Einführung
Eine Peltonturbine ist eine spezielle Wasserturbine, die in der Energieerzeugung eingesetzt wird. Im Gegensatz zur Francis-Turbine und Kaplan-Turbine gehört die Peltonturbine zur Kategorie der Impulsturbinen.
Obwohl Peltonturbinen sehr effizient sind, sind sie weniger verbreitet als Kaplan- und Francis-Turbinen, da sie einen großen Druckunterschied (Höhendifferenz zwischen dem oberen und unteren Reservoir) benötigen, um zu funktionieren. Dies schränkt ihre Nutzung auf bestimmte geografische Gebiete ein.
Wasserkraftwerke sind Teil des erneuerbaren Energiesektors und gelten als eine 'grüne' Form der Energieerzeugung.
Geschichte
Die Peltonturbine wurde in den 1870er Jahren von Lester Allan Pelton entwickelt. Pelton war nicht der Erste, der versuchte, Impulsenergie zur Antrieb einer Wasserturbine zu nutzen, aber er war der Erste, der eine effiziente Impulswasserturbine konstruierte.
Lester Peltons Originalentwurf
Impulsturbinen
Impulsturbinen wandeln kinetische Energie in mechanische Energie um. Der Teil der Turbine, der diese Umwandlung vornimmt, wird als Läufer bezeichnet. Der Generator wandelt die mechanische Energie dann in elektrische Energie um.
Der Peltonläufer besteht aus einer Reihe von gebogenen Schaufeln, die am äußeren Rand eines runden Rades montiert sind. Daher wird ein Peltonläufer manchmal als Peltonrad bezeichnet.
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Pelton Turbinenkomponenten
Schaufeln
Die Schaufeln, auch Impulsblätter genannt, sind in zwei benachbarte Becherformen gegossen. Diese Schaufeln fangen den Wasserstrahl auf und leiten den Fluss allmählich rückwärts. Aufgrund des Schaufeldesigns wird fast die gesamte kinetische Energie des Wassers in Drehmoment umgewandelt, bevor es abgeführt wird.
Rad
Das Peltonrad ist sehr schwer und fungiert als Schwungrad. Ein Schwungrad speichert Rotationsenergie und widersteht Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit. Die gespeicherte Energie ist proportional zur Quadratwurzel der Rotationsgeschwindigkeit.
Antriebswelle
Die Antriebswelle verbindet den Turbinenläufer mit dem Generator und ermöglicht die Umwandlung der mechanischen Energie des Läufers in elektrische Energie. Peltonturbinen können auch andere rotierende Maschinen antreiben, wie z.B. mechanische Pumpen.
Lanze/Nadel
Die Lanze/Nadel reguliert den Wasserfluss durch die Düse und damit die auf das Rad ausgeübte Kraft. Nicht alle Peltonräder sind mit einer Lanze oder Nadel ausgestattet.
Lanzeneinsteller
Der Lanzeneinsteller kann manuell, elektrisch oder hydraulisch betrieben werden. Große Peltonturbinen verwenden in der Regel hydraulische Lanzeneinsteller.
Funktionsweise von Peltonturbinen
Wasser wird durch eine unter Druck stehende Leitung, die Druckrohrleitung, zugeführt. Diese bildet die Saugseite der Turbine und verbindet das obere Reservoir mit der Turbine. Am Ende der Druckrohrleitung befindet sich eine Sprühdüse.
Die Sprühdüse wandelt die potentielle Energie des Wassers in kinetische Energie um, die sich als Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl manifestiert, der auf die Peltonläuferschaufeln trifft. Der Wasserstrahl trifft tangential auf die Innenseite jeder Schaufel.
Jede Schaufel besteht aus zwei Hälften, die durch einen zentralen Grat, den Splitter, getrennt sind. Der Splitter teilt den Wasserstrahl, sodass der Fluss gleichmäßig auf beide Seiten der Schaufel verteilt wird. Eine Kerbe an jeder Schaufel ermöglicht es dem Wasserstrahl, in einem optimalen Winkel in die Schaufel zu fließen. Die Löffelform der Schaufel sorgt dafür, dass die kinetische Energie des Wasserstrahls allmählich in mechanische Energie umgewandelt wird, während das Wasser eine 180-Grad-Wendung in der Schaufel vollzieht. Die mechanische Energie manifestiert sich als Drehmoment auf der Läuferwelle, was den Läufer zum Drehen bringt. Nach dem Verlassen der Schaufel wird das Wasser durch eine Ablassgrube abgeführt.
Da der Peltonläufer auf einer gemeinsamen Welle mit einem Generator verbunden ist, beginnt der Generator, Strom zu erzeugen, sobald sich der Läufer dreht. Der Generator wandelt die vom Läufer bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie um, die dann über ein Stromnetz an Endverbraucher übertragen werden kann.
Stromnetz
Durchflussregelung
Eine Nadel (oder Lanze) reguliert den Wasserstrahl der Düse. Die Nadel kann zurückgezogen werden, um den vollen Durchfluss zu ermöglichen, oder gegen die Düse gedrückt werden, um den Durchfluss vollständig zu stoppen. Im Notfall kann Wasser auf die Rückseite der Läuferschaufeln gesprüht werden, um sie zum Stillstand zu bringen.
Impuls erklärt
Kraft, die über einen Zeitraum hinweg ausgeübt wird, wird als Impuls bezeichnet. Impuls wird auf die Läuferschaufeln während der gesamten Zeit angewendet, in der der Wasserstrahl auf die Schaufel trifft. Impuls bewirkt, dass sich der Peltonläufer durch Änderung seines Impulses dreht. Aufgrund der Natur des Impulses wird eine große Kraft, die über einen kurzen Zeitraum ausgeübt wird, die gleiche Impulsänderung bewirken wie eine kleine Kraft, die über einen langen Zeitraum ausgeübt wird. Da Impuls zur Änderung des Impulses von Peltonturbinen verwendet wird, werden Peltonturbinen als Impulsturbinen klassifiziert und die Schaufeln werden auch als Impulsblätter bezeichnet.
Pelton Turbinenschaufeln
Interessante Merkmale
Peltonturbinen sind ideal für Hochdruck, Niedrigdurchflussanwendungen. Sie werden typischerweise in Gebieten installiert, in denen plötzliche Höhenunterschiede ein natürliches Merkmal des lokalen Geländes sind.
Wasserturbinen Durchfluss- und Druckbereiche
Der Peltonläufer dreht sich in der Luft, unter atmosphärischen Bedingungen, daher sind Peltonturbinen drucklose Turbinen.
Die meisten Peltonturbinen verwenden zwischen einer und fünf Düsen.
Es ist möglich, einen oder mehrere Peltonläufer auf einer einzigen Welle zu montieren.
Die Effizienz von Peltonturbinen übersteigt oft 90%, wenn die richtigen Betriebsbedingungen erfüllt sind.
Im Gegensatz zu Reaktionswasserturbinen benötigen Peltonturbinen kein Saugrohr, da sie in einer drucklosen Umgebung arbeiten.
Peltonturbinen können horizontal oder vertikal orientiert sein. Kleinere Einheiten sind tendenziell horizontal orientiert, während größere Einheiten tendenziell vertikal orientiert sind.
Peltonturbinen können groß sein. Die größten Peltonläufer der Welt haben einen Durchmesser von 4,6 Metern und arbeiten mit einem Druck von über 1.800 Metern. Jeder Läufer wird von einer Druckrohrleitung gespeist, die auf 200 bar Druck geladen ist. Fünf Sprühdüsen pro Läufer erzeugen Wasserstrahlen, die jede Düse mit 192 Metern/Sekunde verlassen. Jeder Läufer ist mit mehr als 400 MW bewertet.
3D-Modellkomponenten
Dieses 3D-Modell zeigt alle Hauptkomponenten einer typischen Pelton-Wasserturbine, darunter:
- Saugeinlass
- Ablauf
- Peltonläufer (Schaufeln und Rad)
- Lager
- Gehäuse
- Antriebswelle
- Geschwindigkeitseinsteller
- Nadel/Lanze
Zusätzliche Ressourcen
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Pelton_turbine
https://themechanicalengineering.com/pelton-wheel-turbine
https://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel