Tiefschlächtiges Wasserrad

Oberschlächtiges Wasserrad im Freilichtmuseum Neuhausen ob Eck

Sägemühle (links) und Getreidemühle (rechts) jeweils mit eigenem oberschlächtigem Wasserrad. Luttermühle am Weesener Bach, Hermannsburg, um 1960

Ein Wasserrad ist ein Rad, das durch Wasserkraft in Rotation versetzt wird. Hierbei wird die potentielle oder nur die kinetische Energie des Wassers genutzt, um Generatoren, Mahlwerke, Hammerwerke oder Wasserschöpfwerke anzutreiben.

Bedeutung

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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. 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 erhaltene derartige Mühle 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

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.

Das Große Rad in Schwalheim

Die Lady Isabel das "Great Laxey Wheel"

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. Der früheste Nachweis einer Wassermühle in Deutschland gelang in der alemannischen Siedlung Mittelhofen bei Lauchheim aus dem 6. Jahrhundert. 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 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 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. Die zur Verbesserung und Sicherung der Mühlenleistung angelegten Mühlenstauen sind an kleinen Gewässern oft noch als Mühlenteiche erhalten. An größeren Gewässern hatten sie weit reichende Auswirkungen und waren darum im Mittelalter ein Politikum.

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

Diagramm Einsatzbereiche der Bauformen

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), die von 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, Abb. „unterschlächtiges Wasserrad“ ein Schaufelrad.

Oberschlächtiges Wasserrad

Oberschlächtiges Wasserrad

Oberschlächtiges Wasserrad einer Lesachtaler Mühle

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 (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. Andererseits ist ein Wasserrad im Winter mit Vereisungsproblemen konfrontiert. Enteisungsarbeit am Wasserrad ist Schwerarbeit 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: P_el. 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 Darstellung eines Kehrrades stammt von Georgius Agricola aus dem Jahre 1556.

Mittelschlächtiges und rückschlächtiges Wasserrad

Mittelschlächtiges Wasserrad

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 entgegen gesetzte 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

Im Jahr 2002 erbautes Zuppinger-Rad im LBV-Zentrum Mensch und Natur

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. Mit den Drehzahlen des Wasserrades konnten langsam gehende Maschinen wie z.B. Stampfwerke oder Schwanzhämmer (=Hammerschmiede) direkt angetrieben werden. Für die meisten Antriebsmaschinen waren jedoch mehrstufige Getriebe (sog. Vorgelege) notwendig, um die erforderlichen Drehzahlen bereitzustellen. Diese Tatsache begünstigte den Einsatz von Turbinen gegenüber dem Wasserrad.

Tiefschlächtiges Wasserrad

Wasserschöpfräder bei Möhrendorf

Schiffsmühle Minden

Horizontales Wasserrad einer Stockmühle, der Neuwirtmühle in Kaning bei Radenthein (Kärnten.Österreich)

Neuwirtmühle (s.o.) in Aktion

Mühle mit horizontalem Wasserrad am Fuß des Fallrohres bei Myrthios auf Kreta

Reste des Wasserrades der Mühle bei Myrthios

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 sehr nahe verwandt mit dem Antrieb von Schaufelraddampfern.

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

Das horizontale Wasserrad stammt aus vorindustrieller Zeit und ist in den nordeuropäischen Gewässern seit der Wikingerzeit nachgewiesen. Es 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 Stock- bzw. Clickmühlen genannt, das Rad treibt ohne Getriebe den Mahlstein an. Mühlen mit horizontalem Wasserrad wurden in Skandinavien und im Mittelmeerraum benutzt, da sie sich für Gewässer mit geringer oder stark wechselnder Wassermenge eignen (siehe: Myrthios). Eine nahezu intakte Clickmühle (Clickmill) befindet sich noch heute auf Orkney Mainland. Eine ähnliche, allerdings kleinere Bauweise findet sich bei den altertümlichen Kugelmühlen, in denen früher Kieselsteine zu Schussern (Murmeln) verschliffen wurden. Der Begriff Kugelmühle wird allgemein allerdings für eine Sonderform des Mahlwerks verwendet.

Dieser Mühlentyp ist in den südlichen Ostalpen, vor allem in Kärnten als Flodermühle oder Stockmühle bekannt. Flodermühlen mit turbinenähnlichem Mühlrad und senkrecht stehender Achse wurden vor allem an relativ wasserarmen Bächen mit sehr großem Gefälle eingesetzt. Berühmt sind die funktionsfähigen Apriacher Stockmühlen bei Heiligenblut, unter dem Großglockner, die Mühlen am Mühlenwander- und Kneippweg Kaning bei Radenthein sowie die wieder restaurierten Stockmühlen bei Kals und die leider bachlose Flodermühle im Freilichtmuseum Maria Saal. Weitere Mühlen wurden in den letzten Jahren restauriert.

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 optimiert 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

• Windmühle - Automatisierung
• Segnersches Wasserrad von Johann Andreas von Segner
• Westfälische Mühlenstraße
• Mühlenstraße Oberschwaben
• Eisenberger Mühltal
• Mühlenmuseum Gifhorn

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. Bd. 16, 4. Aufl. Leipzig: Bibliographisches Institut, 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 294 Seiten, Eigenverlag R. Brüdern, 2006, Mühlenhof 3, 38179 Rothemühle (Schwülper), Tel.+ Fax 05303 / 5644
• Otfried Preußler: Krabat - Enthält genaue Beschreibungen des Mülleralltags und der technischen Einrichtungen einer historischen Wassermühle.
• Axel Feuß: Wasser-, Wind- und Industriemühlen in Hamburg = Arbeitshefte zur Denkmalpflege in Hamburg, Themen-Reihe Band 9, Heide/Holst.: Boyens Medien, 2007.

Weblinks

• [1] Infos zum Modellbau von Wasserräder
• Theorie und Bau der Wasserräder v. Ferdinand Jacob Redtenbacher
• Eine Seite mit umfangreichen Such-Möglichkeiten zum Thema Wassermühlen
• Informationsseite zu den Möhrendorfer Wasserschöpfrädern
• Kehrrad Funktion eines Kehrrads (Förderung & Fahrkunst)
• Das Harzer Kehrrad n-21.de Projekt der Georg-Diederichs-Schule in Clausthal-Zellerfeld
• Bilder der Clickmill von Dounby auf Orkney