Introduzione
Una turbina Pelton è un tipo di turbina idroelettrica utilizzata nell'industria della generazione di energia. A differenza della turbina Francis e della turbina Kaplan, le turbine Pelton sono turbine di tipo ad impulso.
Sebbene le turbine Pelton siano molto efficienti, non sono comuni come le turbine Kaplan e Francis perché la turbina Pelton richiede un salto di pressione molto elevato (differenza di elevazione tra il serbatoio superiore e quello inferiore) per funzionare; questo ne limita l'uso solo a certe aree geografiche.
Le centrali idroelettriche appartengono al settore delle energie rinnovabili e sono classificate come una forma di generazione di energia 'verde'.
Storia
La turbina Pelton fu inventata da Lester Allan Pelton negli anni 1870. Lester Pelton non fu il primo a tentare di utilizzare l'energia ad impulso per azionare una turbina ad acqua, ma fu il primo a realizzare una turbina ad acqua ad impulso efficiente.
Design Originale di Lester Pelton
Turbine ad Impulso
Le turbine ad impulso convertono l'energia cinetica in energia meccanica. La parte della turbina che converte l'energia cinetica in energia meccanica è conosciuta come rotore. La parte della turbina che converte l'energia meccanica in energia elettrica è conosciuta come generatore.
Il rotore Pelton è costituito da una serie di cucchiai curvi montati sulla periferia esterna di una ruota di forma rotonda. Per questo motivo, un rotore Pelton è talvolta chiamato ruota Pelton.
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Componenti della Turbina Pelton
Cucchiai
I cucchiai, o palette ad impulso, sono fusi in due forme a coppa adiacenti l'una all'altra. Questi cucchiai 'catturano' il getto d'acqua e dirigono il flusso gradualmente all'indietro. Grazie al design dei cucchiai, quasi tutta l'energia cinetica dell'acqua viene sfruttata come coppia prima dello scarico.
Ruota
La ruota Pelton è molto pesante e funge da volano. Un volano immagazzina energia rotazionale e resiste ai cambiamenti di velocità rotazionale. La quantità di energia immagazzinata nel volano è proporzionale al quadrato della sua velocità rotazionale.
Albero di Trasmissione
L'albero di trasmissione collega il rotore della turbina al generatore, rendendo possibile convertire l'energia meccanica dal rotore rotante in energia elettrica. Le turbine Pelton possono essere utilizzate anche come motori principali per altri dispositivi rotanti, ad esempio una pompa meccanica.
Lancia/Ago
La lancia/ago controlla il flusso d'acqua attraverso l'ugello e quindi la quantità di forza esercitata sulla ruota. Non tutte le ruote Pelton hanno una lancia o ago.
Regolatore della Lancia
Il regolatore della lancia può essere azionato manualmente, elettricamente o idraulicamente. Le grandi turbine Pelton azionano il regolatore della lancia solo idraulicamente.
Come Funzionano le Turbine Pelton
L'acqua viene fornita attraverso un conduttore d'acqua pressurizzato noto come condotta forzata. La condotta forzata forma il lato di aspirazione della turbina e collega il serbatoio superiore alla turbina. Alla fine della condotta forzata c'è un ugello di spruzzo.
L'ugello di spruzzo converte l'energia potenziale dell'acqua in energia cinetica, questa energia cinetica si manifesta come un getto d'acqua ad alta velocità che viene spruzzato fuori dall'ugello verso i cucchiai del rotore Pelton. Il getto d'acqua impatta sulla superficie interna di ciascun cucchiaio tangenzialmente.
Centrale Elettrica con Turbine Pelton
Ciascun cucchiaio è costituito da due metà separate da una cresta alta, nota come divisore. Il divisore divide il getto d'acqua in modo che il flusso su entrambi i lati del cucchiaio sia uniforme. Una tacca su ciascun cucchiaio consente al getto d'acqua di fluire in ciascun cucchiaio ad un angolo ottimale. La forma a cucchiaio del cucchiaio fa sì che l'energia cinetica del getto d'acqua venga convertita in energia meccanica gradualmente, mentre l'acqua completa una curva di 180 gradi nel cucchiaio. L'energia meccanica si manifesta come coppia sull'albero del rotore, che causa la rotazione del rotore. Dopo aver lasciato il cucchiaio, l'acqua viene scaricata attraverso una vasca di scarico.
Poiché il rotore Pelton è collegato su un albero comune a un generatore, il generatore inizia a generare elettricità non appena il rotore ruota. Il generatore converte l'energia meccanica fornita dal rotore in energia elettrica, che può quindi essere trasferita attraverso una rete elettrica ai consumatori finali.
Rete Elettrica
Controllo del Flusso
Un ago (o lancia) regola il getto d'acqua dell'ugello. L'ago può essere ritratto per consentire il flusso completo, o premuto contro l'ugello per fermare completamente il flusso. In caso di emergenza, l'acqua può essere spruzzata sul retro dei cucchiai del rotore per fermarlo.
Impulso Spiegato
La forza applicata su un periodo di tempo è conosciuta come impulso. L'impulso viene applicato ai cucchiai del rotore per tutto il tempo in cui il getto d'acqua impatta sul cucchiaio. L'impulso fa ruotare il rotore Pelton cambiando il suo momento. A causa della natura dell'impulso, una grande forza applicata per un breve periodo di tempo, causerà lo stesso cambiamento di momento di una piccola forza applicata per un lungo periodo di tempo. Poiché l'impulso viene utilizzato per cambiare il momento delle turbine Pelton, queste sono classificate come turbine ad impulso e i cucchiai sono anche chiamati palette ad impulso.
Cucchiai della Turbina Pelton
Caratteristiche Interessanti
Le turbine Pelton sono adatte per applicazioni ad alta caduta e basso flusso. Tipicamente, sono installate in aree dove le cadute improvvise di elevazione sono una caratteristica naturale del terreno locale.
Gamma di Flusso e Caduta delle Turbine Idrauliche
Il rotore Pelton ruota in aria, in condizioni atmosferiche, le turbine Pelton sono quindi turbine senza pressione.
La maggior parte delle turbine Pelton utilizza tra uno e cinque ugelli.
È possibile montare uno o più rotori Pelton su un singolo albero.
L'efficienza delle turbine Pelton spesso supera il 90% quando vengono soddisfatte le giuste condizioni operative.
A differenza delle turbine ad acqua a reazione, le turbine Pelton non richiedono un tubo di scarico perché operano in un ambiente senza pressione.
Le turbine Pelton possono essere orientate orizzontalmente o verticalmente. Le unità più piccole tendono ad essere orientate orizzontalmente, mentre le unità più grandi tendono ad essere orientate verticalmente.
Le turbine Pelton possono essere grandi. I più grandi rotori Pelton al mondo hanno un diametro di 4,6 metri e operano con una caduta di oltre 1.800 metri. Ciascun rotore è alimentato da una condotta forzata caricata a 200 bar di pressione. Cinque ugelli di spruzzo per rotore creano getti d'acqua che escono da ciascun ugello a 192 metri/secondo. Ciascun rotore è valutato a più di 400 MW.
Componenti del Modello 3D
Questo modello 3D mostra tutti i principali componenti associati a una tipica turbina idroelettrica Pelton, tra cui:
- Ingresso di Aspirazione
- Scarico
- Rotore Pelton (Cucchiai e Ruota)
- Cuscinetti
- Carcassa
- Albero di Trasmissione
- Maniglia del Regolatore di Velocità
- Ago/Lancia
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Risorse Aggiuntive
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Pelton_turbine
https://themechanicalengineering.com/pelton-wheel-turbine
https://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel