Spośród niewykorzystywanych obecnie zasobów hydroenergetycznych w Polsce o potencjale wynoszącym 6,5 TWh/rok, znacząca część (około 1,7 TWh/rok) przypada na obiekty tak zwanej małej energetyki wodnej – MEW (pod tym pojęciem przyjmuje się w Polsce obiekty o mocy poniżej 5 MW). Zdecydowaną większość obiektów do wykorzystania przez MEW stanowią obiekty o niskim spadzie (42%), co należy uwzględnić w programach produkcji turbin, kładąc nacisk na szybkobieżne turbiny niskospadowe. Turbiny tego typu pozwalają w sposób efektywny zagospodarować obiekty hydrotechniczne, charakteryzujące się relatywnie wysokimi natężeniami przepływu wody przy niskich spadkach (różnicy poziomów wody górnej i dolnej poniżej 4 m słupa wody).
Adam Henke, Adam Góralczyk
W niniejszym artykule przedstawiono najważniejsze wyniki prac projektowo-badawczych, przeprowadzonych w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN (IMP), których głównym celem było zaprojektowanie, wykonanie oraz przebadanie nowoczesnego modelu (prototypu) hydrozespołu z turbiną wodną o wysokiej sprawności energetycznej, zwartej konstrukcji oraz z możliwością łatwego montażu. Na podstawie badań tego modelu zaprojektowano typoszereg hydrozespołów z piko- i mikroturbinami, różniących się wielkością i przeznaczonych na obiekty o spadach od 1 m do 4 m słupa wody.
Rys. 1 Rozkład ciśnień statycznych oraz linie prądu kolorowane prędkością całkowitą w warunkach pracy turbiny przy najwyższej sprawności.
Poprzez wprowadzenie narzędzi analizy przepływu i projektowania bryłowego, oraz weryfikację zaprojektowanego układu przepływowego badaniami prototypu na stanowisku laboratoryjnym, uzyskano konstrukcję turbiny charakteryzującej się wysokim poziomem parametrów energetycznych i eksploatacyjnych.
Koncepcja i założenia projektowe turbiny
Po przeprowadzeniu analizy różnych rozwiązań pikoturbin przeznaczonych dla obiektów niskospadowych z założeniem uzyskania wysokiego wyróżnika szybkobieżności przy stosunkowo niskich kosztach instalacji hydrozespołu na obiekcie MEW, zdecydowano się na zaprojektowanie, wykonanie i przebadanie modelu trójłopatkowej rurowej turbiny z wirnikiem Kaplana i przestawianą palisadą kierownicy. Założono, że turbina będzie wyposażona w jednokolanową stożkową rurę ssącą, a odbiór mocy z wirnika będzie się odbywał poprzez wał przechodzący przez kolano rury ssącej.
Własności hydrauliczne turbin wodnych określają ich podstawowe wielkości (parametry): natężenie przepływu Q, wysokość spadu (spad) H oraz szybkość obrotowa wirnika n. Zależność między tymi wielkościami przedstawiona jest często w postaci tzw. kinematycznego wyróżnika szybkobieżności nsQ.
Wyróżnik nsQ jest liczbą kryterialną podobieństwa maszyn hydraulicznych (turbin wodnych i pomp wirowych) i służy do określania kształtu ich wirników oraz typów maszyn (akcyjne lub reakcyjne o przepływie promieniowym, promieniowo-osiowym, osiowym).
gdzie: n –szybkość obrotowa wirnika maszyny [obr/min], Q – objętościowe natężenie przepływu w nominalnych warunkach pracy [m3/s], H – wysokość spadu [m].
Założenia projektowe modelu rurowej turbiny o przyjętym symbolu TNS 300D z wirnikiem Kaplana sformułowano następująco:
- nominalny spad turbiny Hn = 2 m słupa wody,
- nominalna szybkość obrotowa nn = 800 obr/min,
- średnica wirnika D = 300 mm,
- wyróżnik szybkobieżności nSQ » 220,
- liczba łopatek wirnika z = 3,
- liczba łopatek kierownicy regulowanej zk = 14.
Proces projektowania układu przepływowego modelu turbiny przebiegał w dwóch etapach. W pierwszym etapie za pomocą klasycznych metod jednowymiarowych, w oparciu o dane literaturowe oraz własne doświadczenia konstruktorów, wyznaczono geometrię łopatek wirnika oraz kierownicy regulowanej. W drugim etapie projektowania optymalizowano geometrię układu przepływowego turbiny wykorzystując metody CFD.
Rys. 2 Przekrój osiowy modelu turbiny podwójnej regulacji TNS 300D
(1 – kierownica wsporcza, 2 – kierownica regulowana, 3 – obudowa wirnika, 4 – wirnik, 5 – wał, 6 – rura ssąca jednokolanowa, 7 – węzeł łożyska prowadząco-nośnego).
Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe wyniki analizy numerycznej układu przepływowego turbiny TNS 300.
Na podstawie wyników przeprowadzonych obliczeń układu przepływowego wykonano projekt konstrukcyjny modeli turbiny (Rys. 2,3).
Rys. 3 Model turbiny TNS 300D – wizualizacja przestrzenna.
Badania modelowe pikoturbin wodnych na stanowisku laboratoryjnym
Stanowisko laboratoryjne do badań modelowych pikoturbin wodnych
Stanowisko uniwersalne do badań modelowych pomp wirowych i turbin wodnych zostało zbudowane w laboratorium Instytutu Maszyn Przepływowych PAN w latach 1973/74. Było ono wykorzystywane głównie do prac związanych z badaniami modelowymi pomp osiowych i niektórych typów turbin wodnych na rzecz rozwoju małej energetyki wodnej w Polsce. Na stanowisku tym prowadzono także zajęcia dydaktyczne ze studentami Politechniki Gdańskiej. W ostatnim czasie, w celu polepszenia warunków napływu na maszynę modelową oraz zwiększenia możliwości badawczych stanowisko przeszło gruntowną modernizację. W ramach tej modernizacji, m.in. zainstalowano zbiornik wyrównawczy po stronie wysokociśnieniowej, o pojemności 12,5 m3, co spowodowało znaczne polepszenie warunków napływu wody do badanych maszyn, zwiększenie dokładności pomiaru natężenia przepływu (wydłużenie ciągów pomiarowych oraz zainstalowanie przepływomierzy magnetoindukcyjnych, które zastąpiły pierwotne zwężki Venturiego), a także znaczne zwiększenie objętości wody obiegowej stanowiska, co przyniosło poprawę warunków termicznych. Wprowadzono również regulację szybkości obrotowej pomp obiegowych stanowiska za pomocą przemienników częstotliwości, co zdecydowanie poprawiło sterowanie pracą stanowiska podczas badań.
Od 2011 roku stanowisko spełnia podstawowe wymogi narzucone przez normę międzynarodową IEC 995, dotyczącą badań modelowych turbin wodnych. Schemat stanowiska przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4 Schemat obiegu hydraulicznego uniwersalnego stanowiska do badań modelowych pomp i turbin wodnych w laboratorium IMP PAN: Zd – zbiornik niskociśnieniowy, Zg – zbiornik wysokociśnieniowy, K – kolektor, T – badana turbina, G – generator, P1, P2 – pompy obiegowe.
W trakcie badań modelowych turbin wodnych obieg wody w układzie hydraulicznym stanowiska zapewniają dwie pompy (P1 i P2 – rys. 4) pracujące ze zmienną szybkością obrotową. Pompy połączone są od strony ssącej ze zbiornikiem niskociśnieniowym Zd, natomiast od strony tłocznej z kolektorem K.
Ciecz wtłoczona do zbiornika kolektorowego kierowana jest na dwa ciągi pomiarowe z przepływomierzami. Woda po przejściu przez ciągi pomiarowe kierowana jest do jednej z komór zbiornika wysokociśnieniowego Zg, następnie przelewa się przez przegrodę w nim umieszczoną do drugiej komory, która połączona jest z króćcem zasilającym badaną turbinę.
Rys. 5 Turbina TSN 300D zainstalowana na stanowisku badawczym
Energia przepływającej wody odbierana jest przez wirnik turbiny i przekazywana poprzez wał do generatora prądu stałego G. Sterowanie szybkością obrotową turbiny odbywa się poprzez regulację wzbudzenia generatora oraz zmianę oporności opornika elektrolitycznego, w którym wytracana jest moc wygenerowana przez prądnicę turbiny. Woda po przejściu przez układ łopatkowy turbiny odprowadzana jest poprzez rurę ssąca oraz kolano do zbiornika niskociśnieniowego.
Na rysunku 5 przedstawiono turbinę TSN 300D zainstalowaną na stanowisku badawczym.
Wielkości charakteryzujące własności energetyczne modelu turbiny i sposób ich pomiaru
Schemat fragmentu stanowiska badawczego obejmującego zainstalowaną turbiną modelową wraz z zaznaczonymi mierzonymi wielkościami został przedstawiony na rysunku 6.
Rys. 6 Schemat stanowiska badawczego z zainstalowaną turbiną modelową wraz z zaznaczonymi miejscami pomiarowymi i wielkościami mierzonymi (1-1 – przekrój wysokociśnieniowy, 2-2 – przekrój niskociśnieniowy, α0 – kąt ustawienia łopatek kierownicy, β – kąt ustawienia łopatek wirnika, M – moment na wale turbiny, n – szybkość obrotowa turbiny, Q – natężenie przepływu, Δ p1-2 – różnica ciśnień statycznych pomiędzy przekrojami wysoko- i niskociśnieniowym)
Jednostkowa energia hydrauliczna turbiny jest zdefiniowana, jako różnica energii jednostkowej wody w wysoko- i niskociśnieniowym przekroju odniesienia (1-1) – na prostym odcinku rury przed wlotem do segmentu kierowniczego i na wylocie z rury ssącej (2-2). Dla wyznaczenia jednostkowej energii hydraulicznej stosuje się wzór:
gdzie: p1 oznacza ciśnienie w przekroju wysokociśnieniowym (przekrój wlotowy turbiny), p2 oznacza ciśnienie w przekroju niskociśnieniowym (przekrój wylotowy z rury ssącej), V1 jest średnią prędkością cieczy w przekroju wysokociśnieniowym liczoną z równania V1 = Q/A1, gdzie: A1 oznacza pole przekroju wysokociśnieniowego, V2 jest średnią prędkością cieczy w przekroju wylotowym rury ssącej w miejscu zainstalowanego wielopunktowego odbioru ciśnienia.
Prędkość V2 jest liczona z zależności V2 = Q/A2, gdzie: A2 – pole przekroju rury ssącej w miejscu zainstalowanego wielopunktowego odbioru ciśnienia, z1 – rzędna przetwornika ciśnienia w przekroju wysokociśnieniowym (1-1), z2 – rzędna przetwornika ciśnienia w przekroju niskociśnieniowym (2-2), g – przyspieszenie ziemskie, ρ – gęstość wody wyznaczona dla aktualnego ciśnienia atmosferycznego i aktualnej temperatury wody.
Przekroje: wysokociśnieniowy i niskociśnieniowy wyposażone były w wielopunktowe odbiory ciśnienia.
Spad netto turbiny Hn [m sł. wody] wyznaczany jest ze wzoru:
W celu zwiększenia dokładności pomiaru spadu, zamiast oddzielnych pomiarów ciśnień p1 i p2, mierzono różnicę ciśnień Δ p1-2 za pomocą przetwornika różnicowego. W tych warunkach spad turbiny wyznaczano ze wzoru:
Do pomiaru objętościowego natężenia przepływu Q [m3/s] (strumienia objętości) wody) posługiwano się dwoma zainstalowanymi na stanowisku przepływomierzami magneto-indukcyjnymi.
Moc na wale badanej turbiny mierzono w sposób pośredni, za pomocą pomiaru momentu obrotowego i szybkości obrotowej wirnika turbiny, a jej wartość obliczano ze wzoru:
gdzie: P – moc [W], M – moment obrotowy [Nm], n – szybkość obrotowa [obr/min].
Szybkość obrotowa wirnika badanej turbiny n była mierzona za pomocą przetwornika impulsowego. Moment obrotowy na wale badanej turbiny M był mierzony za pomocą momentomierza. Ze zmierzonych wartości natężenia przepływu Q, szybkości obrotowej n, momentu obrotowego na wale M oraz mocy mechanicznej na wale P wyznaczano sprawność całkowitą turbiny η, która wyraża stosunek energii mechanicznej na wale turbiny do energii hydraulicznej strumienia cieczy przepływającego przez turbinę, co zapisać można wzorem:
Zakres badań oraz ich przebieg
Badania modelu turbiny TNS 300D wykonano przy spadach netto Hn ~ 1.5 m, dla ośmiu ustawień łopatek wirnika β w zakresie 6÷24°. Szybkość obrotową n zmieniano w przedziale 250÷1100 obr/min.
Badania polegały na równoczesnym pomiarze natężenia przepływu Q, różnicy ciśnień statycznych między przekrojem wlotowym i wylotowym turbiny ∆p, momentu obrotowego M na wale turbiny oraz szybkości obrotowej wirnika n, przy różnych obciążeniach badanej turbiny. Na podstawie zmierzonych wielkości wyznaczone zostały: spad netto turbiny Hn, moc mechaniczną na wale turbiny P oraz sprawność całkowita η.
Uzyskane z pomiarów wartości natężenia przepływu, szybkości obrotowej, momentu obrotowego na wale oraz mocy mechanicznej na wale były redukowane (przeliczane) na średni spad turbiny Hred, utrzymywany w trakcie badań na stałym poziomie.
Wyniki badań
Na rysunku 7 przedstawiono przykładowe wyniki badań modelu turbiny TNS 300D, uzyskane przy kącie ustawienia łopatek wirnika β = 16° i kącie ustawienia łopatek kierownicy αo = 45° oraz spadzie H = 1,5 m sł. wody
Rys. 7 Przykładowe wyniki badań modelu turbiny TNS 300D, uzyskane przy kącie ustawienia łopatek wirnika β = 16° i kącie ustawienia łopatek kierownicy αo = 45° oraz spadzie H = 1,5 m sł. wody.
Wyniki te przedstawiono w postaci krzywych natężenia przepływu Q, mocy na wale P i sprawności η w zależności od szybkości obrotowej n. Krzywe (wielomiany piątego lub szóstego stopnia) wyznaczono metodą najmniejszych kwadratów, zastosowanych do wartości wielkości mierzonych podczas badań.
Kolejnym etapem obróbki danych pomiarowych było przedstawienie wszystkich wyników badań w postaci tzw. charakterystyki uniwersalnej (muszlowej) badanej turbiny modelowej. Charakterystykę tę definiowano, jako zależność sprawności turbiny η od szybkości podwójnie zredukowanej n11 i podwójnie zredukowanego objętościowego natężenia przepływu Q11 z zaznaczeniem linii stałych kątów ustawienia łopatek wirnika, oraz linii stałych kątów ustawienia łopatek kierownicy. Wielkości n11 i Q11 (podwójnie zredukowane na spad H = 1 m i średnicę wirnika D =1 m), obliczano ze wzorów:
Wyznaczoną na podstawie przeprowadzonych badań charakterystykę uniwersalną modelu turbiny podwójnej regulacji TSN 300D przedstawiono na rysunku 8.
Nomogram wyznaczonego typoszeregu pikoturbin
Na podstawie wyników przeprowadzonych badań modelowych oraz przyjętego sposobu uwzględnienia efektu skali opracowano nomogram turbin typoszeregu TNS.
Rys. 8 Charakterystyka uniwersalna modelu turbiny TNS 300D
Nomogram ten, przedstawiony na rysunku 9, służy do wstępnego doboru turbin i do orientacyjnego określenia parametrów turbiny (moc, szybkość obrotowa) dla warunków energetycznych (spad, przepływ) występujących na danym obiekcie.
Rys. 9 Nomogram turbin opracowanego typoszeregu TNS D.
Do dokładnego wyznaczania parametrów turbin należy posługiwać się charakterystykami uniwersalnymi turbin.
Przeliczenie współczynnika sprawności na warunki rzeczywiste
Podstawowym wymaganiem dotyczącym wyznaczania własności ruchowych prototypu na podstawie badań modelowych jest zachowanie podobieństwa hydrodynamicznego między modelem a prototypem. Osiągnięcie takiej relacji wymaga zachowania podobieństwa geometrycznego (homologii) oraz identycznych stosunków różnych sił działających między cieczą, a elementami każdej maszyny. Stosunki te zdefiniowane są wyrażeniami bezwymiarowymi i identyfikowane liczbami podobieństwa. Normy dotyczące badań modelowych określają dopuszczalne odchyłki wymiarów poszczególnych części układu przepływowego prototypu w odniesieniu do modelu w celu spełnienia warunków podobieństwa geometrycznego.
Podobieństwo kinematyczne prototypu i modelu jest spełnione, gdy zachodzi równość:
gdzie: Q – objętościowe natężenie przepływu [m3/s], n – szybkość obrotowa [obr/min], D – średnica wirnika [m], indeks M dotyczy modelu, indeks P dotyczy prototypu.
Podobieństwo dynamiczne pomiędzy modelem i prototypem zachowane jest, gdy stosunki między siłami mającymi wyczuwalny wpływ na przebieg zachodzących zjawisk w obu porównywanych układach są równe. Siłami tymi są siły ciśnienia, bezwładności i lepkości. Podobieństwo sił ciśnienia i bezwładności określa liczba Eulera Eu:
gdzie: P – ciśnienie, ρ – gęstość, V – prędkość.
Podobieństwo sił lepkości i bezwładności wyraża liczba Reynoldsa:
gdzie: ν – lepkość kinematyczna.
Przy założeniu, że νP=νM oraz przyspieszenie ziemskie g = const otrzymujemy warunek:
który jest niezwykle trudny do spełnienia (w praktyce spotyka się stosunki liczb Reynoldsa modelu i prototypu sięgające sześćdziesięciu).
Z tego powodu, przy wyznaczaniu sprawności prototypu na podstawie badań modelowych należy uwzględnić efekt skali. W przypadku turbin w typoszeregu TSN D posłużono się metodami zalecanymi przez normę IEC 995.
Sprawności maksymalne turbin typoszeregu TNS D przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Maksymalne wartości sprawności turbin typoszeregu TNS D wyznaczone na podstawie badań modelowych z uwzględnieniem efektu skali według zaleceń normy IEC 995
Podsumowanie i wnioski
Artykuł przedstawia procedury związane z badaniami modelowymi turbiny o przepływie osiowym (typu Kaplana) przeznaczonej do pracy na małych obiektach hydrotechnicznych o niskich spadach. Procedury te obejmują:
- zaprojektowanie układu przepływowego turbiny,
- sporządzenie dokumentacji konstrukcyjnej modelu turbiny,
- wykonanie turbiny i jej posadowienie na stanowisku badawczym,
- opracowanie charakterystyki uniwersalnej (muszlowej) turbiny,
- opracowanie typoszeregu turbin w oparciu o rezultaty badań modelowych.
Projektowanie turbiny modelowej oparto o własne, wcześniej opracowane narzędzia obliczeniowe oraz o współczesne programy obliczeniowe CFD. Łopatki wirnika i kierownic turbiny wykonano z wykorzystaniem precyzyjnych obrabiarek, sterowanych cyfrowo. Badania modelowe przeprowadzono na unikatowym w Polsce stanowisku laboratoryjnym w IMP PAN w Gdańsku, przeznaczonym do badań modeli pomp wirowych i turbin hydraulicznych.
Przeprowadzone badania laboratoryjne j turbiny modelowej pozwoliły na uzyskanie jej pełnej charakterystyki uniwersalnej (muszlowej). Charakterystykę te przedstawiono w postaci wielkości jednostkowych i bezwymiarowych, jako zależność sprawności turbiny η od szybkości podwójnie zredukowanej n11 i podwójnie zredukowanego objętościowego natężenia przepływu Q11 z zaznaczeniem linii stałych kątów ustawienia łopatek wirnika oraz linii stałych kątów ustawienia kierownicy.
Wyniki przeprowadzonych badań posłużyły do opracowania typoszeregu turbin TNS D. Przy przenoszeniu wyników badań modelowych na warunki, w których przewiduje się zastosowanie podobnych turbin prototypowych, uwzględniono zasady podobieństwa maszyn hydraulicznych i efekt skali.
Na podstawie przeprowadzonych analiz oraz prac konstrukcyjnych i badawczych sformułowano następujące najważniejsze wnioski dotyczące opracowanych nowych konstrukcji turbin:
Badania modelu rurowej turbiny typu Kaplana TNS 300D pozwoliły na wyznaczenie jej własności energetycznych (charakterystyk) w szerokim zakresie zmienności nastaw regulacyjnych i parametrów jej pracy.
Turbina modelowa osiągnęła dość wysoką sprawność maksymalną ηmax = 0,862 dla podwójnie zredukowanej wartość szybkości obrotowej n11 = 157 obr/min i podwójnie zredukowanego natężenia przepływu Q11 = 1,65 m3/s, przy kącie ustawienia łopatek wirnika β = 16º oraz kącie ustawienia łopatek kierownicy αo = 45º.
Wartość kinematycznego wyróżnika szybkobieżności w optymalnym punkcie pracy wynosi nSQ = 202 (nieco mniejsza niż założona nSQ » 220). Uzyskana wartość nSQ pozwala określić badaną turbinę, jako szybkobieżną, przeznaczoną do pracy przy relatywnie niskich spadach oraz wysokich natężeniach przepływu.
Turbina charakteryzuje się bardzo szerokim zakresem obciążenia (pracy) z wysoką sprawnością. W zakresie Q11=1,0 ÷ 2,2 m3/s, sprawność turbiny h ≥ 80%. Korzystnym jest więc stosowanie tej turbiny na obiektach o dużej zmienności przepływu.
mgr inż. Adam Henke
główny specjalista
mgr inż. Adam Góralczyk
starszy specjalista
Instytut Maszyn Przepływowych PAN, Gdańsk
LITERATURA
Miąskowski W., Adamkowski A., Nalepa K., Pietkiewicz P.,
Henke A., Góralczyk A., Kaniecki M.: Mikrogeneracja energii z wiatru i wody, Wydawnictwa Instytutu Maszyn
Przepływowych PAN, Gdańsk 2014.
artykuł pochodzi z wydania 10 (85) październik 2014
