Pelton-Turbine: Aufbau und Funktionsweise

Das Pelton-Prinzip: Aus Fallhöhe wird ein schneller Strahl

Das Wasser kommt durch eine Druckleitung vom Berg. Unten steht es unter hohem Druck. In der Düse wird dieser Druck fast vollständig in Geschwindigkeit verwandelt: Das Wasser schießt als freier Strahl heraus.

Das Laufrad dreht sich in Luft und nicht im Wasser. Das unterscheidet die Pelton-Turbine von Francis- und Kaplanturbinen, deren Laufrad ganz vom Wasser durchströmt wird. Erfunden hat sie Lester Allan Pelton, sein Patent stammt von 1880.

Für Fachleute: Gleichdruckturbine. Strahlgeschwindigkeit c₁ = √(2 · g · H), mit H als Fallhöhe am Bezugsquerschnitt nach IEC 60193, dem Eintritt der Verteilleitung. Für die erste Schätzung wird mit der vollen Strahlgeschwindigkeit gerechnet; die Verluste bis zum Strahl, rund 2 Prozent der Energie, stehen wie bei Veselý in der Verlustbilanz.

Formel als Text: c_1 = sqrt(2 · g · H). Größen: c_1 Strahlgeschwindigkeit in m/s; g Erdbeschleunigung in m/s², gleich 9,81; H Fallhöhe, bezogen auf den hochdruckseitigen Bezugsquerschnitt nach IEC 60193, hier der Eintritt der Verteilleitung in m.

Die Pelton-Düse: Sie formt den Strahl und regelt die Wassermenge

In der Düse sitzt eine Nadel. Fährt sie vor, wird die Öffnung kleiner und es geht weniger Wasser durch. Fährt sie zurück, wird der Strahl dicker. Die Geschwindigkeit des Strahls hängt vor allem von der Fallhöhe ab und bleibt bei weit geöffneter Düse fast gleich. Bei sehr kleiner Düsenöffnung nimmt sie allerdings deutlich ab, weil dort der Wirkungsgrad der Düse stark abfällt (Veselý, Fig. 14).

Eine Turbine kann eine oder mehrere Düsen haben. Was das ändert, steht unter Pelton-Turbine horizontal. Wie Fallhöhe und Wassermenge den Strahl festlegen, steht unter Pelton-Turbine Düse.

Der Pelton-Becher: Er teilt den Strahl und lenkt ihn um

Am Rand des Laufrads sitzen Becher. Jeder Becher hat in der Mitte eine Schneide. Sie teilt den Strahl in zwei Hälften, und die beiden Schalen des Bechers lenken das Wasser fast ganz um. Dabei gibt das Wasser seinen Schwung an das Laufrad ab.

Am besten arbeitet das Rad, wenn sich die Becher mit knapp der halben Geschwindigkeit des Strahls bewegen. Gegenüber dem ruhenden Gehäuse hat das Wasser beim Verlassen des Bechers dann nur noch wenig Geschwindigkeit. Gegenüber dem bewegten Becher strömt es weiterhin. Die Austrittsrichtung muss außerdem verhindern, dass das Wasser den nächsten Becher trifft.

Für Fachleute: Umfangsgeschwindigkeit u₁ = k_u · √(2 · g · H), üblich k_u zwischen 0,45 und 0,48. Strahlkreisdurchmesser D₁ = 60 · u₁ / (π · n).

Formeln als Text: u_1 = k_u · sqrt(2 · g · H); D_1 = 60 · u_1 / (pi · n). Größen: u_1 Umfangsgeschwindigkeit am Strahlkreis in m/s; k_u Anteil der theoretischen Strahlgeschwindigkeit, mit dem die Becher laufen, ohne Einheit, üblich 0,45 bis 0,48; g Erdbeschleunigung in m/s², gleich 9,81; H Fallhöhe, bezogen auf den hochdruckseitigen Bezugsquerschnitt nach IEC 60193, hier der Eintritt der Verteilleitung in m; D_1 Strahlkreisdurchmesser des Laufrads in m; pi Kreiszahl, ohne Einheit, gleich 3,1416; n Drehzahl in 1/min.

Das Pelton-Gehäuse: Es führt das Spritzwasser vom Laufrad weg

Das Wasser, das die Becher verlässt, trägt nach dem Vortrag von 2012 noch etwa zwei bis vier Prozent der Energie des Strahls. Es spritzt, verteilt sich und nimmt viel Luft auf. Fällt es auf das Laufrad zurück, bremst es.

Das Gehäuse hat deshalb eine Aufgabe, die man leicht übersieht: Es muss das Spritzwasser so abführen, dass es das Rad nicht mehr trifft. An dieser Aufgabe entscheidet sich, wie viele Düsen eine Maschine haben kann und ob ihre Welle horizontal ausgerichtet sein kann. Hier setzt die Pelton-Turbine System Erlach an.

Beleg: J. M. Erlach, New Pelton Concept, Viennahydro 2012, Full Paper.

Wasserweg der Pelton-Turbine: Druckleitung, Verteilleitung, Düse, Becher, Unterwasser

1. Druckleitung. Sie bringt das Wasser vom Speicher oder von der Fassung zur Maschine.
2. Verteilleitung. Sie teilt das Wasser auf die Düsen auf. Mehr dazu unter Pelton-Turbine Verteilrohr.
3. Düse. Sie macht aus Druck Geschwindigkeit.
4. Becher. Sie nehmen dem Strahl die Energie ab.
5. Gehäuse und Unterwasser. Das Wasser läuft drucklos ab.

Einsatz der Pelton-Turbine: große Fallhöhe, vergleichsweise wenig Wasser

Pelton-Turbinen stehen dort, wo das Wasser tief fällt: im Gebirge, an Speichern, an Hochdruckleitungen. Bei kleiner Fallhöhe und viel Wasser sind Francis- und Kaplanturbinen die bessere Wahl. Die höchsten Fallhöhen liegen bei knapp 2000 Metern, die größten Maschinen leisten rund 400 Megawatt.

Eine Pelton-Turbine lässt sich schnell regeln und arbeitet auch mit wenig Wasser gut. Das macht sie für Anlagen wertvoll, die Spitzenlast decken oder deren Zufluss über das Jahr stark schwankt.

Wie man von Fallhöhe und Wassermenge zu einer Maschine kommt, zeigt der nächste Ast: Pelton-Turbine Auslegung, mit einem Rechner für die Zahl der Düsen.

Beleg: H. Brekke, Hydraulic Turbines, NTNU 2015, Abschnitt 4 und 5.1, S. 15 und 22.