Wprowadzenie
Turbina Peltona to rodzaj turbiny hydroelektrycznej stosowanej w przemyśle energetycznym. W przeciwieństwie do turbiny Francisa i turbiny Kaplana, turbiny Peltona są turbinami impulsowymi.
Mimo że turbiny Peltona są bardzo wydajne, nie są tak powszechne jak turbiny Kaplana i turbiny Francisa, ponieważ turbina Peltona wymaga znacznej różnicy wysokości (różnicy poziomów między górnym a dolnym zbiornikiem), aby działać; to ogranicza jej zastosowanie do określonych obszarów geograficznych.
Elektrownie wodne należą do sektora energii odnawialnej i są klasyfikowane jako 'zielona' forma wytwarzania energii.
Historia
Turbina Peltona została wynaleziona przez Lestera Allana Peltona w latach 70. XIX wieku. Lester Pelton nie był pierwszym, który próbował wykorzystać energię impulsową do napędzania turbiny wodnej, ale był pierwszym, który stworzył wydajną turbinę wodną impulsową.
Oryginalny projekt Lestera Peltona
Turbiny impulsowe
Turbiny impulsowe przekształcają energię kinetyczną w energię mechaniczną. Część turbiny, która przekształca energię kinetyczną w mechaniczną, nazywana jest wirnikiem. Część turbiny, która przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną, nazywana jest generatorem.
Wirnik Peltona składa się z serii zakrzywionych kubełków zamontowanych na zewnętrznej krawędzi okrągłego koła. Z tego powodu wirnik Peltona jest czasami nazywany kołem Peltona.
Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasz Kurs wideo o elektrowniach wodnych! Kurs zawiera quiz, podręcznik i otrzymasz certyfikat po ukończeniu kursu. Miłej nauki!
Komponenty turbiny Peltona
Kubełki
Kubełki, lub łopatki impulsowe, są odlewane w dwóch kształtach kubków przylegających do siebie. Te kubełki 'łapią' strumień wody i kierują przepływ stopniowo do tyłu. Dzięki konstrukcji kubełków, prawie cała energia kinetyczna wody jest wykorzystywana jako moment obrotowy przed wypływem.
Koło
Koło Peltona jest bardzo ciężkie i działa jako koło zamachowe. Koło zamachowe magazynuje energię obrotową i przeciwdziała zmianom prędkości obrotowej. Ilość energii magazynowanej w kole zamachowym jest pierwiastkiem kwadratowym jego prędkości obrotowej.
Wał napędowy
Wał napędowy łączy wirnik turbiny z generatorem, co umożliwia przekształcenie energii mechanicznej z obracającego się wirnika w energię elektryczną. Turbiny Peltona mogą być również używane jako napędy główne dla innych urządzeń obrotowych, np. pompy mechanicznej.
Iglica/Dysza
Iglica/dysza kontroluje przepływ wody przez dyszę, a tym samym ilość siły wywieranej na koło. Nie wszystkie koła Peltona mają iglicę lub dyszę.
Regulator iglicy
Regulator iglicy może być obsługiwany ręcznie, elektrycznie lub hydraulicznie. Duże turbiny Peltona regulują iglicę wyłącznie hydraulicznie.
Jak działają turbiny Peltona
Woda jest dostarczana przez przewód ciśnieniowy znany jako rura ciśnieniowa. Rura ciśnieniowa tworzy stronę ssącą turbiny i łączy górny zbiornik z turbiną. Na końcu rury ciśnieniowej znajduje się dysza natryskowa.
Dysza natryskowa przekształca energię potencjalną wody w energię kinetyczną, która objawia się jako strumień wody o dużej prędkości, który jest rozpylany z dyszy w kierunku kubełków wirnika Peltona. Strumień wody uderza w wewnętrzną powierzchnię każdego kubełka stycznie.
Elektrownia wykorzystująca turbiny Peltona
Każdy kubełek składa się z dwóch połówek oddzielonych wysokim grzbietem, znanym jako dzielnik. Dzielnik dzieli strumień wody, aby przepływ do obu stron kubełka był równy. Wcięcie na każdym kubełku pozwala strumieniowi wody wpływać do każdego kubełka pod optymalnym kątem. Łyżkowaty kształt kubełka powoduje, że energia kinetyczna strumienia wody jest stopniowo przekształcana w energię mechaniczną, gdy woda wykonuje obrót o 180 stopni w kubełku. Energia mechaniczna objawia się jako moment obrotowy na wale wirnika, co powoduje jego obrót. Po opuszczeniu kubełka woda jest odprowadzana przez dołek odpływowy.
Ponieważ wirnik Peltona jest połączony na wspólnym wale z generatorem, generator zaczyna wytwarzać energię elektryczną, gdy tylko wirnik się obraca. Generator przekształca energię mechaniczną dostarczaną przez wirnik w energię elektryczną, która może być następnie przesyłana przez sieć elektryczną do odbiorców końcowych.
Sieć elektryczna
Kontrola przepływu
Iglica (lub dysza) reguluje strumień wody z dyszy. Iglica może być cofnięta, aby umożliwić pełny przepływ, lub dociskana do dyszy, aby całkowicie zatrzymać przepływ. W przypadku awarii woda może być rozpylana na tył kubełków wirnika, aby go zatrzymać.
Wyjaśnienie impulsu
Siła działająca przez pewien czas jest znana jako impuls. Impuls jest stosowany do kubełków wirnika przez cały czas, gdy strumień wody uderza w kubełek. Impuls powoduje obrót wirnika Peltona poprzez zmianę jego pędu. Ze względu na charakter impulsu, duża siła działająca przez krótki czas spowoduje taką samą zmianę pędu jak mała siła działająca przez długi czas. Ponieważ impuls jest używany do zmiany pędu turbin Peltona, turbiny Peltona są klasyfikowane jako turbiny impulsowe, a kubełki są również nazywane łopatkami impulsowymi.
Kubełki turbiny Peltona
Interesujące cechy
Turbiny Peltona są odpowiednie do zastosowań o dużej różnicy wysokości i małym przepływie. Zazwyczaj są instalowane w obszarach, gdzie nagłe spadki wysokości są naturalną cechą lokalnego terenu.
Zakresy przepływu i wysokości turbin wodnych
Wirnik Peltona obraca się w powietrzu, w warunkach atmosferycznych, dlatego turbiny Peltona są turbinami bezciśnieniowymi.
Większość turbin Peltona wykorzystuje od jednej do pięciu dysz.
Możliwe jest zamontowanie jednego lub wielu wirników Peltona na jednym wale.
Wydajność turbin Peltona często przekracza 90%, gdy spełnione są odpowiednie warunki pracy.
W przeciwieństwie do turbin reakcyjnych, turbiny Peltona nie wymagają rury ssącej, ponieważ działają w środowisku bezciśnieniowym.
Turbiny Peltona mogą być orientowane poziomo lub pionowo. Mniejsze jednostki są zazwyczaj orientowane poziomo, podczas gdy większe jednostki są orientowane pionowo.
Turbiny Peltona mogą być duże. Największe wirniki Peltona na świecie mają średnicę 4,6 metra i działają przy różnicy wysokości ponad 1 800 metrów. Każdy wirnik jest zasilany z rury ciśnieniowej, która jest ładowana do ciśnienia 200 barów. Pięć dysz natryskowych na wirnik tworzy strumienie wody, które opuszczają każdą dyszę z prędkością 192 metrów na sekundę. Każdy wirnik ma moc ponad 400 MW.
Komponenty modelu 3D
Ten model 3D pokazuje wszystkie główne komponenty związane z typową turbiną hydroelektryczną Peltona, w tym:
- Wlot ssący
- Wypływ
- Wirnik Peltona (kubełki i koło)
- Łożyska
- Obudowa
- Wał napędowy
- Rączka regulatora prędkości
- Iglica/Dysza
Dodatkowe zasoby
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Pelton_turbine
https://themechanicalengineering.com/pelton-wheel-turbine
https://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel