Pelton hjul - Pelton wheel
En Peltonhjulet er en impuls -type vandturbine opfundet af amerikanske opfinder Lester Allan Pelton i 1870'erne. Pelton -hjulet udvinder energi fra impulsen fra vand i bevægelse, i modsætning til vandets egenvægt som det traditionelle overskydende vandhjul . Mange tidligere variationer af impulsturbiner eksisterede, men de var mindre effektive end Peltons design. Vand, der forlod disse hjul, havde typisk stadig høj hastighed og transporterede meget af den dynamiske energi væk til hjulene. Peltons padlegeometri var designet således, at når fælgen kørte med halvdelen af vandstrålens hastighed, forlod vandet hjulet med meget lille hastighed; således udtrak hans design næsten al vandets impulsenergi - hvilket gav en meget effektiv turbine.
Historie
.png)
Lester Allan Pelton blev født i Vermillion, Ohio i 1829. I 1850 rejste han over land for at deltage i California Gold Rush . Pelton arbejdede med at sælge fisk, han fangede i Sacramento -floden . I 1860 flyttede han til Camptonville , et center for placer minedrift . På dette tidspunkt blev mange minedrift drevet af dampmaskiner, der forbrugte store mængder træ som deres brændstof. Nogle vandhjul blev brugt i de større floder, men de var ineffektive i de mindre vandløb, der blev fundet nær miner. Pelton arbejdede på et design til et vandhjul, der ville fungere med den relativt lille strøm, der findes i disse vandløb.
I midten af 1870'erne havde Pelton udviklet en træprototype af sit nye hjul. I 1876 henvendte han sig til Miners Foundry i Nevada City, Californien for at bygge de første kommercielle modeller i jern. Det første Pelton -hjul blev installeret ved Mayflower -minen i Nevada City i 1878. Effektivitetsfordelene ved Peltons opfindelse blev hurtigt anerkendt, og hans produkt blev hurtigt efterspurgt. Han patenterede sin opfindelse den 26. oktober 1880. I midten af 1880'erne kunne Miners Foundry ikke imødekomme kravet, og i 1888 solgte Pelton rettighederne til hans navn og patenterne til hans opfindelse til Pelton Water Wheel Company i San Francisco . Virksomheden etablerede en fabrik på 121/123 Main Street i San Francisco .
Pelton Water Wheel Company fremstillede et stort antal Pelton Wheels i San Francisco, som blev sendt rundt om i verden. I 1892 tilføjede virksomheden en afdeling på østkysten på 143 Liberty Street i New York City . I 1900 var over 11.000 møller i brug. I 1914 flyttede virksomheden produktionen til nye, større lokaler på 612 Alabama Street i San Francisco. I 1956 blev virksomheden opkøbt af Baldwin-Lima-Hamilton Company , hvilket selskab sluttede produktionen af Pelton Wheels.
I New Zealand, A & G Price i Themsen, producerede New Zealand Pelton -vandhjul til det lokale marked. En af disse er vist udendørs på Thames Goldmine Experience.
Design
Dyser dirigerer kraftige, højhastighedsstrømme af vand mod en række skeformede spande, også kendt som impulsblade, som er monteret omkring den ydre kant af et drivhjul (også kaldet en løber ). Når vandstrålen rammer vingerne, ændres vandhastighedsretningen for at følge vingernes konturer. Vandstrålens impulsenergi udøver drejningsmoment på skovl-og-hjul-systemet og drejer hjulet; vandstrålen gør en "u-drejning" og forlader ved spandens ydersider, decelereret til en lav hastighed. I processen overføres vandstrålens momentum til hjulet og dermed til en turbine. Således er " impuls " energi gør arbejdet på møllen. Maksimal effekt og effektivitet opnås, når vandstrålens hastighed er to gange hastigheden af de roterende spande. En meget lille procentdel af vandstrålens originale kinetiske energi vil forblive i vandet, hvilket får spanden til at tømmes i samme hastighed, som den fyldes, og derved tillader højtryksindgangsstrømmen at fortsætte uafbrudt og uden spild af energi.
Typisk er to spande monteret side om side på hjulet, med vandstrålen delt i to lige store strømme; dette afbalancerer sidebelastningskræfterne på hjulet og hjælper med at sikre jævn og effektiv overførsel af momentum fra vandstrålen til turbinehjulet.
Fordi vand er næsten inkompressibelt, udvindes næsten al tilgængelig energi i den første fase af den hydrauliske turbine. "Derfor har Pelton -hjul kun et turbintrin, i modsætning til gasturbiner, der fungerer med komprimerbar væske."
Ansøgninger
Pelton-hjul er den foretrukne turbine til vandkraft, hvor den tilgængelige vandkilde har et relativt højt hydraulisk hoved ved lave strømningshastigheder. Pelton hjul er lavet i alle størrelser. Der findes multi-ton Pelton hjul monteret på lodrette olielag lejer i vandkraftværker . De største enheder - Bieudron vandkraftværk ved Grande Dixence Dam -komplekset i Schweiz - er på over 400 megawatt .
De mindste Pelton -hjul er kun et par centimeter på tværs og kan bruges til at tappe strøm fra bjergstrømme med strømme på et par liter i minuttet. Nogle af disse systemer bruger husholdnings -VVS -armaturer til vandlevering. Disse små enheder anbefales til brug med 30 meter (100 fod) eller mere hoved for at generere betydelige effektniveauer. Afhængigt af vandgennemstrømning og design fungerer Pelton -hjul bedst med hoveder fra 15–1.800 meter (50–5.910 fod), selvom der ikke er nogen teoretisk grænse.
Designregler
Den specifikke hastighedsparameter er uafhængig af en bestemt mølles størrelse.
Sammenlignet med andre mølledesigner betyder den relativt lave specifikke hastighed for Pelton -hjulet, at geometrien i sagens natur er et " lavt gear " -design. Således er det mest egnet til at blive fodret af en hydrokilde med et lavt forhold mellem strømning og tryk (hvilket betyder relativt lav strømning og/eller relativt højt tryk).
Den specifikke hastighed er hovedkriteriet for at matche et specifikt hydroelektrisk sted med den optimale mølletype. Det giver også mulighed for at skalere et nyt mølledesign fra et eksisterende design med kendt ydeevne.
(parameter uden parameter),
hvor:
- = Omdrejningsfrekvens (omdr./min.)
- = Effekt (W)
- = Vandhoved (m)
- = Massefylde (kg/m 3 )
Formlen indebærer, at Pelton -turbinen er gearet bedst egnet til applikationer med et relativt højt hydraulisk hoved H , på grund af at 5/4 eksponenten er større end enhed og givet Peltons karakteristisk lave specifikke hastighed.
Turbine fysik og afledning
Energi og startstrålehastighed
I det ideelle ( friktionsfrie ) tilfælde omdannes al den hydrauliske potentialenergi ( E p = mgh ) til kinetisk energi ( E k = mv 2 /2) (se Bernoullis princip ). At ligestille disse to ligninger og løse for den indledende strålehastighed ( V i ) indikerer, at den teoretiske (maksimale) strålehastighed er V i = √ 2 gh . For enkelheds skyld antages det, at alle hastighedsvektorerne er parallelle med hinanden. Definerer hjulløberens hastighed som: ( u ), og når strålen nærmer sig løberen, er den indledende strålehastighed i forhold til løberen: ( V i - u ). Den indledende hastighed for jet er V i
Slutstrålehastighed
Forudsat at strålehastigheden er højere end løberhastigheden, hvis vandet ikke skal bakkes op i løber, skal massen, der kommer ind i løberen, på grund af bevarelse af masse svare til massen, der forlader løberen. Væsken antages at være inkomprimerbar (en nøjagtig antagelse for de fleste væsker). Det antages også, at jetens tværsnitsareal er konstant. Jet hastighed forbliver konstant i forhold til løberen. Så når strålen trækker sig tilbage fra løberen, er strålehastigheden i forhold til løberen: - ( V i - u ) = - V i + u . I standardreferencerammen (i forhold til jorden) er sluthastigheden derefter: V f = ( - V i + u) + u = - V i + 2 u .
Optimal hjulhastighed
Den ideelle løberhastighed vil bevirke, at al kinetisk energi i strålen overføres til hjulet. I dette tilfælde skal den endelige strålehastighed være nul. Hvis - V i + 2 u = 0, så vil den optimale løberhastighed være u = V i /2 eller halvdelen af den indledende strålehastighed.
Moment
I henhold til Newtons anden og tredje lov er kraften F pålagt løberen af løberen lige, men modsat hastigheden af momentumændring af væsken, så
- 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 ) ,
hvor ρ er tætheden, og Q er volumenstrømmen af væskestrøm. Hvis D er hjuldiameteren, er drejningsmomentet på løberen
- T = F ( D /2) = ρQD ( V i - u ).
Momentet er maksimalt, når løberen stoppes (dvs. når u = 0, T = ρQDV i ). Når løberens hastighed er lig med den indledende strålehastighed, er drejningsmomentet nul (dvs. når u = V i , så T = 0). På et plot af drejningsmoment versus løberhastighed er momentkurven lige mellem disse to punkter: (0, pQDV i ) og ( V i , 0). Dyseeffektivitet er forholdet mellem jetstrømmen og vandstrømmen ved dysens bund.
Strøm
Effekten P = Fu = Tω , hvor ω er hjulets vinkelhastighed. I stedet for F har vi P = 2 ρQ ( V i - u ) u . For at finde løberens hastighed ved maksimal effekt, tag derivatet af P i forhold til u og sæt det lig med nul, [ dP / du = 2 ρQ ( V i - 2 u )]. Maksimal effekt opstår, når u = V i /2. P max = ρQV i 2 /2. Ved at erstatte den indledende jetstrøm V i = √ 2 gh , forenkles dette til P max = ρghQ . Denne mængde er nøjagtigt lig med jetens kinetiske effekt, så i dette ideelle tilfælde er effektiviteten 100%, da al energien i strålen omdannes til akseludgang.
Effektivitet
En hjuleffekt divideret med den indledende jetstrøm er turbineeffektiviteten, η = 4 u ( V i - u )/ V i 2 . Det er nul for u = 0 og for u = V i . Som ligningerne indikerer, når et ægte Pelton -hjul arbejder tæt på maksimal effektivitet, strømmer væsken ud af hjulet med meget lille resthastighed. I teorien varierer energieffektiviteten kun med dysens og hjulets effektivitet og varierer ikke med hydraulikhovedet. Udtrykket "effektivitet" kan referere til: Hydraulisk, mekanisk, volumetrisk, hjul eller samlet effektivitet.
Systemkomponenter
Røret, der bringer højtryksvand til impulshjulet, kaldes penstock . Oprindeligt var penpen navnet på ventilen, men udtrykket er blevet udvidet til at omfatte al væsketilførselshydraulikken. Penstock bruges nu som en generel betegnelse for en vandpassage og kontrol, der er under pres, uanset om den leverer en impulsturbine eller ej.