Wasserrad


Wasserrad
Oberschlächtiges Wasserrad im Freilichtmuseum Neuhausen ob Eck
Unterschlächtiges Wasserrad beim Rheinfall in Neuhausen (Schweiz)
Sägemühle (links) und Getreidemühle (rechts) jeweils mit eigenem oberschlächtigem Wasserrad. Luttermühle am Weesener Bach, Hermannsburg, um 1960

Ein Wasserrad, oft auch Mühlrad genannt, ist ein Rad, das durch Wasserkraft in Rotation versetzt wird. Hierbei wird die potentielle und kinetische Energie des Wassers genutzt, um Wassermühlen aller Art, Generatoren von kleinen Wasserkraftwerken, oder Wasserschöpfwerke anzutreiben.

Inhaltsverzeichnis

Bedeutung

Ein altes Wasserrad am Stiglbach

In den industrialisierten Regionen haben Wasserräder heute kaum noch wirtschaftliche Bedeutung. Die meisten 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. Im Schlosspark Nymphenburg in München betreiben Wasserräder allerdings seit über 200 Jahren bis heute die Pumpwerke für die beiden Fontänen vor dem Schloss. Ein wichtiger Unterschied zwischen Wasserrädern und Turbinen: Wasserräder können ohne Regelung und mit stark schwankenden Wassermengen ohne nennenswerte Einbußen beim Wirkungsgrad laufen.

Neben den reinen Wassermühlen gab und gibt es Mühlen, die ihre Antriebskraft aus Wasser und Wind zugleich beziehen. Eine der wenigen heute noch komplett erhaltenen derartigen Mühlen ist die Hüvener Mühle im nördlichen Emsland.

Die meisten Wasserräder stehen in den Entwicklungsländern Afrikas und Asiens als unerlässliche Hilfsmittel vor allem der Landwirtschaft zur Verfügung. 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

Wirkungsgrad des oberschlächtigen Turaswasserrades
Darstellung der römischen Sägemühle von Hierapolis in Kleinasien. Die aus dem 3. Jahrhundert n. Chr. stammende Mühle ist die erste bekannte Maschine, die mit einem Mechanismus aus Kurbelwelle und Pleuelstange arbeitete.[1]
Das „Great Laxey Wheel“, Europas größtes Wasserrad mit 22 m Durchmesser
Das große Wasserrad im National Slate Museums in Wales

Die Erfindung des Wasserrades durch griechische Ingenieure im 4./3. Jahrhundert v. Chr. stellte einen Meilenstein in der Entwicklung der Technik dar, da durch die Nutzung der Wasserkraft mechanische Energie nutzbar gemacht werden konnte.[2][3] Zu Anfang dienten Wasserräder der Bewässerung in der Landwirtschaft, als Schöpfrad zum Heben von Wasser. Solche Schöpfräder sind seit vor der Zeitenwende in den hellenistischen Staaten und im Römischen Reich, später auch in Indien und China verbreitet.

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 -mühle ausführlich. Der früheste Nachweis einer Wassermühle in Deutschland gelang den Archäologen durch die Ausgrabung einer Mühle aus der Zeit um Christi Geburt an der Inde (siehe Inde (Fluss) Geschichte). Funde in der alemannischen Siedlung Mittelhofen bei Lauchheim datieren aus dem 6. Jahrhundert. Bereits im 9. Jahrhundert gab es viele Mühlen in Zentralfrankreich. Seit dem 12. Jahrhundert waren Wassermühlen in Mitteleuropa verbreitet. Später kam die Nutzung von Ölmühlen, Walkmühlen, Sägemühlen, Hammerwerken und Schleifmühlen hinzu. Der beginnenden Industrialisierung diente das Wasserrad zum Antreiben von Maschinen; über die ersten Transmissionen. Auch im Bergwesen wurden sie zum Materialtransport und zur Entwässerung eingesetzt, so beispielsweise im Oberharzer Wasserregal. Ein weiteres Beispiel sind die in Möhrendorf an der Regnitz noch vorhandenen neun historischen Wasserschöpfräder, die bereits für den Anfang des 15. Jahrhunderts belegt sind. Eines der größten historischen Wasserräder Deutschlands ist mit 9,6 m Durchmesser, das 1745–1748 erbaute „Große Rad“ in Schwalheim bei Bad Nauheim. Es trieb die mechanischen Pumpen einer frühindustriellen Salinenanlage an. Das größte Wasserrad überhaupt steht auf der Isle of Man. Das „Great Laxey Wheel“ hat etwa 22 m Durchmesser und diente der Entwässerung eines Bergwerks.

Eine ausreichende Wasserversorgung war ein wichtiger Punkt in der Standortbewertung der entstehenden Fabriken, im Gegensatz zu anderen Standortkriterien in der heutigen Zeit. Wesentlicher Punkt, um ein Wasserrad betreiben zu können, waren die Wasserrechte. So findet man heute noch Eigentumsrechte von alten Industriebetrieben im Quellgebiet von Flüssen oder größeren Bächen, die von den Eigentümern nicht mehr genutzt werden. Die zur Verbesserung und Sicherung der Mühlenleistung angelegten Mühlenstauen sind an kleinen Gewässern oft noch als Mühlenteiche erhalten. An größeren Gewässern hatten sie weitreichende Auswirkungen und waren darum im Mittelalter ein Politikum.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts machten es die aufkommenden Wasserturbinen möglich, viel größere Wassermengen und höhere Gefälle zu nutzen. 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 kleinen Kraftwerke mit Wasserrad allmählich verdrängten. Versuche, die vergleichsweise kleinen Wasserräder durch Turbinen zu ersetzen, schlugen vielfach fehl, da beide Antriebe völlig unterschiedliche Eigenschaften haben.

Bauformen von Wasserrädern

Diagramm Einsatzbereiche der Bauformen

Wasserräder können nach Art des Wasserzulaufs klassifiziert werden. Je nach Gefälle sowie der Differenz zwischen Zu- und Ablauf (Ober- und Unterwasserspiegel) werden verschiedene Wasserräder eingesetzt.

Unabhängig davon unterscheidet man 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), die zu allen Seiten offen sind. Um das Wasser in den Schaufeln zu halten, laufen die meisten Schaufelräder in einem Kropfgerinne. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss das Kropfgerinne möglichst eng an der Schaufel anliegen (sh. Abb. „mittelschlächtiges Wasserrad“).

Die Abbildungen „oberschlächtiges Wasserrad“ und „mittelschlächtiges Wasserrad“ zeigen ein Zellenrad, die Abbildung „unterschlächtiges Wasserrad“ ein Schaufelrad.

Oberschlächtiges Wasserrad

Gerinne und Oberschlächtiges Wasserrad der Zschonermühle in Dresden
Oberschlächtiges Wasserrad
Oberschlächtiges Wasserrad in Betrieb
Oberschlächtiges Wasserrad einer Lesachtaler Mühle (Kärnten, A)

Beim oberschlächtigen Wasserrad strömt das Wasser durch eine Rinne (sogenanntes Gerinne oder Fluder) oder ein Rohr ungefähr beim Radscheitel in die wasserdichten Zellen des Rades. Man spricht daher auch von einem Zellenrad. Das Rad wird durch die Gewichtskraft des aufgenommenen Wassers und durch seine kinetische Energie (Aufschlagwasser) 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 und Wassermengen bis zu 2 m³/s (typisch sind Gefälle von 3 bis 6 m und Wassermengen von 0,1 bis 0,5 m³/s). Für Mühlen liegen die typischen Wasserradleistungen zwischen 2 und 10 kW. Oberschlächtige Wasserräder werden bei Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 1,5 m/s betrieben.

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. Der letzte Teil des Kanals vor dem Rad wird Gerinne genannt. Es besteht häufig aus Holzbrettern oder Metall. Am Gerinne ist ein Freifluter, auch Leerschuss genannt, angebracht, welcher bei Stillstand des Wasserrades das Wasser am Rad vorbeileitet. 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. Allerdings ist ein Wasserrad im Winter mit Vereisungsproblemen konfrontiert. Enteisungsarbeit am Wasserrad ist anstrengend und nicht ungefährlich. Daher wurden viele Wasserräder mit einem Radhaus umbaut. Das Radhaus schützt nicht nur vor Eis, sondern verhindert auch ein Austrocknen bei Stillstand, wodurch es bei hölzernen Bauteilen zu unregelmäßigem Gang des Rades kommt. Turbinen haben diese Probleme nicht.

Die Leistung eines oberschlächtigen Wasserrades errechnet sich zu: P_{el.}= \eta _{ges.}\cdot \rho\cdot \dot V \cdot g \cdot h

mit Leistung: Pel. in Watt, Wirkungsgrad: \eta_{ges.}= \eta_{T}\cdot \eta_{Getr.}\cdot \eta_{Gen.} , Dichte des Wassers: ρ in kg/m³, Volumenstrom \dot V in m³/s, Fallbeschleunigung: g in m/s² und der Fallhöhe, bzw. dem Raddurchmesser h in m.

Kehrrad

Rekonstruktion eines Kehrrades mit 9,5 m Durchmesser in Clausthal-Zellerfeld

Eine besondere Bauform ist das Kehrrad. Es wird ausschließlich oberschlächtig beaufschlagt und hat zwei gegenläufig angeordnete Schaufelkränze, so dass es je nach Beaufschlagung seine Drehrichtung ändern kann. Kehrräder fanden im Bergbau Verwendung, um mit Wasserkraft Fördermittel anzutreiben. Durch die Umkehr der Richtung konnten die Tonnen oder Körbe gehoben und gesenkt werden. In der Regel befand sich eine Seiltrommel oder ein Kettenkorb mit auf der Welle des Rades. Unabdingbar war darüber hinaus eine Bremsvorrichtung, um das Kehrrad abbremsen zu können (Bremsrad). Die älteste heute bekannte Darstellung eines Kehrrades stammt von Georgius Agricola aus dem Jahre 1556.

Mittelschlächtiges und rückschlächtiges Wasserrad

Mittelschlächtiges Wasserrad
Mittelschlächtiges Wasserrad – Stütings Mühle in Belecke

Mittelschlächtige Wasserräder werden etwa auf Nabenhöhe beaufschlagt („vom Wasser getroffen“). 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 bis zu 85 % erreichen, was sie nahe an den Wirkungsgrad von herkömmlichen Turbinen heranbringt.

Unterschlächtiges Wasserrad

Unterschlächtiges Wasserrad
Unterschlächtiges Wasserrad in Betrieb
Modernes Zuppinger-Rad im LBV-Zentrum Mensch und Natur (2002 von der Fa. HydroWatt gebaut)

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 einen 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. Mit den Drehzahlen des Wasserrades konnten langsamgehende Maschinen wie z.B. Stampfwerke oder Schwanzhämmer (=Hammerschmiede) direkt angetrieben werden. Die meisten Antriebsmaschinen benötigten mehrstufige Getriebe (sog. Vorgelege), um die erforderlichen Drehzahlen bereitzustellen. Dies begünstigte den Einsatz von Turbinen gegenüber dem Wasserrad.

Tiefschlächtiges Wasserrad

Leistung und Wirkungsgrad

Das Leistungsangebot des Gewässers aus dessen kinetischer Energie durch die Fließgeschwindigkeit vFluss, bezogen auf die vom Wasserrad beeinflusste Querschnittsfläche A, lässt sich wie folgt berechnen:

 \dot m {=} A \cdot \rho \cdot {v_{Fluss}}

 P_{Fluss} {=} \frac 1 2 \cdot \dot m \cdot {v_{Fluss}}^2 {=} \frac 1 2 \cdot A \cdot \rho \cdot {v_{Fluss}}^3


Die Leistung eines tiefschlächtigen Wasserrades lässt sich wie folgt berechnen:

Die Wasserströmung (ρ Dichte des Wassers in kg/m³) übt eine Kraft F (in Newton) auf die Schaufeln mit der Querschnittsfläche A (in m²) aus, die aus dem dynamischen Druck der Strömung auf die Schaufel berechnet werden kann:

 F {=} A \cdot c_w \cdot \frac {1}{2} \cdot \rho \cdot {v_{dynamisch}}^2

Der Strömungswiderstandsbeiwert cw ist eine dimensonslose Zahl und kann aus entsprechenden Tabellenwerken abgeleitet werden. Eine Hohlkugelhalbschale, die zur hohlen Seite hin angeströmt wird, hat den Beiwert ~1,35. Es ist allerdings zu beachten, dass bei einem Wasserrad ohne eine dynamische Verstellung des Anstellwinkels zu einer senkrechten Anströmung (exzentergesteuerte Radschaufeln) beim Ein- und Austauchen flachere Winkel wirken. Der wirksame mittlere Strömungswiderstandsbeiwert cw ist also kleiner als der in den üblichen Tabellenwerken ablesbare. Exzentergesteuerte Radschaufeln stellen insofern eine mögliche Verbesserung dar, sind aber wartungsintensiv und verursachen zusätzliche Verluste zum Antrieb der Exentersteuerung, so dass diese sich nicht durchsetzten.

Die für den dynamischen Druck wirksame Geschwindigkeit vdynamisch berechnet sich aus der Strömungsgeschwindigkeit des Flusses vFluss, vermindert um die Oberflächengeschwindigkeit des Wasserrades vWasserrad:

vdynamisch = vFlussvWasserrad

Die Leistung des Wasserrades P (in Watt) berechnet sich aus

  • dem Produkt der Kraft mit der Oberflächengeschwindigkeit des Wasserrades vWasserrad

P_{Wasserrad} {=} F \cdot {v_{Wasserrad}}

bzw.

  • dem Produkt der Kraft mit der Winkelgeschwindigkeit des Wasserrades ωWasserrad und dem Radius des Wasserrades r:

P_{Wasserrad}  {=} F \cdot {\omega_{Wasserrad}} \cdot r

Löst man dieses Gleichungssystem, indem die Kraft F, die dynamische Geschwindigkeit vdynamisch und die Oberflächengeschwindigkeit des Wasserrades vWasserrad eliminiert werden, so erhält man die Gleichung für die Leistung des Wasserrades:

P_{Wasserrad} {=} \frac{1}{2} \cdot A \cdot c_w \cdot \rho \cdot {v_{Wasserrad}} \cdot ({v_{Fluss}} {-} {v_{Wasserrad}} )^2 {=} \frac{1}{2} \cdot A \cdot c_w \cdot \rho \cdot r \cdot \omega \cdot ({v_{Fluss}} {-} r \cdot \omega )^2

Die Leistung ist optimal bei:

 \frac{r \cdot \omega}{{v_{Fluss}}}{=}\frac{v_{Wasserrad}}{v_{Fluss}}{=}\frac{1}{3}

Die optimale Oberflächengeschwindigkeit beträgt also nur 1/3 der Strömungsgeschwindigkeit des Flusses, weswegen ein modernes Wasserrad über eine Drehzahlregelung verfügen sollte, um es mit der optimalen Drehzahl betreiben zu können. Ob die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Flusses z.B. mittels Utraschall-Doppler-Sonde erforderlich ist, hängt davon ab, ob die Strömungsgeschwindigkeit, je nach Wasserstand, stark schwankt.

Die maximal mögliche Leistung kann dann folgendermaßen berechnet werden:

P_{{Wasserrad}{-}{optimal}} {=} \frac{2}{27} \cdot A \cdot c_w \cdot \rho \cdot {v_{Fluss}}^3

Tiefschlächtige Wasserräder benötigen also einen hohen dynamischen Anströmdruck durch den Fluss und erzeugen daraus eine niedrige Drehzahl. Das wirkt sich wie folgt auf den Wirkungsgrad aus:

Der Wirkungsgrad eines tiefschlächtigen Wasserrades η ist der Quotient aus der Leistung des Wasserrades und des Leistungsangebots des Flusses, wenn die Ähnlichkeitskennzahl  \Theta{=}\frac{v_{Wasserrad}}{v_{Fluss}} eingeführt wird:

 \eta {=} \frac {P_{Wasserrad}} {P_{Fluss}} {=} c_w \cdot (\frac{v_{Wasserrad}}{v_{Fluss}}-2 \cdot {(\frac{v_{Wasserrad}}{v_{Fluss}})}^2+{(\frac{v_{Wasserrad}}{v_{Fluss}})}^3){=} c_w \cdot (\Theta-2 \cdot \Theta^2+\Theta^3)


Diese Beziehung wird in der folgenden Grafik veranschaulicht:

Der Wirkungsgrad erscheint zwar relativ gering im Verhältnis z.B. zu dem durch einen Unterwasserpropeller (Unterwasserwindrad) erreichbaren Wirkungsgrad von ~60 % nach dem Gesetz von Betz (dieses ist für einen Unterwasserpropeller anwendbar, da Betz von einem nicht kompressiblen Medium ausging).

Das ist darauf zurückzuführen, dass ein tiefschlächtiges Wasserrad eine einfache Arbeitsmaschine ist, die einen Strömungswiderstand und damit eine Reibung in Arbeit konvertiert. Strömungsmaschinen wie Propeller oder Windräder dagegen wandeln den Druckunterschied von angeströmten Tragflächen in ein maximales Drehmoment mal Drehzahl um. Durch eine geschickte Wahl des Profils können so wesentlich effizientere Arbeitsmaschinen konstruiert werden. In Kulissen geführte mittel- oder unterschlächtige Wasserräder können als eine Abart von Verdrängungsmaschinen (die Zellenwand als eine Art Kolben) angesehen werden und arbeiten durch die Zwangsführung des Wasser effektiver, sind aber sehr anfällig für Reibungsverluste aus eingeschlepptem Treibgut und sind daher wartungsintensiv. Ferner muss Treibgut als Abfall entsorgt werden, darf also nicht einfach unterhalb wieder ins Gewässer eingebracht werden, was erhebliche Kosten verursacht.

Trotzdem kann ein tiefschlächtiges Wasserrad ein geeigneter Generator zur Gewinnung von Strom aus der kinetischen Energie von Flüssen sein, da dieses eben

  • relativ unempfindlich gegen den Einfluss von Treibgut ist und
  • folglich geringe Wartungskosten anfallen, die die Wirtschaftlichkeit anderer Flusskraftwerke erheblich beeinträchtigen können.

Das Energieangebot aus dem Fluss muss also nicht möglichst hoch sein, sondern möglichst kosteneffizient genutzt werden. Dafür ist ein tiefschlächtiges Wasserrad gut geeignet.

Als Wasserbauwerk ausgeführtes tiefschlächtiges Wasserrad

Wasserschöpfräder bei Möhrendorf

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 kommt besonders bei Wasserschöpfrädern zur Anwendung. Es ist außerdem eng verwandt mit dem Antrieb von Schaufelraddampfern.

Schwimmendes tiefschlächtiges Wasserrad - Schiffmühle

Schiffsmühle Minden
Hauptartikel: 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 dieselbe Wassermenge zur Verfügung hat.

Horizontalmühlen

Hauptartikel: Horizontalrad-Wassermühle

Horizontalmühlen, regional auch Stock- oder Flodermühle genannt, sind durch ein horizontales Wasserrad auf einer vertikalen Welle gekennzeichnet. Das Rad treibt den Mahlstein ohne Getriebe an. Es wird nur kinetische Energie genutzt; die Mühle benötigt daher einen Fluss mit starkem Gefälle. Wegen ihrer einfachen und robusten Bauart und ihrer Eignung für kleine Wassermengen waren Horizontalmühlen insbesondere in wasserarmen und gebirgigen Regionen des Mittelmeerraumes schon früh verbreitet; sie finden sich aber auch unter anderem in Nordeuropa und im Alpenraum.

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 Gravity-Wasserrad ist ein mittelschlächtiges Wasserrad, bei dem zur maximalen Energieerzeugung die Ein- und Auslaufverluste minimiert wurden. Basis sind die Konstruktionsrichtlinien für Zuppinger Wasserräder. Die Form der Schaufeln wird nicht auf maximale Leistung, sondern maximale Jahresarbeit (Jahresarbeit bedeutet in diesem Fall die in einem Jahr durchschnittlich produzierte Energiemenge) hin optimiert. Das Gravity-Wasserrad entspricht dadurch mehr den heutigen Bedürfnissen der Wasserradnutzung zur Energieerzeugung.
  • Das Segmentkranz-Wasserrad ist ein ventiliertes Wasserrad in modularer Bauweise.
  • Die Durchströmturbine stellt im Wesentlichen eine Weiterentwicklung des Wasserrades dar.

Bei Le Locle im Schweizer Kanton Neuenburg (NE) befinden sich Europas einzige unterirdische Mühlen. In einer mehrstöckigen Höhle wurden im 16. Jahrhundert in einen Wasserfall Wasserräder eingebaut, um eine Getreidemühle und Dresch- und Sägemühlen anzutreiben.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Tullia Ritti, Klaus Grewe, Paul Kessener: A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications. in: Journal of Roman Archaeology, Bd. 20 (2007), S. 138–163 (161).
  2. Oleson, John Peter (1984): Greek and Roman Mechanical Water-Lifting Devices: The History of a Technology. University of Toronto Press, ISBN 90-277-1693-5, S. 325ff.
  3. Oleson, John Peter (2000): "Water-Lifting", in Wikander, Örjan, Handbook of Ancient Water Technology, Technology and Change in History. 2, Leiden: Brill, pp. 217–302, ISBN 90-04-11123-9, S. 217–302.

Literatur

  • Konrad Gruter: DE AQUARUM CONDUCTIBUS; MOLENDINIS ALIISQUE MACHINIS ET AEDIFICIIS, 3 Teile, Venedig 1424.
  • Ferdinand Redtenbacher: Theorie und Bau der Wasserräder, 2 Bände, Mannheim 1858.
  • Carl von Bach: Die Wasserräder, 1 Bd. + Atlas, Stuttgart 1886.
  • Wilhelm Müller: Die eisernen Wasserräder, Bd.1 Die Zellenräder, Bd.2 Die Schaufelräder, Bd.3 Atlas, Leipzig 1899, Verlag Veit & Comp..
  • Wilhelm Müller: Die Wasserräder, Berechnung, Konstruktion und Wirkungsgrad, gekürzte Version der Vorgängerbände, Verlag Moritz Schäfer, Leipzig 1929.
  • Heinrich Henne: Die Wasserräder und Turbinen 1 Bd. + Atlas, Leipzig 1903, Verlag Bernhard Friedrich Voigt.
  • F. Beyrich: Berechnung und Ausführung der Wasserräder, Leipzig 1905, J. M. Gebhardt's Verlag.
  • C. G. O. Deckert: Die hydraulischen Motoren, 14. Band aus Die Schule des Maschinentechnikers von Karl Georg Weitzel, Mittenweida Juli 1898, Verlag Moritz Schäfer Leipzig.
  • K. Albrecht: Wasserräder und Turbinen Teil 2 im 5. Band Motoren 1 aus Uhlands Handbuch für den praktischen Maschinenbaukonstrukteur, Verlag W. & S. Loewenthal Berlin.
  • Wasserrad. In: Meyers Konversations-Lexikon. 4. Auflage. Band 16, Bibliographisches Institut, Leipzig 1885–1892, ‎ S. 427..
  • K. W. Meerwarth: Experimentelle und theoretische Untersuchungen am oberschlächtigen Wasserrad Dissertation TU Stuttgart 1935.
  • D. M. Nuernbergk: Wasserräder mit Kropfgerinne - Berechnungsgrundlagen und neue Erkenntnisse Verlag Moritz Schäfer, Detmold 2005.
  • D. M. Nuernbergk: Wasserräder mit Freihang - Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen Verlag Moritz Schäfer, Detmold 2007.
  • Richard Brüdern: Wie man Wasserräder baut - ein Beitrag zur Technikgeschichte, Berechnung und Konstruktion von Wasserrädern, Eigenverlag, 2006
  • Axel Feuß: Wasser-, Wind- und Industriemühlen in Hamburg = Arbeitshefte zur Denkmalpflege in Hamburg, Themen-Reihe Band 9, Heide/Holst.: Boyens Medien, 2007.
  • Grewe, Klaus: "Die Reliefdarstellung einer antiken Steinsägemaschine aus Hierapolis in Phrygien und ihre Bedeutung für die Technikgeschichte. Internationale Konferenz 13.−16. Juni 2007 in Istanbul", in: Bachmann, Martin (Hrsg.): Bautechnik im antiken und vorantiken Kleinasien, Byzas, Bd. 9, Istanbul 2009, ISBN 978-975-8072-23-1, S. 429–454

Weblinks

 Commons: Wasserrad – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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