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Pelton-Turbine - Aufbau und Funktion einfach erklärt

Eine Pelton-Turbine ist eine Wasserkraftmaschine und so gesehen eine Fortentwicklung der früher üblichen Wasserräder bei Mühlen. Aber wie ist diese Turbine gebaut und welche Vorteile hat sie?

Wasserräder sind die Ahnen der Pelton-Turbinen.
Wasserräder sind die Ahnen der Pelton-Turbinen.

Wasserkraftmaschinen - der Weg zur Turbine

  • Wasser kann in zweierlei Form Energie besitzen, die zum Antrieb von Maschinen oder zur Erzeugung elektrischer Energie (also Strom) genutzt werden kann: Befindet sich eine Wassermenge auf einer bestimmten Höhe über dem Erdboden, hat sie potenzielle Energie, auch Lageenergie genannt. Fließt Wasser mit einer bestimmten Geschwindigkeit, so hat es kinetische Energie bzw. Bewegungsenergie.
  • Zur Umsetzung dieser beiden Energien dienen Wasserkraftmaschinen, deren einfachste Form Wasserräder (oberschlächtig für Lageenergie, unterschlächtig für Bewegungsenergie) sind. Diese werden teilweise auch heute noch in Mühlen zum Antrieb genutzt und wandeln die Wasserenergie in Rotationsenergie um.
  • Allerdings erhält man mit Wasserrädern im Allgemeinen nur geringe Drehzahlen (etwa 5-10 Umdrehungen/min), sodass Übersetzungen (Zahnrad) nötig sind, um die zum Betrieb von Arbeitsmaschinen oder Generatoren nötige Tourenzahl zu erreichen.
  • Wesentlich günstiger sind hier Wasserturbinen, wie sie heute in allen größeren Wasserkraftwerken laufen.
  • Derartige Turbinen bestehen ebenso wie Wasserräder aus einer Anordnung von Schaufeln und einem Zufluss. Allerdings sind beide Bestandteile sowie der Aufbau der Turbine optimal an die Wasserverhältnisse anpassbar.

Die Pelton-Turbine - viel Energie bei kleinen Wassermengen

  • Diese spezielle Turbinenart ist besonders geeignet bei kleinen Wassermengen, die durch ein hohes Gefälle jedoch große potenzielle Energie haben. Man spricht hier von Oberwasser, wie es in Gebirgen und/oder Staustufen vorkommt. Das Wasser wird über Rohrleitungen der Turbine zugeführt.
  • Bei dieser Turbine wird das durch die Fallhöhe unter Druck stehende Wasser aus einer oder mehreren einstellbaren Düsen gegen ein mit Schaufeln besetztes Laufrad gedrückt. Daher wird die Pelton-Turbine auch als Freistrahlturbine bezeichnet.
  • Aus potenzieller Energie wird in diesem ersten Schritt also kinetische Energie. 
  • Die einzelnen Schaufeln teilen durch ihre spezielle Form (mittlere Erhebung) den Wasserstrahl in zwei Teile. Jeder der beiden Teilstrahlen wird dabei um nahezu 180° umgelenkt, sodass er fast seine gesamte Energie an das Schaufelrad abgibt.
  • Besonders effektiv "läuft" die Pelton-Turbine, wenn die Geschwindigkeit des Schaufelrades halb so groß wie die Strahlgeschwindigkeit ist (Impulserhaltung beim Stoß).
  • Die Strahlgeschwindigkeit in der Düse lässt sich durch Veränderung der Düsenöffnung regulieren, sodass die Turbine der vorhandenen Wasserkraft angepasst werden kann.
  • Mit einer Pelton-Turbine lassen sich Wirkungsgrade von bis zu 90 % erreichen. 
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