16 października 2021

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:

wz6


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 turbina
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 turbina s
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:

wz9

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:

wz10

gdzie: P – ciśnienie, ρ – gęstość, V – prędkość.
Podobieństwo sił lepkości i bezwładności wyraża liczba Reynoldsa:

wz11

gdzie: ν – lepkość kinematyczna.
Przy założeniu, że νP=νM oraz przyspieszenie ziemskie g = const otrzymujemy warunek:

wz12

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.

tab1
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