Pelton-Turbine
Die Pelton-Turbine ist eine so genannte Freistrahlturbine für Wasserkraftwerke. Sie wurde im Jahr 1879 von dem amerikanischen Ingenieur Lester Pelton konstruiert (Patent 1880).
Dieser Turbinentyp nutzt die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Wassers.
Pelton nutzte für die Konstruktion seiner Turbine das von dem deutschen Arzt und Physiker Johann Andreas von Segner wieder entdeckte Reaktionsprinzip, welcher darauf basierend im Jahre 1750 das erste Reaktionswasserrad (Segnersches Wasserrad) gebaut hatte. Vor dieser Zeit wurde das Prinzip der Freistrahlturbine in horizontalen Wasserrädern aus Holz verwirklicht, allerdings mit geringem Wirkungsgrad.
Funktionsweise
Bei der Pelton-Turbine strömt das Wasser in einem Strahl mit sehr hoher Geschwindigkeit aus einer oder mehreren Düsen auf die Schaufeln des Laufrades. Vor der Düse (in Strömungsrichtung gesehen) herrscht ein hoher Druck (bis 200bar), im Strahl selbst herrscht normaler Atmosphärendruck. Die potentielle Energie wird in der Düse vollständig in kinetische Energie umgewandelt, am Laufrad selbst ändert sich der Druck nicht mehr. Die Pelton-Turbine ist daher eine Gleichdruckturbine.
Die Anzahl der Düsen richtet sich nach der Durchsatzmenge, wobei eine Düse ca. 10 m³/s verarbeiten kann. Liegt die Durchsatzmenge höher, so muss die Düsenanzahl erhöht werde, allerdings sind bei horizontaler Wellenlage nur zwei Düsen technisch sinnvoll, weil bei höherer Düsenzahl das Abwasser auf das Laufrad zurückfallen würde. Ist eine höhere Durchsatzmenge notwendig, so wird ein zweites Laufrad auf die selbe Welle aufgebracht oder die gesamte Turbine wird vertikal gebaut. In diesem Fall werden regulär vier Düsen eingesetzt, aber es wurden schon Pelton-Turbinen mit sechs Düsen ausgeliefert (Fa. Escher Wyss, Ravensburg).
Jedes der bis zu 40 Schaufelblätter ist in zwei Halbschaufeln geteilt, so genannte Becher. In der Mitte dieser Halbschaufeln trifft der Wasserstrahl aus den Düsen tangential auf und die Energie wird durch Impulsaustausch auf die Becher übertragen. Die Becher haben die Funktion, das Wasser in die entgegengesetze Richtung umzuleiten, damit die kinetische Energie besser ausgenutzt werden kann. Dies war die Innovation von Pelton. Die Mittelschneide ist bei der Erstinbetriebnahme nahezu messerscharf und ein Becher würde schnell vom auftretenden Wasserdruck zerstört, falls keine Mittelschneide eingesetzt würde.
Bei einer Fallhöhe von 1000 Metern kann der Wasserstrahl dabei eine Geschwindigkeit von nahezu 500 km/h erreichen. Die größte realisierte Aufprallgeschwindigkeit beträgt ca. 185 m/s, bei diesem Wert wird sofort verständlich, dass die Mittelschneide in jedem Becher unverzichtbar ist. Die Pelton-Turbine verbraucht je nach Bauart und Fallhöhe zwischen 20 und 8000 Liter Wasser pro Sekunde. Sie hat eine sehr hohe Drehzahl: bis 3000 Umdrehungen pro Minute. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 85% und 90%, wobei sie, auch wenn sie nicht unter Volllast läuft, noch gute Leistungen erbringt. Die größte zur Zeit realisierte Fallhöhe beträgt 2150 m, bei einer Durchsatzmenge von 6m³/s (gebaut von Fa. Voith, Heidenheim). An der Anlage wird pro Turbineneinheit eine Leistung von 91'665 kW erzeugt. Die Grenzleistung bei Pelton-Turbinen liegt heutzutage bei 250 MW.
Einsatzbereiche
Sie wird auf Grund ihrer Charakteristika vorwiegend in Wasserkraftwerken mit sehr hohen Fallhöhen (bis 2000 m) bei vergleichsweise geringen Wassermengen, insbesondere in Pumpspeicherkraftwerken und Speicherkraftwerken im Hochgebirge eingesetzt.
Der größte Nachteil ist die Erosionsanfälligkeit der Pelton Turbine, wenn im Gebirge das Wasser einen hohen Anteil an Schwemmpartikeln (Sand, usw.) hat.
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