Wasserrad
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Ein Wasserrad ermöglicht die Verrichtung von Arbeit, indem es die potentielle und kinetische Energie des Wassers ausnützt. So können Arbeitsmaschinen wie beispielsweise Mahlwerke oder Generatoren angetrieben werden.
Die wirtschaftliche Bedeutung der Wasserräder ist heute nur noch gering. Die meisten Wasserräder stehen heute in den zahlreichen Museen, einige treiben kleinere Generatoren an und dienen der Stromerzeugung.
Geschichte
Die Erfindung des Wasserrades stellte einen Meilenstein in der kulturellen Entwicklung der Menschheit dar, da durch die Nutzung der Wasserkraft gegenüber der Muskelkraft sehr viel mehr mechanische Energie nutzbar gemacht werden konnte.
Zu Anfang dienten Wasserräder der Bewässerung, indem sie ein Schöpfrad zum Heben von Wasser antrieben. Später kam die Nutzung in Mahlmühlen, Ölmühlen, Walkemühlen, Sägemühlen, Hammerwerken und Schleifmühlen hinzu. Auch im Bergwerkswesen wurden sie zum Materialtransport und zur Entwässerung eingesetzt, so beispielsweise im Oberharzer Wasserregal.
In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts ermöglichten die aufkommenden Wasserturbinen, viel grössere Wassermengen und höhere Gefälle auszunutzen. Es stand nun so viel Energie zur Verfügung, dass diese nicht mehr vor Ort übertragen werden konnte und in elektrischen Strom umgewandelt werden musste. Es entstanden Wasserkraftwerke, welche auf Grund ihrer schieren Grösse billiger produzieren konnten und 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.
Arten von Wasserrädern
Wasserräder können nach Art des Wasserzulaufs klassifiziert werden. Je nach Gefälle – der Differenz zwischen Ober- und Unterwasserspiegel – werden verschiedene Wasserräder eingesetzt:
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Oberschlächtiges Wasserrad
Beim oberschlächtigen Wasserrad strömt das Wasser über ein Gerinne etwa beim Radscheitel in die Zellen des Rades, man spricht daher auch von einem Zellenrad. Das Rad wird durch die Gewichtskraft des aufgenommenen Wassers in Bewegung versetzt, nutzt also dessen potenzielle Energie. Im Gegensatz zur Wasserturbine benötigt ein oberschlächtiges Wasserrad keinen Rechen um Treibgut herauszufiltern und ihr 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 0,7 m³/s. Das Wasser wird bei einem kleinen Wehr einige 100 m oberhalb des Wasserrades abgezweigt und in einem Kanal zum Rad geleitet. Der letzte Teil des Kanals vor dem Rad – das Gerinne – besteht meist aus Holzbretter. Unter optimalen Bedingungen (insbesondere Schaufeln aus Stahlblech) werden Wirkungsgrade von über 80% realisiert.
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 sowohl als Zellenrad als auch 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.
Unterschlächtiges Wasserrad
Bei unterschlächtigen Wasserrädern fließt das Wasser unter dem Rad in einer Kulisse durch. Die Kulisse 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, man spricht daher auch von Schaufelrädern. In ihrer einfachsten Form bestehen die Schaufeln aus einem Holzbrett, bessere Wirkungsgrade werden jedoch mit speziell gebogenen Blechschaufeln erzielt. Das Rad wird zu einem relevanten Teil durch die kinetische Energie des unter ihm fließenden Wassers angetrieben, aber auch bei unterschlächtigen Rädern ist das Gefälle und mit ihm die potenzielle Energie leistungsbestimmend.
Das Einsatzgebiet liegt bei Gefällen von 0,25 bis 2 m und Wassermengen über 0,3 m3/s. Unter optimalen Bedingungen, insbesondere, wenn der Spalt zwischen Kulisse und Rad klein ist, werden Wirkungsgrade von über 70% erzielt. Wegen des geringen Gefälles steht das Wasserrad normalerweise direkt beim Wehr.
Aus dem 19. Jh. stammt das Zuppinger-Rad, welches durch evolventenförmige Schaufeln einen höheren Wirkungsgrad erzielt.
Sonderformen
- Das Turas-Wasserrad ist ein einseitig gelagertes Wasserrad.
- Ein Kehrrad (ausschließlich oberschlächtig) 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. Dieses Prinzip wurde hauptsächlich im Bergbau angewandt.
- Das tiefschlächtige Wasserrad kommt ohne Gefälle aus und diente vor der Erfindung des Propellers Raddampfern als Antrieb. Das umgekehrte Prinzip findet bei Schiffsmühlen Anwendung: Das Schiff liegt fest vertäut im Fluss, das Wasserrad treibt die Mühle auf dem Schiff an.
- 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 ausgenutzt. Mühlen mit horizontalem Wasserrad werden Stockmühlen genannt, das Rad treibt hier ohne Getriebe den Mahlstein an.
Literatur
- Wasserrad, in: Meyers Konversationslexikon, 4. Aufl. 1888, Bd. 16, S. 427
- 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
- Bega Wasserkraft GmbH Kommerzieller Hersteller von Wasserrädern
- Open Theory: Das Wasserrad ein Forum
