Pelton-Hydro-Turbine

Impulsturbinen sind Wasserturbinen, die die kinetische Energie von Hochdruck-Wasserstrahlen nutzen, um Arbeit zu verrichten. Wasser aus Hochdruck-Reservoirs wird über Druckrohre zur Turbine geleitet. Das Hochdruckwasser wird über die Düsen der Turbine in Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen umgewandelt, die dann auf die Schaufeln der Turbine treffen, wodurch sich die Turbine dreht und Arbeit verrichtet.
Es gibt drei Haupttypen von Impulsturbinen: Pelton-Hydro-Turbinen, Turgo-Hydro-Turbinen, und Querstromturbinen. Dieser Abschnitt stellt die häufiger verwendeten Pelton-Turbinen und Turgo-Turbinen vor.

Läufer und Funktionsprinzip

Abbildung 1 zeigt den Läufer einer Pelton-Turbine, mit der Vorderansicht links und der Seitenansicht rechts. Der Läufer besteht aus einer Radscheibe und mehreren Schaufeln, daher wird er auch als Schaufelradturbine bezeichnet.

Abbildung 1: Pelton-Turbinenläufer

Abbildung 2 ist eine Querschnittsansicht einer Schaufel. Aus dem Querschnitt einer Schaufel ist ersichtlich, dass die Schaufel aus zwei löffelförmigen Körpern besteht, die nebeneinander angeordnet sind. Der Wasserstrom wird in die beiden löffelförmigen Körper geleitet, wodurch sich der Läufer dreht.

Abbildung 2: Querschnittsansicht einer Schaufel

Abbildung 3 ist eine Funktionsprinzip-Diagramm einer Pelton-Turbine. Hochgeschwindigkeits-Wasserstrom wird durch die Düse auf die Schaufeln gesprüht, von den Schaufeln reflektiert und abgeleitet. Die kinetische Energie des Wassers drückt die Schaufeln, wodurch sich der Läufer drehen kann. Die blauen Linien zeigen den Wasserstrom, der von der Düse gesprüht wird, und den Wasserstrom, der vom Läufer reflektiert wird.

Abbildung 3 -- Funktionsprinzip der Pelton-Turbine

Abbildung 4 ist ein Diagramm, das die Strömungsrichtung des Wassers zeigt, das auf die Schaufeln trifft. Der Hochgeschwindigkeits-Wasserstrom, der aus der Düse austritt, schießt auf die Schaufeln, wird durch die Einlasskante auf die Arbeitsflächen auf beiden Seiten aufgeteilt und dann von den Arbeitsflächen aus den Schaufeln reflektiert. Nach der Reflexion durch die Schaufeln überträgt der Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl seine kinetische Energie auf die Schaufeln und drückt sie nach vorne.

Abbildung 4: Wasserstrahl des Pelton-Turbinenläufers

Einspritzmechanismus

Der Einspritzmechanismus, kurz als Düse bezeichnet, besteht hauptsächlich aus einer Düse, einer Nadel und einem Nadelbewegungsmechanismus. Die Größe des Düsenauslasses wird durch Bewegen der Nadel im Inneren der Düse verändert, wodurch die Wasserflussrate aus der Düse verändert wird, um die Leistung der Turbine anzupassen. Abbildung 5 ist eine schematische Darstellung der Struktur des Einspritzmechanismus, in der die Nadel in das Rohr zurückgezogen ist und die Düse sich in einem offenen Zustand befindet.

Abbildung 5 -- die Struktur des Rohreingangs und des Einspritzmechanismus

Die Bewegung der Nadel wird durch den Nadelbewegungsmechanismus erreicht. In der Abbildung wird die Nadel durch manuelle Steuerung bewegt – durch Drehen des Handrads kann sich die Nadel bewegen, wodurch die Wasserflussrate der Düse verändert wird. Für große Wasserturbinen werden hydraulische oder elektrische Servomechanismen verwendet, um die Nadel zu bewegen. Die oben genannten Bewegungsmechanismen sind außerhalb des Rohrs installiert und gehören zum extern gesteuerten Einspritzmechanismus. Es gibt eine andere Art von Einspritzmechanismus, der im Inneren der Düse installiert ist, der keine Nadelstange hat, die sich außerhalb des Rohrs erstreckt, und keinen Bogen benötigt, was die Rohrleitungsanordnung sehr vereinfacht. Er wird hier jedoch nicht vorgestellt.

Auf der linken Seite von Abbildung 6 befindet sich die Nadel in der normalen Arbeitsposition, und der Wasserstrom wird in Richtung der Schaufel geleitet. Auf der rechten Seite von Abbildung 6 bewegt sich die Nadel nach vorne, um die Düsenöffnung zu blockieren, und die Düse befindet sich in einem geschlossenen Zustand.

Abbildung 6: Steuerung des Wasserflusses durch Bewegen der Nadel

Ablenker

Lassen Sie uns nun den Ablenker vorstellen. Pelton-Turbinen sind Hochdruckturbinen mit einem Gefällebereich von mehreren hundert Metern bis über tausend Metern. Die Rohrleitungen vom Reservoir zur Turbine können bis zu einem Kilometer bis zu mehreren Kilometern lang sein, und diese Rohrleitungen müssen einem enormen Wasserdruck standhalten, insbesondere in den unteren Abschnitten. Im Falle eines Stromnetzausfalls, der eine Abschaltung verursacht, muss die Wasserquelle sofort abgeschaltet werden, um die Turbine anzuhalten; andernfalls verliert die Turbine ihre Last, was zu einer raschen Erhöhung der Drehzahl und einer Beschädigung des Aggregats führt. Aufgrund der großen Länge der Rohrleitungen kann die große Menge an sich bewegendem Wasser im Inneren nicht schnell zum Stillstand kommen. Wenn die Rohrleitungen schnell abgeschaltet werden, wird ein extrem hoher Wasserdruck erzeugt, der die Sicherheit der Druckrohre ernsthaft gefährdet. Die einzige Lösung besteht darin, das zur Turbine gesprühte Wasser umzuleiten, so dass es nicht auf die Turbine trifft, anstatt den Wasserfluss abzustellen.
Die Installation eines Ablenkers vor der Düse ist die einfachste Methode. Während des Normalbetriebs ist der Ablenker angehoben, was den Wasserfluss aus der Düse nicht beeinträchtigt, und die Turbine läuft normal (links in Abbildung 7). Wenn der Ablenker abgesenkt wird, wird der Wasserfluss aus der Düse durch den Ablenker blockiert und zum unteren Auslass umgeleitet (rechts in Abbildung 7), und die Turbine stellt den Betrieb ein. Der Ablenker kann innerhalb von 1 bis 2 Sekunden in die Blockierposition gedreht werden.

Abbildung 7 -- Funktionsprinzip des Ablenkers

Abbildung 8 ist die Prinzipanimation einer Pelton-Turbine. Die kleinen grünen Kügelchen zeigen den Wasserfluss, der von der Vorderseite des Läufers reflektiert wird, und die kleinen orangenen Kügelchen zeigen den Wasserfluss, der von der Rückseite des Läufers reflektiert wird. Die Mittellinie des Wasserflusses, der aus der Düse austritt, ist tangential zum Teilkreis des Läufers. Der Teilkreis ist der Kreis, der durch die Strahleinschlagpunkte auf dem Läufer verläuft, daher der Name "Pelton-Turbine" (was wörtlich "Tangentialschlagturbine" bedeutet).

Abbildung 9 zeigt ein Modell einer kleinen und mittelgroßen Impulsturbine, das hauptsächlich aus einem unteren Gehäuse, einem oberen Gehäuse, einem Läufer (im Gehäuse), einem Wassereinlassrohr, einer Düsenadel und ihrem Antriebsmechanismus sowie einem Betonfundament besteht.

Aus den Querschnittsansichten des unteren Gehäuses und des oberen Gehäuses sind der Läufer, die Düse und der Ablenker zu sehen, wie in Abbildung 10 gezeigt. Die Schnittzeichnung des Betonfundaments zeigt den Unterwasserkanal und den Wasserauslass.

Der Ablenker befindet sich vor der Düse. Die Welle des Ablenkers verläuft durch das Lager unterhalb des Sprühkopfes, und der Ablenker kann sich um die Welle drehen.

Mehrstrahl-Pelton-Turbine
Um die Leistung von Turbinen zu verbessern, haben große Impulsturbinen oft 2 bis 6 Düsen. Unten ist eine Strukturdiagramm einer Impulsturbine mit zwei Düsen dargestellt.