Kaplan-Turbine

Während die Francis-Turbine nur noch selten im Mittel- und Niederdruckbereich eingesetzt wird, spielt die Kaplan-Turbine in ihren verschiedenen Bauformen insbesondere in Flusskraftwerken heute eine dominante Rolle. Sie basiert auf einer Entwicklung des Österreichers Viktor Kaplan (1876-1934). Zu Kaplans Verdiensten gehörte die Weiterentwicklung der Propellerturbine mit einem steuerbaren Laufrad, was letztlich zu der nach ihm benannten Turbine führte. Darüber hinaus entdeckte er die Kavitation, die ein maßgebliches Problem bei Überdruckturbinen ist und zu deren Verschleiß führt. 

Der Leitapparat der Kaplan-Turbine etwas näher dargestellt: Ein Umlaufender Kranz ist mit allen Flügeln des Leitapparates verbunden. Die Drehung dieses Kranzes wirkt auf alle Flügel also gleichermaßen und reguliert die Wasserbeaufschlagung. Das Foto zeigt ein Exponat des VEAG-Wasserkraftmuseums Ziegenrück/Thüringen

Der Leitapparat der Kaplan-Turbine etwas näher dargestellt: Ein Umlaufender Kranz ist mit allen Flügeln des Leitapparates verbunden. Die Drehung dieses Kranzes wirkt auf alle Flügel also gleichermaßen und reguliert die Wasserbeaufschlagung. Das Foto zeigt ein Exponat des VEAG-Wasserkraftmuseums Ziegenrück/Thüringen

Die Kaplan-Turbine ist eine Weiterentwicklung der einfachen Propellerturbine, deren Laufrad einer gewöhnlichen Schiffsschraube ähnelt. Sie unterscheidet sich von der Propellerturbine dadurch, dass neben den Flügeln des Leitapparates auch die Laufradschaufeln verstellbar sind. Die Turbine ist für sehr große Durchflüsse geeignet und wird sowohl in relativ niedrigen Fallhöhen als auch im Mitteldruckbereich bei Fallhöhen von bis zu 80 m eingesetzt. Bei größeren Fallhöhen wählt man vorzugsweise Francis- oder Pelton-Turbinen.

Die Anströmung erfolgt axial, also anders als bei der Francis-Turbine nicht seitlich, sondern von oben nach unten (bei senkrechter Achse) auf das Laufrad. Neben der vertikal montierten Turbine gibt es Versionen in waagerechter bzw. – in Strömungsrichtung – leicht nach unten geneigter Montage. Auch in der waagerechten Ausführung der Kaplan-Turbine ist der Generator direkt oder über ein Getriebe auf der Welle platziert. Die Einheiten aus gekapselten Generator und Getriebe, Leitapparat und Laufrad werden in waagerechter Anordnung als Rohrturbine bezeichnet. Unterschiedliche Bauarten der Kaplan-Rohrturbinen sind:

  • S-Rohrturbine

  • Kegelrad-Rohrturbine

  • Getriebe-Rohrturbine

  • Straight-Flow-Turbine (Straflo-Turbine)

Das Exponat des VEAG-Wasserkraftmuseums Ziegenrück zeigt eine Kaplanturbine mit aufgeschnittenem Leitapparat. Das Laufrad ähnelt dem einer Schiffsschraube. Die Besonderheit dieser Turbine ist, dass sowohl Leitapparat als auch Laufrad verstellbar sind.

Das Exponat des VEAG-Wasserkraftmuseums Ziegenrück zeigt eine Kaplanturbine mit aufgeschnittenem Leitapparat. Das Laufrad ähnelt dem einer Schiffsschraube. Die Besonderheit dieser Turbine ist, dass sowohl Leitapparat als auch Laufrad verstellbar sind.

Kleinere Ausführungen der Kaplan-Turbine verzichten auf einen steuerbaren Leitapparat. Hier steuern allein die verstellbaren Schaufeln des Laufrades den Durchfluss. In der Regel ist es gerade das Zusammenspiel aus steuerbarem Leitapparat und verstellbaren Laufradschaufeln, die über einen sehr breiten Beaufschlagungsbereich gute Wirkungsgrade ermöglicht.

Bei kleineren (klassischen, senkrechten) Anlagen wird zudem oft auf einen vollständigen Spiralzulauf verzichtet. So wird meist ein Einlaufschacht oder eine Halbspirale für die Triebwasserzufuhr verwendet. Größeren Turbinen wird das Triebwasser über eine Stahlrohrspirale oder eine mit Stahl stabilisierte Betonkonstruktion zugeführt. Die Spirale sorgt auch hier – wie bereits bei der Francis-Turbine gesehen – für die gleichmäßige Verteilung des Triebwassers und erzeugt einen Drall. 

Kaplan-Rohrturbinen werden vornehmlich im Niederdruckbereich eingesetzt. Sie sind vergleichsweise kostengünstig zu konstruieren und haben einen geringen Platzbedarf. Dieser Turbinentyp wird mit einer horizontalen oder leicht gegen die Waagerechte geneigten Welle betrieben. Dabei befinden sich der Einlaufschacht, die Turbine und der Saugschlauch in einer Linie. Der Generator befindet sich in einem vollständig umströmten birnenförmigen Gehäuse, das zumeist direkt vor dem Laufrad angeordnet ist. Gegebenenfalls befindet sich innerhalb des Gehäuses ein Getriebe zur Drehzahl- und Drehmomentanpassung.

Eine besondere Art der Rohrturbine ist die Straight-Flow- bzw. Straflu-Turbine. Bei dieser Variante ist der Generator außerhalb des durchströmten Rohres um die Turbine herum angeordnet. Damit kann die Turbine noch kompakter gebaut werden.

(rs/01-2016)