1.UVOD - Razvoj vodnih turbina Najstariji uređaj za pretvaranje energije vode u mehaničku energiju je vodeničko kolo. Pogonska sila vodeničkog kola nastaje ili zbog težine vode ili zbog pretpritiska zastoja vode, a ne kao rezultat promjene količine kretanja vode, te se vodenička kola ne smatraju turbinama. Oko 1500. godine Leonardo da Vinci (slika 1.) je opisao reaktivnu silu zbog skretanja vodenog toka, a njegov mehanizam korišten u pečenjari smatra se za jednu od prvih (gasnih) turbina (slika 2.).
Slika 1. Slika 2.
1750. godine Nijemac Segner (slika 3.) je praktično razradio primjenu reaktivne sile za pokretanje kola (Segnerovo kolo, slika 4.).
Slika 3. Slika 4.
Matematičkom interpretacijom rada Segnerova kola, Švicarac Euler (slika 5.) postavio je temelje turbinske teorije koja neznatno dopunjena vrijedi i danas (Eulerova jednačina ili glavna jednačina turbomašina).
Slika 5.
1827. godine u Francuskoj Fourneyron (slika 6.) patentira prvu vodnu turbinu - Fourneyronova turbina (slika 7.).
Slika 6. Slika 7.
U Fourneyronovoj turbini voda struji kroz lopatice statora od osovine prema obodu i udara u lopatice rotora čijim s okretanjem energija vode transformiše u mehaničku energiju. Nijemac Henschel (1837.) i Francuza Jonval (1841.) neovisno jedan od drugoga patentiraju turbinu kasnije nazvanu HenschelJonvalova turbina (slika 8.).
Slika 8. Kod te turbine voda struji paralelno s osovinom, a u tu turbinu je prvi put ugrađen difuzor tj. odsisna cijev koja omogućava iskorištavanje cijelog raspoloživog pada, iako je rotor turbine bitno podignut iznad donjeg nivoa vode. 1863. Francuz Girard patentirao je turbinu kod koje voda također struji aksijalno, ali iz rotora slobodno otječe tj. ne ispunjava sasvim prostor među lopaticama. Gradnja navedenih turbina je napuštena iz razloga jer se u savremenim turbinama postiže bolja korisnost. 1849. američki inženjer James B. Francis (slika 9.) unosi revoluciju u konstrukciji vodnih turbina s konstrukcijom akcijske turbine (slika 10).
Slika 9. Slika 10.
1877. amerikanac Lester Allan Pelton (slika 11.) patentirao je prvu turbinu slobodnog mlaza (slika 12.).
Slika 11. Slika 12.
1913. čeh Viktor Kaplan (slika 13.) patentirao je propelernu turbinu godine, a potom i propelerne turbine sa zakretnim lopaticama radnog kola (slika 14.).
Slika 13. Slika 14.
Za iskorištavanje hidropotencijala s malim geodetskim padom, a velikim protokom kao podvrsta Kaplanove turbine razvijena je cijevna turbina. 1952. švicarac P. Deriaz je konstruisao dijagonalnu turbinu koja je zamišljena kao reverzibilni stroj (pumpa-turbina), ali se počela upotrebljavati i kao vodna turbina.
2. VODNE TURBINE
Vodna turbina je pogonska mašina u kojoj se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju, a zatim promjenom količine kretanja u radnom kolu, u mehaničku energiju rotacije. Vratilo turbinskog radnog kola spojeno je u pravilu sa sinhronim generatorom u kojem se mehanička energija rotacije pretvara u električnu energiju. S obzirom na način pretVaranja energije odnosno prema promjeni pritiska vode pri strujanju kroz radno kolo, vodne turbine dijele se na: • reakcijske (predpritisne) turbine, • akcijske (turbine slobodnog mlaza, impulsne turbine). Reakcijskim turbinama nazivaju se vodne turbine u kojima je pritisak na ulazu u rotor veći od onoga na njegovom izlazu. U pretpritisnim turbinama se dio potencijalne energije transformiše u kinetičku energiju u statoru, a dio u rotoru. Zakretanje radnog kola uzrokuje promjena količine kretanja i reaktivne sile (razlika pritiska, Coriolisova sila i dr.). U procesu razmjene energije u oblasti radnog kola koriste sve tri komponente ukupne strujne energije : pritisnu (p/ρ), kinetičku (v2/2g) i potencijalnu (gz) energiju.U akcijskim turbinama pritisak na ulazu u rotor jednak je pritisku na njegovom izlazu, jer se sva potencijalna energija transformiše u kinetičku energiju vode u statoru (sapnici) turbine. Zaokretna sila nastaje samo na temelju promjene količine kretanja zbog skretanja mlaza u radnom kolu. Koriste samo kinetičku energiju v2/2 mlaza koji se stvara u mlaznici. Snaga koju razvija vodna turbina je zavisna o: ● protoku [m3/s] ● padu (pritisna visina) [m] ● promjeru rotora turbine [m] ● brzini okretanja turbine [r/min] ● gravitacionom ubrzanju [m/s2] ● gustoći vode [kg/m3] ● dinamičkom viskozitetu [Pa/ s] ● apsolutnoj hrapavosti površina [m]
2.1. OSNOVNI PARAMETRI HIDROTURBINA¸ Protok turbine Q [m3/s] - predstavlja onu količinu vode koja u sekundi protekne kroz turbinu. Protok kola turbine QK [m3/s] – manji je od protoka turbine Q za vrijednost protoka procurivanja ∆Q koji protiče kroz procjepe između radnog kola i oklopa turbine. Protok turbine različito se definiše za različite pogonske režime. Bruto jediničnii rad struje YBR – elektrane predstavlja razliku ukupnih jediničnih snaga gornjeg i donjeg nivoa vode u akumulaciji i donjoj vodi.
pA i pB – apsolutni pritisci na površinama gornjeg i donjeg nivoa vode, obično su jednaki barometarskom pritisku pb; cA i cB – su srednje brzine vode u datim presjecima; i - odgovarajući Koriolisovi koeficijenti (ovi koeficijenti su bez predhodnog mjerenja polja brzina nepoznati pa se obično uzima da je ;zA i zB – kote gornjeg i donjeg nivoa vode.
Slika 15.
Bruto pad Hbr =
. Za slučaj kada je protok kroz turbinu
jednak nuli, bruto pad HBR jednak je razlici nivoa gornje i donje
vode tj. . Kada elektrana radi (za normalan slučaj je pA = pB = pb) bruto pad elektrane je:
Neto jedinični strujni rad turbine Yn predstavlja razliku ukupnih jediničnih struja energija na ulazu i izlazu iz turbine (neophodno je uvijek pecizno definisati ulazni I-I i izlazni II-II presjek turbine):
Gdje su: turbine;
- pritisci u težištima presjeka ulaza I i izlaza II - srednje brzine strujanja koje se određuju
pomoću izraza
i
(
-površine protočnih
presjeka I i II); - kote težišta presjeka; - Koriolisovi koeficijenti koje određujemo na osnovu profila brzina u presjecima I i II pomoću izraza: , gdje su ci – srednja brzina u presjeku; Ai – površina presjeka i c – lokalne brzine u presjeku. Neto pad turbine Hn (u daljem tekstu samo H) u praksi se ova veličina koristi češće nego Yn, određuje se prije projektovanja turbine na osnovu optimalne dispozicije elektrane, protoka, dimenzija postrojenja. Takođe je neophodno znati i maximalni Hmax (najveći mogući pad koji će se javiti pri eksploataciji turbine obično se javlja pri radu turbine sa malim protocima, kada je kota donje vode minimalna, a gornje maksimalna)kao i minimalni Hmin neto pad turbine (najmanji mogući pad turbine koji se javlja pri velikim protocima elektrane kada je kota donje vode maksimalna a gornje minimalna). Veza između specifičnih neto i bruto padova može se odrediti pomoću energijskih jednačina napisanih za presjeke I i II: , gdje su: : -jednične ukupne energije u odgovarajućim presjecima; - jedinični hidraulički gubici od
presjeka A do I;
- jedinični hidraulički gubici od presjeka II
do B. Jedinični gubici su izraženi u Iz jednačina (5) dobijamo :
I uzimajući u obzir izraze (1), (3), iz (6) je:
Ili (8) gdje su: - hidraulički gubici od presjeka A do I i od presjeka II do B i izraženi su u metrima stuba vode [m]. Neto pad H manji je od bruto pada Hbr za iznos hidrauličnih gubitakanastalih pri strujanju od gornje vode do ulaza u turbinu i od izlaza iz turbine do donje vode. Kod cijevne turbine (brzohodne reakcijske turbine) ulaz I-I u turbinu definisan je simetralom niše predturbinskog tablastog zatvarača, a izlaz II-II presjekom na izlazu iz sifona (slika 16).
Slika 16.
Jedinični rad ovih turbina određuje se pomoću izraza (3):
Gdje su: - pritisci u težištima mogu odrediti na osnovu izraza:
. Veličine
- se
(10) Gdje su: - kote slobodnih površina voda u niši predturbinskog zatvarača i u na izlazu iz sifona. Neto pad turbine prema (9) je:
I predstavlja razmjenjeni rad turbine po jedinici sile težine vode . Bruto pad turbine prema jednačini (8):
Gdje su:
- gubitak u rešetki;
- gubitak u ulaznoj
građevini do niše predturbinskog zatvarača;
- gubitak
kinetičke energije na izlazu iz sifona. Kod dijagonalnih turbina (reakcijska sporohodna) koje imaju spiralu priključenu na cjevovod (slika 17) specifični strujni rad je : prema jednačini (8):
Gdje je: - kota težišta ulaznog presjeka; - odstojanje kote manometra od kote težišta ulaznog presijeka; - nadpritisak koji pokazuje manometar. Ulaz u turbinu I u ovom slučaju definiše se presjekom ulaza u spiralu a izlaz II izlaznim presjekom sifona.
Slika 17.
Specifični strujni nrad Ybr prema jednačini (8) je:
2.1.1.SNAGE I STEPENI KORISNOSTI TURBINA U procesu razmjene energije u turbini, od ulaza I do izlaza II iz turbine, javljaju se gubici energije koji umanjuju količinu razmjenjenog rada Da bi se odredili uzročnici nastajanja gubitaka, uvode se tačno definisane snage gubici snaga i stepeni korisnosti. Na slici 18 data je principijelna šema jedne reakcijske turbine sa naznakama snaga, gubitaka snaga i stepena korisnosti.
Slika 18.
Hidraulična snaga turbine Ph je ona količina rada u jedinici vremena koji bi voda razmjenila u turbini kada ne bi bilo gubitaka:
Snaga kola svedena na protok kroz turbinu PKn (W) je ona količina energije u jedinici vremena koja bi se razmijenila u obrtnom kolu kada bi sav protok proticao kroz kolo. Zbog procjepa između kola i kućišta turbina voda iz zone višeg pritiska, spirale i sprovodnog aparata umiče ka zoni nižeg pritiska. Količina vode koja protekne kroz procjepe naziva se volumetrijskim gubitkom ∆Q. Jedinični hidraulični gubici Ygh u turbini nastaju zbog: trenja, odljepljivanja struje od graničnih površina, vrtloženja, udara o ulazne ivice lopatica kola i dr. Snaga kola svedena na prorok kroz turbinu Pkn određuje se pomoću izraza:
Gdje je:
- pad kola.
Snaga kola Pk je ona količina rada koju voda protoka Qk razmjeni u jedinici vremena u obrtnom kolu i određuje se izrazom:
Snaga za savlađivanje trenja na spoljašnjim površinama kola PgR – se određuje pomoću eksperimentalnih formula. Unutrašnja snaga turbine ili snaga na izlazu vratila iz turbine Pi dobija se kad se od snage PK oduzmu gubici snage PgR:
Mehanički gubitak snage Pgm [W], u ove gubitke ubrajaju se svi gubici u ležištima i zaptivačima koji se nalaze do spojnice turbinesa generatorom ili multuplikatorom. Snaga turbine P je snaga na spojnici turbine:
Hidraulični gubitak snage Pgh određujemo na osnovu izraza:
Stepeni korisnosti turbina dati su tabelarno NAZIV Hidraulični stepen korisnosti
OBRAZAC
Volimetrijski stepen korisnosti Bezdimenzijski gubitak snage od trenja na spoljašnjim površinama kola Unutrašnji stepen korisnosti Mehanički stepen korisnosti Ukupni stepen korisnosti turbine Stepen korisnosti generatora Stepen korisnosti agregata 2.3 KINEMATIKA STRUJANJA U REAKCIJSKIM TURBINAMA
Kod Kaplanovih turbina iz sprovodnog aparata voda ulazi u međuprostor 5 između sprovodnog aparata i obrtnog kola 4, a zatim u obrtno kolo. Strujanje kroz kolo se odvija duž površi 6, koje se u prvom približenju mogu smatrati koaksijalnim cilindrima. Razvijeni presjek omotača cilindra (prečnika Ds) sa lopaticama obrtnog kola prikazan je na slici 19 .
Slika 19.
Strujanje u obrtnom kolu je složeno i sastavljeno od dva kretanja: relativnog i prenosnog. Ako se vektor brzine relativnog kretanja označi je sa a vektor brzine prenosnog sa , tada se vektor apsolutne brzine osnovu izraza
Relativna brzina
u nekoj proizvoljnoj tački dobija na
ima pravac tangente na relativnu putanju AB,
a apsolutna brzina
pravac tangente na apsolutnu putanju AC.
Na slici 19 prikazana je grafička zavisnost brzina) na ulazu i izlazu iz kola.
(trouglovi
3. CIJEVNE TURBINE Cijevne turbine pripadaju porodici Kaplan turbina i grupi reakcijskih turbina upotrebljavaju se u nizinskim podrucjima gdje rijeke imaju pretežno velike protoke i male brzine strujanja. Zbog ovih nabrojanih karakteristika mogu se koristiti kod branskih elektrana, branske hidroelektrane grade se na vodenim tokovima gdje nije moguće postići velike padove (H=30-60 [m], Q= 12000
). Ove turbine imaju najveću
sposobnost propuštanja vode, tako da i pri vrlo malim padovima mogu razviti velike snage.
Specifični broj obrtaja ns [o/min]
Visinska razlika Protok gornje i donje [Q] vode H [m] 1 – 20 veliki 800 Područje primjene cijevne turbine
Kaplan turbine se uglavnom izvode sa vertikalno postavljenim vratilom dok se cijevne turbine izraduju s horizontalnim vratilom, na koje je spojen i generator u jednoj liniji (Slika 15.). Osnovna im je konstrukcijska karakteristika da se cijeli agregat nalazi u protočnom traktu („cijevi“), a generator se nalazi u potpuno oplakivanom kucištu od celika kruškolikog oblika („kruška“ - eng. Bulb turbine ) i time zašticen od uticaja vode. Voda aksijalno dovedena rotoru prenosi silu impulsa na lopaticu i koja, prema profilu lopatice i uglu podešavanja lopatice, vrši okretanje rotora koji preko vratila pokrece generator. Kaplan turbine imaju, suprotno prvobitno razvijenim propelernim turbinama, zakretne lopatice rotora. Time one postižu veliku prilagodljivost radnim uslovima, odnosno promjenama opterećenja i protoka, uz dobru korisnost. Regulacija snage se vrši promjenom protoka putem zakretanja privodnih lopatica, prilikom čega se mijenja i ugao nastrujavanja vode na rotorske lopatice. Sinhrono zakretanje lopatica radnog kola i privodnih lopatica naziva se kombinatornom vezom. Prednost ovakve izrade turbine je što nema dobavnog aparata spiralnog tipa.
Imaju predprivodeće (nepomične) i privodeće (pomične) lopatice. Dozvoljavaju dvostruku regulaciju; zakretanjem privodećih i rotorskih lopatica, a posljedica toga je visoka korisnost u cijelom radnom području. Kod ovakvih turbina niskog pada, udio kinetičke energije s obzirom na raspoloživi pad na izlazu iz difuzora može iznositi i do 50-60%. Radi toga konstrukcija turbine treba osigurati minimalne gubitke pri strujanju, te minimalnu energiju na izlazu iz rotora. Minimalnu energiju na izlazu iz rotora osigurat će pravilna izrada difuzora, te bezvrtložno strujanje na izlazu iz rotora (strujanjem u smjeru osi difuzora). Aksijalne turbine s horizontalnom osi se koriste i za iskorištavanje energije plime i oseke. Ove mašine rade s padovima od nekoliko metara, a konstrukcija aparata omogućuje rad u oba smjera, te rad u pumpnom režimu (reverzibilne hidroelektrane). Manje se jedinice izvode s električnim generatorom izvan cijevi tzv. „S“ izrada ili Straflo (straightflow) turbine (slika 16).
Slika 15.
Slika 16.
3.1. DIJELOVI CIJEVNE TURBINE
Slika 17.
1-rotor; 2- privodno kolo; 3- mehanizam za regulaciju privodnog kola; 4 – statorske lopatice; 5- otvor za remont; 6 i 7- radijalni ležaj; 8- aksijalni ležaj; 9 i 10- rotor i stator; 11- poklopac za remont; 12- stepenice;13- prolaz za osoblje; 14- električni razvod; 15 i 17- kućište generatora; 16- donji stub koji drži kućište;18- gornji stup kroz koji se ulazi u kućište. Pretprivodno kolo je glavna noseća konstrukcija preko koje se prenose sva statička i dinamička opterećenja na betonsku konstrukciju mašinske sale. Izrađuje se kao zavarena čelična konstrukcija sastavljena od dva čelična obruča međusobno spojena stabilnim lopaticama koje usmjeravaju vodu na lopatice privodnog kola. Privodno kolo (privodni aparat) turbine je mehanizam koji pomoću zakretnih lopatica reguliše protok vode kroz turbinu i usmjerava vodu na lopatice radnog kola pod najpovoljnijim uglom. Sastavljeno je od dva obruča između kojih je radijalno postavljeno 20-32 hidraulički profiliranih lopatica. Zakretanje lopatica privodnog kola, a time i regulacija protoka vode kroz turbinu ostvaruje se zakretanjem regulacijskog prstena pomoću servomotora koje se sistemom poluga i ručica prenosi na svaku lopaticu posebno. U incidentnim situacijama kao što je ispad generatora iz mreže ili neki kvar na vitalnom dijelu turbine,
lopatice privodnog kola se automatski zatvaraju i prekidaju dovod vode u turbinu. Zatvaranje ne smije biti prebrzo zbog opasnosti od prekida stuba vode u radnom kolu ili difuzoru, što bi moglo prouzročiti povratni udar vode u radno kolo. Nakon što prođe kroz rotor turbine voda otječe kroz difuzor. Namjena difuzora (odsisne cijevi) je smanjenje izlazne brzine čime se smanjuju izlazni gubici energije, a time povećava ukupna korisnost turbine. Difuzor omogućava turbinski rad nezavisno o promjenama nivoa donje vode, a u turbinama s vertikalnim vratilom mijenja smjer strujanja vode iz vertikalnog u horizontalni, uz najmanje hidrodinamičke gubitke. Prema obliku difuzor može biti ravan ili kupast, kombinovani i ljevkast. Sile koju djeluju na vratilo turbine preuzimaju aksijalni ležaj i jedan ili više radijalnih ležajeva. Aksijalni ležaj može biti zajednički za turbinu i generator koji su obično povezani krutom spojnicom. Osnovni se radijalni ležaj najčešće nalazi uz radno kolo i naziva se vodećim turbinskim ležajem. Turbinski poklopac služi za usmjeravanje vode i prenošenje aksijalnih sila nosećeg ležaja preko prstena privodnog i pretprivodnog kola na temelje. Na turbinskom poklopcu se osim ležaja uobičajeno smještaju brtva turbinskog vratila, zračni ventili i hidrauličke brave.
4. DERIAZ (DIJAGONALNA ) TURBINA Nazvana po svom konstruktoru Švajcarcu Paulu Deriazu dizajneru hidrauličaru koji ju je patentirao 1952. Godine prema Kaplanovom konceptu. Za ovu turbinu može se reći da je kombinacija Francisove i Kaplan turbine sa osnovnom razlikom u uglu dovođenja vode. U upotrebu su ušle 1956. Godine u američkim i kanadskim hidrocentralama na Nijagarinim vodopadima. Spada u klasu reakcijskih turbina. Ove turbine imaju konstrukcijski oblik kola takav da se formira pravac glavnog toka vode u dijagonalnom pravcu, otkuda slijedi naziv turbine. Deriazova turbina (slika 18.) ima mogućnost reverzibilnog rada te može promjeniti smjer toka, raditi kao
pumpa i može napuniti rezervoar vode tokom niske potrošnje električne energije. Nakon faze rada kao pumpa se može prebaciti na turbinski model rada i proizvodnju električne energije. Deriazova turbina je slična po konstrukciji Kaplanovoj turbini ali zbog konstrukcije lopatica ima područje rada od 20 do 100 m visinske razlike vode. Zbog ovih karakteristika mogu se koristiti i u branskim i pribranskim hidroelektranama. Specifični broj obrtaja ns [o/min]
Visinska razlika Protok gornje i donje [Q] vode H [m] 170 – 430 20 – 100 srednji Područje primjene Deriaz turbine
Postoji mogućnost namještanja ugla lopatica te je moguće postizanje visokih učinaka na širokom rasponu protoka i visina vode. Korekcijama nagiba smanjuje se mogućnost pojave kavitacije tokom rada.
Slika 18.
4.1. DIJELOVI DERIAZOVE TURBINE Na slici 19. Prikazane su dvije varijante izvođenja ove turbine varijanta I – sa radijalnim sprovodnim aparatom i varijanta II – sa konusnim sprovodnim aparatom.
Slika 19.
1 , 13 – spiralni dovod; 2 , 10 – statorske lopatice; 3 , 9 – lopatice privodnog kola; 4 , 11 – mehanizam za regulaciju privodnog kola; 5 – servo motor privodnog kola; 6 – sifon; 7 – rotor; 8 – glavina rotora; 12 – vratilo. Specifičnosti obrtnog kola Deriaz turbine su : ne postoji spoljni disk, lopatice su pričvršćene za glavčinu ali se mogu sihronizovano obrtati oko svoje ose i zauzeti željeni položaj zavisno od regulacijskih zahtjeva.
5. LITERATURA I IZVORI INFORMACIJA Hidraulične turbine/M. Benišek/Izdavač:Mašinski fakultet u Beogradu/1998
http://ees.etf.bg.ac.rs/predmeti/35/uvod+hidroelektrane2011.pdf http://energieuitwater.files.wordpress.com/2008/01/vs_3181e_b ulb_pit.pdf http://www.daviddarling.info/encyclopedia/D/AE_Deriaz_turbine. html http://fer.unizg.hr/_download/repository/Elektrane_03.pdf http://www.joulecentre.org/events/3apr08/Pres4VATECH %20HYDRO_Low%20Head%20Hydro%20turbines %20r2%20Dieter%20Kromphol.pdf http://hr.wikipedia.org/wiki/Kaplanova_turbina#Cijevne_turbine http://www.grad.unizg.hr/nastava/hidrotehnika/gf/hidrotehnicke _gradevine/nastavni_materijali/Dio2/KVS.pdf http://bib.irb.hr/datoteka/461423.Bacinger-A1-16.pdf http://www.codecogs.com/reference/engineering/fluid_mechanic s/turbines/axial_flow_turbines.php http://www.scribd.com/doc/24386162/7/Reaction-turbines http://www.creativeengineering.eu/Styrylski_Tomalik_Madsen.pdf http://www.codecogs.com/reference/engineering/fluid_mechanic s/turbines/water_turbines.php
SADRŽAJ 1. UVOD 2.VODNE TURBINE 2.1.Prilike u vodnoj turbini 2.2.Trouglovi brzina reakcijskih turbina 3.CIJEVNE TURBINE 3.1.Dijelovi cijevne turbine 4.DERIAZ TURBINA 4.1.Dijelovi Deriaz turbine 5.LITERATURA
1 5 6 9 14 16 18 19 21
Univerzitet Crne Gore Mašinski fakultet Podgorica
SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA PROJEKTOVANJE ENERGETSKIH POSTOJENJA TEMA: CIJEVNE I DERIAZ TURBINE
Predmetni nastavnik: Student : Prof. Dr. Uroš Karadžić Karahmetović 76/10
Adnan Podgorica 2011.
