~2026-97159-9: /* Vertikale Kaplan-Turbine */

2026-02-14T22:38:40Z

Vertikale Kaplan-Turbine

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[[Datei:Kaplan Turbine.JPG|mini|Laufrad einer Kaplan-Turbine im [[Technisches Museum Wien|Technischen Museum Wien]]. Deutlich erkennbar ist die Verstellmöglichkeit der einzelnen Schaufeln des Laufrads.]]

Die '''Kaplan-Turbine''' ist eine [[Rotationsachse|axial]] angeströmte [[Wasserturbine]] mit verstellbarem [[Laufrad (Strömungsmaschine)|Laufrad]] und wird in [[Wasserkraftwerk]]en verwendet. Sie wurde vom österreichischen Ingenieur [[Viktor Kaplan]] im Jahre 1913 aus der [[Francis-Turbine]] weiterentwickelt und patentiert.<ref>{{Patent|Land=DE|V-Nr=293591|Titel=Kreiselmaschine (Wasser-, Dampf- oder Gasturbine bzw. Kreiselpumpe oder Gebläse)|V-Datum=1913-07-23|Erfinder=Victor Kaplan}}</ref> Die bei diesem Turbinentyp besonders leicht auftretende [[Kavitation]] führte bei den Entwicklungsarbeiten immer wieder zu Rückschlägen. Die ersten Kaplan-Turbinen konnten erst in einen erfolgreichen Dauerbetrieb gehen, als man es verstand, dieses Phänomen durch [[Konstruktion (Technik)|konstruktive]] Maßnahmen an der [[Turbine]] in den Griff zu bekommen.

== Funktionsprinzip ==
Das Laufrad gleicht bei der Kaplan-Turbine einem Schiffs[[propeller]], dessen Flügel verstellbar sind (vergl. [[Verstellpropeller]]). Die [[Drehzahl]] einer klassischen Kaplanturbine ist unabhängig von der Wassermenge konstant. Daher kann der Generator einer Kaplanturbine mit entsprechender Übersetzung direkt in das Netz einspeisen. Durch die Flügelverstellung des Propellers wird erreicht, dass die Flügel bei schwankenden Wassermengen immer optimal umströmt werden und dadurch einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Turbinen ohne diese Flügelverstellung werden als '''Propellerturbinen''' bezeichnet. Um bei schwankenden Wassermengen ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe Kapazität zu erreichen, wird daher bei Propellerturbinen die Drehzahl angepasst (elektrotechnische Regelung): strömungsmechanisch wird dadurch der gleiche Effekt erzielt wie bei der Verstellung der Laufradflügel einer klassischen Kaplanturbine. Bei konstanten Wassermengen kann auf die Anpassung der Drehzahl bzw. das Verstellen der Laufradflügel verzichtet und direkt ins Netz eingespeist werden.

Vor dem Laufrad befindet sich das [[Beschaufelung|Leitwerk]], auch als Leitschaufeln bezeichnet. Es sorgt dafür, dass das Wasser optimal auf die Schaufeln der Turbine trifft und die Turbine in Rotation versetzt. Durch das Einstellen von Leit- und Laufradschaufeln (doppelte Regulierung) kann der Wirkungsgrad der Kaplan-Turbine jeweils an unterschiedliche Wassermengen und Fallhöhen angepasst werden.<ref>{{Literatur
|Autor=Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi
|Titel=Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb
|Auflage=6
|Verlag=Springer Vieweg
|ISBN=978-3642538704
|Kapitel=14.4.1.1|Seiten=570}}</ref> Der erreichte [[Wirkungsgrad]] liegt im Bereich von 80–95 %.

Doppelt regulierte Turbinen sind bestens geeignet für den Einsatz bei niedrigen bis niedrigsten Fallhöhen und großen sowie schwankenden Durchflussmengen. Die Kaplan-Turbine ist damit prädestiniert für große [[Flusskraftwerk]]e an ruhig fließenden Großgewässern sowie für Bewässerungskanäle, [[Dotierkraftwerk|Restwasserkraftwerke]] und den Einsatz in Mühlen.

Der Wasserdruck nimmt vom Eintritt in das Laufrad bis zum Austritt stetig ab – die [[potentielle Energie]] wird in kinetische Energie umgewandelt. Die Restenergie wird im [[Saugrohr (Wasserbau)|Saugrohr]] abgebaut, das der Turbine nachgeschaltet ist. Durch dieses verlässt das Wasser die Turbine ins Unterwasser.

== Bauarten ==
<gallery class="center" caption="Schemata verschiedener Varianten von Kaplan-Turbinen und Kaplan-ähnlichen Bauformen" classes="center">
KaplanSketch.svg|Vertikale Kaplan-Turbine: Der Generator liegt über dem Wasserzulauf
BulbTurbineSketch.svg|Eigentliche Kaplan-Rohrturbine; Der Generator liegt im Inneren der Birne
S-TurbineSketch.svg|S-Turbine: Die Turbinenwelle führt durch das Saugrohr zum Generator
TubularGearTurbineSketch.svg|Getriebe-Rohrturbine; Die Turbinenwelle ist über ein Getriebe mit dem Generator verbunden
StrafloSketch.svg|Straflo-Turbine: Die Turbinenschaufeln tragen einen umlaufenden Ring mit dem Generator-Läufer
VLH-TurbineSketch.svg|VLH-Turbine: Der Generator ist im Inneren des Laufrads installiert
DIVE-TurbineSketch.svg|DIVE-Turbine mit festen Laufradschaufeln: Der Generator sitzt direkt über der Turbine und ist komplett überspült
</gallery>

=== Vertikale Kaplan-Turbine ===
[[Datei:S vs kaplan schnitt 1 zoom.jpg|mini|Schematische Darstellung einer vertikalen Kaplan-Turbine]]
Der Einbau von Kaplan-Turbinen erfolgt meistens vertikal, so dass das Wasser von oben nach unten durchströmt.
Bei relativ großen [[Fallhöhe (Wasserbau)|Fallhöhen]] kommt vor der Turbine eine [[Spiralturbine|Spirale]] zum Einsatz, die Wasser in einen [[Drehimpuls|Drall]] versetzt. Bei geringeren Fallhöhen genügt ein Einlaufschacht bzw. eine vereinfachte Halbspirale. Direkt oberhalb der Turbine wird meist der [[Drehstromgenerator]] – ausgeführt als [[Schenkelpolmaschine]] – angebracht, um die durch das Laufrad erzeugte [[kinetische Energie]] über eine Vertikalwelle ohne Umlenkverluste zum Generatorrotor übertragen zu können.
{{Absatz}}

=== Rohrturbinen ===
Aus der Kaplan-Turbine wurde die '''Kaplan-Rohrturbine''' für niedrige Fallhöhen bis maximal 25 m und einer Leistung von bis zu 75 MW entwickelt, deren Welle mit [[Laufrad (Strömungsmaschine)|Laufrad]] horizontal in Richtung des strömenden Wassers eingebaut wird. Dadurch werden Umlenkverluste vermieden und somit eine größere Schluckfähigkeit und ein höherer Volllastwirkungsgrad erreicht.

==== Klassische Rohrturbine ====
[[Datei:Kraftwerk Ybbs-Persenbeug 7829 legende.jpg|mini|Modell einer Kaplan-Rohrturbine im [[Kraftwerk Ybbs-Persenbeug]]; 
1 Laufradflügel, 2 Leitschaufel, 3 Leitradregulierung, 4 Stützschaufel, 5 Turbinenwelle, 6 Generator, 7 Einstiegsschacht]]
Der Generator befindet sich in einem wasserdichten Gehäuse am verlängerten Ende der Turbinenwelle. Durch die horizontale Anordnung ist ein geringerer Platzbedarf und damit eine geringere Bauhöhe des [[Maschinenhaus]]es möglich, wodurch das [[Landschaftsbild]] weniger beeinträchtigt wird.
{{Absatz}}

==== S-Turbine ====
{{Doppeltes Bild|rechts|Kaplan-Rohrturbine modell-1 retusche.jpg|240|Kaplan-Rohrturbine modell-2 retusche.jpg|192|Modell der S-Turbine im [[Wasserwerk am Hochablass]]. Den Zulauf der Turbine bildet der trichterförmige Einlass mit dem kegelförmigen [[Leitwerk]]. Der Mechanismus zur Verstellung der Leitschaufeln ist Gelb gekennzeichnet. Das [[Laufrad (Strömungsmaschine)|Laufrad]] hat verstellbare Flügel.}}
Eine der Sonderformen der ''Kaplan-Rohrturbine'' ist die '''S-Turbine''' (für Fallhöhen bis 15 m). Das Saugrohr ist s-förmig gebogen, um die Turbinenwelle herausführen zu können. Der Generator wird außerhalb der Turbine installiert und ist deshalb für regelmäßige Kontrollen und Wartungsarbeiten leichter zugänglich. Die Bauhöhe kann dadurch noch weiter verringert werden. Dies macht auch den Einbau der Turbinen in kleine Wasserkraftwerke, beispielsweise über einen schmalen [[Fluss]] oder einen [[Kanal (Wasserbau)|Kanal]], mit Fallhöhen bis maximal 5 m oder leichte Aufstauung durch ein [[Wehr (Wasserbau)|Wehr]] möglich. S-Turbinen werden in Kraftwerken bis zu einer Leistung von 15 MW eingesetzt.

Siehe auch [[Wasserkraftwerk#Typen von Wasserkraftwerken|Typen von Wasserkraftwerken]].
{{Absatz}}

==== Getriebe-Rohrturbine ====
[[Bild:WKA Atzenbach Turbine und Generator.jpg|mini|Kegelrad-Rohrturbine mit Generator des Wasserkraftwerks [[Atzenbach]]]]Eine weitere Sonderform ist die '''Getriebe-Rohrturbine''' (für Fallhöhen bis 12 m). Sie ähnelt der ''S-Turbine'' stark, jedoch unterscheidet sie sich durch zwei wesentliche Merkmale. Das Saugrohr ist gerade und die Turbinenwelle ist über ein [[Getriebe]], statt direkt, mit dem Generator verbunden. Dies kann horizontal oder vertikal erfolgen, wodurch die Bauform noch kompakter gegenüber den ''S-Turbinen'' ausfällt. Durch eine geeignete [[Übersetzung (Technik)|Über-]] oder [[Untersetzung]] lassen sich die Drehzahlen von Turbine und Generator getrennt optimieren. ''Getriebe-Rohrturbinen'' werden in Kraftwerken mit einer Leistung bis 4 MW eingesetzt.

==== Straflo-Turbine ====
Eine Weiterentwicklung der Kaplan-Rohrturbinen sind die sogenannten '''Straflo-Turbinen''' (von engl. {{lang|en|straight flow}}, geradeaus fließen). Bei diesem Turbinentyp bilden der [[Rotor]] der Turbine und der Rotor des Generators eine Einheit, die in einer gemeinsamen [[Ebene (Mathematik)|Ebene]] liegen. Somit hat die Straflo-Turbine keine eigene [[Welle (Mechanik)|Welle]], stattdessen tragen die [[Beschaufelung|Turbinenschaufeln]] einen umlaufenden Ring, in dem die [[Drehstrom-Synchronmaschine|Erregerwicklung]] integriert ist. In das [[Gehäuse]] der Turbine ist dagegen die Statorwicklung eingebaut; sie liegt im Wasser, das die Turbine antreibt. Die [[Lager (Maschinenelement)|Lagerung]] der [[Achse (Technik)|Turbinenachse]] erfolgt einseitig in einem [[Dichtung (Technik)|abgedichteten]] Gehäuse. Eine technische Herausforderung bei dieser Bauform ist die Außendichtung am Kranzgenerator. Durch die wirkenden Zentrifugalkräfte besteht die Gefahr, dass Sand in diese Dichtungen getragen wird und erhöhten Verschleiß verursacht.<ref>http://www.hfm.tugraz.at/fileadmin/user_upload/pdf/publikationen/2013/Institut-HFM_TU-Graz_HYDRO_2013_investigation-rim-lip-seal-double-regulated-STRAFLO-Kaplan-turbine.pdf</ref> Frühe Versionen dieser Anordnung wurden 1936 von [[Arno Fischer (Techniker)|Arno Fischer]] patentiert<ref>
{{Patent
| Land = DE
| V-Nr = 718423
| Typ = Patent
| Titel = Überflutbares Unterwasserkraftwerk für Flußläufe
| A-Datum = 1936-12-13
| V-Datum = 1942-03-11
| Erfinder = Arno Fischer
| Anmelder = Arno Fischer
}}</ref> und im [[Illerstaustufe 7 – Maria Steinbach|Kraftwerk Maria Steinbach]] verbaut, das 1938 eingeweiht wurde. Heute finden sich moderne Straflo-Turbinen zum Beispiel im [[Kraftwerk Laufenburg|Laufwasserkraftwerk Laufenburg]] und im [[Gezeitenkraftwerk Annapolis]].

== Kaplan-ähnliche Bauformen ==

Übliche vertikale Kaplan- und Kaplan-Rohrturbinen arbeiten netzsynchron, also mit konstanter Generatordrehzahl. Fortschritte in der Leistungselektronik machen andere Ansätze möglich, die sich von klassischen Konzepten entfernen. Eine variable Turbinen- und Generatordrehzahl erlaubt es, entweder auf ein einstellbares Leitwerk oder verstellbare Turbinenblätter zu verzichten, was den mechanischen Aufwand reduziert. Allerdings muss der produzierte Strom auf [[Netzfrequenz]] [[Umrichter|umgerichtet]] werden.

=== DIVE-Turbine ===
[[Datei:DIVE-Turbine (cropped).png|mini|hochkant|DIVE-Turbine beim Einbau]]
Die '''DIVE-Turbine''' ist eine doppelt regulierte, vertikal durchströmte Propellerturbine für Leistungen bis zu vier Megawatt bei kleinen Fallhöhen (2–60 m) und Wassermengen zwischen 0,6 und 40 m³/s.<ref>{{Internetquelle|url=http://www.dive-turbine.de/pages/de/technologie/einsatzbereich.php|titel=Einsatzbereich DIVE-Turbine|autor=|hrsg=DIVE Turbinen GmbH & Co. KG|werk=|datum=|sprache=|zugriff=2017-03-29}}</ref> Bei der DIVE-Turbine handelt es sich um eine voll gekapselte, direkt verbundene Propellerturbinen-Generator-Einheit, die während des Betriebs komplett überspült ist. Dadurch ist der Generator automatisch wassergekühlt und es dringen kaum Lärm oder Vibrationen nach außen.<ref>{{Internetquelle|url=http://www.dive-turbine.de/modules/download_gallery/dlc.php?file=48|titel=Wasserkraft im Wohngebiet - Unterschreitung der geforderten Schallemissionsgrenzwerte|autor=Christian Winkler|hrsg=Springer|werk=WasserWirtschaft|datum=2015-10|sprache=|zugriff=2017-03-29}}</ref> Die Regelung erfolgt über den verstellbaren Leitapparat und die einstellbare Drehzahl des Turbinenlaufrads (doppelte Regelung). Es wird explizit auf verstellbare Laufradschaufeln verzichtet (Propellerturbine).<ref>{{Internetquelle |url=http://www.dive-turbine.de/pages/de/produkt/drehzahlanpassung.php |titel=Webseite des DIVE-Turbinen-Herstellers, Thema: Drehzahlanpassung |zugriff=2017-03-29}}</ref>
Ein [[Spannungszwischenkreisumrichter]] bringt den Strom auf Netzfrequenz. Da Turbine und Generator vollständig überspült sind, kann auf ein Turbinenhaus verzichtet werden. Umrichter und Kraftwerkssteuerung werden hochwassersicher in einem Container oder in einem schon bestehenden Gebäude untergebracht. Dadurch ist der Transport und der Betrieb von DIVE-Turbinen auch an Orten mit wenig Infrastruktur möglich. Bislang sind mehr als 30 DIVE-Turbinen weltweit installiert (Stand 2017).<ref>{{Internetquelle|url=http://www.dive-turbine.de/pages/de/referenzen.php |titel=Webseite des DIVE-Turbinen-Herstellers, Thema: Referenzen|zugriff=2017-03-29}}</ref> Aufgrund der Bauweise der DIVE-Turbine mit festen Laufradschaufeln und Drehzahlregelung geht der Hersteller von Fischfreundlichkeit aus.<ref>{{Internetquelle|url=http://www.dive-turbine.de/pages/de/oekologie/fischfreundliche-turbine.php|titel=Webseite des DIVE-Turbinen-Herstellers, Thema: Fischfreundliche Turbine|autor=|hrsg=DIVE Turbinen GmbH & Co. KG|werk=|datum=|sprache=|zugriff=2017-03-29}}</ref><ref>{{Literatur |Autor= |Titel=Fischverträgliche Kraftwerksgestaltung mit drehzahlvariablen Propellerturbinen |Hrsg=WasserWirtschaft |Sammelwerk= |Band= |Nummer= |Auflage= |Verlag=Springer |Ort= |Datum=2017 |Seiten=57-58 |ISBN=}}</ref>
{{Absatz}}
=== VLH-Turbine ===
[[Datei:Turbines VLH de la centrale du Rondeau à Échirolles.jpg|mini|Mehrere nebeneinander installierte VLH-Turbinen in der Nähe von [[Grenoble]].]]
Die '''VLH-Turbine''' (von engl. Very-Low-Head) ist eine Neuentwicklung aus dem Jahr 2003,<ref>{{Patent
| Land = FR
| V-Nr = 2862723
| Typ = Patent
| Titel = Turbine for hydro-electric power station, has case traversed by opening having cylindrical portion, and wheel having blades arranged at level of portion, where rotating speed of wheel is less than specific turns per minute
| A-Datum = 2003-11-03
| V-Datum = 2005-05-27
| Erfinder = Jacques Fonkenel
| Anmelder = Jacques Fonkenel
| Kommentar =
}}</ref>
die speziell für niedrige Fallhöhen optimiert ist. Sie verwendet große Laufraddurchmesser, wodurch sich kleine Drehzahlen und damit eine gute Fischfreundlichkeit ergeben. Der Generator ist zentral im Inneren des Laufrads installiert. Der Hersteller gibt Fallhöhen von 1,5 bis 4,5 m bei 10 bis 27 m³/s [[Volumenstrom]] an.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.vlh-turbine.com/gamma |titel=Webseite des VLH-Turbinen-Herstellers |zugriff=2016-12-04}}</ref>
Bei der VLH-Turbine verzichtet man auf einen verstellbaren Leitapparat. Die Durchflussregulierung und die Optimierung des Turbinenwirkungsgrades erfolgen über verstellbare Laufradflügel und eine Drehzahlregelung des Generators. Die variable Generatordrehzahl macht einen nachgeschalteten Frequenzumrichter erforderlich.
Derzeit existieren (Stand 2013) etwa 40 Anlagen.<ref>
{{Literatur
|Autor=Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi
|Titel=Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb
|Auflage=6
|Verlag=Springer Vieweg
|ISBN=978-3642538704
|Kapitel=15.5.4.3 |Seiten=638}}</ref>

== Siehe auch ==
Im Beitrag [[Wasserturbine]] werden die Einsatzgebiete der vielfältigen Turbinen-Entwürfe je nach Durchflussmenge und Fallhöhe gezeigt.

== Literatur ==
* Christian Böhm: ''Numerische Simulation des Fischdurchgangs durch Wasserturbinen'', München 2004, {{DNB|974170887}}, (Dissertation Technische Universität München 2004, 157 Seiten, [https://mediatum.ub.tum.de/doc/601892/601892.pdf Volltext online] PDF, 157 Seiten, 40,7 MB, [https://mediatum.ub.tum.de/?id=601892 Zusammenfassung]).
* Martin Gschwandtner: ''Gold aus den Gewässern: Viktor Kaplans Weg zur schnellsten Wasserturbine'', E-Book, Grin, München 2007, ISBN 978-3-638-71574-4, Philosophische Dissertation Universität Salzburg 2006, 384 Seiten, ([http://www.diplomarbeiten24.de/vorschau/77451.html Inhaltsverzeichnis und Leseprobe])
* Martin Gschwandtner: ''Energie aus den Gewässern. Viktor Kaplans schnellste Erntemaschine''. 4. Auflage, [[Diplomica Verlag|Disserta]], Hamburg 2015, ISBN 978-3-95425-940-3
* Karl Meise, Grete Meise: ''Die Turbine: das Abenteuer einer Erfindung, Leben und Werk Viktor Kaplans'', Styria, Graz 1965, {{OCLC|73543599}}.
* Josef Nagler: ''Entstehung und Werdegang der Kaplanturbine bei der Firma Storek'', in: ''Blätter für Technikgeschichte'' Volume 15, 1953, S. 89–102, {{ISSN|0067-9127}}.<ref>{{Literatur|Autor=Josef Nagler|Titel=Entstehung und Werdegang der Kaplanturbine bei der Firma Storek|Sammelwerk=Blätter für Technikgeschichte|Nummer=15|Verlag=Springer Vienna|Datum=1953-01-01|Reihe=Blätter für Technikgeschichte|Seiten=89–102|ISBN=9783211802984|DOI=10.1007/978-3-7091-2291-4_6|Online=http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-7091-2291-4_6|Abruf=2016-12-08}}</ref>
* Gerlind Weber, Gunter Weber: ''Viktor Kaplan: 1876-1934'', Technické muzeum v Brně / Technisches Museum, Brünn 2003, ISBN 978-80-8641-311-2 (deutsch und tschechisch, překlad / Übersetzung ins Tschechisch von Jaromír Hladík).
* Gerlind Weber, Gunter Weber: ''Viktor Kaplan – Höhen und Tiefen eines Erfinderlebens'', in: ''[[Wasserwirtschaft (Zeitschrift)| Wasserwirtschaft ]]'', Vol. 104, Nr. 6, 24. Juni 2014, Seiten 10–22, Springer, Berlin 2014, {{ISSN|0043-0978}}.
* {{Literatur
|Autor=Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi
|Titel=Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb
|Auflage=6
|Verlag=Springer Vieweg
|ISBN=978-3642538704
|Kapitel=15.1
|Seiten=591–600}}

== Weblinks ==
{{Commons}}

* [https://www.wws-wasserkraft.at/leistungen/kaplan-turbinen Kaplan-Turbine – WWS Wasserkraft GmbH]
* [http://austria-forum.org/af/Wissenssammlungen/Biographien/Storek,%20Ignaz Maschinenfabrik Ignaz Storek, Brünn]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4163289-8}}

[[Kategorie:Wasserturbine]]
[[Kategorie:Österreichische Technikgeschichte]]

Kaplan-Turbine - Versionsgeschichte

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