De Pelton-turbine (ook wel Pelton-waterwiel of Bourdain-turbine genoemd) is een type impactturbine, ontwikkeld door de Amerikaanse uitvinder Alan Pelton. Pelton-turbines gebruiken water dat tegen een waterwiel botst om energie op te wekken. Dit verschilt van de traditionele, opwaarts gerichte watermolen die wordt aangedreven door het gewicht van het water zelf. Voordat Peltons ontwerp werd gepubliceerd, bestonden er al verschillende varianten van de impactturbine, maar deze waren minder efficiënt dan Peltons ontwerp. Na het verlaten van het waterwiel heeft het water meestal nog steeds een bepaalde snelheid, waardoor veel van de kinetische energie van het waterwiel verloren gaat. De schoepen van Peltons turbine zijn zo ontworpen dat de schoepen slechts met een zeer lage snelheid de turbine verlaten, nadat ze met de helft van de snelheid van de waterstraal hebben gedraaid. Hierdoor wordt de impactenergie van het water bijna volledig benut, wat resulteert in een zeer efficiënte waterturbine.
Nadat de zeer efficiënte, hogesnelheidswaterstroom de pijpleiding binnenkomt, wordt de krachtige waterkolom via een naaldventiel naar de emmervormige ventilatorbladen op het aandrijfwiel geleid om dit wiel aan te drijven. Deze ventilatorbladen, ook wel impactbladen genoemd, omringen de omtrek van het aandrijfwiel en worden gezamenlijk het aandrijfwiel genoemd. (Zie foto voor details, Vintage Pelton-turbine). Wanneer de waterstraal de ventilatorbladen raakt, verandert de stroomrichting van het water door de vorm van de emmer. De kracht van de waterinslag oefent een moment uit op de emmer en het aandrijfwiel, waardoor het wiel gaat draaien. De stroomrichting van het water is "onomkeerbaar" en de wateruitlaat bevindt zich buiten de emmer, waardoor de stroomsnelheid van het water sterk afneemt. Tijdens dit proces wordt het momentum van de vloeistofstraal overgedragen op het aandrijfwiel en van daaruit op de turbine. De "schok" kan dus daadwerkelijk arbeid verrichten voor de turbine. Om het vermogen en de efficiëntie van de turbine te maximaliseren, is het rotor- en turbinesysteem zo ontworpen dat de snelheid van de vloeistofstraal op de schoep wordt verdubbeld. Een zeer klein deel van de oorspronkelijke kinetische energie van de vloeistofstraal blijft in het water achter, waardoor de schoep met dezelfde snelheid leegloopt en zich vult (zie behoud van massa), zodat de hogedrukvloeistof ononderbroken kan worden geïnjecteerd. Er gaat geen energie verloren. Meestal worden twee schoepen naast elkaar op de rotor gemonteerd, waardoor de waterstroom in twee gelijke pijpen wordt verdeeld voor injectie (zie afbeelding). Deze configuratie balanceert de zijdelingse krachten op de rotor en draagt bij aan een soepele werking, terwijl de kinetische energie van de vloeistofstralen ook wordt overgedragen op de rotor van de waterturbine.
Omdat water en de meeste vloeistoffen vrijwel onsamendrukbaar zijn, wordt bijna alle beschikbare energie benut in de eerste fase nadat de vloeistof de turbine binnenstroomt. Pelton-turbines daarentegen hebben slechts één bewegend wielgedeelte, in tegenstelling tot gasturbines die werken met samendrukbare vloeistoffen.
Praktische toepassingen: Pelton-turbines behoren tot de beste turbinetypes voor de opwekking van waterkracht en zijn het meest geschikt voor omgevingen met een zeer hoge valhoogte en een lage debiet. Daarom is de Pelton-turbine in een omgeving met een hoge valhoogte en een laag debiet het meest effectief, zelfs als het water in tweeën wordt gesplitst, bevat het in theorie nog steeds dezelfde energie. De leidingen voor de twee injectiestromen moeten bovendien van vergelijkbare kwaliteit zijn, waarbij de ene een lange, dunne buis en de andere een korte, brede buis vereist. Pelton-turbines kunnen op locaties van alle groottes worden geïnstalleerd. Er bestaan al waterkrachtcentrales met hydraulische verticale Pelton-turbines in de tonklasse. De grootste installaties kunnen een vermogen tot 200 MW hebben. De kleinste Pelton-turbines daarentegen zijn slechts enkele centimeters breed en kunnen worden gebruikt om energie te winnen uit stromen met een debiet van slechts enkele liters per minuut. Sommige huishoudelijke waterleidingsystemen maken gebruik van Pelton-turbines voor de waterdistributie. Deze kleine Pelton-turbines worden aanbevolen voor gebruik bij een valhoogte van 9,1 meter (30 voet) of meer om een aanzienlijk vermogen op te wekken. Momenteel ligt de ideale valhoogte van de installatielocatie van de Pelton-turbine, afhankelijk van de waterstroom en het ontwerp, bij voorkeur tussen de 14,9 en 1799,8 meter (49 en 5905 voet), maar er is momenteel geen theoretische bovengrens.
Geplaatst op: 02-04-2022
