafschaft Mähren mit rund 130.000 Einwohnern, davon 2/3 Deutsche, eingebettet in ein landschaftlich schönes Umfeld, lernte Kaplan einen dynamischen Ort kennen, der an dem gewaltigen Aufschwung der Industrie in den letzten Jahrzehnten des neunzehnten Jahrhunderts in hervorragender Weise Anteil genommen hatte. Aus der engen Provinzstadt hatte sich ein Zentrum wirtschaftlichen und geistigen Lebens entwickelt, während die frühere Hauptstadt des Landes, Olmütz, zur kleinen bürgerlichen, teils bäuerlichen Land - und Garnisonsstadt geworden war. In Brünn entstanden Zug um Zug viele Fabriken, wobei die Schafwollindustrie an der Spitze stand. Dann folgte eine Reihe von Maschinenfabriken. Unter diesen genoss die 1861 als Eisengießerei gegründete Stahlhütte Ignaz Storek einen ausgezeichneten Ruf, weit über die Grenzen des Landes hinaus. Ihr sollte später bei der Entwicklung der Kaplanturbine eine entscheidende Rolle zufallen. Brünn bot jedoch auch in künstlerischer Hinsicht viel Interessantes, Sehens- und Hörenswertes. Das 1882 eröffnete, prächtige Stadttheater[4] war die „Startrampe“ für fast alle späteren Größen des internationalen Opernhimmels wie z.B. Maria Jeritza (1887-1982), die eigentlich Maria Jedlitzka hieß und der zu Ehren in Unterach am Attersee, wo Kaplan 1920 seinen Landsitz erwarb, eine Straße benannt wurde. Der junge Techniker Kaplan, fühlte sich in der neuen Umgebung bald überaus wohl. Er wohnte von 1903 bis 1904 in der Herrengasse Nr. 14 (tschechisch „Panská“), dann von 1905 bis 1909 in der Talgasse 51 (tschechisch „Udolni“). Nach der Verehelichung 1909 hatte er bis 1919 in der Erzherzog Rainerstraße[5] seinen Wohnsitz; zuerst im Haus Nr. 62 und dann in derselben Straße (ab 1919 „Uvoz“) im Haus Nr. 52.

In Brünn befasste sich Kaplan gleich mit seinem Lieblingsgebiet, dem Wasserturbinenbau. Zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen und Vorträge machten ihn in der Fachwelt bekannt. Bereits durch die elektrotechnische Ausstellung in Frankfurt am Main im Jahre 1891 hatte der Wasserturbinenbau einen neuen Impuls erhalten. Hier wurde bekanntlich zum ersten Male durch die Initiative von Oskar von Miller, dem Pionier der Deutschen Wasserkraftwirtschaft, der durch ein Wasserturbinenaggregat erzeugte Strom (das Antriebsaggregat war eine Henschel -Jonval -Turbine mit ca. 300 KW) von Lauffen am Neckar über eine 175 km lange Freileitung mit einer Spannung von rund 15.000 Volt nach Frankfurt am Main übertragen.

Kaplan versuchte zuerst die Francisturbine schneller zu machen; er erzielte dabei beträchtliche Steigerungen der spezifischen Drehzahlen von etwa n s = 250 auf 350- 400[6], die aber für den direkten Antrieb der Drehstromgeneratoren noch immer nicht ausreichten. Nach einer Überarbeitung der Turbinentheorie erschien 1908 sein erstes großes Werk: „Bau rationeller Francisturbinenlaufräder“, mit welchem er 1909 an der Technischen Hochschule in Wien zum Doktor der technischen Wissenschaften promovierte.

Anschließend folgte an der TH Brünn seine Habilitation für Wasserkraftmaschinen. Im gleichen Jahr heiratete er Margarete Strasser, die Tochter eines vermögenden Wiener Kaufmannes. Zwei Töchter, Margarethe und Gertraud, entstammten dieser glücklichen Ehe. Von den 13 Enkelkindern Kaplans leben noch 10, davon eines in Bolivien, drei in Deutschland und sechs in Österreich.

[...]


[1] Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit. Wind, Wasser, Sonne, Kohle, Öl. Blaufelden 2000,

S. 102-135. Vergl.: Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen. In: Beiträge zur Geschichte der Technik und Industrie. Jahrbuch des Vereins Deutscher Ingenieure, Vol.18 (1928), S. 57- 68.

[2] Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit.(wie Anm.1), S. 125-135.

[3] Militärgrenze (oder„Konfin“- aus lat. „confinium militare“, etwas lyrisch auch „Des Reiches Hofzaun“); habsburgische Grenzschutzzone gegenüber dem osmanischen Machtbereich. Ab dem 16. Jahrhundert errichteter breiter Verteidigungsgürtel von der Adriatischen Küste bis in den Norden Siebenbürgens mit einem System von Wachtürmen, Wehrdörfern und Festungen. Die Bevölkerung (Bauernsoldaten aus Kroaten, Serben, Ungarn, Walachen sowie Uskoken,

(Flüchtlinge aus osmanischem Gebiet), war lebenslänglich zum Wehrdienst verpflichtet, erhielt dafür jedoch viele Privilegien.

[4] Das erste europäische Theater mit elektrischer Beleuchtung, diese von Thomas Alva Edison (1847-1931) geplant.

[5] Erzherzog Rainer Ferdinand, *1827 Mailand, † 1913 Wien, Förderer von Kunst und Wissenschaften, Gründer des Mährischen Kunstvereins, Regimentsinhaber des Salzburger Hausregiments „Erzherzog Rainer Nr. 59“; er war der Sohn von Erzherzog Rainer d. Ä. 1783-1853, Bruder von KS Franz I, 1818-1848 Vizekönig des Lombardo-Venezianischen Königreiches.

[6] Kennzahl auf Grund von Ähnlichkeitsgesetzen, um Turbinen miteinander vergleichen zu können.

Details

Seiten
27
Jahr
2013
ISBN (eBook)
9783656361039
ISBN (Buch)
9783656361299
Dateigröße
3.7 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v207020
Note
Schlagworte
jahre kaplanturbine jahren erfinder patent turbine laufschaufeln

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