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Motor zur Ausnutzung einer Wasserkraft durch ein gleichförmiges rotierendes
Schaufel- oder Zellenrad, welches, wenn auf horizontaler Welle sitzend, ein vertikales, wenn auf vertikaler Welle, ein horizontales
Wasserrad genannt wird. Letzteres pflegt man auch Turbine zu nennen, während für ersteres die Bezeichnung Wasserrad schlechthin
gebräuchlich ist. Streng ist diese Unterscheidung nicht, da auch Turbinen mit horizontaler Welle ausgeführt werden und auch
andre Übergangsformen vorkommen.
Von allen Wasserrädern verlangt man, daß sie die zu Gebote stehende, von Wassermenge und Gefälle abhängige Wasserkraft
möglichst vollständig nutzbar machen und eventuell auch bei wechselndem Wasserstand gleich vorteilhaft
arbeiten. Man versteht dabei unter Wassermenge das mehr oder weniger veränderliche Wasservolumen, welches pro Sekunde einen
Querschnitt des Baches oder Flusses passiert, und welches man durch genaue Aufnahme eines Querprofils und der in demselben stattfindenden
mittlern Stromgeschwindigkeit, d. h. Wasserweg pro Sekunde, ermittelt; unter Gefälle den Höhenunterschied
zwischen Ober- und Unterwasserspiegel, welche beide durch die nutzungsberechtigte Stromlänge bestimmt sind.
Gibt man die Wassermenge in Litern durch die Zahl Q an, so wiegt dieselbe auch Q Kilogramm, und die mechanische Arbeit, welche
sie verrichten kann, wenn das Gefälle H Meter beträgt, ist pro Sekunde H. Q Meterkilogramm oder H . Q / 75 Pferdekräfte.
Hiernach würde eine Wassermenge von 500 Lit. bei 6 m Gefälle eine theoretische Arbeitsleistung von 500 . 6 / 75 = 40 Pferdekräften
verrichten können, wenn das Wasserrad so vollkommen wäre, diese ganze Arbeitsstärke nutzbar zu machen. Letzteres ist aber
nie der Fall, sondern das Verhältnis der nutzbar gemachten zu der theoretischen Arbeitsstärke, d. h. der Wirkungsgrad
des Wasserrades, ist immer ein echter Bruch, welcher zwischen 0,3 und 0,8 schwankt.
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Bei vertikalen Wasserrädern unterscheidet man je nach der Stelle, an welcher das Wasser eintritt (Beaufschlagung),
unter-, mittel-, rücken- und oberschlächtige und nach der Art der Wasserführung Wasserräder mit und ohne Gerinne. Die
Wasserräder ohne Gerinne sind in einem freien Flußlauf aufgestellt, durch dessen Strömung sie umgetrieben werden. Hierbei
geht natürlich viel Kraft
[* 6] durch seitliches Ausweichen des Wassers verloren, so daß die Nutzleistung eine
sehr geringe ist. Um einen größern Nutzeffekt zu erzielen, konzentriert man das Gefälle des zum Betrieb benutzten Wasserlaufs
möglichst auf einen Punkt, indem man das Wasser vor dem Wasserrad aufstaut und dann in einem Gerinne, d. h. einem an das Wasserrad möglichst
dicht anschließenden, gemauerten oder gezimmerten Kanal,
[* 7] auf das Wasserrad wirken läßt.
Dabei bringt man das Rad in einem sogen. Grundwerk in dem Flußlauf selbst an, wenn dessen Wasserlauf in allen
Jahreszeiten
[* 8] nicht sehr variiert und ein bedeutendes Gefälle nicht erforderlich ist. Sonst legt man ein Wehr, d. h. einen Damm
von bestimmter Höhe aus Holz
[* 9] oder Steinen, quer durch den Fluß etc. und zweigt vor demselben einen Graben
(Mühlgraben, Obergraben) ab, dessen Sohle beinahe horizontal geführt wird, so daß man an einer geeigneten Stelle das Wasser
auf das Rad herabfallen und von da durch einen andern nahezu horizontalen Graben (Untergraben) wieder in
den Fluß gelangen lassen kann.
[* 5]
Fig. 1 zeigt eine solche Wehr- und Mühlgrabenanlage. a b ist ein Fluß, c ein quer hineingebautes Wehr, d der Obergraben, e der
Untergraben. Ist nun von a bis b ein gleichmäßiges Gefälle von 3 m, so hat man durch Anlegung der nahezu horizontalen Kanäle
d und e beinahe das ganze Gefälle von 3 m an diejenige Stelle verlegt, wo sich das Rad der Mühle f befindet. Das Wehr c hat eine
solche Höhe, daß so viel Wasser, als zum Mühlenbetrieb gebraucht wird, zurückgehalten, das überflüssige dagegen darüber
fortgelassen wird.
Hinsichtlich der Art und Weise, wie das Wasser seine Arbeitskraft auf die Schaufeln eines Wasserrades überträgt,
sind hauptsächlich zwei Richtungen zu unterscheiden:
2) Wirkung durch die lebendige Kraft, wobei das Wasser außerhalb des Wasserrades zum Fall gelangt und die
dabei gewonnene lebendige Kraft entweder durch Stoß plötzlich oder durch stetigen Druck allmählich an die Radschaufeln abgibt.
Die Stoßwirkung, hervorgerufen durch das Aufprallen eines Wasserstrahls auf eine zu ihm ganz oder nahezu senkrechte Schaufelfläche,
gibt den geringsten Arbeitseffekt, weil durch den Stoß ein großer Teil der Kraft vernichtet wird; dagegen wird der Effekt
bedeutend größer, wenn man dem Wasserstrahl durch Neigung oder, besser noch, durch Krümmung der Schaufeln Gelegenheit gibt,
diese ohne Rückprall zu treffen und an ihnen unter allmählicher Arbeitsabgabe entlang zu strömen.
Im allgemeinen ist bei vertikalen Rädern die Wirkung durch das Gewicht des Wassers die vorwiegende und auch vorteilhaftere.
Die oberschlächtigen Wasserräder
(Fig. 2 r r) haben über ihrem Scheitel ein Gerinne o, aus welchem das Aufschlagwasser unter
einer Spannschütze (Durchlaßschütze) c d hinweg in die obersten der kübelartig ausgebildeten Zellen
s eintritt (Kufenräder, Zellenräder). Durch das Herabsinken des Wassers in diesen wird der größte Teil der Leistung dieser
Wasserräder hervorgerufen, während die Arbeitsübertragung durch die lebendige Kraft des eintretenden Wasserstrahls ganz
geringfügig ist.
Die Schaufelform ist unter Berücksichtigung der infolge der Zentrifugalkraft
[* 10] nach dem Radäußern hin ansteigenden Wasseroberfläche
in den Zellen so zu wählen, daß der Wasserausfluß an einer möglichst tiefen Stelle beginnt und erst
in der Nähe des untersten Punktes aufhört. Solche oberschlächtige Wasserräder dürfen nicht ins Unterwasser eintauchen
(waten), weil sie sonst Wasser schöpfen und somit an Effekt verlieren würden. Sie werden mit Vorteil bei großen Gefällen
(bis 15 m) und geringen Wassermengen verwendet und haben einen Nutzeffekt bis 80 Proz. und darüber. -
Die rückenschlächtigen Wasserräder (Fig. 3 r r) unterscheiden sich von den vorigen durch die Art der Beaufschlagung: die
Eintrittsstelle des Wassers liegt zwischen Radscheitel und Radmittel, so daß die Radhöhe größer als das Gefälle
ist;
die Aufschlagrinne c liegt nicht über, sondern vor dem Rade;
der Wasserzufluß erfolgt durch einen sogen. Kulisseneinlauf
a, der mittels des Rades e durch die Schütze b d (Kulissenschützen) eingestellt werden kann.
Sehr häufig werden diese Wasserräder
ventiliert, d. h. die Zellen s laufen nach dem Radinnern hin in Kanäle aus, durch welche die Luft unbehindert
von dem einströmenden Wasser entweichen kann. Der kreisförmige Teil k k des Gerinnes (sogen. Kropf) ist bei rückenschlächtigen
Rädern nicht unbedingt erforderlich. Diese Wasserräder finden hauptsächlich da Verwendung, wo bei hohem Gefälle der Wasserstand
im Ober- und Untergraben sehr veränderlich ist, weil sie in der Richtung umgehen, in welcher das Wasser
abfließt, also das Waten im Unterwasser wenig Nachteil hat. - Die mittelschlächtigen Wasserräder (d. h. solche, bei denen
das Wasser zwischen dem Radmittel und Radtiefsten einfließt) sind selten, wie die vorigen, Zellenräder, sondern meist Schaufelräder
[* 5]
(Fig. 4, d. h. ihre Schaufeln bilden nach Art der Schaufelräder der Raddampfer keine Zellen zwischeneinander)
und in letzterm Fall mit einem Kropfgerinne (Kropf) versehen, welches das Rad vom Wassereinlauf bis zum Radtiefsten derart umgibt,
daß das Wasser erst bei letzterm austreten kann (Kropfräder).
Bei den mäßigen Gefällen, für welche die mittelschlächtigen Wasserräder Verwendung finden, ist der Teil ihrer Leistung,
welcher durch lebendige Kraft des Wassers, speziell durch Stoßwirkung hervorgebracht wird, ein verhältnismäßig größerer
als bei den oberschlächtigen Wasserrädern und demgemäß ihr Nutzeffekt ein geringerer. Das Wasser wird hier entweder unter
einer Spannschütze, über einer Überfallschütze oder durch eine Kulissenschütze eingelassen.
Die mit Spannschützen eignen sich besonders für Gefälle bis 1,5 m und für Wassermengen, welche 2 cbm
pro Sekunde nicht überschreiten; man erreicht mit ihnen einen Wirkungsgrad von 0,45-0,50;
sie laufen schnell um, vertragen aber keine große Veränderlichkeit des Aufschlagwassers. Viel vorteilhafter sind die Kropfräder
mit beweglichen Überfallschützen, bei denen das Wasser nicht unter, sondern über einer schnabelförmigen, gehörig
abgerundeten und verlängerten Fläche in
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das Rad strömt, dasselbe mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit erreicht und daher fast allein durch den Druck wirkt.
Solche Räder geben einen Wirkungsgrad von 0,67 und eignen sich am besten für Gefälle von 1½-2½ m und Wassermengen von 0,3-2½
cbm. Hat man bei Gefällen von 2,5-4 m mit sehr veränderlichem Aufschlagwasser zu kämpfen, so sind für
die vorteilhafte Verwendung des Wassers, namentlich wenn dessen Menge zwischen 1 und 2 cbm pro Stunde schwankt, diejenigen Kropfräder
zu empfehlen, bei denen das Wasser mittels gekrümmter Leitschaufeln zugeführt wird (Kulisseneinlauf), wobei die Zahl der
Durchflußöffnungen je nach den zuströmenden Wassermengen mit Hilfe einer Schütze geregelt werden kann.
In
[* 13]
Fig. 4 ist r r das Rad, s s sind Schaufeln, k k Kropf, a Kulisseneinlauf, durch Schützen b d mittels des Rades e regulierbar,
c Gerinne. Der Wirkungsgrad dieser Räder läßt sich auf 70 Proz. bringen. - Einen Übergang zu den unterschlächtigen Wasserrädern
bilden die halbmittelschlächtigen, deren in
[* 13]
Fig. 5 eins mit Spannschützen
abgebildet ist. Zu ihnen sind einige neuere Räder mit besonderer Schaufelform zu rechnen: Das Sagebien-Rad
[* 13]
(Fig. 6) hat bei
großem Durchmesser nur geringe Umfangsgeschwindigkeit, eine große Kranzbreite und Schaufelzahl. Das Oberwasser fließt in
einem dicken Strom sehr langsam zu, so daß ein Stoßverlust beim Eintritt in das Rad fast ganz vermieden
wird und das Gefälle beinahe ausschließlich als Druckgefälle zur Wirkung kommt. Der Wirkungsgrad ist demnach hoch (etwa
0,75, angeblich sogar über 0,9). Die Schaufeln können entweder gerade mit einem Knick am äußern Ende (s. Figur, links)
oder krumm (s. Figur, rechts) ausgeführt werden. Das Zuppinger-Rad
[* 13]
(Fig. 7) hat eine noch größere Kranzbreite.
Die Schaufeln sind nach innen gerade und nach außen hin so gekrümmt, daß sie beim Austritt aus dem Wasser eine nahezu vertikale
Lagehaben. - Die unterschlächtigen Wasserräder werden durch die lebendige Kraft des Wassers, häufig mit reiner Stoßwirkung,
getrieben, so daß sie einen durchschnittlich geringen Wirkungsgrad haben.
Die ungünstigste Wirkung haben von ihnen die schon erwähnten Schiffmühlenräder, demnächst die Räder im geraden oder Schnurgerinne
[* 13]
(Fig. 8). Die letztern werden nur durch den Wasserstoß in Umdrehung versetzt und lassen noch ein bedeutendes Wasserquantum
unbenutzt durch den Zwischenraum zwischen Rad und Gerinne fortgehen (Wirkungsgrad nur 0,30-0,35). Sie werden
nur bei geringen Gefällen von etwa 1 m verwendet. Etwas günstiger arbeiten diese Räder, wenn man unter ihnen eine schwache
Krümmung ins Gerinne legt, in welchem sich immer gleichzeitig mehrere Schaufeln befinden
[* 13]
(Fig. 9), wodurch der Wasserverlust
vermindert wird.
Zuweilen ist an solchen Rädern eine Vorrichtung (sogen. Pansterzeug, Pansterwerk) zum Heben und Senken
derselben samt ihren Lagern je nach dem Stande des Unterwassers; man nennt diese RäderPansterräder. Die Stellung der Schaufeln
ist bei unterschlächtigen Wasserrädern vielfach eine radiale, doch sind auch sehr oft schräge oder geknickte Schaufeln
zur Verminderung des Wasserstoßes in Gebrauch. Die vollkommensten unterschlächtigen Räder erhält man,
wenn man die Schaufeln so krümmt, daß der eintretende Wasserstrahl, an der hohlen Seite derselben hinströmend, gegen sie
drücken kann, ohne einen Stoß hervorzubringen.
Nach dem Vorausgegangenen scheint es, als ob nur bei direkter Wirkung des Wassers durch sein Gewicht ein hoher Wirkungsgrad
erzielt werden könne, während bei Benutzung der Stoßwirkung, bez.
bei Übertragung der lebendigen Kraft des mit großer Geschwindigkeit ausströmenden Wassers auf ein Wasserrad starke Verluste unvermeidlich
seien. Bei den vertikalen Wasserrädern trifft dies durchschnittlich zu; anders aber ist es bei den horizontalen Wasserrädern
oder Turbinen, bei denen trotz vollständigen Ausschlusses der direkten Schwerkraftwirkung ein Wirkungsgrad von 75 oft erreicht
wird.
Hauptbedingung hierfür ist, daß dem Wasser durch die eigentümliche Form der Schaufeln seine meist sehr große Einströmungsgeschwindigkeit
möglichst allmählich, d. h. ohne Stoß, und möglichst vollkommen entzogen werde. Früher benutzte man überall bei hohen
Gefällen, zu deren besserer Verwendung keine Gelegenheit vorhanden war, die Stoßräder (Bordaschen Turbinen, Löffelräder,
Kufenräder,
[* 13]
Fig. 10). Diese haben gewöhnlich löffelartig gestaltete Schaufeln, gegen welche der Stoß
eines Wasserstrahls wirkt, der durch einen rinnenförmigen Ausguß mit großer Geschwindigkeit zugeführt wird, und sind gewöhnlichen
unterschlächtigen Wasserrädern gleichzustellen (30-35 Proz. Nutzeffekt), machen aber eine bedeutend höhere Zahl von Umläufen
pro Minute als jene.
Sie bilden den Übergang zu den eigentlichen Turbinen. Man unterscheidet zwei Hauptarten von Turbinen,
nämlich Radialturbinen und Axialturbinen. Bei ersterer fließt das Wasser in der Richtung vom Zentrum nach außen oder umgekehrt,
wonach man einen Unterschied zwischen Radialturbinen mit innerer und äußerer Beaufschlagung macht; bei den Axialturbinen
fließt das Wasser in der Achsenrichtung durch das Rad. Eine andre Einteilung ist in der Art der Wasserwirkung
begründet.
Letztere unterscheiden sich von erstern auch dadurch, daß das Wasser bei ihnen die Räume zwischen den
Schaufeln vollständig ausfüllt, während bei diesen der frei hindurchgehende Strahl leere oder tote Räume beläßt. Reaktionsturbinen
können unbeschadet ihrer Wirkung sowohl unter Wasser als in freier Luft arbeiten, Aktionsturbinen dagegen nur vorteilhaft in
freier Luft (also ohne ins Unterwasser einzutauchen). Eine dritte Einteilung endlich macht man danach,
ob fortwährend sämtliche Schaufeln in Thätigkeit sind (Vollturbinen), oder ob nur je mehrere zusammen nacheinander zur
Wirkung kommen (Partialturbinen). Letztere sind zweckmäßig nur als reine Aktionsturbinen auszuführen.
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