Turbina hidroeléctrica Pelton

Las turbinas de impulso son turbinas hidráulicas que utilizan la energía cinética de chorros de alta presión para realizar trabajo. El agua de los embalses de gran altura se guía hacia la turbina a través de tuberías forzadas. El agua a alta presión se convierte en chorros de alta velocidad a través de las boquillas de la turbina, que luego golpean los álabes de la turbina, haciendo que la turbina gire y realice trabajo.
Hay tres tipos principales de turbinas de impulso: Turbinas hidroeléctricas Pelton, Turbinas hidroeléctricas Turgo, y turbinas de flujo cruzado. Esta sección presenta las turbinas Pelton y Turgo, que son las más utilizadas.

Rotor y Principio de Funcionamiento

La Figura 1 muestra el rotor de una turbina Pelton, con la vista frontal a la izquierda y la vista lateral a la derecha. El rotor consta de un disco de rueda y múltiples álabes, por lo que también se llama turbina de álabes.

Figura-1 Rotor de turbina Pelton

La Figura 2 es una vista en sección transversal de un álabe. Se puede ver en la sección transversal de un álabe que el álabe está compuesto por dos cuerpos en forma de cuchara dispuestos uno al lado del otro. El flujo de agua se inyecta en los dos cuerpos en forma de cuchara, impulsando el rotor para que gire.

Figura-2 vista en sección transversal de un álabe

La Figura 3 es un diagrama del principio de funcionamiento de una turbina Pelton. El flujo de agua a alta velocidad se rocía hacia los álabes a través de la boquilla, se refleja y se descarga por los álabes. La energía cinética del agua empuja los álabes, lo que permite que el rotor gire. Las líneas azules indican el flujo de agua rociado por la boquilla y el flujo de agua reflejado por el rotor.

Figura 3 -- Principio de Funcionamiento de la Turbina Pelton

La Figura 4 es un diagrama que muestra la dirección del flujo de agua que se inyecta en los álabes. El flujo de agua a alta velocidad expulsado de la boquilla se dirige hacia los álabes, se divide por el borde de entrada hacia las superficies de trabajo en ambos lados y luego se refleja fuera de los álabes por las superficies de trabajo. Después de ser reflejado por los álabes, el flujo de chorro de alta velocidad transfiere su energía cinética a los álabes, empujándolos hacia adelante.

Figura-4 Chorro de flujo del rotor de la turbina Pelton

Mecanismo de Inyección

El mecanismo de inyección, denominado boquilla para abreviar, se compone principalmente de una boquilla, una aguja y un mecanismo de movimiento de la aguja. El tamaño de la salida de la boquilla se cambia moviendo la aguja dentro de la boquilla, alterando así el caudal de agua de la boquilla para ajustar la potencia de la turbina. La Figura 5 es un diagrama esquemático de la estructura del mecanismo de inyección, en el que la aguja se retrae en la tubería y la boquilla está en estado abierto.

Figura 5 -- la estructura de la entrada de la tubería y el mecanismo de inyección

El movimiento de la aguja se realiza mediante el mecanismo de movimiento de la aguja. En el diagrama, la aguja se mueve mediante control manual: girar el volante permite que la aguja se mueva, cambiando así el caudal de agua de la boquilla. Para turbinas hidráulicas a gran escala, se utilizan mecanismos servoeléctricos o hidráulicos para mover la aguja. Los mecanismos de movimiento antes mencionados están instalados fuera de la tubería y pertenecen al mecanismo de inyección controlado externamente. Existe otro tipo de mecanismo de inyección instalado dentro de la boquilla, que no tiene varilla de aguja que se extienda fuera de la tubería y no requiere un codo, lo que brinda una gran comodidad para la disposición de la tubería. Sin embargo, no se presentará aquí.

A la izquierda de la Figura 6, la aguja está en la posición de trabajo normal y el flujo de agua se dirige hacia el álabe. A la derecha de la Figura 6, la aguja se mueve hacia adelante para bloquear la abertura de la boquilla y la boquilla está en estado cerrado.

Figura 6—Control del flujo de agua moviendo la aguja

Deflector

Ahora presentaremos el deflector. Las turbinas Pelton son turbinas de gran altura con un rango de altura de varios cientos de metros a más de mil metros. Las tuberías desde el embalse hasta la turbina pueden tener una longitud de un kilómetro a varios kilómetros, y estas tuberías deben soportar una enorme presión de agua, especialmente en las secciones inferiores. En caso de una falla en la red eléctrica que cause un disparo, la fuente de agua debe cerrarse inmediatamente para detener la turbina; de lo contrario, la turbina perderá su carga, lo que provocará un rápido aumento de la velocidad de rotación y daños a la unidad. Debido a la gran longitud de las tuberías, la gran cantidad de agua en movimiento en el interior no puede dejar de fluir rápidamente. Si las tuberías se cierran rápidamente, se generará una presión de agua extremadamente alta, lo que pondrá en grave peligro la seguridad de las tuberías forzadas. La única solución es redirigir el agua rociada hacia la turbina para que no la golpee, en lugar de cortar el flujo de agua.
Instalar un deflector frente a la boquilla es el método más sencillo. Durante el funcionamiento normal, el deflector se levanta, sin afectar el flujo de agua 喷出 de la boquilla, y la turbina funciona normalmente (izquierda de la Figura 7). Cuando el deflector se baja, el flujo de agua de la boquilla es bloqueado por el deflector y redirigido a la salida inferior (derecha de la Figura 7), y la turbina deja de funcionar. El deflector se puede girar a la posición de bloqueo en 1 a 2 segundos.

Figura 7 -- Principio de Funcionamiento del Deflector

La Figura 8 es la animación del principio de una turbina Pelton. Las pequeñas cuentas verdes indican el flujo de agua reflejado desde la parte frontal del rotor, y las pequeñas cuentas naranjas indican el flujo de agua reflejado desde la parte posterior del rotor. La línea central del flujo de agua expulsado de la boquilla es tangente al círculo de paso del rotor. El círculo de paso es el círculo que pasa por los puntos de impacto del chorro en el rotor, de ahí el nombre de "turbina Pelton" (que significa literalmente "turbina de impacto tangencial").

La Figura 9 muestra un modelo de una turbina de impulso pequeña y mediana, que se compone principalmente de una carcasa inferior, una carcasa superior, un rotor (dentro de la carcasa), una tubería de entrada de agua, una aguja de boquilla y su mecanismo de accionamiento, y una base de hormigón.

Desde las vistas en sección transversal de la carcasa inferior y la carcasa superior, se pueden ver el rotor, la boquilla y el deflector, como se muestra en la Figura 10. El dibujo de sección de la base de hormigón muestra el canal de agua de cola y la salida de agua.

El deflector está frente a la boquilla. El eje del deflector pasa a través del cojinete debajo del cabezal de pulverización, y el deflector puede girar alrededor del eje.

Turbina Pelton multichorro
Para mejorar el rendimiento de las turbinas, las turbinas de impulso grandes suelen tener de 2 a 6 boquillas. a continuación se muestra un diagrama estructural de una turbina de impulso con dos boquillas.