Колесо Пелтона

редактировать
Старое колесо Пелтона с ГЭС Вальхензее, Германия.

A Колесо Пелтона - это импульсная -типа водяная турбина, изобретенная американским изобретателем Лестером Алланом Пелтоном в 1870-х годах. Колесо Пелтона извлекает энергию из импульса движущейся воды, в отличие от собственного веса воды, как при традиционном промахе водяном колесе. Существовало много более ранних вариантов импульсных турбин, но они были менее эффективными, чем конструкция Пелтона. Вода, выходящая из этих колес, обычно все еще имела высокую скорость, унося большую часть динамической энергии, передаваемой колесам. Геометрия лопастей Пелтона была спроектирована так, 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 энергию импульса воды, что позволило получить очень эффективную турбину.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Проектирование
  • 3 Приложения
  • 4 Правила проектирования
  • 5 Физика турбины и производные
    • 5.1 Энергия и начальная скорость струи
    • 5.2 Конечная скорость струи
    • 5.3 Оптимальная скорость вращения колеса
    • 5.4 Крутящий момент
    • 5.5 Мощность
    • 5.6 КПД
  • 6 Системные компоненты
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

История

Рисунок из оригинального патента Лестера Аллана Пелтона в октябре 1880 года

Лестер Аллан Пелтон родился в Вермиллион, Огайо в 1829 году. В 1850 году он путешествовал по суше, чтобы принять участие в Калифорнийская золотая лихорадка. Пелтон продавал рыбу, которую поймал в реке Сакраменто. В 1860 году он переехал в Камптонвилль, центр добычи россыпей. В то время многие операции по добыче полезных ископаемых приводились в движение паровыми двигателями, которые в качестве топлива потребляли огромное количество древесины. Некоторые водяные колеса использовались в больших реках, но они были неэффективны в меньших ручьях, которые были обнаружены возле шахт. Пелтон работал над дизайном водяного колеса, которое могло бы работать с относительно небольшим потоком в этих ручьях.

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 руднике Мэйфлауэр в Невада-Сити в 1878 году. Эффективность изобретения Пелтона была быстро признана, и вскоре его продукция стала пользоваться большим спросом. Он запатентовал свое изобретение 26 октября 1880 года. К середине 1880-х годов литейный цех горняков не мог 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 открыла завод по адресу 121/123 Main Street в Сан-Франциско.

Компания Pelton Water Wheel Company произвела большое количество 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 в эксплуатации находилось более 11 000 турбин. В 1914 году компания переехала в новое, более просторное помещение по адресу 612 Alabama Street в Сан-Франциско. В 1956 году компания была приобретена Baldwin-Lima-Hamilton Company, которая прекратила производство Pelton Wheels.

В Новой Зеландии AG Price в Темза, Новая Зеландия производила водяные колеса Pelton для местного рынка. Один из них выставлен под открытым небом в Thames Goldmine Experience.

Конструкция

Форсунки направляют мощные высокоскоростные потоки воды на серию ложкообразных ведер, также известных как импульсные лопасти, которые установлены вокруг внешнего обода ведущего колеса ( также называется бегуном). Когда струя воды попадает на лопасти, направление скорости воды изменяется, чтобы соответствовать контурам лопастей. Импульсная энергия водяной струи оказывает крутящий момент на ковшево-колесную систему, вращая колесо; струя воды делает "разворот" и выходит с внешних сторон ковша, замедляясь до небольшой скорости. При этом импульс водяной струи передается колесу и, следовательно, турбине. Таким образом, энергия «импульса » работает на турбине. Максимальная мощность и эффективность достигаются, когда скорость водяной струи в два раза превышает скорость вращающихся лопаток. Очень небольшой процент исходной кинетической энергии водяной струи остается в воде, что приводит к опорожнению ведра с той же скоростью, с которой оно наполняется, и тем самым позволяет непрерывному входному потоку высокого давления и без траты энергии.

Обычно два ведра устанавливаются бок о бок 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 количества движения от водяной струи к турбинному колесу.

Поскольку вода почти несжимаема, почти вся доступная энергия извлекается на первой ступени гидравлической турбины. «Таким образом, колеса Пелтона имеют только одну ступень турбины, в отличие от газовых турбин, работающих на сжимаемой жидкости».

Применения

Сборка колеса Пелтона на гидроэлектростанции Вальхензее, Германия.

Колеса Пелтона являются предпочтительными турбинами для гидроэнергетики, где доступный источник воды имеет относительно высокий гидравлический напор при низких расходах. Колеса Pelton производятся всех размеров. На гидроэлектростанциях существуют многотонные колеса Пелтона, установленные на вертикальной масляной подушке подшипники. Самые большие блоки - Гидроэлектростанция Бьедрон в комплексе Гранд Диксенс в Швейцарии - имеют мощность более 400 мегаватт.

Самые маленькие колеса Пелтона имеют диаметр всего несколько дюймов., и может использоваться для отбора энергии из горных ручьев, имеющих поток несколько галлонов в минуту. В некоторых из этих систем для подачи воды используется бытовая сантехника. Эти небольшие блоки рекомендуются для использования с напором 30 метров (100 футов) или более для выработки значительных уровней мощности. В зависимости от расхода воды и конструкции колеса Pelton лучше всего работают с напором от 15 до 1800 метров (50–5 910 футов), хотя теоретических ограничений нет.

Правила проектирования

Вид в разрезе турбинной установки Пелтона.

Удельная скорость η s {\ displaystyle \ eta _ {s}}\ eta _ {s} 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 «пониженной передачи ». Таким образом, он наиболее подходит для подпитки из гидроисточника с низким отношением расхода к давлению (что означает относительно низкий расход и / или относительно высокое давление).

Удельная скорость является основным критерием для соответствия конкретной гидроэлектростанции оптимальному типу турбины. Это также позволяет масштабировать новую конструкцию турбины по сравнению с существующей конструкцией с известной производительностью.

η s знак равно N P / ρ (г Н) 5/4 {\ displaystyle \ eta _ {s} = n {\ sqrt {P}} / {\ sqrt {\ rho}} (gH) ^ {5 / 4}}{\ displaystyle \ eta _ {s} = n {\ sqrt {P}} / {\ sqrt {\ rho}} (gH) ^ {5/4}} (параметр с размерами),

где:

  • n {\ displaystyle n}n = частота вращения (об / мин)
  • P { \ displaystyle P}P = Мощность (Вт)
  • H {\ displaystyle H}H = Напор воды (м)
  • ρ {\ displaystyle \ rho}\ rho = Плотность (кг / м)

Формула подразумевает, что турбина Пелтона наиболее подходит для применений с относительно высоким гидравлическим напором H, поскольку показатель степени 5/4 больше единицы, и с учетом характерно низкой удельной скорость Пелтона.

Физика турбины и ее деривация

Энергия и начальная скорость струи

В идеальном случае (отсутствие трения ) все гидравлические потенциальная энергия (Ep= mgh) преобразуется в кинетическая энергия (Ek= mv / 2) (см. принцип Бернулли ). Приравнивание этих двух уравнений и решение для начальной скорости струи (V i) показывает, что теоретическая (максимальная) скорость струи составляет V i = √2gh. Для простоты предположим, что все векторы скорости параллельны друг другу. Определив скорость рабочего колеса как: (u), тогда, когда струя приближается к рабочему колесу, начальная скорость струи относительно рабочего колеса равна: (V i - u). Начальная скорость струи равна V i

Конечная скорость струи

Предполагая, что скорость струи выше, чем скорость рабочего колеса, если вода не должна удерживаться в рабочем потоке, тогда из-за сохранения массы, масса, входящая в бегун, должна равняться массе, покидающей бегун. Предполагается, что жидкость несжимаема (точное предположение для большинства жидкостей). Также предполагается, что площадь поперечного сечения струи постоянна. Скорость жиклера остается постоянной по отношению к бегуну. 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 будет тогда: V f = (−V i + u) + u = −V i + 2u.

Оптимальная скорость вращения колеса

Мы знаем, что при идеальной скорости бегуна вся кинетическая энергия в струе передается на колесо. В этом случае конечная скорость струи должна быть равна нулю. Если мы положим −V i + 2u = 0, то оптимальная скорость рабочего колеса будет u = V i / 2, или половина начальной скорости струи.

Крутящий момент

Согласно второму и третьему законам Ньютона сила F, прикладываемая струей к бегуну, равна, но противоположна скорости изменения количества движения жидкости, поэтому

F = −m (V f - V i) / t = −ρQ [(- V i + 2u) - V i ] = −ρQ (−2V i + 2u) = 2ρQ (V i - u),

где ρ - плотность, а Q - объемный расход жидкости. Если D - диаметр колеса, крутящий момент на бегунке составляет

T = F (D / 2) = ρQD (V i - u).

Крутящий момент максимален, когда бегунок находится в остановлен (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, тогда T = 0). На графике зависимости крутящего момента от скорости рабочего колеса кривая крутящего момента является прямой между этими двумя точками: (0, pQDV i) и (V i, 0). Эффективность сопла - это отношение мощности струи к мощности воды в основании сопла

Мощность

Мощность P = Fu = Tω, где ω - угловая скорость колеса. Подставляя вместо F, получаем P = 2ρQ (V i - u) u. Чтобы найти скорость бегуна при максимальной мощности, возьмите производную P по u и установите ее равной нулю, [dP / du = 2ρQ (V i - 2u)]. Максимальная мощность достигается, когда u = V i / 2. P макс = ρQV i / 2. Подставляя начальную мощность струи V i = √2gh, 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.

КПД

A мощность колеса, деленная на начальную реактивную мощность, представляет собой КПД турбины, η = 4u (V i - u) / V i. Он равен нулю для u = 0 и для u = V i. Как показывают уравнения, когда реальное колесо Пелтона работает с максимальной эффективностью, жидкость стекает с колеса с очень небольшой остаточной скоростью. Теоретически энергоэффективность зависит только от эффективности сопла и колеса и не зависит от гидравлического напора. Термин «эффективность» может означать: гидравлический, механический, объемный, колесный или общий КПД.

Компоненты системы

Деталь ковша на небольшой турбине.

Трубопровод, по которому вода под высоким давлением подается к импульсному колесу, называется затвором. Первоначально затвор был названием клапана, но этот термин был расширен и теперь включает всю гидравлическую систему подачи жидкости. Затвор теперь используется как общий термин для прохода воды и управления, находящегося под давлением, независимо от того, питает ли он импульсную турбину или нет.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Викискладе есть материалы, связанные с колесом Пелтона.
Последняя правка сделана 2021-06-01 07:52:22
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте