Turbina idroelettrica Pelton

Le turbine a impulso sono turbine idrauliche che utilizzano l'energia cinetica di getti d'acqua ad alta pressione per compiere lavoro. L'acqua proveniente da serbatoi ad alto salto viene guidata alla turbina attraverso condotte forzate. L'acqua ad alta pressione viene convertita in getti ad alta velocità tramite gli ugelli della turbina, che poi colpiscono le tazze della turbina, facendo ruotare la turbina e compiendo lavoro.
Esistono tre tipi principali di turbine a impulso: turbine idroelettriche Pelton, turbine idroelettriche Turgo, e turbine a flusso trasversale. Questa sezione introduce le turbine Pelton e le turbine Turgo, più comunemente utilizzate.

Rotore e Principio di Funzionamento

La Figura 1 mostra il rotore di una turbina Pelton, con la vista frontale a sinistra e la vista laterale a destra. Il rotore è costituito da un disco ruota e da più tazze, quindi è anche chiamato turbina a tazze.

Figura-1 Rotore della turbina Pelton

La Figura 2 è una vista in sezione trasversale di una tazza. Si può vedere dalla sezione trasversale di una tazza che la tazza è composta da due corpi a forma di cucchiaio disposti fianco a fianco. Il flusso d'acqua viene iniettato nei due corpi a forma di cucchiaio, facendo ruotare il rotore.

Figura-2 vista in sezione trasversale di una tazza

La Figura 3 è un diagramma del principio di funzionamento di una turbina Pelton. Il flusso d'acqua ad alta velocità viene spruzzato verso le tazze attraverso l'ugello, riflesso e scaricato dalle tazze. L'energia cinetica dell'acqua spinge le tazze, consentendo al rotore di ruotare. Le linee blu indicano il flusso d'acqua spruzzato dall'ugello e il flusso d'acqua riflesso dal rotore.

Figura 3 -- Principio di Funzionamento della Turbina Pelton

La Figura 4 è un diagramma che mostra la direzione del flusso d'acqua che si getta sulle tazze. Il flusso d'acqua ad alta velocità espulso dall'ugello si dirige verso le tazze, viene diviso dal bordo di ingresso alle superfici di lavoro su entrambi i lati e viene quindi riflesso fuori dalle tazze dalle superfici di lavoro. Dopo essere stato riflesso dalle tazze, il flusso a getto ad alta velocità trasferisce la sua energia cinetica alle tazze, spingendole in avanti.

Figura-4 Flusso getto del rotore della turbina Pelton

Meccanismo di Iniezione

Il meccanismo di iniezione, indicato brevemente come ugello, è composto principalmente da un ugello, un ago e un meccanismo di movimento dell'ago. Le dimensioni dell'uscita dell'ugello vengono modificate spostando l'ago all'interno dell'ugello, alterando così la portata dell'acqua dall'ugello per regolare la potenza della turbina. La Figura 5 è uno schema della struttura del meccanismo di iniezione, in cui l'ago è retratto nel tubo e l'ugello è in uno stato aperto.

Figura 5 -- la struttura dell'ingresso del tubo e del meccanismo di iniezione

Il movimento dell'ago è compiuto dal meccanismo di movimento dell'ago. Nel diagramma, l'ago viene spostato tramite controllo manuale: ruotando il volantino l'ago si muove, modificando così la portata dell'acqua dell'ugello. Per le turbine idrauliche su larga scala, vengono utilizzati meccanismi servo idraulici o elettrici per spostare l'ago. I suddetti meccanismi di movimento sono installati all'esterno del tubo e appartengono al meccanismo di iniezione controllato esternamente. Esiste un altro tipo di meccanismo di iniezione installato all'interno dell'ugello, che non ha un'asta dell'ago che si estende all'esterno del tubo e non richiede un gomito, portando grande praticità alla disposizione delle tubazioni. Tuttavia, non verrà introdotto qui.

A sinistra della Figura 6, l'ago è nella posizione di lavoro normale e il flusso d'acqua è diretto verso la tazza. A destra della Figura 6, l'ago si sposta in avanti per bloccare l'apertura dell'ugello e l'ugello è in uno stato chiuso.

Figura 6—Controllo del Flusso d'Acqua Spostando l'Ago

Deflettore

Ora introduciamo il deflettore. Le turbine Pelton sono turbine ad alto salto con un intervallo di salto da diverse centinaia di metri a oltre mille metri. Le tubazioni dal serbatoio alla turbina possono essere lunghe da un chilometro a diversi chilometri e queste tubazioni devono resistere a un'enorme pressione dell'acqua, specialmente nelle sezioni inferiori. In caso di guasto della rete elettrica che causa un'interruzione, la fonte d'acqua deve essere interrotta immediatamente per arrestare la turbina; altrimenti, la turbina perderà il suo carico, portando a un rapido aumento della velocità di rotazione e al danneggiamento dell'unità. A causa della lunghezza delle tubazioni, la grande quantità di acqua in movimento all'interno non può smettere di fluire rapidamente. Se le tubazioni vengono chiuse rapidamente, si genererà una pressione dell'acqua estremamente elevata, mettendo seriamente a rischio la sicurezza delle condotte forzate. L'unica soluzione è reindirizzare l'acqua spruzzata verso la turbina in modo che non colpisca la turbina, piuttosto che interrompere il flusso d'acqua.
L'installazione di un deflettore davanti all'ugello è il metodo più semplice. Durante il normale funzionamento, il deflettore viene sollevato, non influenzando il flusso d'acqua 喷出 dall'ugello e la turbina funziona normalmente (a sinistra della Figura 7). Quando il deflettore viene abbassato, il flusso d'acqua dall'ugello viene bloccato dal deflettore e reindirizzato all'uscita inferiore (a destra della Figura 7) e la turbina smette di funzionare. Il deflettore può essere ruotato nella posizione di blocco entro 1 o 2 secondi.

Figura 7 -- Principio di Funzionamento del Deflettore

La Figura 8 è l'animazione del principio di una turbina Pelton. Le piccole perle verdi indicano il flusso d'acqua riflesso dalla parte anteriore del rotore e le piccole perle arancioni indicano il flusso d'acqua riflesso dalla parte posteriore del rotore. La linea centrale del flusso d'acqua espulso dall'ugello è tangente al cerchio primitivo del rotore. Il cerchio primitivo è il cerchio che passa attraverso i punti di impatto del getto sul rotore, da cui il nome "turbina Pelton" (che significa letteralmente "turbina a impatto tangenziale").

La Figura 9 mostra un modello di una turbina a impulso di piccole e medie dimensioni, che è composta principalmente da un involucro inferiore, un involucro superiore, un rotore (all'interno dell'involucro), un tubo di ingresso dell'acqua, un ago dell'ugello e il suo meccanismo di azionamento e una fondazione in cemento.

Dalle viste in sezione trasversale dell'involucro inferiore e dell'involucro superiore, si possono vedere il rotore, l'ugello e il deflettore, come mostrato nella Figura 10. Il disegno in sezione della fondazione in cemento mostra la vasca di scarico e l'uscita dell'acqua.

Il deflettore è davanti all'ugello. L'albero del deflettore attraversa il cuscinetto sotto la testa di spruzzo e il deflettore può ruotare attorno all'albero.

Turbina Pelton multi-getto
Per migliorare le prestazioni delle turbine, le turbine a impulso di grandi dimensioni hanno spesso da 2 a 6 ugelli. di seguito è mostrato un diagramma strutturale di una turbina a impulso con due ugelli.