Pelton Wheel

[img_assist|nid=1311|title=Pelton Wheel|desc=Figure 135|link=node|align=left|width=190|height=200]

Below you will find a Pelton Wheel article that was translated by Martin Boll. The original text is italicized.

[1] (The young machinery constructor)

[2] (A Introduction into the elements of maschnery-construction and instruction
for making small models)

[3] "Adams Machinery-Book for Boys"Der junge Maschinenbauer (The young machinery constructor) Eine Einführung in die Elemente des Maschinenbaus und Anleitung zur Herstellung kleiner Modelle (A Introduction into the elements of maschnery-construction and instruction for making smal
(Copyright 1909 By Harper & Brothers)

[4] There, where a relative small amount of water, but a stronger
pressure is available, we use as well a sort of undershot water-wheel, by
using the high water-pressure with very high speed to bound against the
paddles of the wheel.
"

"

[5] We use thus as by the undershot Wheel, the kinetic energy.

[6] The big strain of the paddles, in follow of the high speed and
the out of that following big revolutionsnumber requires from the
pelton-wheel a totally different, far more stable construction, which will
be now described in detail.

[7] Onto the circumference (Figure 135) are fixed a number of
peculiar shovels, which one in its compact form is shown in figure 135 A.

[img_assist|nid=1282|title=Figure 136|desc=|link=node|align=left|width=200|height=103]

[8] Against theses shovels, the water-jet is directed, and quasi
caught by the both hutches, so that the water on that cannons back.

[9] Thereby yon reaction-effect occurs, which we have already
discussed above by dealing with the turbine-principle.

[10] If we want to reach a good effect with our pelton-wheel, we must
form the shovels so, that the single parts of the water-jet are preferably
forced to controlled turning back; by that serve just the both hutches of
the shovels, which direct the jet to the right, the left and down.

[11] There are built wheels with diameter from 0.5 up to 1.5 meter.

[img_assist|nid=1313|title=Pelton Wheel Assembly|desc=Figures 137, 138 & 140|link=node|align=left|width=200|height=192]

[12] The breadth of the shovels differs between approximately 0.5 and
1.5 meter; there are used broader shovels for bigger water-masses than for
smaller.

[13] By a water-pressure of 20 to 25 kg/cm2 and a wheel from about 1
meter diameter and 7 cm breadth we can expect a power of 5 to 10 PS
(horse-power)

[14] We get the needed water-pressure, when we guide the water out of
sufficient height in a closed tube to the Pelton-wheel.

[15] We can calculate for each 10m height a pressure of 1kg/cm2.

[16] For a small model-installation, a pressure of about 2kg/cm2 is
sufficient.



[img_assist|nid=1287|title=Pelton Wheel|desc=Figure 140|link=node|align=left|width=200|height=120]

[17] If the amount of water is sufficient, it is by low pressure of
advantage, to direct two jets (one from under and one from above) to the
wheel.

[18] If there is a fall-hight of 100 to 200m (10 to 20 kg/cm2), and
we give the wheel a diameter from about 70cm, a breadth of about 8cm, and
ist he outcoming water-jet 2.5cm to 3cm thick, so we can expect a power of
6 to 8 PS (Pferdestärke=Horse power) from our installation.

[19] The feeding-tube, which leads the water to the nozzle, must be 4
to 6 times broader than the nozzle-cross-section.

[20] When we want to construct for us a pelton-wheel of that power
with simple things, so we first make the wheel-body out of a dense but not
too hard wood (poplar, as well good knob-free fir wood), by putting together
the wheel-disk out of single planks, like observable out of Fig. 136 B.

[21] To be the firmness of the wheel-disk to all sides the same (and
not less in transverse direction to the fibres), so we construct the 7cm
thick disc in the way, that we make seven single slices out of merely 1cm
thick planks and nail them firmly on each other.

[22] But thereby - and that is the main thing by that method- must be
paid attention, that the fibre-direction of each layer against the following
is twisted for 30°; so it comes than, that the fibres of the seventh plank
is again unidirectional to the first.

[img_assist|nid=1286|title=Pelton Wheel|desc=Figure 141|link=node|align=left|width=200|height=81]

[img_assist|nid=1285|title=Nozzle|desc=Figure 139|link=node|align=left|width=200|height=121]

[23] We can as well take less than seven but therefore thicker
layers, but not less then three.

[24] Before we nail together the single disks, we cut for the
tetragonal shaft in each the accordant hole, because the single disks are to
treat easier than the thick mass of the ready one.

[25] In addition it is advisable, to pour asphalt between the single
layers at any one time, before we nail them together.

[26] The wood should be pre-warmed somewhat, that the asphalt does
not already solidify during nailing together.

[27] This procedure protects the wheel, which is exposed to wetness,
definitely.

[28] The shaft gets the form, in Fig.136 C visible.

[29] After the shaft is inserted, it is necessary to make the
circumference of our disk exactly round.

[30] The most safe procedure was dressing the size on a lathe.

[31] Because such in that size are not accessible always easily, so
we must manage with a simpler procedure.

[32] We put the shaft into its bearing, bring an object into the
nearby of the disk and turn these; so we recognize simply, on which places
material has to be removed.

[33] When the disk is well rounded, so onto the circumference, like
to see out of Fig. 135 B, single wood-slads are nailed directly side by
side.

[34] Here too, the pouring hot asphalt between is advisable.

[35] The shovels itself should have the shape of Fig. 136 D.

[36] We can have them cast out of bronze or out of good brass.

[37] These shovels have to be screwed with strong screws onto the
circumference.

[38] When we want to spare the expense for casting the shovels, we
can proceed in the manner shown in Fig. 137 A

[39] The shovel has to be made out of one piece of sheet-metal, the
form of which is drawn in Fig. 137 B; is it at the dotted lines plied, so
gets it the form shown in C.

[40] Also a dichotomy of those shovels is recommendable; one achieves
that by an intermediate wall out of scheet-metal, which is plied out of a
piece figured in D.

[41] The standing over tabs of these shovels are scewed on the side
of the wheel, like to see in Fig. 137A, whereby the stability best is
reached; hereby is to work with special accuracy, because the very big
centrifugal-forces caused by the high rotation-rate.

[42] The Pelton-wheel has to be built into a very stable base frame
(out of wood or metal), how shown in Fig. 138.

[43] To catch the strong splashing water, we built above the wheel a
box out of sheet-metal, the contours are shown dotted in Fig. 138.

[44] The base frame takes at the same time the nozzle, which is
figured apart in fig. 139.

[img_assist|nid=1284|title=Pelton Wheel Assembly|desc=Figure 138|link=node|align=left|width=200|height=160]

[img_assist|nid=1283|title=Pelton Wheel Shovels|desc=Figure 137|link=node|align=left|width=200|height=78]

[45] It must be built into the base frame very strongly, because otherwise it
could, by the reaction-pressure in the tube, hurtle backwards out of the
base frame.

[46] Further it is of advantage, to mount directly behind the nozzle
a valve B, which is by means of a dilatation-connection C connected onto
conduct D.

[img_assist|nid=1281|title=Pelton Wheel|desc=Figure 133 & 134|link=node|align=left|width=200|height=114]

[47] The Pelton-wheel has according to the big outflow-speed of the
water, a very big rotation-number.

[48] Therefore one can use the Pelton-wheel to drive
dynamo-machinery.

[49] But for the most other purposes e.g. drive of a saw-mill, must
be reduced the rotation-number accordingly from a small wheel on the
wheel-shaft to a big one at the working machinery.



CONSTRUCTION:

For the small Pelton-model I translated the instruction now:

Construction of a small Pelton-wheel:

Out of: Werkbuch fuer Jungen von Rudolf Wollmann 7. Auflage, Otto Maier
Verlag Ravensburg (approx. from 1950!! )

(Handicraft-book for boys)

Fig. 136 (=Abb.136 ) shows the model in cut (the wheel in side-view) Abb.
138 in view. The wheel-body R exists out of a 25mm thick circle wood-disk,
80mm in diameter, with a central 6mm borehole. The 8 shovels are cut out of
0.8mm thick sheet-aluminium (see Abb. 137). The lashes have two (2mm
diameter) holes for the fixing screws. The sheet-metals are plied as Abb.
137. Mind, bend the middle-edge with a flat-pliers as cut-edge-like as
possible. The shovels are fixed in equal distance to each other onto the
wheel-body with 4 small screws, in the manner, that the shovels are a little
bit reclined how in the figure shown.

[img_assist|nid=1312|title=Cross Section|desc=Figure 136|link=node|align=left|width=200|height=148]

The turbine-housing is constructed out of 1cm thick hardwood-planks. The
measures are shown in the figures. The back-wall-plank V gets in the middle,
55mm distant from the bottom, a borehole, about 10 to 12 mm diameter.
Therein inserted: a equal-sized glass-tube with some tapered mouth. The
front-plank is only made 16cm long, to form a window A from 35 x 20 mm. The
side-walls S get at the specified place each a borehole from 6mm diameter,
the bearing of the shaft. Before mounting the base-plank, bring the wheel
into the mounted housing and put the shaft - a approx. 70mm long piece of
round-bar (6mm diameter) through wheel and housing-walls. In the same time,
put between wheel-body and each side-wall, a fitting shim -3 to 4 mm thick B
(Abb. 136)- onto the shaft. The shaft must turn easily in the bearings.
Otherwise they must be filed out a little bit. At the side where the shaft
sticks out more, press a reel onto it. Move the tube Z as far into the
housing, that -by turning the wheel- it is just not hit by the shovels. Now
you can fix the ground-plank.

If you find cutting and bending the Pelton-shovels is too difficult, you can
mount in that place simple curved shovels. The measures are shown in Abb.
139. The model is connected to the water-conduit by a rubber-tube.

Union Deutsche Verlagsgesellschaft Stuttgart, Berlin, Leipzig.

9. Auflage

Sechstes Kapitel (Chapter 6)

Autor: Eberhard Schnetzler

Seite 84 (page 84)

Peltonrad

[1] Der junge Maschinenbauer

[2] Eine Einführung in die Elemente des Maschinenbaus und Anleitung zur
Herstellung kleiner Modelle

[3] Unter Mitbenuetzung von (With joint use of )

[4] Da, wo ein verhaeltnismaessig geringe Wassermenge, dafuer aber ein um so
staerkerer Druck zur Verfuegung steht, wenden wir auch eine Art des
unterschlaechtigen Wasserrades an, indem wir den hohen Wasserdruck dazu
benutzen einen Wasserstrahl mit sehr grosser Geschwindigkeit gegen die
Schaufeln des Rades anprallen zu lassen.

[5] Wir benutzen also auch wie beim unterschlaechtigen Rad die Bewegungsenergie
des Wassers aus.

[6] Die infolge der hohen Geschwindigkeiten auftretende grosse Beanspruchung der
Schaufeln und die dadurch wieder bedingte grosse Umdrehungszahl erfordern
vom Peltonrad eine ganz andere, weitaus stabilere Bauart, die jetzt im
einzelnen beschrieben werden soll.

[7] An dem Umfang eines Rades (Abb. 135) wird eine Anzahl eigenartiger Schaufeln
angebracht, deren eine in ihrer gedrungenen Form in Abb. 135 A dargestellt
ist.

[8] Gegen diese Schaufeln wird der Wasserstrahl gerichtet und von den beiden
Mulden der Schaufeln gewissermassen aufgefangen, so dass das Wasser an ihnen
zurueckprallt.

[9] Dabei tritt jene Reaktionswirkung ein, die wir oben schon bei der Behandlung
des Turbinenprinzips besprochen haben
.

[10] Wenn wir also mit unserem Peltonrad eine gute Wirkung erreichen wollen, so
muessen wir die Schaufeln so formen, dass die einzelnen Teile des
Wasserstrahles moeglichst geregelt zum Umkehren gezwungen werden; dazu
dienen eben die beiden muldenfoermigen Aushoehlungen der Schaufeln, die den
Strahl nach rechts, links und unten leiten.

[11] Es werden Raeder mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,5 m gebaut.

[12] Die Breite der Schaufeln schwankt zwischen etwa 7 und 25 cm; man verwendet
naemlich fuer groessere Wassermengen breitere Schaufeln als fuer kleinere.

[13] Wir koennen bei einem Wasserdruck von 20 bis 25 kg/cm2 und einem Rad von
etwa 1m Durchmesser und 7cm Breite eine Leistung von 5 bis 10 PS erwarten.

[14] Den noetigen Wasserdruck erhaelt man, wenn man das Wasser aus genuegender
Hoehe in einem geschlossenen Rohr zum Peltonrad leitet.

[15] Man kann fuer je 10m Hoehe 1 kg/cm2 Druck rechnen.

[16] Fuer eine kleine Modellanlage genuegt aber auch schon ein Druck von etwa
2kg/cm2.

[17] Reicht die Wassermenge aus, so ist es bei geringen Drucken vorteilhaft, zwei
Strahlen (einen von unten und einen von oben) auf das Rad treffen zu lassen.

[18] Steht uns die Fallhoehe von 100 bis 200 m (10 bis 20 kg/cm2) zur Verfuegung,
und geben wir dem Rad einen Durchmesser von etwa 70 cm, eine Breite von
ungefaehr 8 cm, und ist der austretende Wasserstrahl 2,5 bis 3 cm dick, so
koennen wir eine Leistung von 6 bis 8 PS von unserer Anlage erwarten.

[19] Das Zuleitungsrohr, das uns das Wasser der Duese zufuehrt, muss 4 bis 6 mal
breiter sein als der Duesenquerschnitt.

[20] Wollen wir uns mit einfachen Mitteln ein Peltonrad von dieser Leistung
herstellen, so fertigen wir uns zuerst den Radkoerper aus Holz, indem wir
aus einem dichten, aber nicht zu harten Holz (Pappel, auch gutes, astfreies
Fichtenholz) die Radscheibe aus einzelnen Brettern zusammensetzen, wie aus
Abb. 136 B zu erkennen ist.

[21] Damit aber die Festigkeit der Radscheibe nach allen Seiten hin gleich ist
(und nicht in der Richtung quer zu den Fasern geringer), so stellen wir die
7cm dicke Scheibe so her, dass wir sieben einzelne Scheiben aus nur 1cm
dicken Brettern verfertigen und diese fest aufeinander nageln.

[22] Dabei ist aber - und das ist die Hauptsache dieser Methode- darauf zu
achten, dass die Faserrichtung jeder Lage gegen die naechste um 30° verdreht
ist; so kommt es dann dass die Fasern des siebenten Brettes wieder
gleichlaufend denen des ersten sind.

[23] Wir können auch weniger als sieben und dafür entsprechend dickere Lagen
nehmen, aber nicht weniger als drei.

[24] Bevor wir die einzelnen Scheiben zusammennageln, schneiden wir für die
vierkantige Achse in jede ein entsprechendes Loch, da die einzelnen Scheiben
einzeln leichter zu bearbeiten sind als die dicke Masse der fertigen.

[25] Ferner ist es ratsam, zwischen die einzelnen Lagen jeweils, bevor wir sie
zusammennageln, heißen Asphalt zu gießen.

[26] Das Holz sollte dabei etwas vorgewärmt werden, damit der Asphalt während des
Zusammennagelns nicht schon erstarrt.

[27] Dieses Verfahren schuetzt das der Naesse ausgesetzte Rad sicher vor dem
Verfaulen.

[28] Die Achse erhaelt die in Abb. 136 C zu erkennende Form.

[29] Nachden sie eingesetzt ist, gilt es den Umfang unserer Scheibe noch genau
rund zu machen.

[30] Das sicherste Verfahren hierzu waere das Abdrehen auf einer Drehbank.

[31] Da aber solche in dieser Groesse nicht immer leicht erreichbar sind, so
muessen wir uns mit einem einfacheren Verfahren behelfen.

[32] Wir legen die Achse in ihre Lager, bringen einen Gegenstand in die Naehe des
Umfanges der Scheibe und drehen diese; so erkennen wir leicht, an welchen
stellen noch Material abzunehmen ist.

[33] Ist die Scheibe gut gerundet, so werden auf den Umfang, wie das aus Abb.
136 B zu ersehen ist, einzelne Holzleistchen direkt nebeneinander
aufgenagelt.

[34] Auch hier empfiehlt sich das Zwischengiessen von heissem Asphalt.

[35] Die Schaufeln selbst sollten die in Abb. 136 D dargestellte Form haben.

[36] Wir koennen sie aus Bronze oder aus gutem Messing giessen lassen.

[37] Diese Schaufeln muessen mit langen, starken Schrauben auf dem Umfang
angeschraubt werden.

[38] Wollen wir uns aber die Ausgabe fuer das Giessen der Schaufeln sparen, so
koennen wir nach der in Abb. 137 dargestellten Weise verfahren.

[39] zeigt einen Teil des Radumfanges mit aus Blech gebogenen Schaufeln.
Die Schaufel muss aus einem Blechstueck hergestellt werden, dessen Form in
Abb. 137 B gezeichnet ist; wird es an den punktierten Linien dann umgebogen,
so entsteht die in C dargestellte Form.

[40] Auch eine Zweiteilung solcher Schaufeln ist empfehlenswert; man erreicht
sie durch eine Zwischenwand aus Blech, die aus einem in D dargestellten
Stueck gebogen wird.

[41] Die ueberstehenden Lappen dieser Schaufeln werden wie in Abb. 137 A zu
ersehen ist, seitlich an das Rad angeschraubt, wodurch ihre Festigkeit am
sichersten zu erreicht wird; hierauf ist ganz besondere Sorgfalt zu
verwenden, da dies bei den hohen Tourenzahlen auftretenden
Zentrifugalkraefte sehr stark werden.

[42] Das Peltonrad muss in ein sehr stabiles Gestell (aus Holz oder Metall)
eingebaut werden, wie die Abb. 138 zeigt

[43] Um das stark herumgeschleudert werdende Wasser aufzufangen, bauen wir ueber
das Rad einen Kasten aus Blech, dessen Umrisse in Abb. 138 punktiert
angegeben sind.

[44] Das Gestell dient auch gleichzeitig zur Aufnahme der Duese, die in Abb. 139
gesondert dargestellt ist.

[45] Sie muss sehr fest in das Gestell eingebaut sein, weil sie sonst durch den
Reaktionsdruck in dr Leitung nach Rueckwaerts aus dem Gestell fliegen
koennte.

[46] Ferner ist es vorteilhaft, direkt hinter dr Duese A ein Ventil B
anzubringen, das dann mittels eines Erweiterungsstutzens C an die Leitung D
angeschlossen wird.

[47] Das Peltonrad hat entsprechend der grossen Ausflussgeschwindigkeit des
Wassers eine sehr grosse Tourenzahl.

[48] Man kann daher das Peltonrad zum Antrieb von Dynamomaschinen benutzen.

[49] Fuer die meisten anderen Zwecke aber, z.B. zum Betrieb eines Saegewerkes,
muss durch entsprechende Uebersetzung von einem kleinen Rad auf der Radwelle
zu einem grossen an der Arbeitsmaschine die Tourenzahl herabgesetzt werden.
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