Pelton-Turbine
Wenn man heute von einer Freistrahlturbine spricht, meint man in der Regel die Pelton-Turbine, benannt nach dessen Erfinder Lester Allan Pelton. Eingesetzt wird die Pelton-Turbine vor allem bei großen Fallhöhen. Obwohl dadurch ein sehr hoher Druck im Zulaufrohr herrscht, gehört die Pelton-Turbine zu den Gleichdruckturbinen. Das liegt daran, dass der hohe Druck im Fallrohr am Düsenaustritt in einen Strahl mit hoher Geschwindigkeit (mehrere hundert km/h sind realistisch) umgesetzt wird. Der Wasserstrahl trifft dabei unter Atmosphärendruck auf die becherförmigen Doppelschaufeln. Das bedeutet, dass der Eintrittsdruck auf dem Laufrad gleich dem Austrittsdruck ist.
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.
Francis-Turbine
Die Francis-Turbine wurde erfunden von James Bicheno Francis. Sie gehört zu den Überdruckturbinen. Das bedeutet, dass das Wasser mit einem größeren Druck auf das Laufrad trifft als es dieses verlässt. Durch ein Saugrohr am Turbinenausgang wird zusätzlich ein Unterdruck erzeugt und damit die Druckdifferenz bzw. – auf die Höhenverhältnisse übertragen – die Nettofallhöhe vergrößert. Zwei verschiedene Bauformen kommen zum Einsatz:
Wasserkraftschnecke
Bei der Wasserkraftschnecke handelt es sich um die reverse Nutzung eines ursprünglichen Hebe-“Pumpen“-Systems. Das Grundprinzip ist die Archimedische Schraube. Archimedes, ein griechischer Mathematiker, lebte im dritten Jahrhundert v. Chr. Man schreibt ihm die Erfindung der schraubenförmigen Förderanlage zu. Die gebogene „Schraube“ bildet in ihren Schraubengängen kleine „Becken“, die bei der Drehbewegung scheinbar in die Höhe wandern. Darin eingeschlossenes Wasser kann nicht entweichen und wird ebenso in die Höhe transportiert. Erst am Ende der Schraube öffnet sich dieses „Becken“ und das eingeschlossene Wasser wird nach Überwindung des Höhenunterschiedes freigegeben.
Wasserräder und deren Weiterentwicklungen
Die Historie des Wasserrades reicht bis in das vierte Jahrhundert vor der christlichen Zeitrechnung zurück. Die Wasserkraft gehört damit zu den ältesten vom Menschen mithilfe spezieller Maschinen genutzten Energieformen überhaupt. Damals wurden Wasserräder zur Nutzung der Wasserkraft in der Form von mechanischer Energie verwendet.
Mit Wasserkraft wurden zum Beispiel Mühlen, Schmiedehämmer und Sägewerke betrieben. Um 1875 gab es in Deutschland fast 60.000 Wassermühlen. Die Nutzung der Wasserkraft zur Erzeugung elektrischen Stroms begann in dieser Zeit im sehr späten 19. Jahrhundert.