Die Peltonturbine ist eine Freistrahlturbine und wird vor allem für grosse Fallhöhen 50 bis 1500 m verwendet. Über die Verstellung der Düsennadel kann die Wassermenge reguliert werden. Bei kleinen einfachen Wasserkraftwerken mit grossem Wasserangebot wird auf eine Verstellbarkeit der Düse verzichtet. Bei sauberem Wasser und 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 zurückspitzt, 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 %.

Turbinengehäuse mit Blick auf die Düse und das Laufrad.

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

peltonturbine_prinzip
Prizinzpskizze einer Peltonturbinenanlage.
Grösse Symbol, Beziehung Einheit Bemerkungen
Strahlgeschwindigkeit \(v = \sqrt{2gH}\) m/s Wegen der Reibung ist der Strahl etwa 2 bis 4 % langsamer
Fallhöhe \(H\) m  
Erdbeschleunigung \(g\) m/s² 9,81 m/s²
Turbinendrehzahl \(\Omega =\frac{v}{2R}\) rad/s Die optimale Drehzahl ist etwa 2 bis 10 % tiefer
Strahlkreisradius \(R\) m Vom Zentrum bis zur Bechermitte
Strahlquerschnitt \(A=Q/v\) Wird durch die Stellung der Düsennadel angepasst
Wassermenge \(Q\) m³/s  
Strahldurchmesser \(d= \sqrt{\frac{4A}{\pi}}\) m  
Becherbreite \(b \approx 3 \cdot d\) m Von dieser Grösse kann +/- 12 % abgewichen werden

Der Strahlquerschnitt gibt die Bechergrösse, die Strahlgeschwindigkeit und die Drehzahl den Laufraddurchmesser und somit auch die Kosten für das Laufrad. Ein gutes Laufrad mit 30 cm Durchmesser kostet etwa 10'000 Franken. 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.

peltonturbine_wirkungsgrad
Wirkungsgradfeld einer kleinen Peltonturbine in Funktion der Drehzahl und des Volumenstroms.

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