Pelton-Turbine System Erlach: Teillast und Wirkungsgrad

System Erlach bei Teillast: sechs Düsen zum Abschalten, auch an horizontaler Welle

Bei Pelton-Turbinen mit mehreren Düsen kann die Regelung die Zahl der aktiven Düsen mit der Nadelstellung kombinieren. Dadurch lassen sich bei kleiner Gesamtwassermenge günstigere Betriebspunkte der aktiven Düsen nutzen. Die konkrete Schaltfolge hängt von der Maschine und ihrer Regelung ab.

Je mehr Düsen, desto mehr Stufen. Eine herkömmliche horizontale Pelton-Turbine hat dafür eine oder zwei Düsen. Das System Erlach hat bis zu sechs, und die Welle bleibt horizontal.

Für eine herkömmliche Pelton-Turbine mit sechs Düsen nennt das Lehrbuch von Brekke einen Wirkungsgrad von 90 Prozent bei 10 bis 12 Prozent Last, wenn nur noch eine Düse läuft. Im Leerlauf braucht eine Pelton-Turbine nur rund 1 Prozent ihrer Wassermenge.

Für das Konzept mit sechs Düsen nennt der Vortrag von 2012 gute Betriebsbedingungen bis hinunter zu 5 Prozent der Wassermenge. Eine einzige Maschine kann damit Sommer und Winter abdecken.

Beleg: H. Brekke, Hydraulic Turbines, NTNU 2015, Abschnitt 4 und 5.1, S. 16 und 22; J. M. Erlach, New Pelton Concept, Viennahydro 2012, Full Paper, Abschnitt 3.1.

Pelton-Turbine und System Erlach: der Unterschied bei Teillast

Düsen abschalten kann jede Pelton-Turbine mit mehreren Düsen. Beim System Erlach kommen zwei Dinge dazu: Der optionale axiale Zulauf bietet den Düsen annähernd gleiche Zulaufbedingungen, und die Düsen dürfen so weit auseinander sitzen, wie es das Laufrad verlangt.

Beleg: J. M. Erlach, New Pelton Concept, Viennahydro 2012, Full Paper, Abschnitt 2.4, 2.5 und 3.1; H. Brekke, Hydraulic Turbines, NTNU 2015, S. 22.

System Erlach, Wirkungsgrad je Düse: mit axialem Zulauf für jede Düse fast gleich

Im Modellversuch lief jede der sechs Düsen einzeln. Beim herkömmlichen Ringverteiler (siehe Pelton-Turbine Verteilrohr) hing der Wirkungsgrad davon ab, welche Düse es war. Der Vortrag nennt als bekannten Erfahrungswert eine Abweichung von plus minus 0,3 bis 0,6 Prozent; gemessen wurde bei Volllast eine Spannweite von 1,3 bis 1,6 Prozent unter dem Bestwert zwischen bester und schlechtester Düse. Beim axialen Zulauf lagen die sechs Kurven eng beieinander, rund 0,4 Prozent.

Für Fachleute: Die Diagramme tragen η / η_max, die Angaben sind also Prozent des Bestwerts, keine Prozentpunkte; den Wirkungsgrad selbst nennt der Vortrag nicht. Abgelesen aus Fig. 5 und 6 (Josef Erlach, 02.10.2026): Ringverteiler 1,00 bis 0,984 bis 0,987, axialer Zulauf 1,00 bis etwa 0,996.

Formel als Text: Abweichung in Prozent des Bestwerts = (1 − eta / eta_max) · 100. Größen: eta Wirkungsgrad der Turbine, ohne Einheit; eta_max bester Wirkungsgrad der Messreihe, ohne Einheit.

Mit dem optionalen axialen Zulauf lassen sich annähernd gleiche Zulaufbedingungen erreichen. Für die Auswahl der aktiven Düsen sind auch deren Abstand am Laufrad und die Regelung maßgeblich.

Beleg: Viennahydro 2012, Full Paper, Abschnitt 2.4 und 2.5, Fig. 5 und 6; Josef Erlach, 03.10.2026 (Lesart der Angaben).

System Erlach, Abstand der Düsen: 120 Grad sind besser als 60

Laufen drei von sechs Düsen, gibt es zwei Möglichkeiten: drei benachbarte im Abstand von 60 Grad oder jede zweite im Abstand von 120 Grad. Der Modellversuch zeigt für 120 Grad den höheren Wirkungsgrad, weil die Becher mehr Zeit haben, sich zu leeren. Warum herkömmliche horizontale Maschinen diesen Abstand nicht nutzen können, steht unter Pelton-Turbine horizontal.

Beleg: Viennahydro 2012, Full Paper, Abschnitt 2.5, Fig. 7.

System Erlach horizontal gegen vertikal: gemessen an derselben Maschine

Als Vergleich diente eine bekannte vertikale Modellturbine mit sechs Düsen. Dieselbe Maschine mit Verteiler, Düsen und Laufrad wurde in die Horizontale gedreht und bekam das neue Gehäuse. Das Paper zeigt beide Messungen nebeneinander und nennt bei Volllast eine klare Verbesserung für die horizontale Maschine.

Bei horizontaler Welle verlässt das Wasser die Becher links und rechts gleich. Bei vertikaler Welle zieht die Schwerkraft es nach einer Seite.

Beleg: Viennahydro 2012, Full Paper, Abschnitt 2.5 und 3.1, Fig. 8 und 9.

System Erlach, Messung am Modell: Prüfstand der Hochschule Luzern, 0,25 Prozent Genauigkeit

Die Versuche liefen auf dem Prüfstand der Hochschule Luzern unter Prof. Thomas Staubli. Das Labor wies eine Gesamtgenauigkeit von 0,25 Prozent und eine Wiederholbarkeit von 0,1 Prozent nach. Mehr dazu unter Pelton-Turbine Forschung.

Beleg: Viennahydro 2012, Full Paper, Abschnitt 2.5 und 5.

Wirkungsgrad des Systems Erlach: Das Paper nennt Kurven, keinen Wert in Prozent

Das Paper von 2012 zeigt Kurven, die auf den Bestwert bezogen sind. Einen Wirkungsgrad in Prozent nennt es nicht. Deshalb steht auf dieser Seite für das System Erlach keiner.

Pelton-Turbine, wo die Prozente bleiben: eine Verlustbilanz aus der Literatur

Wie sich die Verluste einer Pelton-Turbine verteilen, hat Jindřich Veselý für eine schnelllaufende Maschine im Bestpunkt aufgeschlüsselt, mit CFD-Simulation und Modellversuch. Die Zahlen gelten für diese eine Maschine. Die Posten sind bei jeder Pelton-Turbine dieselben, ihre Größe hängt von Düsenzahl, Drehzahl und Betriebspunkt ab: Verluste in den Bechern, in der Düse, durch Reibung des Wassers am Becher und durch die Luft, die das Rad mitreißt.

Veselý weist den Posten als Verlust am Düsenaustritt aus. Josef Erlach rechnet ihn für den ganzen Weg vom Eintritt der Verteilleitung bis zum Strahl: rund 0,5 Prozent in der Düse bei Nennöffnung und rund 1,5 Prozent in der Verteilleitung, zusammen 1,8 bis 2 Prozent. Die unterschiedlichen Verluste der konventionellen Verteilleitung sind der Grund für den axialen Zulauf des Systems Erlach. Die Ventilation wächst mit der dritten Potenz der Drehzahl und verteilt sich bei mehreren laufenden Düsen auf mehr Leistung.

Beleg: J. Veselý, Energy losses evaluation for high specific speed Pelton turbine, ČKD Blansko Engineering, S. 255 und 257, Fig. 10 und Abschnitt 4; Josef Erlach, 11. und 12.10.2026 (Verteilleitung, Aufteilung).