Lester Allan Pelton

Oppvekst og ungdom

Lester A. Pelton ble født i en tømmerhytte på landsbygden i Vermilion Twp, Erie County, Ohio. Hans bestefar var Kaptein Josiah Pelton som mistet det meste av det han hadde som marineoffiser under Den britisk-amerikanske krig. Etter krigen flyttet han med sin familie til Ohio. Lesters foreldre var Allen Pelton, og Fanny Cuddeback. Moren kom fra en annen familie av tidlige pionerer i Det ville vesten. Som ung arbeidet Lester på familiens gård og sannsynligvis var han elev på den nærliggende «Cuddeback-skolen».
I 1850 emigrerte den unge Pelton sammen med flere andre lokale menn fra Ohio for å søke lykken  i gullrushet i California. Han var ikke noen vellykket som en gullgraver, men han fisket på elven  Sacramento og jobbet som snekker. Etter streiken i gullgruvene i nærheten Sierra Nevada i 1860 flyttet han til Camptonville i nærheten av elven Yuba  og gullfeltet Mother Lode, der han livnærte seg som montør og snekker. Pelton tilbrakte mye av sin tid på å lese og studere gruvevirksomheten. Under sine observasjoner og studier fikk ham grunnlegende kunnskaper om utstyr for gruvedrift, metalurgiske prosesser og relaterte tekniske innretninger.

Primitiv utnyttelse av vannkraft i gullrushet i California

Pelton fikk sine ideer til å forbedre de primitive turbinhjulene som var i bruk på denne tiden under  sine studier av gruveutstyr som var i bruk under gullrushet i California. Dampmaskiner ble mye brukt til å drive utstyret til gruvevirksomhet, men krevde mye brensel i form av ved. Dette førte til at nærliggende skoger ble nedhugget. Hjul ble satt opp i bekker og elver for å drive arbeidsmaskiner eller produsere elektrisitet, men disse var primitive og lite effektive. Trykkrør (turbinrør) ble bygget av tømmerplanker og skaffet trykk for å drive rundt såkalte hurdy-gurdy-hjul (må ikke forveksles med musikkinstrumentet med samme navn). Dette var relativt store hjul med bøtter påmontert periferien. Dysen som skaffet vannstrålen inn på hjulets periferi var ofte laget av en blokk av tre med et hull boret gjennom. Disse primitive turbinene hadde en svært lav virkningsgrad på rundt 40 %.
De som forsøkte å forbedre konstruksjonen mente at noe av årsaken til den lave virkningsgraden kunne være at bøttene ble fylt av «dødt-vann» med det samme strålen traff den. Mistanken var at strålen kun traff åpningen på bøttene og ble spylt vekk. Forbedringer av konstruksjonen tok sikte på å lage bøttene slik at vannet forlot dem raskere. Etterhvert innså en at konstruksjonen misslyktes i å gi vannet nok hastighet i fasen der det skal forlate bøttene. Dermed følger vannet med i bøttene ett stykke etter at strålen treffer neste bøtte. 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. Det siste utnyttet raksjons-prinsippet og ga mer effektiv  utnyttelsen 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 når det gjaldt å slippe vannet ut.

Forbedring av bøttene på hurdy-gurdy-hjulet

Pelton fikk patent på sitt hjul med bøtter som kløyver strålen i oktober 1880. 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. Det som skjedde når strålen treffer bøtten usentrert var at den ble avbøyd i en «u-sving». Med denne 180 hastighetsendringen utnyttes prinsippet som i fysikken kalles impuls.
Pelton forstod nå at dette var en bedre løsning for å få større effekt ut av vannstrålen, men det oppstod også et nytt problem nemlig at det oppstod en aksielle kraft på akslingen. Denne uønskede kraften sideveis ville slite på lagrene og var derfor uønsket. Pelton tenkte først på å plassere bøttene vekselvis til høyre og venstre usentrert langs hjulet. Slik tenkte han at halve strålen vil avskjæres av den nærmeste bøtten og den andre halvparten av bøtten lenger bak. Herfra var ikke veien lang til å komme på ideen med en bøtte med en kvass egg i midten som splitter vannstrålen i to deler.

Produksjon av peltonturbinen

Pelton fikk sin patent på dette hjulet den 26. oktober 1880 (U.S. Patent 233 692), og de originale tegningene til dette patentet er vist i figuren til venstre. Samme høst besøkte Pelton fabrikken til Rankine, Brayton & Company i San Francisko, og fikk hilse på fabrikkens arbeidsformann W. G. Dodd. Hensikten med dette besøket var å promotere patenten og satt den ut i produksjon. Dodd ble imponert av Peltons turbin og den uvanlige formen på bøttene som han hadde oppfunnet. Pelton ble bedt om å vente til firmaets sjef Brayton kom tilbake fra reise, slik at videre forhandlinger og avtaler kunne komme i stand. Her skjedde det imidlertid skjulte forhandlinger. Dodd trodde at han og Brayton enten skulle kjøpe patentet eller produsere turbiner på lisens. Isteden gjorde Brayton og Pelton sin egen avtale bak ryggen på selskapet og frøs Dodd ut. Det ble til at Brayton og Pelton dannet sitt eget selskap som fikk navnet The Pelton Water Wheel Company. Dette firmaet hold til i San Francisko.
På den tiden var fremdeles hjulet til Knight brukt i stor utstrekning, men i en konkurransen i 1883 ved Idaho gruve i nærheten Grass Valley i California viste Peltons turbin seg å være mye mer effektivt enn andre. Peltons utforming av turbinen ga en virkningsgrad på 90 %, mens den nest beste konkurrent oppnådd mindre enn 77 %. På dette tidspunkt var virkningsgraden for de fleste andre turbinhjul i bruk typisk mindre enn 40 %.

Dodds revansje

Det Pelton ikke viste var at noen år før han tok ut sin patent hadde en viss Nicholas J. Colman funnet opp en turbin med nesten samme form. Colman fikk ikke satt sin oppfinnelse i produksjon og hans oppfinnelse ble glemt. Heller ikke hadde patentkontoret som ga Pelton hans patent funnet ut at noen tidligere hadde gjort nesten akkurat samme oppfinnelse. Dodd fikk sin revansje da han fant opp enda et nytt turbinhjul og fikk patent på dette i april 1889. Da oppdaget patentkontoret  Colmans gamle og glemte patent. Med denne informasjonen var ikke Dodd og hans advokat sene med å skjønne at Pelton hadde krenket Colmans patent. Denne informasjonen hold de for seg selv og dro til Colman og kjøpet hans patentrettigheter for 500 US $. Deretter tok han kontakt med The Pelton Water Wheel Company og gjorde oppmerksom på at han var eier av Colman-patentet, og at Pelton ikke hadde vært den opprinnelige oppfinneren. Dodd anklaget Pelton for å ha krenket hans patent med hver eneste peltonturbin som hadde blitt produsert. Etter dette måtte Pelton og hans firma avfinne seg med å utbetale en stor sum i erstatning.

Peltonturbinens videre utvikling

Pelton fikk senere godkjent en ny patent for forbedringer av sitt turbinhjul og bøttene på dette. Den som imidlertid gjorde de virkelige store forbedringene av turbinen var William A. Doble fra The Abner Doble Company. Dette firmaet leverte gruveutstyr og Dobel hadde lagt merke til at løpehjulene til Pelton raskt ble utslitt om det var sand i vannet som drev dem. Han fant ut at denne erosjonen (abrasjon) kunne skyldes turbulens i bøttene når vannstrålen treffer dem og følger konturen i dem. I 1899 tok han ut tre patenter som forbedret peltonturbinen til den formen det har i dag. Forbedringen gikk ut på å lage skovlene, eller skålene som en sier på norsk, med ellipseformede halvdeler med en kvass egg i midten. For at ikke skålen rett foran den som får vannstrålen i senter skal kutte av strålen, ga han fronten på skålene en utsparing. Med denne forbedringen treffer vannstrålen eggen, splittes i to perfekt symmetriske halvdeler og følger konturen på innsiden i en nesten 180° vinkel med minimal turbulens.
The Abner Doble Company ble en arg konkurrent til Pelton. Pelton døde i 1908 og i 1912 ble The Abner Doble Company og Peltons firma slått sammen. Firmaet behold navnet The Pelton Water Wheel Company, og fikk William Dobel som sjefingeniør. Dobel gjorde mange forbedringer og konsentrerte seg mye om å optimalisere dysen som lager vannstrålen.

Død, ettermæle og utmerkelser

Pelton døde i California den 14. mars 1908 i en alder av 78. Han ble begravet på familiegravstedet i Vermilion, Ohio. Hans peltonturbin er fortsatt i bruk i dag til å produsere vannkraft rundt omkring i verden. Pelton huskes som oppfinneren, selv om det var Dobel som ga turbinen dens form som fortsatt brukes. Senere oppfinnelser som Turgo turbinen, først patentert i 1919, og Banki turbinen ble inspirert av peltonturbinen. 
Peltonturbinen brukes 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. I dette kraftverket er det installert tre peltonturbiner som er verdens største med en ytelse på 423 MW hver.
I 1895 besluttet The Franklin Institute i Philadelphia USA å tildele Lester Pelton deres Elliott Cresson-medaljen for sin oppfinnelsen. Pelton ble tatt inn i National Inventors Hall of Fame i 2006.