Колесо Пелтона

Колесо Пелтона или турбина Пелтона — это импульсного типа водяная турбина , изобретенная американским изобретателем Лестером Алланом Пелтоном в 1870-х годах. ^[1]^[2] Колесо Пелтона извлекает энергию из импульса движущейся воды, в отличие от собственного веса воды, как в традиционном водяном колесе с овершотом . Существовало множество более ранних вариантов импульсных турбин, но они были менее эффективны, чем конструкция Пелтона. Вода, выходящая из этих колес, обычно имела высокую скорость, унося большую часть динамической энергии, передаваемой на колеса. Геометрия лопастей Пелтона была спроектирована таким образом, что, когда обод двигался со скоростью, равной половине скорости струи воды, вода покидала колесо с очень небольшой скоростью; таким образом, его конструкция извлекала почти всю импульсную энергию воды, что делало турбину очень эффективной.

История

Лестер Аллан Пелтон родился в Вермиллионе, штат Огайо, в 1829 году. В 1850 году он путешествовал по суше, чтобы принять участие в Калифорнийской золотой лихорадке . Пелтон работал, продавая рыбу, которую он поймал в реке Сакраменто . ^[3] В 1860 году он переехал в Кэмптонвилл , центр добычи россыпей . В то время многие горнодобывающие предприятия приводились в движение паровыми двигателями , которые потребляли огромное количество древесины в качестве топлива. Некоторые водяные колеса использовались в крупных реках, но они были неэффективны в небольших ручьях, протекавших возле шахт. Пелтон работал над конструкцией водяного колеса, которое могло бы работать с относительно небольшим потоком в этих ручьях. ^[4]

К середине 1870-х годов Пелтон разработал деревянный прототип своего нового колеса. В 1876 году он обратился к литейному заводу Miners Foundry в Невада-Сити, штат Калифорния, с просьбой изготовить первые коммерческие модели из железа. Первое колесо Пелтона было установлено на шахте Мэйфлауэр в Невада-Сити в 1878 году. ^[4] Преимущества изобретения Пелтона в эффективности были быстро признаны, и его продукт вскоре стал пользоваться большим спросом. Он запатентовал свое изобретение 26 октября 1880 года. ^[5] К середине 1880-х годов Miners Foundry не смогла удовлетворить спрос, и в 1888 году Пелтон продал права на свое имя и патенты на свое изобретение компании Pelton Water Wheel Company в Сан-Франциско. Компания основала завод по адресу 121/123 Main Street в Сан-Франциско . ^[6]

Компания Pelton Water Wheel Company произвела большое количество колес Pelton Wheels в Сан-Франциско, которые были отправлены по всему миру. В 1892 году компания открыла филиал на восточном побережье по адресу 143 Liberty Street в Нью-Йорке . К 1900 году использовалось более 11 000 турбин. В 1914 году компания перенесла производство в новое, более просторное помещение на улице Алабама, 612 в Сан-Франциско. В 1956 году компания была приобретена компанией Baldwin-Lima-Hamilton Company , которая прекратила производство Pelton Wheels. ^[6]

В Новой Зеландии компания A&G Price в Темзе, Новая Зеландия, производила водяные колеса Pelton для местного рынка. Один из них выставлен на открытом воздухе в Thames Goldmine Experience.

Дизайн

Форсунки направляют мощные высокоскоростные потоки воды на ряд ведер в форме ложек, также известных как импульсные лопасти, которые установлены вокруг внешнего обода ведущего колеса (также называемого бегунком ) . Когда струя воды ударяется о лопасти, направление скорости воды меняется, повторяя контуры лопастей. Импульсная энергия струи воды оказывает крутящий момент на систему ковша и колеса, вращая колесо; струя воды делает «разворот» и выходит с внешних сторон ведра, замедляясь до низкой скорости. При этом импульс водной струи передается колесу и, следовательно, турбине. « импульсная » энергия действует Таким образом, на турбину .

Максимальная мощность и эффективность достигаются, когда скорость струи воды в два раза превышает скорость вращающихся ведер, что, если предположить, что струя воды упруго сталкивается с ведерком, будет означать, что вода покидает ведро с нулевой скоростью, передавая тем самым всю кинетическую энергию. к колесу. водяной струи На практике очень небольшой процент исходной кинетической энергии остается в воде, что приводит к опорожнению ведра с той же скоростью, с которой оно наполняется, и тем самым позволяет входному потоку под высоким давлением продолжаться непрерывно и без потерь. энергии.

Обычно два ведра устанавливаются рядом на колесе, при этом струя воды разделяется на два равных потока; это уравновешивает силы боковой нагрузки на колесо и помогает обеспечить плавную и эффективную передачу импульса от водомета к турбинному колесу.

Поскольку вода практически несжимаема, почти вся доступная энергия извлекается на первой ступени гидравлической турбины. «Поэтому колеса Пелтона имеют только одну ступень турбины, в отличие от газовых турбин, работающих на сжимаемой жидкости». ^[7]

Приложения

Колеса Пелтона являются предпочтительной турбиной для гидроэнергетики, где доступный источник воды имеет относительно высокий гидравлический напор при низких скоростях потока. Колеса Pelton изготавливаются всех размеров. существуют многотонные колеса Пелтона, установленные на вертикальных масляных подшипниках На гидроэлектростанциях . Крупнейшие агрегаты – гидроэлектростанция Бьедрон на плотине Гранд-Диксенс в Швейцарии – имеют мощность более 400 мегаватт . ^[8]

Самые маленькие колеса Pelton имеют диаметр всего несколько дюймов и могут использоваться для получения энергии из горных ручьев, поток которых составляет несколько галлонов в минуту. Некоторые из этих систем используют бытовую сантехнику для подачи воды. Эти небольшие агрегаты рекомендуется использовать с высотой напора 30 метров (100 футов) и более, чтобы обеспечить значительный уровень мощности. В зависимости от расхода воды и конструкции колеса Пелтона лучше всего работают на высоте 15–1800 метров (50–5910 футов), хотя теоретического предела нет.

Правила дизайна

Конкретная скорость $\eta _{s}$ параметр не зависит от размера конкретной турбины.

По сравнению с турбинами других конструкций, относительно низкая удельная скорость колеса Пелтона подразумевает, что его геометрия по своей сути является конструкцией с « низкой передачей ». Таким образом, наиболее подходящим является питание от гидроисточника с низким соотношением расхода к давлению (что означает относительно низкий расход и/или относительно высокое давление).

Удельная скорость является основным критерием подбора оптимального типа турбины для конкретного гидроузла. Это также позволяет масштабировать новую конструкцию турбины из существующей конструкции с известными характеристиками.

$\eta _{s}=n{\sqrt {P}}/{\sqrt {\rho }}(gH)^{5/4}$ (безразмерный параметр), ^[9]

где:

$n$ = Частота вращения (об/мин)
$P$ = Мощность (Вт)
$H$ = Напор воды (м)
$\rho$ = Плотность (кг/м ³)

Формула подразумевает, что турбина Пелтона наиболее подходит для применений с относительно высоким гидравлическим напором H , поскольку показатель степени 5/4 больше единицы и учитывая характерно низкую удельную скорость Пелтона. ^[10]

Физика турбин и ее вывод

Энергия и начальная скорость струи

В идеальном ( без трения ) случае вся гидравлическая потенциальная энергия ( E _p = mgh ) преобразуется в кинетическую энергию ( E _k = mv ²/2) (см. принцип Бернулли ). Приравнивание этих двух уравнений и определение начальной скорости струи ( V _i ) показывает, что теоретическая (максимальная) скорость струи Vi _равна = √ 2 gh . Для простоты предположим, что все векторы скорости параллельны друг другу. Определив скорость бегуна как: ( u ), тогда, когда струя приближается к бегуну, начальная скорость струи относительно бегуна равна: ( V _i − u ). ^[10]Начальная скорость струи V _i

Конечная скорость струи

Предполагая, что скорость струи выше скорости бегуна, если вода не должна задерживаться в бегунке, то из-за сохранения массы масса, входящая в бегун, должна равняться массе, выходящей из бегуна. Предполагается, что жидкость несжимаема (точное предположение для большинства жидкостей). Также предполагается, что площадь поперечного сечения струи постоянна. струи Скорость остается постоянной относительно бегунка. Таким образом, когда струя удаляется от бегуна, скорость струи относительно бегуна равна: - ( V _i - u ) = - V _i + u . Тогда в стандартной системе отсчета (относительно Земли) конечная скорость равна: V _f = (− V _i + u) + u = − V _i + 2 u .

Оптимальная скорость вращения колеса

Идеальная скорость колеса приведет к тому, что вся кинетическая энергия струи будет передана колесу. В этом случае конечная скорость струи должна быть равна нулю. Если − V _i + 2 u = 0, то оптимальная скорость бегуна будет u = Vi _/ 2, или половина начальной скорости струи.

Крутящий момент

По второму и третьему законам Ньютона сила F , действующая струей на бегун, равна скорости изменения количества движения жидкости, но противоположна ей, поэтому

F знак равно - м ( V _ж - V _я )/ т знак равно - ρQ [(- V _я + 2 ты ) - V _я ] знак равно - ρQ (-2 V _я + 2 ты ) знак равно 2 ρQ ( V _я - ты ) ,

где ρ — плотность, а Q — объемная скорость потока жидкости. Если D — диаметр колеса, то крутящий момент на бегунке равен.

Т знак равно F ( D /2) знак равно ρQD ( V _я - ты ).

Крутящий момент максимален, когда бегунок остановлен (т.е. когда u = 0, T = ρQDV _i ). скорость бегуна равна начальной скорости струи, крутящий момент равен нулю (т.е. когда u = Vi _Когда , то T = 0). На графике зависимости крутящего момента от скорости рабочего колеса кривая крутящего момента проходит прямо между этими двумя точками: (0, pQDV _i ) и ( Vi _, 0). ^[10]КПД сопла — это отношение мощности струи к мощности воды в основании сопла.

Власть

Мощность P = Fu = Tω , где ω — угловая скорость колеса. Подставив вместо F , получим P знак равно 2 ρQ ( V _я - ты ) ты . Чтобы найти скорость бегуна при максимальной мощности, возьмите производную P по u и приравняйте ее нулю, [ dP / du = 2 ρQ ( V _i − 2 u )]. Максимальная мощность возникает при u = V _i /2. P _max = ρQV _i²/2. Подставляя начальную мощность струи V _i = √ 2 gh , это упрощается до P _max = ρghQ . Эта величина в точности равна кинетической мощности струи, поэтому в этом идеальном случае КПД составляет 100%, поскольку вся энергия струи преобразуется в мощность вала. ^[10]

Эффективность

Мощность колеса, деленная на начальную мощность реактивной струи, представляет собой КПД турбины, η = 4 u ( V _i - u )/ V _i². Оно равно нулю для u = 0 и для u = V _i . Как показывают уравнения, когда настоящее колесо Пелтона работает с максимальной эффективностью, жидкость вытекает из колеса с очень небольшой остаточной скоростью. ^[10] Теоретически энергоэффективность зависит только от эффективности сопла и колеса и не зависит от гидравлического напора. ^[11]Термин «эффективность» может относиться к гидравлическому, механическому, объемному, колесному или общему КПД.

Компоненты системы

Трубопровод, подводящий воду под высоким давлением к импульсному колесу, называется водоводом . Первоначально затвор назывался клапаном, но этот термин был расширен и теперь включает всю гидравлику подачи жидкости. Пенсток теперь используется как общий термин для обозначения канала подачи воды и управления, находящегося под давлением, независимо от того, питает ли он импульсную турбину или нет. ^[10]

См. также

Ссылки

^ «КОРОВА, КОТОРАЯ ПОМОГАЛА НАУКЕ» . Юго-Восточная Таймс . № 1661. Южная Австралия. 24 ноября 1922 г. с. 6 . Проверено 10 марта 2017 г. - через Национальную библиотеку Австралии.
^ «ГОРНАЯ РАЗВЕДКА» . Лонсестонский экзаменатор . Том. XLV, нет. 210. Тасмания, Австралия. 22 августа 1885 г. с. 3 . Проверено 10 марта 2017 г. - через Национальную библиотеку Австралии.
^ Лескойе, Роджер П. (2011). Лестер Пелтон и водяное колесо Пелтона . Историческое общество округа Невада. ISBN 978-0-915641-15-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Лестер Аллан Пелтон» . Американское общество инженеров-механиков.
^ Патент США 233692 , Л.А. Пелтон, «Водное колесо», выдан 26 октября 1880 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Результаты исследования исторических ресурсов Showplace Square» (PDF) . Департамент планирования Сан-Франциско. 2012.
^ Вагнер, Герман-Йозеф; Матур, Джьотирмай (2011). Введение в гидроэнергетические системы . Зеленая энергия и технологии. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. п. 86. дои : 10.1007/978-3-642-20709-9 . ISBN 978-3-642-20708-2 .
^ «Возобновляемая энергия в сердце Альп» . Гранд Диксанс . Проверено 13 августа 2021 г.
^ Сэйерс, AT (1990). Гидравлические и сжимаемые турбомашины . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-707219-3 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Калверт, Дж. «Техническое обоснование базовой физики импульсных турбин» .
^ Водяная турбина с колесом Пелтона , Страницы Рона Эмбергера

Внешние ссылки

Пример Hydro на ранчо Дорадо Виста

[1] «КОРОВА, КОТОРАЯ ПОМОГАЛА НАУКЕ» . Юго-Восточная Таймс . № 1661. Южная Австралия. 24 ноября 1922 г. с. 6 . Проверено 10 марта 2017 г. - через Национальную библиотеку Австралии.

[2] «ГОРНАЯ РАЗВЕДКА» . Лонсестонский экзаменатор . Том. XLV, нет. 210. Тасмания, Австралия. 22 августа 1885 г. с. 3 . Проверено 10 марта 2017 г. - через Национальную библиотеку Австралии.

[rpl-3] Лескойе, Роджер П. (2011). Лестер Пелтон и водяное колесо Пелтона . Историческое общество округа Невада. ISBN 978-0-915641-15-4 .

[asme-4] Перейти обратно: ^а ^б «Лестер Аллан Пелтон» . Американское общество инженеров-механиков.

[5] Патент США 233692 , Л.А. Пелтон, «Водное колесо», выдан 26 октября 1880 г.

[sfpd-6] Перейти обратно: ^а ^б «Результаты исследования исторических ресурсов Showplace Square» (PDF) . Департамент планирования Сан-Франциско. 2012.

[7] Вагнер, Герман-Йозеф; Матур, Джьотирмай (2011). Введение в гидроэнергетические системы . Зеленая энергия и технологии. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. п. 86. дои : 10.1007/978-3-642-20709-9 . ISBN 978-3-642-20708-2 .

[GD-8] «Возобновляемая энергия в сердце Альп» . Гранд Диксанс . Проверено 13 августа 2021 г.

[Sayers1990-9] Сэйерс, AT (1990). Гидравлические и сжимаемые турбомашины . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-707219-3 .

[jcalvert-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Калверт, Дж. «Техническое обоснование базовой физики импульсных турбин» .

[11] Водяная турбина с колесом Пелтона , Страницы Рона Эмбергера

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

v т и Гидроэнергетика
гидроэлектроэнергии Производство	Плотина Список обычных гидроэлектростанций Гидроаккумулирующая гидроэлектростанция Малая гидроэлектростанция Микро ГЭС Пико гидро Русловая гидроэлектростанция
Гидроэнергетическое оборудование	Турбина Фрэнсиса турбина Каплана Тайсон турбина Винтовая турбина Горлова Колесо Пелтона Турго турбина Крестоточная турбина Водяное колесо