Die Pelton-Turbine (auch Pelton-Wasserrad oder Bourdain-Turbine genannt) ist eine Art Prallturbine, die vom amerikanischen Erfinder Lester W. Alan Pelton entwickelt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wasserrädern, die durch das Eigengewicht des Wassers angetrieben werden, nutzt die Pelton-Turbine den Wasserstrahl, um Energie zu gewinnen. Vor der Veröffentlichung von Peltons Konstruktion gab es bereits verschiedene Prallturbinen, die jedoch weniger effizient waren. Bei der Pelton-Turbine behält das Wasser nach dem Verlassen des Wasserrads üblicherweise noch eine Geschwindigkeit bei, wodurch ein Großteil der kinetischen Energie verloren geht. Die Geometrie der Pelton-Schaufeln ist so ausgelegt, dass das Laufrad das Rad erst mit der halben Geschwindigkeit des Wasserstrahls verlässt. Dadurch wird die Aufprallenergie des Wassers nahezu vollständig genutzt, was zu einer hocheffizienten Wasserturbine führt.
Nachdem der hocheffiziente Hochgeschwindigkeitswasserstrom in die Rohrleitung eintritt, wird der starke Wasserstrahl durch ein Nadelventil auf die schaufelförmigen Lüfterflügel des Antriebsrades geleitet, um dieses anzutreiben. Diese auch als Pralllüfterflügel bekannten Schaufeln umgeben das Antriebsrad und bilden zusammen das Antriebsrad. (Siehe Foto für Details: Historische Pelton-Turbine). Beim Auftreffen des Wasserstrahls auf die Lüfterflügel ändert sich die Strömungsrichtung aufgrund der Schaufelform. Die Aufprallkraft des Wassers erzeugt ein Drehmoment auf die Schaufel und das Antriebsrad und versetzt dieses in Rotation. Die Strömungsrichtung des Wassers selbst ist unumkehrbar. Der Wasserauslass befindet sich außerhalb der Schaufel, wodurch die Durchflussrate stark abfällt. Während dieses Prozesses wird der Impuls des Wasserstrahls auf das Antriebsrad und von dort auf die Wasserturbine übertragen. Der „Stoß“ kann also tatsächlich Arbeit für die Turbine verrichten. Um die Leistung und Effizienz der Turbine zu maximieren, ist das Rotor-Turbinen-System so konstruiert, dass die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls auf die Schaufeln verdoppelt wird. Ein sehr geringer Anteil der ursprünglichen kinetischen Energie des Flüssigkeitsstrahls verbleibt im Wasser, wodurch sich die Schaufeln mit der gleichen Geschwindigkeit leeren und füllen (siehe Massenerhaltung). So kann das unter hohem Druck stehende Fluid kontinuierlich eingespritzt werden. Energieverluste werden vermieden. Üblicherweise sind zwei Schaufeln nebeneinander am Rotor montiert, wodurch der Wasserstrom in zwei gleich große Strahlenrohre aufgeteilt wird (siehe Abbildung). Diese Konfiguration gleicht die Seitenkräfte auf den Rotor aus und trägt zu einem ruhigen Lauf bei, während gleichzeitig die kinetische Energie der Flüssigkeitsstrahlen auf den Rotor der Wasserturbine übertragen wird.
Da Wasser und die meisten Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind, wird fast die gesamte verfügbare Energie in der ersten Stufe nach dem Eintritt des Fluids in die Turbine genutzt. Peltonturbinen hingegen besitzen, anders als Gasturbinen, die mit kompressiblen Fluiden arbeiten, nur ein einziges bewegliches Rad.
Praktische Anwendungen: Peltonturbinen zählen zu den besten Turbinentypen für die Wasserkraftnutzung und eignen sich besonders für Umgebungen mit sehr hohen Fallhöhen und geringen Durchflussmengen. Daher ist die Peltonturbine in solchen Umgebungen am effektivsten, da sie theoretisch auch bei Aufteilung in zwei Ströme die gleiche Energiemenge enthält. Die Leitungen für die beiden Einspeiseströme müssen von vergleichbarer Qualität sein; einer benötigt ein langes, dünnes, der andere ein kurzes, breites Rohr. Peltonturbinen lassen sich an Standorten jeder Größe installieren. Es gibt bereits Wasserkraftwerke mit hydraulischen Peltonturbinen mit vertikaler Welle im Tonnenbereich. Die größte Anlage kann bis zu 200 MW leisten. Die kleinsten Peltonturbinen hingegen haben nur einen Durchmesser von wenigen Zentimetern und können zur Energiegewinnung aus Bächen mit einem Durchfluss von nur wenigen Litern pro Minute eingesetzt werden. Auch in einigen Hausinstallationen werden Pelton-Wasserräder zur Wasserversorgung genutzt. Diese kleinen Peltonturbinen werden für Fallhöhen ab 9,1 m (30 Fuß) empfohlen, um eine signifikante Leistung zu erzielen. Aktuell liegt die bevorzugte Fallhöhe am Aufstellungsort der Peltonturbine je nach Wasserdurchfluss und Auslegung im Bereich von 14,9 bis 1799,8 Metern (49 bis 5905 Fuß), wobei derzeit keine theoretische Obergrenze besteht.
Veröffentlichungsdatum: 02.04.2022
