Pelton-Turbine – einfach erklärt

Grundprinzip und Einsatz

Die Pelton-Turbine ist eine Freistrahlturbine, also eine teilbeaufschlagte Gleichdruckturbine, für Wasserkraftwerke. Sie wandelt die Bewegungsenergie eines schnellen Wasserstrahls in die Drehbewegung eines Laufrads um. Diese Bewegungsenergie entsteht aus der Lageenergie von Wasser, das beispielsweise aus einem höher gelegenen Stausee zufließt. Deshalb eignet sich die Turbine besonders für Hochdruckkraftwerke mit hohem Nutzgefälle beziehungsweise hoher Fallhöhe und vergleichsweise kleinen Durchflussmengen.

Sie wurde 1879 vom amerikanischen Ingenieur Lester Pelton konstruiert und 1880 patentrechtlich geschützt. Pelton modifizierte eine von Samuel Knight entwickelte Turbine; die höhere Effizienz führte dazu, dass sich die Pelton-Turbine als Industriestandard durchsetzte. Ihr Grundgedanke knüpft an das von Johann Andreas von Segner wiederentdeckte Reaktionsprinzip an.

Als Gleichdruckturbine arbeitet sie so: In der Druckleitung vor der Düse kann, abhängig von der Fallhöhe, ein Druck bis 200 bar herrschen. Im freien Wasserstrahl zwischen Düsenaustritt und Laufrad herrscht dagegen normaler Atmosphärendruck. Vor und nach der Leistungsabgabe am Laufrad hat das Wasser somit den gleichen Umgebungsdruck. Teilbeaufschlagt heißt die Turbine, weil jeweils nur einige Becher vom Strahl getroffen werden; bei Kaplan- und Francis-Turbinen wird dagegen der ganze Laufradumfang durchströmt.

Wasserstrahl, Becher und Regelung

Eine oder mehrere Düsen sind tangential, also seitlich in Umfangsrichtung, zum Laufrad angeordnet. Aus ihnen tritt das Triebwasser mit sehr hoher Geschwindigkeit aus und trifft auf die Schaufeln. Ein Laufrad besitzt bis zu 40 Schaufelblätter. Jedes Blatt ist durch eine scharfe Mittelschneide in zwei annähernd halbkugelförmige Halbschaufeln, die Becher, geteilt. Der Strahl trifft auf die Mitte dieser Schneide, wird geteilt und in den Bechern fast um 180° umgelenkt.

Durch diese Richtungsänderung überträgt das Wasser nach dem Prinzip von Actio und Reactio seine kinetische Energie auf das Laufrad. Bei reibungsfreier Betrachtung gibt es nahezu seine gesamte Energie ab, wenn die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelkreises genau die Hälfte der Strahlgeschwindigkeit beträgt. Der Turbinendurchmesser richtet sich nach Generatordrehzahl, Wasserdruck und Strahlgeschwindigkeit.

In jeder Düse setzt eine Düsennadel als konisch-tropfenförmiger Regelkörper den Durchflussquerschnitt. Sie wird über eine Steuerstange längs bewegt. Der Turbinenregler steuert damit Drehzahl und Durchfluss; zugleich dient die Nadel beim An- und Abfahren als Absperrorgan. Bei einem Schnellschluss, etwa nach einem Lastabwurf, lenken einschwenkbare Strahlablenker oder Deflektoren die Wasserstrahlen sofort ins Gehäuse statt auf die Schaufeln. Erst danach schließen Düsennadeln sowie Absperrschieber oder Kugelhähne langsam. Dadurch wird der Druckstoß in der Triebwasserleitung verringert.

Eine Düse kann höchstens etwa 10 m³/s verarbeiten. Bei horizontaler Welle sind technisch nur zwei Düsen sinnvoll, weil Gischt und genutztes Wasser sonst auf das Laufrad zurückfallen, es bremsen und die Strahlen stören könnten. Für größere Durchsätze nutzt man ein weiteres Laufrad auf derselben Welle oder eine vertikale Welle. Vertikale Anlagen haben regulär vier Düsen; es wurden aber auch Turbinen mit sechs Düsen gebaut.

Aufbau und Einbau im Kraftwerk

Die Unterkante des Laufrads muss über dem höchsten Unterwasserspiegel liegen, damit das rotierende Rad nicht eintaucht. Das unten offene Gehäuse steht über einem Schacht, durch den das bereits genutzte Triebwasser drucklos ins Unterwasser gelangt. Gehäuse und Ablaufschacht werden mit Umgebungsluft belüftet. Ein Saugrohr zum Unterwasser, wie es bei Reaktionsturbinen üblich ist, kann nicht verwendet werden; die Höhendifferenz zwischen Düsenaustritt und Unterwasserspiegel ist daher nicht nutzbar.

Die Schaufeln, die sich gerade nicht im Wasserstrahl befinden, laufen durch Luft oder Gischt. Wegen deren geringer Dichte sind die Ventilationsverluste vergleichsweise klein. Jede Schaufel überträgt jedoch nur kurz Kraft und wird zugleich hohen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Die Wechselbeanspruchung macht den Wurzelbereich der Becher besonders ermüdungsbruchgefährdet; er muss deshalb ausreichend stark dimensioniert werden.

Laufräder können aus einzeln angeschraubten gegossenen Schaufeln bestehen, teilweise geschmiedet und anschließend gefräst werden, einstückig gegossen sein, aus einem geschmiedeten Wurzelrad mit angeschweißten Bechern bestehen oder im patentierten „MicroGuss™-Verfahren“ hergestellt werden. Bei einstückig gegossenen Rädern besteht die Gefahr unentdeckter Gussfehler. Die beste, aber teure Lösung sind teilweise geschmiedete und anschließend gefräste Laufräder.

Die Mittelschneide ist bei der Erstinbetriebnahme nahezu messerscharf und für die Teilung sowie Lenkung des Strahls unverzichtbar. Bei 1000 m Fallhöhe kann ein Wasserstrahl nahezu 500 km/h erreichen; die größte realisierte Auftreffgeschwindigkeit beträgt etwa 185 m/s beziehungsweise 666 km/h. Gegen Erosionsverschleiß durch kleine Steine oder Sedimente kann eine Schutzschicht im HVOF-Verfahren aufgebracht werden. Geometrisch sind mindestens 14 Becherpaare nötig, damit ein Strahl jederzeit eine Schaufel trifft; üblich sind 20 bis 40 Schaufeln. Ein Strahl bestreicht typischerweise gleichzeitig zwei Schaufeln.

Leistung und Wirkungsgrad

Mit Wasserdichte ρ, meist 1000 kg/m³, Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s² und nutzbarer Stauhöhe h wird die potenzielle Energie verlustfrei in die Austrittsgeschwindigkeit c umgesetzt:

½ · ρ · c² = ρ · g · h, daher c = √(2 · g · h).

Für den Volumenstrom V̇ und den Gesamtquerschnitt A der Düsenöffnung gilt für die Leistung des Wasserangebots:

P_Stausee = ρ · g · h · V̇ = ρ · g · h · A · c = √2 · A · ρ · (g · h)^(3/2).

Das Laufrad bewegt sich mit v = r · ω vom Strahl weg. Daher wirkt beim Auftreffen nur die Relativgeschwindigkeit c − v. F₁ < 1 berücksichtigt, dass sich Schaufeln gegenseitig abschatten. F₂ berücksichtigt Verluste beim Rückstoß des Wassers, etwa die seitliche Ablenkung, den notwendigen Abstand zur Düse und Planschverluste durch Wassernebel. Die Turbinenleistung lautet:

Leistung = v · ρ · A · c · (c − v) · (F₁ + F₁ · F₂).

Sie ist bei v_optimal = c/2 am größten. Dann beträgt die Leistung A · ρ · (g · h)^(3/2) · F₁ · (1 + F₂) / √2. Für eine ideale Turbine mit F₁ = 1 und F₂ = 1 ergibt sich √2 · A · ρ · (g · h)^(3/2), also genau die Leistung des Wasserangebots.

Der Wirkungsgrad ist η_Pelton-Turbine = F₁ · (1 + F₂) / 2. Er hängt somit von der Schaufelgeometrie sowie davon ab, wie reibungsarm das Wasser über die Schaufeln strömt und abgeführt wird. Der Artikel nennt für die Turbine samt Düse 85–90 % und für eine reale Pelton-Turbine 90 %. Im Idealfall beträgt der Wirkungsgrad 1. Die Pelton-Turbine wird deshalb nicht als Wärmekraftmaschine mit Carnot-Grenze, sondern als verlustfreies Getriebe im reibungsfreien Idealfall eingeordnet.

Größenordnungen und Anwendungen

Je nach Bauart und Fallhöhe verarbeitet eine Pelton-Turbine von wenigen Litern pro Sekunde im Picokraftwerkbereich bis etwa 80 m³/s. Kleine Anlagen können bis 3000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Ein zweipoliger Generator liefert bei 3000 rpm eine Netzfrequenz von 50 Hz; für 60 Hz sind andernorts 3600 rpm üblich.

Typische Einsatzorte sind Speicherkraftwerke im Hochgebirge mit Fallhöhen bis 2000 m. Beispiele für große Anlagen sind das Krafthaus Kolbnitz der Kraftwerksgruppe Reißeck-Kreuzeck in Kärnten mit 1773 m Fallhöhe und 6 m³/s Durchsatz sowie die Anlage Bieudron im Wallis. Dort leisten drei fünfdüsige Pelton-Turbinen jeweils 423 MW bei der Rekordfallhöhe von 1883 m. Das Kraftwerk Silz besitzt zwei vertikalachsige Maschinensätze mit jeweils einer sechsdüsigen Pelton-Freistrahlturbine. Bei 1258 m Fallhöhe verlassen die Wasserstrahlen die Düsen dort mit etwa 500 km/h; die Kraft auf die getroffenen Schaufeln beträgt 17,5 MN, entsprechend etwa der Gewichtskraft einer Masse von 1800 Tonnen.

Ein wesentlicher Nachteil ist der Verschleiß der Schaufeln. Hohe Wassergeschwindigkeit und die schnelle Umlenkung um 180° lassen Schwemmpartikel wie Sand durch Fliehkraft und Turbulenz an den Oberflächen schleifen. Anders als eine Francis-Turbine kann die Pelton-Turbine außerdem nicht als Pumpe im Pumpspeicherbetrieb arbeiten.

Das Peltonrad dient auch als Geberprinzip für hochgenaue Durchflussmesser. Damit lassen sich geringe Volumenströme etwa von Treibstoffen, destilliertem Wasser oder heißen Fetten und auch hohe Durchflüsse messen. Peltonrad-Geber erreichen Grenztemperaturen von 135 °C und Nenndrücke bis 345 bar.