Pelton-hydroturbine

Impulsturbines zijn waterturbines die de kinetische energie van hogedrukstraalstromen gebruiken om werk te verrichten. Water uit reservoirs met een hoge valhoogte wordt via penstocks naar de turbine geleid. Het hogedrukwater wordt via de sproeiers van de turbine omgezet in hogesnelheidsstraalstromen, die vervolgens de schoepen van de turbine raken, waardoor de turbine roteert en werk verricht.
Er zijn drie hoofdtypen impulsturbines: Pelton-hydroturbines, Turgo-hydroturbines, en dwarsstroomturbines. Deze sectie introduceert de meer gebruikte Pelton-turbines en Turgo-turbines.

Loper en werkingsprincipe

Figuur 1 toont de loper van een Pelton-turbine, met het vooraanzicht links en het zijaanzicht rechts. De loper bestaat uit een wielschijf en meerdere schoepen, dus het wordt ook wel een schoepenturbine genoemd.

Figuur-1 Pelton-turbineloper

Figuur 2 is een dwarsdoorsnede van een schoep. Uit de dwarsdoorsnede van een schoep is te zien dat de schoep is samengesteld uit twee lepelvormige lichamen die naast elkaar zijn geplaatst. De waterstroom wordt in de twee lepelvormige lichamen gespoten, waardoor de loper roteert.

Figuur-2 dwarsdoorsnede van een schoep

Figuur 3 is een werkingsprincipe-diagram van een Pelton-turbine. Hogesnelheidswaterstroom wordt via de sproeier naar de schoepen gespoten, gereflecteerd en afgevoerd door de schoepen. De kinetische energie van het water duwt de schoepen, waardoor de loper kan roteren. De blauwe lijnen geven de waterstroom aan die door de sproeier wordt gespoten en de waterstroom die door de loper wordt gereflecteerd.

Figuur 3 -- Werkingsprincipe van Pelton-turbine

Figuur 4 is een diagram dat de stroomrichting van waterstralen op de schoepen laat zien. De hogesnelheidswaterstroom die uit de sproeier wordt uitgestoten, schiet naar de schoepen, wordt door de inlaatzijde in de werkoppervlakken aan beide zijden gesplitst en wordt vervolgens door de werkoppervlakken uit de schoepen gereflecteerd. Na te zijn gereflecteerd door de schoepen, draagt de hogesnelheidsstraalstroom zijn kinetische energie over op de schoepen, waardoor ze naar voren worden geduwd.

Figuur-4 Waterstraal van Pelton-turbineloper

Injectiemechanisme

Het injectiemechanisme, kortweg de sproeier genoemd, bestaat voornamelijk uit een sproeier, een naald en een naaldbewegingsmechanisme. De grootte van de sproeieruitlaat wordt gewijzigd door de naald in de sproeier te bewegen, waardoor de waterstroomsnelheid van de sproeier wordt gewijzigd om het vermogen van de turbine aan te passen. Figuur 5 is een schematische weergave van de structuur van het injectiemechanisme, waarin de naald in de pijp is teruggetrokken en de sproeier zich in een open toestand bevindt.

Figuur 5 -- de structuur van de pijpinlaat en het injectiemechanisme

De beweging van de naald wordt bewerkstelligd door het naaldbewegingsmechanisme. In het diagram wordt de naald bewogen door handmatige bediening—door aan het handwiel te draaien, kan de naald bewegen, waardoor de waterstroomsnelheid van de sproeier verandert. Voor grootschalige waterturbines worden hydraulische of elektrische servomechanismen gebruikt om de naald te bewegen. De bovengenoemde bewegingsmechanismen worden buiten de pijp geïnstalleerd en behoren tot het extern bediende injectiemechanisme. Er is een ander type injectiemechanisme dat in de sproeier is geïnstalleerd, dat geen naaldstang heeft die buiten de pijp uitsteekt en geen elleboog vereist, wat een groot gemak biedt voor de pijpleidingindeling. Het zal hier echter niet worden geïntroduceerd.

Links van figuur 6 bevindt de naald zich in de normale werkpositie en wordt de waterstroom naar de schoep geleid. Rechts van figuur 6 beweegt de naald naar voren om de sproeieropening te blokkeren en bevindt de sproeier zich in een gesloten toestand.

Figuur 6—Waterstroom regelen door de naald te bewegen

Deflector

Laten we nu de deflector introduceren. Pelton-turbines zijn turbines met een hoge valhoogte, met een valhoogte variërend van enkele honderden meters tot meer dan duizend meter. De pijpleidingen van het reservoir naar de turbine kunnen wel een kilometer tot enkele kilometers lang zijn, en deze pijpleidingen moeten enorme waterdruk weerstaan, vooral in de onderste secties. In het geval van een stroomnetstoring die een trip veroorzaakt, moet de waterbron onmiddellijk worden afgesloten om de turbine te stoppen; anders verliest de turbine zijn belasting, wat leidt tot een snelle toename van de rotatiesnelheid en schade aan de eenheid. Vanwege de lange lengte van de pijpleidingen kan de grote hoeveelheid bewegend water binnenin niet snel stoppen met stromen. Als de pijpleidingen snel worden afgesloten, wordt er extreem hoge waterdruk gegenereerd, wat de veiligheid van de penstocks ernstig in gevaar brengt. De enige oplossing is om het water dat naar de turbine wordt gespoten om te leiden, zodat het de turbine niet raakt, in plaats van de waterstroom af te sluiten.
Het installeren van een deflector voor de sproeier is de eenvoudigste methode. Tijdens normaal bedrijf wordt de deflector opgetild, wat geen invloed heeft op de waterstroom 喷出 uit de sproeier, en de turbine draait normaal (links van figuur 7). Wanneer de deflector wordt neergelaten, wordt de waterstroom van de sproeier geblokkeerd door de deflector en omgeleid naar de onderste uitlaat (rechts van figuur 7), en stopt de turbine met werken. De deflector kan binnen 1 tot 2 seconden naar de blokkeerpositie worden gedraaid.

Figuur 7 -- Werkingsprincipe van de deflector

Figuur 8 is de principe-animatie van een Pelton-turbine. De kleine groene kralen geven de waterstroom aan die wordt gereflecteerd van de voorkant van de loper, en de kleine oranje kralen geven de waterstroom aan die wordt gereflecteerd van de achterkant van de loper. De middellijn van de waterstroom die uit de sproeier wordt uitgestoten, is tangentieel aan de steekcirkel van de loper. De steekcirkel is de cirkel die door de straalimpactpunten op de loper gaat, vandaar de naam "Pelton-turbine" (letterlijk vertaald "tangentiële impactturbine").