Peltonovo kolo - Pelton wheel
Peltonova kola je impuls -typ vodní turbína vynalezl americký vynálezce Lester Allan Peltonovy v 1870s. Peltonovo kolo získává energii z impulsu pohybující se vody, na rozdíl od vlastní hmotnosti vody, jako tradiční vodní vodní kolo . Mnoho dřívějších variant impulsních turbín existovalo, ale byly méně účinné než Peltonův návrh. Voda opouštějící tato kola měla obvykle vysokou rychlost a odnášela velkou část dynamické energie přiváděné na kola. Geometrie pádel Peltona byla navržena tak, že když okraj běžel poloviční rychlostí vodního paprsku, voda opouštěla kolo s velmi malou rychlostí; jeho návrh tedy extrahoval téměř veškerou impulsní energii vody - což způsobilo velmi efektivní turbínu.
Dějiny
.png)
Lester Allan Pelton se narodil ve Vermillionu v Ohiu v roce 1829. V roce 1850 cestoval po souši, aby se zúčastnil kalifornské zlaté horečky . Pelton pracoval prodejem ryb, které ulovil v řece Sacramento . V roce 1860 se přestěhoval do Camptonville , centra těžařské činnosti. V této době bylo mnoho těžebních operací poháněno parními stroji, které jako palivo spotřebovávaly obrovské množství dřeva. Některá vodní kola byla použita ve větších řekách, ale byla neúčinná v menších tocích, které se nacházely poblíž dolů. Pelton pracoval na návrhu vodního kola, které by fungovalo s relativně malým průtokem v těchto proudech.
V polovině 70. let 19. století Pelton vyvinul dřevěný prototyp svého nového kola. V roce 1876 se obrátil na Miners Foundry v Nevada City v Kalifornii, aby postavil první komerční modely ze železa. První Peltonovo kolo bylo instalováno na dole Mayflower v Nevadě v roce 1878. Výhody účinnosti Peltonova vynálezu byly rychle rozpoznány a jeho produkt byl brzy velmi žádaný. Patentoval svůj vynález 26. října 1880. V polovině osmdesátých let minulého století slévárna horníků nemohla uspokojit poptávku a v roce 1888 prodal Pelton práva na své jméno a patenty na svůj vynález společnosti Pelton Water Wheel Company v San Francisku. . Společnost založila továrnu na hlavní ulici 121/123 v San Francisku .
Společnost Pelton Water Wheel Company vyrobila v San Francisku velké množství Pelton Wheels, které byly dodány po celém světě. V roce 1892 společnost přidala pobočku na východním pobřeží na 143 Liberty Street v New Yorku . Do roku 1900 bylo v provozu přes 11 000 turbín. V roce 1914 společnost přestěhovala výrobu do nových, větších prostor na ulici Alabama 612 v San Francisku. V roce 1956 společnost získala společnost Baldwin-Lima-Hamilton Company , která ukončila výrobu Pelton Wheels.
Na Novém Zélandu, A & G Price v Temži, Nový Zéland vyráběl vodní kola Pelton pro místní trh. Jeden z nich je na venkovní výstavě v Thames Goldmine Experience.
Design
Trysky směřují silné, vysokorychlostní proudy vody proti řadě lžící ve tvaru lžíce, známých také jako impulsní lopatky, které jsou upevněny kolem vnějšího okraje hnacího kola (nazývaného také běžec ). Když vodní paprsek dopadá na lopatky, směr rychlosti vody se mění tak, aby sledoval obrysy lopatek. Impulsní energie vodního paprsku vyvíjí točivý moment na systém korečků a kol a roztočí kolo; vodní paprsek udělá „obrátku“ a vystupuje na vnějších stranách kbelíku zpomalený na nízkou rychlost. V tomto procesu se hybnost vodního paprsku přenáší na kolo, a tedy na turbínu. Energie „ impulsu “ tedy na turbíně funguje . Maximálního výkonu a účinnosti je dosaženo, když je rychlost vodního paprsku dvojnásobkem rychlosti rotujících lopatek. Velmi malé procento původní kinetické energie vodního paprsku zůstane ve vodě, což způsobí vyprázdnění kbelíku stejnou rychlostí, jakou je naplněno, a tím umožní vysokotlaký vstupní tok pokračovat nepřerušeně a bez plýtvání energií.
Obvykle jsou na kolo vedle sebe namontovány dvě vědra, přičemž vodní paprsek je rozdělen na dva stejné proudy; to vyvažuje síly bočního zatížení na kolo a pomáhá zajistit plynulý a účinný přenos hybnosti z vodního paprsku na turbínové kolo.
Protože je voda téměř nestlačitelná, je v první fázi hydraulické turbíny odebírána téměř veškerá dostupná energie. „Proto mají Peltonova kola pouze jeden stupeň turbíny, na rozdíl od plynových turbín, které pracují se stlačitelnou tekutinou.“
Aplikace
Peltonova kola jsou preferovanou turbínou pro vodní energii, kde dostupný zdroj vody má relativně vysokou hydraulickou hlavu při nízkých průtocích. Kola Pelton se vyrábějí ve všech velikostech. Existují multi-ton Peltonovy kola namontovaná na vertikální olej pad ložiska ve vodních elektráren . Největší jednotky - vodní elektrárna Bieudron v komplexu přehrady Grande Dixence ve Švýcarsku - mají výkon přes 400 megawattů .
Nejmenší Peltonova kola mají průměr jen několik palců a lze je využít k čerpání energie z horských potoků s průtokem několika galonů za minutu. Některé z těchto systémů používají k dodávce vody vodovodní armatury pro domácnost . Tyto malé jednotky jsou doporučeny pro použití s 30 metrů (100 stop) nebo více hlavy, aby generovaly významné úrovně výkonu. V závislosti na průtoku a konstrukci vody fungují kola Pelton nejlépe s hlavami od 15 do 1 800 metrů (50 až 5 910 stop), ačkoli teoretický limit neexistuje.
Pravidla návrhu
Rychlost specifický parametr je nezávislý na velikosti konkrétního turbíny.
Ve srovnání s jinými konstrukcemi turbíny, relativně nízká specifická rychlost Peltonova kola znamená, že geometrie je ve své podstatě konstrukcí „s nízkým převodem “. Proto je nejvhodnější být napájen vodním zdrojem s nízkým poměrem průtoku k tlaku (což znamená relativně nízký průtok a/nebo relativně vysoký tlak).
Specifická rychlost je hlavním kritériem pro sladění konkrétního hydroelektrárny s optimálním typem turbíny. Umožňuje také škálování nové konstrukce turbíny oproti stávající konstrukci se známým výkonem.
(bezrozměrný parametr),
kde:
- = Frekvence otáčení (ot / min)
- = Výkon (W)
- = Vodní výška (m)
- = Hustota (kg/m 3 )
Vzorec znamená, že Peltonova turbína je zaměřen nejvhodněji pro aplikace s relativně vysokou hydraulickou hlavy H , vzhledem k je větší 5/4 exponent než jedna, a vzhledem k charakteristicky nízkou rychlost specifickou Peltonovy.
Fyzika turbin a derivace
Energie a počáteční rychlost paprsku
V ideální ( tření ) případě všechny hydraulické potenciální energie ( E p = MGH ) se přemění na kinetickou energii ( E K = mv 2 /2) (viz Bernoulliho princip ). Srovnáním těchto dvou rovnic a řešením počáteční rychlosti paprsku ( V i ) znamená, že teoretická (maximální) rychlost paprsku je V i = √ 2 gh . Pro jednoduchost předpokládejme, že všechny vektory rychlosti jsou navzájem rovnoběžné. Definování rychlosti oběžného kola jako: ( u ), pak když se paprsek přiblíží k oběžnému kolu , počáteční rychlost paprsku vzhledem k běžci je: ( V i - u ). Počáteční rychlost paprsku je V i
Konečná rychlost paprsku
Za předpokladu, že rychlost paprsku je vyšší než rychlost běžce, pokud se voda nemá v zátokě zálohovat, pak se z důvodu zachování hmotnosti musí hmotnost vstupující do běžce rovnat hmotnosti opouštějící běžce. Předpokládá se, že tekutina je nestlačitelná (přesný předpoklad pro většinu kapalin). Rovněž se předpokládá, že plocha průřezu paprsku je konstantní. Proud rychlost zůstává konstantní vzhledem k běžci. Takže když paprsek ustupuje od běžce, rychlost paprsku vzhledem k běžci je: - ( V i - u ) = - V i + u . Ve standardním referenčním rámci (vzhledem k zemi) je konečná rychlost pak: V f = ( - V i + u) + u = - V i + 2 u .
Optimální rychlost kola
Ideální rychlost běžce způsobí, že veškerá kinetická energie v paprsku bude přenesena na kolo. V tomto případě musí být konečná rychlost paprsku nulová. Pokud - V i + 2 u = 0, pak bude optimální rychlost běžce u = V i /2 nebo polovina počáteční rychlosti paprsku.
Točivý moment
Podle Newtonova druhého a třetího zákona je síla F působící paprskem na běžec stejná, ale opačná k rychlosti změny hybnosti tekutiny, takže
- F = - m ( V f - V i )/ t = - ρQ [( - V i + 2 u ) - V i ] = - ρQ (−2 V i + 2 u ) = 2 ρQ ( V i - u ) ,
kde ρ je hustota a Q je objemová rychlost toku tekutiny. Pokud D je průměr kola, je točivý moment na oběžné dráze
- T = F ( D /2) = ρQD ( V i - u ).
Točivý moment je maximální, když je běhoun zastaven (tj. Když u = 0, T = ρQDV i ). Když je rychlost běžeckého pásu stejná jako počáteční rychlost paprsku, je točivý moment nulový (tj. Když u = V i , pak T = 0). Na grafu točivého momentu proti rychlosti oběžného kola je křivka točivého momentu přímá mezi těmito dvěma body: (0, pQDV i ) a ( V i , 0). Účinnost trysky je poměr tryskové síly k vodní síle na základně trysky.
Napájení
Síla P = Fu = Tω , kde ω je úhlová rychlost kola. Nahrazením F máme P = 2 ρQ ( V i - u ) u . Chcete -li zjistit rychlost běžec při maximálním výkonu, vezměte derivaci P vzhledem k u a nastavte ji na nulu, [ dP / du = 2 ρQ ( V i - 2 u )]. Maximální výkon nastane, když u = V i /2. P max = ρQV i 2 /2. Nahrazením počátečního paprskového výkonu V i = √ 2 gh se to zjednoduší na P max = ρghQ . Toto množství se přesně rovná kinetické síle paprsku, takže v tomto ideálním případě je účinnost 100%, protože veškerá energie v paprsku je převedena na výkon hřídele.
Účinnost
Výkon kola dělený počátečním proudovým výkonem je účinnost turbíny, η = 4 u ( V i - u )/ V i 2 . Je nula pro u = 0 a pro u = V i . Jak ukazují rovnice, když skutečné Peltonovo kolo pracuje blízko maximální účinnosti, tekutina z kola proudí s velmi malou zbytkovou rychlostí. Energetická účinnost se teoreticky mění pouze s účinností trysky a kola a nemění se s hydraulickou hlavou. Termín „účinnost“ může odkazovat na: hydraulickou, mechanickou, objemovou, kolovou nebo celkovou účinnost.
Součásti systému
Vedení přivádějící vysokotlakou vodu do impulsního kola se nazývá předpažbí . Původně byl kohoutek název ventilu, ale termín byl rozšířen tak, aby zahrnoval veškerou hydrauliku přívodu kapaliny. Penstock se nyní používá jako obecný termín pro průchod vody a ovládání, které je pod tlakem, ať už dodává impulsní turbínu nebo ne.