Турбины наиболее часто используются во всем мире для производства электроэнергии. Существует несколько типов турбин, которые проектируются в соответствии с требованиями к расходу и напору. Водяная турбина с колесом Пельтона также является известным типом турбин из категории импульсных турбин. Эта статья посвящена принципу работы турбины с колесом Пельтона, ее компонентам и различным областям применения.
Что такое колесо Пельтона?
Турбина, в которой струя воды попадает на колесо тангенциально, называется турбиной Пельтона. Проще говоря, в турбине Пельтона вода ударяется о колесо или рабочее колесо в тангенциальном направлении. Американский разработчик Лестер Аллан Пелтон изобрел турбину с колесом Пелтона в 1870-х годах.
Турбина с колесом Пелтона является наиболее подходящей турбиной для применения при низком расходе воды и высоком напоре (давлении). Эта турбина имеет большое рабочее колесо или колесо с несколькими лопастями для поглощения подводной энергии. Лопасти используются попарно для балансировки колеса и эффективной работы.
На всасывающем и нагнетательном участках этой турбины давление атмосферное. На входе в турбину находится подвижная струя копья. Колесо Пельтона используется для выработки электрической энергии на гидроэлектростанциях.
Большинство жидкостей и вода практически несжимаемы, и почти вся доступная энергия получается на ранних стадиях работы турбины. Таким образом, турбина колеса Пельтона имеет одну единственную ступень турбины, в отличие от газовых турбин, которые работают со сжимаемыми жидкостями (такими как газ). Поэтому она извлекает всю энергию воды на ранней стадии.
Принцип работы турбины с колесом Пельтона
Принцип работы турбины с колесом Пельтона прост.
Рис: Процесс производства электроэнергии
В гидроэлектростанции, прежде всего, вода накапливается в высоких местах (как показано на рисунке выше). Вода, накопленная при высоком напоре, обладает максимальной потенциальной энергией.
Во время работы турбины колеса Пелтона вода с высокого напора поступает в сопло турбины через напорную трубу (пеншток). Когда вода попадает в сопло, сопло преобразует потенциальную энергию воды в кинетическую энергию и повышает кинетическую энергию воды. После этого сопло направляет воду к рабочему колесу в виде струи.
Поток водяной струи направлен по касательной к направлению крыльчатки или колеса. Когда форсунка направляет мощную струю воды на лопасти рабочего колеса, струя воды ударяется о лопасти. Крыльчатка начинает вращаться с большой скоростью, а количество воды, попадающей на лопасти, регулируется с помощью копья, находящегося в насадке.
Когда струя воды попадает в ковши турбины водяного колеса Пельтона, вода оказывает давление на ковши, и ее кинетическая энергия уменьшается. Благодаря сферической конструкции лопастей рабочего колеса, струя воды меняет свое направление, совершает «разворот» и падает в хвостовую часть.
Во время этого процесса импульс воды передается турбине колеса Пелтона. Этот «импульс» действует на турбину. Для достижения наивысшей эффективности и производительности, эта турбинная система проектируется таким образом, что скорость водяной струи в два раза превышает скорость лопасти рабочего колеса.
В последнюю очередь к валу рабочего колеса подключается генератор, который преобразует механическую энергию рабочего колеса (энергию вращения) в электрическую энергию.
Для лучшего понимания посмотрите следующее видео:
Основные компоненты колеса Пельтона
Ниже приведены основные компоненты колеса Пельтона:
- Копье
- Корпус или кожух
- Бегунок или рабочее колесо
- Лопасти рабочего колеса
- Сопло
- Разрывная струя
1) Копье
- Копье крепится к насадке. Основная задача копья — контролировать поток воды, попадающий на лопасти рабочего колеса. На приведенной выше схеме показана форсунка с копьем.
- Оно представляет собой коническую иглу, имеющуюся внутри сопла. Она может функционировать автоматически в осевом направлении или с помощью маховика.
- Поток воды уменьшается, когда движение копья происходит вперед. В то же время поток воды увеличивается при движении копья назад.
- Основное назначение этого компонента — контролировать или регулировать количество воды, проходящей через форсунку, как показано на рисунке.
2) Корпус или кожух
- Корпус турбины водяного колеса Пельтона не играет никакой гидравлической функции. Он не играет никакой роли в производстве электроэнергии. Он просто работает как защитная оболочка для внутренних компонентов турбины. Ведь необходимо защитить рабочее колесо от различных несчастных случаев. Кожух также предотвращает разбрызгивание воды.
- Корпус или кожух обычно изготавливается из тканевых или литых деталей.
- Он обеспечивает безопасность внутренних частей турбины, если на корпус что-то упадет.
3) Бегун или рабочее колесо
- Рабочее колесо или бегун — это вращающийся компонент. Рабочее колесо представляет собой круглый диск с большим количеством лопастей, равномерно распределенных вокруг него.
- Он непосредственно соединяется с генератором через вал.
4) Лопасти рабочего колеса
- Лопасть состоит из двух полусферических оболочек, соединенных между собой. Каждая лопасть имеет стенку между двумя полусферическими чашами, называемую разделителем.
- Рассекатель делит струю воды, попадающую на лопасти рабочего колеса, на две равные части, и вода стекает с внешнего края лопасти.
- Лопасти рабочего колеса сконструированы таким образом, что струя воды, выходящая из сопла, попадает на лопасти с углом отклонения 160-170 градусов.
- Эти лопасти изготавливаются из нержавеющей стали, бронзы, литой стали или чугуна.
5) Сопло
- Это статический компонент турбины колеса Пельтона.
- Основной задачей сопла является преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую энергию.
- Сопло представляет собой круговое направляющее устройство, которое направляет поток воды по расчетному пути и регулирует его расход.
- Сопло создает струю воды, обладающую высокой кинетической энергией. Она направляет струю воды к лопастям рабочего колеса или ковшам. В сопле в осевом направлении проходит копье.
- Насадка увеличивает К. Э. воды, ударяющей в ведро или лопасть, закрепленную на крыльчатке.
6) Разрывная струя
- Когда турбину необходимо остановить, то сопло полностью закрепляется. Из-за инерции наблюдается вращение рабочего колеса в течение значительного времени перед остановкой.
- Небольшое сопло направляет струю воды за лопасти, чтобы рабочее колесо могло отдохнуть в течение короткого времени.
- Оно работает как тормоз для замедления скорости вращения рабочего колеса турбины.
- Разрывная струя входит в основные компоненты турбины колеса Пельтона.
Эффективность турбины Пельтона
Ниже приведены формулы, которые помогают рассчитать различные КПД колеса Пельтона.
1) Механический КПД
Мощность, передаваемая бегунком на вал, называется механическим КПД. Для расчета механического КПД используется приведенная ниже формула.
2) Гидравлический КПД
Мощность, вырабатываемая рабочим колесом турбины, деленная на входную мощность, подводимую к лопаткам рабочего колеса, называется гидравлическим КПД.
Приведенная ниже формула позволяет рассчитать гидравлический КПД турбины с колесом Пельтона:
3) Объемный КПД
Фактическое количество жидкости в ковшах рабочего колеса, деленное на чистое количество жидкости, подаваемое в турбину, называется объемным КПД. Формула для объемного КПД приведена ниже:
4) Общий КПД
Доступная мощность на валу турбины, деленная на входную мощность турбины, называется общим КПД турбины колеса Пельтона. Общий КПД турбины колеса Пельтона приведен ниже:
Математическая формула колеса Пельтона
По приведенной ниже формуле можно рассчитать удельную скорость колеса Пельтона:
Отношение скорости потока воды на входе в турбину к энергетическому напору на входе называется коэффициентом расхода.
В приведенном выше уравнении;
ρ = Плотность (кг/м 3 )
H = напор воды (м)
P = Мощность (Вт)
n = Частота вращения
Преимущества и недостатки водяной турбины с колесом Пельтона
Преимущества турбины с колесом Пельтона: —
- Колесо Пельтона — самая эффективная гидравлическая турбина.
- Кривая эффективности очень плоская.
- Каждая лопасть делит поток воды на две части и уравновешивает боковую силу или тягу от колеса и подшипника.
- Работает при низком расходе и высоком напоре (давлении).
- Имеется тангенциальный поток. То есть, существует радиальный поток или осевой поток.
- Монтаж турбин водяного колеса Пельтона очень прост.
- Отсутствует водная эрозия, так как струя воды попадает только на определенные части рабочего колеса.
- Эта турбина имеет меньше деталей по сравнению с турбинами Френсиса с неподвижными лопастями и направляющими аппаратами.
- Она имеет очень высокий общий КПД.
- 1-й и 2-й законы Ньютона применимы в случае этих импульсных турбин.
- Основным преимуществом этих турбин является то, что весь процесс входа и выхода воды из рабочего колеса происходит под атмосферным давлением.
Недостатки турбин с колесом Пельтона: —
- Эффективность быстро снижается с течением времени.
- Необходимые размеры силовой камеры турбины, генератора и бегуна велики.
- Эти турбины менее надежны по сравнению с турбинами поперечного потока.
- Высокий напор затрудняет контроль за изменением рабочей высоты.
- Эти турбины требуют высокого напора.
Применение турбин с колесом Пельтона
- Турбина колеса Пелтона работает чисто. Поэтому она может быть установлена в системах питьевого водоснабжения.
- Если вам нужна вода выше водозабора, установка этой турбины — простой и эффективный способ перекачки воды.
- Колеса Пельтона используются на гидроэлектростанциях с высоким уровнем воды от 150 м до 2000 м. На гидроэлектростанциях турбины Пельтона приводят в движение подключенные генераторы, которые преобразуют механическую энергию этой турбины в электрическую энергию.
Разница между турбиной с колесом Пельтона и турбиной с поперечным потоком
Раздел часто задаваемых вопросов
Кто изобрел турбину с колесом Пельтона?
В 1870 году американский разработчик Лестер Аллан Пелтон изобрел колесную турбину Пелтона.
Что это за турбина — турбина с колесом Пельтона?
Турбина с колесом Пельтона — это известный вид импульсной турбины. В этой турбине струя воды движется по касательной к крыльчатке или колесу. Струя воды в турбине Пельтона движется быстро, и турбина получает энергию от воды, снижая ее скорость. Этот процесс делает ее импульсной турбиной.
Какая турбина используется при высоком напоре и низком расходе?
Турбина с колесом Пельтона в основном используется для систем с высоким напором и низким расходом.
Из каких частей состоит турбина колеса Пельтона?
Турбина колеса Пельтона состоит из следующих частей:
- Разрывная струя
- Сопло
- Лопасти рабочего колеса
- Копье
- Бегунок
- Корпус или кожух
- Копье
- Маховик
Каков КПД турбины Пельтона?
КПД турбины Пельтона может достигать 95%. В случае микромасштабных гидроэлектростанций самый высокий КПД турбины Пельтона достигает 90%.
Какую мощность может вырабатывать колесо Пельтона?
Колесо Пельтона может вырабатывать до 16,89 Вт энергии.
Для чего используется турбина колеса Пельтона?
Турбины колеса Пельтона используются для производства электроэнергии на гидроэлектростанциях. Турбина Пельтона в основном используется в системах с высоким напором и низкой скоростью потока. Эти турбины работают чисто, благодаря чему их можно использовать в системах питьевого водоснабжения.
Вся эта статья посвящена турбине с колесами Пельтона. Итак, это типы турбин, которые более эффективно работают в гидроэлектростанциях. В настоящее время эти турбины наиболее широко используются на гидроэлектростанциях для производства электроэнергии. Потому что эти турбины наиболее эффективны при низком напоре. Эти турбины легко монтируются.
Если вам нужна еще какая-либо помощь по этой теме, вы можете сообщить мне об этом в поле для комментариев. Я постараюсь сделать все возможное, чтобы прояснить ваши понятия. И если вам понравилась статья, не забудьте поставить лайк и поделиться ею.
