Импульсные турбины: устройство, виды (Пельтон, Турго, поперекопоточные), принцип работы

Импульсная турбина — один из простейших типов турбин, классифицируется как гидротурбина вместе с реактивными. Группируются по способу энергообмена между рабочим телом и турбиной. Назначение: преобразование потенциальной и кинетической энергии водяного потока в механическую работу. Широко применяются на ГЭС и для водяных насосов.

Статья: определение, применение, компоненты, виды (Пельтон, Турго, поперекопоточные), принцип работы, преимущества и недостатки.

Что такое импульсная турбина?

Импульсная турбина использует кинетическую энергию жидкости для удара по лопаткам через сопло. Работает при атмосферном давлении. Подходит для высоких напора и малых расходов. Принцип: изменение вектора скорости — потенциальная энергия воды (от высоты падения) в соплах (одном или нескольких) преобразуется в кинетическую.

Вода с высокой скоростью ударяет в лопатки, вращая турбину. Вал, соединенный с генератором, вырабатывает электроэнергию. Идеально для высоких напора и малых расходов.

Импульсные турбины бывают трех типов: Пельтон, Турго, поперекопоточные (кросс-флоу). Пельтон и Турго похожи по конструкции. Поперекопоточная — модификация импульсной, классифицируется как таковая, потому что раннер вращается в воздухе при атмосферном давлении, а не погружен в воду как реактивная.

Применение импульсных турбин

Основное — генерация электроэнергии. Значительная доля мировой электроэнергии производится турбогенераторами.

Главные двигатели космического шаттла использовали турбонасосы (насос, приводящийся турбиной) для подачи компонентов топлива (жидкий кислород и водород) в камеру сгорания.

Гидротурбины на ГЭС используют воду как рабочее тело.

Паровые турбины на АЭС и ТЭС: вода → пар → турбина → электроэнергия.

Примечание: главные функции — генерация энергии и водяное насосирование.

Компоненты импульсной турбины

Рабочее колесо (раннер)

Цилиндрический диск с изогнутыми лопатками (ложечками) по окружности. Центральный вал из нержавейки (как и раннер). При малых напорах раннер могут лить из чугуна.

Ложечки (бакеты)

Ложевидные чаши по периферии раннера для энергообмена с потоком. Поток из сопла с высокой скоростью ударяет в ложечки, вращая раннер, и выходит по внешнему краю. Геометрия ложечки определяет угол разворота потока при выходе относительно угла набегания. Максимальный передаваемый импульс — при развороте на 180°.

Сопло (форсунка)

Регулирует, формирует и направляет струю на ложечки. Ключевой элемент: создает перепад давления, преобразуя напор в кинетическую энергию. Игла (спира) в сопле регулирует расход струи на ложечки. Материал сопла — карбид вольфрама (очень твердый, устойчив к эрозии).

Корпус (обтекатель)

Защищает от брызг, направляет воду в сбросный привод (спилвей) для защиты плотины. Обычно литой чугун.

Давленная труба (пенсток)

Трубопровод от водохранилища/плотины к турбине. Вода движется под высоким давлением. Обычно сталь.

Виды импульсных турбин

Турбина Пельтон

Основные компоненты: раннер, сопло, дефлектор. Для высоких напора (до 1600 м и выше). 1–6 сопл преобразуют напор в высокоскоростную струю. Мощность регулируется расходом воды.

Ложечки симметричны вокруг цилиндрического раннера. Форма заставляет струю ударять в центр ложечки и выходить с двух сторон так, что выходящая вода не бьет в соседнюю ложечку (не тормозит). Ось раннера может быть вертикальной или горизонтальной. При высоких мощностях, КПД и числе сопл — всегда вертикальная ось, генератор над турбиной.

Дефлектор между соплом и раннером предотвращает попадание воды на ложечки при внезапном сбросе нагрузки (рост оборотов). Спира (копье) полностью перекрывает подачу воды.

Турбина Турго

Работает аналогично Пельтон. Главное отличие: струя набегает на ложечки под углом ~20° (косо). Форма ложечки сложнее, труднее в изготовлении. Удельная скорость Турго выше Пельтона. Преимущество: большая струя и меньшие габарики при равной мощности. Применяются на малых ГЭС.

Поперекопоточная турбина (Cross-flow / Банкки-Митчелл)

Модификация импульсной турбины для малых ГЭС. Раннер вращается в воздухе (не погружен). Преимущества: работа в широком диапазоне расходов, напоров и мощностей; адаптация к изменению расхода с сохранением КПД. Специальная система регулирования меняет активную часть раннера в зависимости от расхода воды.

Принцип работы импульсной турбины

Общие этапы генерации энергии:

• Вода из водохранилища через пенсток поступает к соплу

Потенциальная энергия в сопле → кинетическая → удар в ложечки → вращение раннера

• Механизм регулирования расхода (игла/спира) контролирует подачу воды
• Генератор на валу преобразует механическую энергию в электрическую

Преимущества и недостатки импульсных турбин

Преимущества:

• Простота обслуживания
• Простая конструкция
• Высокий рабочий КПД
• Работа при атмосферном давлении (нет герметичного корпуса под давлением)
• Высокие скорости вращения

Недостатки:

• Крупногабаритные (занимают много места)
• Высокая стоимость установки (цивильные работы, пенсток)
• КПД снижается со временем (эрозия ложечек)
• Не подходят для высоких расходов
• Идеальны только для малых расходов
• Требуют высокого напора, что сложно обеспечить

Заключение

Импульсные турбины — для генерации энергии и насосирования. Три типа: Пельтон, Турго, поперекопоточные. Рассмотрены определение, применение, компоненты, принцип работы, плюсы и минусы.

Статья полезна? Рекомендуйте коллегам и следите за обновлениями!