Descriere Concept Turbina Hidraulica [PDF]

Zitiervorschau

Turbina hidraulică Turbina hidraulică este o maşină hidraulică care transformă energia hidraulică în energie mecanică. Această definiţie nu include vanele de la intrare şi ieşire şi nici maşina electrică asociată. Turbinele hidraulice sunt turbomaşini, adică maşini la care transferul energetic se produce prin interacţiunea dintre un curent continuu de fluid între secţiunile de intrare şi ieşire şi un rotor dotat cu palete, complet scufundat în el. O reprezentare schematică a turbinei hidraulice este dată în figura 1, iar în figura 2 este dată încadrarea turbinei hidraulice în centrala hidroelectrică:

Fig.1. Reprezentarea schematică convenţională a turbinei hidraulice ( IEC 61364)

Fig.2. Reprezentarea schematică a amplasării turbinei în centrala hidroelectrică (IEC 370/91)

Parametri fundamentali ai turbinelor hidraulice Parametri funcţionali caracteristici turbinelor hidraulice sunt: - Debitul - Energia specifică şi căderea - Turaţia - Puterea - Randamentul - Înălţimea geometrică de aspiraţie - Coeficientul de cavitaţie Debitul turbinei Se defineşte prin cantitatea de apă exprimată volumic, masic sau gravimetric, ce străbate o secţiune în unitatea de timp. Debitul volumic Q [m3.s-1] este volumul de apă ce străbate orice secţiune a turbinei în unitatea de timp. Energia specifică În sistemul internaţional de unităţi (SI) masa „m”[kg] este o mărime fundamentală. De aceea energia raportată la unitatea de masă a fluidului de lucru „e” [J·kg-1] este utilizată preferenţial în locul energiei specifice raportată la unitatea de greutate.

Energia specifică a turbinei E [J·kg-1] se defineşte ca fiind diferenţa între energiile specifice ale apei din secţiunile de intrare (1) şi de ieşire (2) ale turbinei (Fig.1):

E=

pabs1 − pabs 2

ρ

Aici se consideră valori medii ale densităţii apei

+

v12 − v22 + g ( z1 − z2 ) 2

(1)

ρ referitor la cele 2 secţiuni ale turbinei. De asemenea g

este valoarea medie a acceleraţiei gravitaţionale din cele două secţiuni. Căderea Prin cădere h [J·N-1=m] , în general, se înţelege energia specifică obţinută prin raportarea la unitatea de greutate a apei:

h =e/ g

(2)

Căderea turbinei H [J·N-1=m] este diferenţa dintre energiile specifice ale apei de la intrare şi ieşire din turbină, conform relaţiei (1), raportate la unitatea de greutatea apei:

H =E/ g

(3)

Căderea brută (geodezică) a centralei Zg [m] este diferenţa de cotă pe verticală între nivelul apei din bieful amonte(3) şi bieful aval (4)(Fig.2):

Z g = z3 − z4

(4)

Rotaţia Este dată de numărul de învârtituri în unitatea de timp, secundă sau minut. Se notează cu

ω

[s-1] , care este o viteza unghiulara sau n [rot/min], denumita si turatia turbinei. Puterea Puterea hidraulică sau puterea sursei Ph [W] este puterea disponibilă a apei de la intrare în turbină pentru a putea fi transformată în putere mecanică la arborele turbinei:

Ph = ( ρQ )1 E

(5)

Ph = ( ρQ )1 gH ≅ ρgQH

(6)

sau, ţinând cont de relaţia (5):

Puterea turbinei P [W] este puterea mecanică de la arborele turbinei, obţinută din momentul la arbore M şi viteza unghiulară ω :

P = M ⋅ω

(7)

Puterea mecanică a rotorului Pm [W] este puterea mecanică transmisă la cuplajul rotorului cu arborele turbinei:

Pm = P + PPm

(8)

Puterea pierdută mecanic PPm [W] este puterea mecanică disipată prin frecare în lagărele de ghidare, lagărul axial (dacă acesta ţine constructiv de turbină) şi etanşări. Randamentul Prin randament, sau eficienţa unei transformări energetice a unui sistem, se înţelege raportul dintre energia furnizată de sistem Ef şi cea consumată Ec:

η=

Ef Ec

(9)

P ρgQH

(10)

ηh =

Pm Ph

(11)

ηm =

P Pm

(12)

η= Randamentul hidraulic al turbinei η h :

Randamentul mecanic al turbinei η m :

Ţinând cont de (11) şi (12), randamentul turbinei devine:

η = η h ⋅η m

(13)

cu observaţia că pierderile de disc şi cele volumice sunt incluse în pierderile hidraulice, în această accepţiune. Înălţimea de aspiraţie Înălţimea de aspiraţie Hs [m] este distanţa pe verticală dintre planul apei din aval şi un plan de referinţă al turbinei. (fig.3).

Fig.3. Scheme pentru definirea înălţimii de aspiraţie Înălţimea de aspiraţie poate fi, prin convenţie, pozitivă sau negativă, după cum rotorul turbinei este dispus deasupra sau sub nivelul apei din bieful aval. Coeficientul de cavitaţie După cum se ştie, presiunea în interiorul unui lichid nu poate fi scăzută oricât, deoarece apar în masa lichidului zone umplute cu vapori şi gaze, adică se dezvoltă fenomenul de cavitaţie. Acesta este un proces hidrodinamic complex, caracterizat de apariţia şi dezvoltarea în zonele cu presiuni scăzute a unor cavităţi umplute cu vapori de apă şi gaze dizolvate, urmat de surparea prin implozie a acestor cavităţi, în zonele cu presiuni mai ridicate, ceea ce conduce la alterarea randamentului de funcţionare al turbinelor, la distrugerea materialului care vine în contact cu zona cavitaţională şi la zgomote şi vibraţii puternice. Dacă înălţimea de aspiraţie a turbinelor depăşeşte o anumită valoare (teoretic maxim +10,33 m) apare o depresiune accentuată care conduce la superdezvoltarea fenomenului de cavitaţie. Evaluarea cantitativă a dezvoltării fenomenului de cavitaţie se face cu ajutorul unui coeficient adimensional, denumit coeficient de cavitaţie „σ”. Thoma a fost primul cercetător care a încercat să determine poziţia maximă admisibilă a rotorului de turbină deasupra apei din aval în conexiune cu coeficientul de cavitaţie exprimat sub forma:

σ=

A − At ± H s H

(17)

unde A [m.c.a.] este presiunea atmosferică şi At [m.c.a.] este presiunea de vaporizare a apei la temperatura de lucru şi atunci:

H s max adm = A − At − σH

(18)

Domeniile de funcționare ale principalelor tipuri de turbine hidraulice Tehnica modernă este dominată de trei tipuri principale de turbine hidraulice: Pelton, Francis şi Kaplan şi de două tipuri derivate, bulb şi Deriaz. Utilizarea eficientă a unui tip de turbină depinde de domeniul de funcţionare al fiecăreia. O diagramă orientativă pentru stabilirea domeniilor de funcţionare optime din punct de vedere tehnico – economic este redată în figura 4.

Fig.4. Domeniile de hidraulice

funcţionare ale turbinelor

Reprezentarea schematica a principalelor tipuri de turbine

Fig. 5. Reprezentarea schematica a unei turbine Petlton 1 – discul rotorului; 2 – paletele rotorului rotorului; 3 – arborele; 4 – jetul de apa;5 – diuza injectorului; 6 – acul injectorului; 7 - conducta fortata; 8 – corp injector; 9 – deflectorul; 10 canal de evacuare

Fig.6. Reprezentarea schematica a unei turbine Francis

1 – rotorul, 1a – paletele rotorului; 2 – camera spirală; 3 - statorul; 4 –aparatul director; 5 – tubul de aspiraţie; 6 – arborele turbinei; 7- lagărul radial.

Fig.7. Reprezentarea schematică a unei turbine Kaplan 1 – cameră spirală; 2 – stator; 3 – aparat director; 4 –butuc rotor; 4a – paletele rotorului; 4b – ogiva rotorului; 5 – camera rotorului; 6 – tubul de aspiraţie; 7 – arborele turbinei; 8 – lagărul radial.

Fig. 8 . Reprezentarea schematica unei turbine bulb

Fig. 9 . Reprezentarea schematica unei turbine Deriaz

Fig.10. Reprezentarea schematica unei turbine Banki 1 – rotor; 2 – clapeta de reglare; 3 - carcasa