Турбина Пелтона

Колесо турбины Pelton на электростанции Kartell в Санкт-Антон-ам-Арльберг

Сборка турбины Пелтона на электростанции Вальхензее

Чертеж в разрезе (вид сверху) современной турбины Пелтона с вертикальной осью и 6 соплами. Voith Siemens, KrW в Лиме, Перу.

Набросок из описания патента Пелтона (1880 г.)

Износ выброшенного колеса Pelton с электростанции Bâtiaz в Мартиньи

Изготовление колеса Пелтона в 1967 году: в цехе отжига

Колесо с навинченными лопастями. Электростанция Vernayaz SBB , около 1944

Турбина Pelton является свободной струя турбины ( «частично под давлением постоянного давления турбины ») для гидроэлектростанций . Он был разработан в 1879 году американским инженером Лестером Пелтоном и запатентован в 1880 году.

Турбина Пелтона использует кинетическую энергию воды. Эта форма энергии создается путем преобразования потенциальной энергии воды, которая поступает из более высокого водоема, например B. резервуар, который течет к машине. Турбины Пелтона в основном используются на гидроэлектростанциях с высоким допустимым градиентом, но с более низким расходом ( электростанции высокого давления ).

история

Лестер Пелтон построил свою турбину на принципе реакции, вновь открытом немецким врачом и физиком Иоганном Андреасом фон Сегнером , который построил на его основе первое реактивное водяное колесо в 1750 году . До этого принцип свободноструйной турбины реализовывался в деревянных водяных мельницах с горизонтальным колесом , но с низким КПД.

Турбина Пелтона модифицировала турбину, разработанную Сэмюэлем Найтом, и достигла более высокого КПД по сравнению с этой турбиной. Это привело к тому, что турбина Пелтона стала отраслевым стандартом.

функциональность

Принцип работы

В турбине Пелтона верхняя вода течет струей с очень высокой скоростью от одного или нескольких сопел, расположенных по касательной к окружности рабочего колеса, на лопасти рабочего колеса. Каждое из до 40 лезвий разделено острой кромкой, так называемой центральной режущей кромкой , на два примерно полусферических полусферических лезвия , так называемые чашки. Струя воды из форсунок попадает по касательной в центр режущей кромки. Функция чашек состоит в том, чтобы отводить воду в противоположном направлении, чтобы кинетическая энергия могла передаваться на крыльчатку в соответствии с принципом действия и противодействия . Это было нововведением Пелтона.

Окружная скорость лопаточного круга должна составлять ровно половину скорости водяной струи. Поскольку вода в лопастях отклоняется почти на 180 градусов, она отдает почти всю свою энергию лопастям (если смотреть без трения). Диаметр турбины зависит от скорости генератора и имеющегося давления воды или скорости водяной струи.

Обустройство в электростанции

Турбина Пелтона установлена в здании электростанции таким образом, чтобы нижний край крыльчатки был определенно выше наивысшего подводного уровня , чтобы предотвратить погружение вращающегося колеса. Открытый снизу корпус установлен над шахтой, через которую использованная движущая вода без давления попадает под воду. Корпус и дренажная шахта вентилируются окружающим воздухом. Всасывающий трубопровод из турбины в подводном, как обычно , с реакционными турбинами, не может быть использован с турбиной Pelton; поэтому разница в высоте между выпускным отверстием форсунки и подводным уровнем не может быть использована.

Насадки

В сопле статическое давление верхнего течения преобразуется в скорость струи. Игла сопла, регулирующее тело в форме капли с обтекаемым потоком, предусмотрена в качестве исполнительного механизма в каждом сопле, который может перемещаться в продольном направлении с помощью регулирующего стержня для регулирования поперечного сечения потока. Посредством регулировки иглы форсунки регулируется регулятор турбины , частота вращения турбины регулируется, так как она служит запорным устройством для запуска или остановки турбины.

Чтобы уменьшить скачок давления в напорном затворе в случае аварийного останова (незамедлительно необходимого останова турбины, чтобы предотвратить ее разрушение из-за превышения скорости, обычно вызванного сбросом нагрузки ) , используются струйные дефлекторы («дефлекторы»). обычно устанавливается. Это поворотные ударные поверхности перед устьями форсунок, которые в случае быстрого отключения немедленно отводят струю (-и) воды от лопастей рабочего колеса в корпус, чтобы предотвратить выходную мощность. Только после этого иглы форсунок и задвижки или шаровые краны напорного трубопровода медленно закрываются.

Количество форсунок зависит от производительности, при этом одна форсунка может обрабатывать максимум около 10 м³ / с. Если абсорбционная способность должна быть выше, количество форсунок должно быть увеличено, но при горизонтальном положении вала технически целесообразно использовать только две форсунки, потому что при большем количестве форсунок рабочая вода, которая уже используется в качестве спрея, падает обратно на крыльчатку и снова замедляет ее, так как это могут мешать струи. Если требуется еще более высокая пропускная способность, другое рабочее колесо устанавливается на том же валу, но обычно в отдельном корпусе, или строится турбина с вертикальным валом. В этом случае обычно используются четыре сопла, но уже поставлены турбины Пелтона с шестью соплами (Escher Wyss, Равенсбург).

Принцип равного давления

В напорной линии на входе в форсунку - в зависимости от высоты падения - высокое давление (до 200 бар ), между выходом из форсунки и ударом по лопасти в самой форсунке нормальное атмосферное давление. Следовательно, классификация турбины постоянного давления заключается в том, что вода имеет одинаковое (окружающее) давление перед выходом мощности на турбинное колесо и после него. Турбина Пелтона называется частично нагнетаемой, потому что только некоторые ковши находятся под давлением струи одновременно, в то время как, например, в турбинах Каплана и Фрэнсиса с полным давлением вся окружность рабочих колес проходит через верхнюю воду.

Рабочее колесо и лопасти

Лопасти со стороны рабочего колеса, которые не вносят вклад в выработку энергии во время вращения, перемещаются через воздух или брызги. Эта среда имеет значительно меньшую плотность, поэтому вентиляционные потери турбины Пелтона остаются сравнительно низкими. Поскольку каждое лезвие лишь на короткое время передает усилие на колесо, когда оно проходит через сопло (сопла), а затем снова остается бессильным, а также подвергается воздействию сильных центробежных сил, риск усталостного разрушения очень высок из-за переменного напряжения в корневой области Чашка , размер которой должен быть соответственно подобран, становится.

Существуют различные производственные процессы, отвечающие высоким требованиям:

Первоначально литые лопасти крепились к колесу по отдельности.
В качестве одной детали кованые, а затем фрезерованные рабочие колеса представляют собой качественно лучшее, но при этом довольно дорогое решение.
Колесо можно отливать цельным, есть риск невыявленных дефектов литья, которые в дальнейшем могут привести к поломке колеса или большой части силовой установки.
Вариант кованого корневого колеса с приваренными чашками.
Запатентованный процесс MicroGuss ™, при котором отдельные чашки наращиваются на кованном корневом колесе в процессе наплавки.

Центральная режущая кромка почти острая как бритва при первом использовании. Чашки были бы разрушены силами воды, которые возникают, если бы центральная режущая кромка не использовалась для разделения и направления струи. На высоте падения 1000 метров водомет может развивать скорость почти 500 км / ч. Наибольшая реализованная скорость удара составляет примерно 185 м / с (666 км / ч); При таком значении становится понятно, что центральная режущая кромка незаменима в каждой лопате. Также существует возможность защиты чашек от чрезмерного эрозионного износа , особенно от инородных тел в воде в виде мелких камней или отложений , путем нанесения защитного слоя с использованием процесса HVOF .

Чтобы струя ударила по лезвию в любой момент, геометрически колеса требуют не менее 14 лопастей (пар чашек). На практике колеса Pelton имеют от 20 до 40 лопастей. Струя обычно перемещает две лопасти за раз.

Габаритные размеры

Турбина Pelton перерабатывает от нескольких литров в зоне электростанции пико до примерно 80 м3 воды в секунду , в зависимости от ее конструкции и напора . Имеет относительно высокую скорость; небольшие системы могут достигать 3000 оборотов в минуту. Двухполюсный генератор достигает линейной частоты 50 Гц при 3000 об / мин , в других местах 3600 об / мин обычно для 60 Гц. КПД турбины ( в том числе сопла) составляет 85-90%, хотя это , как правило , остается на высоком уровне даже тогда , когда турбина работает только при частичной нагрузке.

Один из самых больших реализованных напоров составляет 1773 м, который используется электростанцией Кольбниц группы электростанций Райсек-Кройцек в Каринтии . Турбина построено с помощью Voith из Хайденхайма имеет пропускную способность 6 м³ / с. В 2000 году его превзошел завод Bieudron в Вале. Здесь установлены три пятиструйных турбины Пелтона, каждая мощностью 423 МВт при рекордном напоре 1883 м. Старая электростанция Chandoline также получала напор воды из того же резервуара, Lac des Dix , который с пятью турбинами Pelton и напором 1748 м также был одной из рекордных систем. Этот завод был остановлен в 2013 году, а турбины демонтированы в 2015 году. Зильц электростанция в долине Инн состоит из двух наборов машины с вертикальной осью, каждый из которых имеет шесть-реактивную ковшовую свободные струйную турбину и генератор полностью водяное охлаждение. Во время работы водяные струи выходят из шести форсунок со скоростью около 500 км / ч. В идеале центры чашек имеют половину этой окружной скорости, так что относительная скорость струи воды по направлению к чашке также составляет 250 км / ч. Отклонение каждой струи в лопатках вызывает силу 17,5 МН за раз из-за изменения количества движения, которое действует на лопатки турбины и создает крутящий момент на валу машины. Эта сила примерно соответствует массе 1800 тонн. Высота падения здесь составляет 1258 м, что дает гидростатическое давление около 125,8 бар.

Производительность и эффективность

Скорость воды с плотностью (чаще всего 1000 кг / м³) может быть получена из закона сохранения энергии. ${\ displaystyle \ rho}$

Полезный уровень воды (например, в конце напорного туннеля) без потерь преобразуется в скорость c воды, выходящей из сопел турбины (g = ускорение свободного падения = 9,81 м / с²):

{\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ cdot \ rho \ cdot c ^ {2} = \ rho \ cdot g \ cdot h \ quad \ Rightarrow \ quad c = {\ sqrt {2 \ cdot g \ cdot h}}}

Сервис из водопровода

Производительность системы водоснабжения рассчитывается как произведение давления воды на объемный расход (в м³ / с) с учетом площади поперечного сечения отверстия форсунки A (в м²) и приведенного выше уравнения для максимально возможная скорость относительно воды c: ${\ displaystyle {\ dot {V}}}$

{\ Displaystyle P _ {\ текст {Резервуар}} = \ rho \ cdot g \ cdot h \ cdot {\ dot {V}} = \ rho \ cdot g \ cdot h \ cdot A \ cdot c = {\ sqrt { 2}} \ cdot A \ cdot \ rho \ cdot (g \ cdot h) ^ {\ frac {3} {2}}}

Мощность турбины Пелтона

Турбина Pelton работает в соответствии с принципом (двойной) импульсной передачи (сохранения импульса в полностью упругом столкновении), то импульс силы через массовый поток со скоростью , то есть . : . ${\ displaystyle {\ dot {m}}}$ ${\ displaystyle c}$ ${\ displaystyle {\ text {Impulse}} = {\ dot {m}} \ cdot c = \ rho \ cdot A \ cdot c ^ {2}}$

Однако при ударе по соответствующей лопасти выходная скорость не может действовать, поскольку лопасть на оси перемещается от сопла и, таким образом, от водяной струи за счет вращения с указанной скоростью . Только скорость (cv), чтобы он мог работать для импульса : ${\ displaystyle c}$ ${\ displaystyle v = r \ cdot \ omega}$ ${\ Displaystyle {\ точка {м}} \ cdot (cv) = \ rho \ cdot A \ cdot (c ^ {2} -v \ cdot c)}$

Из сопла или n сопел с общим поперечным сечением A массовый поток обрушивается на лопасти со скоростью c. Импульс был бы идеально эффективным, если бы рабочее колесо Пелтона всегда ударялось точно перпендикулярно эффективному радиусу r. Однако этого не может быть, поскольку лезвия затеняют друг друга. Таким образом, импульс в его эффективности на коэффициент снижается: . ${\ displaystyle {\ dot {m}}}$ ${\ displaystyle F_ {1} <1}$ ${\ Displaystyle F_ {1} \ cdot \ rho \ cdot A \ cdot c \ cdot (cv) = {\ text {Impulse}} _ {1}}$
Лопата Пелтона имеет такую форму, что струя воды разделяется посередине и отбрасывается обратно в форсунку через вогнутую изогнутую лопату, если возможно, на 180 °, чтобы максимально приблизиться к состоянию идеального упругий удар с передачей энергии без потерь. К сожалению, это не может быть полностью успешным, потому что необходимо соблюдать граничные условия:
- Соседняя лопата мешает. Однако нельзя допускать попадания в эту лопату отраженной струи воды, так сказать, сзади. Вот почему у лопаты угол раскрытия> 180 °, поэтому вода отбрасывается назад и слегка отклоняется в сторону.
- В случае полного отклонения на 180 ° сопло также будет поражено. Это подействует на самолет и снизит его скорость.
- Кроме того, необходимо учитывать потери от разбрызгивания: отбрасываемая вода втирается в водяной туман, что увеличивает среднюю плотность воздуха, заключенного в корпусе, и, таким образом, увеличивает трение в корпусе.
- На обратном пути, конечно, может работать только то, что может быть энергетически эффективным при ударе лопаты, следовательно, 2-й импульс, отдача, может иметь силу только 1-го импульса, с учетом дополнительного, только что описанного, потери:

{\ displaystyle F_ {2} \ cdot {\ text {Impulse}} _ {1} = F_ {1} \ cdot F_ {2} \ cdot {\ dot {m}} \ cdot (cv) = {\ text { Повышение мощности}} _ {2}}

.

Итак, уравнение силы, действующей на турбину, выглядит следующим образом:

{\ displaystyle {\ text {Force}} = F = {\ text {Impulse}} _ {1} + {\ text {Impulse}} _ {2} = \ rho \ cdot A \ cdot c \ cdot (cv) \ cdot (F_ {1} + F_ {1} \ cdot F_ {2})}

Тогда уравнение для крутящего момента, действующего на турбину, выглядит следующим образом:

{\ displaystyle {\ text {Torque}} = M = F \ cdot r = r \ cdot ({\ text {Impulse}} _ {1} + {\ text {Impulse}} _ {2}) = r \ cdot \ rho \ cdot A \ cdot c \ cdot (cv) \ cdot (F_ {1} + F_ {1} \ cdot F_ {2})}

Уравнение мощности турбины со скоростью тогда: ${\ displaystyle \ omega}$

{\ displaystyle {\ text {power}} = F \ cdot v = M \ cdot \ omega = v \ cdot ({\ text {power boost}} _ {1} + {\ text {power boost}} _ {2 }) = v \ cdot \ rho \ cdot A \ cdot c \ cdot (cv) \ cdot (F_ {1} + F_ {1} \ cdot F_ {2})}

Производительность турбины Пелтона оптимальна, когда она работает на оптимальной скорости или оптимальной эффективной скорости на радиусе . Это тот случай, если первая производная согласно уравнению мощности устанавливается равной нулю и решается для: ${\ displaystyle r}$ ${\ displaystyle v}$ ${\ displaystyle v}$

{\ displaystyle v _ {\ text {оптимальный}} = {\ frac {c} {2}}}

Включение оптимальной скорости в уравнение мощности дает:

{\ displaystyle {\ frac {A \ cdot \ rho \ cdot (g \ cdot h) ^ {3/2} \ cdot F_ {1} \ cdot (1 + F_ {2})} {\ sqrt {2}} }}

Для идеальной турбины Пелтона приведенное выше уравнение принимает вид: ${\ Displaystyle F_ {1} = 1 {\ text {и}} F_ {2} = 1}$

{\ displaystyle {\ frac {A \ cdot \ rho \ cdot (g \ cdot h) ^ {3/2} \ cdot 2} {\ sqrt {2}}} = {\ sqrt {2}} \ cdot A \ cdot \ rho \ cdot (g \ cdot h) ^ {3/2}}

КПД турбины Пелтона

КПД настоящей турбины Пелтона

КПД 90 процентов.
Теперь для турбины Пелтона можно составить следующее уравнение эффективности:

{\ displaystyle \ eta _ {\ text {турбина Пелтона}} = {\ frac {\ text {Мощность турбины Пелтона}} {\ text {Энергия от водопровода}}} = {\ frac {\ frac {A \ cdot \ rho \ cdot (g \ cdot h) ^ {3/2} \ cdot F_ {1} \ cdot (1 + F_ {2})} {\ sqrt {2}}} {{\ sqrt {2} } \ cdot A \ cdot \ rho \ cdot (g \ cdot h) ^ {\ frac {3} {2}}}} = {\ frac {F_ {1} \ cdot (1 + F_ {2})} { 2}}}

Эффективность зависит только от факторов , то есть от того, насколько удачно выбрана геометрия и насколько с низким коэффициентом трения вода может течь по лопате и уноситься прочь. ${\ Displaystyle F_ {1} {\ text {и}} F_ {2}}$

КПД идеальной турбины Пелтона

Если установлены два коэффициента и , вы сразу увидите, что эффективность принимает значение 1, то есть подача воды теоретически может быть полностью преобразована в кинетическую энергию. Причиной этого является упругий обмен импульсом от отражения воды вогнутыми лопастями, который может осуществляться без потери энергии. В этом смысле турбина Пелтона ${\ displaystyle F_ {1} = 1}$ ${\ displaystyle F_ {2} = 1}$

не следует рассматривать как тепловой двигатель, который может работать только с ограниченным максимальным КПД - КПД Карно ,
но классифицироваться как редуктор, который в случае отсутствия трения может преобразовывать механическую мощность (мощность из потенциальной энергии резервуара в энергию вращения для генератора) без потерь.

Области применения

Приточные трубопроводы в турбину Пелтона с присоединенным регулирующим приводом . Вы можете видеть линию притока к корпусу турбины слева и сверху. Пружины в приводе хотят закрыть головку клапана, и гидравлический цилиндр нажимает на нее, чтобы открыть клапан. При отказе управляющей энергии клапан закрывается безотказно; в рычажном механизме привода (сверху на картинке по диагонали в нижний левый) находится гидроцилиндр (внизу слева посередине картинки) с двумя гидравлическими линиями (черные); Если вы наведете указатель мыши на изображение, вы получите объяснение компонентов с соответствующей ссылкой в Википедии.

Гидроэлектростанция

Благодаря своим характеристикам, он в основном используется на гидроэлектростанциях с очень высоким напором (до 2000 м) со сравнительно небольшим количеством воды, особенно на гидроаккумулирующих электростанциях в высокогорье.

Основным недостатком является то, что турбина Пелтона подвержена износу на своих лопастях. Высокая скорость воды и быстрое отклонение на 180 ° приводят к центробежному и турбулентному измельчению наносных частиц, таких как песок, на поверхность лопаты, которая в результате изнашивается.

Кроме того, в отличие от турбины Фрэнсиса, турбина Пелтона не может использоваться в качестве насоса для гидроаккумулирующего оборудования.

измерительная техника

При измерении расхода принцип преобразователя, основанный на турбине Пелтона, используется в качестве высокоточного расходомера , благодаря чему измеряются не только малые объемные потоки таких сред, как топливо, дистиллированная вода или горячие жиры, но также и высокие скорости потока, такие как те, которые обычно встречаются на электростанциях. Благодаря предельным температурам 135 ° C и номинальному давлению до 345 бар эти колесные энкодеры Pelton удовлетворяют практически всем промышленным требованиям.

геральдика

Колесо Пелтона нашло свое отражение в некоторых из недавних муниципальных гербов , в том числе:

На изображенных здесь гербах показаны осевые виды турбинных колес с положениями 16, 12 (стилизовано под мельничное колесо со спицами), 18 (но только правая половина колеса) и 10 положений чашки. Это упрощает чертежи, обеспечивая лучшую читаемость по сравнению с количеством 20-40 пар чашек, обычно используемых в машиностроении. На всех графиках показана кривизна лопастей, ориентированных таким образом, что противоположные из них образуют букву «S» и, таким образом, функционально позволяют колесу вращаться против часовой стрелки .

Смотри тоже

веб ссылки

Commons : Pelton Turbines - Коллекция изображений, видео и аудио файлов

Основная иллюстрированная информация о турбинах Пелтона ( памятная записка от 2 октября 2008 г. в Интернет-архиве )
Примерная система турбины Пелтона от FH Friedberg, Департамент машиностроения ( памятная записка от 28 сентября 2007 г. в Интернет-архиве )
Турбина Пелтон - Solidworks

Индивидуальные доказательства

↑ ^б патент US233692 : вода-колесо. Зарегистрировано 3 июля 1880 года , опубликовано 26 октября 1880 года , изобретатель: Лестер А. Пелтон. ‌
↑ Информация о KW Bâtiaz с резервуаром Emosson компании électricité Emosson SA в Мартиньи
↑ Pelton turbine на сайте energie.ch , по состоянию на 14 января 2015 г.
↑ https://www.andritz.com/hydro-en/hydronews/hn-europe/high-head-turbines/video-turbine-pelton
↑ Клаус Менни: Турбо-машины . Б. Г. Тойбнер, Штутгарт 1985, ISBN 3-519-06317-4 .
↑ http://www.hfm.tugraz.at/de/studium-weiterbildung/begriffserklaerungen/pelton-turbine.html Турбина Пелтона, HFM - Институт турбомашин, Технологический университет Граца, доступ 20 января 2015 г.
↑ http://www.academia.edu/14564615/Zur_Physik_der_Peltonturbine О физике турбины Пелтона, по состоянию на 10 сентября 2017 г.
↑ Типы гидравлических проточных машин и их составные части. (PDF) Проверено 5 декабря 2018 .
↑ Grande Dixence SA: Bieudron электростанция ( Memento из в оригинале с 24 сентября 2015 года в Internet Archive ) Info: @ 1@ 2 архив ссылка была вставлена автоматически и еще не была проверена. Проверьте исходную и архивную ссылку в соответствии с инструкциями, а затем удалите это уведомление. , по состоянию на 25 июля 2011 г.
↑ GO Dixence . В кн . : Гидроскоп . 24 июня 2015 г., стр. 13 ( issueu.com ).
↑ FAZ Technik und Motor 14.9.2011 «Как получить больше электроэнергии из воды» [1]

[USPAT233692-1] б патент US233692 : вода-колесо. Зарегистрировано 3 июля 1880 года , опубликовано 26 октября 1880 года , изобретатель: Лестер А. Пелтон. ‌

[2] Информация о KW Bâtiaz с резервуаром Emosson компании électricité Emosson SA в Мартиньи

[3] Pelton turbine на сайте energie.ch , по состоянию на 14 января 2015 г.

[4] ttps://www.andritz.com/hydro-en/hydronews/hn-europe/high-head-turbines/video-turbine-pelton

[5] Клаус Менни: Турбо-машины . Б. Г. Тойбнер, Штутгарт 1985, ISBN 3-519-06317-4 .

[6] ttp://www.hfm.tugraz.at/de/studium-weiterbildung/begriffserklaerungen/pelton-turbine.html Турбина Пелтона, HFM - Институт турбомашин, Технологический университет Граца, доступ 20 января 2015 г.

[7] ttp://www.academia.edu/14564615/Zur_Physik_der_Peltonturbine О физике турбины Пелтона, по состоянию на 10 сентября 2017 г.

[8] Типы гидравлических проточных машин и их составные части. (PDF) Проверено 5 декабря 2018 .

[9] Grande Dixence SA: Bieudron электростанция ( Memento из в оригинале с 24 сентября 2015 года в Internet Archive ) Info: @ 1@ 2 архив ссылка была вставлена автоматически и еще не была проверена. Проверьте исходную и архивную ссылку в соответствии с инструкциями, а затем удалите это уведомление. , по состоянию на 25 июля 2011 г.

[10] GO Dixence . В кн . : Гидроскоп . 24 июня 2015 г., стр. 13 ( issueu.com ).

[11] FAZ Technik und Motor 14.9.2011 «Как получить больше электроэнергии из воды» [1]

Languages