Wprowadzenie
Ten artykuł omawia rodzaje turbin hydroelektrycznych, ich projekty, kategoryzacje oraz typowe zastosowania. Omówiono turbiny impulsowe i reakcyjne, a także właściwości każdej z nich. Francis, Kaplan i Pelton turbiny wodne są omówione szczegółowo, wraz z ich zasadami działania.
Krótka lekcja historii
Koła wodne są przodkami nowoczesnych turbin hydroelektrycznych. Współczesnym odpowiednikiem koła wodnego jest dziś ‘wirnik turbiny’. Projekty wirników turbin mogły się znacznie zmienić w ciągu ostatniego tysiąca lat, ale ich cel nie. Celem wirnika turbiny hydroelektrycznej jest przekształcenie energii potencjalnej w energię mechaniczną. Ta energia mechaniczna może być używana do wykonywania użytecznej pracy, takiej jak obracanie wirników pomp w pompach lub wirników w generatorach elektrycznych. W tym wideo skupimy się na powszechnych projektach wirników turbin hydroelektrycznych, które są używane w inżynierii energetycznej.
Koło wodne
Powszechne wirniki turbin
Trzy najczęściej spotykane wirniki turbin to Francis, Kaplan i Pelton. Turbiny Francis i Pelton zostały wynalezione w XIX wieku przez Jamesa Francisa i Lestera Peltona odpowiednio. Wirnik typu śmigło o zmiennym skoku został wynaleziony przez Victora Kaplana na początku XX wieku. Istnieją wirniki typu śmigło stałe, ale tylko wirnik typu śmigło o zmiennym skoku jest nazywany wirnikiem turbiny Kaplan. Istnieją inne projekty wirników, takie jak Deriaz i przepływ poprzeczny, ale są one mniej powszechne. Każdy wirnik ma różne charakterystyki pracy i każdy wirnik jest odpowiedni tylko w określonych zakresach spadków i przepływów; jednak możliwe jest, że kilka projektów wirników może być odpowiednich dla wspólnego zastosowania.
Klasyfikacja wirników turbin hydroelektrycznych
Wirniki turbin hydroelektrycznych można kategoryzować na różne sposoby:
-
Trzy powszechne projekty turbin hydroelektrycznych to Kaplan, Pelton i Francis.
-
Istnieją turbiny reakcyjne (Kaplan i Francis) oraz impulsowe (Pelton), które są odpowiednio ciśnieniowe i bezciśnieniowe.
-
Według rodzaju przepływu przez lub na łopatki wirnika lub kubełki (osiowe, mieszane, styczne i promieniowe turbiny przepływowe).
-
Według objętościowego natężenia przepływu dostarczanego do wirnika.
-
Według prędkości specyficznej wirnika.
-
Według ciśnienia spadku operacyjnego.
Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasz Kurs wideo o elektrowniach wodnych! Kurs zawiera quiz, podręcznik, a po jego ukończeniu otrzymasz certyfikat. Ciesz się!
Klasyfikacja według energii
Turbiny reakcyjne są turbinami ciśnieniowymi i polegają na ciągłym strumieniu wody od górnego zbiornika do dolnego zbiornika. Turbiny reakcyjne wykorzystują kształt łopatek wirnika do tworzenia różnicy ciśnień między stroną ssącą a stroną wylotową łopatek. Zmiana ciśnienia na łopatkach reprezentuje ilość energii, która jest przekształcana w energię mechaniczną, chociaż energia kinetyczna jest również przekształcana w energię mechaniczną przez ten typ turbiny. Wirniki Francis i Kaplan to wirniki typu reakcyjnego.
Zasada działania turbiny reakcyjnej
Turbiny impulsowe są turbinami bezciśnieniowymi. Turbiny impulsowe polegają na strumieniach wody, które są kierowane stycznie na kubełki. Gdy woda uderza w każdy kubełek, kubełki odsuwają się od każdego strumienia, a moment obrotowy jest przenoszony na wał wirnika, co powoduje jego obrót. Wirniki turbin Pelton mogą być napędzane przez jeden lub wiele strumieni wody. Wirnik Pelton jest najczęstszym typem wirnika impulsowego.
Zasada działania turbiny impulsowej
Klasyfikacja według przepływu
Wirniki można klasyfikować jako osiowe, mieszane, promieniowe, poprzeczne lub styczne przepływowe. Gdy woda przepływa równolegle przez wirnik, jest to wirnik osiowego przepływu. Gdy woda przepływa promieniowo przez wirnik, zarówno do wewnątrz, jak i na zewnątrz, jest to wirnik przepływu promieniowego. Wirniki, które wykorzystują zarówno przepływ osiowy, jak i promieniowy, nazywane są wirnikami mieszanego przepływu. W praktyce wirniki typu reakcyjnego są zazwyczaj albo osiowe, albo mieszane. Wirniki Kaplan są klasyfikowane jako wirniki osiowego przepływu, podczas gdy wirniki Francis są klasyfikowane jako wirniki mieszanego przepływu. Wirniki Pelton są wirnikami stycznego przepływu, ponieważ woda uderza w kubełki stycznie. Wirniki turbin przepływu poprzecznego są kategoryzowane jako wykorzystujące przepływ poprzeczny, ponieważ woda przepływa z jednej strony wirnika i wychodzi z drugiej.
Klasyfikacja według prędkości
Prędkość specyficzna jest podawana w obrotach na minutę (obr/min), odnosi się do prędkości wirnika, gdyby został zredukowany do rozmiaru, w którym generuje jednostkę mocy. Zmniejszenie wirnika do rozmiaru, w którym generuje tylko jedną jednostkę mocy, pozwala nam porównać prędkość specyficzną wirników turbin o różnych projektach.
-
Niska prędkość specyficzna to turbiny o prędkości specyficznej mniejszej niż 50.
-
Średnia prędkość specyficzna to turbiny o prędkości specyficznej od 50 do 250.
-
Wysoka prędkość specyficzna to turbiny działające przy prędkościach specyficznych powyżej 250.
Klasyfikacja według ciśnienia spadku
Ciśnienie spadku mierzy się różnicą wysokości między górnym zbiornikiem a dolnym zbiornikiem. Niska spadek to turbina o ciśnieniu operacyjnym 30 m lub mniej, średnia spadek to turbina o ciśnieniu operacyjnym między 30 a 300 m, a wysoka spadek to elektrownia o ciśnieniu operacyjnym powyżej 300 m.
Czynniki wpływające na wydajność
Niezależnie od projektu wirnika turbiny, ilość energii potencjalnej, która może być przekształcona w energię mechaniczną, zależy od trzech głównych zmiennych:
-
Dostępny spadek
-
Natężenie przepływu
-
Wydajność wirnika turbiny
Spadek to różnica wysokości między górnym zbiornikiem a dolnym zbiornikiem. Natężenie przepływu jest określane przez przekrój poprzeczny przewodników wodnych i prędkość przepływu. Wydajność turbiny zależy od projektu wirnika turbiny i zastosowania, jeśli odpowiedni wirnik jest używany do odpowiedniego zastosowania, często można osiągnąć wydajności powyżej 90% dla wszystkich powszechnych projektów wirników.
Wirniki turbin wodnych
Omówiono krótko turbiny impulsowe, turbiny reakcyjne i trzy najczęściej spotykane projekty wirników turbin wodnych. Ten artykuł teraz przyjrzy się każdemu projektowi wirnika bardziej szczegółowo.
Turbiny Francis
Wirniki Francis składają się z serii stałych łopatek połączonych z koroną wirnika na górze i paskiem wirnika na dole. Ten typ wirnika przekształca zarówno energię ciśnienia, jak i energię kinetyczną w energię mechaniczną.
Zasada działania turbiny Francis
Wygląd wirników Francis może się znacznie różnić, co wynika z warunków i prędkości, w jakich wirnik ma działać. Wirniki Francis mają szeroki zakres pracy i mogą być używane do wielu zastosowań związanych ze spadkiem i przepływem, co czyni je bardzo powszechnym typem wirnika.
W przeciwieństwie do innych projektów wirników turbin, turbina Francis nie zmniejsza znacznie wydajności, dopóki obciążenie nie zmniejszy się do około 40%, i ma unikalną cechę, że może działać zarówno jako pompa, jak i turbina.
Wirnik turbiny Francis
Wirniki Francis mogą być używane w szerokim zakresie ciśnień i natężeń przepływu; były używane do zastosowań przekraczających 800 MW.
Turbiny Kaplan
Wirniki Kaplan składają się z serii łopatek zamontowanych na centralnym piastie. Każda łopatka może obracać się w swoim mocowaniu, co oznacza, że skok jest regulowany; to jest czynnik różnicujący turbiny Kaplan od turbin typu śmigło stałe. Zazwyczaj turbiny Kaplan wykorzystują od trzech do sześciu łopatek, chociaż możliwe jest użycie do dziesięciu łopatek. Regulowane łopatki o zmiennym skoku mogą być używane do regulacji prędkości obrotowej wirnika, a tym samym regulacji ilości energii potencjalnej, która może być wydobyta z przepływającej wody.
Zasada działania turbiny Kaplan
Turbiny Kaplan są używane do zastosowań o niskim spadku, gdzie występuje średnie do wysokiego natężenie przepływu; to czyni je idealnym wyborem dla elektrowni wodnych z przepływem rzeki i elektrowni wodnych pływowych. Wirniki Kaplan były używane do zastosowań przekraczających 200 MW.
Wirnik turbiny Kaplan
Turbiny Pelton
Wirniki Pelton mają najbardziej charakterystyczny wygląd spośród wszystkich turbin hydroelektrycznych. Zewnętrzna krawędź wirnika zawiera serię kubełków połączonych z okrągłym dyskiem. Strumień wody jest kierowany na te kubełki z dyszy natryskowej, a wynikająca z tego siła impulsu przenoszona na wirnik powoduje jego obrót. Liczba strumieni zależy od rozmiaru wirnika Pelton, chociaż zazwyczaj używa się od jednego do sześciu strumieni.
Zasada działania turbiny Pelton
‘Igła’ jest używana do rozpoczynania, zatrzymywania i regulacji przepływu wody przez dyszę. Igła jest stożkowym elementem, który można wprowadzać lub wycofywać do dyszy w celu regulacji przepływu; jest zazwyczaj sterowana ręcznie lub elektrycznie. To dysza przekształca energię ciśnienia wody w energię kinetyczną, która następnie jest przekształcana w energię mechaniczną przez wirnik. Należy zauważyć, że wirnik Pelton nie przekształca energii ciśnienia w energię mechaniczną, ponieważ działa w warunkach atmosferycznych. Zamiast tego woda jest odprowadzana z kubełków wirnika Pelton bezpośrednio do dołu odpływowego, a następnie do kanału odpływowego.
Turbiny Pelton mogą być instalowane w poziomej lub pionowej orientacji. Mniejsze jednostki zazwyczaj są instalowane w orientacji poziomej, podczas gdy większe jednostki są instalowane w orientacji pionowej.
Turbiny Pelton są używane tylko do zastosowań o wysokim spadku i niskim przepływie. Wirniki Pelton były używane do zastosowań przekraczających 400 MW.
Podsumowanie
W tym artykule nauczyliśmy się, jak działają turbiny impulsowe i reakcyjne. Nauczyliśmy się, jak działają turbiny Francis, Kaplan i Pelton oraz do jakich zastosowań każda turbina jest odpowiednia.
Zawartość tego artykułu pochodzi z naszego Kursu wprowadzającego do inżynierii elektrowni wodnych.
Dodatkowe zasoby
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine