Die Peltonturbine ist eine Freistrahlturbine, bei der das turbinierte Wasser frei abfliessen muss, damit kein kein Gegendruck ansteht. Sie werden für Fallhöhen von 50 bis 1500 m verwendet. Über die Verstellung der Düsennadel wird die Wassermenge reguliert. Bei sehr kleinen Wasserkraftwerken mit grossem Wasserangebot wird die Düse nicht verstellt. Bei sauberem Wasser liegt die Lebensdauer von Peltonturbinen bei über 40 Jahren.
Bei der Peltonturbine spritzt ein Wasserstrahl aus einer Düse auf ein Wasserrad (Laufrad, englisch runner), das sich dadurch dreht. Je höher die Geschwindigkeit des Wasserstrahles ist, desto schneller dreht das Laufrad. Die Schaufeln (Becher) des Laufrades sind so geformt, dass der Wasserstrahl reflektiert (umgelenkt) wird. Die Peltonturbine hat die beste Wirkung, wenn das Wasser, welches aus den Bechern zurückspritzt, nur noch runter fällt. Das kann man erreichen, wenn die Geschwindigkeit des Bechers halb so gross ist, wie die des Wasserstrahles. Die besten Peltonturbinen erreichen einen Wirkungsgrad von 92,5 %.
Zur besseren Ausnützung der Turbine können auch mehrere Düsen auf ein Laufrad wirken. Bei mehr als 2 Düsen ist die Turbinenachse dann meistens vertikal angeordnet, damit das herunterfallende Wasser nicht die Wasserstrahlen stört. Es gibt auch kleine Peltonturbinen, welche in einem geregelten Luftpolster mit Gegendruck betrieben werden können.
Wenn an einer laufenden Peltonturbine auf einmal kein Drehmoment mehr abgenommen wird, weil zum Beispiel das Stromnetz ausfällt, erhöht sich die Drehzahl bis zur Schleuderdrehzahl. Diese Drehzahl ist etwa 1.9 mal höher als die Nenndrehzahl. Grosse Turbinen sind nicht für die Zentrifugalkräfte dieser Drehzahlen ausgelegt, das heisst, man muss die Wasserzufuhr schnell unterbrechen können. Wenn man aber die Düse zu schnell schliesst, baut sich in der Druckleitung ein hoher Druck auf, welcher die Druckleitung zum Bersten bringen kann. Zur schnellen Unterbrechung der Wasserzufuhr wird bei diesem Turbinentyp ein sogenannter Strahlablenker zwischen Düse und Becher geschwenkt. Das Wasser spritzt dann ins Gehäuse und treibt das Laufrad nicht mehr an. Die Düse kann dann langsam geschlossen werden.
Auslegung einer Peltonturbine
| Grösse | Symbol, Beziehung | Einheit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Strahlgeschwindigkeit | \(v = \sqrt{2 \cdot g \cdot H}\) | m/s | Wegen der Reibung ist der Strahl etwa 2 bis 4 % langsamer |
| Fallhöhe | \(H\) | m | |
| Druck | \(p = \rho \cdot g \cdot H\) | Pa | 100'000 Pa (Pascal = 1 bar) |
| Erdbeschleunigung | \(g\) | m/s² | 9,81 m/s² |
| Spezifisches Gewicht | \(\rho\) | kg/m³ | Wasser hat etwa 1000 kg/m³ |
| Turbinendrehzahl | \(\Omega =\frac{v}{2 \cdot R}\) | rad/s | Die optimale Drehzahl ist etwa 2 bis 10 % tiefer. 1500 U/min entsprechen 157 rad/s. |
| Strahlkreisradius | \(R\) | m | Vom Zentrum bis zur Bechermitte |
| Strahlquerschnitt | \(A = \frac{Q}{v}\) | m² | Wird durch die Stellung der Düsennadel angepasst |
| Wassermenge | \(Q\) | m³/s | |
| Massenfluss | \(m' = \rho Q\) | kg/s | |
| Spezifisches Gewicht | \(\rho\) | kg/m³ | Wasser hat etwa 1000 kg/m³ |
| Strahldurchmesser | \(d= \sqrt{\frac{4 \cdot A}{\pi}}\) | m | Der Düsendurchmesser muss wegen der Strahleinschnürung etwas grösser sein; |
| Becherbreite | \(b \approx 3 \cdot d\) | m | Von dieser Grösse kann +/- 12 % abgewichen werden |
| Hydraulische Leistung | \(P_{\small{hyd}} = p \cdot Q\) | W | Eingangsleistung der Peltonturbine |
| Kraft auf Becher | \(F = m' \cdot ((2 \cdot v) - (\Omega \cdot R))\) | N | ohne Reibungsverluste (5 bis 10 %) |
| Drehmoment | \(M = F \cdot R\) | Nm | |
| Mechanische Leistung | \(P_{\small{mech}} = M \cdot \Omega\) | W | Ausgangsleistung der Peltonturbine |
| Turbinenwirkungsgrad | \(\eta = \frac{P_{\small{mech}}}{P_{\small{hyd}}}\) | - | Wirkungsgrad der Peltonturbine |
Der Strahlquerschnitt gibt die Bechergrösse, die Strahlgeschwindigkeit und die Drehzahl gibt den Laufraddurchmesser und somit auch die Kosten für das Laufrad. Ein gutes Laufrad mit 30 cm Durchmesser kostet etwa 15'000 Franken (Quelle https://ensyag.ch) Die Turbinendrehzahl liegt meistens in festen Bereichen um 3000, 1500, 1000 und 750 Umdrehungen pro Minute. Drehzahlvariable Generatoren werden nur selten eingesetzt.
Wirkungsgrad einer Peltonturbine
Die Peltonturbine hat auch im Teillastbetrieb einen guten Wirkungsgrad.
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