Колесо Пелтона - Pelton wheel

Старое колесо Пелтона из Гидроэлектростанция Вальхензее, Германия.

А Колесо Пелтона является импульс -тип водяная турбина изобретен американским изобретателем Лестер Аллан Пелтон в 1870-х гг.^[1][2] Колесо Пелтона извлекает энергия от импульса движущейся воды, в отличие от собственного веса воды, как при традиционном промахе водяное колесо. Существовало много более ранних вариантов импульсных турбин, но они были меньше эффективный чем дизайн Пелтона. Вода, выходящая из этих колес, обычно все еще имела высокую скорость, унося большую часть динамической энергии, передаваемой колесам. Геометрия лопастей Пелтона была спроектирована так, что когда обод двигался со скоростью, равной половине скорости водяной струи, вода покидала колесо с очень небольшой скоростью; таким образом, его конструкция извлекала почти всю энергию импульса воды, что позволило получить очень эффективную турбину.

История

Рисунок из Лестер Аллан Пелтон оригинальный патент от октября 1880 г.

Лестер Аллан Пелтон родился в Вермиллион, Огайо в 1829 году. В 1850 году он путешествовал по суше, чтобы принять участие в Калифорнийская золотая лихорадка. Пелтон работал, продавая рыбу, которую поймал в Река Сакраменто.^[3] В 1860 году он переехал в Camptonville, центр россыпная добыча Мероприятия. В то время многие операции по добыче полезных ископаемых осуществлялись за счет Паровые двигатели которые потребляли огромное количество древесины в качестве топлива. Некоторые водяные колеса использовались в более крупных реках, но они были неэффективны в меньших ручьях, которые были обнаружены возле шахт. Пелтон работал над конструкцией водяного колеса, которое могло бы работать с относительно небольшим потоком в этих ручьях.^[4]

К середине 1870-х годов Пелтон разработал деревянный прототип своего нового колеса. В 1876 г. он подошел к Горняки Литейный завод в Невада-Сити, Калифорния построить первые коммерческие модели из железа. Первое колесо Пелтона было установлено на шахте Мэйфлауэр в Невада-Сити в 1878 году.^[4]. Преимущества в эффективности изобретения Пелтона были быстро признаны, и вскоре его продукт стал пользоваться большим спросом. Он запатентовал свое изобретение 26 октября 1880 г.^[5]. К середине 1880-х годов литейный завод горняков не смог удовлетворить спрос, и в 1888 году Пелтон продал права на свое имя и патенты на свое изобретение компании Pelton Water Wheel Company в Сан-Франциско. Компания открыла завод на главной улице 121/123 в г. Сан-Франциско.^[6]

Компания Pelton Water Wheel произвела большое количество колес Pelton в Сан-Франциско, которые были отправлены по всему миру. В 1892 году Компания открыла филиал на восточном побережье по адресу 143 Liberty Street в г. Нью-Йорк. К 1900 году в эксплуатации находилось более 11 000 турбин. В 1914 году компания переехала в новое, более просторное помещение по адресу 612 Alabama Street в Сан-Франциско. В 1956 году компания была приобретена Компания Болдуин-Лима-Гамильтон, которая закончила производство Pelton Wheels.^[6]

В Новой Зеландии Цена A&G в Темза, Новая Зеландия производила водяные колеса Pelton для местного рынка. Один из них выставлен под открытым небом в Thames Goldmine Experience.

Дизайн

Форсунки направляют мощные высокоскоростные потоки воды на серию ложкообразных ведер, также известных как импульсные лопасти, которые установлены вокруг внешнего обода ведущего колеса (также называемого бегун). Когда струя воды попадает на лопасти, направление скорости воды изменяется, чтобы соответствовать контурам лопастей. Импульсная энергия водяной струи оказывает крутящий момент на ковшево-колесную систему, вращая колесо; водяная струя делает "разворот" и выходит с внешних сторон ковша, замедляясь до небольшой скорости. При этом импульс водяной струи передается на колесо и, следовательно, на турбину. Таким образом, "импульс "энергия делает работай на турбине. Максимальная мощность и эффективность достигаются, когда скорость водяной струи в два раза превышает скорость вращающихся лопаток. Очень маленький процент оригинального водомета. кинетическая энергия будет оставаться в воде, что приводит к опорожнению ведра с той же скоростью, с которой оно наполняется, и, таким образом, позволяет входящему потоку высокого давления продолжать непрерывно и без потерь энергии.

Обычно два ведра устанавливаются бок о бок на колесе, при этом струя воды разделяется на два равных потока; это уравновешивает силы боковой нагрузки на колесо и помогает обеспечить плавную и эффективную передачу количества движения от водяной струи к турбинному колесу.

Поскольку вода почти несжимаема, почти вся доступная энергия извлекается на первой ступени гидравлической турбины. «Следовательно, колеса Пелтона имеют только одну ступень турбины, в отличие от газовых турбин, которые работают на сжимаемой жидкости».^[7]

Приложения

Сборка колеса Пелтона на Гидроэлектростанция Вальхензее, Германия.

Колеса Пелтона являются предпочтительными турбинами для гидроэнергетики, где доступный источник воды имеет относительно высокий гидравлическая головка при малых расходах. Колеса Pelton производятся всех размеров. Существуют многотонные колеса Pelton, установленные на вертикальной масляной подушке. подшипники в гидроэлектростанции. Самые крупные агрегаты - Гидроэлектростанция Бьедрон на Плотина Гранд Диксенс комплекса в Швейцарии - более 400 мегаватты.^[8]

Самые маленькие колеса Пелтона имеют диаметр всего несколько дюймов и могут использоваться для отбора энергии из горных ручьев, имеющих поток несколько галлонов в минуту. Некоторые из этих систем используют бытовые сантехника приспособления для подачи воды. Эти небольшие блоки рекомендуются для использования с напором 30 метров (100 футов) или более для выработки значительных уровней мощности. В зависимости от расхода воды и конструкции колеса Pelton лучше всего работают с напором от 15 до 1800 метров (50–5 910 футов), хотя теоретических ограничений нет.

Правила оформления

Разрез турбинной установки Пелтона.

В удельная скорость ${displaystyle eta _{s}}$ параметр не зависит от размера конкретной турбины.

По сравнению с другими конструкциями турбин, относительно низкая удельная скорость колеса Пелтона, подразумевает, что геометрия по своей сути является "низкая передача "конструкция. Таким образом, он наиболее подходит для подпитки от гидроисточника с низким отношением расхода к давлению (что означает относительно низкий расход и / или относительно высокое давление).

Конкретная скорость является основным критерием соответствия конкретной гидроэлектростанции оптимальному типу турбины. Это также позволяет масштабировать новую конструкцию турбины по сравнению с существующей конструкцией известной производительности.

${displaystyle eta _{s}=n{sqrt {P}}/{sqrt {ho }}(gH)^{5/4}}$ (размерный параметр), ^[9]

куда:

• ${displaystyle n}$ = Частота вращения (об / мин)
• ${displaystyle P}$ = Мощность (Вт)
• ${displaystyle H}$ = Напор воды (м)
• ${displaystyle ho }$ = Плотность (кг / м³)

Из формулы следует, что турбина Пелтона приспособлен наиболее подходит для применений с относительно высоким гидравлическим напором ЧАСиз-за того, что показатель степени 5/4 больше единицы, и с учетом характерно низкой удельной скорости Пелтона.^[10]

Физика турбин и их вывод

Энергия и начальная скорость струи

В идеале (без трения ) корпус, все гидравлические потенциальная энергия (E_п = mgh) преобразуется в кинетическая энергия (E_k = мв²/ 2) (см. Принцип Бернулли ). Приравнивая эти два уравнения и решая для начальной скорости струи (V_я) означает, что теоретическая (максимальная) скорость струи равна V_я = √2gh. Для простоты предположим, что все векторы скорости параллельны друг другу. Определение скорости бегунка колеса как: (ты), то по мере приближения струи к бегуну начальная скорость струи относительно бегунка равна: (V_я − ты).^[10]Начальная скорость струи V_я

Конечная скорость струи

Предполагая, что скорость струи выше, чем скорость бегуна, если вода не должна подпитывать бегунок, то из-за сохранения массы масса, попадающая в бегунок, должна равняться массе, покидающей бегун. Предполагается, что жидкость несжимаема (точное предположение для большинства жидкостей). Также предполагается, что площадь поперечного сечения струи постоянна. Струя скорость остается постоянным относительно бегуна. Таким образом, когда струя удаляется от рабочего колеса, скорость струи относительно рабочего колеса равна: - (V_я − ты) = −V_я + ты. В стандартной системе отсчета (относительно земли) конечная скорость тогда равна: V_ж = (−V_я + и) + ты = −V_я + 2ты.

Оптимальная скорость вращения колес

Мы знаем, что при идеальной скорости бегуна вся кинетическая энергия в струе передается на колесо. В этом случае конечная скорость струи должна быть равна нулю. Если мы позволим -V_я + 2ты = 0, то оптимальная скорость бегуна будет ты = V_я / 2, или половина начальной скорости струи.

Крутящий момент

К Второй и третий законы Ньютона, сила F налагаемое струей на бегунок равно скорости изменения количества движения жидкости, но противоположно ей, поэтому

F = −м(V_ж − V_я)/т = −ρQ[(−V_я + 2ты) − V_я] = −ρQ(−2V_я + 2ты) = 2ρQ(V_я − ты),

куда ρ это плотность, а Q - объемный расход жидкости. Если D диаметр колеса, крутящий момент на бегунке

Т = F(D/2) = ρQD(V_я − ты).

Крутящий момент максимален, когда бегунок остановлен (т.е. когда ты = 0, Т = ρQDV_я). Когда скорость рабочего колеса равна начальной скорости струи, крутящий момент равен нулю (т.е. когда ты = V_я, тогда Т = 0). На графике зависимости крутящего момента от скорости рабочего колеса кривая крутящего момента проходит прямо между этими двумя точками: (0, pQDV_я) и (V_я, 0).^[10]Эффективность сопла - это отношение мощности струи к мощности воды в основании сопла.

Мощность

Сила п = Фу = Tω, куда ω - угловая скорость колеса. Замена на F, у нас есть п = 2ρQ(V_я − ты)ты. Чтобы найти скорость бегуна при максимальной мощности, возьмите производную от п относительно ты и установите его равным нулю, [dP/ду = 2ρQ(V_я − 2ты)]. Максимальная мощность достигается, когда ты = V_я /2. п_{Максимум} = ρQV_я²/ 2. Подстановка начальной реактивной мощности V_я = √2gh, это упрощает п_{Максимум} = ρghQ. Эта величина в точности равна кинетической мощности струи, поэтому в этом идеальном случае эффективность составляет 100%, поскольку вся энергия струи преобразуется в мощность вала.^[10]

Эффективность

Мощность колеса, деленная на начальную реактивную мощность, представляет собой КПД турбины, η = 4ты(V_я − ты)/V_я². Это ноль для ты = 0 и для ты = V_я. Как показывают уравнения, когда реальное колесо Пелтона работает с максимальной эффективностью, жидкость стекает с колеса с очень небольшой остаточной скоростью.^[10] Теоретически энергоэффективность зависит только от эффективности сопла и колеса и не зависит от гидравлического напора.^[11]Термин «эффективность» может означать: гидравлический, механический, объемный, колесный или общий КПД.

Системные компоненты

Деталь ковша на небольшой турбине.

Трубопровод, по которому вода под высоким давлением поступает к импульсному колесу, называется затвор. Первоначально затвор был названием клапана, но этот термин был расширен и теперь включает всю гидравлическую систему подачи жидкости. Затвор теперь используется как общий термин для водяного канала и регулятора, находящегося под давлением, независимо от того, питает он импульсную турбину или нет.^[10]

Смотрите также

• Пельтрик набор
• Центробежный насос

Рекомендации

1. «КОРОВА, ПОМОЩАЯ НАУКЕ». The South Eastern Times (1661). Южная Австралия. 24 ноября 1922 г. с. 6. Получено 10 марта 2017 - через Национальную библиотеку Австралии.
2. «ГОРНЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ». Launceston Examiner. XLV (210). Тасмания, Австралия. 22 августа 1885 г. с. 3. Получено 10 марта 2017 - через Национальную библиотеку Австралии.
3. Lescohier, Роджер П. (2011). Лестер Пелтон и водяное колесо Пелтона. Историческое общество округа Невада. ISBN  978-0-915641-15-4.
4. "Лестер Аллан Пелтон". Американское общество инженеров-механиков.
5. Патент США 233692, Л. А. Пелтон, "Водяное колесо", опубликовано 26 октября 1880 г. 
6. "Результаты исследования исторических ресурсов Showplace Square" (PDF). Департамент планирования Сан-Франциско. 2012 г.
7. Вагнер, Герман-Йозеф; Матур, Джотирмай (2011). Введение в гидроэнергетические системы. Зеленая энергия и технологии. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. п. 86. Дои:10.1007/978-3-642-20709-9. ISBN  978-3-642-20708-2.
8. http://www.grande-dixence.ch/en#bieudron
9. Сэйерс, А. Т. (1990). Гидравлические и сжимаемые турбомашины. Mcgraw Hill Book Co Ltd. ISBN  978-0-07-707219-3.
10. Технический вывод основ физики импульсных турбин Дж. Калверта
11. Водяная турбина Pelton Wheel, Страницы Рона Амбергера

внешняя ссылка

• Пример Hydro на ранчо Дорадо Виста