Гидротурбина Пелтона

Импульсные турбины - это водяные турбины, использующие кинетическую энергию высоконапорных струй для выполнения работы. Вода из водохранилищ с высоким напором направляется к турбине через водоводы. Вода высокого давления преобразуется в высокоскоростные струи через сопла турбины, которые затем ударяют по ковшам турбины, заставляя турбину вращаться и выполнять работу.
Существует три основных типа импульсных турбин:Гидротурбины Пелтона, Гидротурбины Турго, и поперечно-поточные турбины. В этом разделе представлены более широко используемые турбины Пелтона и турбины Турго.

Ротор и принцип работы

На рисунке 1 показан ротор турбины Пелтона, вид спереди слева и вид сбоку справа. Ротор состоит из диска колеса и нескольких ковшей, поэтому его также называют ковшовой турбиной.

Рисунок-1 Ротор турбины Пелтона

Рисунок 2 представляет собой поперечный разрез ковша. Из поперечного сечения ковша видно, что ковш состоит из двух ложкообразных тел, расположенных рядом. Поток воды направляется в два ложкообразных тела, приводя в движение ротор.

Рисунок-2 поперечный разрез ковша

Рисунок 3 - это схема принципа работы турбины Пелтона. Высокоскоростной поток воды распыляется в сторону ковшей через сопло, отражается и вытекает из ковшей. Кинетическая энергия воды толкает ковши, позволяя ротору вращаться. Синие линии показывают поток воды, распыляемый соплом, и поток воды, отраженный ротором.

Рисунок 3 - Принцип работы турбины Пелтона

Рисунок 4 - это схема, показывающая направление потока воды, попадающей на ковши. Высокоскоростной поток воды, вытекающий из сопла, направляется к ковшам, разделяется входной кромкой на рабочие поверхности с обеих сторон, а затем отражается из ковшей рабочими поверхностями. Отразившись от ковшей, высокоскоростной поток передает свою кинетическую энергию ковшам, толкая их вперед.

Рисунок-4 Струя потока ротора турбины Пелтона

Инжекционный механизм

Инжекционный механизм, сокращенно называемый соплом, в основном состоит из сопла, иглы и механизма перемещения иглы. Размер выходного отверстия сопла изменяется путем перемещения иглы внутри сопла, тем самым изменяя скорость потока воды из сопла для регулировки мощности турбины. Рисунок 5 - это схематическая диаграмма структуры инжекционного механизма, в которой игла втянута в трубу, а сопло находится в открытом состоянии.

Рисунок 5 - структура входного отверстия трубы и инжекционного механизма

Перемещение иглы осуществляется механизмом перемещения иглы. На схеме игла перемещается вручную - вращение маховика позволяет игле перемещаться, тем самым изменяя скорость потока воды из сопла. Для крупномасштабных водяных турбин используются гидравлические или электрические сервомеханизмы для перемещения иглы. Вышеупомянутые механизмы перемещения установлены снаружи трубы и относятся к внешне управляемому инжекционному механизму. Существует другой тип инжекционного механизма, установленный внутри сопла, у которого нет стержня иглы, выходящего за пределы трубы, и не требуется колено, что обеспечивает большое удобство для прокладки трубопровода. Однако здесь он не будет представлен.

Слева на рисунке 6 игла находится в нормальном рабочем положении, и поток воды направлен к ковшу. Справа на рисунке 6 игла перемещается вперед, чтобы перекрыть отверстие сопла, и сопло находится в закрытом состоянии.

Рисунок 6 - Управление потоком воды путем перемещения иглы

Дефлектор

Теперь давайте представим дефлектор. Турбины Пелтона - это турбины с высоким напором, диапазон напора которых составляет от нескольких сотен метров до более тысячи метров. Трубопроводы от водохранилища к турбине могут быть длиной от одного до нескольких километров, и эти трубопроводы должны выдерживать огромное давление воды, особенно на нижних участках. В случае сбоя электросети, вызывающего отключение, источник воды должен быть немедленно перекрыт, чтобы остановить турбину; в противном случае турбина потеряет нагрузку, что приведет к быстрому увеличению скорости вращения и повреждению агрегата. Из-за большой длины трубопроводов большое количество движущейся внутри воды не может быстро остановиться. Если трубопроводы быстро перекрыть, возникнет чрезвычайно высокое давление воды, серьезно угрожающее безопасности водоводов. Единственное решение - перенаправить воду, распыляемую в сторону турбины, чтобы она не попадала на турбину, а не перекрывать поток воды.
Установка дефлектора перед соплом - самый простой метод. Во время нормальной работы дефлектор поднят, не влияя на поток воды, выходящий из сопла, и турбина работает нормально (слева на рисунке 7). Когда дефлектор опущен, поток воды из сопла блокируется дефлектором и перенаправляется к нижнему выпускному отверстию (справа на рисунке 7), и турбина прекращает работу. Дефлектор можно повернуть в блокирующее положение в течение 1-2 секунд.

Рисунок 7 - Принцип работы дефлектора

Рисунок 8 - это принципиальная анимация турбины Пелтона. Маленькие зеленые шарики показывают поток воды, отраженный от передней стороны ротора, а маленькие оранжевые шарики показывают поток воды, отраженный от задней стороны ротора. Центральная линия потока воды, вытекающего из сопла, касается окружности ротора. Окружность ротора - это окружность, проходящая через точки удара струи на роторе, отсюда и название «турбина Пелтона» (буквально означающее «тангенциальная ударная турбина»).

На рисунке 9 показана модель малой и средней импульсной турбины, которая в основном состоит из нижнего корпуса, верхнего корпуса, ротора (внутри корпуса), трубы для подачи воды, иглы сопла и механизма ее привода, а также бетонного фундамента.

Из поперечных разрезов нижнего корпуса и верхнего корпуса можно увидеть ротор, сопло и дефлектор, как показано на рисунке 10. Разрез бетонного фундамента показывает хвостовой водоотвод и выпускное отверстие для воды.

Дефлектор находится перед соплом. Вал дефлектора проходит через подшипник под распылительной головкой, и дефлектор может вращаться вокруг вала.

Многоструйная турбина Пелтона
Для улучшения характеристик турбин большие импульсные турбины часто имеют от 2 до 6 сопел. ниже показана структурная схема импульсной турбины с двумя соплами.