Peltonturbin

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Løpehjulet til en peltonturbin i Kartell Kraftverk i St. Anton am Arlberg, Østerrike.
Tegning av en moderne peltonturbin med vertikal aksling og seks dyser. De blå rørene ytterst er ringledningen og grenrørene til hver av dysene. Videre er de grønne delene ventiler, selve hovedstengeventilen (vanligvis en kuleventil) til venstre nederst og videre de seks symmetrisk plasserte dysene.
Sammensetting av en peltonturbin i Walchensee kraftverk, i Tyskland. Her er det montert to løpehjul på en horisontal aksling. Dette var tidligere en vanlig konstruksjon når vannmengden tilsvarte mer enn to dyser. Horisontal oppstilling gjør det nemlig vanskelig å ha mer enn to dyser per løpehjul.

Peltonturbin er en vannturbin av impulstypen som brukes i vannkraftverk med stor fallhøyde. Den ble oppfunnet av Lester Allan Pelton på 1870-tallet, og vesentlig forbedret av andre oppfinnere utover på slutten av 1800-tallet. Peltonturbinen minner til forveksling om et tradisjonelt vannhjul. I motsetning til å utnytte vannets dødvekt som et tradisjonelle vannhjul utnytter, omskaper peltonturbinen impulsen som vann i bevegelse gir, til kinetisk energi (rotasjon). Mange varianter av impulsturbiner eksisterte før Peltons oppfinnelse, men disse hadde lavere virkningsgrad enn peltonturbinen.

En peltonturbin er vannligivs instalert i en kraftverk og tilknyttet et trykkrør fra en høyerliggende dam. I turbinen føres vannet inn i en eller flere dyser, og det oppstår en voldsom akselrasjon av vannstrømmen. Vannet har en meget stor hastighet når det forlater dysen og farer mot turbinens løpehjul. På løpehjulets periferi er det mange skålformede skovler som vannstrålen treffer, og selve utformingen av disse er det karakteristiske for turbintypen. Til turbinens aksling er det montert en generator som produserer elektrisk energi.

I tidligere turbintyper hadde vannet fortsatt stor hastighet når det forlot hjulet, noe som betyr at mye av vannets kinetiske energi ikke er fult utnyttet. Peltons utforming av skovlene ble laget slik vannstrålen snur nesten 180 etter at det forlater skovlene. Når periferihastigheten til løpehjulet har omentrent halvparten av hastigheten av vannstrømmen oppnås størst effekt. Vannet forlater turbinhjulet med svært lav hastighet. En moderne peltonturbin har en virkningsgrad på 92[1] %.

Virkemåte og konstruksjon[rediger | rediger kilde]

Oppbygging[rediger | rediger kilde]

Detalj av løpehjul der en ser skålene fra baksiden. Legg merke til at hver skålene er skrudd fast til løpehjulet og at det er solide forsterkninger. Det kan også så ut til at det er en del erosjonsskader. Nevada City Downtown Historic District, USA.
Detalj av løpehjulet der en tydelig ser skålenes ovale form, eggen på midten som klyver vannstrålen og utsparingen i fronten som skal la vannstrålen få fritt leide mot skålen foran. Deutsches Museum, Tyskland.

Peltonturbinens hovedkomponenter består av løpehjul, aksling, tilførselsrør, en eller flere dyser og turbinhus. Tilførselsrøret på en moderne stor peltonturbin er en ringledning med greinrør til dysene som ofte er innstøpt i betong. Det er ofte flerer dyser som vannet fra tilførselsrøret akselererer gjennom før de treffer løpehjulets skovler. Ved utstrømning av dysen er det atmosfærisk trykk, og atmosfærisk trykk virker hele veien der vannet går gjennom turbinen og ut av kraftstasjonen. Løpehjulet roterer helt i luft og står i et hus eller deksel, ofte kalt turbinhuset, som skal fange opp vannsprut og føre dette ned i kraftverkets avløpstunnel. Løpehjulet er montert på en vertikal eller horisontal aksling som er opplagret med et eller flere lagre. Dysen eller dysene i peltonturbinen er montert slik at vannstrålen treffer skovlene montert på periferien av løpehjulet tangensielt. Skovlene er montert tett slik at vannstrålen berører hvert skovel bare et lite øyeblikk.

Skålene på løpehjulet er doble på den måten at det midt i hver skovl er en kvass egg som klyver vannstrålen. Hver av de to skålhalvdelene avbøyer halvparten av vannstrålen, og når denne må følge konturen av skålene gjør vannet en «u-sing». Hver halvdel av den kløyvde vannstrålen gjennomløper praktisk talt en 180° kurve før det forlater ytterkanten av skålen. Dette balanserer sidebelastningskrefter på hjulet og akslingen. For at ikke vannstrålen skal bli avskjert av skålen rett foran den som får vannstrålen rett inn, er det laget et hakk (utsparing) ytterst på hver skål. I moderne peltonturbiner for høyt trykk er løpehjulet laget i ett stykke av smidd stål. Dette er frest, slipt og polert, slik at alle deler der vannet treffer er glatte. Støpejern og senere støpestål var tidligere enerådende, og brukes også i dag for lavere trykk. For anlegg med lavere trykk er det vanlig at skålene er skrudd fast på hjulet, tidligere var denne konstruksjonsmåten enerådende.

Vannstrålen øver en kraft på hver av skålene, og produktet av denne kraften og radiusen fra senter av løpehjulet til der strålen treffer er momentet (kraft ganger arm) som virker. Når løpehjulet roterer utføres ett arbeid etter definisjonen, som sier at arbeid er lik moment mulitplisert med omdreiningen (vinkelhastighet). Vannets poteniselle energi i kraftverkets inntaktsdam blir omformet til kinetisk energi (rotasjon) i turbinen. En liten del av den opprinnelige kinetiske energien i vannstrømmen forblir i vannet etter at hjulet har rotert videre til neste skål. Dette gjør at hver skål tømmes hurtig, og at vann som forlater turbinen ikke kolliderer med løpehjulet og bremser det.

Dysen har en regulerbar nål i senter som gjør at vannstrålens diameter kan reguleres. På moderne turbiner er nålen med servomekanisme (som gjør det mulig å bevege nålen) innkapslet i en sylinder som ligger inne i selve dysen. Det er turbinregulatoren som gir signal for å regulerer nålen ut eller inn, og dermed bestemmes effektproduksjonen fra turbinen. Turbinregulatoren skal sørge for å holde turtallet og dermed også frekvensen i kraftnettet noenlunde konstant, selv om effektbehovet i kraftsystemet stadig endrer seg (lastendringer). Ofte er det en såkalt deflektor eller stråleavbøyer rett utenfor dysen. Denne kan når den manøvres avskjære strålen slik at den ikke treffer løpehjulet. Hensikten er å ikke hurtig stenge dysene om det skjer en brå endring av effektbehovet. En slik hurtig endring kan nemmelig være skadelig for trykkrøret fordi rask endring av pådraget gir plutselige trykkendringer, og dermed store krafter på røret. Dermed kan deflektoren hurtig avskjære strålen, deretter kan nedjustering av dyseåpningen skje sakte.

Effekten som en peltonturbinen kan utvikle er som for alle andre vannturbiner bestemt kun av virkningsgrad, fallhøyde og vannstrømningen. For øvrig kalles den maksimale vannstrømningen gjennom turbinen for slukeevne.

Bruksområde[rediger | rediger kilde]

En moderne peltonturbin for et minikraftverk utstilt i Hučák museum for vannkraft, Tsjekkia. Turbinhuset er delvis løftet opp for at en skal kunne se løpehjulet.

Peltonturbinen er den foretrukkede turbintypen for utnyttelse av vannfall med stor fallhøye og små vannmengder. Den største fallhøyden for et kraftverk i verden er Bieudron kraftverk i Sveits med en fallhøyde på 1883 m. Dette kraftverket har tre peltonturbiner som er verdens største med en ytelse på 423 MW hver.[2]

I Norge har Sima kraftverk to peltonturbiner med en fallhøyde på 1152 m. Dette er den høyest fallhøyde i Norge, og sammen med to andre enda større turbiner i samme installasjon utgjør dette Norges nest største kraftverk. Sima kraftverk har også de største peltonturbinene i Norge når det gjelder ytelsen, som er på 310 MW per enhet.[3] Hakavik kraftverk fra 1922 hadde opprinnelig installert fire peltonturbiner, hver på 3,5 MW og fallhøyde 389 m. Dette er et eksempel på et kraftverk med liten fallhøyde der peltonturbiner benyttes, noe som ikke var uvanlig[1] i kraftverk på denne tiden.

Peltonturbiner brukes også i småkraftverk, minikraftverk og mikrokraftverk, og utgaver der fallhøyden er noen få titalls meter og slukeevnen noen liter per sekund er ikke uvanlig. Se illustrasjon til høyre som viser en liten peltonturbin som kan utnytte vannet i en bekk.

Peltonturbinens matematiske grunnlag[rediger | rediger kilde]

Energi og innledende strålehastighet[rediger | rediger kilde]

I det ideelle (friksjonsløse) tilfellet vil hele den hydrauliske potensielle energi av vannet i kraftverkets inntaksdam (Ep = mgh) bli omgjort til kinetisk energi i peltonturbinen (Ek = 1/2mv2) (se Bernoulli-prinsippet). Settes disse to ligningene sammen og løses med hensyn på vannstrålehastigheten fås:

v = \sqrt{2gh}

der:

v = vannstrålens hastighet [m/s]
g = konstanten for tyngdens akaslerasjon 9,81 m/s2
h = fallhøyden [m] (den vertikal lengdekomponent fra dammens vannspeil til peltonturbinen).

Det vil si at tykkelsen til vannstrålen eller vannføringen ikke har betydning for hastigheten. Det har dermed ikke noen betydning for vannstrålens hastighet om dysen i peltonturbinen har stor eller liten åpning.

Hastigheten til vannstrålene i peltonturbinene til Bieudron kraftverket nevnt over, med en fallhøyde på 1883 m, vil med innsetting i formelen ha en hastighet på 192 m/s, eller 692 km/timen. Trykket vil være på nesten 19 MPa (19 millioner pascal) ved dysene.

Formelen for effekt fra en hvilken som helst turbin er:

P=\eta\rho\,gQh\!

der:

  • P er effekt [MW].
  • η virkningsgrad i turbinen.
  • ρ tettheten av vann 1000 kg/m3.
  • Q slukeevne eller vanngjennomstrømning pr tidsenhet [m3/s].
  • g massens akselrasjon 9,81 m/s2.
  • h netto fallhøyde [m]. Det vil si at trykkfallet i turbinrør eller tilløpstunnel må subtraheres.

Brukes igjen Bieudron kraftverket som eksempel hadde hver peltonturbin en ytelse på 423 MW. Antas virkningsgraden å være 93 % ved denne effekten kan en finne slukeevne ved å løse formelen med hensyn på Q og innseting til 24,6 m3/s.

Noen empiriske sammenhenger for konstruksjon[rediger | rediger kilde]

Noen typiske forholdstall og sammenhenger for konstruksjon av en peltonturbin er:

  • Hastigheten for vannstrålen ut av dysene er redusert med en faktor mellom 0,96[4] og 0,99.[5]
  • Vinklen som vannet gjennomløper fra inngang til utgang av skålene er mellom 165 og 170.[4]
  • Aksiel utformin av skålene er 3,5 til 4 diameteren av vannstrålen.[5]
  • Antallet skåler på løpehjulet er D/d + 15, der D er diameteren for løpehjulet og d er diameteren til vannstrålen.[5]
  • Forholdet mellom diametern til løpehjulet og vannstrålen er mindre enn 12.[5]
  • Hastigheten til en peltonturbin er bestemt av generatoren og følgende formel gjelder  n = {120f \over p} der n [rpm] er turtallet, f [Hz] som er bestemt av krafsystemet og er konstant lik 50 Hz (i Europa) og p er polpartallet og er et partall fra 2 og oppover. Ved å sette inn i denne formelen finner en at generatorens turtall kan være 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500,... rpm.
  • Antall dyser er vanligvis ikke mer enn to for peltonturbiner med horisontal aksling, selv om det har vært bygget turbiner noen med flere dyser. Moderne peltonturbiner har som regel horisontal aksling og flerer dyser, se illustrasjon.

Optimal hastighet for løpehjulet[rediger | rediger kilde]

Om en tenker seg et løpehjul til en peltonturbin som holdes helt i ro mens vannstrålen virker på det, vil det ikke utvikles noen effekt. Skal det utvikles et arbeid må det også skje bevegelse. Den andre ytterligheten er at løpehjulet får rotere helt fritt, da vil pereferihastigheten bli lik vannstrålens hastighet. Da utvikles det heller ikke noe arbeid fordi det knapt er noen kraft som virker på løpehjulet. For øvrig kalles denne hastigheten for turbinens ruseturtall. Utfordringen er da å finne den hastigheten mellom disse ytterpunktene der det utvikles optimal effekt. Nedenfor skal dette utledes analytisk.

Skisse som viser vannstrålen mot en skål på peltonturbinens løpehjul. Hastighetsvektorer med notasjon der 1 betyr inngangshastighet og 2 utgang. Videre står u for rotorens pereferihastighet, vannstrålens relative hastighet (i forhold til løpehjulet) er w og c er strålens absolutt hastighet.

Ideelt skal altså forholdene i en peltonturbin være slik at vannet kastes ut av skålene på løpehjulet i en 180° vinkel. Imidlertid er ikke dette tilfellet for en praktisk konstruksjon og vannet forlater skålene i en vinkel på 165° til 170° som nevnt ovenfor. Andre forhold som heller ikke er ideele er at det oppstår friksjon mellom vann og stål både i dysen og i skålene.[5] Dette er forhold som gjør at virkningsgraden er lavere enn 100 % og at en matematisk analyse kan bli komplisert.

Eulers turbinligning er generell for alle turbiner og fortelle om forholdet mellom hastigheten til fluidet og løpehjulet ved inngang og utgang:

 P = \rho Q (u_1 c_{1u} - u_2 c_{2u})

der:

\rho = vannets tetthet 1000 kg/m3,
Q = vannstrømning [m3/s],
u1 = vektor for rotorens pereferihastighet ved innløp [m/s2],
u2 = vektor for rotorens pereferihastighet ved utgangen[m/s2],
c1u = projeksjonen av vannstrålens hastighetsvektor normalt på radius (tangentiell komponent) ved innløp [m/s2], og
c2u = projeksjonen av vannstrålens hastighetsvektor normalt på radius ved utløp [m/s2].

For en peltonturbin vil vannstrålens absolutte hastighet mot skålene og hastigheten til den tangentielle komponenten på radius ha samme retning, se illustrasjonen til høyre. Den tangentielle hastighetskomponenten ved inngangen c1u er derfor lik hastigheten til skålen der strålen treffer den, altså c1u = c1. Strålens tangentielle komponent ved utløp av skålen er gitt av: c2u = u2 - w2cos \beta_2.

Der vinkelen \beta er definert i tegningen til venstre. Antas det videre at strålen kommer inn på og forlater skålen på samme radielle punkt kan den tangentielle hastigheten settes til u1 = u2 = u. Ved innsetting i Eulers turbinligning fås:

 P = \rho Q u (c_{1u} - c_{2u}) = \rho Q u (c_1 - u_2 + w_2 cos \beta_2)

Av definisjonene av hastighetsvektoren har en at c1-u1 = w1. Dermed kan ligningen over omformes til en ligning for effekt i en peltonturbin:

 P = \rho Q u (w_1 + w_2 cos \beta_2)

Tapsfaktoren defineres slik:  \triangle = 1 – w2/w1. Denne faktoren forteller om fluidets reduserte hastighet på grunn av friksjon i skålen. Ved innsetting i formelen får likningen denne formen:

 P = \rho Q u w_1(1+ (1-\triangle) cos \beta_2)

Videre defineres c0 som strålens hastighet ut av dysen:

 c_0 = k_{c0}\sqrt{2gH}

der kc0 er et tall mellom 0,96 og 0,99 som nevnt over, og har å gjøre med redusert hastighet gjennom dysen på grunn av friksjon.

Videre defineres løpehjulets hastighetskoeffisient ku:

 u = k_u\sqrt{2gH}

Ved innsetting av alle disse nye faktorene fås ligningen for effekt i peltonturbinen på formen:

 P = \rho Q k_u\sqrt{2gH}(k_{co}\sqrt{2gH}-k_u\sqrt{2gH}(1+ (1-\triangle) cos\beta_2) = 2\rho gQHk_u(k_{co}-k_u)(1+(1-\triangle) cos \beta_2)

Det som nå er av interesse er å finne når faktoren ku gir forholdene for maksmialt utviklet effekt. Eller sakt på en annen måte, hvilket forhold må det være mellom vannstrålens hastighet og løpehjulets pereferihastighet for at mest mulig effekt skal utvikles i turbinen? Fra matematisk analyse vet en at derivering av uttrykket under betingelsen:

 {\partial P\over\partial k_u} = 0

gir betingelsene der ku gir størst verdi for formelen for P:

 {\partial P\over\partial k_u} = (2\rho gQ)(1 + (1-\triangle) cos\beta_2)(k_{c0}-2k_u) = 0

Betingelsen for å få maksimal effekt blir av dette ku = kco/2. Altså at løpehjulet må ha en hastighet som er halvparten av vannstrålens hastighet. I det praktiske tilfellet viser det seg at effekten blir størst om faktoren er et tall mellom 0,45 og 0,5.[4]

Spesifik hastighet[rediger | rediger kilde]

Et mye brukt system for numerisk klassifikasjon av turbiner er dens spesifikke hastighet, ns. Dette tallet beskriver hastigheten av turbinen ved høyeste virkningsgrad med hensyn til effekt og strømningshastighet. Den spesifikke hastighet er avledet slik at den er uavhengig av turbinstørrelse (ytelse). Gitt forholdene for fluidstrømningen og den ønskede hastigheten for akselen, kan den spesifikke hastigheten beregnes og et passende turbindesign velges.

Den spesifikke hastighet, sammen med noen grunnleggende formler kan brukes for sikkert å oppskalere et eksisterende turbindesign av kjent ytelsen, til en ny og større/mindre enhet. Dette brukes mye i forbindelse med moddelforsøk, der en liten modelle av et løpehjul testes og forbedres i et laboratorium. Når optimal utforming er funnet skaleres modellen opp til full størrelse i verkstedet.

Her vises det som et eksempel forholdene for en peltonturbin. Gitt vannmengde, fallhøyde og den ønskede hastigheten til hjulet. Da kan den spesifikke hastigheten beregnes og en passende turbin velges. Formelen for spesifik hastighet for en vannturbin er:

 n_s = n \sqrt {P} / H_n^{5/4} [rpm][6]

der:

 n = omdreiningstallet [rpm]
 P = effekt [kW]
 H_f = effektiv fallhøyde [m]
 Q = fluidstrøm [m³/s]

En peltonturbiner som er velykket konstruert får en spesifik hastighet rundt 15.[7]

Utfordringer og forskning for å forbedre konstruksjon av peltonturbinen[rediger | rediger kilde]

Til tross for at peltonturbinen har eksistert siden 1870-tallet er det fremdeles flere forhold rundt dens fysikk som er uløst. Konstruksjon av peltonturbiner har altid vært oppfattet som mer vanskelig enn konstruksjon av andre turbintyper. Erfaring og omfattende testing av nedskalerte modeller har vært de viktigste metodene for konstruksjon. Imidlertid har overgangen fra en nedskalert model til en fullskala turbin ofte vært usikker. Noen av årsaken til dette er at det i en peltonturbin eksisterer fire forskjellige strømningsmodier[4]. Dette er:

1 Avgrenset stasjonær strømning i rørene frem til dysene
2 Fri vannstråle ut av dysene
3 Transient overflatestrømning på skålene og
4 Tofaset dispergert strømning i turbinhuset (i form av vanndråper og stråler).

På grunn av vannets egenskaper som for eksempel overflatespenning og de fire forskjellige modiene som har egne hastigheter og lengder, vil det være forskjellige regler for oppskalering for de de fire stedene i turbinen.[4]

Det er av interesse å gjøre målinger og observasjoner i modeller av peltonturbiner, men på grunn av at dette er et meget utfordrende miljø (vannstråler, dråper, tåke etc.) er dette vanskelig. Uansett har det vært gjort flere undersøkelser med systemer med stroboskopisk lys. Noen av de problemene en har sett på løpehjule er erosjonsskader på eggen og utløpet av skålene. Dette fenomenet er antatt å skyldes kavitasjon, men er ikke bekreftet. For å studere fenomenet i detalj mener en at forløpet der vannstrålen treffer skålene skulle vært undersøkt grundig, noe som aldri er gjort.[4]

Et annet fenomen er prosessen der vannet på baksiden av skålene slynges av. Hvis vannet har en tendens til å klebe seg fast er konsekvensen av dette ikke kjent. Et tredje fenomen er trykkstøt og erosjonsskader i bunnen av skålene. Sensorer for trykkmåling har vært montert i skålene på modeller, og disse viser meget store trykkpulser i senter av skålene. En hypotese for dette fenomenet er kollisjon med vanndråper i turbinhuset.[4]

Historisk utvikling[rediger | rediger kilde]

Primitiv utnyttele av vannkraft i gullrushet i California[rediger | rediger kilde]

Lester Allen Pelton var som ung mann med i gullrushet i California på 1850-tallet. Her ble vannkraft brukt for å drive møller og lignende i forbindelse med gruvedrift. Turbinrør ble bygget av tømmerplanker og skaffet trykk for å drive rundt såkalte hurdy-gurdy-hjul. Dette var relativt store hjul med skåler eller bøtter påmontert periferien. Dysen som skaffet vannstrålen inn på hjulets periferi var ofte laget av en blokk av tre med en hull borret gjennom. Disse primitive kraftverkene hadde en virkningsgrad på rundt 40 %. En mente at noe av årsaken til den lave virkningsgreden kunne være at bøttene ble fylt av «dødt-vann» med det samme strålen traff den, og at strålen dermed kun traff åpningen på bøttene og ble spylt vekk. Forbedringer av konstruksjonen tok sikte på å lage bøttene slik at vannet forlot bøttene raskere. Etterhvert innså en at kontruksjonen misslyktes i å gi vannet nok hastighet i fasen der det skal forlate bøttene. I 1866 laget the Pacific Iron Works i San Francisco et hjul i støpejern med bøtter som tømte ut vannet raskere, dessuten hadde de latt strålen komme inn noe på skrå mot bøttene. Det siste utnyttet raksjons-prinsippet og ga mer effekt unyttelsen av vannfallet. I 1870 gjorde S. N. Knight en forbedring av bøttene på hjulet ved å la disse få form som en kopp, og også denne konstruksjonen hadde forbedret egenskaper for å slippe vannet ut.[8]

Forbedring av bøttene på hurdy-gurdy-hjulet[rediger | rediger kilde]

Figur fra Pelton's originale patent fra oktober 1880.
Illustrasjon av en peltonturbin fra boken Electrical Installations, Vol III, av Rankin Kennedy fra 1903. Legg merke til at skålene er rektangulære og at de ikke har den karakteristiske utsparingen i fronten selv om dette var oppfunnet fire år tidligere.
Åpen peltonturbin i Kentucky Mine i Sierra County, California, USA. Reimdrift for overføring av energi til arbeidsmaskin.

Pelton fikk patent på sitt hjule med bøtter som kløyver strålen i oktober 1880, men det var andre på samme tid og enda tidligere som arbeidet med samme ideen uavhengig av hverandre. I 1870 hadde Nicholas J. Colman oppfunnet et hjul med bøtter som kløyver vannstrålen, noe som han fikk patent for først i 1873 (US Patent 135 891). Dette var et hjul med bøtter som kløyver vannstrålen i to deler, og følger en kurve ut i sidene og i fronten av bøttene. Colman greide ikke å få promotert sin oppfinnelse, og det ser heller ikke ut til at han fikk satt hjulet i produksjon. Pelton fikk først høre om Colmans oppfinnelse flere år etter at han fikk sin patent godkjent, og det amerikanske patetkontoret hadde heller ikke noen referanse til Colmans oppfinnelse. Hele 17 patenter på lignende hjul ble tatt ut mellom 1882 og 1898.[8]

Pelton var fremdeles i arbeid med gruvevirksomhet da han eksperimenterte med hurdy-gurdy-hjulet, og oppdaget ved en tilfeldighet det som gjorde at ettertiden har gitt hans navn til turbinen. Det hadde seg slik at et hurdy-gurdy-hjul som var av Knights konstruksjon hadde blitt slitt, dermed satt ikke hjulet lenger helt fast på akslingen. Dermed ble hjulet forskjøvet noen få centimeter til siden, noe som gjorde at strålen ikke lenger traff senter av bøttene. Imidlertid viste det seg at når strålen ikke traff senter av bøttene, greide hjulet å dra stampemøllen det var tilknyttet betydelig raskere. Dermed forstod Pelton at dette var en bedre løsning for å få større effekt ut av hjulet, men det oppstod også et nytt problem, nemmelig at det oppstod en aksielle kraft på akslingen. Denne uønskede kraften sideveis ville slite på lagrene og måtte elimineres, og Pelton tenkete først på å plassere bøttene vekselvis usentrert langs hjulet. Altså vekselvis til høyre og venstre for senter av vannstrålen. Herifra var ikke veien lang til å komme på ideen med en bøtte med en kvass egg i midten som splitter vannstrålen i to deler.[8]

Pelton fikk sin patent på dette hjulet den 26. oktober 1880 (U.S. Patent 233 692), og de orginale tegningene til dette patentet er vist i figuren til venstre. Bøttene langs hjulet er i Peltons patent betydelig mindre enn på hurdy-gurdy-hjulet, og på norsk kalles disse derfor skåler. I engelsk litteratur er det imidlertid vanlig å kalle disse bøtter (bucket). Høsten 1880 fikk Pelton etablert et firma sammen med Brayton som de kalt Pelton Water Wheel Company.[8]

William A. Dobel's ytterligere forbedringer av løpehjulet[rediger | rediger kilde]

Den neste store forbedringen av løpehjulet som Pelton og Colman uavhenige av hverandre hadde oppfunnet, kom fra en konkurent kalt Aber Dobel Company. Dette firmaet var etablert i 1850 og var spesielisert på utstyr for gruveindustrien. I 1889 hadde en av lederne av dette firmaet, William A. Dobel, vært i en gruve som hadde et pletonhjul og lagt merke til rask slitasje av dette. Dobel la merke til at det var mye sand i vannet som drev hjulet. Han forundret seg over dette og dro rundt for å undersøke flere peltonhjul i området for å finne ut om dette var et generelt problem. Dobel studerte problemet og kom frem til at turbulens i deler av skålene på peltonhjulet i kombinasjon med suspendert sand i vannet var årsaken. I 1899 fikk Dobel godkjent tre patenter som forbedret peltonhjulet. En av ideene var å forme hver av skålehalvdelene som elipser, og med en skarp egg i midten. Den neste nyvinningen var å skjære inn et hakk i fronten av hver skål. Dette for å unngå at vannstrålen delvis kuttes av skålen foran den skålen som får vannstrålen midt på eggen. Dermed får skålen som får vannstålen normalt på eggen hele vannstrålen inn, og ikke bare en del av den. [8]

Med Dobels forbedring fikk peltonhjulet en utforming som ligner mye på dagens utforming. Vannet kom inn i skålene og ble delt i to jevene halvdeler. Strømningen fikk mindre turbulens og løpehjulet varer lengre selv om det er sand i vannet. Og ikke minst ble virkningsgraden forbedret.[8]

Aber Dobel Company og Pelton Water Wheel Company var konkurerende firmaer, men ble i 1912 fusjonert. Fusjonene skjedde fire år etter at Lester Pelton selv hadde gått bort. Firmaet fortsatte å hete Pelton Water Wheel Company og fikk Dobel som sjefsingeniør. Dobel brukte årene som kom på å forbedre dysen som skaper vannstrålen, og utviklet blant annet metoder for å regulere vannstrålen. Han tok også ut en mengde patenter på sine forbedringer. Ironisk nok var det altså ikke Pelton selv som stod bak de viktigste forbedringene av turbinen som bærer hans navn. Han var på riktig tid og sted, dessuten hadde han nødvendige personlige egenskaper både som ingeniør og foretningsmann.[8]

Se også[rediger | rediger kilde]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ a b Casper Vogt-Svendsen (2000). Turbiner (1 utg.). Elforlaget, Norges Elektroentrepenørforbund. ISBN 82-7345-285-9. 
  2. ^ «The Bieudron power station». Grande Dixence SA. Besøkt 25. oktober 2014. 
  3. ^ «Sima». Statkraft SF. Besøkt 25. oktober 2014. 
  4. ^ a b c d e f g Alexandre Perrig (2007). Hydrodynamics of the free surface flow in Pelton turbine buckets (École Polytechnique Fédérale de Lausanne). Lausanne. 
  5. ^ a b c d e I.U. Atthanayake (oktober 2009). «Analytical Study On Flow Through a Pelton Turbine Bucket Using Boundary Layer Theory». International Journal of Engineering & Technology. 
  6. ^ Sayers, A. T. (1990). Hydraulic and Compressible Flow Turbomachines. Mcgraw Hill Book Co Ltd. ISBN 978-0-07-707219-3. 
  7. ^ «Technical derivation of basic impulse turbine physics, by J.Calvert». Mysite.du.edu. 
  8. ^ a b c d e f g Robert W. Shortridge (oktober). «Lester Pelton and His Water Wheel.». Hydro Review (engelsk). 

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]

Commons Commons: Pelton hjulet – bilder, video eller lyd