MICRO TURBINĂ HIDRAULICĂ LINIARĂ PENTRU ALIMENTAREA UNEI LOCUINȚE Profesor coordonator: Șl.dr.ing. Nicușor Ursa Consultant: Drd.ing. Claudiu Rusan… [309057]

LUCRARE DE LICENȚĂ

MICRO TURBINĂ HIDRAULICĂ LINIARĂ PENTRU ALIMENTAREA UNEI LOCUINȚE

Profesor coordonator:

Șl.dr.ing. Nicușor Ursa

Consultant:

Drd.ing. Claudiu Rusan

CUPRINS

Motivația

Tema proiectului este denumită “Micro Turbină Hidraulică Liniară pentru alimentarea unei locuite” și este rezultatul curiozității mele de a descoperii modul de producere a curentului electric în mod ecologic și cu un cost cât mai redus. [anonimizat], putând fi aplicat atât în interes personal cât și la nivelul unei întregi întreprinderi sau chiar a lumii.

Am ales acesta temă fiind influențată de modul de implementare a unei turbine electrice din zona Barajului ecologist de la Colibita (Barajul Colibita este amplasat pe cursul superior al râului Bistriță Transilvană (Ardeleană) la cca. 400 [m] amonte de confluența acestuia. Barajul Colibita a [anonimizat] 1977 – 1991 cu scop hidroenergetic pe cursul râului Bistrița Bargaului. Lacul Colibita are o suprafață de 270 [ha], lungimea de 13 [km] și volumul apei acumulate de 65 mil [m3], fiind situat la o altitudine de 900 [m]. Turbina implementată la Colibita este de tip put semiȊngropat cu Ø13,60 [m] și înălțimea totală de 34,55 [m], echipată cu un grup Francis de 12 [MW], la un debit instalat de 13 [mc/sec] și o cădere de 194,5 [m].

Un alt motiv care a [anonimizat] a studia implementarea unei micro turbine a [anonimizat]. Bistrița, loc unde unul dintre localnici a construit o micro hidro turbină care ajută la alimentarea satului cu electricitate.

Consider că este o temă de actualitate datorită faptului că se dorește tot mai mult să se implementeze conceptul de producere de curent electric cat mai ecologic. De asemene în întreprinderea în care îmi desfășor activitatea Comelf SA unul din cei mai importanți colaboratori precum „Global Hydro Energy” [anonimizat].

Din dorința de a contextualiza și a [anonimizat] a [anonimizat].

Rezumat

Prezenta lucrare de licență urmărește proiectarea și implementarea unei Micro Turbine hidraulice liniare pentru alimentarea unei locuințe si este structurată astfel încât să poată aduce la cunoștință toate informațiile necesare pentru cititori. Lucrarea cuprinde în structura ei 10 capitole, fiecare având un potențial informativ complex.

În primul rând este prezentată planificarea proiectului în decursul a nouă luni și stabilirea etapelor ce urmează în principal a fi tratate. Este elaborată planificarea proiectului și durata fiecărei etape sub forma unei diagrame Gantt. Planificarea va accentua în special etapele sau traseele care trebuie parcurse și durata de execuție a fiecăreia, dar și resursele necesare proiectului și performanțele rezultatelor așteptate.

Într-[anonimizat], [anonimizat]inelor. În acest context evolutia hidro-tubinelor este scoasă în evidență încă de la producerea roților de apă până la cele mai economice și performante hidro-turbine, deasemenea sunt prezentați cei mai importanți parametrii precum energia și resursele energetice care ajută la punerea în funcțiune a întregului proces pentru implementarea unei turbine. Pe lângă aceste elemente mai sunt evidențiate și câteva statistici privind potențialul hidro-energetic.

După prezentarea introductivă în ceea ce privește conceptul de hidro-turbine, un alt capitol se referă la modelele existente pană în acest moment de hidro-tubine după cum urmează: Turbina Pelton, Francis, Kaplan, Bulb, Michell-Banki, Vortex. În continuarea acestui capitol sunt scoase în evidență câteva dintre conceptele principale în ceea ce privește mentenanța hidro-turbinelor și materialele necesare construcției acestora, care să reziste la toate încercările supuse în funcționarea turbinei.

În următorul capitol se tratează cerințele de proiectare și concepția propriu-zisă a temei acestei lucrări de licență împreună cu schema cinematică cât și proiectarea și descrierea ansamblelor și subansamblelor realizate într-un soft CAD.

Ca urmare a priectarii, se evidențiază partea exactă de calcul a momentului necesar acționări motorului generator, calculul transmisiei prin curele trapezoidale cât și viteza și debitul apei necesare antrenării turbinei.

Într-un ultim capitol se prezintă analiza cu element finit a componentelor care sunt cel mai frecvent solicitate in timpul functionarii hidro-turbinei: axul și roata de antrenare a turbinei.

În ultima parte a lucrării de licență se evidențiază concluziile, sinteza provocărilor majore din proiect și nu în ultimul rând este prezentată bibliografia acestui proiect.

Abstract

Planificarea proiectului

Conducerea unui proiect în absența unei planificări bine stabilite, riscă să compromită realizarea lui și atingerea obiectivelor urmărite.

Planificarea va accentua în special etapele sau traseele care trebuie parcurse și durata de execuție a fiecăreia, dar și resursele necesare proiectului și performanțele rezultatelor așteptate.

Etapele proiectului

Documentarea:

Identificarea echipamentelor, dispozitivelor și a istoricului turbinelor hidraulice;

Analiza modelelor de turbine hidraulice;

Analiza echipamentelor și instalațiilor și alegerea soluțiilor;

Analiza variantei optime pentru soluțiile identificate;

Identificare furnizori de echipamente;

Stabilirea bibliografiei și adunarea bibliografiei;

Elaborarea proiectului, concepția preliminară a proiectului propriu-zisă:

Elaborarea calculelor;

Realizarea schemei cinematice;

Concepția și proiectarea turbinei hidraulice liniare;

Alegerea solutiilor constructive;

Elaborarea modelelor 3D;

Revizuirea proiectului:

Revizuirea calculelor;

Revizuirea modelelor 3D;

Incheierea proiectului

Actualizarea Bibliografiei;

Stabilirea concluziilor;

Odate stabilite etapele proiectului urmează a fi stranspuse în practică (realizarea propriu-zisă).

Tabelul 4.1. Planificarea duratei proiectului

Istoria hidro-turbinelor, energia, resursele energetice și potențialul hidroenergetic

Ca fundament principal a convertirii energiei, este cea mai universală lege a naturii, căruia i se atribuie toate procesele naturale din natură. Unul dintre cele mai importante avantaje ale acestuia este ca indiferent de modificările asupra naturii, o anumită cantitate de energie rămâne neschimbată, putând fi mai apoi transformată în: energie mecanică, nucleară, electrică, chimică etc. Energia poate fi definită din punct de vedere științific, o mărime care ne arata capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic când trece printr-o transformare din starea sa in altă stare aleasa de referință. Energia este o funcție de stare.

Toate procesele care necesită conversia energiei hidraulice in energie electrică nu constituie un pericol in poluarea mediului si de asemenea presupune cheltuieli relative mici de întreținere si constituie o soluție de lungă durată.

Energia hidraulică l-a ajutat pe om Încă din cele mai vechi timpuri pentru a suprima munca fizică, cu ajutorul mijloacelor tehnice corespunzătoare acelor vremuri. În secolul trecut, energia hidraulică a Înregistrat o serie de progrese În domeniul hidroenergetic care au ajutat-o să devină o parte integrată a mixului de energie reglabilă. Utilizarea apei este cunoscută de mii de ani, aceasta fiind folosită În foarte multe domenii, printere care cele mai vechi fiind măcinarea cerealelor si pentru producerea energiei.

Credem că este firesc să precizăm că roțile de apă, dispozitivele volumice de transport al apei ca mărturii din antichitate, iar dacă revenim în evul mediu sau într-o epocă mai apropiată evidențiem morile de apă. Roțile antrenate de apă au fost primele dispozitive volumice de transport al apei, folosite pentru prima dată la Greci cu scopul de a măcina grâul in faină. Urmând ca mai apoi să Își facă apariția morile de apă, roata românească cu palete poate fi considerată o temelie a turbinelor Pelton. Roțile de apă constituiau adevăratele uzine hidraulice utilizate pentru: spargerea grăunțelor, baterea postavului, tăbăcirea pieilor etc.

Morile de apă au ca piesa principală de funcționare roata cu palete așezate in calea curentului de apă, cu ajutorul căreia se obține mișcarea de rotație a axului rotii. Roata morii În cele mai multe cazuri era fabricată din lemn, aceasta poate avea mai multe variante constructive pentru palete, În funcție de debitul de apă si de angrenarea acestora de apă. Mișcările de rotație determinate de forța apei care apasă pe palete este transmisă in interiorul clădirii pricipale a morii cu ajutorul unui ax, unde prin reducții sau amplificări cu roți dințate sau alte metode mecanice de transmitere precum cele prin curele, pune În funcționare instalația propriu-zisă.

De asemenea, principiul de funcționare a acestora mai poate fi influențat si de debitul de apă de care dispunem.

La debite mici se exploatează În principal energia potențială a apei. În acest scop pe roți se montează cupe așezate in calea curentului apei pentru a fi Împinsa de acesta. Astfel se obține mișcarea de rotație a axului roții. Iar aducția apei se face in partea de sus a roți, apa umplând cupele.

La debite mari se exploatează în principal energia cinetică a apei. În acest scop se folosesc roți pe care sunt montate palete, iar aducția apei se face În partea de jos a roții, apa împingând paletele. Pentru a avea momente cat mai mari, raza roții trebuie să fie cat mai mare. Pentru a accelera curgerea apei în sensul roții, Înaintea ei se plasează un stavitor deversor, care ridică nivelul apei și transformă energia potențiala a acestei căderi in energie cinetică suplimentară.

Energia hidraulică este o energie mecanică formată din energia potențială a apei dată de diferența de nivel între lacul de acumulare și centrală, respectiv din energia cinetică a apei în mișcare. Exploatarea acestei energii se face actualmente în hidrocentrale, care transformă energia potențială a apei în energie cinetică. Aceasta e apoi captată cu ajutorul unor turbine hidraulice care acționează generatoarele electrice care în final o transformă în energie electrică.

Motoarele hidraulice sunt clasificate în două categorii: roți hidraulice și turbine hidraulice. In categoria roților hidraulice se înscrie moara cu roata verticală, iar în categoria turbinelor hidraulice se înscriu următoarele: moara cu axul vertical și roata orizontală fiind socotită de un prototip al turbinei hidraulice.

Turbina

Turbina din punct de vedere tehnic este un motor alcătuit dintr-un rotor solidarizat cu un arbore și dintr-un stator, care transformă energia potențială a unui fluid în energie mecanică de corp solid. Moara cu roată orizontală și axul vertical este înscrisă între prototipurile turbinei de egală presiune. Ceea ce definește funcționarea unei turbine este fluxul hidraulic cu o presiune egală în stator și rotor. Energia cinetică venită prin cădere în stator este transformată în energie mecanică în rotor.

Mașinile în care energia mecanică primită la arborele primar este transformată în energie hidraulică, iar apoi în energie mecanică, se numesc transformatoare hidraulice. În cazul în care mașina permite o dublă funcționare, atât ca turbină cât și ca pompă, ea se numește mașină hidraulică reversibilă.

Centralele hidraulice

Centralele hidraulice sunt favorizare deoarece au cele mai reduse costuri de exploatare si cea mai mare durata de viata, in comparație cu alte tipuri de centrale electrice care ating aproape aceleași standarde impuse de funcționare minima. Exista o experienta de peste un secol in realizarea si exploatarea centralelor hidraulice, ceea ce face ca ele sa atingă niveluri de performanta tehnica si economica foarte ridicate putând fii la îndemâna oricărui comparator.

Turbinele hidraulice

Denumite și “Motoare hidraulice” sunt urmașele roților de apă. Acestea au evoluat foarte mult datorită studiilor făcute asupra unor tipuri de turbine care s-au consacrat mai târziu ca mașini ce transformă energia hidraulică în mecanică cu randamente ridicate și care constituie o componentă de bază în dezvoltarea economică și a civilizației noastre.

Prima hidrocentrala din lume este Cragside, in Anglia construita in 1870. Cragside a fost inițial o casuța țărănească, fiind prima casa din lume care a utilizat energia hidroelectrica. Apa din unul din lacurile deținute de proprietar a fost utilizat pentru a învârti un dinam (mașină electrică rotativă, generatoare de curent continu), aceasta fiind probabil prima centrală hidroelectrică din lume.

A doua hidrocentrala din lume a fost Pleton pe râul Fox, fiind folosita pentru a lumina doua mori si o casa. În decursul anului 1896 prima centrală combinată hidro și termo din România a fost dată în exploatare pe valea râului Sadu, fiind denumită Sadu I. Vechea turbină cu ax vertical a fost înlocuită în 1905 cu o turbină Francis care a funcționat până în 1929.

Energia de origine hidro face parte din categoria energiilor regenerabile aceasta sunt considerare energiile ce provin din surse care fie să regenerează de la sine in scurt timp, fie sunt surse practic inepuizabile.

Ȋn condițiile creșterii continue si accelerarea a populației globului in forma numita adesea “explozia demografica” exista 4 cerințe fundamentale si vitale pentru menire: apa, hrana, energia si mediul înconjurător favorabil. Datoria creșterii urbanizării si nivelului general de viata, creșterea nevoilor de resurse in general si energie in particular este superioara creșterii populației.

Valorificarea potențialului hidroenergetic al apelor curgătoare a început din primele veacuri ale erei creștine, când apar primele mori de apă (în Europa în sec. VI), dar hidrocentralele sunt mult mai recente, fiind legate de realizările fizicii și tehnicii sec. XIX. Se considera ca cea mai veche hidrocentrală din lume este cea de la Lancey (Franța), construită în 1869, iar în România Sadu I din Munții Cândrelului (1896).

Energia apei este o formă de energie regenerabilă. În practică, aceasta energie este produsă în hidrocentrale cu ajutorul mișcării apei, datorată diferenței de nivel între lacul de acumulare și centrală. “Forța” apei este de fapt o combinație între presiune și debit. Ambele trebuie să fie prezente pentru a produce energie.

Presiunea creată de distanța verticală între locul în care apa pătrunde în conducta de aducție și locația turbinei este măsurată în metri coloană de apă, sau ca presiune în pascali sau N/m2.

Debitul este cantitatea de apă (exprimată în volum per timp) care curge prin conducta de aducție într-o anumită perioadă și este măsurată în metri cubi/secundă sau litri pe minut.

Apa este colectată într-un micro-bazin și apoi canalizată prin conducta de aducție direct în turbină. Căderea pe verticală, creează presiunea necesară la capătul inferior al conductei de aducție, pentru a pune în mișcare turbina. Cu cât va fi mai mare debitul sau presiunea, cu atât vom obține mai multă energie electrică. Valorile acestor două criterii, sunt foarte importante pentru determinarea valorii de energie electrică (potențialul) unei locații pentru implementarea unui microhidrosistem bazat pe microhidroturbine.

Potențialul hidroenergetic

Potențialul hidroenergetic al României reprezintă o bogăție națională de mare valoare, deoarece oferă energie electrică la cel mai scăzut preț de cost, în condiții ecologice depline, fiind astăzi cea mai accesibilă dintre resursele regenerabile ale planetei.

Materia primă pentru centralele hidroelectrice este apa, care este gratuită, în timp ce pentru centralele termoelectrice și atomoelectrice materia primă este foarte scumpă, iar prelucrarea acesteia este neecologică și prezintă un grad ridicat de risc pentru viața. Amenajările hidroenergetice au și un impact foarte redus asupra factorilor de mediu, ceea ce răspunde cel mai bine conceptului de dezvoltare durabilă.

O hidrocentrală utilizează amenajări ale râurilor sub formă de baraje, în scopul producerii energiei electrice. Potențialul unei exploatări hidroelectrice depinde atât de cădere, cât și de debitul de apă disponibil. Cu cât căderea și debitul disponibile sunt mai mari, cu atât se poate obține mai multă energie electrică. Energia hidraulică este captată cu turbine.

Realizarea amenajărilor hidroenergetice oferă, prin lucrările de infrastructură o serie de alte beneficii prin atenuarea undelor de viitură și de protecție împotriva inundațiilor, asigurarea alimentării cu apă potabilă și industrială, irigați, dezvoltarea turismului, pisciculturii și locuri de muncă pe șantiere și la centralele hidroelectrice.

România posedă un potențial hidroenergetic economic amenajabil de cca. 12 000 MW cu care s-ar obține o energie electrică anuală de cca. 32 000 GWh. Până în anul 1960 s-a realizat o putere instalată de 209 MW cu o energie electrică anuală de 396 GWh.

În perioada anilor 1960-1990 s-a valorificat prin forțe proprii o putere instalată de 5560 MW cu o producție anuală de energie electrică de 15700 GWh. În această perioadă au fost puse în funcțiune marile amenajări hidroenergetice ale tării: cascadele Bistrița – aval și Argeș – aval, amenajarea Lotru, centralele Porțile de Fier I și Porțile de Fier II, centralele Mărișelu, Șugag, Gâlceag, Tarnița, Râul Mare Retezat, Râmnicul Vâlcea etc.

Toate aceste amenajări hidroenergetice au fost dotate cu hidro agregate fabricate de UCM Reșița, care a devenit o uzină competitivă la nivelul uzinelor de specialitate din Europa. Totul s-a realizat cu forțe proprii.

Hidro agregatele sunt echipate cu:

• turbine tip Kaplan; puterea maximă instalată pe grup este de 194,4 MW, la cele 6 grupuridin CHE Porțile de Fier I;

• turbine tip Francis; puterea maximă instalată pe grup este de 167,5 MW, la cele 2 grupuri din CHE Râul Mare;

• turbine tip Pelton; puterea maximă instalată pe grup este de 170 MW, la cele 3 grupuri din CHE Lotru-Ciunget;

• turbine tip Bulb și Bulb reversibile; puterea maximă instalată pe grup este de 31,4 [MW], la cele 10 grupuri din CHE Porțile de Fier II și Gogoșu (bulb clasic) și 13,25 [MW] la cele 20 grupuri reversibile ale amenajării Olt Inferior.

Cu toate ca in Romania se încearcă a implementa toate aceste procese si modalități de introducere si de producere a energiei cu hidro turbine, gradul de utilizare a potențialului hidroenergetic este foarte scăzut, de aproximativ 51.72%.

Tabel. 5.1. Gradul de utilizare a bazinului hidrografic

În prezent, valorificarea potențialului hidroenergetic al globului este de 26%, cu mari diferențe între țǎri: S.U.A.- 77%, Canada – 62%, China – 59%, Brazilia – 48%, Rusia – 42%, Columbia – 7%, Argentina – 7%, Indonezia – 12%, Republica Democratǎ Congo – 2%.

În prezent hidrocentralele produc 19% din energia electricǎ a lumii, fiind o cantitate mică comparative cu toate beneficile aduse de aceste procese de producer a energiei.

Hidro-turbine

Toate sistemele hidro utilizează energia apei curgătoare in vederea producerii de electricitate sau energie mecanica. Deși exista mai multe modalități de a valorifica apa in mișcare pentru a produce energie cele mai utilizate sunt sistemele de-a lungul râurilor, care nu necesita rezervoare mari de stocare si se numesc microhidrocentrale.

O turbină hidraulică este o mașină de forță care transformă energia hidraulică a apei în energie mecanică prin intermediul unui rotor prevăzut cu palete.

Există două tipuri generale de turbine: cu impuls si cu reacție. Turbinele pe baza de impuls prezintă un design mai puțin complex, fiind cele mai frecvent utilizate pentru sistemele de microhidrocentrale. Ele se bazează pe viteza apei ce pune ȋn mișcare roata turbinei, numită alergătorul. Cele mai frecvente tipuri de turbine pe bază de impuls includ și roata de tip Pelton și roata de tip Turgo.

Căderea apei este un parametru determinat de diferența de nivel dintre oglinda apei din lacul de acumulare (în spatele barajului) și oglinda apei de jos după ce apa a trecut prin turbină. După acest criteriu sunt hidrocentrale:

cu o cădere mică de apă – < 15 [m], debit mare (turbine Kaplan)

cu o cădere mijlocie – 15–50 [m], cu debit mijlociu (turbine Francis sau Kaplan)

cu o cădere mare 50–2.000 [m], cu un debit mic de apă, turbinele utilizate fiind turbinele Pelton sau Francis

O turbină este formată din:

Stator, în care energia primară (energia potențială în cazul fluidelor incompresibile, respectiv energia internă în cazul fluidelor compresibile) este transformată în energie cinetică. Dacă energia primară este sub formă de energie cinetică (energia vântului sau a mișcării apei), statorul poate lipsi.

Rotor, format dintr-unul sau mai multe discuri echipate cu palete, discuri fixate pe un arbore, cu care se rotesc solidar. Paletele preiau din energia cinetică a fluidului (la turbinele cu acțiune), respectiv și din energia primară a fluidului (la turbinele cu reacțiune), transferând această energie discului și arborelui.

Există o serie de turbine hidroenergetice cel mai frecvent utilizate iar acestea se încadrează în două categorii majore, turbine cu impulsuri și turbine de reacție.

6.1. Modele de hidro-turbine

Tipuri de turbine hidraulice:

Turbina Pelton

Turbina Francis

Turbină Kaplan

Turbina Bulb

Turbina Michell-Banki

Turbina Vortex

Turbina Pelton

Turbina pelton se utilizează de preferință în domeniul căderilor mari H = (2000÷3000) [m], Ns = (3÷36) [rot/min] și debite mici. O turbină Pelton funcționează la căderi de apă de minim 10 [m], dar poate fi utilizată la căderi ce pot ajunge până la 1800 [m], la un debit al apei între 0,01 [m³/s] și 100 [m³/s]. Rata de debit relativ scăzută nu este o problemă, deoarece locul unde poate fi montată o astfel de turbină poate fi un teren deluros sau chiar montan. Acestea sunt de obicei ridicate într-un bazin hidrografic, astfel încât zona de captare și rata de curgere a debitului este mică.

Vom enumera câteva dintre centralele hidroelectrice realizate pe plan mondial și dotate cu turbine Pelton: Roseland – Franța – 6 grupuri (P = 83 [Kw], H =1200 [m]); Silz – Austria- 2 grupuri (P = 264.8 [Kw], H = 1238 [m]); Vllarodin – Franța -2 grupuri (P = 200 [Mw], H = 870 [m]). Printre centralele hidroelectrice din țara noastră dotate cu turbine Pelton amintim: Dobrești, Sadu, Moroeni, Văliug și Lotru.

Fig. 6.1. Turbina Pelton cu ax vertical în secțiune izometrică

Turbina Pelton este o turbină hidraulică cu rotație axială, având rotorul cu pale fixe, utilizată la hidrocentralele de cădere mare a apei.

Turbina Pelton face parte din categoria turbinelor cu acțiune (impuls). Geometria palelor rotorului este astfel concepută încât apa părăsește turbina cu viteză mult redusă față de viteza inițială a jetului, energia potențială fiind transformată aproape în totalitate în energie cinetică, ceea ce conduce la un bun randament al acestui tip de turbină.

Fig. 6.2. Turbină Pelton cu ax orizontal cu un singur injector

Turbinele Pelton au in componența lor trei organe principale: rotorul, injectorul, carcasa.

Rotorul este format dintr-un disc pe care sunt dispuse paletele, având o configurație care face ca jetul fluid care le izbește să își modifice direcția cu 180°, realizându-se astfel, o forță hidrodinamică maximă, adică un moment maxim la arborele acestuia. Injectorul are misiunea de a crea un jet compact, de debit și de direcție.

Turbina Pelton este realizată cu unul sau doua injectoare, de asemenea sunt situații particulare in care se solicita cu 4 sau 6 injectoare. Turbinele cu unul sau doua injectoare se realizează in mod obișnuit cu ax orizontal. Daca se utilizează mai mult de doua injectoare, agregatul se construiește cu ax vertical, in acest fel fiind facilitata evacuarea apei din turbina.

Injectorul este organul de reglare al curgerii jetului de apa; acesta constă dintr-o supapă cu ace a cărei curse determină gradul de deschidere a acesteia, pentru a asigura închiderea, diametrul maxim al acului trebuie să fie mai mare decât cel al ieșirii jetului a cărui diametru este măsurat în secțiunea contractată, situată în aval de ieșirea injectorului și unde se poate considera că presiunea externă este egală cu cea atmosferică. Jetul este constituit dintr-un miez central convergent de apă și o secțiune inelară în creștere care conține o emulsie de apă și de aer. Pentru a asigura o bună reglementare, injectorul trebuie proiectat astfel încât să existe o proporționalitate între puterea turbinei și cursa x a acului.

Într-o turbina Pelton lovitura jetului de apa nu este axial, nici orizontal ci tangențial fata de “gălețile” cunoscute si sub denumirea de lame de impuls sau cupe care sunt montate in jurul marginii exterioare a unei roți de acționare. Lamele sunt considerate cel mai important element al turbinei fiind potențialul energetic al acesteia.

Fig. 6.3. Rotorul unei turbine Pelton în vedere izometrică

Lamele primesc jetul de apă exact la marginea sa mijlocie unde se împarte in două, circulând prin cavitatea sa. Apa este canalizata către o conducta sub presiune, cu o duza îngustă la un capăt. Jetul de apă din duza lovește lamele dublu scobite atașate la roată. Impactul dintre jet si lamele creează o forța ce rotește roata cu un grad înalt de eficientă: -70% -90%.

Odată ce apa trece de lamele, este împinsă pe rotorul turbine, loc unde se transferă aproximativ 97% din energia sa cinetică in energie de rotație a rotorului. Pentru a realiza acest transfer de energie, gălețile sunt proiectate cu precizie pentru a reduce la minimum toate pierderile. Făcând posibile aceste performante este nevoie ca ”splitter-ul” să împartă in două jumătați egale jetul de apă pentru fiecare parte a lamei; proiectarea cu grija a formei lamei, pentru a fi posibilă ȋntoarcerea jetului de apă cu aproape 180˚. Cu ajutorul acestora transferului energiei cinetice se realizează cu o cantitate minimă de stropire și lăsând suficienta energie pentru jetul de apă a ieși complet de pe rotor. Suprafața găleților este, în mod normal, foarte lustruită pentru a minimiza tragerea și rotorul în sine este echilibrat fin. Micile "decupări" din vârful găleții trebuie să asigure că următoarea găleată nu va tăia înainte jetul de apă de pe cupa precedentă pe măsură ce se rotește rotorul. Odată ce jetul de apă părăsește rotorul, acesta cade la partea inferioară a carcasei turbinelor și se întoarce la râu printr-o conductă de evacuare.

Pentru a obține un debit mai mare, prin urmare, mai multă putere printr-un singur rotor, turbina Pelton poate să aibă injectoare multiple, așa cum se arată în figură. Șase jeturi sunt în mod normal considerate a fi maxim, desigur în acest caz carcasa turbinei devine critică la momentul evacuării apei din rotor, aceasta neputând să se împrăștie în jurul rotorului provocând o tragere excesivă.

Fig. 6.4. Turbină Pelton cu ax vertical în vedere de sus;

Turbina Francis

Turbina Francis este o turbină hidraulică inventată în anul 1848 de inginerul American James B. Francis. În 1849, James B. Francis a îmbunătățit turbina de reacție a fluxului de intrare la o eficiență de peste 90%. De asemenea, a efectuat teste sofisticate și a elaborat metode de inginerie pentru proiectarea turbinelor cu apă. Turbina Francis, numită după el, este prima turbină modernă de apă. Ea este încă cea mai folosită turbină de apă din lume de astăzi. Turbina Francis poate fi denumită și turbină cu flux radial, deoarece apa curge de la circumferința exterioară spre centrul traseului.

Este o turbină cu reacțiune, care prelucrează căderi de apă mijlocii între H= 50 [m] și 610 [m] cât si debitelor mijlocii: [-m3/s] pana la zeci [m3/s]. Domeniul turațiilor specifice acoperite de turbina Francis este ns=60-350 [rpm]. Puterile pe unitate au tendința să crească pană către 1000 [Mw]. Randamentele maxime pot trece peste 94% însă într-un domeniu restrâns de puteri. Greutățile specifice sunt in domeniul 35-70 [N/Kw].

Turbina Francis este o mașină hidraulică cu reacțiune, adică transferul energetic se produce atât pe baza energiei cinetice cât și potențiale (de presiune) a apei transformată ulterior de generator în energie electrică. În comparație cu turbina Pelton, avantajele acesteia constau în turații mai mari, gabarit restrâns și costuri pe unitate mai scăzute.

În România, turbine de tip Francis se găsesc la uzina hidroelectrică de pe Argeș, uzina de la Bicaz, cea de la Mărișelu etc.

Fig. 6.5. Turbină Francis cu ax vertical în secțiune izometrică;

Principalele componente ale turbinei Francis sunt:

Rotorul turbinei are rolul de a transforma energia hidraulică disponibilă în energie cinetică, conducând apa care vine din camera spirala prin intermediul aparatului director in aspiratorul turbinei. Rotorul turbinei poate avea diametrul cuprins între 2-4 [m] si se compune din: coroana superioară, coroana inferioară, palele rotorului și ogiva cu clapeta de aerisire de sub rotor.

Fig. 6.6. Rotorul unei turbine Francis în vedere izometrică;

Arborele turbinei are rolul de a transmite energia mecanică de la rotorul turbinei la arborele generatorului, care cu ajutorul garniturii de etanșare axială împiedică apa să pătrundă pe lângă arbore. Acesta este ghidată cu ajutorul lagărului de ghidare.

Statorul este compus dintr-un număr de coloane statorice, înglobate de obicei în camera spirală și profilate, care au rolul de a susține construcția și de a conduce apa către aparatul director și rotor.

Aparatul director, compus din 12 – 36 palete directoare, cu axa așezată pe un cilindru, a căror poziție spațială este simultan reglabilă cu ajutorul unui mecanism, are rolul principal de a regla debitul în scopul de echilibrare a cuplului motor al turbinei cu cel rezistent al generatorului electric și de a crea o circulație mare la intrare în rotor.

Tubul de aspirație este elementul constructiv al turbinei care asigură evacuarea debitului trecut prin rotor către canalul de fugă. În interiorul său se recuperează energia cinetică remanentă de la ieșirea din rotor și înălțimea de aspirație dacă aceasta este pozitivă (când rotorul se află deasupra nivelului apei din aval).

Fig. 6.7. Construcția unei turbine Francis cu ax orizontal;

Debitul de apă funcțional este adus de conductă forțată la camera spirală, care asigură repartiția uniformă a apei pe periferia statorului, aparatului director și mai apoi rotorului. Reglat de aparatul director pătrunde în rotor sub un anumit unghi. Prin intermediul paletelor, energia hidraulică care depinde de cădere și debit este transformată în energie cinetica (de mișcare), astfel ca la ieșirea din rotor atât viteza cât și presiunea apei devin foarte mici, creând un vid parțial. Pentru anihilarea vidului parțial de sub rotor în ogiva se afla o clapetă automată de aerisire, care la scăderea presiunii sub o anumită limita se deschide permițând accesul aerului în spațiul respectiv evitând cavitația. Presiunea determinată de apă este redusă de către labirinți care au ca scop principal micșorare debitului scăpat între rotorul aflat în mișcare și părțile fixe ale capacului turbinei.

Performanța și eficiența turbinelor depind de proiectarea lamelor rulante. Într-o turbină Francis, lamele de rulare sunt împărțite în 2 părți. Jumătatea inferioară este făcută în forma unei găleți mici, astfel încât să utilizeze acțiunea impulsului apei pentru a roti turbina. Partea superioară a paletelor utilizează forța de reacție a apei care curge prin ea. Astfel, lamele de rulare utilizează atât energia de presiune, cât și energia cinetică a apei și rotesc turbina în cel mai eficient mod.

Principalele caracteristici de funcționare și cerințe ale turbinei Francis sunt:

• folosite la căderi de apă de la 10 [m] la 300 [m];

• paletele aparatului director și ale rotorului turbinei sunt din otel inox cu rezistentă mare;

• actionarea hidraulică sau electromecanică cu posibilitatea închiderii 100%;

• rezistența la coroziune fiind protejată cu vopsea specială în mediu umed;

• cu by-pass special în cazul sistemelor de conducte închise;

• randament ridicat pentru debit constant între 50–100% din debitul nominal;

• rotorul este amplasat direct pe axulul generatorului (este posibilă și varianta cu reductor și cuplă și cu rulment pe axul turbinei)

• carcasa in formă de spirală în construcție sudată din segmenți, are rolul de a conduce apa sub presiune la rotor și de a o distribui in mod uniform în aparatul director;

• posibilitate de a putea avea o execuție cu ax vertical sau orizontal.

Turbina Kaplan

Turbina Kaplan este o turbină hidraulică cu rotație axială, cu un rotor cu pale reglabile, utilizată la hidrocentrale de cădere mică a apei. A fost inventată în anul 1913 de profesorul Dr. Inginer Viktor Kaplan, aceasta fiind consecința perfecționării turbine Francis (inventată de inginerul American James B. Francis în 1849). Inginerul Kaplan, dorea să epuizeze formarea de bule de aer în curentul de apă din turbina, acestea ducând la o scădere de presiune continuă și pierdere de energie predominată cu un randament scăzut.

Toate aceste deficiențe sunt înlăturate în momentul când a fost proiectată turbina Kaplan care folosește palete reglabile; pentru o funcționare optimă care necesită un curent de apă cu debit constant.

Turbina funcționează prin efectul de suprapresiune rezultând un randament ridicat. Aceasta se utilizează la căderi relativ mici, H= 12–60 [m] și debite mari până la sute de [m^3 /s]. Turațiile specifice de funcționare se află în domeniul ns=350 – 900 [rpm]. Turbina Kaplan este o mașină hidraulică cu reacțiune cu paletele rotorului reglabile. Randamentele maxime sunt în mod curent de 93- 94%, într-un domeniu larg de puteri.

Fig. 6.8. Grup hidroenergetic cu turbină Kaplan-secțiune izometrică;

Părțile componente de bază a unei turbine Kaplan sunt prezentate ca fiind:

Spirala este organul ȋn care fluidul intra prima oara find prelevat din amonte. Rolul său este acela de a conduce apa spre paletele predistribuitorului, deoarece prin funcționarea sa trebuie să mențină debitul la predistribuitor constant.

Predistribuitorul acest organ este interconectat cu distribuitorul. Numărul său de pale este de obicei egal cu jumătate din numărul de pale al distribuitorului. Ȋn general pentru o pală a predistribuitorului există două pale ale distribuitorului.

Distribuitorul are scopul de a forma un curent de fluid, amonte de rotor. Este o importantă componenta verticală care transformă energia de presiune in energie cinetică. Palele sunt proiectate cu un profil aerodinamic care crează o minimă rezistentă pasivă.

Modul de funcționare mecanic al tubinei se concentrează asupra motorului hidrostatic liniar care este alimentat secvențial cu ulei sub presiune pe fetele sale, acesta deplasează tija de reglare (în sus sau în jos), fiind conectat rigid cu steaua de reglare, care la rândul ei „trage” de o bielă legată de un excentric solidar cu fusul paletei. În acest mod paleta rotorului se rotește (limitat) în jurul unei axe proprii. Poziția unghiulară a paletelor rotorului este corelată, în funcție de căderea momentană a turbinei de un mecanism al regulatorului automat de turație “cama combinatorului “actualmente un soft în conducerea computerizată a funcționării turbinei.

Apa din canalul de aducțiune este dirijată de distribuitorul circular, ce înconjoară statorul turbinei, printre paletele directoare de reglaj ale statorului, către zona rotorului. Distribuitorul circular își micșorează continuu secțiunea de la intrare către partea finală a acestuia pentru a asigura menținerea constantă a vitezei apei la intrarea în spațiul dintre palete. Apa dirijată de paletele reglabile ale distribuitorului pătrunde perpendicular pe axul turbinei iar apoi direcția sa se schimbă cu 90 de grade datorită canalului director, părăsind turbina în lungul axului acesteia. Mișcarea în distribuitorul circular și apoi forma paletelor statorului dau jetului de apă un efect turbionar (de rotire) în jurul centrului de fluid, efect accentuat de forma de elice cu pas variabil a paletelor reglabile ale rotorului.

Fig. 6.9. Componentele turbinei Kaplan;

Principii de conducere a debitului turbinei

Kaplan au două posibilități de reglare a debitului ce poate fi turbionat și anume:

– prin comanda poziției paletelor statorului ce modifică secțiunea de trecere a apei din inelul de distribuție în camera rotorului.

– prin comanda unghiului de înclinare a paletelor rotorului ce asigură pe de o parte, o variație a secțiunii de trecere deci o anumită viteză de curgere a apei dar și funcție de unghiul de înclinare față de direcția de curgere a apei, un anumit grad de transformare a energiei cinetice a apei în energie mecanică prin efectul de reacție ce apare la trecerea apei prin rotorul de tip elice al turbinei. În acest mod debitul prin turbină Q depinde de:

– unghiul de deschidere al paletelor statorului (Guide vane position)-YPS – unghiul de înclinare al paletelor rotorului (Runner blade angle)-YPR

– căderea netă H ce se ia în calcul în transformările energetice, ce se poate exprima ca o funcție de cădere statică (reală) HS și debitul turbionat: H=H(Q,HS)

– turația turbinei ce permite determinarea coeficientului de viteză dimensional Ku=f(n,H) (rapiditatea turbinei)

– caracteristica de curgere a debitului de apă ce se determină experimental și poate fi aproximată pentru o anumită amenajare hidroenergetică printr-o expresie polinomială de un anumit ordin.

Acestea pot fi utilizate la căderi de înălțime mică a apei (în jur de 50 [m]), cu fluxuri medii și mari a debitului apei (aproximativ 15 [m^3/s]). Lamele sau lamelele largi ale turbinei sunt acționate de apă de înalță presiune eliberată de o poartă. Lamele rotorului din turbinele Kaplan sunt întotdeauna reglabile și au forma unei elice, în timp ce paletele distribuitorilor pot fi fixate sau reglabile. Dacă ambele sunt reglabile, se spune că turbina este o adevărată turbină Kaplan; dacă numai lamele rotorului sunt reglabile, se spune că turbina este o turbină Semi-Kaplan. Turbinele Kaplan sunt injectate radial, în timp ce turbinele semi-Kaplan pot fi absorbite radial sau axial.

Fig. 6.10. Rotorul unei turbine Kaplan în vedere izometrică;

Turbinele Kaplan instalate pe verticală sunt utilizate în centralele fluviale pentru scăderea înălțimilor de până la 65 [m]. Difuzorul Turbinei Kaplan este format din „jaluzele venețiene” și are sarcina de a dirija masele de apă care intră în flux, astfel încât să se întâlnească paralel cu arborele turbinei de pe lamele rotorului. Lamele sunt controlate de servomotoare. Reglabile sunt ambele lame ale distribuitorului și lamele rotorului. Acestea sunt adaptate fluctuațiilor sursei de alimentare cu apă și gradientului.

În funcție de modul de aplicabilitate, sunt construite turbine Kaplan cu trei sau șase lame de rotor. Turbinele mari Kaplan sunt în cea mai mare parte instalate pe verticală, astfel încât apa să curgă de sus în jos. Turbinele Kaplan rulează extrem de rapid și au o eficiență de până la 95%.

Turbinele de tip Kaplan cu puteri nominale între 175 și 220MW au posibilitatea unui reglaj dublu al debitului de apă turbionat (deci reglaj de putere și turație) și anume prin comanda paletelor aparatului director al statorului prin care se asigură reglajul brut al debitului și prin comanda unghiului de înclinare al paletelor rotorului, prin care se asigură maximizarea randamentului de conversie a energiei hidraulice în energie mecanică.

În plus, centralele hidroelectrice de mare putere au în componența lor 4 până la 12 grupuri hidroenergetice ce vor utiliza împreună apa stocată în lacul de acumulare și în acest caz, pentru optimizarea funcționării lor, se impune un sistem ierarhizat și distribuit de conducere așa cum este implementat și la centrala hidroelectrică Porțile de Fier I de către firma Sulzer Hydro.

Turbina Bulb

Atunci când profesorul austriac Viktor Kaplan (1876-1934) și-a depus patentele esențiale pentru turbina omonimă în 1912 și 1913, a deschis calea unei noi tehnologii capabile să utilizeze capete hidrostatice cu un debit scăzut pentru producerea de energie într-un mod economic fezabil. în special, turbina cu bulb fiind o variantă a turbinei de tip elice (similară turbinei Kaplan orizontală), prezintă o flexibilitate extraordinară în aplicarea sa. De la debit mic la mare, de la râu până la mare și de la viteză fixă ​​la variabilă, totul este posibil într-un interval de cap de 0,5[m] până la 30 [m]. Sunt specifice amenajărilor de sens cu căderi mici si debite mari.

Avantajele turbinelor bulb fată de turbinele Kaplan apar la căderi cuprinse intre 2 [m] si 16 [m] și turații specifice ȋntre 800 și 1000 [rot/min]. De asemenea, randamentul turbinei Kaplan este mai redus ca urmare a schimbării direcției curentului ȋn camera spirala, ȋn zona dintre aparatul director și palele rotorului, precum și ȋn zona cotului tubului de aspirației.

Turbina bulb este o turbină axială cu dublu reglaj (pale rotorice reglabile și pale directoare reglabile). Această tubina are aparat director conic. Arborele turbinei este orizontal, iar hidrogeneratorul electric este incaptusat într-un bulb, fapt ce a determinat denumirea turbinei. Turbina bulb este destinata în mod special debitelor foarte mari și căderi mici sau foarte mici, fiind frecvent amplasată în centrale hidroelectrice amplasate pe firul apei sau în centrale electrice maree-motrice, caz în care are funcționalitatea reversibilă. Una din deosebirile acestei turbine fată de turbina Kaplan îl putem considera și costul cu aproximativ 20% mai scăzut fată de costurile de construcție a turbinei Kaplan.

În funcție de variantele constructive se pot clasifica după poziția reltiva dintre rotorul turbinei și hidrogeneratorului electric după cum urmează:

Turbina bulb amonte: cu hidrogeneratorul amplasat amonte fată de rotor, în pila, în put sau în capsulă

Turbina bulb aval: cu hidrogeneratorul amplasat aval fată de rotor, în pila, sau în capsula

Turbina bulb cu hidrogeneratorulul aplasat în afara zonei de curgere, unu din exemple fiind, rotorul hidrogeneratorului cuplat cu periferia paletelor rotorice ale turbinei.

Fig. 6.11. Grup hidroenergetic cu turbină Bulb-secțiune izometrică;

Domeniul de utilizare a turbinelor Bulb

Turbinele Bulb acoperă o plajă largă de debite QЄ{1.2..695) [m3/s], iar înălțimea pentru căderi mici H Є{1…22} [m]. Puterea obținută variază în intervalul {0.13…68} [MW], iar randamentele optime au valori între 90%, la turbinele de mici dimensiuni și 94% la turbinele mari. Plaja de variații la rapaditatii dinamire de rotație la paletelor este: nSKW={632.5..960} [rot/min, iar turația specifică este: N={3.92..5.97}.

Principalele componente ale turbinei Bulb și ale traseului hidraulic:

Camer de aducțiune: aceasta are o construcție betonată;

Statorul: este un element de rezistentă al turbinei, preluând eforturile și transmițându-le structurilor de rezistentă;

Aparatul director conic: ale cărui palete sunt reglate cu ajutorul mecanismelor de acționare amplasate în exteriorul bulbului;

Rotorul: are la randul său paletele reglabile;

Aspiratorul: care dirijeaza apa către bazinul de refulare din aval.

Turbina Bulb prezintă două dezavantaje principale de functionare:

• Întreținerea generatorului este împiedicată de spațiul limitat și de accesul disponibil în interiorul „becului”.

• Inerția scăzută a pieselor rotative (generatorul de diametru mic și canalul de trecere realizat de viteza specifică mai mare) înseamnă că, pe unele rețele de generare, pot apărea probleme de sincronizare sau fluctuații de viteză și frecvență.

Cele mai importante centrale hidroenergetice dotate cu turbina Bulb,sunt prezentate după cum urmează:

CHE Rock Island ll este amplasată pe fluviul Columbia din SUA, echipată cu 8 turbine cu un diametru al rotorului de 7.4 [m]. Luând în considerare ca puterea unei singure turbine montată la această hidrocentrală are 54 [MW], puterea instalată în centrală este de 432 [MW], căderea netă a apei este de 12.1 [m].

CHE Porțile de Fier ll, amplasată pe Dunăre, realizată în parteneriat cu Șerbia, aflată la circa 80 [km] în aval de CHE Porțile de Fier l. Amenajarea hidroenergetică cuprinde două centrale de bază, echipate fiecare cu 8 turbine bulb cu un diametru al rotorului de 7.5 [m], puse în funcțiune în 1986, respectiv două centrale suplimentare cu câte 2 turbine identice cu cele din centralele de bază. Puterea fiecărei turbine este de 27 [MW] , deci considerând totalul de 10 turbine bulb, puterea instalată în partea românească a amenajării este de 270 [MW] iar debitul intalat este de 3400 [m3/s]. Căderea brută este de 10.25 [m], randamentul maxim este de 94%.

CHE Ipotesti pe Oltul inferior, echipată cu 4 turbine bulb reversibile. Puterea unei turbine este de 13.25 [MW], deci puterea instalată în centrală este de 53 [MW], debitul instalat este de 500 [m3/s], căderea brută este de 13.5 [m].

Turbina axiala Straflo

Turbina Straflo este o variantă de turbină derivată din turbina de tip Bulb, având hidrogeneratorului în afară zonei de curgere. Una din cele mai evidente deosebiri între turbine Bulb și cea Straflo constă în lipsa arborelui de legetura dinttre rotor și hidrogenerator, deoarece periferia rotorului turbinei Straflo este direct cuplată cu rotorului hidrogeneratorului electric, acesta fiind plasat în jurul rotorului turbinei.

Turbina Michell-Banki (Crossflow)

Turbina Michell-Banki este folosită în primul rând pentru utilități hidroelectrice cu debite mici.

Principalele sale avantaje sunt designul simplu și ușurința de construcție, iar principala sa atracție constă în costul său scăzut de achiziție și potențialul de a fi utilizat în operațiuni la scară mică. Cu toate acestea, acest lucru nu împiedică utilizarea acestui tip de turbină în instalațiile de mari dimensiuni. Deși turbina este cea mai cunoscută în aplicațiile la scară mică, acest tip de mașină există și în scheme de până la 6 [MW].

Fig. 6.12. Grup hidroenergetic cu turbină Michell-Banki (Crossflow)-secțiune izometrică;

Principalele componente ale turbinei Michell-Banki sunt:

Clapete de reglaj

În turbina Crossflow divizată apa este direcționată de către două clapete de reglaj profilate echilibrate prin forță. Acestea repartizează jetul/fluxul de apă, îl echilibrează și îl lasă să intre în continuare în spațiul rotorului turbinei – indiferent de lățimea camerelor. Ambele clapete rotative de reglaj sunt amplasate/fixate exact în carcasa turbinei și în cazul căderilor mai mici pot servi și ca armătură de închidere a turbinei.

Rotorul turbinei

Cea mai importantă piesă a turbinei este rotorul turbinei. Acest rotor este echipat cu palete care sunt confecționate conform procedeului verificat dintr-un oțel netezit, tras la cald, profilat. Conform raporturilor hidraulice reale este folosită pentru confecționarea lor fie din oțel de construcție fie oțel inoxidabil. Ambele capete ale paletelor sunt introduse în discuri laterale ale rotorului turbinei și sudate în mod special cu discuri interioare ale rotorului turbinei

Tub de aspirație

Turbina Crossflow este o turbină cu fluxul liber de apă la fel ca la turbina Pelton. Însă în zona căderilor medii și reduse se poate folosi tubul de aspirație. Astfel se exploatează întreaga cădere. Coloana de apă din tubul de aspirație trebuie să fie manipulabilă.

Acest lucru asigură supapa reglabilă de aerisire care influențează subpresiunea din carcasa turbinei. Astfel pot fi utilizate optim turbinele cu înălțimea de aspirație de la 1 [m] până la 3 [m] fără să existe pericol de cavitație.

Caracteristicile principale ale acestei mașini sunt:

Este adaptabil la o gamă largă de viteze de centrifugare

Diametrul turbinei nu depinde în mod necesar de volumul debitului

Se poate atinge un nivel acceptabil de productivitate cu turbine mici

Este posibil să reglați volumul și puterea debitului printr-un zbor reglabil

Turbinele Crossflow se disting printr-o durată lungă de viață care aproape nu necesită întreținere. În timpul funcționării nu necesită de loc înlocuirea costisitoare sau complexă a pieselor de schimb și majoritatea reparațiilor se pot executa direct la locul respectiv.

Avantajul caracteristic al turbinelor Crossflow este posibilitatea de a fi utilizate în sisteme de apă potabilă, chiar și pe conducte de aducțiune foarte lungi, deoarece in timpul funcționarii nu cauzează șocuri hidraulice nedorite și nu influențează calitatea apei potabile.

Turbinele Crossflow sunt radiale, cu ușoară suprapresiune cu stropire tangențială a paletelor rotorului turbinei și cu axul orizontal. Se încadrează în turbine cu rotație lentă. Fluxul de apă trece prin tronsonul de conducta de intrare prin clapetele de reglaj și pe urmă ajunge la rotorul turbinei. După trecerea prin rotorul turbinei apa iese pe partea opusă a acestuia acționănd din nou asupra paletelor și prin urmare mărește randamentul general al turbinei. Din carcasa turbinei apa curge fie liber, fie cu ajutorul unui tub de aspirație în bazinul de liniștire de sub turbină.

Fluxul de apă care acționează asupra rotorului turbinei practic asigură funcția de autocurățare a turbinei. Orice impuritate care trece prin palete când apă intră în spațiul rotorului turbinei este expulzată de forța centrifugală. După rotirea rotorului turbinei impuritățile sunt extrase de forța centrifugală și de fluxul apei afară din spațiul rotorului turbinei și evacuate în bazinul de liniștire. În cazul în care debitul de apă este variabil atunci turbina Crossflow este proiectată cu două camere.

Randamentul total al turbinelor Crossflow în cazul căderilor de lucru mici (sub 35 m) se încadrează în intervalul de la 80 până la 84% în tot intervalul de debit. Randamentul maxim al turbinelor medii și mari în cazul căderii mai mari (peste 35 m) atinge 87%.

Avantajele turbinei Crossflow în domeniul de încărcare parțială sunt:

Debitele în majoritatea râurilor sunt mici foarte des timp de câteva luni pe an față de debitul de calcul al turbinei. Producția energiei electrice în astfel de perioadă de an atunci depinde pur și simplu de capacitatea turbinei să exploateze efectiv aceste debite reduse.

Producție anuală sporită datorită eficienței înalte a utilajului de la 12% până la 100% din debit de calcul

Pornirea turbinei numai la 6% din debit

Construcție individuală pentru fiecare instalație în parte

Rotorul turbinei fără pericol de colmatare

Posibilitate de funcționare în caz de cădere variabilă

Instalarea simplă și exigența minimă pe partea de construcție

Exploatarea aproape fără întreținere

Rezistența mare față de prezența obiectelor străine în apă

Turbina Vortex

Instalația de turbionare cu turbină de apă gravitațională este un tip de sistem turbină cu microhidro vortex, capabil să transforme energie dint-un fluid în mișcare în energie rotativă, folosind un capacitate hidraulica scăzuta de 0,7-3 [m]. Tehnologia de producere a energiei se bazează pe contructia unui bazin rotund cu un canal central. Deasupra canalului de scurgere, apa formează un vârtej liniar stabil care conduce o turbină cu apă.

Aceasta turbin a fost prezentata prima dată de către avocatul și inventatorul greco-australian Paul Kouris în 1996, care căuta o cale de a valorifica puterea inerentă a unui vortex. Mai târziu, inventatorul austriac Franz Zotlöterer a creat o turbină similară încercând să găsească o cale mult mai fiabilă de aerare a apei fără o sursă externă de alimentare.

Turbina de tip Vortex gravitațională cu apă este o turbină cu cap ultra-joasă, care poate funcționa la o înălțime mică a capului cuprinsă între 0,7 [m] și 2 [m], adesea considerată prea mică pentru turbinele hidraulice convenționale și are un randament similar turbinelor hidroelectrice convenționale. Viteza gravitațională este văzută ca o piatră de hotar în dezvoltarea hidrodinamică, deoarece în trecut era necesară utilizarea energiei pentru aerisirea apei, însă această tehnică folosește un proces de aerare a apei pentru a produce energie electrică.

Fig. 6.13. Evidențierea turbinei Vortex-vedere izometrică

Modul de funcționare și producere a energiei electrice este:

Apa trece printr-o intrare dreaptă și apoi trece tangențial într-un bazin rotund care este prevăzut cu un canal central. Prin intermediul canalului, apa formează un vârtej mare peste golirea centrala a bazinului. O turbină retrage energia rotativă din vortex, care este transformată în energie electrică de către un generator.

Fig. 6.14. Mod de funcționare a Turbinei Vortex-secțiune izometrică

Deși caracteristicile vortexului sunt bine înțelese, mecanismul din spatele formării unui vortex gravitațional nu este. Viteza aerului de bază complet dezvoltată este adesea atribuită efectului Coriolis, dar acest lucru este considerat a fi prea slab la scara vârfurilor de apă pentru a avea vreun efect. În cazul turbinei Vortex, rotația inițială este cauzată de forma bazinului și este amplificată de forța gravitațională.

Un vârtej este definit ca o regiune de curgere care se rotește în jurul unei axe, care poate fi fie dreaptă, fie curbată. Formarea turbionarii are loc atunci când tranziția de la debitul canalului deschis (suprafața liberă) la debitul de presiune nu este netedă și uniformă. Atunci când fluxul nu menține tranzițiile graduale care încearcă să mențină o distribuție uniformă a vitezei și accelerație, atunci pot apărea vortexuri. Principalele cauze ale formării vortexului sunt fluxul neuniform al apropierii de admisie, straturile mari de gradienți de viteză mare și rotația cauzate de obstrucții în fluxul de apropiere. Acest vârtej se intensifică treptat, determinând viteza de rotație a apei, care, la rândul său, determină scăderea presiunii din centrul vortexului. Această presiune scade treptat până când, în cele din urmă, este mai mică decât presiunea atmosferică și suge aerul în admisie, formând astfel un miez de aer. Raza miezului de aer se micșorează treptat în timp ce se deplasează de la suprafața liberă la orificiul de evacuare.

Eficiența conversiei teoretice a energiei turbinei este de până la 85%; o instalație de testare a raportat o eficiență de 73%, iar după un an de utilizare, costul de instalare a fost de puțin sub un dolar american per watt de capacitate de ieșire.

Principalele componente de funcționare a turbinei Vortex sunt:

Bazinele și canalele de alimentare sunt construite, în general, la fața locului din beton sau alte materiale de construcție, dar este posibil să se construiască mici sisteme transportabile cu bazine de oțel, deoarece presiunea se află în centrul vortexului și nu pe exterior. Se întâlnesc două tipuri de bazine, respectiv de proiectare cilindrică și conică.

Deoarece viteza apei variază în funcție de adâncimea vortexului în bazinul conic, fiecare set de lame se va roti cu o viteză diferită și va necesita unelte pentru a maximiza vitezele individuale ale arborelui până la viteza arborelui principal de antrenare. Fiecare dintre rotoare se rotește la o viteză diferită și este cuplat la arborele de antrenare cu unelte pentru a extrage energia maximă

O atenție deosebită se acordă proiectării lamelelor la o turbină Vortex deoarece acestea determină capacitatea de producere a energiei. Au fost investigate variații ale lățimii, înălțimii, formei, curburii și numărului de lame, însă designul simplu rămâne cel mai des utilizat și cel mai ușor de realizat. Poziționarea lamelor în vortex a fost, de asemenea, luată în considerare. Eficacitatea sa dovedit a scădea cu o creștere a numărului de lame, deoarece acestea provoacă o distorsiune mai mare a vortexului. De asemenea, eficienta scade odată cu creșterea razei lamei, deoarece vitezele de apa la raze departe de miez sunt mai mici.

Plasarea generatoarelor

Majoritatea modelelor plasează generatorul deasupra vârtejului și extinde arborele la generator. Acest lucru evită necesitatea impermeabilizării generatorului. Există câteva modele în care generatorul este atașat direct la lamele și arborele nu se extinde deasupra vârfului ansamblului de lame.

Beneficiile adiționale cu impact atât în producerea energei cât și asupra mediului înconjurător sunt:

Turbina este tolerantă la apa murdară și poluată, deoarece acțiunea vortexului transportă mici particule solide prin turbină.

Designul provine dintr-un scop de aerare a apei, cu o perturbare minimă a biosferei. Aerarea are loc în timp ce vârtejul aspiră aer în curentul de apă.

Turbina este susținută a fi prietenoasă cu pești și ar trebui să permită trecerea peștilor în direcții atât în sus, câț și în aval, aerarea apei din turbină contribuie la îmbunătățirea condițiilor de protecție a apei. Turbina, care funcționează la viteză redusă, nu taie curentul natural de apă și astfel nu dăunează vieții acvatice și marine.

6.2. Mentenanța turbinelor

Coroziunea este un proces chimic sau electrochimic de degradare a suprafețelor corpurilor metalice prin acțiunea oxigenului din aerul umed sau prin acțiunea diverselor substanțe chimice.

Când procesul de degradare a suprafeței metalice este cauzat de curgerea unui fluid, de exemplu apă, vorbim despre eroziune. În această situație degradarea suprafețelor metalice de curgere se face și sub impactul suspensiilor solide din apă (nisip) iar fenomenul de degradare poate fi considerat prin abraziune. Astfel, în cazul mașinilor hidraulice, distrugerea suprafeței se face sub acțiunea chimică și mecanică a fluidului de curgere.

Distrugerea materialelor din componența mașinilor hidraulice (pompe și turbine hidraulice) și instalațiilor hidraulice se face și sub efectul fenomenului de cavitație. Efectul fenomenului de cavitație asupra diferitelor elemente constructive din componența mașinilor și instalațiilor hidraulice se manifestă ca o distrugere prin eroziune dar mecanismele fenomenului de eroziune cavitațională sunt mult mai complexe.

Fenomenul de cavitație apare atunci când în lichidul în mișcare presiunea scade până la valoarea presiunii de vaporizare a lichidului la temperatura dată, atunci când se produce vaporizarea lichidului însoțită de degajarea gazelor dizolvate.

Fig. 6.15. Eroziune cavitațională

O altă cauză a distrugerii mașinilor hidroenergetice este, Microeroziunea apare la viteze de curgere foarte mari și particule de nisip cu dimensiuni maxime de 60 μm. Efectul este o eroziune abrazivă puternică în care suprafața metalică are aspectul cojii de portocală.

Eroziunea dată de curgerea secundară cu vortex, (cunoscută și ca ”horseshoe vortex”) apare ca urmare a schimbării direcției de curgere la întâlnirea unui obstacol cilindric când efectul stratului limită se combină cu schimbarea accelerării curgerii. În acest caz obstacolul este dat de bordul de atac al palelor aparatului director (la turbinele cu reacțiune) sau în spatele nervurilor ce susțin acul injectorului turbinei Pelton (turbină cu acțiune).

Eroziunea accelerată este caracteristică curgerilor cu accelerații normale pe liniile de curent ceea ce va separa curgerea bifazică apă-suspensii solide în apă și suspensii solide care vor intra în coliziune cu pereții metalici. Se produce o deformare plastică a suprafețelor deoarece mărimea particulelor de nisip este de minim 0,5 mm.

Fig. 6.16. Eroziune accelerată a cupelor rotorului de turbină Pelton

Toate suprafețele metalice care intră în contact cu jetul de apă aflat sub presiune și în curgere bifazică apă-nisip (sau mâl) sunt supuse distrugerilor date de eroziunea abrazivă, indiferent de tipul mașinii hidraulice. În cazul turbinelor hidraulice cu acțiune, de tipul turbinelor Pelton elementele constructive expuse fenomenului de eroziune sunt: elementele colectoare ale sistemului de admisie a apei la intrarea în turbină, sistemul de injector cu diuză și ac injector, elemetele supapelor dereglare și deflectorul, rotorul cu cupe.

Pentru turbinele cu reacțiune de tip Francis, Kaplan, Deriaz-Kviatkovski sau Bulb sunt expuse fenomenului de eroziune abrazivă elementele sistemului de distribuție a apei format din stator, aparat director, inel superior aparat director; la acestea se adaugă rotorul, inel labirint etanșare, sistem etanșare arbore, con aspirator.

6.3. Materiale specifice construcției mașinilor hidraulice

Materialele specifice mașinilor hidraulice au proprietăți fizice, mecanice, chimice, electrice și termice care răspund necesității de rezistență la eroziune abrazivă și cavitațională. În construcția mașinilor hidraulice sunt folosite materiale metalice și nemetalice, iar în cadrul turbopompelor sunt folosiți și unii elastomeri sau materiale sintetice care îmbracă/acoperă diferite suprafețe metalice. Rezistența la rupere, limita de elasticitate, limita de curgere, energia de deformare, limita la oboseală, duritatea, modulul de elasticitate, reziliența maximă, fragilitatea, conductivitatea termică, punctul de topire, aderența oxizilor la suprafață, structura cristalină, mărimea granulelor compușilor din transformările de fază sunt doar câteva din caracteristicile materialelor rezistente la eroziune.

În construcția turbinelor hidraulice se folosesc oțeluri inoxidabile. Acestea sunt aliaje complexe cu un conținut minim de 10,5 % Cr, cu sau fără alte elemente de aliere. Oțelurile inoxidabile formează oțeluri austenitice, feritice, martensitice sau duplex (feritoaustenitice). Câteva exemple din gama acestor oțeluri se enumeră următoarele: AISI 304L, AISI 316L, 16Cr5Ni, 17Cr1Ni.

Concepția și proiectarea unei hidro-turbine hidraulice liniare

7.1. Cerințe

Scopul proiectului este de a obține prin implimentarea pe o sursă de apă, de suprafață respectiv de un râu, un generator de curent continuu cu o putere instalată de 3 [kw].

Energia obtinută este prevazută să poată asigura energia necesară a unei case cu anexe și toate utilitățile necesare. Curentul obținut urmează să fie folosit prin intermediul unui invertor pentru a transforma curent continuu în curent alternativ având o frecvența de 50 [hertz].

Se consideră ca obiectiv de bază puterea generată de turbină, iar parametrii tehnici pentru obținerea acesteia vor rezulta din analiza de funcționare respectiv randamentul realizat de turbină.

Cerințele principale impuse de la început sunt:

simplitatea construcției,

siguranța în funcționare,

dimensiuni de gabarit reduse / compactă,

greutate scăzută

transmisia mișcarii de antrenare a generatorului cât mai fiabilă,

reglarea debitului de apă cu un sistem de stabilizare,

implementarea unui sistem de protecție privind scoaterea din funcțiune a turbinei din motive de mentenață sau din alte cauze,

zgomot redus în funcțioanare,

funcțioanare la temperaturi reduse,

posibilitatea de a regla viteza de rotație,

mentenanță ușor de realizat,

instalare ușoare / “plug and play”.

Condiția de funcționare impusă acestui sistem de turbină este aceea ca debitul apei pe care va instala aceasta sa fie minim 10 [l/s]. În faza de concepție a turbinei nu se poate prevedea construcția unui baraj de acumulare, astfel încât deiltul necesar funcționării turbnei la parametrii prescrisi să fie atinși. Materialele folosite în construcția turbinei trebuie să fie rezistente la coroziunea provocată de apă și mediu. Sistemul electric trebuie să fie să asigure protecție de IP 68.

Tabel 7.1. Date tehnice

7.2. Schema cinematică

Fig. 7.1. Schema cinematică a turbinei hidraulice liniare

Tabel 7.2. Reprezentarea notațiilor de pe schema cinematică

Schema cinematică prezentată mai sus evidențiează simplitatea acționarii turbinei prin intermediul forței apei, mai exact putem descrie în continuare principiul de funcționare a acesteia: putem afirma că viteza apei este corelată în relație cu debitul și aria secțiuni de trece la intrarea în turbină ceea ce va rezulta viteza de rotație a acesteia iar principala caracteristică de punere în miscare de rotațiea turbinei fiind greutatea apei prinse între palele acesteia.

7.3. Proiectarea propriu-zisă

Conform titlului lucrării de licență “micro-turbină hidraulică liniară pentru alimentarea unei locuințe”, acest capitol se concentrează pe modelarea 3D cu ajutorul soft-ului Solidworks 2018 a temei propuse. Ansamblul temei este compus din: fundație, poartă de reglare a debitului, poartă de evacuare și micro-turbina hidraulică. În fundație se vor instala poarta de reglare și poarta de evacuare cu ajutorul șurubelor speciale de beton BT8 X 100 cu part number: PO27040, zincat iar pe planul înclinat al fundației se va instala micro-turbina hidraulică prin intermediul șurubelor de beton BT16 X 100 cu part number: PO27080, zincat.

Fig. 7.2. Micro-turbină hidraulică liniară, vedere izometrică

Fig. 7.3. Micro-turbina hidraulica liniara, vedere izometrică

Fig. 7.4. Fundație Micro-turbină hidraulică liniară

Fundația turbinei va depinde în principal de zona de amplasare a acesteia, ea trebuie astfel concepută pentru montarea porților de reglare a debitului respectiv a porți de evacuare cât și a turbinei în sine. Fundația trebuie sa asigure o rigiditate sporită micro-turbinei dar să fie și impermeabilă împotriva infiltrațiilor apei. Suprafețele în contact cu apa se vor acoperi cu polyuree pentru protejarea fundației la eroziune. Poliurea este un polimer bicomponent (izocianat și un amestec de rașini) care formează o membrana 100% solidă, continuă și impermeabilă, fără efect nociv asupra mediului. Acest material este folosit pentru protecția substraturilor impotriva abraziunii și coroziunii. Pentru o rezistența sporita a fundației, este folosit tipul de beton B250 (C16/20; BC20) cu rezistența la compresiune min. 20 [N/mm²] iar cantitățile necesare pentru prepararea unui metru cub de beton B250 sunt: ciment:355 [kg/mc], balast:1.932 [kg], apă:190 [litri/mc].

Fig. 7.5. Poartă de reglare a debitului și de evacuare

Poarta de reglare a debitului va permite modificarea secțiuni dreptunghiulare de trecere a volumului de apă influențând totodată și viteza de curgere a apei în interiorul turbine. Pentru a satisface debitul necesar antrenării turbine este nevoie ca secțiunea de trecere a apei să aibă aria egala cu 100000[mm^2] asta înseamna ca secțiunea dreptunghiulara va avea urmatoare le cote L= 400 [mm], d=e=250 [mm] însa în practica mecanismul prin care va trece debitul va putea fii reglat în functie de cerințe și nevoi prin modificarea ariei de trecere cu ajutorul motoarelor liniare pneumatice. Poarta de evacuare are rolul de a evacua surplusul volumului de apa iar împreună cu poarta de reglaj a debitului ajută la menținerea unui debit și a unei viteze constantă a apei la intrarea în turbină.

Fig. 7.6. Poarta de reglare a debitului și poarta de evacuare

Fig. 7.7. Role ghidare poartă reglare debit și evacuare

Fig. 7.8. Motor liniar pneumatic

Poarta de reglare și de evacuare a apei au în structura lor urmatoarele componente: cadru (vezi figura 7.10), panou închidere (vezi figura 7.9), motor liniar pneumatic (vezi figura 7.8), role de ghidare (vezi figura 7.7).

Panoul de inchidere respectiv platelajul este cel care va suporta forța apei, el trebuie să aibă o structură de mare rezistență în orice zona din suprafața acestuia, fiind realizat într-o construcție sudată din AISI 316L din profile de tip țeavă rectangulară acoperit cu manta de tabla.

Fig. 7.9. Panou de închidere – platelaj

Toate componentele metalice ale acestor porți vor fi confecționate din materiale anti-corozive având calitatea AISI 316L (inox) sau in cazul rolelor de ghidare din polietilena.

Cadrul portilor este construit din profile de tip unistrut AISI 316L în construcție sudată care vor fii prinse pe fundatie iar pe acestea se vor monta pistoanele pneumatice iar cu ajutorul rolelor de ghidare se va realiza deplasarea pe verticala a portilor de inchidere.

Fig. 7.10. Cadru porților de reglare a debitului și de închidere

În figura de mai jos este evidețită direcția de deplasare a apei prin ansamblul micro hidro turbinei, unde putem indentifica poarta de reglare a debitului și poarta de evacuare / închidere impreuna cu turbina liniară.

Fig. 7.11. Micro-turbină hidraulică liniară – vedere de sus

O centrala pe firul apei poate acoperi toate nevoile de electricitate ale unei comunitati izolate sau ale unei industrii daca debitul minim al raului este suficient pentru a intampina cerintele varfului necesar de energie electrica.

O microhidrocentrală poate fi descrisă sub forma a două mari categorii: lucrări civile (construcția propriu-zisă) și echipamente mecanice și electrice.

Fig. 8.12. Carcasele de protecție a Micro-Turbinei Hidraulice

Carcasele care acoperă turbina au rolul principal de a proteja în special transmisia prin curele și rolele de pe banda paletelor impotriva diferitor factorilor externi (praf, obiecte contondente, animale sau păsări). Materialul din care sunt construite carcasele se numește plexiglass, avand în cazul de fata o grosime de 2 mm iar acest tip de material este suficient de rezistent la spargere – coeficientul de rezistenta la impact fiind de 30 ori mai mare decat sticla. In plus, se poate termoformata si este suficient de flexibil. Mai mult se poate atașa pe partea interioră a acestuia, un strat din material insonorizant autoadeziv care mai poate avea rolul și de a izola vibrațiile produse în funcționare. Fixarea acestora pe structură se va realiza cu șurube autoforante VM, din otel zincat, 4.2×19 mm.

Fig. 8.13. Prinderea Micro-Turbinei Hidraulice pe fundație

Fig. 8.14. Cadru constructie sudata din inox a micro turbinei hidraulice

Fig. 8.15. Cuva de ghidare a apei;

Fig. 8.16. Palete-sectiune izometrica

Fig. 8.17. Palete-vedere izometrică și detaliu

Fig. 8.18. Detaliu prindere arbore

Fig. 8.19. Palete și prindererea între palete- secțiune izometrica explodată

Fig. 8.20. Arbore

Fig. 8.21.

Fig. 8.22.

Fig. 8.23.

Fig. 8.24.

Calcule

8.1. Calculul momentului necesar acționări motorului generator

Frecvența cu care alunecă obiectele depinde de pantă suprafeței plane, cu cât este mai mare panta cu atȃt mai repede crește posibilitatea de alunecare. În fizică suprafața cu pantă se numește plan înclinat. Obiectele accelerează pe planul înclinat pentru că există o forță neechilibrată. Pentru a înțelege această mișcare este important să analizăm forțele care acționează asupra unui obiect pe planul înclinat. Schema de mai jos descrie forțele care acționează pe planul înclinat, se presupune fără frecare. Cum se arată în figura de mai jos există cel puțin două forțe, forță normală și forță gravitațională. Forța gravitațională mai cunoscută ca greutatea acționează în jos și forță care acționează în sus perpendicular pe suprafață forță normală (perpendicular).

Prima particularitate a problemelor de plan înclinat este ca normală (denumirea prescurtată a forței) nu este îndreptată în direcția în care ne-am fi așteptat și cum a fost prezentată până acum în direcție verticală, opusă direct gravitației. S-a întâmplat că suprafețele pe care se aflau obiectele să se confunde cu planurile orizontale (Adevărul despre forțele normale, conformă definiției, este că totdeauna sunt perpendiculare pe suprafețele pe care acționează fără să conteze poziția suprafeței.

Fig. 8.1. Secțiune în paleta cu reprezentarea forțelor

Calculul forței efective aspra obiectului pe plan înclinat este mai complicat decât în cazul când așezat pe orizontală adunarea vectorilor este mai simplă, fiind situați pe aceeași direcție. Pentru a rămâne în această simplitate a adunării vectoriale se descompun vectorii forță după direcțiile dorite. În mod obișnuit orice forță în unghi cu orizontala se descompune în componentele sale verticale și orizontale. Această obișnuință nu mai este valabilă pentru planul înclinat, dimpotrivă forțe verticale se descompun după direcțiile perpendiculare și paralele la suprafața planului înclinat. În general se urmărește descompunerea în componente după direcțiile dorite, și e un caz particular dacă acestea sunt necesare pentru verticală și orizontală sau sunt perpendiculare ca în cazul planului înclinat. Referința este suprafață pe care acționează si de aceea forță gravitațională a obiectului pe plan înclinat Fg se descompune într-o componentă perpendiculară pe suprafața planului înclinat și una paralelă cu această.

Componenta perpendiculară a forței gravitaționale este opusă forței normale care o echilibrează. Componenta paralelă a forței nu este echilibrată și provoacă accelerație.

Deaorece există frecare doar între metal și apă acest coeficient fiind foarte mic vom considera că nu există frecare. Volumul apei acumulată de o pala este egală conform ariei rezultate din figura de mai sus:

Masa apei pe o singură pală în funcție de volum și densitate rezultă:

Pentru întreg sistemul de turbină ce include atât partea mecanică (85%), transmisia (95%) și generatotului (93%), eficiența sau randamentul acesteia este dat de următoarea formulă:

Din cerințele proiectului stabilite știm că viteza de rotație a roților ce se găsesc în mecanism este de 30 rot/min. Astfel va trebui să calculăm viteza liniară a palelor în funcționare pentru a stabili viteza și debitul apei ce va trebui să acționeze palele respectiv întreaga turbină. Diametrul roților mecanismului este egal cu Ø450.

Fig. 8.2. Detaliu schema cinematică în zona de intrare a apei în turbină

În timpul mișcării raza vectoare a mobilului „mătură” aria cercului, iar vectorul viteză este permanent perpendicular pe raza vectoare.

Fig. 8.3. Variația vitezei în raport cu distanța razei

(preluat după (A. Ripianu, P. Popescu, B. Bălan, 1979))

Mișcarea circulară uniformă este o mișcare periodică deoarece se repetă identic după parcurgerea întregului cerc, la intervale egale de timp.

unde :

este viteza liniară sau tangențială care este dată de variația coordonatei curbilinii a mobilului în timp [m/s].

viteză unghiulară reprezintă unghiul la centru descris de raza vectoare în unitatea de timp [rad/s];

R raza cerucului [m];

Un radian este unghiul la centru care subîntinde un arc de cerc egal cu raza cercului.

Cum unghiul total de 360° subîntinde toată lungimea cercului care cuprinde 2 , rezultă că unghiul de 360° are 2 radiani.

Expresia vectorului accelerație a punctului M se obține derivând în raport cu timpul expresia: a vitezei.

Expresia vectorului accelerație a punctului M se obține derivând în raport cu timpul expresia : a vitezei. Ținând seama că :

;

Se obține: x ;

Sau x

Fig. 8.4. Reprezentarea vectorului accelerației

Notând cu versorii reperului intrinsec de referință MTN, corespunzător mișcării punctului M pe traiectoria circulară (┌) de raza R, expresia vectorului accelerație poate fi scrisă sub formă:

Căci x =

Modulul accelerației are expresia:

a = accelerația centripetă (sau accelerația normală) se datorează variației direcției  vectorului viteză .

Accelerația se măsoară în m/s2.

unde : n – turația;

Din relația rezultă că valorile accelerațiilor punctelor aparținând rigidului (C) și situate pe un segment de dreaptă (D2), perpendicular pe axă (∆) și care intersectează această axă ,cresc proporțional cu distanța R de la aceste puncte la axa fixă de rotație (∆).

Fig. 8.5. Variația accelerației în raport cu distanța razei

Din relațiile de mai sus putem calcula in continuoare viteza liniara a palelor pe traiectoria din schita cinematica considerand ca rotia rotorului/roti este de 30 [rpm] si raza discului este de 0.225 [m].

In continuare vom calcula forta de pe prima pala si debitul apei necesare antrenarii turbinei stiind ca o pala poate retine un volum echivalent a unei mase de m= respectiv V= 7.04 [l].

Debit (Q) este definit ca fiind volumul de fluid (V) ce trece printr-o secțiune de arie (A) în unitatea de timp : Q=V/t. Fluidul poate fi un gaz sau un lichid. Unitatea de măsură (conform SI) pentru debit este m3/s (metru cub pe secundă). O altă unitate de măsură utilizată în mod curent pentru exprimarea debitului este l/min.

Fig. 8.6. Evidențierea debitului printr-o secțiune circulară

In cazul nostru sectiunea prin care va trece apa va fi dreptunghiulara iar prin faptul ca cunoastem viteza cu care trebuie sa circule apa si debitul 422.4[l/min].

Fig. 8.7. Evidențiere debit printr-o secțiune dreptunghiulară

Pentru a satisface debitul necesar antrenarii turbine este nevoie ca se sectiunea de trecere a apei sa aiba aria egala cu 100000 [mm^2] asta inseamna ca sectiunea dreptunghiulara va avea urmatoare le cote L= 400 [mm], d=e=250 [mm] insa in practica mecanismul prin care va trece debitul va putea fii reglat in functie de cerinte si nevoi prin modificarea ariei de trecere.

Forta totala pe intreg sistemul de turbina:

Unde:

n- numarul de pale in contact cu apa;

Ft- forta data de masa apei retinute intre pale;

Fp- forta data de prima pala;

Astfel momentul total de fuctionare pe turbina va fii egal:

In continuare vom alege un motor generator GDF-160 de la firma GREEF cu moment mic de pornire si in functionare dar avand si o turatie joasa avand urmatoare caracteristici tehnice prezentate mai jos:

Motor generator cu magneti permanenti cu curent alternativ;

Puterea de iesire: 3 [kw];

Puterea maxima: 4 [kw];

Viteza de rotatie: 200 [rpm];

Voltajul de lucru: 12-690 [V];

Lagare NSK/SKF;

n – 15 perechi de poli;

Durata de viata: 20 de ani;

Protectie: IP 54;

Aplicatii: turbina eoliana sau hidro;

Materialul generatorului: cupru + Nd-Fe-B;

Garantie: 3 ani;

Moment de start: 2.2 [N*m];

Moment de lucru: 15 [N*m];

Greutate: 100 [kg];

Impermeabilitate ridicata;

Eficienta ridicata si rezistenta mecanica mica;

Carcasa din material rezistent la coroziune si oxidare;

Fig. 8.8. Motor generator cu magneti permanenti GDF-160

Turatia efectiva la axul roti turbinei va fi initial de 30 rpm iar turatia motorului generator va fi 200 rpm asta va insemna ca vom avea nevoie de o raport de transmisie multiplicator care va fi compusa dintr-o transmisie prin curele trapezoidala și un multiplicator cu roți dințate.

Raportul total de multiplicare va fi dat de relatia urmatoare:

Fig. 8.9. Evidentirea pe schema cinematica a transmisiei,cutie de multiplicare si a motorului generator

Raportul de multiplicare a transmisiei prin curele trapezoidale va fi ufulie=2.3:1 iar a reductorului va fi uraport-cutie=3:1.

Verificare:

Fig. 8.10. Multiplicator BG38 de la firma TEchnische Germany cu raport 3:1

Specificatii tehnice generale:

greutate: 37 [kg];

turatie maxima: 400 [rpm];

putere maxima: 3.12 [kw];

raport de multiplicare: 3:1;

temperatura de functionare intre -20⁰ si 60֩;

Fig. 8.11. Dimensiuni constructive multiplicator BG38

Tabel 8.1. Dimensiunile constructive a multiplicatorului în funcție de mărime

8.2. Calculul transmisiei prin curele trapezoidale

Analiza cu element finit a componentelor

Analiza cu elemente finite (FEA) este o metodă de analiză computerizată care evidentiaza modul în care un produs fabricat va reacționa in lumea fizică. FEA examineaza comportarea produsului în contact cu forte, caldura, vibratii, curgere de fluid și alte condiții fizice. FEA analizeaza probabilitatea ca produsul sa se rupa, sa se uzeze sau modul in care acesta se va comporta in conditii reale. Pentru a obtine rezulatele dorite, obiectul este modelat, supus la efort si analizat in diferite conditii similare cu cele reale.

Metoda elementelor finite, permite analizarea fenomenelor fizice care pot fi descrise cu ajutorul modelelor matematice constituite din sisteme de ecuații diferențiale cu condiții inițiale și la limite. Fenomenele de deformare a corpurilor solide, determinarea câmpurilor termice și electromagnetice, analizarea câmpurilor de viteză și presiune intr-un fluid, constituie numai o parte din potențialul aplicativ al metodei de modelare numerică eu elemente finite. Cele mai importante concept ale Metodei cu Elemente Finite sunt urmatoarele: structura, modelul de calcul, discretizarea, nodul, element finit. De asemenea, elementele finite pot fi clasificate dupa diverse criterii si anume: tipul de analiza, rolul functional, forma geometrica, numarul nodurilor, numărul gradelor de libertate ale fiecărui nod, gradul polinomului de interpolare, caracteristicile materialului.

Conceptul fundamental cu care operează această metodă este cel de aproximare prin discretizare. Corpurile, considerate ca medii continue, se descompun intr-un număr finit de clemente geometrice (părți ale corpului), cu aceleași proprietăți fizice și funcționale ca aie corpului inițial. Folosind aceste elemente finite, modelul analitic diferențial se transformă intr-un model numeric, care poate fi introdus și rezolvat pe calculator.

Metoda de analiza cu element finit (FEM) este o metoda numerică utilizata pentru rezolvarea problemelor de inginerie si fizica matematica. Metoda subdivide o problema complexa în părți mai simple, mai mici, care sunt numite elemente finite. Ecuatiile simple care modelează aceste elemente finite sunt apoi asamblate într-un sistem mai mare de ecuații care modelează întreaga problemă. (FEM) utilizează metode variaționale din calculul variațiilor pentru a aproxima o soluție prin minimizarea unei funcții de eroare asociată. Metoda elementelor finite, în mod obisnuit, defineste necunoscutele (deplasări sau eforturi) în punctele modelului si calculează valorile lor în aceste puncte.

FEM este cel mai bine înțeleasă atunci cand este aplicata in practică, procedeu cunoscut sub numele de analiza cu elemente finite (FEA). FEA se aplica în inginerie, fiind un instrument de calcul pentru efectuarea de analize ingineresti. Aceasta analiza include utilizarea de tehnici de generare a discretizarii pentru divizarea unei probleme complexe în elemente mici, precum și utilizarea de software codat cu algoritm FEM. De obicei în FEA prin structură (de rezistenta) se intelege un ansamblu de bare, plăci, învelisuri si volume (solide). Metoda elementelor finite (MEF) poate fi aplicata in orice domeniu de activitate, fiind utilizata pentru a face prognoze referitoare la comportamentul structurilor care sunt supuse la aproape toate fenomenele fizice si anume:

Tensiunea mecanica (analiza la efort),

Vibratii mecanice,

Analiza structurala (determinarea starii de tensiune sau de deformatie dintr-o structura solicitata),

Analiza termica (determinarea campului de temperatura sau a fluxului de caldura dintr-o structura solicitata termic – conducție, convecție și radiație),

Analiza fluidelor (determinarea functiei de curent sau a potentialului de viteza),

Analiza electrica / magnetica (determinarea fluxului electric sau magnetic),

Mecanica solidelor,

Acustica.

Etapele principale în utilizarea programelor profesionale (Solidworks Simulation 2018) de analiză cu elemente finite a unei probleme sunt reprezentate în schema de mai jos.

Fig. 9.1. Etapele principale în analiza cu element finit

Preprocesare:

Generarea geometriei modelului,

Stabilirea proprietăților de material și a caracteristicilor geometrice,

Discretizarea modelului cu tipul de elemente finite adecvate problemei,

Aplicarea condițiilor la limită pentru modelul cu elemente finite,

Definirea încărcărilor pe model.

Procesare:

Verificarea datelor de intrare,

Lansarea în execuție a modelului complet.

Postprocesare:

Reprezentarea rezultatelor (deplasări, tensiuni, deformații, etc.) sub formă de grafice, liste, contururi (isocurbe),

Analiza și interpretarea rezultatelor.

Pentru a realiza analiza cu element finit a unui produs sunt necesare informații despre material, geometrie, solicitări, modul de abordare (parte/ ansamblu), tipurile de elemente utilizate, condițiile la limită și tipul de contacte dintre piese. Software-ul folosit pentru realizarea modelului numeric și a analizei cu element finit este Solidworks 2018.

9.1. Axul de antrenare a turbinei

Fig.9.2. Aplicarea constrângerilor și momentelor axului de antrenare

Pentru realizarea analizei cu element finit asistată de calculator prin intermediul softului Solidworks Simulation 2018 a axului prezentat în figura de mai sus este necesar aplicarea calității materialului AISI 316L, a constrângerilor de tip „fixture” de tip rulment rigid pe zonele aferente care se pot identifica prin sagețile albastre dar și a două reazeme cu un grad de libertate fiecare pentru a suprima deplasare pe axa orizontală și în cele din urmă se va aplica o fixare a tuturor gradelor de libertate în zona de conectare a fuliei (partea dreapta a figurii de mai sus).

După care urmează aplicarea foțelor externe asupra axului în zonele de legatură a axului cu roțile de antrenare (sagețile roz), mai exact a momentelor de torsiune rezultate din mișcarea benzii turbinei transferată prin roțile de antrenare având dimensiunea momentului total egala cu M = 120 [Nm] adică 60 [Nm] pe fiecare pană. În urma aplicări tuturor constrângerilor, axul în cele din urma va avea un singur grad de libertate și anume rotația în jurul axei sale. (vezi anexa 1)

Fig. 9.3. Rezultatul simulării privind evoluția tensiunilor echivalente (von Mises)

În figura de mai sus se prezintă evoluția tensiunilor von Mises [MPa], a limitei de curgere [MPa] din analiza cu element finit a axului de antrenare, urmând în continuare indentificarea tensiunilor echivalente maxime în zona de trecere câtre fulia de antrenare. Numeric, valoarea maximă a tensiunii echivalente Von Mises indentificare prin izolarea culorilor este de 9.111e+007 [Mpa] fiind mai mică decât limita de curgere a materialului 1.724e+008, ceea ce confirmă rezistența la solicitări.

Fig. 9.4. Rezultatul simulării privind evoluția deplasărilor de material

Prin analiza cu elemente finite ale axului de antrenare a fost verificată rezistența acestuia la solicitările ce apar în timpul funcționării iar deformația maximă se regăsește și se evidențiază în figura de mai sus prin culoarea roșie având valoarea deformației de 1.073e-001 [mm] respectiv 0.107 [mm].

9.2. Roata de antrenare a turbinei

Fig.9.5. Aplicarea constrângerilor și a momentului asupra roți de antrenare

Pentru realizarea analizei cu element finit asistată de calculator prin intermediul softului Solidworks Simulation 2018 a roți de antrenare prezentată în figura de mai sus este necesar aplicarea calității materialului 5052-H32, a constrângerilor de tip „fixture” prin suprimarea tuturor gradelor de libertate pe zonele de contact a benzi de antrenare care se pot identifica prin sagețile verzi de pe exterior roții dar și a două reazeme cu un grad de libertate fiecare pentru a suprima deplasare pe axa orizontală în zona butucului.

După care urmează aplicarea foțelor externe asupra roții în zonele de conexiune cu axul de antrenare (sagețile roz), mai exact în zona de ansamblare a penei, a momentelor de torsiune rezultate din mișcarea benzii turbinei transferată prin roata de antrenare având dimensiunea momentului total egala cu M = 60 [Nm] . Se va doar aplica 60 [Nm] doarece în zona de antrenare vor exista două roți de antrenare astfel momentul total de 120 [Nm] se va înjumătății. (vezi anexa 2)

Fig. 9.6. Rezultatul simulării privind evoluția tensiunilor echivalente (von Mises)

În figura de mai sus se prezintă evoluția tensiunilor von Mises [MPa], a limitei de curgere [MPa] din analiza cu element finit a roții de antrenare, urmând în continuare indentificarea tensiunilor echivalente maxime în zona de butucului de antrenare. Numeric, valoarea maximă a tensiunii echivalente Von Mises indentificare prin izolarea culorilor este de 2.331e+005 [Mpa] fiind mai mică decât limita de curgere a materialului 1.950e+008, ceea ce confirmă rezistența la solicitări.

Fig. 9.7. Rezultatul simulării privind evoluția deplasărilor de material

Prin analiza cu elemente finite ale roții de antrenare a fost verificată rezistența acesteia la solicitările ce apar în timpul funcționării iar deformația maximă se regăsește și se evidențiază în figura de mai sus prin culoarea roșie având valoarea deformației de 1.506e-005 [mm].

Concluzii. Contributii. Perspective

Concluzii

Obiectivul general al lucrării de licență, este extrem de generos în contextul actual când societatea îmbracă forma dominantă de societate de consum în care oferta este mult mai mică decât cererea de energie electrică.

Se mai pot spune foarte multe la tema data, poate în cadrul altei teme de licenta va avea o desfasurare mai ampla, însa aceasta lucrare a avut tendinta de a arata si demonstra posibilitatea construcției unei micro-turbine de capacitate mică și absolut necesară pentru alimentarea unei locuințe. Un lucru este cert, în urma realizări acestei lucrari, putem afirma cu certitudine că producerea electricității si modul de utilizare a acestuia, nu mai are deja un rol secundar în viața de zi cu zi a multor oameni, dar cel mai imoportant, acesta nevoie permanetă de electricitate a devenit de neînlocuit.

Obiectivul principal al proiectului de lienta în cazul acesta a fost concepția și proiectarea unei micro hidro-turbine liniare pentru alimentarea unei locuinte, care să constituie un important impact si obiectiv asupra societatii in ceea ce priveste producerea electricitatii ecologice.

Elementele de concepție constructive ale micro hidro-turbinei sunt prezentate în capitolul 7, au o consistență motivațională profundă și soluții tehnice corecte. Un important aspect al proiectului este calculul elementelor de antrenare și de transmitere a mișcării de rotație în condiții de siguranță accentuată având în vedere eventualele riscuri care pot plana asupra unor astfel de instalații. Așadar soluțiile și calculele sunt corecte și complexe. Realizarea unei astfel de lucrări presupune o documentare profundă ceea ce s-a și întâmplat atât în ceea ce privește turbina cât și în ceea ce privește soluțiile constructive.

Astfel, prin acesta lucrare am reusit sa demonstrez pe cat este de importanta problema data, ce impact are ea asupra societatii contemporane, iar cel mai important lucru, cum poate un om de rand utiliza toate acestea în interesele proprii si nu numai.

Contribuții

Contribuția absolventului la realizarea mictro hidro-turbinei este integrală și constă în:

studiul aprofundat asupra domeniului general de aplicație ;

realizarea proiectului 3D in softul SolidWorks 2018 (proiectarea propriu-zisă, masele, inerții etc), MechSoft 2004 (proiectarea transmisiei prin curele);

utilizarea unor soluții constructive adecvate și inovative pentru acționarea și transmiterea mișcării de rotație;

așa cum se prezintă proiectul, hidro-turbina poate fi tehnologizată și fabricată făra nici o problemă;

hidro-turbina prezentată are caracterul unei mașini și constituie un bun exemplu în domeniul specialității MUSP.

Perspective

Tema proiectului este denumită “Micro Turbină Hidraulică Liniară pentru alimentarea unei locuite” și este focusată în principal pe partea domeniului mecanic industrial. Principala perspectivă este posibilitatea de a fi realizat un astfel de proiect, cu certitudinea că poate suporta înbunătățiri din punct de vedere a automatizării. De asemenea micro-tubina hidraulică liniară poate fii echipata cu un sistem PLC compatibil cu orice SIM card GSM. La sistemul PLC poate fi realizate conexiuni de la distribuitoarele motoarelor liniare ale porților, de la senzori de turație, senzori de la sistemul electric de gestionare a generatorului. Astfel putem fi anuntați în caz de avarie printr-un sms pe numerele de mobil înregistrate pe cartela SIM în caz de apariție a unor avarii, mai mult decât atât utilizatorul poate trimite comenzii prin sms sub forma unor coduri numerice pentru realizarea unor comenzi: de tipul pornire/oprire a turbine respectiv: deschidere sau inchidere a portilor turbinei.

Altă perspectivă în ceea ce privește proiectul ar fi acela de a realiza conexiunea acestuia la internet, prin legarea la PLC a mufei Ethernet și prin intermediul unui aplicații software dedicate care să fie compatibilă sistemele de operare mobile de tip Android, iOS și Windows pentru a putea realiza următoarele funcții de : măsurare a parametrilor, comandă, reglare, comunicare. Pentru evitarea distrugerii turbinei, sistemul PLC împreună cu aplicația software dedicate poate scoate din funcțiune turbina pe o anumită durată de timp la primirea mesajelor RO-ALERT în caz de inundații sau ploi abundente.

În ceea ce privește partea de design și de concepție, proiectul poate fii gândit pentru o constructie tip modulară la care să se poate intercala mai multe benzi de acționare respectiv turbine.

Fig. 10.1. Construcție tip modulară a benzilor sau a turbinei

Schema de principiu a automatizării

Bibliografie

Referințe bibliografice:

A. Ripianu, P. Popescu, B.Bălan, Mecanică Tehnică, Editura Didactică și Pedagogică București, 1979;

Virgil Olariu, Petre Sima, Valeriu Achiriloaie, Mecanica Tehnică, Editura tehnică, 1982;

Ovidiu Belcin, Corina Bîrleanu, Marius Pustan, Organe De Mașini, RISOPRINT, 2011;

B. Behr, W. Beitz, A.Burr etc., Manualul Inginerului Mecanic, Editura Tehnică București, 1998;

Nicușor Iosif Ursa, Mentenanță (Îndrumător pentru lucrări de laborator), 2011;

Radu Voinea, Dumitru Voiculescu, Valentin Ceașu,Mecanică ediția II,Editura Didactică și Pedagocică București 1983;

Viorica Constantin, Vasile Palade, Organe de mașini și Mecanisme Volumul II, Editura Fundației Universitare “Dunărea de Jos” Galați, 2005;

Referințe electronice:

http://www.geocities.ws/stanalicu/Class/vectors/U3L3e.html, data la care a fost accesat:

http://www.rasfoiesc.com/inginerie/electronica/PRODUCEREA-ENERGIEI-ELECTRICE-89.php, data la care a fost accesat:

https://www.alibaba.com/trade/search?IndexArea=product_en&CatId=&fsb=y&SearchText=permanent+magnet+generator+3kw, data la care a fost accesat:

(http://retele.elth.ucv.ro/Mircea%20Ion/Politici%20energetice/010%20-%20Curs%20009%20-%20PE%20-%20Energia%20hidroelectrica.pdf), data la care a fost accesat:

https://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83, data la care a fost accesat:

https://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_Pelton, data la care a fost accesat:

(http://www.termo.utcluj.ro/mf/luc11.pdf), data la care a fost accesat:

https://www.scribd.com/doc/145071401/Turbina-Francis, data la care a fost accesat:

https://biblioteca.regielive.ro/referate/energetica/principiul-de-functionare-al-turbinelor-kaplan-30183.html, data la care a fost accesat:

file:///C:/Users/UTCN/Downloads/145071557-Turbina-Kaplan.pdf, data la care a fost accesat:

„Profesorul Dorin Pavel” -A XVl -a Conferinta internationala multidisciplinara, data la care a fost accesat:

http://www.mec.upt.ro/rezi/Indrumator%20Laborator%20Metoda%20Elementelor%20Finite.pdf, data la care a fost accesat:

http://www.imst.pub.ro/Upload/Sesiune/ComunicariStiintifice/Lucrari_2015/06.02/S02_L19.pdf, data la care a fost accesat:

http://www.inma-cadcae.ro/index.php/fea, data la care a fost accesat:

Anexe

Anexa 1- Simulare arbore antrenare fulie-multiplicator-motor generator

Anexa 2 – Simulare roată bandă-raport

Anexa 3 – Piulițe de blocare

Anexa 4 – Unitate de rulment

Lucrarea de licență reprezintă contribuția mea originală și nu a fost plagiată.

Lucrarea a fost elaborată de mine sub îndrumarea Sl.dr.ing. Nicușor Ursa, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca și am primit concursul persoanelor nominalizate mai jos drept consultanți.

Consultant:

Drd.dipl.ing. Claudiu Rusan, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca