Пелтон турбинасы: жоғары қысымды су ағынынан энергия алу үшін тамаша таңдау
Энергияға деген сұраныстың үнемі артып келе жатқан жағдайында жаңартылатын ресурстарды пайдалану ең өзекті шешімдердің бірі болып табылады. Әртүрлі таза энергия нұсқаларының ішінде гидроэлектр станциялары (ГЭС) тиімділігі, тұрақтылығы және сенімділігі арқасында маңызды болып қала береді. Дегенмен, барлық жерлерде мол ағынды сулары бар үлкен өзендер бола бермейді. Көптеген аймақтардың басқа сипаттамалары бар: салыстырмалы түрде аз су ағындары, бірақ жоғары қысым - мысалы, таулы аймақтарда. Осындай жағдайларда Пельтон турбинасы өте тиімді шешім ретінде пайда болады. Бұл турбина жоғары қысымды судың әлеуетті энергиясын механикалық энергияға, содан кейін жоғары тиімділікпен электр энергиясына айналдыру үшін арнайы жасалған.
Пельтон турбиналарын және олардың жұмыс принциптерін түсіну
Пельтон турбинасы импульстік су турбинасының бір түрі болып табылады. Жүргізгіштегі қысымның өзгеруін пайдаланатын реакциялық турбиналардан айырмашылығы, импульстік турбиналар негізінен су ағынының импульсінің өзгеруіне байланысты жұмыс істейді. Қалқаншадан шыққан су форсунка арқылы үдетіліп, жоғары жылдамдықты ағын түрінде шығады. Содан кейін бұл ағын турбина дөңгелегіне (жүргізушіге) бекітілген қос шелек пішінді қалақтарға соғылады.
Пелтон шелегінің пішіні өте ерекше: ол орталық жотамен (бөлгішпен) бөлінген екі «ыдысқа» ұқсайды. Су ағыны бөлгішке тигенде, ағын екіге бөлінеді және шамамен 180 градусқа ауытқиды. Бұл ауытқу үлкен импульстік күш тудырады, ағынды жоғары айналу моменті бар айналдырады. Шелекке тигеннен кейін су ауаға шығарылады (атмосфералық қысым), сондықтан энергияны түрлендіру процесі негізінен ағында ағынға тигенге дейін жүреді.
Қысқаша айтқанда, жұмыс кезеңдері:
1. Жоғары қысымды су мұнара арқылы ағады.
2. Саптама қысымды жылдамдыққа айналдырып, ағынды ағын жасайды.
3. Ағын шелекке соғылып, судың импульсін айналуға айналдырады.
4. Жүгірткінің айналуы генераторға қосылған білікті айналдырады.
5. Генератор электр энергиясын өндіреді.
Неліктен Пелтон жоғары көңіл-күйде керемет нәтиже көрсетеді?
Пельтон турбиналары келесі жүйелерде ең қолайлы қолданылады:
– Биік бас (әдетте жүздеген метр, тіпті одан да көп) және
– Салыстырмалы түрде аз немесе орташа мөлшердегі бөлінділер.
Негізгі себеп Пелтонның энергияны пайдалану тәсіліне байланысты. Жоғары қысым кезінде су қысымы өте үлкен. Сопло арқылы бұл қысым шелекте қуатты импульс тудыра алатын жоғары жылдамдықты ағынға айналады. Тіпті орташа разряд кезінде де, ағынмен тасымалданатын энергия айтарлықтай болып қалады, себебі ол құлау биіктігі мен ағын жылдамдығына байланысты.
Бұл сипаттамалар Pelton-ды келесі жағдайларға тамаша сәйкес етеді:
– Тау гидроэнергетикасы,
– таулы аудандардағы микрогидроэлектр станциялары,
– Биік биіктіктегі бөгеттерден немесе су қоймаларынан алынатын жоғары қысымды су жүйесі.
Пельтон турбинасының негізгі компоненттері
Оңтайлы жұмыс істеу үшін Pelton турбинасы бірнеше маңызды бөліктерден тұрады:
1. Саптама және найза клапаны (реттеуші ине)
Саптама жоғары жылдамдықты ағын жасау үшін қызмет етеді. Әдетте оның құрамында басын айтарлықтай өзгертпей су ағынын реттеуге арналған найзалы клапан бар. Инені жылжыту арқылы ағынның көлденең қимасы өзгереді, бұл шығыс қуатын арттыруға немесе азайтуға мүмкіндік береді.
2. Жүгіруші және шелек
Жүгіруші - айналасында көптеген шелектерді тасымалдайтын турбина дөңгелегі. Пельтон шелектері берік материалдардан (мысалы, тот баспайтын болат немесе арнайы қорытпалар) жасалған, себебі олар жоғары жылдамдықты ағындардың әсеріне және эрозияның әсеріне төтеп беруі керек.
3. Қаптама
Пельтон турбинасының корпусы, әдетте, реакция турбинасы сияқты қысым камерасы емес, қалқан және су шашырауынан қорғайтын тосқауыл ретінде қызмет етеді. Корпустың дизайны суды қауіпсіз түрде сыртқа бағыттауға көмектеседі және шашыраулардан энергия шығынын азайтады.
4. Тежеу жүйесі
Турбинаны қауіпсіз тоқтату үшін механикалық тежегіш жүйесі немесе тежегіш форсункасы қолданылады, ол суды айналу бағытына қарама-қарсы бағытта ағызады.
5. Дефлектор (белгілі бір конструкцияларда)
Дефлектор жүктеменің кенеттен өзгеруі кезінде ағынды бұруға көмектеседі, сондықтан негізгі разряд параметрі жұмыс істемей тұрып айналу шектен тыс (жылдамдықтан асып кетпейді).
Пельтон турбинасының артықшылықтары
Пельтон турбиналарының жоғары қысымды су ағыны үшін ең қолайлы таңдау деп аталуының бірнеше себебі бар:
1. Үлкен бастарда жоғары тиімділік
Пельтон турбинасы қысым энергиясын жылдамдыққа түрлендіру форсункада тиімді түрде жүретіндіктен, тамаша тиімділікке қол жеткізе алады, содан кейін кинетикалық энергия салыстырмалы түрде «таза» импульстік механизм арқылы жүгірткішке беріледі.
2. Жүктеме ауытқулары кезінде тұрақты жұмыс
Пелтон форсунка мен найза клапанын реттеу арқылы шығыс қуатын электр жүктемесінің қажеттіліктеріне сәйкес реттей алады. Бұл тұтыну ауытқуы бар жүйелер үшін өте маңызды.
3. Дизайн салыстырмалы түрде қарапайым және күтіп ұстау оңай.
Олар қысымды корпуста жұмыс істемейтіндіктен және реакция турбиналары сияқты тарту түтігін қажет етпейтіндіктен, тексеру және техникалық қызмет көрсету үшін қолжетімділік оңайырақ болады. Бұл шалғай аудандарда орнату үшін тиімді.
4. Кавитация қаупінің төмендеуі
Кавитация реакциялық турбиналарда, әсіресе төмен қысымды аймақтарда үлкен қиындық тудырады. Пельтон турбиналарында шелек айналасындағы қысым әдетте атмосфералық қысымға жақын, сондықтан кавитация қаупі салыстырмалы түрде төмен.
5. Микрогидро үшін жарамды
Көптеген микрогидроэнергетикалық жобалар тау суару каналдарының немесе су тарату құбырларының биік басын пайдаланады. Пелтондарды кішігірім көлемде, сол жұмыс принциптерін сақтай отырып салуға болады.
Қарастырылатын шектеулер
Пельтон турбинасы белгілі бір жағдайларда жақсырақ болғанымен, әрқашан ең жақсы таңдау бола бермейді. Оның кейбір шектеулері:
– Төмен бастарға онша қолайлы емес
Төменгі жиіліктерде пайда болған ағын үлкен импульс тудыру үшін жеткілікті жылдам емес. Мұндай жағдайларда әдетте Каплан немесе Фрэнсис турбинасы қолайлырақ.
– Су сапасына сезімтал
Құм немесе қатты бөлшектері бар су саптама мен шелекте эрозия тудыруы мүмкін. Сондықтан сүзу жүйесі (сүзгі, тұндырғыш) жиі қажет.
– Жоғары басшылық инфрақұрылымына қойылатын талаптар
Оңтайлы жұмыс істеу үшін Pelton жоғары қысымға төтеп бере алатын жылдам құбырды және жақсы қаламсап жүйесін қажет етеді. Бұл жобаның бастапқы құнын арттыруы мүмкін.
Пельтон турбиналарының нақты өмірде қолданылуы
Пельтон турбиналары төбелі және таулы аймақтардағы, соның ішінде тік жер бедері бар елдердегі электр станцияларында кеңінен қолданылады. Ірі су электр станцияларынан басқа, Пельтон турбиналары келесі мақсаттарда да танымал:
– Шалғай ауылдардағы микрогидроэлектр станциялары,
– Қысымдағы су ағындарынан энергияны қалпына келтіру жүйелері (мысалы, кейбір ауыз су желілерінде),
– Табиғи туризм нысандарына, тау курорттарына немесе зерттеу станцияларына арналған желіден тыс генераторлар.
Көптеген жағдайларда жоғары қысым мен шектеулі разрядтың үйлесімі айтарлықтай мүмкіндік береді: үлкен өзендерді бөгемей қуат өндіруге болады, ал дұрыс жобаланған жағдайда қоршаған ортаға және әлеуметтік әсерлерді жақсы басқаруға болады.
Жабу
Пельтон турбинасы - энергия алмасу дәуірінде өзекті болып қала беретін классикалық технология. Оның жоғары жылдамдықты су ағындарын пайдаланатын импульстік принципі оны жоғары қысымды су ағыны және үлкен қысымды жерлер үшін тамаша таңдау етеді. Оның артықшылықтары - жоғары тиімділік, салыстырмалы түрде оңай техникалық қызмет көрсету және пайдалану беріктігі - оны микрогидроэлектростанциялардан бастап ірі қондырғыларға дейінгі әртүрлі масштабтағы қондырғыларға жарамды етеді.
Таза энергияға қол жеткізуді кеңейту мақсатында, әсіресе таулы және шалғай аудандарда, Пельтон турбиналары практикалық және дәлелденген шешім ұсынады. Дұрыс жоспарлаумен, соның ішінде шөгінділерді бақылаумен, тиісті материалды таңдаумен және қауіпсіз қаламсап дизайнымен, бұл турбиналар сенімді, үнемді және экологиялық таза гидроэнергетиканың негізін құра алады.
