Колесо Пелтона или турбина Пелтона — это импульсная 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 колесе с верхним выбросом . Существовало множество более ранних вариантов импульсных турбин, но они были менее эффективны, чем конструкция Пелтона. Вода, покидающая эти колеса, обычно все еще имела высокую скорость, унося большую часть динамической энергии, подводимой к колесам. Геометрия лопасти Пелтона была спроектирована таким образом, что когда обод вращался 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.
.png/1280px-Pelton_wheel_(patent).png)
Лестер Аллан Пелтон родился в Вермиллионе, штат Огайо, в 1829 году. В 1850 году он отправился в путешествие 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 россыпных полезных ископаемых . В то время многие горнодобывающие операции осуществлялись с помощью паровых двигателей , которые потребляли огромное количество древесины в качестве топлива. Некоторые водяные колеса использовались в крупных реках, но они были неэффективны в более мелких ручьях, которые были найдены вблизи шахт. Пелтон работал над проектом водяного колеса, которое работало бы с относительно небольшим потоком, обнаруженным в этих ручьях. [4]
К середине 1870-х годов Пелтон разработал деревянный прототип своего нового колеса. В 1876 году он обратился в Miners Foundry в Невада-Сити, Калифорния, чтобы построить первые коммерческие модели из железа. Первое колесо Пелтона было установлено на шахте Mayflower в Невада-Сити в 1878 году. [4] Преимущества эффективности изобретения Пелтона 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 могла 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 изготовила большое количество колес Пелтона в Сан-Франциско, которые поставлялись 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 по адресу 612 Alabama Street в Сан-Франциско. В 1956 году компания была приобретена компанией Baldwin-Lima-Hamilton Company , которая прекратила производство колес Пелтона. [6]
В Новой Зеландии компания A & G Price в Темзе, Новая Зеландия, производила водяные колеса Пелтона для местного рынка. Одно из них выставлено на открытом воздухе в Thames Goldmine Experience.
Сопла направляют мощные, высокоскоростные потоки воды на ряд ковшей в форме ложки, также известных как импульсные лопасти, которые установлены вокруг внешнего обода ведущего колеса (также называемого бегуном ) . Когда струя воды ударяет по лопастям, направление скорости воды изменяется, чтобы следовать контурам лопастей. Импульсная энергия струи воды оказывает крутящий момент на систему ковша и колеса, вращая колесо; струя воды делает «разворот» и выходит с внешних сторон ковша, замедляясь до низкой скорости. В процессе импульс струи воды передается колесу и, следовательно, турбине. Таким образом, « импульсная » энергия работает 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 ведром, означало бы, что вода покидает ведро с нулевой скоростью, тем самым передавая всю кинетическую энергию колесу. На практике, очень небольшой процент первоначальной кинетической энергии струи воды останется в воде, что приведет к опорожнению ведра с той же скоростью, с которой оно заполняется, и тем самым позволит потоку высокого давления продолжаться непрерывно и без потерь энергии.
Обычно на колесе устанавливаются два ковша рядом друг с другом, при этом струя воды разделяется на два равных потока; это уравновешивает боковые силы нагрузки на колесо и помогает обеспечить плавную и эффективную передачу импульса от струи воды к колесу турбины.
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, которые работают на сжимаемой жидкости». [7]
Колеса Пелтона являются предпочтительной турбиной для гидроэнергетики, где доступный источник воды имеет относительно высокий гидравлический напор при низких расходах. Колеса Пелтона производятся всех размеров. Существуют многотонные колеса Пелтона, установленные на вертикальных масляных подшипниках на гидроэлектростанциях . Самые крупные агрегаты — гидроэлектростанция Бьедрона на комплексе плотин Гранд Диксенс в Швейцарии — имеют мощность более 400 мегаватт . [8]
Наименьшие колеса Пелтона имеют диаметр всего несколько дюймов и могут использоваться для получения энергии из горных ручьев с расходом в несколько галлонов в минуту. Некоторые из этих систем используют бытовые водопроводные приборы для подачи воды. Эти небольшие устройства рекомендуется использовать при напоре 30 метров (100 футов) или более, чтобы генерировать значительные уровни мощности. В зависимости от расхода воды и конструкции колеса Пелтона лучше всего работают при напоре от 15 до 1800 метров (50–5910 футов), хотя теоретического предела нет.
Конкретный параметр скорости не зависит от размера конкретной турбины.
По сравнению с другими конструкциями турбин, относительно низкая удельная скорость колеса Пелтона подразумевает, что геометрия по своей сути является конструкцией " низкой передачи ". Таким образом, она наиболее подходит для питания от гидроисточника с низким отношением расхода к давлению (то есть относительно низким расходом и/или относительно высоким давлением).
Удельная скорость является основным критерием для подбора оптимального типа турбины для конкретного гидроэнергетического объекта. Она также позволяет масштабировать новую конструкцию турбины из существующей конструкции с известной производительностью.
(безразмерный параметр), [9]
где:
Формула подразумевает, что турбина Пелтона наиболее подходит для применений с относительно высоким гидравлическим напором H , поскольку показатель степени 5/4 больше единицы, а также учитывая характерно низкую удельную скорость турбины Пелтона. [10]
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 решение для начальной скорости струи ( V i ) показывает, что теоретическая (максимальная) скорость струи равна V i = √ 2 gh . Для простоты предположим, что все векторы скорости параллельны друг другу. Определив скорость колесного бегуна как: ( u ), тогда, когда струя приближается к бегуну, начальная скорость струи относительно бегуна равна: ( V i − u ). [10] Начальная скорость струи равна V i
Если предположить, что скорость струи выше скорости рабочего колеса, то, если вода не должна застревать в рабочем колесе, то из-за сохранения массы масса, входящая в рабочее колесо, должна быть равна массе, выходящей из рабочего колеса. Предполагается, что жидкость несжимаема (точное предположение для большинства жидкостей). Также предполагается, что площадь поперечного сечения струи постоянна. Скорость струи остается постоянной относительно рабочего колеса. Таким образом, когда струя удаляется от рабочего колеса, скорость струи относительно рабочего колеса равна: − ( V i − u ) = − V i + u . В стандартной системе отсчета (относительно Земли) конечная скорость тогда равна: V f = (− V i + u) + u = − V i + 2 u .
Идеальная скорость бегуна приведет к тому, что вся кинетическая энергия в струе 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 = V i /2, или половина начальной скорости струи.
Согласно второму и третьему законам Ньютона , сила F, действующая со стороны струи на бегунок, равна, но противоположна скорости изменения импульса жидкости, поэтому
где ρ — плотность, а Q — объемный расход жидкости. Если D — диаметр колеса, то крутящий момент на бегунке равен.
Крутящий момент максимален, когда рабочее колесо остановлено (т. е. когда u = 0, T = ρQDV i ). Когда скорость рабочего колеса равна начальной скорости струи, крутящий момент равен нулю (т. е. когда u = V i , то T = 0). На графике крутящего момента от скорости рабочего колеса кривая крутящего момента прямая между этими двумя точками: (0, pQDV i ) и ( V i , 0). [10] Эффективность сопла — это отношение мощности струи к мощности воды у основания сопла.
Мощность P = Fu = Tω , где ω — угловая скорость колеса. Подставляя F , получаем P = 2 ρQ ( V i − u ) u . Чтобы найти скорость бегуна при максимальной мощности, возьмем производную P по u и приравняем ее к нулю, [ dP / du = 2 ρQ ( V i − 2 u )]. Максимальная мощность достигается при u = V i /2. P max = ρQV i 2 /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 эффективность составляет 100%, поскольку вся энергия в струе преобразуется в выходную мощность вала. [10]
Мощность колеса, деленная на начальную мощность струи, является эффективностью турбины, η = 4 u ( V i − u )/ V i 2 . Она равна нулю при u = 0 и при u = V i . Как показывают уравнения, когда реальное колесо Пелтона работает близко к максимальной эффективности, жидкость вытекает из колеса с очень малой остаточной скоростью. [10] Теоретически эффективность энергии меняется только с эффективностью сопла и колеса и не меняется с гидравлическим напором. [11] Термин «эффективность» может относиться к: гидравлической, механической, объемной, колесной или общей эффективности.
Трубопровод, подающий воду под высоким давлением к импульсному колесу, называется затвором . Первоначально затвором назывался клапан, но этот термин был расширен, чтобы включить всю гидравлику подачи жидкости. Затвор теперь используется как общий термин для водного прохода и управления, который находится под давлением, независимо от того, снабжает ли он импульсную турбину или нет. [10]
