Колесо Пелтона или турбина Пелтона — это водяная турбина импульсного типа , 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.
.png/1280px-Pelton_wheel_(patent).png)
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 Литейный завод горняков не смог 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.
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 водяной струи передается колесу и, следовательно, турбине. Таким образом, на турбину действует « импульсная » энергия . Максимальная мощность и эффективность достигаются, когда скорость водяной струи в два раза превышает скорость вращающихся ковшей. Очень небольшой процент исходной кинетической энергии водяной струи останется в воде, что приводит к опорожнению ведра с той же скоростью, с которой оно заполняется, 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 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, работающих на сжимаемой жидкости». [7]
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. На гидроэлектростанциях существуют многотонные колеса Пелтона, установленные на вертикальных масляных подшипниках . 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.
Конкретный параметр скорости не зависит от размера конкретной турбины.
По сравнению с турбинами других конструкций, относительно низкая удельная скорость колеса Пелтона подразумевает, что 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.
(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 и учитывая характерно низкую удельную скорость 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 начальной скорости струи ( V i ) показывает, что теоретическая (максимальная) скорость струи равна Vi = √ 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
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. Скорость струи остается постоянной относительно бегунка. Таким образом, когда струя удаляется от бегуна, скорость струи относительно бегуна 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 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.
По второму и третьему законам Ньютона сила F , действующая струей на бегун, равна скорости изменения количества движения жидкости, но противоположна ей, поэтому
где ρ — плотность, а Q — объемная скорость потока жидкости. Если D — диаметр колеса, то крутящий момент на бегунке равен.
Крутящий момент максимален, когда бегунок остановлен (т.е. когда u = 0, T = ρQDV i ). Когда скорость бегуна равна начальной скорости струи, крутящий момент равен нулю (т.е. когда u = Vi , 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] Эффективность сопла – это отношение мощности струи к мощности воды в основании сопла.
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 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 КПД составляет 100%, поскольку вся энергия струи преобразуется в мощность вала. [10]
Мощность колеса, деленная на начальную мощность реактивной струи, представляет собой КПД турбины, η = 4 u ( V i - u )/ V i 2 . 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.
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]
