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Die Wasserkraftnutzung im Wandel der Zeit

Von den Wasserrädern bis zu den modernen Turbinen (2. überarbeitete Auflage)

Fachbuch 2016 125 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau

Leseprobe

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

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 Strafloturbine
7.2 Die Lamellenturbine
7.3 Die Wasserkraftschnecke
7.4 Die Steffturbine
7.5 Das KataMax-System
7.6 Die DIVE-Turbine

1 Einleitung

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.

In der vorliegenden Abhandlung wird der Weg von den Wasserrädern bis zu den modernen Turbinen nachgezeichnet, wobei nicht nur auf die Sonderbauformen der der Hauptturbinenarten eingegangen wird, sondern auch auf die beeindruckende Zahl von Neuentwicklungen, die insbesondere für Kleinkraftwerke in den letzten Jahren entstanden sind.

2 Die Wasserkraftentwicklung bis zur Kaplanturbine

2.1 Wasser und Mythologie

Längst bevor das Wasser als Energiequelle genutzt wurde, spielte es in den religiösen Vorstellungen und in der Mythologie vieler Völker eine wichtige Rolle. Geister, Naturgottheiten und Dämonen verkörperten die Gewalt und Kraft des Wassers und hatten im Wasser auch ihre Wohnung. Die Hethiter kannten beispielsweise Ea, den Gott der Weisheit und der Wassertiefe. Die Griechen und auch die Römer verehrten ihre Flüsse als männliche Gottheiten, weil diese die Fruchtbarkeit des Landes erhöhten. In der Volksphantasie gab es unzählige Wassergeister, Sirenen und Nixen. Mit diesen Wassergeistern mussten sich die Techniker der Antike beim Bau von Maschinen zur Ausnutzung der Wasserkraft zwangsläufig anlegen. Kein Wunder, dass sogar die römischen Wassermüller als Zauberer galten und die Mühlen zu unheimlichen Orten wurden, immer bedroht von der schrecklichen Rache des missbrauchten Elements.1

In der alten Eingangshalle des Salzburger Hauptbahnhofes befand sich die hier abgebildete allegorische Darstellung: Der Entwurf stammte vom Architekten Anton Wilhelm aus Frankenmarkt in Oberösterreich und zeigte einen Flussgott, sinnend am Ufer eines Flusses ruhend. Zusammen mit dem Laufrad einer Turbine und der Inschrift „Aurum ex Aquis“, also „Gold aus den Gewässern“, sollte offensichtlich das Handeln des Menschen im Einklang mit der Natur, repräsentiert durch die Gottheit, sowie Sinn und Wert der Wasserkraftnutzung im Dienste des Menschen, am Ort des Bahnhofes für den Betrieb der elektrischen Eisenbahn, symbolisiert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1: Allegorische Darstellung in der ehemaligen Eingangshalle des Salzburger

Hauptbahnhofes: Wassergott mit Turbine. Muscheln als alte Symbole für Wasser, Geburt, Entdeckung und Erfindung.2

Von der Atmosphäre, die strömendes Wasser und dessen innige Verbindung mit der Landschaft ausstrahlt und die durch personifizierende Darstellungen vermittelt werden sollte, waren im Verlaufe der Jahrhunderte zahlreiche Forscher, Physiker, Mathematiker, Techniker und Handwerker besonders fasziniert.3 Wenn heute von Pionieren der Wasserkraftnutzung gesprochen wird, denken die meisten Menschen an James Francis, Lester Pelton und Viktor Kaplan, deren Turbinen es ermöglichen, weltumspannend die Kräfte des Wassers effizient zu nutzen. Insbesondere Kaplan stellte die Forderung auf, dabei immer mit der Natur und nie gegen die Natur zu arbeiten. Besonders seine Erfindung, die letzte der drei Hauptturbinenarten, hat es ermöglicht das bis dahin noch offene Feld, nämlich die Wasserkraft der Flüsse mit niedrigen Gefällen und großen Wassermengen, in besonders umweltfreundlicher und wirtschaftlicher Weise durch Umwandlung in elektrische Energie, dem Menschen nutzbar zu machen. Die Nutzung der Wasserkraft hat eine mehrtausendjährige Geschichte. Schon vor etwa 5.000 Jahren gaben die Erfordernisse der Landwirtschaft den Anstoß, nicht nur Fische, sondern auch Energie aus dem Wasser zu ernten. Wasserschöpfräder nahmen dem Menschen in dieser Frühzeit die Bewässerung landwirtschaftlich genutzter Flächen ab. Wasserräder sind die ältesten und einfachsten Wasserkraftmaschinen, die sich in vereinzelten, praktischen Anwendungen bis heute erhalten haben. Allerdings haben Wasserräder für die wirtschaftliche Nutzung des Wasserangebotes einen zu schlechten Wirkungsgrad und für moderne Anwendung zu niedrige Leistungen und Drehzahlen.4 Literarische Zeugnisse der Wasserkraftnutzung haben unter anderen der griechische Dichter Antipatros von Thessaloniki (104-43 v. Chr.), der griechische Geograph Strabo (63-20 v. Chr.) und insbesondere der Ingenieur, Architekt und Schriftsteller Vitruv (Marcus Vitruvius Pollio, 55 v. Chr.- 14 n. Chr.) mit seinem großen Werk „10 Bücher über Architektur“5 hinterlassen. Im zehnten Buch, Kapitel 5, berichtet er über Schöpfräder, Bewässerungsanlagen und Wassermühlen.6 In jüngster Zeit hat Alois Brandstetter mit seinem Roman „Die Mühle“, u. a. den Kampf der Müller mit dem Wasser im Verlauf der Geschichte eindrucksvoll geschildert.7

Im Folgenden soll die Entwicklung der Wasserkraftnutzung bis zu den ersten Turbinen im 19. Jahrhundert, den weiteren Entwicklungsschritten bis zu jenen drei Haupt-Turbinenarten, die heute den größten Teil der Wasserkraftnutzung abdecken, die Francis-, die Pelton- und die Kaplanturbine, dargestellt werden. Der letzteren in dieser Reihe, der Kaplanturbine und ihrem Erfinder soll dabei ein besonderes Augenmerk geschenkt werden. Denn die Kaplanturbine erlaubte erstmals die effiziente Nutzung des Wassers der Flüsse, weil sie für geringe Gefälle bei großen und auch schwankenden Wassermengen besonders geeignet ist und die nötige hohe Drehzahl für den Antrieb von elektrischen Generatoren ohne Zwischenschaltung von Übersetzungsgetrieben erreicht.

Zusätzlich werden neue Entwicklungen von Turbinen und Kraftwerkskonzepten, insbesondere für die immer mehr an Bedeutung gewinnenden Kleinkraftwerke besprochen.

2.2 Vom Wasserrad zu den ersten Turbinen

Über viele Jahrhunderte seit der Antike dominierte das Wasserrad in seinen verschiedensten Ausführungen zum Antrieb von Mühlen, Bewässerungen, Bewetterungen in Bergwerken, Sägewerken, Hämmern, Fördereinrichtungen, Walk- und Stampfwerken u.a. Die vielen kleinen Wasserradanlagen waren der Hauptlieferant mechanischer Energie für die gewerbliche Wirtschaft des Mittelalters und der frühen Neuzeit. Von der Brückenmühle in Konstanz ist überliefert, dass sie 13 Mahlgänge, ein Sägewerk, eine Schleiferei, eine Schmiede und eine Walke besaß, die jeweils durch eigene Wasserräder angetrieben wurden.8 Besonders mit Georgius Agricola (1494-1555) hatte sich im 16. Jahrhundert in Verbindung mit dem Bergbau eine neue Entwicklung des Einsatzes von Wasserrädern angebahnt.9 Wenn die Dampfkraft meist als die Mutter der Industrialisierung bezeichnet wird, darf man nicht übersehen, dass auch die Wasserkraft eine entscheidende Rolle bei der Entstehung industrieller Betriebe, z.B. der Textilfabriken gespielt hat. So ließ Richard Arkwright seine Spinnmaschine von 1769 über Riemen von einem Wasserrad antreiben, weshalb das von ihr erzeugte Garn auch als „Wassergarn“ bezeichnet wurde.

Im 18. Jahrhundert befassten sich noch viele Techniker damit, die Leistungsfähigkeit und die Wirkungsgrade von Wasserrädern zu verbessern. Der englische Techniker John Smeaton (1724-1792) stellte 1759 fest, dass mit einem unterschlächtigen10 Wasserrad maximal nur 22 % und mit oberschlächtigen Wasserrädern jedoch etwa 60 % der im Wasser steckenden Energie ausgenützt werden können.11

Der Schweizer Physiker und Mathematiker Daniel Bernoulli schrieb 1787 sein Hauptwerk “Hydrodynamica“, in dem er die Grundlagen der Erforschung der hydraulischen Strömung behandelte. Der mit ihm befreundete und berühmte Schweizer Mathematiker Leonhard Euler (1707-1783) entwickelte wichtige Gleichungen zur Berechnung von Wasserkraftmaschinen.

1795 erkannte der Begründer der Technischen Hochschule in Prag, der Österreicher Franz Josef Gerstner (1756-1832), nach vielen Versuchen, dass man mit unterschlächtigen Wasserrädern keinen höheren Wirkungsgrad als 30 % erreichen könne.12 William Fairbairn gründete um 1818 in Manchester eine Fabrik, die führend in der Herstellung von eisernen Wasserrädern wurde. Er belieferte auch Firmen in Frankreich und in der Schweiz.13 Der Höhepunkt in der Entwicklung des Wasserradbaues wurde in Frankreich erreicht, als Jean Victor Poncelet (1788-1867) gekrümmte Schaufeln verwendete und damit Wirkungsgrade bis zu 65 % erreichte. Poncelet wurde auch zum Begründer der neueren Technischen Mechanik und führte auch wichtige Untersuchungen zur Hydrodynamik und Festigkeitslehre durch. Die Wasserräder konnten jedoch den steigenden Anforderungen nicht mehr genügen; ihre Leistungen und ihre Drehzahlen waren zu gering. Ein übliches oberschlächtiges Wasserrad mit etwa 4 m Durchmesser und 50 cm Schaufelbreite, erreichte je nach Wasserdarbietung kaum mehr als 4-8 KW. Auch die effektiveren Wasserräder mit löffelförmigen Schaufeln und mit vertikaler Welle, die bevorzugt in Frankreich und Skandinavien in Verwendung waren, konnten den erforderlichen Leistungsbedarf nicht mehr decken.14

Der Druck auf die Techniker, leistungsstärkere Maschinen zur Ausnutzung von Wasserkräften zu entwickeln, erhöhte sich. Schon früh gab es Anstrengungen, die Wasserräder durch effektiver arbeitende Maschinen zu verdrängen. Die ersten Versuche der Entwicklung einer echten Turbine machte zwar schon der in Pressburg geborene Arzt und Physiker Johann Andreas von Segner (1704-1777) aus Göttingen, doch blieb seiner Konstruktion, die das Rückstoßprinzip zur Drehung ausnützte, der praktische Erfolg versagt. Allerdings lebt die Idee von Segner bis heute im umlaufenden Rasensprenger weiter.15

Vielleicht hing der plötzliche Ehrgeiz, die Wasserkraftnutzung voranzutreiben, mit der Dampfmaschine zusammen, die nach dem Tode von James Watt 1819 ihren Siegeszug um die Welt begann. Die Dampfmaschine fand hauptsächlich nur dort Interesse für einen effizienten Einsatz, wo die Kohle billig war. Vielleicht waren aber auch ganz einfach die Zeit und die Technik für die Verwirklichung neuer Ideen reif. Jedenfalls hatte die „Societe d`Encouragement pour l`Industrie Nationale“ einen Preis von 6.000 Franc für die Entwicklung leistungsfähiger „Turbinen“ ausgesetzt.16 Der Begriff Turbine (vom lat. „Kreisel“ oder „Strudel“) geht auf den Franzosen Claude Burdin, Lehrer an der „Ecole de Mineurs“, der Bergbauschule von Saint- Etienne17 zurück, der 1822 in einer Denkschrift an die französische Akademie der Wissenschaften erstmals diesen Ausdruck verwendete.18 Seit Burdin unterteilte man Turbinen in Aktions- und Reaktionsturbinen, später nannte man sie Druck- und Überdruckturbinen und heute spricht man von Freistrahlturbinen und Überdruckturbinen. Kennzeichnend für Erstere ist das vom Wasserstrom nur teilweise und völlig druckfrei durchströmte Laufrad, wogegen bei den Überdruckturbinen zwischen Oberseite und Unterseite des Laufrades, ein Druckgefälle besteht und das Laufrad zur Gänze durchströmt wird.

Burdin selber baute auch eine Turbine, die sich jedoch nicht bewährte. Den ausgeschriebenen Preis holte sich 1833 ein anderer französischer Erfinder unter vier Bewerbern. Sein Name war Benoit Fourneyron (1802-1867). Er war ein Schüler von Burdin und ein hervorragender Mathematiker und Techniker, der die Konstruktionspläne einer 50 PS-Maschine eingereicht hatte.19

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)20 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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2: Pronyscher Zaum.21

Die Bremsleistung entspricht dem Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit Ȧ. Die Leistung N = Umfangskraft P mal Umfangsgeschwindigkeit v. Aus v = r·Ȧ ergibt sich N = P·r·Ȧ = M·Ȧ. Bei der gegebenen Anordnung der Bremsvorrichtung ist demnach die Leistung proportional dem Produkt Gewicht G mal Hebelarm l mal Drehzahl n (n= 60·Ȧ:2ʌ) wenn der Balken zwischen den beiden Anschlägen frei spielt.

Fourneyron konnte in seiner Versuchsstation am Ognon, einem linken Nebenfluss der Saone, bei einer Messung am 26. April 1827, an einer der ersten Versuchsturbinen einen überraschend hohen Wirkungsgrad von 83 % feststellen. Einer der Erfinder der Dampfturbine,22 Auguste Rateau (1862-1930), neben Carl de Laval (1845-1913) und Charles Algernon Parson (1854-1931), sagte später einmal, dass an diesem Tage die Wasserturbine geboren worden sei. Fourneyron erhielt 1832 ein Patent auf die erste wirklich brauchbare Wasserturbine. Zwischen 1834 und 1840 (die Angaben in der Literatur variieren), baute er in der Baumwollspinnerei des Barons von Eichthal in St. Blasien im Schwarzwald eine Turbine ein, die bei einer Höhendifferenz von 108 Metern und einer Drehzahl von 2.300 Umdrehungen/Minute eine Leistung von fast 40 PS (30 KW) und einen Wirkungsgrad von nahezu 80% erreichte. Das Laufrad dieser Turbine hatte einen Durchmesser von 550 mm und das Wasser wurde über eine Rohrleitung aus Gusseisen zugeführt. Zur Regelung und zum Abstellen diente das Ringschütz, ein dünner Messingzylinder, der in das Leitrad geschoben wird, um seine Kanäle zu verkleinern oder ganz zu schließen.

Das Echo in der Fachwelt war angeblich sehr groß. St. Blasien wurde ein „Wallfahrtsort“ der Techniker und Fourneyron ein berühmter Mann.23 Die nachfolgend angestellte Berechnung ergibt eine niedrige spezifische Drehzahl ns :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Daraus folgt, dass die hohe Nenndrehzahl der o.a. Turbine nur durch das große Gefälle von 108 Metern bewirkt werden konnte. Bei großen Fallhöhen und kleinen Wassermengen, mussten die sich ergebenden großen Drehzahlen durch aufwendige Zahnraduntersetzungen auf die damals erforderlichen Gebrauchsdrehzahlen von 50 - 250 U/min reduziert werden, was natürlich neben starken Geräuschen, auch Leistungsverluste und starken Verschleiß der Zahnräder zur Folge hatte. Die Turbine von St. Blasien befindet sich heute im Deutschen Museum in München. 1838 verlegte Fourneyron seinen Betrieb nach Paris, wo er viele Turbinen konstruierte und baute. Angeblich hatte er 1843 bereits 129 Fabriken mit Wasserkraftanlagen ausgerüstet.24 1855 wurde eine Fourneyron-Turbine mit einer Leistung von 800 PS bei den Pariser Wasserwerken am Pont-Neuf installiert.25 Die ersten Maschinen der Niagara-Kraftwerke waren ebenfalls noch Fourneyron Turbinen mit 24.000 KW Gesamtleistung, die später durch Francisturbinen ersetzt wurden.26

Die Konstruktionen Fourneyrons haben viele Hydrauliker zu weiteren Versuchen veranlasst, wie z.B. den französischen Hydrauliker Arthur Morin (1795-1880). Praktiker mehrerer Länder haben dieses Konstruktionsprinzip aufgegriffen und es ihren Bedürfnissen nutzbar zu machen versucht. Neben anderen Firmen, baute die Fa. Nagel & Kämp in Hamburg später Turbinen nach diesem Prinzip. Auch die Fourneyron-Turbine hatte ihre Schwachstellen. Das Wasser strömte je nach der Beaufschlagung unkontrolliert und mit Turbulenzen ab, so dass man zeitweise beträchtliche Energieverluste in Kauf nehmen musste. Erst als man die Wirkung des Saugrohres erkannte (durch Henschel und Jonval) gelang es, die Energie des Wassers vollständiger in der Turbine umzuwandeln. Außerdem kehrte man das System der Schaufelanordnung um; das Leitrad kam nach außen und das Laufrad nach innen, wodurch diesem das Wasser zentripetal zuströmte. Das schon erwähnte Segnersche Prinzip zeigte, dass man zu einer Turbine nicht unbedingt ein Leitrad benötigt und gab den Anstoß zu einer relativ kurzlebigen Turbinengattung (verbesserte Version von Barker´s Turbine), die man „Cadiat- Turbinen“ bzw. nach James Whitelaw „schottische Turbinen“ nannte und die 1841 in England und 1843 in Amerika patentiert wurden.27 Ab Beginn der 1840er wurden sie in Europa und Amerika produziert, aber bald durch modernere Turbinen überholt. Erst im 20. Jahrhundert strebte der Österreicher Dr. Ing. Manfred Reiffenstein (1894-1986) wieder den Bau leitradloser Turbinen an und hatte die Idee, bei Kaplan- und Francisturbinen die Leitapparate durch spezielle Einlaufspiralen zu ersetzen. Im Kapitel 6, S. 87-89, wird die „Kaplanturbine System Reiffenstein“ kurz beschrieben.

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Bild 3: Fourneyron-Turbine 1840

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Bild 4:Benoit Fourneyron,

von innen beaufschlagte Radialturbine.28 *1802 in St. Etienne, †1867 in Paris.29

Seit die erste Turbine die Bewährungsprobe bestanden hatte, entfaltete sich in den nächsten Jahren eine ziemlich hektische Erfindertätigkeit rund um die Wasserkraft. Von der großen Zahl an Forschern, die an der Turbinenentwicklung arbeiteten, seien folgende Persönlichkeiten beispielhaft herausgegriffen:

Der große schweizerische Mathematiker Leonhard Euler (1707-1783), welcher nicht nur mathematische Grundlagen der Hydraulik geschaffen, sondern auch eine der ersten turbinenähnlichen „Wassermotoren“, entwickelt hat, welche später „Eulerturbine“ genannt wurde. Der deutsche Lokomotivbauer Carl Anton Henschel (1780-1861), der eine axiale Turbine erstmals mit einem Saugrohr ausstattete und 1841 die erste Henschel-Turbine bei einer Steinschleiferei in Holzminden in Betrieb nahm.30 Der russische Deichmeister Ignati Safanow (1806-1857), welcher 1837 die erste Wasserturbine in Russland baute.

Jacob Ferdinand Rettenbacher aus Steyr in Oberösterreich (1809-1863), der als Professor für Maschinenbau an das Polytechnikum in Karlsruhe berufen wurde. Seine bedeutendste Arbeit, „Bau der hydraulischen Kraftmaschinen“, erschien 1841. Julius Ludwig Weißbach (1806-1871), aus Annaberg im sächsischen Erzgebirge stammend, war Lehrer für Mathematik und Bergmaschinenlehre an der Bergakademie in Freiberg (Sachsen), wo er Apparaturen für Strömungsversuche entwickelte und aus den Versuchsergebnissen Formeln für Druckverluste an Wasserkraftwerks-Bauteilen (Krümmer, Rohrleitungen, Ventilen, Klappen, Kniestücken u.a.) ableitete. Die Henschel-Jonval-Turbine wurde axial beaufschlagt,

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Bild 5: Henschel- Jonval-Turbine.31 Foto: Deutsches Museum, München.

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Bild 6: Henschel- Jonval-Turbine Schnitt.32

konnte mit Hilfe des Saugrohres das gesamte Gefälle bis zum Unterwasser nützen, hatte aber den Nachteil, dass das Laufrad unzugänglich unter dem Leitrad lag.

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Bild 7: Julius Ludwig Weißbach, *1806 in Mittelschmiedeberg bei

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Bild 8: Ferdinand Redtenbacher,

*1809 in Steyr, † 1863 in Karlsruhe.33

Annaberg, † 1871 in Freiberg/Sa.34

Die grundlegenden Werke von Redtenbacher: „Theorie und Bau der Turbinen“ und Weißbach: „Ingenieurmechanik“, stellten erstmals eine zufrieden stellende Kombination von Theorie und Praxis der Wasserturbinen dar und wurden in den folgenden 50 Jahren zur Grundlage der Neuentwicklungen. Ihre Arbeiten wurden bald nach ihrem Erscheinen ins Englische übersetzt und fanden damit auch den Weg in die Vereinigten Staaten von Amerika.35 In Deutschland wurden trotz aller Erfindungsleistungen die Wasserturbinen zunächst äußerst misstrauisch betrachtet. Beispielsweise hielt die Regierung des Herzogtumes Braunschweig einen Patentschutz für unnötig, weil sie für Wasserturbinen ohnehin keine Zukunftschancen sah.36

2.4 James Francis (1815-1892)

Auf dem Weg der Weiterentwicklung der Turbinen beginnt nun die Erfindungs- und Entwicklungszeit jener drei Haupttypen von Turbinen, die bis zum heutigen Tage und voraussichtlich auch in Zukunft den großen Bereich der Wasserkraftnutzung in wirtschaftlicher Weise ermöglichen und abdecken werden.

Die Francisturbine

Im Jahre 1855 erschien in Boston, USA, eine umfangreiche Druckschrift „The Lowell Hydraulic Experiments“ (Lowell ist eine Stadt im US-Bundesstaat Massachusetts), die bis 1883 in vierter Auflage erschienen war und die technische Welt von einem neuen Turbinensystem in Kenntnis setzte. Autor war Ingenieur James Bicheno Francis (1815-1892), in Southleigh in der Grafschaft Oxfordshire in England geboren und meist als amerikanischer Ingenieur apostrophiert. Die in seiner Schrift erwähnte Wasserkraftmaschine wurde ein großer Erfolg und führt bis heute den Namen seines Erfinders

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 9: James Francis, *18. 05. 1815 in Southleigh (GB), †18. 09. 1892 in Lowell (Mass. USA).37

Über die Priorität seiner Erfindung wurde viel gestritten. Doch den Anteil des Gedankengutes anderer Techniker und Erfinder, vor allem von französischen und deutschen Wegbereitern, stellte Francis in seinem Buch keineswegs in Abrede.

Unter diesen Pionieren war der Franzose Arthur Morin (1795-1880), der Amerikaner Ellwood Morris und der Deutsche Gustav Anton Zeuner (1828-1907). Francis kam im Alter von 18 Jahren nach Amerika und erwarb sich durch Selbststudium ein umfangreiches Wissen in Mathematik und Mechanik. Er wurde Betriebsleiter einer Werkstätte für Eisenbahnbedarf, interessierte sich aber auch für die Verwertung der Wasserkräfte am Merrimak-River in New Hampshire. Er plante Kanalsysteme zum Schutz der Stadt Lowell vor Hochwasser, die tatsächlich gebaut wurden und sich bei einem Jahrhunderthochwasser im Frühling des Jahres 1852 als Rettung der Stadt erwiesen.38

1849 baute er zwei Ausführungen seiner Turbine bei einer Baumwollspinnerei namens Boot ein, weswegen seine Turbinen in der Anfangszeit auch Booträder hießen. Mit einer Leistung von 136 PS (100 KW) und einem Wirkungsgrad von 80 % bei voller Beaufschlagung übertrafen sie alle bisherigen Maschinen. Allerdings sank der Wirkungsgrad bei Teilbeaufschlagung rapide ab. Francisturbinen waren ursprünglich reine Radialturbinen; eine Reihe von Verbesserungen, an denen mehrere amerikanische Techniker beteiligt waren, führten 1869 zu einer Konstruktion, bei der das Wasser in den Schaufeln in die axiale Richtung umgelenkt wurde. Das Wasser trat nun radial ein und axial in Richtung des Saugrohres vertikal aus. Damit wurde die heutige Form des Francis-Laufrades geschaffen.

Die in den USA entwickelten schnellläufigen Francisturbinen, die man dort auch Herkules- oder Samsonturbinen39 nannte, brachten weitere konstruktive Anregungen, die in Europa bald aufgegriffen wurden. Zu erwähnen ist hier Professor Wilhelm Kankelwitz in Dresden, der später an die Technische Hochschule in Stuttgart berufen wurde und dort in der Fa. Voith in Heidenheim eine große Unterstützung fand.40 Bevor die Francisturbine ihre große Leistungsfähigkeit entfalten konnte, musste noch das Problem der Regelung gelöst werden. Begründung: Eine Turbine wird für eine bestimmte Nenndrehzahl und eine bestimmte Schluckfähigkeit gebaut; ändert sich die Größe des Wasserzuflusses, oder ändert sich die Belastung der Turbine, weil sich die Abnahme der elektrischen Energie aus dem von der Turbine angetriebenen Generator ändert, dann muss man den Wasserzufluss zur Turbine so einstellen können, dass die Drehzahl möglichst konstant bleibt.

Bis zur Entwicklung der drehbaren Leitschaufeln geschah dies mit einem Spaltschieber (Spaltring), der in den Spalt zwischen dem fixen Leitrad und dem Laufrad eingeschoben werden konnte und damit den Wasserzufluss mehr oder weniger absperren konnte. Allerdings war diese Art der Steuerung des Zuflusses mit starker Wirbelbildung verbunden.41

Die Lösung dieses Problems ermöglichte der Leitapparat mit einem fest angeordneten Schaufelkranz und drehbaren Schaufeln. Als Erfinder dieses Leitapparates gelten der Engländer James Thomson42 (1822-1892), der ältere Bruder von Sir William Thomson (Lord Kelvin of Largs, 1824-1907) und der Deutsche Prof. Carl Ludwig Fink (1821-1888).43 Fink hatte darauf hingewiesen, dass man mit drehbaren Leitschaufeln bei von außen beaufschlagten Radialturbinen, alle Leitkanäle durch einen gemeinsamen Antrieb gleichmäßig verengen bzw. vergrößern und damit die Regulierung des Wasserzuflusses der Turbine sehr gut vornehmen könne. Die Konstruktion der drehbaren Leitschaufeln setzte sich sehr bald durch und wurde erstmals durch die Firma Voith 1873 bei Francisturbinen eingesetzt.44

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 10: Prinzip-Anordnung einer Francisturbine mit Leitrad, Laufrad und Saugrohr.45

Die Turbine von Francis wurde weiterentwickelt, vor allem in Deutschland durch die Firma Voith in Heidenheim, die ihr Produktionsprogramm von Papiermaschinen um Wasserturbinen erweiterte.46 Mit dem Aufschwung der Elektrotechnik kamen auch zahlreiche Turbinenaufträge. Voith lieferte 1905 als Ersatz für die bis dahin im Kraftwerk an den Niagarafällen verwendeten Fourneyron-Turbinen, die damals größten Francis-Turbinen der Welt mit je 8.835 KW. An einem der größten Kraftwerke der Welt, Itaipu (indianisch: „singender Stein“), am Rio Parana an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay, das 1984 in Betrieb ging, wurden ebenfalls von Voith 18 Francisturbinen mit einer gigantischen Leistung von je max.

800 MW eingebaut.47 Die Gesamtleistung dieser 18 Turbinen entspricht fast dem Zweifachen des derzeitigen durchschnittlichen Leistungsbedarfs Österreichs.48

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 11: Laufrad einer Francis-Turbine max. 800 MW des Kraftwerkes Itaipu.49 Bildquelle: Voith Siemens Hydro Power.

2.5 Lester Pelton

Lester Allen Pelton (1829-1908) wurde im US-Bundesstaat Ohio geboren. 1849 lockte ihn, wie Tausende andere, der „Goldrausch“ nach Kalifornien. Er sammelte allerdings nicht Nuggets, sondern befasste sich mit der technischen Seite der Goldgräberei, z.B. mit den Stampfmühlen zum Zerkleinern des Gesteins, die von einfachen Wasserrädern angetrieben wurden. Als die Universität von Kalifornien einen Wettbewerb über Wasserräder ausschrieb, gewann er mit seinem Projekt den ersten Preis.50 Seine Haupterfindung war jedoch die Freistrahlturbine, die nach ihm Peltonturbine genannt wurde und bis heute ihre große Bedeutung beibehalten hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 12: Stoßrad (Löffelrad)

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Bild 13: Lester Pelton51

einer rumänischen Mühle.52 * 05. 09. 1829, Vermillon, Ohio

Foto: Deutsches Museum, München. † 17. 03. 1908, San Francisco.

Doch auch diese Freistrahlturbine von Pelton konnte auf einige VorgängerKonstruktionen aufbauen: z.B. auf das „Zuppinger-Rad“ des Schweizer Erfinders und Direktors von Escher Wyss & Co. Walter Zuppinger aus der Zeit um 1846, sowie auf eine teilweise beaufschlagte, zentrifugale Turbine des letzten sächsischen Oberkunstmeisters Friedrich Wilhelm Schwamkrug (1808-1880)53 aus dem Jahre 1850. Die Turbine Schwamkrugs ist eine von innen über eine Düse beaufschlagte Radialturbine, die für größere Gefälle gebaut wurde und sogar bis in die 30er Jahre des 20. Jahrhunderts noch vereinzelt im Einsatz war.54

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 14:Turbine von Friedrich Wilhelm Schwamkrug 1850. 55

Die erfolgreichste Freistrahlturbine unter den Peltonvorläufern war jedoch die Maschine des französischen Wasserbautechnikers Dominique Girard (1815-1871), die eine große Rolle im Turbinenbau gespielt hat und über viele Jahre eingesetzt wurde. Diese voll beaufschlagte Axial-Turbine musste frei über dem Unterwasser aufgestellt werden. Das war nachteilig, weil nicht das gesamte Gefälle bis zum Unterwasserspiegel ausgenützt werden konnte. Um diesen Nachteil zu vermeiden, änderte man die Schaufelkonstruktion durch zusätzliche Anbringung von Rückenschaufeln auf die eigentlichen Schaufeln. Dadurch entstanden engere Schaufelkanäle zur Wasserführung. Das Ergebnis war die so genannte Kombinations- oder Grenzturbine. In normalen Fällen arbeitete die Turbine als Freistrahlturbine, stieg das Unterwasser an und tauchte deshalb das Laufrad in das Wasser ein, so arbeitete die Turbine ähnlich wie eine Überdruckturbine. Die Axialturbine nach Girard hat einen ähnlichen Aufbau, wie die Turbine nach Jonval. Bei der Girard-Turbine überträgt das Wasser seine Energie durch seine Geschwindigkeit allein, während bei der Jonvalturbine auch die hydraulische Pressung mithilft. Die Jonvalturbine wurde daher im Gegensatz zur Freistrahlturbine, auch als Pressstrahl-Turbine bezeichnet.56

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Bild 15: Freistrahlturbine von Dominique Girard um 1863.57

Girard konstruierte auch jene Wasserturbine, die beim Bau des St. Gotthard- Tunnels die Druckluft-Kompressoren antrieb.58 Das Gefälle betrug dort 180 m. Girard war ein besonders eifriger Konstrukteur. Er hat die verschiedenartigsten Lösungen gefunden, unter anderem auch Turbinen, die als Heberturbinen arbeiten konnten, bei der der Zufluss zur Axialturbine über dem Oberwasserspiegel lag.59 Erwähnenswert ist auch noch die Bánki-, oder Michell-Turbine. Es handelt sich dabei um ein walzenförmiges Radialrad mit einfach gekrümmten Schaufeln. Die Walze wird über einen Leitapparat von außen beaufschlagt, wobei das Wasser bei der Durchströmung der Turbine, wie aus der Abbildung ersichtlich ist, die Schaufeln zweimal beaufschlagt, beim Eintritt und beim Austritt. Eine Unterteilung der Walze in zwei Zellen ermöglicht bei geringerer Wasserführung, statt einer Teilbeaufschlagung der ganzen Turbine, die Vollbeaufschlagung eines Teiles der Turbine, wodurch ein besserer Wirkungsgrad erzielt wird. Diese von der Fa. Ossberger weiterentwickelte Turbine wurde 1933 als „Durchströmturbine“ patentiert und ist heute unter dem Namen „Ossberger-Turbine“ bekannt und wird bei Kleinkraftwerken eingesetzt. Die Banki-Michell-Ossberger-Turbinen erreichen eine spezifische Drehzahl ns von ungefähr 60 -140.60

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Bild 16: Bánki - oder Michell-Turbine.61

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Bild 17: Dona Bánki62

Schließlich seien aus mehreren Turbinenentwicklungen noch zwei besonders bemerkenswerte herausgegriffen, die bis in die ersten Jahrzehnte des 20.

Jahrhunderts auf Grund ihrer Schnellläufigkeit und ihres beachtlichen Wirkungsgrades eine gewisse Bedeutung erlangt hatten. Es handelt sich dabei einerseits um die so genannte Lawaczeck-Turbine von Dr. Ing. Franz Lawaczeck (1880-1969) aus Pöcking in Oberbayern und um die Schraubenturbinen der Firma TH. Bell, in Kriens (CH). Die Lawaczeck-Turbine, war eine Schrägpropeller-Turbine, die bis zu großen Leistungen von den Firmen A.B. Finshyttan in Schweden, der Fritz Neumeyer AG. in München und den Ateliers de Charmilles in Genf gebaut wurde. Die Schraubenturbine, die auf die ursprüngliche Form der Lawaczeck- Turbine zurückgeht, wurde in modifizierter Form als Schnellläufer von der Maschinenfabrik Bell für Leistungen bis zu mehreren hundert PS und spezifischen Drehzahlen bis 955 U/min gebaut.

Wie alle Propellerturbinen und auch die Schraubenturbine, erreichten diese einen hohen Wert des Wirkungsgrades nur bei einer bestimmten hohen Beaufschlagung; bei Teilbeaufschlagung sanken die Wirkungsgrade rasch ab und konnten daher mit den noch zu beschreibenden Kaplan-Turbinen nicht mithalten.

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Bild 18: Schräg-Propellerrad nach Lawaczeck.63

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Bild 19: Schraubenturbine von Th. Bell.64

Zurück zu Pelton: Seine umfangreichen Versuche führten zu einer Schaufelform, bei der der auftreffende Wasserstrahl in zwei Teile zerschnitten und um fast 180 Grad umgelenkt wurde.65 1880 erhielt Pelton auf seine Erfindung der Freistrahlturbine ein amerikanisches Patent. 1887 gründete er in San Francisco die „Pelton Water Wheel Company“. Seine Turbine wurde in Amerika zu einem großen Erfolg. Das lag vor allem daran, dass sie ein weit gespanntes Anwendungsgebiet hatte. Sie konnte als „Peltonmotor“ für die kleinsten Wassermengen und Leistungen, etwa zum Betrieb von Nähmaschinen eingesetzt werden, aber auch zum Antrieb für größere Generatoren. Beispielsweise wurde mit einer derartigen Turbine von 294 KW bei einem Gefälle von 108 m und einer Wassermenge von rund 1m3 /sek. in Redlands in Kalifornien ein Drehstromgenerator angetrieben. Zum Vergleich: Eine moderne Peltonturbine im Kraftwerk Sy-Sima in Norwegen liefert eine Leistung von 315.000 KW (31,5 MW).66

Roland Gööck schreibt, dass Pelton angeblich nicht viel von den Verkaufserfolgen profitierte. Als Pelton 1908 in San Francisco starb, hinterließ er nur 20.000 Dollar, aber ein sehr erfolgreiches Turbinenprinzip, das bis heute seine große Bedeutung behalten hat.67

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Bild 20: Laufrad einer zweidüsigen Peltonturbine vor dem Gebäude der ehemaligen Tauernkraftwerke AG. in der Bahnhofstrasse in Salzburg (Aufn. des Verf. Dezember 2002).

Die Aufteilung der zufließenden Wassermenge auf zwei oder mehr Düsen verringert die Bechergröße und damit den Laufraddurchmesser, wodurch die spezifische Drehzahl erhöht werden kann. Das oben gezeigte Laufrad gehörte zu einer Turbine der Fa. Voith, St. Pölten, Baujahr 1943, Leistung 15.456 KW, einem Schluckvermögen von 3,8 m3 je Sekunde und einer Nenndrehzahl von 600 Umdrehungen pro Minute. Die Turbine war im Kraftwerk Zillertal von 1948-1969 in Betrieb und erbrachte in dieser Zeit eine elektrische Arbeit von 1,25 Milliarden KWh. Die Nachrechnung ergibt eine spezifische Drehzahl von ns = 35 U/min.

2.6 Die ersten Turbinen mit drehbaren Laufschaufeln

Besonders interessant ist, dass Professor Carl Ludwig Fink schon im Jahre 1878 erwähnte, dass auch drehbare Laufschaufeln zur Erreichung eines günstigen Wirkungsgrades beitragen würden.68

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Bild 21: Carl Fink,* 24. 02. 1821 Potsdam, † 15. 02. 1888 Berlin.69

Da die Elektrotechnik jedoch zu dieser Zeit noch nicht so weit fortgeschritten war - die Wechselstrom-Synchronmaschinen und Induktionsmotoren wurden erst ab 1887

[...]


1 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit. Wind, Wasser, Sonne, Kohle, Öl. Blaufelden 2000. S. 78.

2 Architekt Anton Wilhelm (1900-1984), Frankenmarkt 1950. Anton Wilhelm war Absolvent der

Meisterklasse der Akademie der bildenden Künste in Wien bei Prof. Peter Behrens. Aufnahme: Foto Gruber, Salzburg 1992.

3 Lechner, Alfred: Viktor Kaplan. In: Österreichisches Forschungsinstitut für Geschichte der Technik in Wien (Hrg.), Sonderausgabe aus: Blätter für Geschichte der Technik, drittes Heft, (1936), Heft 3, S. 15- 73. Wien 1936, S. 11.

4 König, Felix von: Bau von Wasserkraftanlagen. Karlsruhe 1985, S. 214- 218.

5 Vitruv: DE ARCHITECTURA LIBRI DECEM, zehn Bücher über Architektur. Übersetzt und durch Anmerkungen und Zeichnungen erläutert von Dr. Franz Reber. Wiesbaden 2004, nach der Ausgabe Berlin 1908, S. 351- 356.

6 Matschoß, Conrad: Große Ingenieure. Lebensbeschreibungen aus der Geschichte der Technik. 2. Aufl. München, Berlin 1938, S. 22-25. Vergl. Moosleitner, Fritz: Vorwort in: Schalk, Eva Maria: Die Mühlen im Land Salzburg. Salzburg 1986.

7 Brandstetter, Alois: Die Mühle. München 1981, S. 64- 69.

8 Ossberger Turbinenfabrik: Wasserkraft aus Weissenburg. O.J. S. 2.

9 König, Felix von: Bau von Wasserkraftanlagen. Karlsruhe 1985, S. 16.

10 Die Bezeichnung „schlächtig“ kommt vom Aufschlagen des Wassers auf die Schaufeln.

11 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit, (wie Anm. 1), S. 102.

12 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, hier S. 58.

13 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit (wie Anm. 1), S. 102- 103.

14 König, Felix von: Bau von Wasserkraftanlagen. Karlsruhe 1985, S. 209- 218.

15 Pálffy, Sándor O u.a.: Wasserkraftanlagen, Klein- und Kleinstkraftwerke. 2. Aufl. Renningen- Malmsheim 1994, S. 13. (Kontakt & Studium, Bd. 322). Vergl. Reichel, Ernstl: Aus der Geschichte der Wasserkraft- Maschinen. In: Beiträge zur Geschichte der Technik und Industrie. Jahrbuch des Vereins Deutscher Ingenieure, Vol.18 (1928), S. 57-68, hier S. 59.

16 Burstall, Aubrey: Wasserturbine. In: De Bono, Edward (Hrsg.): Illustrierte Geschichte der Erfindungen. Luzern, Frankfurt a. M. 1975, S. 73. Vergl. Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit. (wie Anm. 1), S. 113.

17 Ebda.

18 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit, (wie Anm. 1), S. 113. Vergl. Mähr, Christian: Vergessene Erfindungen. Warum fährt die Natronlok nicht mehr? 3. Aufl. Köln 2004, S. 72. Mähr macht hier den Hinweis, dass die Dampfkugel Herons oft als erste Turbine gepriesen wurde.

19 Kaplan, Viktor: Die Entwicklung der Theorie und des Baues der Wasserkraftmaschinen. In: Der Mühlen- und Speicherbau. IV (1911), 14, S. 205- 213, hier S. 205.

20 Prony war einer der Gründer der Pariser Ecole Polytechnique.

21 Menge, Erich/Zimmermann Ernst: Mechanikaufgaben. Grundbegriffe Statik starrer Körper, 24. Aufl. Berlin, Hannover, Darmstadt 1954, S. 166.

22 Vergl. Mähr, Christian: Vergessene Erfindungen. Warum fährt die Natronlok nicht mehr? 3. Aufl. Köln 2004, S. 72: „Die `Dampfkugel` Herons, oft als erste Turbine gepriesen, war bezeichnenderweise ein nutzloses Spielzeug, Kompromiss zwischen technischem Grundverständnis und einer psychischen Hemmung vor dem Betreten `verbotener` Bereiche.“

23 Vergl: Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraft- Maschinen (wie Anm. 12) S. 57- 68, hier S. 60.

24 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit. (wie Anm. 1). S. 113. Vergl. Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen. Eine Einführung in Wesen, Bau und Berechnung von Wasserkraftmaschinen und Wasserkraftanlagen. 8. Aufl. Berlin 1939, S. 36. Vergl. König, Felix von: Bau von Wasserkraftanlagen. Karlsruhe 1985, S. 21. Vergl.: Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen, S. 13. Vergl. auch: Lechner, Alfred: Viktor Kaplan. In: Blätter für Geschichte der Technik, (1936), 3, S. 14. Eine Fourneyron-Turbine kann man im Deutschen Museum in München besichtigen. Vergl. Pálffy, Sándor O. u. a.: Wasserkraftanlagen, (wie Abm.15).

25 Burgstall, Aubry: Wasserturbine. In: De Bono, Edward Erfindungen. Luzern, Frankfurt 1975, S. 73. (Hrsg.): Illustrierte Geschichte der

26 König, Felix von: Bau von Wasserkraftanlagen. Karlsruhe 1985, S. 23

27 Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraft- Maschinen, (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 60. Vergl.: The American Society of Mechanical Engineers: The Conservation Trust of Puerto Rico. A National Historic Mechanical Engineering Landmark, Puerto Rico, July 16, 1994, S. 1- 17, hier S. 3.

28 Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraft- Maschinen, (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 60.

29 Ebda.

30 König, Felix von: Bau von Wasserkraftanlagen. Karlsruhe 1985, S. 118. Vergl. Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen (wie Anm. 24), 8. Aufl. Berlin 1939, S. 36. Vergl. Lechner, Alfred: Viktor Kaplan. In: Blätter für Geschichte der Technik, (1936), S. 14.

31 Henschel (Jonval)-Turbine aus 1841, gebaut von Henschel & Sohn, Kassel. Erste Turbine mit Saugrohr, in Betrieb bis 1880.

32 Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen (wie Anm. 24), Berlin 1939, S. 36. J. Jonval war Werkmeister bei der Maschinenbaufirma Andre Koechlin in Mühlhausen im Elsass. Er baute ähnliche Turbinen wie Henschel. Vergl. Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen. S. 62. (wie in Anm. 12). Vergl. Ruckdeschel, Wilhelm: das Untere Brunnenwerk zu Augsburg durch vier Jahrhunderte. Von der Archimedischen Schraube zur Jonvalturbine. In: Zeitschrift für Technikgeschichte, Bd. 47 (1980), S. 345- 364, hier S. 358. Vergl. Kaplan, Viktor: Die Entwicklung der Theorie und des Baues der Wasserkraftmaschinen. In: Der Mühlen- und Speicherbau. IV (1911), 14, S. 205- 213, hier S. 206.

33 Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 61.

34 Ebda., S. 60.

35 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit. (wie Anm. 11), S.120. Vergl. Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen, (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 61. Vergl. Meerwarth, Karl: Wasserkraftmaschinen. 11. Aufl. Berlin 1974, S. 46- 49.

36 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit (wie Anm.1), S. 119.

37 Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen. (wie Anm. 12), (1928), S. 57- 68, hier S. 62.

38 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit (wie Anm.1), S. 121.

39 Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen. Ein Leitfaden zur Einführung in Bau und Berechnung moderner Wasserkraftmaschinen und - Anlagen, 1. Aufl. Stettin 1906, S. 38.

40 Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen (wie Anm. 27), S. 57- 68, hier S. 63.

41 Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen. Stettin 1906, (wie Anm. 39), S. 54.

42 URL: http://www.bbc.co.uk/history/historic_figures/thomson_james.shtml [25.10.2005]

43 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit, (wie Anm. 1), S. 122. Vergl. Schweickert, Hermann: Der Wasserturbinenbau bei Voith zwischen 1913 und 1939 und Geschichte der Eingliederung neuer Strömungsmaschinen. Phil. Diss. Stuttgart 2002, S. 20. Vergl. Meerwarth, Karl: Wasserkraftmaschinen. 11. Aufl. Berlin 1974, S. 135- 143.

44 Fink, Carl: Theorie und Konstruktionen der Brunnen-Anlagen, Kolben- und Zentrifugalpumpen, der Turbinen, Ventilatoren und Exhaustoren. 2. Aufl. Berlin 1878. S. 224-225. Vergl. Schweickert, Hermann (wie Anm. 43) S. 20.

45 Quelle: Pálffy, Sándor O. u.a.: Wasserkraftanlagen, (wie Anm.15), S. 11. Die Schaufeln des Leitrades werden gemeinsam über einen Regulierring verstellt, welcher über eine vertikale Welle und einem Gestänge verdreht werden kann. Wegen der notwendigen großen Verstellkräfte, erfolgt der Antrieb der vertikalen Welle durch einem Servomotor (Hydraulikantrieb), welcher seine Befehle von einem Regler bekommt, der eine konstante Drehzahl und die Erhaltung des Niveaus des Oberwasserspiegels gewährleisten soll.

46 Kaplan, Viktor: Die Entwicklung der Theorie und des Baues der Wasserkraftmaschinen. In: Der Mühlen- und Speicherbau. IV (1911), 14, S. 205- 213, hier S. 207.

47 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit (wie Anm. 1), S. 119. Vergl. Meerwarth, Karl: Wasserkraftmaschinen. 11. Aufl. Berlin 1974, S. 46- 49. Vergl. König, Felix von: Bau von Wasserkraftanlagen. Karlsruhe 1985, S. 71. Die Leistung einer Turbine beträgt nach Voith Siemens bis 800 MW (Prospekt 13178e03.04.3000 MSW, S.7).

48 Jede dieser Turbinen leistet rund ein Zehntel des durchschnittlichen Leistungsbedarfs Österreichs. Der Jahresverbrauch Österreichs des Jahres 2010 an elektrischer Energie betrug (Quelle; E- Controll 2010) rund 65 Millionen MWh (incl. Pumpspeicherung) davon rund 67 % aus Wasserkraftanlagen. Die durchschnittliche Leistung beträgt demnach: 65.106 MWh : 8760 Std. = ca. 7400 MW.

49 Das Kraftwerk Itaipu („singender Stein“) Brasilien/Paraguay, weist eine Fallhöhe von rund 118 m auf. Die Turbinenleistung beträgt 700- max. 800 MW (Voith Siemens Hydro Power, Prospekt 13178e03.04.3000 MSW, S. 7).

50 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit (wie Anm. 1), S. 119. Vergl. Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen, (wie Anm.39), Berlin S. 37- 38.

51 Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen, (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 64.

52 Deutsches Museum München: Es handelt sich um eine Nachbildung mit Originalteilen einer rumänischen Löffelradmühle um 1850. Vergleiche Reichel, Ernst (wie Anmerkung 51), S. 58.

53 Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen. (wie Anm. 24), Berlin 1939, S. 38. Vergl. Meerwarth, Wasserkraftmaschinen S. 46. Vergl. Gööck: Erfindungen der Menschheit. (wie Anm. 11). Schwamkrug, geb. in Schneeberg im Erzgebirge, studierte von 1826 -1830 an der Bergakademie Freiberg. Vergl. Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen, (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 61.

54 Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen. (wie Anm.24), Berlin 1939, S. 38. Vergl. Meerwarth, Wasserkraftmaschinen S. 46. Vergl. Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraft- Maschinen, (wie Anm.12), S. 57- 68, hier S. 60- 61.

55 Quantz, Ludwig (wie Anm.24), 8. Aufl. Berlin 1939, S. 38.

56 Kaplan, Viktor: Die Entwicklung der Theorie und des Baues der Wasserkraftmaschinen. In: Der Mühlen- und Speicherbau. IV (1911), 14, S. 205- 213, hier S. 206.

57 Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen, (wie Anm. 24), Berlin 1939, S. 38. Vergl. Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit, (wie Anm. 11), S.124. Vergl. Kaplan, Viktor: Die Entwicklung der Theorie und des Baues der Wasserkraftmaschinen. In: Der Mühlen- und Speicherbau. IV (1911), 14, S. 205- 213, hier S. 206.

58 Meerwarth, Karl: Wasserkraftmaschinen. 11. Aufl. Karlsruhe 1985, S. 46.

59 Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraft- Maschinen. (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 60- 61.

60 Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen (wie Anm.24), Berlin 1939, S. 39. Vergl. Pálffy, Sándor O. u.a.: Wasserkraftanlagen, (wie Anm. 15), S. 23. Vergl. Schweickert: Der Wasserturbinenbau bei Voith (wie Anm.43), S. 261-262.

61 Bild aus: Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen, (wie Anm.24), Berlin 1939, S. 39 Vergl. Meerwarth, Karl: Wasserkraftmaschinen. 11. Aufl. Karlsruhe 1985, S. 51. Vergl. Banki, Donát: Eine neue Wasserturbine. In: Die Wasserwirtschaft Nr. 15 (1918), S. 231- 233. Vergl. König, Felix: Bau von Wasserkraftanlagen, S. 171- 173.

62 Bild aus: Mosonyi: Wasserkraftwerke. VDI-Verlag, 2. deutsche Auflage. Düsseldorf 1966, Bd. I, S. 121.

63 Bild aus: Quantz, Ludwig: Wasserkraftmaschinen (wie Anm.24), Berlin 1939, S. 58.

64 Bild aus: Karl Reindl: Die neuesten Fortschritte im Turbinenbau. In: Die Wasserkraft (1924), 14, S. 255- 264, hier S. 258.

65 Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 64.

66 Gööck, Roland: Erfindungen der Menschheit, (wie Anm. 1), S. 132.

67 Ebda.

68 Fink, Carl: Theorie und Konstruktion der Brunnenanlagen, Kolben- und Zentrifugalpumpen, der Turbinen, Ventilatoren und Exhaustoren. Berlin 1878, S. 225. Vergl.: Reichel, Ernst: Aus der Geschichte der Wasserkraftmaschinen, (wie Anm. 12), S. 57- 68, hier S. 62.

69 Ebda.

Details

Seiten
125
Jahr
2016
ISBN (eBook)
9783656817536
ISBN (Buch)
9783656817529
Dateigröße
9.8 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v282027
Note
Schlagworte
Wasserturbinen Wasserkraft Enegietechnik

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Titel: Die Wasserkraftnutzung im Wandel der Zeit