Pelton hjul - Pelton wheel

Et Peltonhjul er en impuls -type vannturbin oppfunnet av oppfinneren American Lester Allan Pelton på 1870-tallet. Pelton -hjulet trekker ut energi fra impulsen til vann som beveger seg, i motsetning til vanns egenvekt som det tradisjonelle overskytende vannhjulet . Mange tidligere varianter av impulsturbiner eksisterte, men de var mindre effektive enn Peltons design. Vann som forlot disse hjulene hadde vanligvis fortsatt høy hastighet, og bar bort mye av den dynamiske energien som ble brakt til hjulene. Peltons padlegeometri var designet slik at når felgen kjørte med halv hastighet på vannstrålen, forlot vannet hjulet med svært liten hastighet; dermed hentet designet hans ut nesten all vannets impulsenergi - noe som ga en svært effektiv turbin.

Historie

Lester Allan Pelton ble født i Vermillion, Ohio i 1829. I 1850 reiste han over land for å delta i California Gold Rush . Pelton jobbet med å selge fisk han fanget i Sacramento -elven . I 1860 flyttet han til Camptonville , et senter for placer gruvedrift . På denne tiden ble mange gruvedrift drevet av dampmotorer som forbrukte store mengder tre som drivstoff. Noen vannhjul ble brukt i de større elvene, men de var ineffektive i de mindre bekkene som ble funnet i nærheten av gruvene. Pelton jobbet med et design for et vannhjul som ville fungere med den relativt lille strømmen som finnes i disse bekkene.

På midten av 1870 -tallet hadde Pelton utviklet en prototype av tre av det nye hjulet. I 1876 henvendte han seg til Miners Foundry i Nevada City, California for å bygge de første kommersielle modellene i jern. Det første Pelton -hjulet ble installert ved Mayflower -gruven i Nevada City i 1878. Effektivitetsfordelene ved Peltons oppfinnelse ble raskt gjenkjent, og produktet hans ble snart etterspurt. Han patenterte sin oppfinnelse 26. oktober 1880. I midten av 1880-årene klarte ikke Miners Foundry å imøtekomme kravet, og i 1888 solgte Pelton rettighetene til navnet hans og patentene på oppfinnelsen til Pelton Water Wheel Company i San Francisco . Selskapet etablerte en fabrikk på 121/123 Main Street i San Francisco .

Pelton Water Wheel Company produserte et stort antall Pelton Wheels i San Francisco som ble sendt rundt om i verden. I 1892 la selskapet til en filial på østkysten på 143 Liberty Street i New York City . I 1900 var over 11 000 turbiner i bruk. I 1914 flyttet selskapet produksjonen til nye, større lokaler på 612 Alabama Street i San Francisco. I 1956 ble selskapet kjøpt opp av Baldwin-Lima-Hamilton Company , hvilket selskap avsluttet produksjonen av Pelton Wheels.

I New Zealand, A & G Price i Thames, produserte New Zealand Pelton -vannhjul for det lokale markedet. En av disse vises utendørs på Thames Goldmine Experience.

Design

Dyser retter kraftige, høyhastighets vannstrømmer mot en serie skjeformede bøtter, også kjent som impulsblader, som er montert rundt den ytre kanten av et drivhjul (også kalt en løper ). Når vannstrålen treffer bladene, endres vannhastighetsretningen for å følge bladene. Vannstrålens impulsenergi utøver dreiemoment på bøtte-og-hjul-systemet og roterer hjulet; vannstrålen gjør en "u-sving" og går ut på utsiden av bøtta, bremset ned til lav hastighet. I prosessen overføres vannstrålens momentum til hjulet og dermed til en turbin. Dermed " impuls " energi gjør arbeidet på turbinen. Maksimal effekt og effektivitet oppnås når hastigheten til vannstrålen er to ganger hastigheten til de roterende skuffene. En veldig liten prosentandel av vannstrålens opprinnelige kinetiske energi vil forbli i vannet, noe som gjør at skuffen tømmes i samme hastighet som den fylles, og derved tillater høytrykksinngangsstrømmen å fortsette uavbrutt og uten sløsing med energi.

Vanligvis er to bøtter montert side om side på hjulet, med vannstrålen delt i to like bekker; dette balanserer sidebelastningskreftene på hjulet og bidrar til å sikre jevn og effektiv overføring av momentum fra vannstrålen til turbinhjulet.

Fordi vann er nesten inkomprimerbart, trekkes nesten all tilgjengelig energi ut i den første fasen av den hydrauliske turbinen. "Derfor har Pelton -hjul bare ett turbintrinn, i motsetning til gassturbiner som opererer med komprimerbar væske."

applikasjoner

Pelton-hjul er den foretrukne turbinen for vannkraft der den tilgjengelige vannkilden har relativt høyt hydraulisk hode ved lave strømningshastigheter. Pelton -hjul er laget i alle størrelser. Det eksisterer flertonns Pelton-hjul som er montert på vertikale olje putelagre i vannkraftanlegg . De største enhetene - Bieudron vannkraftverk ved Grande Dixence Dam -komplekset i Sveits - er på over 400 megawatt .

De minste Pelton -hjulene er bare noen få centimeter på tvers, og kan brukes til å tappe strøm fra fjellstrømmer med strømninger på noen få liter per minutt. Noen av disse systemene bruker husholdnings VVS inventar for vann levering. Disse små enhetene anbefales for bruk med 30 meter (100 fot) eller mer hode, for å generere betydelige effektnivåer. Avhengig av vannføring og design, fungerer Pelton -hjul best med hoder fra 15–1 800 meter (50–5 910 fot), selv om det ikke er noen teoretisk grense.

Designregler

Den spesifikke hastighetsparameteren er uavhengig av en bestemt turbins størrelse. ${\ displaystyle \ eta _ {s}}$

Sammenlignet med andre turbinutforminger , betyr den relativt lave spesifikke hastigheten til Pelton -hjulet at geometrien iboende er et " lavt gir " -design. Således er den mest egnet til å bli matet av en hydrokilde med et lavt forhold mellom strømning og trykk, (som betyr relativt lav strømning og/eller relativt høyt trykk).

Den spesifikke hastigheten er hovedkriteriet for å matche et bestemt hydroelektrisk sted med den optimale turbintypen. Det gjør det også mulig å skalere et nytt turbindesign fra et eksisterende design med kjent ytelse.

${\ displaystyle \ eta _ {s} = n {\ sqrt {P}}/{\ sqrt {\ rho}} (gH)^{5/4}}$ (dimensjonsløs parameter),

hvor:

• ${\ displaystyle n}$ = Rotasjonsfrekvens (rpm)
• ${\ displaystyle P}$ = Effekt (W)
• ${\ displaystyle H}$ = Vannhode (m)
• ${\ displaystyle \ rho}$= Tetthet (kg/m ³ )

Formelen innebærer at turbinhjulet drives rettet mest hensiktsmessig for anvendelser med forholdsvis høyt hydraulisk hode H , på grunn av 5/4 eksponenten er større enn enhet, og gitt karakteristisk lave spesifikke hastighet av Pelton.

Turbinfysikk og avledning

Energi og startstrålehastighet

I det ideelle ( friksjonsfrie ) tilfellet blir all den hydrauliske potensielle energien ( E _p  = mgh ) omdannet til kinetisk energi ( E _k  = mv ² /2) (se Bernoullis prinsipp ). Å sammenligne disse to ligningene og løse for den opprinnelige strålehastigheten ( V _i ) indikerer at den teoretiske (maksimale) strålehastigheten er V _i  = √ 2 gh . For enkelhets skyld, anta at alle hastighetsvektorene er parallelle med hverandre. Definerer hjulløperens hastighet som: ( u ), og når strålen nærmer seg løperen, er den første strålehastigheten i forhold til løperen: ( V _i  -  u ). Starthastigheten til jet er V _i

Sluttstrålehastighet

Forutsatt at strålehastigheten er høyere enn løpehastigheten, hvis vannet ikke skal sikkerhetskopieres i løperen, må massen som kommer inn i løperen, på grunn av bevaring av masse, være lik massen som forlater løperen. Væsken antas å være inkomprimerbar (en nøyaktig antagelse for de fleste væsker). Det antas også at strålens tverrsnittsareal er konstant. Strålen hastighet forblir konstant i forhold til løpehjulet. Så når strålen trekker seg tilbake fra løperen, er strålehastigheten i forhold til løperen: - ( V _i  - u ) = - V _i  + u . I standardreferanserammen (i forhold til jorden) er slutthastigheten da: V _f  = ( - V _i  + u) + u  = - V _i  + 2 u .

Optimal hjulhastighet

Den ideelle løpehastigheten vil føre til at all kinetisk energi i strålen overføres til hjulet. I dette tilfellet må den endelige strålehastigheten være null. Hvis - V _i  + 2 u  = 0, vil den optimale løpehastigheten være u  = V _i /2, eller halvparten av den innledende strålehastigheten.

Dreiemoment

I henhold til Newtons andre og tredje lov er kraften F påført av strålen på løperen lik, men motsatt hastigheten for momentumendring av 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 tettheten, og Q er volumet for væskestrømmen. Hvis D er hjuldiameteren, er dreiemomentet på løperen

T = F ( D /2) = ρQD ( V _i - u ).

Dreiemomentet er maksimalt når løperen stoppes (dvs. når u  = 0, T  = ρQDV _i ). Når løperens hastighet er lik den opprinnelige strålehastigheten, er dreiemomentet null (dvs. når u  = V _i , deretter T  = 0). På et plott av dreiemoment versus løpehastighet er dreiemomentkurven rett mellom disse to punktene: (0, pQDV _i ) og ( V _i , 0). Dyseeffektivitet er forholdet mellom jetstrømmen og vannkraften i bunnen av dysen.

Makt

Effekten P  = Fu  = Tω , hvor ω er vinkelhastigheten til hjulet. Erstatter vi F , har vi P  = 2 ρQ ( V _i  - u ) u . For å finne løpehastigheten ved maksimal effekt, ta derivatet av P i forhold til u og sett det lik null, [ dP / du  = 2 ρQ ( V _i  - 2 u )]. Maksimal effekt oppstår når u  = V _i /2. P _max = ρQV _i ^2- / 2. Ved å erstatte den opprinnelige jeteffekten V _i  = √ 2 gh , forenkles dette til P _max  = ρghQ . Denne mengden er nøyaktig lik den kinetiske effekten til strålen, så i dette ideelle tilfellet er virkningsgraden 100%, siden all energien i strålen omdannes til akseleffekt.

Effektivitet

En hjuleffekt dividert med den opprinnelige jetstrømmen, er turbineffektiviteten, η  = 4 u ( V _i  - u )/ V _i ² . Det er null for u  = 0 og for u  =  V _i . Som ligningene indikerer, når et ekte Pelton -hjul jobber nær maksimal effektivitet, flyter væsken av hjulet med svært liten gjenværende hastighet. I teorien varierer energieffektiviteten bare med effektiviteten til dysen og hjulet, og varierer ikke med hydraulisk hode. Begrepet "effektivitet" kan referere til: Hydraulisk, mekanisk, volumetrisk, hjul eller total effektivitet.

Systemkomponenter

Ledningen som bringer høytrykksvann til impulshjulet kalles pennen . Opprinnelig var pennen navnet på ventilen, men begrepet er blitt utvidet til å omfatte all hydraulikk for væsketilførsel. Penstock brukes nå som et generelt begrep for en vannpassasje og kontroll som er under trykk, enten den leverer en impulsturbin eller ikke.

Se også

• Peltrisk sett
• Sentrifugalpumpe

Referanser

Eksterne linker

• Eksempel Hydro på Dorado Vista ranch