Wasserrad
Ein Wasserrad ermöglicht die Verrichtung von Arbeit, indem es die potenzielle bzw. kinetische Energie des Wassers nutzt. So können Arbeitsmaschinen wie beispielsweise Mahlwerke oder Generatoren angetrieben werden. Ein von Wasserkraft angetriebenes Mahlwerk wird auch Wassermühle genannt.
Bedeutung
In den industrialisierten Regionen ist die wirtschaftliche Bedeutung der Wasserräder heute nur noch gering. Die meisten Wasserräder stehen in den zahlreichen zu Museen umgebauten Mühlen, einige treiben kleinere Generatoren an und dienen der Stromerzeugung. Teilweise laufen Wasserräder zu dekorativen Zwecken ohne Energienutzung. Ein wichtiger Unterschied zwischen Wasserrädern und Turbinen liegt in der Tatsache, dass Wasserräder ohne Regelung und mit stark schwankenden Wassermengen ohne nennenswerte Einbußen beim Wirkungsgrad betrieben werden können.
Neben den reinen Wassermühlen gab und gibt es auch Mühlen, die ihre Antriebskraft aus Wasser und Wind beziehen, die einzige heute noch komplett erhaltene derartige Mühle ist die Hüvener Mühle im nördlichen Emsland.
Die meisten Wasserräder stehen in den Entwicklungsländern Afrikas und Asiens, wo sie unerlässliche Hilfsmittel sind. Vor allem die Landwirtschaft ist dort ohne Wasserräder undenkbar. Das weltweit zur Verfügung stehende Leistungspotenzial von Wasserrädern dürfte nach seriösen Schätzungen im Bereich einiger Terawatt liegen. Typischerweise liefert ein Wasserrad eine Antriebsleistung im ein- bis zweistelligen Kilowatt-Bereich. Es stellt einen Beitrag zur nachhaltigen Nutzung der Wasserkraft dar, da es durch seine geringe Leistung und dezentrale Anordnung nur einen kleinen Eingriff in die Natur erfordert.
Geschichte
Die Erfindung des Wasserrads stellte einen Meilenstein in der Entwicklung der Technik dar, da durch die Nutzung der Wasserkraft gegenüber der Muskelkraft zusätzlich mechanische Energie nutzbar gemacht werden konnte. Zu Anfang dienten Wasserräder der Bewässerung in der Landwirtschaft, als Schöpfrad zum Heben von Wasser. Solche Schöpfräder sind seit Jahrhunderten in verschiedenen Kulturen verbreitet, etwa in Ägypten, Syrien, Indien und China. Man geht davon aus, dass die ersten Wasserschöpfräder um 1200 v. Chr. in Mesopotamien betrieben wurden.
Bereits in römischer Zeit wurden Wasserräder auch für den Antrieb von Mahlmühlen genutzt. Der römische Baumeister und Ingenieur Vitruv beschreibt in seiner "architectura" aus dem 1. Jahrhundert v. Chr. sowohl das Prinzip des Wasserschöpfrads als auch das der Wassermühle in ausführlicher Weise. Bereits im 9. Jahrhundert gab es viele Mühlen in Zentralfrankreich. Seit dem 12. Jahrhundert waren Wassermühlen in Mitteleuropa weit verbreitet. Später kam die Nutzung in Ölmühlen, Walkmühlen, Sägemühlen, Hammerwerken und Schleifmühlen hinzu. Bei der beginnenden Industrialisierung diente das Wasserrad zum Antreiben von Maschinen über die ersten Transmissionen. Auch im Bergwerkswesen wurden sie zum Materialtransport und zur Entwässerung der Gruben eingesetzt, so beispielsweise im Oberharzer Wasserregal. Ein weiteres Beispiel sind die in Möhrendorf an der Regnitz noch vorhandenen neun historische Wasserschöpfräder, die bereits für den Anfang des 15. Jahrhunderts belegt sind.
Eine ausreichende Wasserversorgung war ein wichtiger Punkt in der Standortbewertung der damals entstehenden Fabriken im Gegensatz zu anderen Standortkriterien in der heutigen Zeit. Ein wesentlicher Punkt waren auch die notwendigen Wasserrechte um ein Wasserrad zu betreiben. So findet man heute noch Eigentumsrechte von alten Industriebetrieben im Quellgebiet von Flüssen oder größeren Bächen, die von den heutigen Eigentümern nicht mehr genutzt werden.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts ermöglichten die aufkommenden Wasserturbinen viel größere Wassermengen und höhere Gefälle auszunutzen. Durch die Einführung der Elektrizität musste die Energie nicht mehr vor Ort mechanisch übertragen werden, sondern konnte in elektrischen Strom umgewandelt werden. Es entstanden Wasserkraftwerke, welche auf Grund ihrer Größe kostengünstiger produzieren konnten und die die kleinen Kraftwerke mit Wasserrad allmählich verdrängten. Der Versuch, die vergleichsweise kleinen Wasserräder durch Turbinen zu ersetzen, schlug vielfach fehl, da beide Antriebe völlig unterschiedliche Eigenschaften haben.
Bauformen von Wasserrädern
Wasserräder können nach Art des Wasserzulaufs klassifiziert werden. Je nach Gefälle, der Differenz zwischen Zu- und Ablauf (Ober- und Unterwasserspiegel) werden verschiedene Wasserräder eingesetzt.
Unabhängig davon gibt es die Unterscheidung zwischen Zellen- und Schaufelrad.
- Zellenräder bestehen aus seitlich und nach unten abgeschlossenen Behältern (Zellen), die das Wasser maximal eine halbe Umdrehung festhalten.
- Schaufelräder besitzen keine Zellen, sondern nur radial angeordnete Bleche oder Bretter (Schaufeln). Das Wasser kann grundsätzlich auf allen Seiten die Schaufel umfließen, was teilweise mit einer Leitvorrichtung verhindert wird.
Die Abbildungen „oberschlächtiges Wasserrad“ und „mittelschlächtiges Wasserrad“ zeigen ein Zellenrad, Abb. „unterschlächtiges Wasserrad“ ein Schaufelrad.
Oberschlächtiges Wasserrad
Beim oberschlächtigen Wasserrad strömt das Wasser in einer Rinne, dem so genannten Gerinne oder Fluder etwa beim Radscheitel in die wasserdichten Zellen des Rades. Man spricht daher auch von einem Zellenrad. Das Rad wird durch die Gewichtskraft des aufgenommenen Wassers in Bewegung versetzt.
Im Gegensatz zur Wasserturbine benötigt ein oberschlächtiges Wasserrad keinen Rechen um Treibgut herauszufiltern und der Wirkungsgrad ist weniger abhängig von Schwankungen der Wassermenge. Das Einsatzgebiet liegt bei Gefällen von 2,5 m bis 10 m (typisch 4 bis 5 m) und Wassermengen bis zu 0,7 m³/s. Daraus lässt sich eine Maximalleistung in der Größenordnung von 65 kW errechnen, typisch bei Mühlen sind Leistungen im einstelligen kW-Bereich. Größere Wasserräder würden unpraktisch niedrige Drehzahlen liefern, breitere zu hohe Drehmomente an der Nabe. Oberschlächtige Wasserräder werden bei Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 1,5 m/s betrieben, wobei diese Größe einen Erfahrungswert darstellt.
Das Wasser wird bei einem kleinen Wehr einige 100 m oberhalb des Wasserrades vom Mutterbach abgezweigt und in einem künstlichen Kanal mit wenig Gefälle zum Rad geleitet. Dieser Kanal wird oft als Obergraben, Mühlbach oder oberer Mühlgraben bezeichnet. Das Wehr dient der Regulierung der zuströmenden Wassermenge und wird bei Nichtgebrauch des Rades geschlossen. Der letzte Teil des Kanals vor dem Rad – das Gerinne – besteht meist aus Holzbrettern. Eine weitere Anlagenform besteht darin, dass der Obergraben zu einem Stauteich erweitert wird. Das Wasserrad steht in unmittelbarer Nähe hinter dem Teichdamm. Der Wasserzufluss zum Rad wird bei dieser Anlagenform über ein Radschütz gesteuert, welches sich am Ende des Gerinnes befindet.
Unter optimalen Bedingungen (insbesondere mit Schaufeln aus Stahlblech) werden beim oberschlächtigen Wasserrad Wirkungsgrade von über 80% realisiert. Andererseits ist ein Wasserrad im Winter mit Vereisungsproblemen konfrontiert, was bei einer Turbine dagegen nicht der Fall ist. Enteisungsarbeit am Wasserrad ist Schwerarbeit und nicht ungefährlich.
- Die Leistung eines oberschlächtigen Wasserrades errechnet sich zu:
mit Leistung: in Watt, Wirkungsgrad: , Dichte des Wassers: in kg/m³, Volumenstrom in m³/s, Gravitationskonstante: in m/s² und der Fallhöhe, bzw. dem Raddurchmesser in m.
Kehrrad
Eine besondere Bauform ist das Kehrrad. Es wird ausschließlich oberschlächtig beaufschlagt und besteht aus zwei Wasserrädern, die aneinander gebaut sind und sich in beide Richtungen drehen können. Je nach dem, auf welche Seite das Wasser strömt, kann sich das Rad in die eine oder in die andere Richtung drehen. Kehrräder fanden Verwendung im Bergbau um mit Wasserkraft Fördermittel anzutreiben. Durch die Umkehr der Richtung konnten die Tonnen oder Körbe gehoben und gesenkt werden.
Mittelschlächtiges und rückschlächtiges Wasserrad
Mittelschlächtige Wasserräder werden etwa auf Nabenhöhe beaufschlagt („vom Wasser getroffen“) und nutzen teilweise auch die kinetische Energie des Wassers. Sie können als Zellenrad oder als Schaufelrad gebaut werden. Mittelschlächtige Zellenräder werden auch rückschlächtig genannt, sie werden ähnlich wie oberschlächtige Räder gebaut, drehen aber in die entgegengesetzte Richtung. Der Übergang zu unterschlächtigen Rädern ist fließend, auch Zuppinger-Räder (Siehe: unterschlächtiges Wasserrad) können fast auf Nabenhöhe beaufschlagt werden.
Manche mittelschlächtige Räder haben einen Kulisseneinlauf ('a' in der Schemaskizze). Das ist eine meist verstellbare Leitvorrichtung, welche das Wasser in mehrere Teilstrahlen (meist drei) aufteilt und dem Rad einer bestimmten Richtung zuführt.
Moderne Mittelschlächtige Wasserräder können bei entsprechender Konstruktion von Zulauf und Ablauf, sowie Kammern und Schaufelform Wirkungsgrade von mehr als 85% erreichen, was sie fast effektiver macht, als herkömmliche Turbinen.
Unterschlächtiges Wasserrad
Bei unterschlächtigen Wasserrädern fließt das Wasser unter dem Rad in einem Kropf durch. Der Kropf ('K' in der Schemaskizze zum mittelschlächtigen Wasserrad) ist eine Führung, welche dem Rad angepasst ist. Sie verhindert, dass Wasser unterhalb und seitlich der Schaufeln abfließt, ohne es anzutreiben.
Die Kraftübertragung geschieht über Schaufeln. In ihrer einfachsten Form bestehen die Schaufeln aus einem Holzbrett, bessere Wirkungsgrade werden jedoch mit speziell gebogenen Blechschaufeln erzielt.
Das Einsatzgebiet liegt bei Gefällen von 0,25 bis 2 m und Wassermengen über 0,3 m3/s. Daraus ergibt sich eine Leistung im ein- bis zweistelligen kW-Bereich. Unter optimalen Bedingungen, insbesondere, wenn der Spalt zwischen Kropf und Rad klein ist, werden Wirkungsgrade von über 70 % erzielt. Unterschlächtige Wasserräder werden bei Umfangsgeschwindigkeiten von 1,6–2,2 m/s betrieben, wobei diese Größe ein Erfahrungswert darstellt. Wegen des geringen Gefälles steht das Wasserrad normalerweise direkt beim Wehr.
Aus dem 19. Jahrhundert stammt das Zuppinger-Rad, welches durch evolventenförmige Schaufeln einen höheren Wirkungsgrad erzielt. Diese Bauform war vor der Einführung von Dampfmaschinen in der Industrie im 19. Jh. (Textilindustrie, chemische Industrie, Stahlindustrie) verbreitet. Es gelang, durch breite Räder aus Eisen beachtliche Leistungen von einigen 10 kW zu erzielen. Im Gegensatz zu den Turbinen konnten mit den Drehzahlen des Wasserrades über Transmissionen die Maschinen direkt angetrieben werden.
Tiefschlächtiges Wasserrad
Das tiefschlächtige Wasserrad kommt ohne Gefälle aus. Anders als beim unterschlächtigen Wasserrad gibt es hier keine Kulisse. Das Rad wird allein durch den Strömungswiderstand der Schaufelbretter angetrieben. Der Wirkungsgrad bei tiefschlächtigen Wasserrädern ist am besten, wenn die Umfanggeschwindigkeit des Rades der halben Wassergeschwindigkeit entspricht.
Das Prinzip findet besonders bei Wasserschöpfrädern und Schaufelraddampfern seine Anwendung. Naturgemäß werden erstere vorwiegend an Stellen mit geringem Gefälle betrieben, da das Wasser für die Bewässerung sonst i. d. R. ganz ohne Wasserrad an einer höher gelegenen Stelle abgeleitet werden könnte. Besondere Verbreitung haben diese Räder nicht zuletzt an großen Strömen wie Euphrat, Tigris, Nil und Indus gefunden. Bei Wasserschöpfrädern sind Wasserkübel (auch „Kümpfe“ genannt) direkt an dem Wasserrad mit seinen Schaufelbrettern angebracht, das durch die Strömung angetrieben wird. Es ist also keine Kraftübertragung über die Achse notwendig. Im Bereich des höchsten Punktes des Rades entleert sich der Inhalt der Wasserkübel in ein Auffangbecken, von wo aus es in einen Bewässerungskanal fließt.
Je kleiner diese Schöpfkübel und je weniger Schöpfkübel am Rad angebracht sind, desto größer ist der Höhenunterschied, der bewältigt werden kann. Auf diese Weise können mit entsprechend groß gewählten Raddurchmessern Höhenunterschiede von einigen Metern überwunden werden. Die berühmten Wasserschöpfräder (Norias) in Hama in Syrien gelten als die größten der Welt. Sie überwinden mit entsprechend großen Raddurchmessern Höhenunterschiede von z. T. über 30 Metern. Reicht die vorhandene Strömung für die gewünschte Schöpfleistung nicht aus, so können zur Verstärkung der Strömung kleine Stauwehre („Flügel“) im Flusslauf errichtet werden, die dem Rad das Wasser im passenden Winkel zuführen. Bei den nur im Sommer betriebenen historischen Wasserschöpfrädern an der langsam fließenden Regnitz bei Möhrendorf werden diese Stauwehre – wie auch die Räder selbst – traditionell zu Beginn jeder Sommersaison neu errichtet.
Schiffmühle
Bei Schiff(s)mühlen, beide Schreibweisen sind üblich, findet dieses Bauprinzip ebenfalls Anwendung. Hierbei liegt das Schiff fest vertäut im Fluss; das Wasserrad treibt die Mühle auf dem Schiff an. Die Schiffsmühle hat den Vorteil, dass sie mit dem Wasserspiegel aufschwimmt oder absinkt und dadurch immer die selbe Wassermenge zur Verfügung hat.
Sonderformen
- Das Turas-Wasserrad ist ein oberschlächtiges, einseitig gelagertes Wasserrad. Es wird in einer vorgefertigten Rahmenkonstruktion, welche mit der Getriebe- und Asynchrongeneratoreinheit bestückt ist, einseitig angeflanscht und durch das Getriebe gelagert. Bei dieser Bauweise entfällt die Wasserradwelle.
- Das horizontale Wasserrad ist ein Vorläufer der Pelton-Turbine. Das Wasser strömt aus einer Düse auf die Schaufeln eines kleinen (Durchmesser ~1 m) Holzrades mit senkrecht gelagerter Achse. Es wird nur kinetische Energie genutzt.
- Getreidemühlen mit horizontalem Wasserrad werden auch Stockmühlen genannt, das Rad treibt hier ohne Getriebe den Mahlstein an.
- Eine ähnliche, allerdings kleinere Bauweise findet sich bei den altertümlichen Kugelmühlen, in denen früher Kieselsteine zu Schussern (Murmeln) verschliffen wurden. Der Begriff Kugelmühle wird allerdings allgemein für ein Sonderform eines Mahlwerks verwendet.
- Mühlen mit horizontalen Wasserrad wurden auch im Mittelmeerraum benutzt, da sie sich gut für Gewässer mit geringer oder stark wechselnder Wassermenge eignen (siehe: Myrthios).
- Das "Segmentkranz-Wasserrad" ist ein ventiliertes Wasserrad in modularer Bauweise.
- Die Durchströmturbine stellt im wesentlichen eine Weiterentwicklung des Wasserrades dar.
Literatur
- Wasserrad, in: Meyers Konversationslexikon, 4. Aufl. 1888, Bd. 16, S. 427 ff.
- Wilh. Müller: Die Wasserräder, Berechnung, Konstruktion und Wirkungsgrad Verlag Moritz Schäfer, Leipzig 1929.
- Ferdinand Redtenbacher: Theorie und Bau der Wasserräder, 2 Bände, 2. Auflage, Mannheim 1858.
- K. W. Meerwarth: Experimentelle und theoretische Untersuchungen am oberschlächtigen Wasserrad Dissertation TU Stuttgart 1935
Siehe auch
Weblinks
- Eine Seite mit umfangreichen Such-Möglichkeiten zum Thema Wassermühlen
- Informationsseite zu den Möhrendorfer Wasserschöpfrädern
- Kehrrad Funktion eines Kehrrads
- Das Harzer Kehrrad n-21.de Projekt der Georg-Diederichs-Schule in Clausthal-Zellerfeld
- Seite des Herstellers von Turas-Wasserrädern
