DruckvorschauWasserräder, Turbinen und Generatoren
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Die Geschichte des Wasserrades |
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Was ist eine Turbine? |
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Peltonturbine |
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Kaplanturbine |
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Generator und Elektromotor |
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Gleichstromgenerator |
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Wechselstromgenerator |
Die Geschichte des Wasserrades
Die Nutzung der Wasserkraft reicht bis ins antike Griechenland und Rom zurück, wo Wasserräder zum Mehlmahlen eingesetzt wurden. Die Verfügbarkeit der billigen Arbeitskraft von Sklaven und Tieren verhinderte jedoch bis um das 12. Jahrhundert eine weitere Verbreitung. Im Mittelalter entwickelte man große Wasserräder aus Holz, die eine maximale Leistung von etwa 37 Kilowatt erbrachten. Die moderne Wasserkraft verdankt ihre Entwicklung dem englischen Bauingenieur John Smeaton, der als erster große Wasserräder aus Gusseisen baute.
Wasserkraft spielte eine wichtige Rolle bei der Industriellen Revolution. Sie gab dem Wachstum der Textil-, Leder- und Fertigungsindustrie Anfang des 19. Jahrhunderts entscheidende Impulse. Zwar war die Dampfmaschine bereits erfunden, aber Kohle war knapp und Holz als Brennstoff unzureichend. Wasserkraft trug zur Entwicklung der ersten Industriestädte in Europa und den USA bei, bis Mitte des 19. Jahrhunderts mit dem Bau von Kanälen billige Transportwege für Kohle geschaffen wurden.
Dämme und Kanäle benötigte man, um bei Gefällen von mehr als fünf Metern mehrere Wasserräder hintereinander einbauen zu können. Der Bau großer Staudammanlagen war jedoch nicht möglich. Die niedrigen Wasserstände im Sommer und Herbst führten in Verbindung mit dem Einfrieren im Winter dazu, dass fast alle Wasserräder durch Dampfkraftanlagen ersetzt wurden, als Kohle leicht verfügbar wurde.
Was ist eine Turbine?
Eine Turbine ist eine Maschine, in der die Strömungsenergie von Wasser, Dampf, Luft bzw. Gas in mechanische Energie umgewandelt wird. Das Grundelement einer Turbine ist ein mit Schaufeln ausgestattetes Laufrad. Die meist gekrümmten Schaufeln sind so am äußeren Rand des Rades angebracht, dass sie bei Betrieb eine tangentiale Kraft auf das Rad ausüben und ihm damit Energie übertragen. Diese mechanische Energie wird dann weiter auf eine Welle übertragen, die dann praktisch am Ende der Übertragungskette beispielsweise eine Maschine, einen Kompressor oder Schraube antreibt. Turbinen teilt man in Wasser-, Dampf- oder Gasturbinen ein. Heute wird weltweit der größte Teil des elektrischen Stroms von turbinengetriebenen Generatoren erzeugt.
Zwei verschiedene Arten von Turbinen
1. Peltonturbine
Die von dem Amerikaner Lester Pelton um 1880 erfundene Pelton- oder Freistrahlturbine ähnelt auf dem ersten Blick einem Wasserrad. An ihrem Laufrad sitzen bis zu 40 becherförmige, durch eine scharfe Schneide in zwei Halbschalen gegliederte Schaufeln. Anstelle des Leitapparats verfügt die Turbine über eine oder mehrere feinregulierbare Nadeldüsen, mit denen sich der Wasserdurchfluss beeinflussen lässt. Aus den Düsen schießt das Wasser tangential auf die zweigeteilten Schaufeln des Laufrades, wobei der Wasserstrahl in den Schaufelmulden eine Ablenkung von nahezu 180 Grad erfährt und seine Energie fast vollständig an die Turbine abgibt. Das Wasser wirkt somit ausschließlich durch den auftretende Ablenkungsdruck auf das Laufrad der Turbine. Peltonturbinen finden bei großen Fallhöhen bis 2000m und relativ geringe Wasserdurchflussmengen, wie z.B. bei Hochdruck-Speicherkraftwerken, Verwendung.
2. Kaplanturbine
Der österreichische Ingenieur Viktor Kaplan orientierte sich am Vorbild der Schiffsschraube, als er um 1910 die Kaplan oder Axialturbine konstruierte. Bei ihr gelangt das allseitig über eine Einlaufspirale und dem verstellbaren Leitapparat einströmende Wasser zunächst in den oberen, schaufellosen Teil des Turbinenschachtes. Hier schwenkt es aus der radialen in die axiale Richtung um. Das Wasser trifft so parallel zur Radachse auf die drei bis acht tragflügelartige und im Gegensatz zur früheren Propellerturbine drehbar gelagerten Schaufeln des Laufrades. Die jederzeit mögliche Veränderung ihres Anstellwinkels gewährleistet die Einhaltung einer optimalen Turbinenleistung.
Kaplanturbinen zeigen ihre Stärke bei kleinen Fallhöhen von 3 bis 80m und großen Wasserdurchflussmengen. Die regulierbaren Laufradschaufeln machen die Turbine gegenüber Schwankungen der Wasserführung und des Gefälles weniger Empfindlich als andere Turbinenarten. Ihr günstiges Teillastverhalten belegt der über einen weiten Belastungsbereich hohe Wirkungsgrad. Von 80 bis 90%. Er steigt mit der Größe der äußerst schnelllaufenden Turbine, die bei Raddurchmessern von ca. 10m Leistungen von annähernd 200MW erbringt.
Generatoren und Elektromotoren
Geräte für die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie bzw. von elektrischer Energie in mechanische Energie durch elektromagnetische Vorgänge. Eine Maschine, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, nennt man Generator. Im Gegensatz dazu wandelt der Elektromotor elektrische Energie in mechanische Energie um.
Der Wirkungsweisen von Motoren und Generatoren liegen zwei verwandte physikalische Prozesse zugrunde. Beim ersten Prinzip handelt es sich um die elektromagnetische Induktion, die erstmals Michael Faraday 1831 nachweisen konnte. Wenn sich ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt, induziert (erzeugt) dieser Vorgang eine elektrische Spannung in dem Leiter. Den umgekehrten Fall, dass ein elektrischer Fluss ein Magnetfeld beeinflusst, konnte Andre Marie Amphere im Jahr 1820 erstmals beobachten.
Das Magnetfeld eines Dauermagneten reicht nur für den Betrieb eines kleinen Dynamos oder Motors aus. Deshalb werden für große Maschinen Elektromagneten verwendet. Sowohl Motoren als auch Generatoren bestehen aus zwei grundlegenden Einheiten: dem Elektromagneten mit seinen Spulen und dem Anker, der die Leiter trägt. Diese schneiden das Magnetfeld und erzeugen praktisch bei einem Generator den induzierten Strom bzw. bei einem Motor den Antriebsstrom. Der Ankerkern besteht meist aus Weicheisen, um den Leitungsdrähte in Form einer Spule gewickelt sind.
Gleichstromgeneratoren
Dreht sich der Anker zwischen zwei Stationären Feldpolen fließt der Strom eine halbe Umdrehung in die eine Richtung und die andere halbe Umdrehung in die entgegengesetzte Richtung. Um Gleichstrom zu erhalten, ist eine Vorrichtung außerhalb des Generators erforderlich welche die Stromrichtung umkehrt. Diese Umkehrung ermöglicht der sogenannte Kollektor (Stromwender oder Kommutator). In der primitivsten Ausführung besteht der Kollektor aus einem gespaltenem Metallring., der auf der Welle des Ankers montiert ist. Die beiden Hälften des Ringes sind von einander getrennt und bilden die Enden der Ankerspule. Feststehende Metall oder Kohlebürsten werden gegen den rotierenden Kollektor gedrückt und stellen den elektrischen Kontakt der Spule zu Drähten außerhalb des Generators dar. Bei der Umdrehung des Ankers haben die Bürsten abwechselnd mit den Hälften des Kollektors Kontakt .In dem Augenblick, in dem der Strom in der Ankerspule seine Richtung ändert, tauschen auch die Kollektorhälften ihre Position. Daher fließt in dem Stromkreis, mit dem der Generator verbunden ist, ein Gleichstrom.
Die höchste Spannung, die von solchen Generatoren erzeugt wird, beträgt meist 1000Volt.
Moderne Gleichstromgeneratoren besitzen trommelförmige Anker mit vielen Wicklungen. Diese sind mit entsprechenden Segmenten eine Mehrfachkollektors verbunden.
Wechselstromgeneratoren
Wie oben beschrieben erzeugt ein einfacher Generator ohne Kollektor einen elektrischen Strom, dessen Richtung sich mit der Drehung des Ankers ändert. Da Wechselstrom Vorteile bei der Übertragung von elektrischer Energie hat, erzeugen die meisten großen Generatoren Wechselstrom. Die einfachste Form des Wechselstromgenerators unterscheidet sich von einem Gleichstromgenerators nur in zwei Punkten: die Ankerwicklungen enden in durchgehenden Ringen an der Welle des Generators und nicht an einem Kollektor, und die Feldspulen werden von einer externen Gleichstromquelle und nicht vom Generator selbst mit Strom versorgt. Wechselstromgeneratoren, die von Hochgeschwindigkeitsturbinen angetrieben werden, sind häufig mit zwei Polen ausgestattet. Vorteilhaft ist die Induktion einer möglichst hohen Spannung. Umlaufende Anker sind für solche Anwendungen wenig geeignet, da es an den Bürsten zu Funkenbildung kommen kann und mechanische Defekte zu Kurzschlüssen führen können. Wechselstromgeneratoren haben dadurch einen feststehenden Anker, in dem sich ein Rotor mit Feldmagneten befindet. Der induzierte Strom im Wechselstromgenerator steigt auf einen Spitzenwert, sinkt auf Null, fällt auf einen negativen Spitzenwert und steigt wieder auf Null. Besitzt der Anker zwei Wicklungen, werden zwei Wechselströme erzeugt man nennt sie Zweiphasenwechselstrom. Die von Wechselstrom erzeugten Spannungen betragen bis zu 13200 Volt.
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