Turbina Pelton

Turbina Pelton nella centrale elettrica Kartell a St. Anton am Arlberg
Montaggio di una turbina Pelton nella centrale elettrica di Walchensee
Disegno in sezione (vista dall'alto) di una moderna turbina Pelton ad asse verticale e 6 ugelli. Voith Siemens, KrW a Lima, Perù.
Schizzo dalla specifica del brevetto di Pelton (1880)
Usura su una ruota Pelton scartata dalla centrale elettrica di Bâtiaz a Martigny
Fabbricazione di una ruota Pelton nel 1967: nel negozio di ricottura
Ruota con lame avvitate. Centrale elettrica di Vernayaz FFS , intorno al 1944

La turbina Pelton è una turbina a getto libero (" turbina a pressione costante parzialmente pressurizzata ") per centrali idroelettriche . È stato progettato nel 1879 dall'ingegnere americano Lester Pelton e brevettato nel 1880.

Una turbina Pelton utilizza l'energia cinetica dell'acqua. Questa forma di energia viene creata convertendo l' energia potenziale dell'acqua, che proviene da un corpo idrico superiore, ad es. B. un serbatoio che scorre verso la macchina. Le turbine Pelton sono utilizzate principalmente in centrali idroelettriche con un elevato gradiente utile, ma portate piuttosto inferiori ( centrali ad alta pressione ).

storia

Lester Pelton basò la costruzione della sua turbina sul principio di reazione riscoperto dal medico e fisico tedesco Johann Andreas von Segner , che sulla base di esso costruì la prima ruota idraulica a reazione nel 1750 . Prima di allora, il principio della turbina a getto libero era implementato in mulini ad acqua a ruote orizzontali in legno, ma con un basso livello di efficienza.

La turbina di Pelton ha modificato una turbina sviluppata da Samuel Knight e ha raggiunto un grado di efficienza più elevato rispetto a questo. Ciò ha portato la turbina Pelton a diventare lo standard del settore.

funzionalità

Principio di funzionamento

Nella turbina Pelton, l'acqua di testa scorre in un getto ad altissima velocità da uno o più ugelli disposti tangenzialmente alla circonferenza della girante sulle pale della girante. Ognuna delle fino a 40 lame è divisa da un bordo tagliente, il cosiddetto tagliente centrale , in due semilame approssimativamente emisferiche , le cosiddette coppe. Il getto d'acqua dagli ugelli colpisce tangenzialmente il centro del tagliente. La funzione delle tazze è quella di deviare l'acqua nella direzione opposta in modo che l'energia cinetica possa essere trasferita alla girante secondo il principio di azione e reazione . Questa era l'innovazione di Pelton.

La velocità periferica del cerchio della pagaia dovrebbe essere esattamente la metà della velocità del getto d'acqua. Poiché l'acqua nelle pale viene deviata di quasi 180 gradi, trasmette quasi tutta la sua energia alle pale (se osservata senza attrito). Il diametro della turbina dipende dalla velocità del generatore e dalla pressione dell'acqua disponibile o dalla velocità del getto d'acqua.

Disposizione nella centrale elettrica

La turbina Pelton è installata nella centrale in modo tale che il bordo inferiore della girante sia decisamente al di sopra del livello subacqueo più alto per evitare l' immersione della ruota rotante. L'alloggiamento, che è aperto nella parte inferiore, è installato sopra un pozzo attraverso il quale l'acqua motrice utilizzata raggiunge il subacqueo senza pressione. L'alloggiamento e il pozzo di drenaggio sono ventilati con aria ambiente. Con la turbina Pelton non è possibile utilizzare un tubo di aspirazione dalla turbina in sott'acqua, come di consueto con le turbine a reazione ; non è quindi possibile sfruttare il dislivello tra l'uscita dell'ugello e il livello subacqueo.

Ugelli

Nell'ugello, la pressione statica della sorgente viene convertita in velocità del getto. Un ago dell'ugello, un corpo di regolazione a forma di goccia conica con un flusso attorno ad esso, è previsto come un attuatore in ciascun ugello, che può essere spostato in direzione longitudinale da un'asta di controllo per regolare la sezione del flusso. Mediante la regolazione dell'ago dell'ugello viene controllata dal controller della turbina , la velocità di rotazione della turbina controllata, poiché funge da dispositivo di arresto per l'avvio o lo spegnimento della turbina.

Al fine di ridurre il picco di pressione nella condotta forzata in caso di arresto di emergenza (l'arresto immediatamente necessario della turbina per evitare che venga distrutto da una velocità eccessiva, solitamente causata da un distacco del carico ) , sono stati utilizzati deflettori a getto ("deflettori") solitamente installato. Si tratta di superfici di impatto girevoli davanti alle bocche degli ugelli, che in caso di arresto rapido deviano immediatamente il getto (i) d'acqua lontano dalle pale della girante nell'alloggiamento per impedire l'erogazione di potenza. Solo allora gli aghi degli ugelli e le valvole a saracinesca o le valvole a sfera della tubazione di pressione vengono chiuse lentamente .

Il numero di ugelli dipende dalla produttività, per cui un ugello può elaborare un massimo di circa 10 m³ / s. Se la capacità di assorbimento deve essere maggiore, è necessario aumentare il numero di ugelli, ma con una posizione dell'albero orizzontale solo due ugelli sono tecnicamente sensati perché con un numero maggiore di ugelli, l'acqua motrice che è già in uso come spruzzo ricade su la girante e la rallenta di nuovo, così come i getti del getto disturberebbero. Se è richiesta una portata ancora maggiore, viene disposta un'altra girante sullo stesso albero - ma di solito in un alloggiamento separato - oppure viene costruita una turbina con albero verticale. In questo caso vengono normalmente utilizzati quattro ugelli, ma sono già state consegnate turbine Pelton con sei ugelli (Escher Wyss, Ravensburg).

Principio di uguale pressione

Nella linea di mandata in ingresso all'ugello c'è - a seconda dell'altezza di caduta - un'alta pressione (fino a 200 bar ), tra l'uscita dell'ugello e l'impatto sulla paletta c'è la normale pressione atmosferica nel getto stesso. Da qui la classificazione come turbina a pressione costante, l'acqua ha la stessa pressione (ambiente) prima della potenza erogata alla ruota della turbina e dopo. La turbina Pelton è detta parzialmente pressurizzata perché solo alcune delle tazze della benna sono pressurizzate dal getto contemporaneamente, mentre, ad esempio, con le turbine Kaplan e Francis completamente pressurizzate , l'intera circonferenza delle giranti è attraversata dall'acqua di testa.

Girante e pale

Le pale lato girante, che non contribuiscono alla generazione di energia durante la rotazione, si muovono attraverso aria o spruzzo. Questo mezzo ha una densità significativamente inferiore e quindi le perdite di ventilazione della turbina Pelton rimangono relativamente basse. Poiché ogni pala trasferisce solo brevemente forza alla ruota quando passa l'ugello (i) e poi rimane di nuovo impotente ed è anche esposta a forti forze centrifughe, il rischio di rottura per fatica è molto alto a causa dello stress alternato nella zona della radice di la tazza , che deve quindi essere dimensionata di conseguenza diventare.

Esistono vari processi di produzione per soddisfare gli elevati requisiti:

  • Inizialmente, le lame fuse erano imbullonate individualmente a una ruota.
  • Giranti da una parte forgiate e poi fresate, che rappresentano la soluzione qualitativamente migliore ma anche piuttosto costosa.
  • La ruota può essere fusa in un unico pezzo, c'è il rischio di difetti di fusione non rilevati che possono in seguito portare alla rottura della ruota o di gran parte della centrale.
  • La variante ruota radice forgiata con coppe saldate.
  • Il processo brevettato "MicroGuss ™", in base al quale le singole tazze vengono costruite sulla ruota radice forgiata in una sorta di processo di saldatura per accumulo.

Il tagliente centrale è quasi affilato come un rasoio quando viene utilizzato per la prima volta. Le tazze verrebbero distrutte dalle forze dell'acqua che si verificano se non fosse utilizzato un tagliente centrale per dividere e dirigere il getto. Ad un'altezza di caduta di 1000 metri, il getto d'acqua può raggiungere una velocità di quasi 500 km/h. La massima velocità di impatto realizzata è di circa 185 m/s (666 km/h); Con questo valore diventa comprensibile che il tagliente centrale è indispensabile in ogni pala. C'è anche la possibilità di proteggere le tazze da un'eccessiva usura da erosione , soprattutto da corpi estranei nell'acqua sotto forma di piccoli sassi o sedimenti , applicando uno strato protettivo utilizzando il processo HVOF .

Affinché un getto colpisca una lama in qualsiasi momento, una ruota richiede geometricamente almeno 14 lame (coppie di tazze). In pratica, le ruote Pelton sono costruite da 20 a 40 lame. Un getto in genere spazza due lame alla volta.

Dimensioni

La turbina Pelton elabora tra pochi litri nell'area della pico centrale e fino a circa 80 m³ di acqua al secondo , a seconda del design e della prevalenza . Ha una velocità relativamente alta; i piccoli sistemi possono raggiungere fino a 3000 giri al minuto. Un generatore a due poli raggiunge la frequenza di linea di 50 Hertz a 3000 rpm , altrove 3600 rpm sono comuni per 60 Hertz. L' efficienza della turbina (incluso l'ugello) è dell'85-90%, anche se in genere rimane elevata anche quando la turbina funziona solo a carico parziale.

Una delle teste più grandi realizzate è di 1773 m, utilizzata dalla centrale elettrica Kolbnitz del gruppo di centrali elettriche Reißeck-Kreuzeck in Carinzia . La turbina costruita da Voith di Heidenheim ha una portata di 6 m³/s. Nel 2000 è stato superato dallo stabilimento di Bieudron in Vallese. Ci sono tre turbine Pelton a cinque getti, ciascuna con una potenza di 423 MW ad una prevalenza record di 1883 m. Anche la vecchia centrale di Chandoline otteneva acqua di testa dallo stesso bacino, il Lac des Dix , che, con cinque turbine Pelton e un salto di 1748 m, era anche uno degli impianti da record. Questo impianto è stato chiuso nel 2013 e le turbine smantellate nel 2015. La centrale elettrica di Silz nella valle dell'Inn è composta da due gruppi di macchine ad asse verticale, ciascuno con una turbina a getto libero Pelton a sei getti e un generatore completamente raffreddato ad acqua. Durante il funzionamento, i getti d'acqua fuoriescono dai sei ugelli ad una velocità di circa 500 km/h. Idealmente, i centri delle tazze ne hanno la metà come velocità periferica, in modo che anche la velocità relativa del getto d'acqua verso la tazza sia di 250 km/h. La deflessione di ogni getto nelle tazze provoca una forza di 17,5 MN per volta dovuta alla variazione di momento, che agisce sulle pale della turbina e genera una coppia nell'albero della macchina. Questa forza corrisponde all'incirca al peso di una massa di 1.800 tonnellate. L'altezza di caduta qui è di 1258 m, il che si traduce in una pressione idrostatica di circa 125,8 bar.

Prestazioni ed efficienza

La velocità dell'acqua con la densità (principalmente 1000 kg / m³) può essere derivata dalla legge di conservazione dell'energia.

Il livello dell'acqua utilizzabile (ad es. alla fine di un tunnel in pressione) viene convertito senza perdite nella velocità c dell'acqua in uscita dagli ugelli della turbina (g = accelerazione di gravità = 9,81 m/s²):

Servizio dalla rete idrica

Le prestazioni della rete idrica sono calcolate dal prodotto della pressione dell'acqua e della portata volumetrica (in m³ / s) e tenendo conto dell'area della sezione trasversale dell'apertura dell'ugello A (in m²) e dell'equazione di cui sopra per la massima velocità possibile dell'acqua c:

Potenza della turbina Pelton

La turbina Pelton funziona secondo il principio della (doppia) trasmissione dell'impulso (conservazione dell'impulso in un urto completamente elastico), l' impulso di forza attraverso un flusso di massa con la velocità , cioè : .

Colpendo la rispettiva pala, però, la velocità di uscita non può avere effetto, in quanto la pala sull'asse viene allontanata dall'ugello e quindi allontanata dal getto d'acqua dalla rotazione alla velocità . Solo la velocità (cv) quindi può funzionare per l'impulso: :

  • Dall'ugello o dagli n ugelli con la sezione trasversale totale A, il flusso di massa viene sparato sulle lame con velocità c. L'impulso sarebbe idealmente efficace se la girante Pelton fosse sempre colpita esattamente perpendicolarmente sul raggio effettivo r. Tuttavia, questo non può essere il caso, poiché le lame si ombreggiano a vicenda. Pertanto, l'impulso è nella sua efficacia di un fattore ridotto: .
  • La pala di Pelton è sagomata in modo tale che il getto d'acqua venga diviso al centro e rimandato all'ugello tramite la pala curva concava , se possibile di 180°, in modo da avvicinarsi il più possibile alla condizione dell'ideale shock elastico con un trasferimento di energia in gran parte privo di perdite. Sfortunatamente, questo non può essere completamente riuscito, perché devono essere osservate le condizioni al contorno:
    • La pala vicina è d'intralcio. Tuttavia, si deve evitare che questa pala venga colpita dal getto d'acqua riflesso da dietro, per così dire. Questo è il motivo per cui la pala ha un angolo di apertura> 180 °, quindi l'acqua viene respinta leggermente deviata di lato.
    • In caso di flessione completa di 180° verrebbe colpito anche l'ugello. Ciò agirebbe sul jet e ne ridurrebbe la velocità.
    • Inoltre, devono essere prese in considerazione le perdite per spruzzi: L'acqua respinta viene strofinata in una nebbia d'acqua, che aumenta la densità media dell'aria racchiusa nell'alloggiamento e quindi aumenta l'attrito nell'alloggiamento.
    • Al ritorno, ovviamente, solo ciò che potrebbe essere energeticamente efficace quando colpisce la pala può funzionare, di conseguenza il 2° impulso, il rinculo, può avere solo la forza del 1° impulso, tenendo conto dell'ulteriore, appena descritto, perdite:
.

Quindi l'equazione per la forza che agisce sulla turbina è:

L'equazione della coppia agente sulla turbina è quindi:

L'equazione della potenza della turbina con la velocità è quindi:

Le prestazioni della turbina Pelton sono ottimali quando viene azionata ad una velocità ottimale o ad una velocità effettiva ottimale sul raggio . Questo è il caso se la derivata prima secondo l'equazione della potenza è posta uguale a zero e viene risolta per:

Inserendo la velocità ottimale nell'equazione per la potenza si ottiene:

Per la turbina Pelton ideale , allora l'equazione di cui sopra diventa:

Efficienza di una turbina Pelton

Efficienza di una vera turbina Pelton

L'efficienza è del 90%.
La seguente equazione per l'efficienza può ora essere impostata per la turbina Pelton:

L'efficienza dipende solo dai fattori , cioè da quanto favorevolmente viene scelta la geometria e da quanto a basso attrito l'acqua può fluire sulla pala ed essere trasportata via.

Efficienza di una turbina Pelton ideale

Se si impostano i due fattori e si vede subito che il rendimento assume il valore 1, cioè l'acqua di alimentazione può teoricamente essere completamente convertita in energia cinetica. La ragione di ciò è lo scambio elastico di quantità di moto dal riflesso dell'acqua dalle lame concave, che può essere effettuato senza alcuna perdita di energia. In tal senso è una turbina Pelton

  • non essere considerato come un motore termico che può essere azionato solo con un rendimento massimo limitato - l'efficienza di Carnot ,
  • ma da classificare come un riduttore che, in caso di assenza di attrito, può trasformare la potenza meccanica (potenza dall'energia potenziale di un serbatoio in energia di rotazione per un generatore) senza perdite.

Aree di applicazione

Ventilfederobere EinströmleitungAntriebsgestängevertikale EinströmleitungTurbinengehäuse
Linee di afflusso nella turbina Pelton con un azionamento di regolazione collegato . È possibile vedere una linea di afflusso all'alloggiamento della turbina proveniente da sinistra e una dall'alto. Le molle nell'attuatore vogliono chiudere la testa della valvola e un cilindro idraulico preme contro di essa per aprire la valvola. Se l'energia di controllo viene a mancare, la valvola si chiude a prova di guasto; nella tiranteria di trasmissione (dall'alto dell'immagine in diagonale verso il basso a sinistra) c'è il cilindro idraulico (in basso a sinistra al centro dell'immagine) con le due linee idrauliche (nero); Se sposti il ​​puntatore del mouse sull'immagine, ottieni una spiegazione dei componenti, con il relativo link in Wikipedia.

Centrale idroelettrica

Per le sue caratteristiche viene utilizzato principalmente in centrali idroelettriche con prevalenze molto elevate (fino a 2000 m) con quantità d'acqua relativamente ridotte, soprattutto nelle centrali ad accumulo in alta montagna.

Lo svantaggio principale è che la turbina Pelton è suscettibile all'usura delle sue pale. L'elevata velocità dell'acqua e la rapida deflessione di 180 ° portano alla macinazione centrifuga e turbolenta di particelle alluvionali, come la sabbia, sulla superficie della pala, che di conseguenza è usurata.

Inoltre, a differenza della turbina Francis , la turbina Pelton non può essere utilizzata come pompa per operazioni di accumulo con pompaggio.

tecnologia di misurazione

Nella misurazione della portata, un principio di trasmissione basato su una turbina Pelton viene utilizzato come flussometro ad alta precisione , in base al quale vengono misurati non solo flussi a basso volume di fluidi come combustibili, acqua distillata o grassi caldi, ma anche portate elevate, come quelli normalmente presenti nelle centrali elettriche. Con temperature limite di 135 ° C e pressioni nominali fino a 345 bar, questi encoder a ruota Pelton soddisfano quasi tutti i requisiti industriali.

araldica

La ruota Pelton ha trovato la sua strada in alcune delle più recenti municipali stemmi , tra cui:

Gli stemmi qui mostrati mostrano viste assiali di ruote di turbina con 16, 12 (stilizzate sulla base di una ruota di mulino a raggi), 18 (ma solo la metà destra della ruota) e 10 posizioni della tazza. Ciò semplifica i disegni a vantaggio di una migliore leggibilità rispetto al numero di 20-40 paia di tazze tipicamente utilizzate nell'ingegneria meccanica. Tutti i grafici mostrano la curvatura delle pale orientate in modo tale che quelle opposte formino una "S" e quindi consentano funzionalmente alla ruota di girare in senso antiorario .

Guarda anche

link internet

Commons : Pelton Turbines  - Raccolta di immagini, video e file audio

Evidenze individuali

  1. a b Brevetto US233692 : Water-Wheel. Registrato il 3 luglio 1880 , pubblicato il 26 ottobre 1880 , inventore: Lester A. Pelton.
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  7. http://www.academia.edu/14564615/Zur_Physik_der_Peltonturbine Sulla fisica della turbina Pelton, accesso il 10 settembre 2017.
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  9. Grande Dixence SA: centrale di Bieudron ( Memento del l' originale dal 24 Settembre 2015 in Internet Archive ) Info: Il @1@ 2Modello: Webachiv / IABot / www.grande-dixence.ch dell'archivio collegamento è stato inserito automaticamente e non è stata ancora verificata. Si prega di controllare il collegamento originale e archivio secondo le istruzioni e quindi rimuovere questo avviso. , consultato il 25 luglio 2011.
  10. GO Dixence . In: Idroscopio . 24 giugno 2015, pag. 13 ( issuu.com ).
  11. FAZ Technik und Motor 14.9.2011 "Come ottenere più elettricità dall'acqua"  [1]