Die Peltonturbine (auch übersetzt: Pelton-Wasserrad oder Bourdain-Turbine, englisch: Pelton wheel oder Pelton Turbine) ist eine Art Prallturbine, die vom amerikanischen Erfinder Lester W. Alan Pelton entwickelt wurde. Peltonturbinen nutzen das fließende Wasser und treffen auf das Wasserrad, um Energie zu gewinnen. Dies unterscheidet sich vom traditionellen, durch das Gewicht des Wassers angetriebenen Wasserrad mit Aufwärtseinspritzung. Vor der Veröffentlichung von Peltons Konstruktion gab es verschiedene Versionen der Prallturbine, die jedoch weniger effizient waren als die von Pelton. Nachdem das Wasser das Wasserrad verlassen hat, hat es in der Regel noch Geschwindigkeit, wodurch ein Großteil der kinetischen Energie des Wasserrads verloren geht. Die Paddelgeometrie von Pelton ist so beschaffen, dass das Laufrad das Laufrad nur mit sehr geringer Geschwindigkeit verlässt, nachdem es mit halber Geschwindigkeit des Wasserstrahls gelaufen ist. Daher fängt Peltons Konstruktion die Aufprallenergie des Wassers fast vollständig ein, sodass die Turbine einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Nachdem der hocheffiziente, schnelle Wasserstrom in die Rohrleitung gelangt ist, wird die starke Wassersäule durch das Nadelventil auf die schaufelförmigen Lüfterblätter am Laufrad geleitet, um das Laufrad anzutreiben. Diese sogenannten Pralllüfterblätter umgeben den Umfang des Antriebsrads und werden zusammenfassend als Antriebsrad bezeichnet. (Details siehe Foto, historische Pelton-Turbine). Trifft der Wasserstrahl auf die Lüfterblätter, ändert sich aufgrund der Schaufelform die Fließrichtung des Wassers. Die Kraft des Wasseraufpralls übt ein Moment auf die Schaufel und das Laufradsystem aus und dreht dadurch das Laufrad. Die Fließrichtung des Wassers selbst ist irreversibel, und der Wasserauslass befindet sich außerhalb der Schaufel, wodurch die Durchflussrate auf eine sehr niedrige Geschwindigkeit abfällt. Dabei wird der Impuls des Flüssigkeitsstrahls auf das Laufrad und von dort auf die Wasserturbine übertragen. Der Stoß kann also tatsächlich Arbeit für die Turbine verrichten. Um Leistung und Wirkungsgrad der Turbine zu maximieren, ist das Rotor- und Turbinensystem so konstruiert, dass die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls auf die Schaufel verdoppelt wird. Dabei verbleibt nur ein sehr kleiner Teil der ursprünglichen kinetischen Energie des Flüssigkeitsstrahls im Wasser, sodass sich die Schaufel mit der gleichen Geschwindigkeit leert und füllt (siehe Massenerhaltung), sodass die unter hohem Druck stehende Eingangsflüssigkeit ohne Unterbrechung weiter eingespritzt werden kann. Es muss keine Energie verschwendet werden. Normalerweise werden zwei Schaufeln nebeneinander auf dem Rotor montiert, wodurch der Wasserstrom zum Ausstoßen in zwei gleich große Rohre aufgeteilt werden kann (siehe Abbildung). Diese Konfiguration gleicht die seitlichen Belastungskräfte auf den Rotor aus und trägt zur Laufruhe bei, während die kinetische Energie der Flüssigkeitsstrahlen gleichzeitig auf den Rotor der Wasserturbine übertragen wird.
Da Wasser und die meisten Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind, wird fast die gesamte verfügbare Energie bereits in der ersten Stufe nach dem Eintritt in die Turbine gewonnen. Peltonturbinen hingegen haben im Gegensatz zu Gasturbinen, die mit kompressiblen Flüssigkeiten betrieben werden, nur einen Laufradabschnitt.
Praktische Anwendungen Peltonturbinen zählen zu den besten Turbinentypen für die Stromerzeugung aus Wasserkraft und sind die am besten geeignete Turbine für Umgebungen mit sehr hohen Fallhöhen und niedrigen Durchflussraten. Daher ist die Peltonturbine bei hohen Fallhöhen und niedrigen Durchflussraten am effektivsten; selbst wenn sie in zwei Ströme aufgeteilt wird, enthält sie theoretisch immer noch die gleiche Energie. Auch die für die beiden Einspeiseströme verwendeten Leitungen müssen von vergleichbarer Qualität sein; eine davon benötigt ein langes, dünnes Rohr, die andere ein kurzes, breites Rohr. Peltonturbinen können an Standorten jeder Größe installiert werden. Es gibt bereits Wasserkraftwerke mit hydraulischen Peltonturbinen mit vertikaler Welle in der Tonnenklasse. Die größte installierte Einheit kann bis zu 200 MW leisten. Die kleinsten Peltonturbinen hingegen sind nur wenige Zentimeter breit und können zur Energiegewinnung aus Strömen verwendet werden, die nur wenige Gallonen pro Minute fließen. Einige Haushaltsinstallationssysteme verwenden Pelton-Wasserräder zur Wasserversorgung. Diese kleinen Peltonturbinen werden für den Einsatz in Fallhöhen von 9,1 m oder mehr empfohlen, um erhebliche Leistung zu erzeugen. Je nach Wasserführung und Auslegung liegt die Fallhöhe des Installationsorts der Peltonturbine derzeit vorzugsweise im Bereich von 14,9 bis 1.799,8 Metern (49 bis 5.905 Fuß), eine theoretische Begrenzung gibt es jedoch derzeit nicht.
Beitragszeit: 02.04.2022
