Колесная турбина Пелтона, названная в честь ее изобретателя Лестера Аллана Пелтона, является широко используемой гидравлической турбиной, которая использует энергию высокоскоростных водяных струй для выработки механической энергии. Эта инновационная турбина специально разработана для применения с высоким напором и низким расходом, что делает ее идеальной для горных районов с богатыми водными ресурсами. Отличительной конструкцией колеса Pelton является набор ложкообразных ковшей, расположенных по периметру турбины, на которые направляется высокоскоростная вода. Когда вода ударяется о ковши, она передает свою кинетическую энергию турбине, заставляя ее вращаться. Это вращение приводит в движение соединенный вал, который может использоваться для выработки электроэнергии или выполнения других механических задач.
Колесная турбина Пелтона — это гидроэлектрическое устройство, которое преобразует кинетическую энергию воды в механическую энергию. В ней используются высокоскоростные струи воды, ударяющиеся о лопасти в форме ложки на колесе, генерируя энергию вращения. Эта эффективная турбина обычно используется в системах с высоким напором, внося значительный вклад в производство чистой и возобновляемой энергии.
Колесная турбина Пелтона?
Колесная турбина Пелтона — это импульсная турбина, предназначенная для использования энергии воды в системах с высоким напором для выработки электроэнергии. В этой турбине высокоскоростная струя воды выходит из сопла и попадает в открытый воздух, впоследствии воздействуя на специально разработанные ковши или лопасти. Эта передача кинетической энергии приводит турбину во вращение, генерируя механическую энергию, которая может быть преобразована в электричество. Способность колесной турбины Пелтона эффективно улавливать энергию быстро движущихся водяных струй делает ее ценным выбором для гидроэлектростанций.
Компоненты колесной турбины Пелтона
Колесная турбина Пелтона состоит из следующих конструкций или частей:
Корпус
Кожух колеса Pelton предотвращает разбрызгивание воды и облегчает слив воды из сопла в выхлопную трубу. В отличие от реактивных турбин, кожух, окружающий колесо, не выполняет гидравлических функций.
Копье
Игольчатый наконечник регулирует поток воды внутри форсунки, обеспечивая плавный поток и минимальные потери энергии. Перемещая наконечник вперед и полностью закрывая сопло, можно свести к нулю количество воды, попадающей на направляющую, в то время как направляющая по инерции продолжает вращаться в течение определенного времени.
Разрывное сопло
Для кратковременной остановки рабочего колеса предусмотрена разрывная насадка, которая направляет воду в ковши. Этот механизм известен как разрывная струя.
Рабочее колесо или ротор
Рабочее колесо или ротор колеса Пелтона вращается и обладает кинетической энергией, благодаря равномерно расположенным по его периферии полусферическим или двойным эллипсоидальным лопастям. Вся потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию до того, как струя воды ударит по лопастям ротора.
Ручка
Запорный кран содержит каналы или трубопроводы, которые передают воду из источника с высоким напором на саму электростанцию, снабжая колесную турбину Пелтона водой для выработки электроэнергии.
Работа колесной турбины
Колесная турбина работает по принципу преобразования гидравлической энергии в кинетическую. Вода поступает из накопительного резервуара через напорный патрубок на вход турбины, где гидравлическая энергия воды в первую очередь преобразуется в кинетическую энергию. Затем вода выпускается из сопла в виде высокоскоростной струи, которая на короткое время ударяется о лопасти турбины. Из-за короткой продолжительности воздействия высокой силы эти турбины классифицируются как импульсные турбины. Лопасти, известные как ковши, изменяют направление потока струи воды, облегчая передачу импульса. Все эти процессы происходят на открытом воздухе при атмосферном давлении. Форсунка играет решающую роль в преобразовании имеющегося напора воды в динамический напор, в результате чего из форсунки выходит струя воды.
Конструктивные аспекты турбины Пелтона
При проектировании колесной турбины Пелтона необходимо учитывать следующие соображения:
Скорость струи: Скорость струи на входе определяется суммарным напором турбины, коэффициентом эффективности скорости (Cv) и определяется уравнением Скорости струи.
\(\начать {уравнение}
V_1=C_v \ sqrt {2 г / ч}
\конец {уравнение} \)
Скорость вращения колеса: скорость вращения колеса (u) рассчитывается с использованием коэффициента скорости и определяется уравнением скорости вращения колеса.
\(\начать {уравнение}
u = \phi \ sqrt {2 г / ч}
\конец {уравнение} \)
Угол отклонения струи: Угол отклонения струи после удара о ковши обычно принимается равным 165 градусам, если не указано иное.
Средний диаметр колеса: средний диаметр или диаметр шага (D) турбины Пелтона вычисляется с использованием уравнения Средний диаметр колеса.
\(\начать {уравнение}
u= \frac{\pi D N} {60}
\конец {уравнение} \)
Передаточное число струи: Передаточное число струи (m) — это отношение диаметра шага (D) турбины к диаметру струи (d). Обычно она находится в диапазоне от 11 до 16 для обеспечения максимальной гидравлической эффективности и обычно принимается равной 12.
m = D / d
Размеры ковша: Размеры ковша рассчитаны таким образом, чтобы ширина в 3-4 раза превышала диаметр струи, длина в 2-3 раза превышала диаметр струи, а толщина в 0,8-1,2 раза превышала диаметр струи.
Количество форсунок: Количество форсунок получается путем деления общего расхода через турбину на расход воды через одну струю. Как правило, в случае вертикального рабочего колеса имеется два сопла, а в случае горизонтального — шесть.
Количество ковшей: Количество лопастей (z) на рабочем колесе определяется с использованием уравнения для количества лопастей с учетом диаметра шага, диаметра струи и коэффициента струи.
Z = 15 + D / 2d
Типы головок колесных турбин Пелтона
В колесной турбине Пелтона имеется два типа напоров:
- Полный напор и
- Эффективный напор
Полный напор
Общий напор, обозначаемый Hg, представляет собой разницу высот между уровнем воды в резервуаре и уровнем воды в выпускном патрубке.
Чистый или Эффективный напор
Чистый или эффективный напор, обозначаемый буквой H, относится к фактическому напору, имеющемуся на входе в турбину. Она рассчитывается как разница между общим напором (Hg) и суммой потерь из-за трения (Hf) и других потерь (h).
Различные типы КПД
В турбине существует четыре различных типа КПД:
Гидравлический КПД
Гидравлический КПД — это отношение мощности, развиваемой рабочим колесом, к мощности, подаваемой струей на входе в турбину. Математически он выражается как:
Гидравлический КПД = (Мощность, вырабатываемая рабочим колесом) / (Мощность, подаваемая на вход турбины).
Механическая эффективность
Механическая эффективность — это отношение мощности, получаемой от вала турбины, к мощности, развиваемой рабочим колесом. Эти две мощности различаются из-за механических потерь, таких как трение в подшипниках и т.д.
Объемный КПД
Объемный КПД — это отношение объема воды, фактически попадающей на рабочий стол, к объему воды, подаваемой струей в турбину.
Общая эффективность
Общий КПД — это отношение мощности, имеющейся на валу турбины, к мощности, подаваемой струей воды. Для определения общей производительности турбины учитывается как гидравлический, так и механический КПД.
Преимущества
К многочисленным преимуществам турбины Pelton относятся:
- Простая конструкция: Турбина Pelton отличается простой конструкцией, что упрощает ее изготовление и эксплуатацию.
- Минимальный износ: Чистая вода, используемая при высоком напоре, не вызывает быстрого износа, обеспечивая долговечность и надежность.
- Простой капитальный ремонт и проверка: Задачи технического обслуживания и проверки сравнительно проще выполнять по сравнению с другими типами турбин.
- Низкий риск возникновения кавитации: Турбина Pelton менее подвержена кавитации, что снижает вероятность повреждения компонентов турбины.
- Отсутствие эффекта гидравлического удара: Турбина работает без эффекта гидравлического удара, обеспечивая более плавную и тихую работу.
- Высокая общая эффективность: Турбина Pelton обладает высокой общей эффективностью, превосходя многие другие типы турбин с точки зрения преобразования энергии.
- Не требуется вытяжная труба: В отличие от некоторых других турбин, турбина Pelton не требует вытяжной трубы, что упрощает установку и конструкцию турбины.
- Подходит для низких скоростей потока: она может эффективно работать при относительно низких скоростях потока (нагнетания), что делает ее пригодной для различных условий эксплуатации на воде.
Недостатки
К недостаткам колесной турбины Пелтона относятся:
- Ограниченное регулирование рабочего напора: Регулирование изменения рабочего напора в турбинах Pelton является сложной задачей, особенно учитывая, что они работают при высоких напорах.
- Ограниченный диапазон напора: соотношение между максимальным и минимальным рабочими напорами может быть относительно небольшим, что ограничивает адаптивность турбины к различным водным условиям.
- Проблемы с использованием рабочего напора: При значительном изменении уровня попутной воды по сравнению с общим напором эффективное использование рабочего напора становится затруднительным.
- Снижение механической эффективности: Механическая эффективность колеса Пелтона снижается быстрее по сравнению с турбиной Фрэнсиса, что потенциально влияет на общую производительность.
- Требования к большим размерам: для турбин Pelton могут потребоваться более крупные рабочие колеса, генераторы и энергетические установки, что делает их менее экономичными по сравнению с использованием турбины Фрэнсиса для выработки той же электроэнергии.
Применение
Вот некоторые заслуживающие внимания области применения колесной турбины Пелтона:
- Гидроэлектростанции: Колесная турбина Пелтона находит свое основное применение на гидроэлектростанциях, где требуется высокий напор и относительно низкий расход воды.
- Высокоскоростное генерирование жидкости: используется для достижения высокой скорости жидкости при максимальной мощности и эффективности. Конструкция гарантирует, что скорость струи воды в два раза превышает скорость вращающихся ковшей, оптимизируя преобразование энергии.
- Выработка электроэнергии: Колесная турбина Пелтона обычно используется для привода генераторов, прикрепленных к валу турбины, преобразуя механическую энергию турбины в электрическую энергию для выработки электроэнергии.