-
UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI
CERCETĂRI TEORETICE ȘI EXPERIMENTALE PRIVIND
MICROTURBINELE TRANSVERSALE
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
ing. Constantin POPESCU
Conducător de doctorat
prof. dr. ing. Daniela POPESCU
IAŞI, 2019
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
1
CUPRINS
Introducere.................................................................................................................................3
Capitolul I. Analiza cercetărilor privind microturbinele
transversale………………………...……………4
1.1. Politici energetice privind centralele hidroelectrice de
mică putere......................................4
1.2. Stadiul actual al cercetărilor privind turbinele
transversale..................................................4
1.2.1. Soluții constructive. Brevete de invenții de referință
privind turbinele
transversale.......................................................................................................4
1.2.2. Studii
experimentale...........................................................................................9
1.3.
Concluzii.................................................................................
.............................................16
Capitolul II. Contribuții privind proiectarea și realizarea unei
turbine transversale destinată funcționării la
căderi reduse………………………………………………………………………………..……18
2.1. Recomandări de proiectare extrase din literatura de
specialitate........................................….19
2.2. Descrierea rotorului
proiectat...................................................................................................25
2.3. Descrierea injectorului
…………………………………………………………….………...26
2.4.
Concluzii..................................................................................................................................28
Capitolul III. Contribuții privind soluții inovative de control
a curgerii……………………………...…….29
3.1. Descrierea fenomenului de
recirculare…………………………….….………..……….…..29
3.2. Descrierea brevetului de invenție: Rotor de turbină cu
dublu flux…………………..……...30
3.3.
Concluzii.............................................................................
....................................................31
Capitolul IV. Contribuții privind dezvoltarea standului
experimental..........................................................32
4.1. Instrumente de
măsură.............................................................................................................34
4.2. Echipament de deplasare a turbinei în plan
vertical................................................................34
4.3. Sistem de susținere și ghidare a ansamblului
injector-rotor....................................................35
4.4. Sistemul de transmisie a mișcării de rotație de la arborele
rotorului la axul sistemului de
încărcare…………………………………………………………………………………….….35
4.5. Sistemul de încărcare
mecanică...............................................................................................36
4.6. Echipament de fracționare a
debitului……………………………………………..……...…36
4.7.
Concluzii..................................................................................................................................37
Capitolul V. Contribuții privind cercetările
experimentale..............................................................................38
5.1. Cercetări experimentale asupra turbinei transversale cu
rotor clasic.......................................38
5.2. Justificarea necesității și oportunității utilizării unui
dispozitiv interior de ghidare................40
5.3. Cercetări experimentale asupra turbinei transversale cu
dispozitiv de ghidare cu
autopoziționare........................................................................................................................41
5.4. Cercetări experimentale asupra turbinei transversale cu
dispozitiv de ghidare
controlabil din
exterior............................................................................................................43
5.5. Analiza
rezultatelor........................................................................................
..........................46
5.5.1. Analiza rezultatelorobținute prin încercarea rotorului
clasic..............................46
5.5.2. Analiza rezultatelor obținute pentru rotorul cu
dispozitiv cu
autopoziționare versus rotorul cu dispozitiv de ghidare
controlabil din
exterior............................................................................................................47
5.5.3. Comparații între cele trei variante de rotor studiat:
rotor clasic, rotor cu dispozitiv
de ghidare cu autopoziționare, rotor cu dispozitiv de ghidare
controlabil din
exterior.............................................................................................................49
5.5.4. Interpretarea rezultatelor obținute prin încercarea
rotorului echipat cu
dispozitive de
ghidare.......................................................................................50
5.6.
Concluzii....................................................................................................................
..............51
Capitolul VI. Contribuții privind analiza tehnico economică
efectuată cu programul HOMER………….53
6.1. Studiu de caz 1. Condiții de funcționare a turbinei maxim
7200 ore/an, cu debit variabil......54
6.2. Studiu de caz 2. Condiții de funcționare a turbinei 8760
ore/an, cu debit maxim constant...55
6.3. Studiu de caz 3 . Condiții de funționare a turbinei 8760
ore/an, cu debit variabil..................56
6.4. Studiu de caz 4. Condițiii de funcționare a turbinei, maxim
3600 ore/an, cu debit variabil....56
6.5.
Concluzii..................................................................................................................................56
Capitolul VII Concluzii și contribuții
personale………………………………………………..……………..57
7.1. Concluzii generale.……………………………………………….…………………………..57
7.2 Contribuții originale………………………………………………………………………..…57
7.2.1. Contribuții teoretice………………………………………………….………….57
7.2.3. Contribuții
numerice........................................
....................................................58
7.2.4. Contribuții
experimentale.....................................................................................59
7.3. Direcții viitoare de
cercetare......................................................................................................60
Lista de
lucrări..........................................................................................................................................61
Bibliografie selectivă………………………………………...………………………….……….………62
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
2
Introducere
Prezenta lucrare de doctorat se concentrează asupra
microturbinelor transversale de cădere mică,
funcționând în domenii caracterizate prin parametri hidraulici
de valori reduse, în afara domeniului acoperit
de variantele comerciale.
Lucrarea își propune proiectarea, construirea și testarea unei
turbine Michell-Banki care să
funcționeze la căderi sub H = 2 m și debite de maxim Q = 300
l/s. Acest tip de turbină transversală ar putea
exploata un potențial hidroenergetic neglijat până în prezent și
utilizabil în locații izolate sau în sisteme
hibride de producere a energiei electrice, bazate pe resurse
regenerabile. Un alt obiectiv este studiul
avantajelor și dezavantajelor introducerii de dispozitive de
ghidare a apei, plasate în interiorul rotorului,
subiect care s-a bucurat de un interes deosebit. Teza urmărește
identificarea unui tip de turbină transversală
cât mai ușor de realizat, în conformitate cu posibilităților
tehnologice disponibile la utilizatorii neracordați la
SEN.
În capitolul I sunt analizate tipurilor constructive existente
și cercetările care au vizat îmbunătățirea
performanțelor prin alegerea celor mai bune soluții de
proiectare, alături de prezentarea unor brevete de
invenții recunoscute pe plan internațional.
Capitolul II furnizează informații privind proiectarea și
realizarea turbinei transversale, destinată
funcționării la căderi reduse. Informațiile care au stat la baza
alegerii configurației turbinei sunt completate
cu numeroase fotografii ce prezintă etapele de construire
realizate în cadrul Laboratorului MFMAHP din
Universitatea Tehnică ,,Gheorghe Asachi” din Iași. Este demn de
remarcat faptul că turbina a fost integral
confecționată de autorul prezentei teze, care a utilizat
numeroase metode originale, extrem de utile celor care
doresc să producă turbine Banki, cu mijloace tehnologice
simple.
În capitolul III este prezentată o soluție inovativă de control
a curgerii în interiorul rotorului turbinei
transversale și sunt expuse fotografii ce clarifică modul de
realizare a dispozitivului propus.
Capitolul IV descrie standul experimental complex, conceput și
realizat pentru încercarea turbinei
destinată funcționării la căderi mici. Standul a fost construit
astfel încât să permită efectuarea de experimente
asupra variantei cu rotor clasic și asupra variantei cu rotor
echipat cu un dispozitiv inovativ, având rol de
ghidare a apei de la ieșirea din paletajul rotoric după prima
traversare, către intrarea în paletaj pentru a doua
traversare. Elaborarea modelelor conceptuale și construirea
efectivă a tuturor echipamentelor confecționate
pentru realizarea standului au fost puse în operă de autorul
acestei teze.
Capitolul V conține rezultatele studiilor experimentale. S-a
constatat că rezultatele obținute pentru
turbina transversală având rotor clasic, proiectată și
construită pentru căderi foarte mici, sunt similare cu cele
obținute de alți cercetători interesați de turbine transversale
destinate funcționării la căderi mai mari, ce
presupun acumularea apei într-un rezervor. Încercările efectuate
asupra turbinei cu rotor echipat cu dispozitiv
inovativ de ghidare a apei, realizat în varianta cu
autopoziționare, au indicat modificarea curbelor
caracteristice și micșorarea randamentelor cu până la 12% față
de cele obținute prin studii experimentale
efectuate asupra rotorului clasic și micșorarea domeniului de
turații pentru care randamentul este peste 40%.
Au fost efectuate încercări și asupra turbinei cu rotor echipat
cu dispozitiv cu poziție controlabilă din
exteriorul turbinei. În ceea ce privește randamentul, debitele
vehiculate și implicit puterea obținută, s-au
obținut rezultatele mai bune decât în varianta cu dispozitiv cu
autopoziționare. În plus, s-a constatat
deplasarea punctului de randament maxim către turații mai mici.
Concluzia capitolului este că introducând
un dispozitiv de ghidare a apei pe arborele turbinei, curbele de
randament și putere în funcție de turație se
aplatizează. Cea mai importantă concluzie este că poziția optimă
a dispozitivului de ghidare a apei din
interiorul rotorului variază în funcție de căderea și debitul
disponibil. Observația explică rezultatele
contradictorii din literatura de specialitate și închide calea
cercetărilor asupra unor dispozitive de ghidare
având o poziție imobilă indiferent de valoarea parametrilor
hidraulici.
Una din aplicațiile practice cele mai importante ale
cercetărilor privind utilitatea turbinelor
transversale este posibilitatea de implementare în sisteme
hibride de producere a energiei electrice off - grid.
În Capitolul VI se analizează d.p.d.v. tehnic, economic și de
mediu consecințele utilizării unui sistem hibrid
de tip hidro-solar, completat cu un generator pe motorină
utilizabil când resursele regenerabile nu sunt
disponibile. Sunt studiate patru cazuri, fiecare bazat pe date
hidrologice și solare corespunzătoare la locații
diferite. Concluziile sunt încurajatoare; implementarea turbinei
Banki în microsisteme hibride este rentabilă
d.p.d.v. economic chiar și atunci când debitele sunt asigurate
parțial fie și pentru perioade scurte de timp, în
speță 5 luni în cazul discutat. În plus, avantajele sunt
evidente, energia fiind obținută dintr-o resursă
nepoluantă, cu impact minimal asupra mediului, fără amenajări
distructive.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
3
Capitolul I
Analiza cercetărilor privind microturbinele transversale
1.1. Politici energetice privind centralele hidroelectrice de
mică putere Sursele regenerabile de energie (SRE) contribuie la
atenuarea schimbărilor climatice,
reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră, dezvoltarea
durabilă, protecția mediului și
îmbunătățirea condițiilor de viață. Energia provenită din surse
regenerabile reprezintă un factor
decisiv pentru creșterea economică și pentru securitatea
energetică europeană. Articolul 194 din
Tratatul privind funcționarea Uniunii Europene, conferă
competențe privind promovarea energiei
din surse regenerabile. Uniunea Europeană (UE) are o vastă
experiență în dezvoltarea industriei
bazate pe energia produsă din surse regenerabile, coordonează
eforturile de combatere a
schimbărilor climatice și încurajează trecerea la o economie cu
emisii scăzute de dioxid de carbon.
Cadrul legislativ pentru programul Horizon 2020 a stabilit
obiective naționale obligatorii
până în anul 2020. Planurile naționale de acțiune conform
Directivei 2009/28/CE privind utilizarea
energiei din surse regenerabile s-au dovedit realizabile. Astfel
a avut loc o creșterea rapidă a
utilizării surselor regenerabile de energie, de la 10,4 % în
2007 la 17 % în 2015 (European
Comission, 2017). În luna octombrie 2014, Consiliul European a
stabilit cadrul legislativ privind
clima și energia pentru 2030. Obiectivul cu caracter obligatoriu
al UE este ca cel puțin 27 % din
energia consumată în 2030 să provină din surse regenerabile.
Între anii 2014 și 2016 a avut loc o
evaluare prin ,,Programul privind o reglementare adecvată a
directivei privind energia din surse
regenerabile” (REFIT). Evaluarea REFIT a concluzionat că
ponderea energiei provenite din surse
regenerabile în consumul de energie al UE s-a realizat deja cu
succes în majoritatea țărilor
europene. Obiectivele naționale obligatorii în domeniul energiei
regenerabile s-au dovedit
realizabile pentru investitori și pentru agenții economici.
Aceste politici energetice au contribuit la
realizarea obiectivelor UE în domeniul energiei, ducând la
reducerea efectivă a emisiilor de gaze cu
efect de seră, la crearea de noi locuri de muncă și la
dezvoltarea regională.
Energia hidro reprezintă cea mai importantă sursă curată de
energie. Marile oportunități în
domeniul hidroenergeticii naționale au fost deja exploatate. În
prezent, aprobarea construirii de
baraje de dimensiuni mari, ridică probleme de mediu. Din acest
motiv microhidrocentralele instalate
pe cursul râurilor reprezintă o tehnologie mai atractivă de
producere a energiei electrice.
În România a fost implementat la sfârșitul anilor 80 un program
de amenajare a potențialului
hidroenergetic mic. În prezent conform „Legii privind utilizarea
rațională a resurselor de energie”,
„Legii energiei” și HGR 1535/2003 privind „Strategia de
valorificare a surselor regenerabile de
energie”, în România sunt considerate microhidrocentrale (MHC)
centralele hidroelectrice cu puteri
instalate de până la 100 kW. În România aproximativ 30% din
energia consumată este asigurată din
sursa hidro.
1.2. Stadiul actual al cercetărilor privind turbinele
transversale
1.2.1. Soluții constructive. Brevete de invenții de referință
privind turbinele transversale
Turbina A. G. M. Michell (1903)
În anul 1903 inginerul australian Anthony George Maldon Michell
(1870-1959) a elaborat o
soluție constructivă pentru prima turbină prin care apa are o
traiectorie transversală. Din punct de
vedere constructiv, rotorul acestei turbine era oarecum similar
cu roata de apă concepută de Jean
Victor Poncelet în 1826. Turbina avea forma unui cilindru
prevăzut pe circumferință cu palate
(curbate doar în partea dinspre arbore) a căror destinație era
să transforme energia hidraulică în
energie mecanică. Transferul energetic se realiză în două trepte
în mod distinct: în prima treaptă
fluxul de apă parcurge paletajul rotoric în sens centripetal,
apoi în cea de-a doua treaptă, apa
tranzitează din nou paletajul pe direcție centrifugală.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
4
Fig. 1.1. Desene reprezentative din brevetul de invenție
elaborat de A.G.M.Michell
(Australia Brevet nr. US760898, 1904)
În brevetul de invenție din figura 1.1, se prezintă diferite
modalități de admisie a fluxului de
apă în paletajul rotoric, rotorul poate fi divizat în trei
compartimente egale pentru a putea prelua
eficient debite variabile.
Turbina D. Banki (1922)
Profesorul de origine maghiară Donath Banki (1859 - 1922),
elaborează două soluții
constructive în perioada 1917 - 1919, pentru perfecționarea
turbinei brevetate de A.G.M. Michell.
Așa cum se poate observa în figura 1.2, profesorul Donath Banki
propune un rotor cu palate
curbate, instalat în partea inferioară a unui bazin prevăzut cu
un stăvilar mobil.
Fig. 1.2. Desene din brevetul de invenții elaborat de D. Banki
în anul 1922 .
(US Brevet nr. US1436933, 1922)
Donath Banki a studiat forma liniilor de curent din interiorul
paletajului rotoric. În desenul
nr. 4, s-a propus soluția constructivă, cu următoarele unghiuri
ale triunghiurilor de viteze: unghiul
constructiv de intrare în treapta I, β1 = 30°; unghiul de atac
în treapta I, α1=16°; unghiul constructiv
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
5
de ieșire din treapta I, β2 = 90° . Lungimea paletei, descrisă
în desenul nr. 6. era a = 0,17 D valoare
măsurată pe direcție radială.
Elemer Banki 1925
În brevetul de invenție din anul 1925, Elemer Banki aduce
îmbunătățiri turbinei transversale,
prin utilizarea unui injector cu admisie verticală figura
1.3.
Fig. 1.3. Desene reprezentative din brevetul emis în 1925 -
autor Elemer Banki
(US Brevet nr. US1548341, 1925)
Injectorul capsulat delimitează în mod distinct zonele de
admisie și de evacuare a apei din
rotor pe direcție orizontală. Prevăzut cu o clapetă articulată
apare posibilitatea închiderii și
deschiderii complete a injectorului în funcție de variațiile de
debit.
Turbina Fritz Ossberger (1922)
În urma colaborării cu inginerul australian Antony George Maldon
Michell, inginerul și
antreprenorul de origine germană Fritz Ossberger (1877 - 1947)
perfecționează o turbină cu
curgere transversală ce a fost brevetată în anul 1922. Admisia
fluxului de apă se realizează prin
intermediul unui dispozitiv mobil (asemănător unui stăvilar),
care poate glisa în plan vertical.
Dispozitivul este amplasat în partea inferioară a unui injector
simplu, cu pereți drepți. Injectorul are
o formă simplă și este alimentat dintr-o conductă situată în
partea superioară (fig. 1.4).
Fig. 1.4. Extras din brevetul de invenții 361593/ 1922.
Autor:Ossberger F.
(Germany Patent No. 361593, 1922).
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
6
Turbina F. Ossberger & A.G.M. Michell (1933)
În anul 1933, Ossberger şi Michell perfecționează turbina
brevetată în anul 1922, propunând o
variantă îmbunătățită. În brevetul Imperial Patent No.
615445/1933, autorii propun o formă
modificată a clapetei curbate. Clapetă are rolul de dirijare a
fluxului de apă, către paletajul rotoric și
de modificare a secțiunilor prin care se realizează admisia apei
către rotor. Admisia apei în rotor
poate fi realizată pe direcție verticală, sau pe direcție
orizontală. Rotorul turbinei a fost echipat cu
până la 37 de palete, a fost compartimentat cu ajutorul unor
discuri interioare, paralele cu discurile
dispuse la extremități.
Varianta rotorului cu trei compartimente este cea mai utilizată
în prezent.
Fig. 1.5. Turbina Ossberger cu admisie verticală în vedere
explodată – respectiv admisia pe
direcție orizontală.
Turbina Karl-Friedrich Ossberger (1986)
O variantă relativ recentă de turbină transversală, inventată de
Karl-Friedrich Ossberger,
pentru care OSSBERGER-TURBINENFABRIK GMBH & CO. deține
drepturi de proprietate
intelectuală, protejate prin brevete de invenții (US Patent No.
4579506, 1986) este prezentată în
figura 1.6.
Fig. 1.6. Extras din brevetul de invenții U.S.4579506 din 1
Aprilie 1986. Vedere secționată
(US Patent No. 4579506, 1986).
Injectorul profilat are în componență o paletă care
direcționează fluxul de apă prin două
canale de admisie spre paletele rotorice delimitate de pereții
injectorului și de paleta de ghidare, ce
este orientată în așa fel încât fluxul de apă să fie îndreptat
în jos, la un unghi de aproximativ 40° față
de orizontală, iar evacuarea apei se realizează preponderant pe
direcție verticală. Spațiul larg din
zona inferioară a injectorului este suplimentat de o a doua
cameră prevăzută cu o supapă de aerisire,
ce determină pierderi și turbulențe reduse în zona de evacuare.
Curgerea la sarcini parțiale, atunci
https://www.google.com/search?tbo=p&tbm=pts&hl=en&q=inassignee:%22OSSBERGER-TURBINENFABRIK+GMBH+%26amp%3B+CO.%22
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
7
când paleta de ghidare se află într-una din pozițiile
intermediare, conduce la un randamentul
comparabil cu randamentul obținut de turbina atunci când
funcționează la capacitate maximă.
Turbina Miroslav Cink (1985)
Inginerul Miroslav Cink, perfecționează în anul 1983 turbina
transversală. În anul 1985,
este brevetat modelul prezentat în figura 1.7 și începe
producția de turbine noi în fabrica ,,Cink
Privat MVE” în Carlsbad.
Fig. 1.7. Turbina Cink în secțiune verticală (Franjiè,
1994).
Miroslav Cink a înlocuit paleta directoare clasică din
interiorul injectorului, având rol de
reglare a debitului, cu un sector semicircular amplasat în zona
superioară a rotorului. Sectorul
semicircular oferă posibilitatea de culisare în ambele sensuri
modificând unghiul de admisie a apei
în rotor. În situația debitelor reduse, sectorul circular se
închide parțial formând un perete solid în
interiorul injectorului.
Turbina Karl Kraus (2014) Subiectul îmbunătățirii turbinei
transversale este de actualitate. În anul 2014, germanul Karl
Kraus a obținut drepturi de proprietate intelectuală asupra unei
turbine Banki, cu rotor divizat în
patru secțiuni, prin discuri cu rol de a susținere a paletelor
rotorice (Germany Brevet nr. EP2811155
A1, 2014).
Fig. 1.8. Desene de ansamblu a turbinei brevetate de Karl
Kraus.
(Germany Brevet nr. EP2811155 A1, 2014)
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
8
Invenția deschide noi perspective în ce privește funcționarea
turbinei Banki la debite scăzute.
Turbina are în componență patru rotoare distincte montate pe un
arbore orizontal, acestea sunt
alimentate separat prin patru injectoare .
Turbina Jung-Yi Lai (2018)
În anul 2018 inventatorul de origine taiwaneză Jung-Yi Lai
obține un brevet de invenție
pentru o turbină transversală cu arborele vertical, destinată
căderilor mici și debitelor variabile.
Turbina este montată într-o carcasă paralelipipedică. Are
avantajul că poate fi instalată
(imersată) cu ușurință în albia unui curs de apă. În partea din
amonte, injectorul este prevăzut cu un
perete intermediar (151) care fracționează fluxul de apă,
admisia către paletajul rotoric realizându-
se prin două secțiuni (15 c) egale vezi desenul nr 4, din figura
1.9. (Taiwan Brevet nr.
US10041468B2, 2018).
Fig. 1.9. Vederi reprezentative din brevetul de invenție
US10041468B2.
Reglarea debitului de apă ce urmează să tranziteze turbina se
realizează prin intermediul unui
plăci semicirculare (3). Dispozitivul are posibilitatea de
culisare printr-o fantă practicată în peretele
superior (12) și cel intermediar (17) conform desenului nr. 1
din figura 1.9.
1.2.2. Studii experimentale
Cea mai mare parte a literaturii de specialitate se referă la
rezultatele experimentale obținute
prin modificări aduse parametrilor de proiectare. O bună parte
din aceste studii realizate oferă o
înțelegere elementară a parametrilor de proiectare, parametrii
care au un rol determinant în
funcționarea eficientă.
Mockmore și Merryfield au publicat în 1949 o lucrare explicită
privind modul de
funcționare a turbinei Michell-Banki (Mockmore & Merryfield,
1949). Studiul conține contribuții
teoretice materializate prin formule de calcul referitoare la
unghiurilor recomandate din
triunghiurile de viteze. Studiul conține investigații
experimentale pe o turbină de laborator
construită în conformitate cu indicațiile prezentate în
brevetele de invenții ale profesorului Donath
Banki. Rezultatele obținute reprezintă informații de referință
în literatura de specialitate, deoarece
punctează performanțele turbinei și limitele de funcționare.
Turbina construită de Mockmore și Merryfield are un raport între
diametrul interior și
diametrul exterior de 0,66 pentru un rotor echipat cu 20 de
palete. Soluția constructivă se
caracteriza printr-un unghiul de atac α1 = 160, și un unghi
constructiv β1 = 30
° de intrare a apei în
paletaj. Unghiul β2 de ieșire a apei din paletaj în prima
treaptă este β2 = 90°. În timpul
experimentelor au fost încercate două injectoare având soluții
constructive diferite.
Rezultatele experimentelor au arătat că turbina transversală
poate funcționa eficient pe o
gamă mai largă de debite decât celelalte tipuri de turbine. S-a
constatat ca lățimea rotorului poate fi
modificată în funcție de debitul disponibil, fără a se schimba
unghiul de atac α1 al primei trepte.
Randamentul maxim obținut in timpul experimentelor a fost de
68%, in condițiile in care s-a estimat
ca 8% din debit nu a tranzitat efectiv paletajul rotoric.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
9
Prezentarea detaliată din studiul lui Mockmore și Merryfield
reprezintă, una dintre primele
studii experimentale asupra turbinelor transversale. Este cea
mai cunoscută lucrare din domeniu și
majoritatea studiilor ulterioare (Khosrowpanah, Fiuzat, &
Albertson, 1988), (Sammartano, Aricò,
Carravetta, Fecarotta, & Tucciarelli, 2013) (Andrade, și
alții, 2011) (Desai & Aziz, 1994), (Sinagra,
Sammartano, Aricò, & Collura, 2014) se raportează la
raportul publicat în anul 1949.
Unii cercetători au fost interesați de studiul injectoarelor
turbinelor transversale, care nu sunt
prevăzute cu aparat director.
Nakase și colaboratorii au analizat performanțele și efectul
formei injectorului asupra
randamentului turbinei transversale (Nakase & Fukutomi,
1982). Au fost proiectate și fabricate
diferite injectoare, pentru un rotor cu diametrul de 315 mm
prevăzut cu 26 palete, la care raportul
dintre diametrul interior și cel diametrul exterior a fost 0,68.
S-au studiat mai multe tipuri de
injectoare, în condiții de funcționare identice. Injectoarele
testate cu avut diferite unghiuri de
admisie a apei în paletajul rotoric: 30°, 60°, 90° și 120°.
Unghiul β1 de intrare a apei în treapta 1 a
avut valoarea de 30°, iar unghiul de ieșire a fost de 90°.
Experimentele s-au desfășurat la debitul de
6,64 m3/min și la căderea H=1,54 m. Randamentul maxim al
turbinei a fost obținut utilizând
injectorul cu unghiul de admisie a apei în paletajul rotoric de
90°. Experimentul a dus la o concluzie
importantă: o turbină transversală nu se comportă ca o turbină
cu impuls.
Din punct de vedere a costurilor de fabricație, Khosrowpanah și
colaboratorii
(Khosrowpanah, 1984) au elaborat un studiu privind evoluția
istorică a soluțiilor tehnice derivate
din turbina clasică. Autorii au apreciat că există serioase
inconveniente cu privire la utilizarea
celorlalte tipuri de turbine hidraulice pentru amenajările
hidroenergetice mici, și recomandă turbina
transversală, ca fiind cea adecvată pentru centralele
hidroelectrice de mici dimensiuni. Turbina
transversală este populară cu precădere în țările în curs de
dezvoltare, datorită faptului că poate fi
construită în ateliere cu dotări mecanice modeste. Sunt necesare
doar utilaje capabile să execute
prelucrări mecanice, tăierea paletelor rotorice și sudarea
acestora. Studiul enumeră avantajele
oferite de turbinele transversale în raport cu turbinele
Francis; proiectarea și construcția sunt relativ
simple, rotorul, discurile rotorice și injectorul pot fi
fabricate din tablă de oțel, iar paletele pot fi
decupate din țeava de oțel.
În literatura de specialitate se găsesc și alte cercetări
privind identificarea de soluții care
vizează scăderea costurilor de producție. Astfel în anul 1981,
Ueli Meier concepe și elaborează
desenele pentru construcția unei turbine transversale destinate
implementării de noi tehnologii în
țările cu probleme economice din Asia. Cele trei ediții: din
anii 1981, 1983 și 1985 ale raportului
”Experience with Micro-Hydro Technology” demonstrează importanța
valorificării energiei
hidraulice pentru dezvoltarea rurală (Meier, Experience With
Micro-Hydro Technology, 1985).
Activitatea realizată sub patronajul S.K.A.T. (Schweizerische
Kontaktstelle fur Angepasste
Technik), oferă răspunsuri și soluții specifice, bazate pe
experiența reală dobândită prin
implementarea și exploatarea turbinelor transversale, în special
în Nepal. Rezultatele constituie
informații de o reală valoare, ce au fost utilizate de o serie
de asociații și organisme internaționale
pentru înțelegerea provocărilor specifice unor cazuri concrete,
precum și calea de urmat pentru
rezolvarea majorității problemelor tehnico-economice.
Dintre cei care au implementat rezultatele obținute de Meier în
elaborarea de studii de
fezabilitate amintim: A.T.D.O. (Asociația Adecvată pentru
Dezvoltarea Tehnologică), N.E.A
(Administrația Națională a Energiei din Thailanda), N.R.E.C.A
(Asociația Națională de Cooperare
Rurală), O.L.A.D.E. (Organizacion Latinoamericana de Energia) și
U.N.I.D.O. (Organizația
Națiunilor Unite pentru Dezvoltare).
Hothersall a analizat din punct de vedere al costurilor,
avantajele turbinelor transversale cu
rotorul fracționat (Hothersall, 1984). S-a concluzionat că
turbinele transversale sunt eficiente la
sarcinii parțiale și acest lucru reprezintă un beneficiu major
atunci când turbina este amplasată pe
cursul unui râu, cu debite naturale, variabile în timpul unui an
calendaristic. În ce privește costul
turbinei cu dublu flux, Hothersall a evidențiat construcția
relativ simplă și costul scăzut, aspecte ce
determină comunitățile rurale neconectate la sistemele de
furnizarea energiei electrice să le prefere.
Lucrarea conține și o diagramă de selecție pentru turbinele mai
mici de 100 kW și unele
recomandări privind alegerea unei turbine adecvate pentru o
microhidrocentrală.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
10
Smith G. J. a făcut referiri în 1985 la proiectarea tehnică și
utilizarea turbinei transversale
în proiecte de dezvoltare hidroelectrică în țările în curs de
dezvoltare (Smith, 1985). Cele mai
importante beneficii sunt costul scăzut de fabricație și
simplitatea în proiectare ce permite
construcția turbinei la nivel local, contribuind astfel la
dezvoltarea industrială. Studiul s-a
concentrat pe analiza posibilităților reale de fabricație și pe
timpul scurt de recuperare a investițiilor
în domeniu.
Panasyuk et al. au efectuat o anchetă extinsă asupra utilizării
resurselor energetice locale ca
alternativă la alimentarea cu energie electrică, în regiunile
muntoase ale părții asiatice din Rusia
(Panasyuk, Tokombaev, & Shainova, 1987). Au fost analizate
diferite alternative cum ar fi
hidroenergia, energia eoliană, energia solară și energia
electrica produsă prin intermediul
motoarelor cu combustie internă. Autorii au concluzionat că
pentru un consum de energie de 30 - 50
kW, cea mai potrivită soluție ar fi utilizarea energiei
hidraulice. În timpul investigațiilor, au fost
testate experimental modelele unor centrale hidroelectrice cu o
capacitate de 1 kW, 2 kW, 10 kW și
30 kW. Autorii au abordat și problemele asociate cu sisteme
automate de control, procesele de
distribuție a apei și irigarea zonelor adiacente.
Ott și Chappel au efectuat o investigație experimentală în 1989
în vederea construirii și
testării unei turbine transversale. În urma cercetărilor au fost
furnizate date privind eficiența,
funcționarea, întreținerea și costul acestui proiect, pentru
Departamentul de Energie din S.U.A. (Ott,
1989). Studiul experimental a implicat proiectarea, fabricarea
și instalarea unei turbine transversale
pe cursul unui râu din California de Nord. Pentru controlul
debitului, amenajarea hidroenergetică a
fost prevăzută cu un stăvilar ce putea fi acționat de la
distanță. Modelul experimental al turbinei
avea 20 de palete, diametrul exterior al rotorului a fost de 920
mm, diametrul interior de 620 mm,
iar lățimea de 1120 mm. Unghiul de atac α1 a fost de 16°,
unghiul constructiv β1 de intrare a apei în
paletaj a fost de 30°, iar unghiul β2 de ieșire a apei din
paletajul rotoric după prima traversare a fost
de 90°. Rezultatele experimentelor lui Chappel au arătat că
turbina transversală poate funcționa cu
un randament de 70 - 80% într-o gamă largă de debite
caracteristice amenajărilor de pe cursul unui
râu.
Olgun și Ulku au realizat în anul 1992, o investigație
referitoare la randamentul turbinelor
transversale. Au fost efectuate studii la debite variabile, la
căderi diferite, modificând numărul de
palete rotorice și a rapoartelor dintre diametrul interior și
exterior ale rotoarelor (Olgun, A Study of
Cross Flow Turbine-Effects of Turbine Design Parameters on its
Performance, 1992). Au fost
testate două tipuri de injector și treisprezece rotoare.
Diametrul exterior pentru toate rotoarele a fost
de 170 mm, acestea având o lățime de 114 mm. Unghiul β1 de
intrare al apei în paletajul rotoric a
avut valoarea de 300 , iar unghiul de ieșire al apei din
paletajul rotoric β2 a fost de 900. Rapoartele
dintre diametrul interior și diametrul exterior au avut valori
diferite. S-au testat rotoare cu
următoarele rapoarte: 0,75; 0,67; 0,58 și 0,54. Au fost testate
rotoare cu 20, 24, 28 și 32 de palete, la
un unghiul de atac α1 = 160. Căderile de apă la care au fost
testate aceste rotoare au variat între 8 și
30 m. Rezultatele au arătat că diferența de randament pentru
toate configurațiile de rotor în
intervalul de căderi H = 8÷30 m au fost mici, de aproximativ 4%.
Randamentul maxim înregistrat a fost de aproximativ 73%, obținut
pentru un rotor cu 28 de palete și raport de diametru interior-
exterior de 0,67.
Khosrowpanah și colaboratorii au efectuat în anul 1988 o
investigație experimentală
privind performanțele turbinei transversale. S-au avut în vedere
diverse valori ale diametrului
exterior al rotorului, al numărului de palete și a arcului de
evacuare al injectorului. Studiile
experimentale s-au desfășurat în domeniul debitelor Q =
0,02-0,0438 m3/s și în domeniul de
căderilor H = 0,416-1,53 m (Khosrowpanah, Fiuzat, &
Albertson, 1988). Au fost testate patru
rotoare construite la Universitatea din Colorado, unul dintre
ele a avut diametrul exterior D1 =
152,4 mm - (6 inch), iar celelalte D1 = 304,8 mm - (12 inch).
Unghiul de intrare al apei în paletaj a
fost β1 = 30°, unghiul de ieșire a apei din prima treaptă a fost
β2 = 90
°. Paletele rotorice au avut
lățimea de 152,4 cm - (6 inch), iar numărul de palete a variat
între 10 și 20. Injectoarele cu admisie
verticală aveau lățimea egală cu lățimea paletelor. Unghiurile
de evacuare a apei din injector către
rotor au fost: 58°, 78° și 90°. Rezultatele au arătat că
randamentul turbinei crește odată cu majorarea
diametrului exterior al rotorului și modificarea unghiului de
evacuare din injector de la 58° la 90°.
Cercetările au demonstrat că prin reducerea diametrului exterior
al rotorului, randamentul scade cu
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
11
aproximativ 20%. Numărul mare de palete rotorice influențează
pozitiv randamentul. La rotorul cu
diametrul exterior de 304,8 mm, numărul optim de palete a fost
15, unghiul de evacuare al
injectorului de 90°, iar raportul dintre diametrul interior și
cel exterior D2/D1 a fost 0,68.
Experimentele lui Khosrowpanah privind randamentul turbinei,
clarifică legătura directă dintre
diametrul exterior al rotorului, numărul de palete și unghiul de
evacuare al injectorului.
Tongco A. F. a efectuat o investigație experimentală în anul
1988, pentru a determina
efectul numărului de palete rotorice asupra performanței
turbinei Michell-Banki (Tongoco, 1988).
Studiul experimental a implicat proiectarea și construirea unei
turbine pe care au fost testate patru
rotoare cu număr diferit de palete. Rotoarele cu diametrul
exterior D1 = 152,4 mm - (6 inch) și
lățimea de 203,2 mm - (8 inch) au fost echipate cu 10, 15, 20 și
30 de palete, aceste rotoare au fost
testate prin intermediul unui injector cu arcul de evacuare de
90°. Rezultatele experimentelor au
arătat că randamentul maxim de 50% a fost realizat de rotorul cu
20 de palete. De asemenea s-a
demonstrat că o creștere suplimentară a numărul de palete la 30,
nu a modificat substanțial eficiența
turbinei. Rezultatele au arătat că variația debitului are un
efect nesemnificativ. S-a concluzionat în
final că simplitatea, costul scăzut al construcției sunt
avantaje greu de surclasat.
Olgun, H. a efectuat o investigație experimentală în anul 1998,
pentru a analiza efectul unor
parametri geometrici ai injectoarelor și rotoarelor prin
schimbarea raportului dintre diametrul
interior și al diametrul exterior, a două injectoare destinate
funcționării la căderi și debite diferite
(Olgun H. , 1998). Au fost proiectate și construite patru
rotoare pentru a analiza efectul raportului
dintre diametrul interior și cel exterior, asupra eficienței în
funcționare. Diametrul exterior al
rotorului echipat cu Z = 28 palete a fost D1 = 170 mm, unghiul
de atac α1 = 16 °,unghiul β1 = 30° în
timp ce unghiul β2 = 90°. Rapoartele dintre diametrul interior
și cel exterior au fost D2/D1 = 0,75;
0,67; 0,58 și 0,54. Lățimea rotorului și a injectorului era Bi =
114 mm. Căderea a variat între H = 8
m și H = 30 m. Experimentul a furnizat concluzii importante:
turbinele transversale pot funcționa
eficient într-o gamă mai largă de debite decât majoritatea
turbinelor, randamentul maxim se poate
obține la o viteză constantă care corespunde unei căderi
constante. Randamentul maxim s-a obținut
cu rotorul pentru care raportul între diametre a fost 0,67.
În anul 1983 Miroslav Cink, contribuie la îmbunătățirea turbinei
transversale, prin testarea
unei turbine transversale cu un injector prevăzut cu un sistem
de reglare inedit (Franjiè, 1994).
Sistemul de reglare are în componență un sector semicircular
care urmărește circumferința
rotorului. Sectorul semicircular este închis treptat la scăderea
debitului, micșorând secțiunea prin
care apa intră în rotor, această soluție simplă s-a dovedit
extrem de eficientă.
Desai și Aziz efectuează cercetări pentru a investiga efectul
unor parametri geometrici
asupra randamentului turbinelor transversale (Aziz & Desai,
An Experimental Study of the Effect of
Some Design Parameters in Cross Flow Turbine Efficiency,
Engineering report, 1991). Studiul
experimental a fost realizat la Clemson Hydraulic Laboratory din
Clemson University și a implicat:
proiectarea și fabricarea a trei rotoare cu număr diferit de
palete; trei rapoarte diferite D2/D1; -trei
unghiuri β1 diferite de intrare a apei în prima treaptă.
Paletele și injectoarele au fost construite din
material acrilic (transparent) pentru a se vizualiza curgerea
apei în injector si respectiv in rotor.
Rezultatele experimentale au arătat că parametrii geometrici au
un efect semnificativ asupra
performanței turbinei transversale și că randamentul turbinei a
crescut prin majorarea numărului de
palete de la 15 la 25. Creșterea unghiului constructiv β1 a
variat în intervalul 24°÷32°, însă creșterea unghiului nu a condus
la creșterea randamentului.
Desai și Aziz și-au continuat activitatea de cercetare inițiată
în anul 1991 (Aziz & Desai,
An Experimental Study of the Effect of Some Design Parameters in
Cross Flow Turbine Efficiency,
Engineering report, 1991) în vederea identificării de noi
soluții, de creștere a randamentului
turbinelor transversale. Într-o lucrarea publicată în anul 1994
au fost analizate: efectul vitezei de
curgere, a raportului dintre diametre, a debitului, al numărului
de palete rotorice, a geometriei
profilului inclusiv geometria paletei (Aziz & Desai, An
experimental investigation of cross-flow
turbine efficiency, 1994). Studiul experimental a fost realizat
tot la la Clemson Hydraulic
Laboratory din Clemson University și a implicat proiectarea și
fabricarea de rotoare cu un număr
maxim de 39 de palete și 11 tipuri de injectoare. Rezultatele
experimentelor obținute în anul 1994
au arătat că randamentul maxim al turbinei a crescut odată cu
scăderea unghiului de admisie β1 a
apei în primă etapă de la 320 la 220. Creșterea randamentului
s-a realizat prin creșterea numărului de
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
12
palete rotorice de la 15 la 30. S-a demonstrat și faptul că
randamentul maxim a turbinei a scăzut
ușor la creșterea raportului dintre diametre de la 0,6 la
0,75.
Joshi și colaboratorii au efectuat o investigație experimentală
pentru a analiza influența
numărului de palete, variația arcului de admisie al
injectoarelor și nivelul căderii apei asupra
randamentului unei turbine transversale (Joshi, 1995). Unghiul
de atac α1 în prima treaptă a fost de
16° și arcul de evacuare al injectoarelor testate a fost de 12°,
26°, 32° și 36°. Diametrul exterior al
rotorului a fost D1 = 300 mm și diametrul interior de D2 = 198
mm, lățimea rotorului a fost de B =
325 mm, iar lățimea injectorului a fost cu 25 mm mai mică decât
cea a rotorului. Numărul de palete
rotorice a variat între 8 și 30, iar căderile au fost de H = 2÷9
m. Experimentele au arătat că turbina cu dublu efect nu este doar o
turbină de impuls, deoarece a fost măsurată o presiunea statică
semnificativă la ieșirea apei din injector. Joshi afirmă că
randamentul turbinei se îmbunătățește
odată cu creșterea arcului de evacuare a injectorului, a căderii
și a numărului de palete rotorice. Din
investigația experimentală, a rezultat că numărul optim de
palete rotorice este 20, în cazul studiat.
Reddy et al. au efectuat studii privind randamentul unei turbine
transversale de 5 kW
(Reddy & Seshadri, 1996). Studiul experimental a fost
realizat în Laboratorul de Mecanica
Fluidelor din Delhi, unde turbina a fost testată la căderi din
domeniul H = 3÷9 m. Diametrul exterior al turbinei echipată cu 24
de palete a fost D1 = 300 mm, diametrul interior D2 = 198 mm,
lățimea rotorului a fost de Br = 325 mm. Unghiul de atac α1 = 16
°, iar arcul de evacuare al
injectorului a fost 36°. Rezultatele experimentelor au arătat că
turbina testată nu este doar o turbină
de impuls, deoarece la ieșirea din injector, există o presiune
statică. S-a demonstrat că randamentul
maxim al turbinei scade când căderea crește, datorită
turbulențelor crescute și a pierderilor datorate
faptului că rotorul este parțial inundat la căderi mai mari,
parțial umplut cu apă.
Durgin și Fay au întreprins o investigație pentru a determina
hidrodinamica internă a
turbinei cu flux transversal, sub influența unor dispozitive de
ghidare montate în interiorul rotorului
(Durgin & Fay, 1984). Studiul experimental a implicat
proiectarea și construirea unui model special
de turbină amplasat într-o carcasă din plexiglas, cu palete
susținute doar de un disc rotoric. Faptul
că paletele erau fixate doar pe unul din pereții rotorului, a
permis amplasarea unor dispozitive de
ghidare cu forme diferite. Injectoarele folosite în cadrul
experimentelor, au avut arcul de evacuare ε
= 35°, respectiv ε = 85°. Experimentul a arătat că o parte
semnificativă din apa care tranzitează
rotorul este antrenată între palete și peretele injectorului, în
zona de recirculare. Din acest motiv,
fluidul nu tranzitează rotorul în totalitate la cea de-a doua
traversare. Volumul apei cu traiectorie
necorespunzătoare, care generează pierderi de energie scade
turația rotorului. La modificarea
arcului de evacuare al injectoarelor de la 35° la 80°,
pierderile de debit au crescut. Randamentul
maxim al turbinei testate a fost de 61%. Apa care iese din cea
de-a doua treaptă, a contribuit cu
aproximativ 17% la energia hidraulică cedată către rotor, restul
de 83% de energie a fost transferată
la prima traversare.
Kenyery și Alcala au efectuat un studiu experimental pentru a
analiza efectul unei palete
de ghidare amplasată în interiorul rotorului (Kenyery &
Alcala, 1997). Studiul a implicat
proiectarea și fabricarea unui model de turbină cu două tipuri
de palete de ghidare în interiorul
rotorului. Diametrul exterior al rotorului echipat cu Z = 24
palete a fost D1 = 294 mm, iar diametrul
interior D2 = 200 mm. Unghiul de atac α1 = 20°, unghiul de
intrare al apei în paletajul rotoric a fost
β1 = 30°. Unghiul de ieșire a apei din paletaj în prima treaptă
a fost de β2 = 90°. Rezultatele au arătat
că randamentul turbinei poate fi îmbunătățit prin utilizarea
unor palete amplasate în interiorul
rotorului. Randamentul a crescut cu 1,5% până la 6%, față de
randamentul obținut fără a utiliza
dispozitivele interne de ghidare.
Fukutomi et al. au efectuat în anul 1995 un studiu experimental
și teoretic pentru a
determina amploarea forțelor ce acționează pe paletele rotorice
(Fukutomi&Nakase, 1995). Forțele
tangențiale și radiale au fost măsurate pe o paletă și comparate
apoi cu cele calculate. Rezultatele
studiului au arătat că forțele tangențiale și radiale au valori
maxime în zona inferioară a injectorului.
Forțele care acționează asupra paletelor cresc proporțional cu
scăderea vitezei de rotație a turbinei,
iar valorile forțelor radiale sunt cu aproximativ 60% mai
scăzute față de valorile corespunzătoare
forțelor tangențiale.
Thapar și Albertson au efectuat un studiu în care au demonstrat
că turbinele transversale
nu sunt supuse fenomenului de cavitație în timpul funcționarii.
În schimb, apare uzură atunci când
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
13
în apă sunt prezente particule de nisip și alte substanțe
corozive (Albertson, 1985). În plus, s-a ajuns
la concluzia că turbinele transversale au nevoie de o
întreținere redusă față de alte tipuri de turbine,
deoarece rotorul are proprietatea de autocurățire. De asemenea
s-a arătat din nou, că turbina
transversală are o structură simplă și un preț de cost mai redus
pe kW putere instalată, decât orice
altă turbină destinată căderilor și debitelor mici.
În anul 2019, Khomsah et al prezintă la ,,The 1-st International
Conference on Advanced
Engineering and Technology”, lucrarea Pico-hydro as A Renewable
Energy: Local Natural
Resources and Equipament Avilability in Efforts to Generate
Electricity. Obiectivul principal al
cercetării era modalitatea în care bambusul poate fi utilizat ca
materie primă pentru construirea unei
turbine transversale (Khomsah, Sudjito, Wijono, & Laksono,
2019). Se prezintă o turbină
construită din bambus, având diametrul de 125 mm, lățimea de 50
mm și având 20 de
palete.Turbina a fost testată în condiții de laborator, la un
debit Q=4 l/s, la o presiune a apei P =
0,55 kg/cm2. Turbina era cuplată cu generator care a produs o
tensiune U = 100 V la I = 0,38 A,
care alimentează o lampă LED de 144 W. Obiectivul studiului a
fost de a evidenția că există soluții
simple pentru electrificarea gospodăriilor din zonele muntoase
izolate ale Malaeziei și a altor țări
din Asia de Sud-Est.
Van Dixhorn et al. au efectuat în anul 1984, cercetări privind
forțele cu care apa
acționează asupra paletelor (Van Dixhorn M. , 1984). Pe o paletă
au fost măsurate forțele
tangențiale și radiale, precum și momentul. Experimentele au
fost efectuate pentru debite cuprinse
în domeniul Q = 0,35÷1,1 m3/s și căderi în domeniul H = 1,0÷2,6
m. Diametrul exterior al rotorului cu 22 de palete a fost D1 = 277
mm și lățimea Br = 197 mm. Raportul dintre diametrul
interior și diametrul exterior D2/D1 = 0,66. Discurile laterale
au fost realizate din plexiglas pentru a
permite vizualizarea fluxului de fluid și efectele unghiului de
atac. Unghiul de atac α1 = 15°, și
unghiul de ieșire a apei din injector ε = 90°. Rezultatele au
arătat că randamentul maxim a fost între
65% și 70% și s-a constatat că forțele maxime la care sunt
supuse paletele apar atunci când paleta
este situată cu aproximativ 10° înainte de a ajunge la ieșirea
din arcul de evacuare al injectorului.
Forța centrifugă și momentul de încovoiere au fost determinate
prin rotirea rotorului în curent de
aer, estimându-se că aceste forțe sunt similare cu forțele
măsurate în timpul funcționării turbinei în
zona netranzitată de apă. S-a constatat că forțele tangențiale
măsurate au fost în concordanță cu
calculele teoretice, în timp ce forțele radiale au fost ușor mai
scăzute decât se preconizase.
Costa Pereira și Borges au studiat fenomenele din interiorul
injectorului unei turbine
cu curgere transversală. Ei au măsurat distribuția presiunilor
în interiorul pereților pentru două
injectoare diferite (Pereira, 1996). Concluzia importantă
rezultată în urma experimentelor se referă
la efectul nesemnificativ al căderii asupra randamentului. O
altă concluzie interesantă se referă la
rolul paletei directoare din interiorul injectorului, în vederea
creșterii randamentului turbinei. O
parte a investigației a constat în măsurarea distribuției de
presiuni statice pe pereții interiori a două
injectoare cu configurații diferite. Una din configurații era cu
injector fără rotor, iar cea de-a doua
cu rotorul atașat. Testele efectuate la configurația
injector-rotor au inclus măsurarea randamentului
și au acoperit o gamă largă de condiții de lucru în zona celui
mai bun randament obținut. Analiza
rezultatelor obținute oferă indicații asupra pierderilor de
debit volumetric și asupra modului în care
debitul din injector influențează gradul de reacție al turbinei
și valorile randamentului. Majoritatea
testelor au fost efectuate cu un rotor echipat cu 25 de palete.
Alte experimente cu injectorul
prevăzut cu o paletă interioară de ghidare și un rotor echipat
cu 10 palete, au permis evaluarea
efectului curgerii prin injector, în funcție de numărul de
palete. Curgerea din interiorul injectorului
fără paletă interioară a fost analizată numeric, folosind o
metodă bazată pe transformarea Schwarz-
Christoffel. Rezultatele simulărilor numerice au fost în bună
concordanță cu rezultatele
experimentale, atât pentru injectoarele cu paletă de ghidare,
cât și pentru injectorul simplu.
Fiuzat și Akerkar au fost interesați de evaluarea transferului
de energie în fiecare treaptă
(Fiuzat, 1991). Studiul a implicat proiectarea și realizarea
unui model special de turbină, construit
din material acrilic transparent (cu excepția arborelui), pentru
a putea fi vizualizată traiectoria apei.
Injectoarele cu lățimea Bi = 152,4 mm au avut unghiul de
evacuare ε = 90° și 120°. Diametrul
exterior al rotorului D1 = 304,8 mm a avut lățimea Br = 152,4
mm, ca și injectorul. Rezultatele
experimentelor au arătat că în cea de-a doua treaptă, curgerea
are un efect important asupra
randamentului turbinei. La injectorul cu unghiul de evacuare de
90°, puterea transferată (cedată)
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
14
arborelui în cea de-a doua treaptă reprezintă 45% din puterea
totală. Când arcul de admisie în rotor
este ε = 120°, puterea cedată în treapta a doua este de 41%. În
concluzie, transferul de putere în cea
de-a doua treaptă a fost mai bun pentru injectorul cu unghiul de
admisie ε =90°.
Fukutomi et al. au dezvoltat o metodă de analiză numerică pentru
studiul fluxului de apă
care traversează rotorul turbinei transversale (Fukutomi, 1991).
Raportul analizează curgerea în cele
două trepte de transformare a energiei hidraulice în energie
mecanică. Rezultatele calculate au fost
comparate cu datele experimentale și au fost validate ipotezele
teoretice. Lucrarea prezintă deosebit
de explicit care sunt zonele de curgere, și prin ce se
caracterizează, fiecare (fig. 1.10). Există o zonă
A în care spațiul inter-paletar este tranzitat de apă la debite
mici, unghiul de atac nu este unghiul
nominal și în consecință direcția de curgere nu este optimă.
Zona B asigură transferul de energie în
prima treaptă, cu randamente acceptabile. Mai mult, se clarifică
faptul că debitul din interiorul
rotorului este extrem de neuniform pe periferia rotorului.
Neuniformitatea curgerii determină o
scădere a eficienței și în final s-a constatat că
neuniformitatea curgerii crește simultan cu raportul
dintre diametre.
Fig 1.10. Curgerea prin rotorul turbinei transversale (Fukutomi,
1991)
Choi et al. au prezentat o metodă numerică pentru a analiza
debitul intern și performanțele
turbinei transversale utilizând programul ANSYS-CFX (Choi, Lim,
& Lee, 2008). Diametrul
exterior al modelului de rotor a fost D1 = 250 mm, lățimea Br =
150 mm similară cu lățimea
injectorului (Choi, Lim, & Lee, 2008). Pentru a studia
performanța turbinei s-au utilizat injectoare
de formă simplă, fără paletă directoare. Au fost supuse analizei
trei rotoare cu 15, 26 și 30 de palete
rotorice, la care unghiul β1 de intrare în paletajul rotoric a
avut următoarele valori: 25°, 30° și 35°.
S-a concluzionat că utilizarea supapei de aspirație a aerului
reduce pierderile cauzate de impactul
dintre curentul de fluid și arborele rotorului, și elimină
pierderile ce apar în zona de recirculare și
îmbunătățește randamentul. În plus, forma injectorului
influențează decisiv curgerea și implicit
randamentul.
Choi et al. au efectuat și alte studii privind controlul
curgerii în interiorul paletajului rotoric.
În lucrarea ”Performance Improvement of a Cross-Flow Hydro
Turbine by Air Layer Effect"
prezentată la 25th IAHR Symposium of Hydraulic Machinery and
System, publicată la IOP
Conference Series: Earth and Environmental Science 12, au fost
prezentată o turbină cu un rotor
echipat cu 30 de palete, având lățimea de 500 mm, aceeași cu
lățimea injectorului, unghiul de
intrare a apei în paletajul rotoric β1 = 30°, în timp ce unghiul
β2 de ieșire al apei din prima etapă era
de 87° (Choi, Yoon, & Inagaki, 2010). Au fost utilizate două
supape de aspirație a aerului, una
instalată la partea superioară a carcasei și cealaltă pe
peretele lateral al carcasei. S-a concluzionat că
aspirația aerului în zona peretelui lateral al rotorului are
efecte semnificative asupra curgerii interne
și performanței turbinei. Creșterea eficienței se datorează
micșorării pierderilor hidraulice care apar
în zona de recirculare. și a impactului apei cu arborele.
De Andrade et al. au analizat prin analiză numerică a curgerea
apei prin rotorul turbinei
transversale. O simulare a fluxului a fost efectuată pentru a
analiza transferul de energie în cele
două trepte, prin intermediul programului ANSYS-CFX. (Andrade,
și alții, 2011). Rotorul echipat
cu Z = 24 de palete a avut diametrul exterior D1 = 295 mm,
diametrul interior D2 = 200 mm și
lățimea Br = 150 mm. Unghiul de atac a fost α1 = 16°, iar
unghiul de ieșire a apei din paletaj în
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
15
prima treaptă a fost β2 = 90°. Rezultatele simulării CFD au
arătat că 68,5% din energia apei este
transferată arborelui rotorului în prima treaptă, în timp ce
31,5% din energie este transferată în cea
de-a doua treaptă.
Choi et al. au prezentat o metodă numerică pentru a investiga
efectul unghiului de evazare
a tubului de aspirație (Choi S. &., 2012). Diametrul
exterior al rotorului echipat cu 23 de palete a
fost D1 = 280 mm, lățimea rotorului a fost Br = 135 mm, aceasta
a fost aceeași cu lățimea
injectorului. Unghiul de intrare a apei în paletaj a fost β1 =
35°, în timp ce unghiul de ieșire a apei
din prima treaptă a curgerii a fost β2 = 100°.
În anul 2012, domnul ing. Florin Pomoja a susținut o teză de
doctorat, care prezintă
rezultatele teoretice obţinute în urma simulărilor numerice
privind curgerea apei prin turbina cu flux
transversal HYE 10a, realizată la S.C. Hydro-Engineering S.A.
Reşiţa. Lucrarea conține și analiza
stării de tensiuni și deformații, precum și rezultatele
experimentale obţinute în urma măsurătorilor
efectuate pe un stand hidraulic de încercări. Menționăm că
turbina HYE 10a conține carcasă și
aparat director, este construită din palete profilate din oțel
înalt aliat (X5 CrNi 18-10) și a fost
proiectată pentru un debit maxim de 20 l/s, la o cădere de 50 m.
Încercarile de laborator au
demonstrat un randament maxim care poate depăși 80% (Pomoja,
2012).
Tsvetan Tsalov a susținut o teză de doctorat, în care a
prezentat numeroase soluții de
reglare a debitului bazate pe amplasarea de dispozitive în
injector, soluții descrise în diferite lucrări
din literatura de specialitate (Tsalov, 2015).
Trecerea în revistă a metodelor de control a debitului
reprezintă o analiză temeinic
documentată, de o reală valoare pentru cercetările viitoare
asupra turbinelor transversale.
Fig. 1.11. Soluții de reglare a debitului. Extras lucrare
(Tsalov, 2015)
Fiecare din dispozitivele prezentate în figura 1.11 modifică
într-o anumită măsură, unghiul
de evacuare al apei din injector, debitul și direcția de curgere
a fluidului ce traversează paletajul
rotoric.
1.3. Concluzii Sistemele de conversie a energiei hidraulice sunt
deosebit de robuste, pot avea o durată de
viață de 50 de ani sau mai mult și necesită întreținere relativ
redusă.
Microturbinele reprezintă uneori singura soluție pentru
alimentarea cu energie electrică a
zonelor izolate. De la inventarea primei turbine cu curgere
transversală în anul 1903 și până în
prezent, constructorii și inventatorii au obținut realizări
notabile, ce au vizat modernizarea,
eficientizarea, proiectarea și realizarea unei diversități de
prototipuri.
Interesul cercetătorilor din ultimii ani a fost motivat de o
cerință importantă a politicilor
energetice la nivel European și anume promovarea
microturbinelor, care spre deosebire de
turbinele de putere medie și mare pot produce un efect minimal
asupra mediului. Recent, s-au
obținut brevete de invenție referitoare la microturbinele de
cădere mică sau montate pe firul apei.
O altă direcție nouă de cercetare este extinderea domeniului de
utilizare prin valorificarea
potențialului hidroenergetic din rețele de apă ce funcționează
în regim gravitațional, inclusiv rețele
urbane destinate evacuării apelor uzate.
Bibliografia recentă evidențiază și preocupări privind
modernizarea și creșterea
randamentului turbinei transversale, bazată pe simulări
numerice. Metoda aduce importante
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
16
beneficii privind analiza curgerii, în vederea identificării
celor mai bune soluții din faza de
proiectare, înainte de construirea și testarea experimentală
propriu-zisă. Prezenta lucrare de doctorat se concentrează asupra
microturbinelor transversale, funcționând la căderi și
debite de valori reduse, în afara domeniului acoperit de
variantele comerciale. O temă importantă este și
clarificarea prin studii experimentale a unor aspecte privind
controlul curgerii în interiorul turbine
transversale la căderi mici, prin amplasarea de dispozitive cu
rol de ghidare a curentului. Un alt obiectiv al
tezei este prezentarea unor indicații și detalii de execuție,
astfel încât să fie posibilă replicarea soluțiilor
tehnice propuse de către producători foarte mici, cum ar fi
persoane fizice interesate de valorificarea
energiei curate la prețuri rezonabile, utilizând tehnologii
simple.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
17
Capitolul II
Contribuții privind proiectarea și realizarea unei turbine
transversale
destinată funcționării la căderi reduse
Turbina transversală (cross-flow turbine) cu o istorie de peste
un secol, mai este cunoscută
sub denumirea de turbină cu dublu flux, turbină Michell-Banki.
Principalele elemente componente
sunt rotorul și injectorul. De obicei rotorul este format din
doua discuri paralele fixate pe un arbore,
între cele două discuri sunt fixate un anumit număr de palete.
Numărul de palete cu care este
echipat un rotor este condiționat de diametrul discurilor. Acest
tip de mașina hidraulică este de
obicei încadrată în categoria turbinelor cu acțiune. Intrarea
apei în turbina transversală are loc pe
direcția radială, fluxul de apă traversează rotorul de două ori
transferând energie în două trepte și
evacuarea apei se efectuează pe direcția centrifugală.
Alimentarea se poate realiza pe direcție
verticală sau pe direcție orizontală.
În practică, turbina transversală este recomandabilă în condiții
de lucru, caracterizate prin
fluctuații mari de debit. Rotorul turbinei transversale
beneficiază de avantajul că poate fi împărțit în
părți egale. Admisia apei poate fi efectuată pe 1/3 sau 2/3 sau
pe întreaga lungime a rotorului, în
funcție de valoarea debitului. Admisia parțială permite
obținerea unor curbe de randament bune și la
sarcini parțiale.
Fig. 2.1. Domeniul de funcționare a turbinei transversale
(Greenbugenergy, 2019)
Din figura 2.1 se poate observa că turbina transversală,
Cross-Flow” acoperă și zone din
domeniile de funcționare recomandabile pentru turbina Francis și
turbina Kaplan de putere mică.
Turbina transversală este considerată ca fiind o soluție
atractivă în special pentru amenajările la
scară mică, însă se întâlnește și în unități de producere a
energiei electrice de până la 6 MW.
Principalele caracteristici ale acestei mașini hidraulice sunt:
turația poate fi selectată într-o gamă
largă; randamentul nu depinde de debit; costurile de investiție,
exploatare și întreținere sunt reduse.
La proiectarea rotorului unei turbine transversale trebuie luate
în considerare următoarele
aspecte: diametrul mic al rotorului determină un randament
hidraulic redus; diametrul mare al
rotorului determină o viteză de rotație redusă; stabilirea
raportului dintre diametrul și lățimea
turbinei trebuie corelată cu debitele zilnice multianuale,
pentru funcționarea pe o plajă cât mai largă
de debite; dimensiunile turbinei trebuie adaptate condițiilor
restrictive d.p.d.v. constructiv.
Proiectarea turbinei studiate în această lucrare s-a bazat pe
principiile fundamentale de
dimensionare a turbinelor hidraulice și pe informații
fundamentate pe experiența dobândită prin
studii experimentale anterioare ale altor cercetători.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
18
2.1. Recomandări de proiectare extrase din literatura de
specialitate
Determinarea diametrului rotorului
Valorile adecvate pentru diametrul exterior al rotorului
turbinei Michaell-Banki au fost
studiate în lucrarea cu titlul: ,,Diseno y Estandarizacion de
Turbinas Michaell-Banki” elaborată de
către OLADE Organizacion Latinoamericana de Energia (Hernandez
Bazo, Septembrie 1980). În
funcție de debit, lucrarea recomandă pentru o cădere de 100 m,
următoarele valori ale diametrului
exterior: D1 = 200 mm; D1 = 300 mm; D1 = 400 mm; D1 = 500 mm și
D1 = 600 mm. Recomandările,
corelate cu lățimea rotorului și cu puterea hidraulică
disponibilă sunt prezentate în tabelul 2.1.
Tabel 2.1. Valori ale diametrului exterior recomandate de OLADE
1980 (Hernandez Bazo,
Septembrie 1980). Diam. exterior. rotor
D1 (mm)
Căderea
H (m)
Debitul
Q (m3/sec)
Lățimea rotorului
B (mm)
Puterea hidraulică
Ph (kW).
200 100 0,140 65 86
300 100 0,500 150 308
400 100 1,100 240 679
500 100 2,200 380 1359
600 100 4,000 570 2471
O contribuție esențială la studierea procedurii de selectare a
diametrului rotorului turbinei
transversale a avut Edgar Paz Pérez et al. La ,,Congresul
Ibero-american de Inginerie Mecanică”
a fost prezentat tabelul 2.2 (Perez, Carrocci, Filho, &
Luna, 2007). Stabilirea diametrului exterior al
turbinei Michaell-Banki, funcție de cei doi parametri
hidraulici, debit și cădere este în conformitate
cu standardul din 1986 al ,,Institutul National Brazilian de
Energie” (INE, 1986).
Două turbine transversale funcționează în condiții similare,
când valoarea HQ / este
aceeași. Este de asemenea cunoscut faptul că randamentul acestor
turbine nu variază apreciabil pe
intervale relativ largi de valori ale debitului și căderii.
Observațiile anterioare justifică stabilirea
diametrul rotorului, utilizând informațiile prezentate, în
tabelul 2.2.
Tabel 2.2. Stabilirea diametrului și a numărului maxim de palete
(INE, 1986)
HQ / D1 (mm) Zmax
0,02236...0,04743 200 22
0,04743...0,07906 300 24
0,07906...0,11068 400 26
0,11068...0,15812 500 28
Observație: Diametrul exterior trebuie determinat în funcție de
condițiile de funcționare și
de valoarea parametrilor hidraulici disponibili ai
amenajării.
Canalul hidraulic din cadrul Laboratorului MFMH din cadrul
Universității Tehnice
,,Gheorghe Asachi” oferă posibilitatea obținerii unui debit
maxim 0,31 m3/s și a unei căderi H = 2
m. În urma consultării tabelului 2.2 și a calculelor efectuate,
în lucrarea prezentă s-a optat pentru
valoarea diametrului exterior al rotorului turbinei proiectate
D1 = 0,382 m (≈15 inch). În cazul
turbinei construite în cadrul acestei teze, diametrul exterior
D1 = 0,382 m este o valoare puțin mai
mică decât valoarea diametrul optim recomandat, deoarece s-a
ținut cont și de alte aspecte legate de
lățimea și adâncimea canalului hidraulic. Posibilitățile reale
de vehiculare a apei prin canalul situat
în amonte de turbină limitează parametrii hidraulici disponibili
pentru experimente. De exemplu, în
zona efectuării testelor este necesară o distanță
corespunzătoare între rotorul turbinei și fundul
canalului de evacuare, pentru ca turbina să poată evacua apa
turbinată.
Stabilirea lățimii rotorului
Rotorul a fost proiectat pentru amplasare pe poziția orizontală,
astfel încât lama de apă
evacuată de injector intră în contact cu întreaga lățime a
rotorului.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
19
În cadrul investigațiilor efectuate de A. Ulku și H. Olgun, au
fost prezentate rezultate
obținute prin modificarea raportului dintre diametrul interior
și diametrul exterior, numărului optim
de palate, precum și a raportului dintre diametrul exterior și
lățimea rotorului (Olgun, 1992). În
această teză, pentru stabilirea lățimii rotorului pentru turbina
proiectată în cadrul tezei a fost
consultat tabelul 2.3 realizat de căre Olgun, precum și
posibilitățile reale de preluare a debitelor de
către turbină. Lățimea rotorului a fost stabilită în urma
restricțiilor existente în ce privește înălțimea
și lățimea a canalului hidraulic al Laboratorul MFMAHP.
Tabelul 2.3. Randament maxim în funcție de parametrii
constructivi (Olgun, 1992) Turbine Michell-Banki D2/D1 D1/B z
𝜂%
Yokohama, 1985, Japonia 0,66 4,25 26 80,60
Vigm, 1986, Rusia 0,63 3,00 24 78,00
Ganz, 1984, Ungaria 0,66 1,00 30 75,00
Alabama, 1983, S.U.A. 0,66 0,25 20 75,00
Resita, 1983, Romania 0,66 1,28 24 73,00
Ktu, 1987, Trazbon, Turcia 0,54 0,81 24 71,30
Oregon, 1949, S.U.A. 0,66 1,09 20 68,00
Vdi, 1981, Etiopia 0,67 3,26 36 66,00
Los Andes, 1973, Columbia 0,62 1,87 27 60,60
Odtu, 1985, Ankara, Turcia 0,83 1,44 30 55,50
Rotorul realizat în cadrul acestei teze și prezentat în figura
2.2. a fost construit cu lățimea
fizică de Bcr = 0,474 m, lățimea de lucru efectivă (care se află
sub acțiunea curentului de apă) fiind
Br3 = 0,462 m. Diferența de 0,012 m, se datorează unor motive
obiective; la proiectarea rotorului s-
au folosit patru discuri de susținere și fixare a paletelor,
grosimea fiecărui disc fiind de 0,003 m.
Fig. 2.2. Rotor realizat cu palete din țeavă PVC decupate pe
generatoare.
Pentru funcționarea parțială a rotorului la 1/3 din lățime,
lățimea efectivă activă a fost Br1 =
154 mm, reprezentând distanța dintre două discuri rotorice. Când
apa traversează 2/3 din lățimea
totală, spațiul de lucru are lățimea Br2 = 0,308 m. În secțiunea
care permite funcționarea la 2/3 din
lățime, a fost intercalat un disc rotoric suplimentar pentru a
se menține fără deformații, forma
geometrică a paletelor rotorice. În figura 2.2. se pot observa
cele 3 zone. Au fost calculate
rapoartele D1/Br pentru secțiunile ce reprezintă 1/3, 2/3 și
respectiv 3/3 din lățimea rotorului: pentru
1/3, raportul D1/Br1 = 2,48; pentru 2/3, raportul D1/Br2 = 1,24;
pentru 3/3, raportul D1/Br3 = 0,826.
Rapoartele se încadrează în valorile D1/B recomandate în tabelul
2.3.
Determinarea numărului de palete
La stabilirea numărului optim de palete rotorice se ia în
calculul diametrul rotorului și
condițiile de funcționare a microturbinei, determinate de cădere
și debit. Un număr redus de palete
active determină un moment mic la arborele rotorului și un număr
mare de palete, conduce la
pierderi prin frecare, ce scad randamentul.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
20
Yhon Castañeda Ceballos et al, au dezvoltat un studiu comparativ
referitor la numărul de
palate rotorice. În cadrul articolului ,, Influence of the
Number of Blades in the Power Generated by
a Michell Banki Turbine”, se prezintă un tabel cu recomandări
privind numărul optim de palate
pentru turbinele transversale (Yhon , Mario , Diego, Jorge,
& Sebastian, 2017).
Tabelul 2.4. Studiu comparativ asupra numărului optim de palete-
Z optim. (Yhon , Mario , Diego,
Jorge, & Sebastian, 2017) Autori studiu Z Zoptim
V. Samartano, et al. 30, 35, 40 35
Y.D. Choi, et al. - 30
Aziz, N.M. and Totapally, H.G.S 15 - 35 30
H. Olgun and A. Ulkun 20, 24, 28, 32 28
Nadim M. Aziz and Venkappayya R. Desai - 25
Shashank Mani et al. 18, 22, 26, 30 22
N. Acharya, et al 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 32 22
În referatul ,,Ficha Tecnica Turbina Michell-Banki 2”
(Practicas, 2009), se recomandă
pentru rotorul turbinei Michell-Banki, 24 - 30 ca număr optim de
palete.
În anul 2018, Ram Adhikari realizează un studiu amplu privind
parametrii geometrici și
constructivi ai turbinelor testate de o serie de cercetători.
Studiul poate fi considerat un ghid destinat
identificării de soliții pentru creșterea randamentului turbinei
transversale. Rezultatele sunt
sintetizate în tabelul 2.6. (Adhikari & Wood, 2018).
Tabel 2.5. Rezultate studii efectuate pentru identificarea
parametrilor constructivi recomandabili
(Adhikari & Wood, 2018)
Autori α1[°] β1[°] β2[°] D2/D1 [%] Z θ injector η [ %] Michell
(1904) 16 38 90 0,68 20 90 92
Teoretic Mockmore and Merryfield
(1949) 16 30 90 0,66 20 - 68
Varga (1959) 16 39 - 0,66 30 - 77 Durali (1976) 16 30 90 0,68 24
- 76 Johnson and White (1982) 16 39 - 0,68 18 60 80 Nakase et al.
(19820 15 39 - 0,68 26 90 82 Dakers and Martin (1982) 22 30 90 0,67
20 69 69
Durgin and Fay (1984) 16 39 - 0,68 20 63 66 Khosrowpanah (1985)
16 39 90 0,68 15 58; 78; 90* 80 Hothersall (1985) 16 - - 0,66 21 -
75 Ott and Chappell (1989) 16 - - 0,68 20 - 79 Fuizat and Akerkar
(1989) 20 - 24* 39 90 0,68 20 90 89 Desai (1994) 22*- 32 39 90
0,60; 0,68*; 0,75 30 90 88 Totapally and Aziz (1994) 22*- 24 39
55*-90 0,68 35 90 90
Notă: numerele cu steluță corespund randamentului prezentat în
ultima rubrică a tabelului.
În urma analizării studiilor efectuate de cercetătorii mai sus
menționați, pentru turbina
investigată în cadrul acestei teze s-a optat pentru un număr de
palete Z = 24.
Determinarea parametrilor geometrici
Viteza apei la ieșirea din injector, respectiv intrarea în
rotor, se poate determina cu formula:
𝑉𝑖 = 𝑉1 = 𝐾𝑣1√2𝑔𝐻𝑛 (2.1)
Coeficientul de viteză Kv1 pentru injector este definit ca
raportul dintre viteza medie reală
obținută și cea estimată de ecuația lui Bernoulli. Fiind un
coeficient de pierderi locale de energie,
valoarea coeficientului este determinată estimativ. De exemplu,
în conformitate cu lucrarea
,,Applied Mechanics” publicată de Hannah et Hillier, precum și
în conformitate cu alte surse
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
21
bibliografice, se recomandă o valoare a coeficientului Kv1 în
intervalul 0,95 și 0,99. (Hannah &
Hiller, 1994). În lucrarea ,,About Design optimization off
Cross-Flow Hidraulic Turbines” din anul
2005, Mircea Bărglăzan recomandă valoarea coeficientului Kv1, ca
fiind între 0,96...0,98
(Bărglăzan, 2005).
Fig. 2.3. Triunghiurile de viteze în cele două etape de transfer
energetic.
Rezultă β1, unghiul de intrare a apei în paletajul rotoric,
format între direcția vitezei relative
(W1) și direcția vitezei tangențiale (U1),
Egdar Paz Perez prezintă un studiu în care precizează relațiile
dintre unghiul β1 și α1, a cărui
rezultate sunt prezentate în tabelul 2.6. (Egdar, Luiz, &
Paulo, 2006). Mai exact, unghiului β1 = 30°
îi va corespunde un unghi α1 = 16,102°.
Tabel 2.6. Variația unghiului β1 în funcție de valoarea
unghiului α1. (Egdar, Luiz, & Paulo, 2006) β1 α1
26,5° 14°
28° 15°
30° 16°
31,5° 17°
33° 18°
Observație: Valoarea teoretică a unghiului α1 = 16,102° este
foarte greu de realizat în
practică. Se optează pentru α1 = 16°.
Datorită intrării aproximativ tangențiale a apei în rotorul
turbinei transversale și a unghiului
maxim de ieșire din injector, apare o limitare a numărului maxim
de palete active. Încărcarea redusă
sau inexistentă a rotorului determină o creștere a vitezei
acestuia, numită viteză de ambalare, cu
efect negativ asupra randamentului și a forțelor care acționează
asupra paletelor. Rotorul turbinelor
destinate căderilor mici este rareori echilibrat dinamic,
deoarece vitezele de rotație din timpul
funcționării normale sunt relativ mici. La căderi mari, se
impune echilibrarea dinamică a rotoarelor,
în caz contrar, pot apărea vibrații care pot deteriora întreaga
instalație.
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
22
În urma analizei studiilor anterioare a căror rezultate au fost
prezentate în tabelele 2.4-2.6 și
luând în considerație căderile mici ce corespund unor viteze
mici ale curentului de apă la care
urmează să fie testată turbina, s-a optat pentru Z = 24 de
palete rotorice.
Pasul dintre palete este 𝑡𝑃 = 15˚.
Fig. 2.4. Geometria paletei (Popescu C. , 2013).
Unghiurile constructive ale paletei sunt: 𝜃 = 52,5˚ ; 𝜆 =
142,5˚; 𝛾 = 22,5˚ ; 𝛿 = 75˚. Coarda paletei este 𝐴𝑝 = 0,07447[𝑚]
Raza paletei 𝑅𝑎 = 0,06262[𝑚].
Egdar Paz Perez et al, în lucrarea intitulată ,,Metodologia de
dyseno hidraulico y
mecanico de una turbina Michell-Banki” publicată la al 8-lea
Congres Ibero-American de Inginerie
Mecanică de la Cuzco, recomandă ca metodă de manufacturare a
paletelor rotorice, prelucrarea
acestora din țeavă din oțel carbon (Perez, Carrocci, Filho,
& Luna, 2007). Chappell, J. R. a
demonstrat posibilitatea de reducere a costurilor pentru
turbinele Michell-Banki instalate în cadrul
amenajărilor cu căderi mici (Chappell, 1983), prin utilizarea de
materiale plastice. Folosirea țevilor
din plastic, tăiate pe generatoare este o soluție rezonabilă,
deoarece forțele ce acționează asupra
paletajului, sunt relativ mici. Chappell a estimat reducerea
costurilor de producție cu aproximativ
50%.
Contribuție: Rotorul proiectat și prezentat în această teză are
palete realizate din țeavă
PVC, cu diametrul de 125 mm și grosimea peretelui de 3,2 mm.
Țeava PVC a fost tăiată pe
generatoare. Cu ajutorul unor pene semicirculare înguste (vezi
figura 2.11.), prelucrate din același
tip de țeavă PVC, paletele au fost fixate în canalele
semicirculare, având lățimea de 6 mm. Metoda
de fixare a paletelor în discurile rotorice poate fi considerată
inedită.
Soluția clasică, descrisă în cartea intitulată ,,Hydraulic
Engineering Manual”. Volumul 4:
Cross Flow Turbine Fabrication publicată de Swiss Center of
Appropiate Technology (SKAT) -
(Widmer, Arter, & Eisenring, 1993) este asamblare
nedemontabilă, bazată pe sudarea paletelor din
oțel de discurile rotorice.
Contribuție: Metoda de montare a paletelor în discuri este
bazată pe utilizarea penelor
semicirculare prelucrate din același tip de țeavă PVC. Procedeul
are avantajul remarcabil că
elimină deformația discurilor rototice și a paletelor, efecte
nedorite ce s-ar fi dezvoltat în zona
influențată termic în timpul sudării. În plus, prin această
contribuție originală la metodologia de
-
Cercetări teoretice și experimentale privind turbinele
transversale
___________________________________________________________________________
23
fabricație a turbinelor, se evită riscurile generate de
tensiunile remanente care apar în urma
operațiunii de sudare.
Fig. 2.5. Rotor parțial paletat. Paralelismul discurilor
realizat prin intermediul prezoanelor.
Metoda de fabricație a turbinei propuse cuprinde și alte
elemente inedite. Canalele
semicirculare din discurile rotorice au fost prelucrate pe o
mașină de frezat universală pentru
sculărie FUS 200, cu o freză cilindro-frontală cu diametrul de 6
mm. Mișcarea de avans pe direcție
curbă a fost realizată prin rotirea mesei rotative. Canalele din
discurile rotorice au fost prelucrate
simultan, toate cele patru discuri fiind suprapuse și fixate cu
șuruburi M6 în găurile practicate
anterior pentru cele șase prezoane M6. Pachetul cu discuri a
fost poziționat pe masa rotativă în așa
fel încât (unghiul la centru δ), sau centrul de curbură al
canalelor în care sunt amplasate paletele să
coincidă cu axa mesei rotative.
Contribuție: Metoda de prelucrare a canalelor semicirculare din
discurile rotorice este o altă
contribuție originală privind tehnologia de realizare a
turbinelor transversale.
Unii autori recomandă tăierea canalelor semicirculare cu sudura
oxiacetilenică, ceea ce
conduce la o precizie scăzută a formei geometrice. Este adevărat
că utilizând mașini cu comandă
numerică precizia de prelucrare este ridicată. Totuși, metoda
este arareori recomandabilă, deoarece
un important avantaj al turbinelor Banki este simplitat
