Download - IZBOR TURBINSKEGA AGREGATA HE MARKOVCI
Fakulteta za strojništvo
IZBOR TURBINSKEGA AGREGATA HE
MARKOVCI
Diplomsko delo
Študent: Mario KNEŽEVIĆ
Študijski program: Visokošolski strokovni; Strojništvo
Smer: Energetika in procesno strojništvo
Mentor: Red. prof. dr. Brane ŠIROK
Somentor: Doc. dr. Ignacijo BILUŠ
Maribor, April 2012
Vložen original sklepa o
potrjeni temi diplomskega dela
II
I Z J A V A
Podpisani Mario Knežević izjavljam, da:
je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom Braneta
Široka in somentorstvom Ignacija Biluša ;
predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;
soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet
Univerze v Mariboru.
Maribor, 05.04.2012 Podpis:___________________________
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju Branetu Široku in
somentorju Ignaciju Bilušu za pomoč in vodenje pri
opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi
sodelavcem podjetja Iskra Impuls d.o.o. za potrpljenje
in pomoč.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili
študij.
IV
IZBOR TURBINSKEGA AGREGATA HE MARKOVCI
Ključne besede: hidroelektrarna
hidrologija
cevna turbina
gonilnik
vodilne lopatice
UDK:
POVZETEK
V diplomski nalogi je analizirana izbira tipa turbinskega agregata za hidroelektrarno
Markovci. Izhodišče za izbor turbine so bile hidrološke in geološke razmere vodotoka reke
Drave na jezu v Markovcih. Z uporabo statistične analize energetskih in geometrijskih
parametrov obstoječih vgrajenih vodnih turbin v brezdimenzijski obliki je izbrana cevna
turbina za majhne padce s fiksnimi lopaticami gonilnika in vodilnika. Natančneje so
obravnavani osnovni parametri gonilnika kot glavni parameter pretočnega trakta turbine.
Predlagana je tudi oprema turbine in generatorja.
V
THE TURBINE SELECTION FOR THE HYDRO POWER PLANT
MARKOVCI
Key words: hydro-power plant
hydrology
bulb turbine
runner
guide vanes
UDK:
ABSTRACT
The bachelor's thesis analyses a selection of the turbine unit type of Markovci hydro – power
plant. The selection of the turbine unit is based on a study of hydrological and geological
conditions of the river Drava at Markovci dam. A statistical analysis of both energy and
geometrical parameters of the existing instalation of water turbines in no-dimensional
configuration shows that the radial Francis turbine with fixed runner blades and guide vanes
is to be chosen. The thesis later focuses in more details on the parameters of the turbine
runner, since they are one of the key parameters of the water flow tract. Finally, a
configuration of the turbine and generator unit equipment is proposed.
VI
1 UVOD ................................................................................................................. - 1 -
1.1 SPLOŠNA IZHODIŠČA ...................................................................................... - 1 -
1.2 POMEMBNOST IZGRADENJ HIDROELEKTRARN ................................................ - 2 -
1.3 NAMEMBNOST MALIH HE .............................................................................. - 2 -
1.4 PREDVIDENI CILJI ........................................................................................... - 4 -
2 VODNA MOČ KOT ENERGIJA .................................................................... - 5 -
2.1 OPIS MALE HIDROELEKTRARNE ...................................................................... - 5 -
2.2 ENERGIJA VODE ............................................................................................. - 6 -
2.3 KARAKTER VODNIH TURBIN ........................................................................... - 9 -
2.3.1 Specifična vrtilna hitrost .......................................................................... - 9 -
2.3.2 Sinhronska vrtilna hitrost ....................................................................... - 10 -
2.3.3 Kritična vrtilna hitrost pri pobegu .......................................................... - 10 -
2.3.4 Moč in izkoristki .................................................................................... - 11 -
2.3.5 Pelton turbina ......................................................................................... - 13 -
2.3.6 Francis turbina ........................................................................................ - 14 -
2.3.7 Kaplan turbina ........................................................................................ - 16 -
3 REKA DRAVA ................................................................................................ - 18 -
4 MALA HE MARKOVCI ................................................................................ - 20 -
4.1 IDEJA O GRADNJI .......................................................................................... - 20 -
4.2 UMESTITEV V PROSTOR ................................................................................ - 20 -
4.3 HIDROLOGIJA ............................................................................................... - 22 -
4.4 GEOLOGIJA .................................................................................................. - 22 -
4.5 SEIZMOLOGIJA ............................................................................................. - 23 -
4.6 KARAKTERISTIKE ......................................................................................... - 23 -
4.7 OBJEKTI ....................................................................................................... - 24 -
4.7.1 Zajetje vode ............................................................................................ - 24 -
VII
4.7.2 Vtočni objekt .......................................................................................... - 25 -
4.7.3 Cevovod ................................................................................................. - 26 -
4.7.4 Strojnična zgradba .................................................................................. - 28 -
5 OSNOVE ZA IZRAČUN PRETOČNEGA TRAKTA TURBINE ............. - 30 -
5.1 BRUTO PADEC .............................................................................................. - 30 -
5.2 PRETOK ........................................................................................................ - 30 -
5.3 NETO PADEC ................................................................................................ - 31 -
5.3.1 Srednja hitrost vode v cevovodu ............................................................ - 31 -
5.3.2 Tlačne izgube v cevovodu ...................................................................... - 32 -
5.3.3 Izračun neto padca .................................................................................. - 42 -
5.3.4 Kontrola neto padca ............................................................................... - 42 -
6 DOLOČITEV TURBINSKEGA AGREGATA ............................................ - 43 -
6.1 IZBIRA TIPA TURBINSKEGA AGREGATA ........................................................ - 43 -
7 TEORIJA STATISTIČNE METODE ZA PRETOČNI TRAKT TURBINE- 45 -
7.1 UVOD ........................................................................................................... - 45 -
7.2 OBDELAVA STATISTIČNIH PODATKOV Z MATEMATIČNO STATISTIKO ............ - 45 -
7.3 REGRESIJSKA KRIVULJA ............................................................................... - 46 -
7.4 TEORIJA KORELACIJE ................................................................................... - 46 -
7.4.1 Srednja vrednost ..................................................................................... - 46 -
7.4.2 Standardna deviacija .............................................................................. - 47 -
7.5 METODA DOLOČANJA REGRESIJSKIH KRIVULJ .............................................. - 48 -
7.5.1 Analitična metoda .................................................................................. - 48 -
7.5.2 Metoda najmanjših kvadratov ................................................................ - 49 -
8 IZRAČUN PARAMETROV PRETOČNEGA TRAKTA CEVNE TURBINE
PO STATISTIČNI METODI .......................................................................... - 51 -
8.1 PRETOČNI TRAKT ......................................................................................... - 52 -
8.1.1 Specifična vrtilna hitrost ........................................................................ - 52 -
VIII
8.1.2 Imenska vrtilna hitrost ............................................................................ - 54 -
8.1.3 Energijsko in pretočno število ................................................................ - 55 -
8.1.4 Školjčni diagram .................................................................................... - 57 -
8.1.5 Postavitev gonilnika nad spodnjo vodo .................................................. - 58 -
8.1.6 Gonilnik .................................................................................................. - 62 -
8.1.7 Geometrijski parametri pretočnega trakta .............................................. - 65 -
8.1.8 Sesalna cev ............................................................................................. - 73 -
9 PARAMETRI CEVNE TURBINE ................................................................ - 77 -
9.1 GENERATOR ................................................................................................. - 77 -
9.2 MOČ TURBINSKEGA AGREGATA ................................................................... - 77 -
9.3 PROIZVODNJA TURBINSKEGA AGREGATA ..................................................... - 78 -
9.4 TEHNIČNI OPIS ............................................................................................. - 79 -
9.4.1. Splošno .................................................................................................. - 79 -
9.4.1 Turbinski gonilnik .................................................................................. - 79 -
9.4.2 Ohišje turbine ......................................................................................... - 80 -
9.4.3 Vodilni in nosilni ležaj ........................................................................... - 80 -
9.4.4 Elastična sklopka .................................................................................... - 80 -
9.4.5 Predturbinski zaporni organ ................................................................... - 80 -
9.4.2. Sesalna cev ............................................................................................ - 81 -
9.5 DIMENZIJE ................................................................................................... - 81 -
9.6 ZAKLJUČEK .................................................................................................. - 82 -
SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ................................................................... - 84 -
IX
UPORABLJENI SIMBOLI
Hb [m] - bruto padec
Hn [m] - neto padec
Hs [m] - sesalna višina
HBAR [m] - višina zračnega tlaka
HV [m] - tlačna višina vodne pare
ΔH [m] - višinska razlika
H1[m.n.m] - zgornja gladina vode
H2[m.n.m] - spodnja gladina vode
H [m] - padec
Ep [J] - potencialna energija
Et [J] - tlačna energija
Ek [J] - kinetična energija
Δp [Pa] - izguba tlačne energije
hi [m] - skupne izgube
hid [m] - izgube v dovodnem kanalu
hic [m] - izgube v cevovodu
hio [m] - izgube v odvodnem kanalu
hiL [m] - linijske izgube
hiLOK [m] - lokalne izgube
hiVt [m] - lokalne izgube oblike vtoka
hiPs [m] - lokalne izgube potopne stene
hiPd [m] - lokalne izgube prehodnega dela
hiGr [m] - lokalne izgube grobe rešetke
X
hiFr [m] - lokalne izgube fine rešetke
hiRd [m] - lokalne izgube razcepnega dela
ζ - koeficient lokalnih izgub
Ni [min-1
] - imenska vrtilna hitrost
NS [min-1
] - sinhronska vrtilna hitrost
Np [min-1
] - pobežna vrtilna hitrost
nq [min-1
] - specifična vrtilna hitrost
[kg/s] - masni pretok
[m3/s] - volumski pretok
max [m3/s] - maksimalni volumski pretok
m1 [m3/s] - volumski pretok pozimi
m2 [m3/s] - volumski pretok poleti
S [m2] - presek cevovoda
O [m] - obseg cevovoda
L [m] - dolžina cevovoda
Dn [m] - notranji premer cevovoda
τ [MPa] - strižne napetosti
A [m2] - ploščina plošče
F [N] - sila
v [m/s] - hitrost pomika
B [m] - razdalja od plošče do tal
η [Pas] - dinamična viskoznost
ν - kinematična viskoznost
δ [mm] - mejna plast
XI
c [m/s] - srednja hitrost vode
g [m/s2] - pospešek prostega padca
dh [m] - hidravlični premer
Re - Reynoldsovo število
k [mm/s2] - koeficient absolutne hrapavosti
λ - koeficient tekočinskega trenja
ρ [kg/m3] - gostota vode
xi,yi,Zi - spremenljivke
a,b,c - realna števila
- srednji vrednosti spremenljivk xi,yi
α1,0, α0,1 - prvi ničelni moment
N - število spremenljivk
D - raztros točk spremenljivk xi,yi
σx,σy,σ - standardna deviacija
r - korelacijski faktor
μ2,0, μ0,2 - drugi ničelni moment
- vsota kvadratov odklonov
ψ - energijsko število
φ - pretočno število
σs - koeficient kavitacije
vs [m/s] - vstopna hitrost vodnega toka sesalne cevi
vsi [m/s] - izstopna hitrost vodnega toka sesalne cevi
Dr [m] - premer gonilnika
DS [m] - premer sesalne cevi na vstopu
XII
Dp [m] - premer pesta gonilnika
R1 [m] - notranji radij gonilnika
R2 [m] - zunanji radij gonilnika
Ls [m] - dolžina hruške turbine
Ds [m] - premer hruške turbine
Lmin [m] - dolžina sesalne cevi
ηi - izkoristek turbine
ηig - izkoristek generatorja
PA [kW] - moč turbinskega agregata
Pi [kW] - moč vodne turbine
Pig [kW] - moč generatorja
P - število parov polov generatorja
Ku - koeficient obodne hitrosti
EL [kWh] - proizvodnja električne energije
EL1 [kWh] - proizvodnja električne energije pozimi
EL2 [kWh] - proizvodnja električne energije poleti
XIII
UPORABLJENE KRATICE
HE - hidroelektrarna
mHE - mala hidroelektrarna
m.n.m - nadmorska višina
DEM - Dravske elektrarne Maribor
ca. - cirka, približno
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 1 -
1 UVOD
1.1 Splošna izhodišča
HE Formin je druga elektrarna kanalskega tipa na Dravi, ter zadnja v verigi HE na Dravi v
Sloveniji. Zajezitev za HE Formin predstavlja jez v Markovcih s Ptujskim jezerom. Jez
Markovci predstavlja mejo med strugo Drave in bazenom. Dravske elektrarne Maribor, so po
koncesijski pogodbi obvezne na jezu Markovcih spuščati v strugo Drave ekološko sprejemljiv
pretok 5 pozimi in 10 poleti. Na jezu v Markovcih se vsa navedena količina
trenutno preliva preko zapornic. Smiselno je energetsko izkoristiti obvezen ekološko
sprejemljiv pretok, s tem zmanjšati manipulacije zapornic ter zagotoviti potrebno enakomerno
količino vode v strugi reke Drave [10].
V ta namen bo zgrajena mala hidroelektrarna Markovci, ki bo v sklopu objektov HE
Formin na reki Dravi in sicer ob Jezu Markovci, ki je vstopna pregrada za kanal HE Formin.
Slika 1.1 - Prikaz območja načrtovane mHE Markovci na desnem bregu jezu v
Markovcih [10]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 2 -
1.2 Pomembnost izgradenj hidroelektrarn
Vodno energijo se uvršča med “čiste obnovljive vire” (skupaj z vetrom, bibavico, valovi,
sončno in geotermalno energijo), za razliko od gorljivih obnovljivih virov (kot so biomasa,
odpadki v mestih, lesni odpadki itd).
Vodno energijo se uvršča med obnovljive vire, ker je voda, ki teče skozi vodno
elektrarno, del vodnega cikla, ki ga poganja sonce. Čista je v tem pomenu, ker njena pretvorba
v električno energijo ne onesnažuje okolja. Skrbi za zmanjševanje emisij plinov tople grede,
saj nadomešča ostale načine pretvorbe energije. Če je hidroelektrarna skrbno načrtovana, se
vodno energijo označi kot “obnovljivo” in “trajno”.
Vodna energija ima naslednje značilnosti:
- je zanesljiva, z znanimi pozitivnimi in negativnimi vplivi,
- hidroelektrarne imajo dolgo obratovalno dobo - do 100 in več let,
- hidroelektrarne so bolj učinkovite kot vse ostale vrste elektrarn, ki uporabljajo
neobnovljive in obnovljive vire; izjema so mogoče geotermalne elektrarne,
- v hidroelektrarnah gre za neposredno spremembo potencialne energije vode v delo
brez vmesne spremembe v toploto z visokim izkoristkom do 95%,
- stroški vzdrževanja in obratovanja so nizki, nadzor obratovanja je enostaven,
- ni plinov, ki povzročajo učinek tople grede, kot posledice obratovanja,
- olajšan je hiter odziv na spremembe pretoka, zelo učinkovita je izhodna regulacija,
- vodne elektrarne so lahko razvite v sklopu večnamenske uporabe vode.
V vse bolj ostri energetski situaciji lahko hidroelektrarne do moči 1 MW (male HE)
ublažijo pomanjkanje električne energije in prihranijo vse težje dosegljive druge energetske
vire. Tako mala HE moči 10 kW vsako uro obratovanja prihrani 10 kg lignita ali 2 l nafte
[16].
1.3 Namembnost malih HE
Namen malih HE je predvsem v racionalnem koriščenju naravnega energetskega vira vode in
zagotavljanju napajanja lokalnega električnega omrežja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 3 -
Letna proizvodnja je odvisna od letnih hidroloških razmer. Dinamika proizvodnje je
neposredno odvisna od vodnih dotokov, saj male HE niso opremljene z akumulacijami, ki bi
lahko urejale dinamiko proizvodnje v daljšem časovnem obdobju.
V Sloveniji postajajo za izkoriščanje vodne energije vse bolj zanimivi tudi manjši
vodotoki. Začetek gradnje malih HE v Sloveniji je v začetku 80-ih let spodbudil Zakon o
energetskem gospodarstvu, ki je dovolil gradnjo energetskih objektov tudi izven
elektrogospodarstva. Tako so nekoč glavni viri električne energije, male HE spet pridobile na
svojem pomenu.
Gradnja novih malih HE je odvisna od pridobitve dovoljenj za gradnjo na majhnih
vodotokih. Pogoj je tudi zagotovitev finančnih sredstev, saj je gradnja novih malih HE
finančno zelo zahtevna. Je pa dolgoročno smiselna, ker izkorišča vodno energijo za
proizvodnjo električne energije. Posebno pozornost je potrebno nameniti umeščanju malih HE
v okolje, oziroma zadostitvi vedno strožjim okoljevarstvenim zahtevam.
V preglednici 1.1 je prikazan hidroenergetski potencial za izgradnjo novih in delež
obratujočih malih HE ter malih HE v gradnji na porečju slovenskih rek [11].
Preglednica 1.1: Problematika malih HE v Sloveniji [11]
Porečje Površina
(km2)
HIDROENERGETSKI
POTENCIAL
OBRATUJOČE IN V GRADNJI
Teoretični
(GWh/leto)
Tehnični
(GWh/leto)
Obratujoče Delež
proizv.elek.
V gradnji
(MW) (MW) (GWh/leto)
Drava 290 260 9 40 0,3 Sava 1.030 510 44 200 1,6
Soča 474 260 26 87 0,7
Mura 7 5 1 1 0,0
Kolpa 182 56
Kras 17 9
Slovenjia 20.250 2.000 1.100 80 328 2,5 1,5
Delež malih HE s skupno močjo 80 MW in proizvodnjo 328 GWh znaša 2,5 % vse
proizvedene električne energije v Sloveniji. To je izkoriščenost dobre četrtine vsega
razpoložljivega hidroenergetskega potenciala za male HE [11].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 4 -
1.4 Predvideni cilji
V diplomski nalogi je obravnavana izgradnja nove male hidroelektrarne na reki Dravi s
poudarkom na dimenzioniranju turbinskega agregata. Z analiziranjem pretoka, ki znaša
5 pozimi in 10 poleti ter bruto padca, ki znaša 10,6 m, bom odločil kako
najučinkoviteje izrabiti energijo vode. Ta dva parametra imata velik vpliv na karakteristike
turbine.
Zaradi nizkega padca, kratkega tlačnega cevovoda in stalnega pretoka vode na jezu je
strošek na proizvedeno enoto električne energije iz bodoče male HE relativno nizek. Izbira
agregata se bo izvedla z upoštevanjem trendov proizvajalcev vodnih turbin v zadnjih
desetletjih. Te trende pa pojasnjuje statistična analiza že vgrajenih vodnih turbinskih
agregatov na podlagi specifične vrtilne hitrosti. Na osnovi statistične analize bodo določene
osnovne dimenzije pretočnega trakta turbine in njegovih elementov za pretvorbo vodne v
mehansko energijo. Dobljeni rezultati bodo služili tudi za določitev osnovnih parametrov
ostale opreme agregata, predvsem generatorja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 5 -
2 VODNA MOČ KOT ENERGIJA
2.1 Opis male hidroelektrarne
Po smeri toka vode je mala HE na splošno sestavljena iz (slika 2.1):
- zajetja (jez) z umirjevalnim bazenom, peskolovom in vtokom v dovodni objekt,
- dovodnega objekta, ki je lahko kanal ali cevovod,
- zgradbe strojnice, v kateri se nahaja turbinski agregat, sestavljen iz turbine in
generatorja, upravljalnega sistema ter povezave z distribucijskim omrežjem,
- odvodnega objekta.
Slika 2.1 - Podolžni profil male hidroelektrarne [15]
jez
umirjevalni bazen s
peskolovom cevovod,kanal
strojnica
odvodni objekt
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 6 -
Hidroenergetski stroj se imenuje vsak stroj, ki izkorišča energijo kapljevine. Voda je kot
nosilec energije najpogostejša tekočina v naravi. Potencialno energijo vode, ki priteka po
dovodnem cevovodu, turbina pretvarja v mehansko moč. Turbina je preko rotirajoče osi
povezana z generatorjem, ki pretvori mehansko moč v električno.
2.2 Energija vode
Padec, ki ga ima vodotok na odseku od zajetja vode do iztoka iz strojnice, imenujemo bruto
padec Hb. Bruto padec je višinska razlika med zgornjo vodno gladino bazena in spodnjo
vodno gladino turbinskega iztoka (slika 2.2).
Slika 2.2 - Bruto padec [16]
Za energetsko izkoriščanje vode je potrebna njena potencialna energija Ep. S tlačnim
cevovodom povežemo višje ležeči umirjevalni bazen zajetja z nižje ležečo turbino v strojnici
in pretvorimo potencialno energijo v tlačno energijo Et. Tlačna energija je po vrednosti enaka
potencialni energiji, saj tlačni cevovod ne spreminja količine vode in bruto padca Hb.
Na koncu tlačnega cevovoda se odpre zasun in voda steče na gonilnik turbine. Tlak v
tlačnem cevovodu je manjši kot pred odprtjem zasuna. Zmanjšanje tlaka je posledica tlačnih
izgub v tlačnem cevovodu, deloma pa posledica okoliščine, da se je del tlačne energije Et
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 7 -
spremenil v kinetično energijo Ek. Vrednost kinetične energije Ek narašča pri istem pretoku
s kvadratom hitrosti c (enačba (2.1)) .
g
cEk
2
2
(2.1)
V smeri proti turbini se vrednosti posameznih vrst energije spreminjajo. Z bližanjem
proti spodnjemu koncu tlačnega cevovoda tlačna energija Et narašča, potencialna energija Ep
pa se zmanjšuje. Pogoj je, da se presek S cevovoda in s tem hitrost vode c vzdolž tlačnega
cevovoda ne spremenita, da ostane delež kinetične energije Ek nespremenjen (enačba (2.2)).
Sc
V
(2.2)
Vsota vseh treh energijskih deležev je teoretično enaka v celotnem tlačnem cevovodu.
Zaradi pretvarjanja ene vrste energije v drugo se spreminjajo le vrednosti posameznih vrst
energije. Dejansko pa se vsota vseh treh vrst energije proti spodnjemu koncu tlačnega
cevovoda malenkostno zmanjša zaradi energijskih izgub, ki so posledica trenja med stenami
cevi in vode vzdolž cevovoda.
S spreminjanjem premera tlačnega cevovoda je tudi delež kinetične energije Ek vzdolž
tlačnega cevovoda mogoče spreminjati. Če se tlačni cevovod proti koncu oži, se pri istem
pretoku, hitrost vode in z njo delež kinetične energije Ek večata. Hitrost vode in kinetična
energija sta tik pred vstopom vode v turbino največja.
Določiti se mora tudi skupne izgube padca hi v dovodnem kanalu hid in izgube v
cevovodu hic ter odvodnem sistemu hio (enačba (2.3)). Izgubo padca v odvodnem sistemu se
upošteva pri vseh nadtlačnih turbinah razen pri enakotlačni Peltonovi turbini (slika 2.3).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 8 -
Slika 2.3 - Izguba padca [16]
ioicidi hhhh (2.3)
Tako zmanjšani bruto padec Hb se imenuje neto padec Hn, ki se ga meri v metrih in je
prvi dejavnik vodne moči (enačba (2.4)).
ibn hHH (2.4)
Drugi dejavnik vodne moči je volumski pretok , ki se ga meri v m3/s. Upošteva se
srednji pretok pri normalni vodi na odseku od umirjevalnega bazena vtoka do iztoka.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 9 -
2.3 Karakter vodnih turbin
2.3.1 Specifična vrtilna hitrost
Vodne turbine karakterizira specifična vrtilna hitrost, ki najbolj natančno določi lastnosti
nekega hidravličnega stroja (enačba (2.5)) [17]. Enačba vsebuje vse osnovne hidravlične
veličine.
4 3
n
iq
H
VNn
(2.5)
Specifična vrtilna hitrost nq nam pove, koliko vrtljajev na minuto bi imel podoben
turbinski stroj pri nazivni obremenitvi, če bi bil pretok =1 m3/s in padec H=1m. [17].
Iz enačbe (2.5) je razvidno, da voda, ki preide skozi turbino ne spremeni svojih
fizikalnih lastnosti (gostota, temperatura). Enačba je neodvisna od vrste medija.
Na podlagi izračunane specifične vrtilne hitrosti izberemo tip turbine (preglednica 2.1).
Preglednica 2.1: Vrednosti specifične vrtilne hitrosti [17]
Vrsta turbine )(mH )(min 1
qn
Pelton 1 šoba 1800 - 1100 2,0 – 3,3 3 šobe 1100 - 550 3,3 – 6,6
6 šob 550 - 200 6,6 – 16,7
Francis počasna 410 - 275 16,7 - 40
normalna 275 - 100 40 - 70
hitra 100 - 35 70 - 117
Kaplan 8 lopatic ~ 50 117
5 lopatic ~ 20 140
3 lopatice ~ 6 266
Število vrtljajev turbine mora tudi ustrezati razpoložljivi višini in specifični vrtilni
hitrosti.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 10 -
2.3.2 Sinhronska vrtilna hitrost
Vrtilna hitrost turbinskega agregata je tisto število vrtljajev turbinske gredi na minuto, s
katerim mora obratovati turbina ne glede na obremenitev, da je njen izkoristek najboljši [15].
Vrtilna hitrost turbine in generatorja, ki sta neposredno povezana s sklopko, je enaka eni
izmed sinhronskih vrtilnih hitrosti (preglednica 2.2).
Sinhronska vrtilna hitrost generatorja je tista vrtilna hitrost, ki jo zahtevata frekvenca
električnega omrežja in število parov polov P generatorja [15].
Preglednica 2.2: Najpogostejše sinhronske vrtilne hitrosti [15]
P 1 2 3 4 5 7 6 8 10 12
NS(min-1
) 3000 1500 1000 750 600 428 500 375 300 250
P 13 14 16 18 20 24 28 32 36 40 NS(min
-1) 231 214* 188 167* 150 125 107* 94 83 75
* redkeje v uporabi!
2.3.3 Kritična vrtilna hitrost pri pobegu
Podaja tisto zvišano vrtilno hitrost, ki jo doseže turbinski agregat, ko je nenadoma v celoti
razbremenjen – ločen od električnega omrežja [15].
Turbinski agregat tako ne more oddajati svoje moči v omrežje. Zaradi tega se moč
agregata porablja za pospeševanje vrtilne hitrosti. Vrtilna hitrost se veča toliko časa, da
izkoristek agregata pade in je zmanjšana proizvajalna moč v ravnotežju z močjo za
premagovanje uporov med vrtenjem. Vrtilna hitrost tako ne narašča več. Ta vrednost se
imenuje kritična vrtilna hitrost pri pobegu ali pobežna vrtilna hitrost (enačba (2.6)) [15].
NNP 2,2 (2.6)
Za cevno turbino velja da je pobežna vrtilna hitrost večja od imenske vrtilne hitrosti za
2-2,6 [7], v primeru obravnavane turbine izberem 2,2.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 11 -
2.3.4 Moč in izkoristki
Moč vodne turbine je dana z masnim pretokom vode =ρ∙ in razpoložljivo višinsko razliko
ΔH=H1-H2 med zgornjo in spodnjo gladino zbiralnika vode (enačba (2.7)) [17].
HgVHgmP iii
(2.7)
Moč vodnih turbin konstrukcijsko skoraj ni omejena; omejena je le z reliefom zemlje in
s količino padavin. Regulira se s spreminjanjem pretoka vode, višinska razlika se praktično ne
spreminja, koristni padec se glede na pretok malenkostno spreminja; z večanjem ali
manjšanjem pretoka vode se namreč ustrezno veča ali manjša tekočinsko trenje in s tem
manjša ali veča koristni padec [17].
Večina turbin, ki se danes uporabljajo, ima velik notranji izkoristek ne samo pri imenski
obremenitvi, ampak tudi v širokem območju delnih obremenitev [17].
Danes se uporablja več vrst vodnih turbinskih agregatov za različne pretoke in
izkoristke (slika 2.4). Na abscisni osi je podan notranji volumski pretok , na ordinatni
osi pa notranji izkoristek ηi. V malih HE z dovodom vode po cevovodu do turbinskega
agregata, kot je v primeru male HE Markovci, je uporabna Kaplan turbina.
Slika 2.4 - Izkoristek vodnih turbin [17]
A – Pelton
B – Kaplan
C – Francis
Č – Francis
(hitra)
D – Kaplan
E -
Propelerske
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 12 -
Krivulja izkoristka za turbinski agregat Pelton turbine prikazuje, da ima turbina pri
polni obremenitvi in pretoku 100% vrednost izkoristka 85%. Če nato moč turbinskega
agregata zmanjšujemo, izkoristek narašča in doseže svojo največjo vrednost 90% pri 60%
pretoku. Ob nadaljnjem zmanjševanju pretoka nato izkoristek pada in doseže pri 30% pretoku
vrednost izkoristka polno odprte turbine. Šele pod 30% pretoka vrednost izkoristka strmo
pada. Izkoristek doseže vrednost nič pri 5% pretoku, kar pomeni, da potrebuje turbina 5%
pretoka, ko ne oddaja moči.
Krivulja izkoristka za turbinski agregat Kaplan je podobna krivulji izkoristka za
turbinski agregat Pelton. Prikazuje da pri polni obremenitvi in pretoku 100% je vrednost
izkoristka 85%. Z nadaljnjim padanjem moči turbinskega agregata, izkoristek narašča in
doseže svojo največjo vrednost 90% pri 60% pretoku. Ob nadaljnjem zmanjševanju pretoka
pri turbinskem agregatu Kaplan začne izkoristek prej padati kot pa pri Turbinskem agregatu
Pelton. Šele pod 30% pretoka vrednost izkoristka strmo pada. Izkoristek doseže vrednost nič
pri 5% pretoku, kar pomeni, da potrebuje turbina 5% pretoka, ko ne oddaja moči, podobno
kot pri turbinskem agregatu Pelton.
Krivulji izkoristka za turbinski agregat Francis turbine opisujeta dve karakteristiki.
Krivulja Č opisuje hitre (za padce do 100 m) in krivulja C počasne (za padce do 500 m)
Francis gonilnike. Hitra turbina dosega svoje najboljše izkoristke pri 90% pretoku, počasna pa
že pri 75% pretoku. Pri nižjih obremenitvah se obe krivulji strmo spuščata, saj ima počasna
turbina že pri 50% obremenitvi isto vrednost izkoristka kot pri polnem pretoku. Na to
vrednost se zniža izkoristek hitre Francis turbine že pri 65% pretoku.
S primerjavo krivulj izkoristka za Pelton, Kaplan in Francis turbino ugotavljam, da
Francis turbine nimajo dobrega izkoristka na tako širokem območju delnih obremenitev kot
Kaplan in Pelton turbine.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 13 -
2.3.5 Pelton turbina
Za Pelton turbine je značilna ugodna vrednost izkoristkov v zelo širokem območju delnih
obremenitev med 30% in 100% pretoka. Vzrok je v tem, da se z obremenitvijo ne spreminja
kot, pod katerim udarja vodni curek na lopate gonilnika turbine (slika 2.5).
Slika 2.5 - Vodni curek pri Pelton turbini [7]
Na sliki 2.6 je prikazan shematski prerez turbinskega agregata s Pelton turbino. Voda
doteka k turbini po dovodni cevi, ki se končuje s šobo, v kateri je igla. V šobi se hitrost vode
pospeši, da v obliki okroglega curka zapusti šobo. V prostem curku ni nobenega nadtlaka nad
atmosferskim tlakom, kar pomeni, da se je v šobi vsa energija pretvorila v hitrostno energijo.
Vodni curek doseže z veliko hitrostjo posamezne lopate gonilnika. Na sredini lopate se
curek razpolovi in vsaka njegova polovica spremeni v lopatici smer gibanja za 180º. Prav ta
sprememba smeri gibanja povzroča, da se gonilnik vrti in da se v njem energija vode
spreminja v mehansko energijo. Ker voda med gibanjem ne spremeni svojega tlaka, sodijo
Pelton turbine med enakotlačne turbine.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 14 -
Slika 2.6 - Prerez turbinskega agregata s Pelton turbino [7]
2.3.6 Francis turbina
Na sliki 2.7 je prikazan shematski prerez turbinskega agregata s Francis turbino. Voda doteka
po kanalu in vstopa med vodilne lopate vodilnika. V vodilniku voda svojo hitrost poveča in
se zavrtinči, nato preteče prostor med vodilnikom in gonilnikom. Ko vstopi v gonilnik pod
določenim tlakom, tako da prostore med lopatami gonilnika v celoti napolnjuje, odda svojo
energijo.
Voda, ki izstopa iz gonilnika z določeno hitrostjo ne sme odteči na prosto, ker bi to
pomenilo precejšnjo energetsko izgubo. Zato je na turbino s spodnje strani pritrjena sesalna
cev, ki se proti svojemu koncu stožčasto razširja. V njej se hitrost vode zmanjša na tako
vrednost, da so izgube energije minimalne.
odklonilo
šoba z iglo
lopate
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 15 -
Slika 2.7- Prerez turbinskega agregata s Francis turbino [17]
Vodilnik in gonilnik sta medsebojno postavljena tako, da je najugodnejša vstopna smer
vode na gonilnik pri 70 do 90% pretoku. To je vzrok, da ima turbina slabši izkoristek pri
nižjih obremenitvah.
V delovnem območju ima Francis turbina slabši izkoristek kot Pelton turbina zaradi
vodilnika in njegovega spreminjanja kota, pod katerim doteka voda na gonilnik pri različnih
obremenitvah.
vodilnik
sesalna cev
gonilnik
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 16 -
2.3.7 Kaplan turbina
Na sliki 2.8 je prikazan shematski prerez turbinskega agregata s Kaplan turbino. Pretok vode
skozi Kaplanovo turbino je enak kot pri francisovi turbini, enako velja za sesalno cev.
Lopate gonilnika in vodilnika so lahko medsebojno nastavljive, s tem je omogočeno
doseganje maksimalnega izkoristka pri katerem koli pretoku in padcu.
Če so lopatice gonilnika in vodilnika nastavljive, potem je turbina dvojno regulirana, za
njo velja ugodna vrednost izkoristkov v zelo širokem območju delnih obremenitev med 15%
in 100% pretoka. Pri fiksnih lopaticah vodilnika in nastavljivih lopaticah gonilnika je turbina
enojno regulirana, za njo velja ugodna vrednost izkoristkov v širokem območju delnih
obremenitev med 30% in 100% pretoka. Turbina, ki ima na gonilniku in vodilniku fiksirane
lopatice, je neregulirana oziroma se imenuje propelerska turbina. Uporabljajo se pri
konstantnem pretoku in padcu.
Slika 2.8 – Prerez turbinskega agregata s Kaplan turbino [7]
Cevna turbina je ena izmed pogostih izvedb Kaplanove turbine. Na sliki 2.9 je prikazan
shematski prerez turbinskega agregata s cevno turbino. Cevna turbina je postavljena na
sredino v samo dovodno cev, od tod tudi ime. Voda doteka po cevi vzporedno z turbinsko
gredjo mimo ohišja, v katerem se nahaja generator, do vodilnika.
vodilnik
gonilnik
sesalna cev
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 17 -
V vodilniku voda poveča svojo hitrost in se zavrtinči, nato vstopi v gonilnik pod
določenim tlakom, tako da prostore med lopatami gonilnika v celoti napolnjuje, kjer odda
svojo energijo.
Slika 2.9 - Prerez turbinskega agregata s cevno turbino [7]
vodilnik
gonilnik
generator
turbinska gred
ohišje generatorja
sesalna cev
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 18 -
3 REKA DRAVA
Energetsko najpomembnejša slovenska reka, ki povezuje države in velika biografska
območja, ima samosvoje vodne pretoke, primerne za intenzivno izrabo.
Reka Drava izvira blizu avstrijske meje na Toblaškem polju v Italiji. Pot po Avstriji
zaključi blizu Dravograda. Po 133 km poti in 148 m padca zapusti Slovenijo pri Ormožu in
konča svojo pot pri Osijeku na Hrvaškem, kjer se izliva v Donavo. Na svoji poti povezuje
alpsko in panonsko biogeografsko območje.
Drava ima fluvioglacialni vodni režim, kar pomeni, da ima najvišje vodne pretoke junija, v
času taljenja ledenikov, ko se pri večini drugih rek že kažejo posledice poletne suše. Drugi
vodni vrhunec doseže novembra, ko jo napolnijo jesenska deževja širokega alpskega zaledja.
Padavinsko območje reke Drave v Italiji in Avstriji obsega 10.964 km2, na območju Slovenije
pa še 2700 km2. Padavinsko območje v delu centralnih Alp opredeljuje osnovne značilnosti
pretokov reke Drave. Pritoki iz južnega dela povodja zaradi močnih vplivov sredozemske
klime povzročajo kratkotrajne velike pretoke spomladi, še posebno pa jeseni, saj v povprečju
enkrat v sto letih lahko dosežejo tudi več kot 2800 m3/s, čeprav je srednji letni pretok le
297 m3/s.
Slika 3.1 – Izvir Drave na Toblaškem polju [3]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 19 -
Elektrarne na Dravi so izjemnega pomena v slovenskem elektroenergetskem sistemu,
saj proizvedejo v povprečju letno do 25 % skupne proizvodnje električne energije v Sloveniji
ter zagotavljajo 37 % zahtev po moči poleti in 20 % pozimi.
Izkoriščanje energetskega potenciala reke Drave se je začelo leta 1918, ko je bila
zgrajena elektrarna Fala. Elektrarni Fala je sledila izgradnja in spuščanje v obratovanje
elektrarn Dravograd leta 1943, Mariborski otok leta 1948, Vuzenica leta 1953, Vuhred leta
1956, Ožbalt leta 1960, Zlatoličje leta 1968 in Formin leta 1978. Verigo elektrarn na
slovenskem delu reke Drave sestavlja osem elektrarn s skupno nazivno turbinsko močjo 585
MW. Z upoštevanjem male elektrarne Melje in Ceršak pa 587 MW. V jezerih elektrarn je
akumuliranih 78 milijonov vode, od tega je 12,4 milijonov izkoristljivih. Z 8
hidroelektrarnami na reki Dravi in z 2 malima hidroelektrarnama proizvedejo DEM kar 80
odstotkov slovenske električne energije [3].
Slika 3.2 – Povprečni delež posamezne elektrarne v skupni proizvodnji [3]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 20 -
4 MALA HE MARKOVCI
4.1 Ideja o gradnji
Dravske elektrarne Maribor na jezu v Markovcih spuščajo v strugo reke Drave konstanten
pretok 5 pozimi in 10 poleti, ki je energetsko neizkoriščen. Prav tako je višinska
razlika od kote zgornje vode v akumulacijskem jezeru in kote spodnje vode v strugi reke
Drave stalna. Na podlagi teh podatkov in že prej zgrajene mHE Melje na jezu v Melju, sem
dobil idejo za izdelavo diplomske naloge z opisom idejne zasnove turbinskega agregata in
določitvijo hidromehanske opreme za mHE Markovci na jezu v Markovcih.
4.2 Umestitev v prostor
Zajezitev HE Formin predstavlja jez v Markovcih s Ptujskim jezerom in je meja med strugo
Drave in akumulacijo. Jez v Markovcih je pregrada višine ca. 21 m dolžine 122 m s 6
prelivnimi polji. Ob levem boku pregrade se nahaja pogonski prostor potreben za
manipuliranje zapornic jezu Markovci ter dovodni energetski kanal HE Formin. Preko
energetskega kanala je speljan most (kot potopna stena). Zaradi teh že obstoječih objektov na
tem mestu ni možno postaviti mHE Markovci.
Postavitev male HE Markovci sem načrtoval na desnem bočnem objektu obstoječega
jezu v Markovcih, kjer se nahaja dovozna pot za lokalni promet preko jezu za vaščane, ki
imajo poljedelske obdelovalne površine na desnem bregu Drave. V času izgradnje mHE
Markovci bi se dovozna pot za lokalni promet premaknila za kakšnih 300 m nizvodno od jeza.
V ta namen bi se preko reke zgradil začasni nasip z cesto in pod njim položenimi cevmi za
neoviran pretok reke. Po izgradnji mHE Markovci bi se stara dovozna pot ponovno zgradila,
začasni nasip preko reke z cesto pa bi se podrl.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 21 -
Slika 4.1 – Lokacija mHE Markovci
Lokacija mHE
Markovci
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 22 -
4.3 Hidrologija
Za potrebe projektiranja mHE Markovci so pridobljeni osnovni hidrološki podatki [10]:
- kota zgornje vode: 220 m.n.m
- minimalna kota zgornje vode (denivelacija): 219 m.n.m
- spodnja voda pri nazivnem pretoku turbine 5 m3/s: 209,3 m.n.m
- spodnja voda pri nazivnem pretoku turbine 10 m3/s: 209,43 m.n.m
- spodnja voda pri pretoku turbine 0 m3/s : 209,3 m.n.m
- maksimalna kota ( = 2500 m3/s): 215,3 m.n.m
- maksimalna kota ( = 800 m3/s): 212,36 m.n.m
Ekološko sprejemljivi pretok na jezu Markovcih znaša:
- 5 m3/s v obdobju od 15.10 do 15.3
- 10 m3/s v obdobju od 15.3 do 15.10
4.4 Geologija
Za potrebe izvedbe mHE Markovci je bilo naročeno geološko – geomehansko poročilo s
strani HSE d.o.o., ki ga je izdelal inštitut za geotehniko Fakultete za gradbeništvo, Univerze v
Mariboru. Poročilo za potrebe idejnega projekta je delno povzeto [10].
Tla na območju jezu v Markovcih gradijo dravski sedimenti. Na površju se pod tanko
plastjo humusa nahajajo gramozne zemljine s sorazmerno majhno količino drobnih frakcij
premera D<0.075 mm, ki v glavnem ne presegajo 10 % količine skupne mase. Gramozna
plast je do globine 8 m dobro prepustna ter je zaradi stalnega precejanja talne vode podvržena
izpiranju drobnih frakcij, kar se manifestira v zmanjšanem gostotnem stanju gramoznih
zemljin v območju nihanja gladine talne vode.
Na območju pregrade je bilo ob izgradnji objekta obsežno gradbišče z izkopom globoke
gradbene jame, ki je bila kasneje zasuta z izkopanimi gramoznimi zemljinami. Po strukturi tal
ni mogoče razločiti med naravnimi oz. raščenimi ter nasutimi gramoznimi zemljinami.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 23 -
Ob zgradbi jeza se nahaja ca. 16,5 m nasutih oz. vgrajenih gramoznih zemljin, ki so si
na videz povsem podobne, vendar se bistveno razlikujejo v gostoti posameznih plasti. V
globini 0 – 8 m so zemljine dobro utrjene z zelo dobrimi mehanskimi lastnostmi, medtem ko
so v globini 8 – 14 m skoraj rahle, kar je možno pripisati izpiranju drobnih frakcij zemljin v
območju desnega boka, kar pripisujemo možnemu slabemu tesnenju stika med krilnim zidom
in zgradbo jeza. Možni vzroki so bodisi razpoke v krilnem zidu ali pa obtekanje vode širšega
območja pregrade Markovci. Pri izvedbi sondažnih vrtin je bila ugotovljena podzemna vodna
na nivoju med 210,9 m.n.m do 209,35 m.n.m.
4.5 Seizmologija
Lokacija male HE Markovci se nahaja v VII. Potresni coni po EMS (Evropska
makrosezmična lestvica) skali [8].
4.6 Karakteristike
Mala HE Markovci je načrtovana kot derivacijska elektrarna na desnem bočnem objektu
obstoječega jezu v Markovcih [10]. Sestavljajo jo naslednji ključni objekti:
- vtočni objekt,
- dovodni sistem (tlačni cevovod),
- strojnica,
- iztočni objekt ter
- pripadajoča infrastruktura.
Načrtovana MHE Markovci bo imela glavne tehnične karakteristike v odvisnosti od
razpoložljivega ekološko sprejemljivega pretoka in različnih gladin vode (dovoljena
denivelacija ptujskega jezera 1m) prikazane v preglednicah 4.1 in 4.2.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 24 -
Preglednica 4.1: Tehnične lastnosti elektrarne pri gladini vode 220 m.n.m. [10]
Pretok
5 10
Spodnja voda m.n.m 209,3 209,4
Bruto padec m 10,7 10,6
Preglednica 4.2: Tehnične lastnosti elektrarne pri gladini vode 219 m.n.m. [10]
Pretok
5 10
Spodnja voda m.n.m 209,3 209,4
Bruto padec m 9,7 9,6
4.7 Objekti
4.7.1 Zajetje vode
Za zajetje vode mHE Markovci se bo uporabil že obstoječi jez Markovci, ki služi za zajetje
vode HE Formin. Jez v Markovcih je pregrada višine ca. 21 m dolžine 122 m s 6 prelivnimi
polji, širine 17 m. Opremljen je s segmetnimi zapornicami in vrhnjimi zaklopkami. Prepustna
sposobnost jezu je 4200 m3/s [3].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 25 -
Slika 4.2 – Prerez skozi prelivno polje na jezu Markovci [3]
4.7.2 Vtočni objekt
Vtočni objekt je načrtovan ob desnem boku pregrade, v nasipu akumulacijskega jezera HE
Formin. Vtočni objekt bo tlorisnih dimenzij ca. 9,5 m x 18,5 m ter se konusno oža proti vtoku
v tlačni cevovod. Vtok v vtočni objekt je predviden na koti 218 m.n.m, kar bo omogočalo
zanesljivo obratovanje elektrarne pri dovoljeni denivelaciji akumulacije HE Formin 219
m.n.m.
Vtočni objekt bo opremljen s potopno steno, ki bo preprečevala vtok plavja v vtočni
objekt. Potopna stena – armirano betonski nosilec dimenzij 50/100 cm razpona ca. 9 m bo
potopljen v vodno gladino 0,5 m. Za potrebe odstranjevanja naplavin je predviden kovinski
podest širine ca. 0,8 m, razpona ca. 9 m.
V vtočnem objektu so še predvidene zapornice in vtočne rešetke s čistilnim strojem. Ob
njih sta prav tako predvidena dva kovinska podesta razpona ca. 9 m, širine ca. 0,8 m [4].
Del vtočnega objekta (zoženi del pred vtokom v tlačni cevovod) sem načrtoval pod
obstoječo prometnico, vendar je zaradi globine izvedbe vpliv prometne obtežbe zanemarljiv.
jez
zaklopka
segmentna zapornica
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 26 -
Slika 4.3 – Prerez skozi vtočni objekt
4.7.3 Cevovod
Od vtočnega dela objekta do strojnice elektrarne bo postavljen jekleni tlačni cevovod premera
1800 mm. Pred vstopom v strojnico se bo cevovod razdeli v dva dela (dve cevi) premera 1700
mm dolžine 7 m. Cevovod bo v celoti zavarjen, brez prirobničnih spojev razen na spoju z
dilatacijsko oz. demontažno cevjo predturbinskega zapornega organa. Cevovod bo imel na
primernih mestih vstopne odprtine notranjega premera 800 mm za potrebe kontrole in
vzdrževanja. Cevovod bo v celoti (zunaj in znotraj) zaščiten pred rjavenjem, s primerno
antikorozijsko zaščito [13].
vtočna zapornica
groba rešetka
čistilni stroj
fina rešetka
prehodni kos
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 27 -
17265
35673
A A
B
B
Slika 4.4 - Tloris cevovoda
Slika 4.5 - Prerez skozi cevovod
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 28 -
Slika 4.6 - Prerez skozi razcepni kos
4.7.4 Strojnična zgradba
Strojnica je gradbeno inženirski objekt tlorisnih dimenzij ca. 16 m x ca. 8,9 m višine ca. 8 m
je načrtovana na desnem bregu Drave, tik za nizvodnim krilnim zidom jezu Markovci, ca. 35
m pod jezom. Strojnica je objekt temeljen na koti ca. 206 m.n.m.
Objekt je razdeljen na dva glavna prostora:
- prostor za elektroopremo
- transformatorski prostor in elektro omare.
V generatorski etaži se nahajata 2 turbini (generatorja) nazivne moči 2 x 450 kW. Za
potrebe manipulacije strojne in elektro opreme je v strojnici načrtovan mostni žerjav
nosilnosti 70 kN.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 29 -
Slika 4.7 – Strojnična zgradba
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 30 -
5 OSNOVE ZA IZRAČUN PRETOČNEGA TRAKTA
TURBINE
5.1 Bruto padec
Višino, s katere doteka voda k turbini, predstavlja višinska razlika med zgornjo vodno gladino
(ZVG) in spodnjo vodno gladino (SVG), ki je na sliki 2.2 označena s Hb in merimo v metrih
[15]. Beseda bruto pomeni, da višina tega padca vodotoka ni možno v celoti uporabiti za
izkoriščanje.
Na podlagi lokacije, normalne višine vode na vtočnem objektu in iztočnem objektu
strojnične zgradbe male HE Markovci opisane v poglavju 4.6, sem določil bruto padec.
Normalna zgornja vodna gladina v vtočnem objektu je na koti 220 m.n.m. (ZVG), normalna
spodnja vodna gladina v kanalu iztočnega objekta pa je na koti 209,3 m.n.m. (SVG). Tako
znaša bruto padec:
Hb = 10,7 m.
5.2 Pretok
Količino vode, ki doteka k turbini vsako sekundo in iz turbine seveda tudi izteka, imenujemo
pretok. Označujemo ga z veliko črko in merimo v m3/s [15].
Na mHE Markovci imamo dva različna pretoka, ki sta večino časa stalna, za dva
časovna obdobja:
m1 =5 m3/s - v obdobju od 15.10. do 15.03
m2 = 10 m3/s - v obdobju od 15.03. do 15.10.
Odločil sem se da bom izkoristil celoten hidroenergetski potencial, ki ga omogoča
pretok vode na jezu Markovci, za obe časovni obdobji. Za izkoriščanje celotnega pretoka m2
v obdobju od 15.03. do 15.10. bosta za to namenjena dva turbinska agregata enakih nazivnih
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 31 -
moči. V krajšem obdobju od 15.10 do 15.03 bo deloval samo en turbinski agregat. Za
določitev turbinskega agregata je merodajen manjši pretok vode m1 .
5.3 Neto padec
Med obratovanjem turbine je tlak vode zmanjšan zaradi trenja vode v cevovodu. Turbini ni
več na voljo celotna višina Hb, temveč neka za tlačne izgube v cevovodu zmanjšana višina. To
višino imenujemo neto padec. Merimo ga v metrih in označimo s Hn, da ga tako ločimo od
celotne višinske razlike Hb med zgornjo in spodnjo vodno gladino [15].
Neto padec je najpomembnejši element za odločitev investitorja glede gradnje nove
male HE, ker največ prispeva k moči turbinskega agregata. Padec se porabi za premagovanje
trenja, ki nastane ob stiku vode s steno, običajno kovinskega cevovoda. Pri novogradnjah
velja, da znaša neto padec (0,9 - 0,98) Hb. Večja vrednost velja za krajše cevovode, manjša
vrednost za dolge cevovode [16].
5.3.1 Srednja hitrost vode v cevovodu
Srednja hitrost vode c mora biti v mejah priporočene za dolge in ravne cevovode, ta je
določena in znaša 1–3 m/s [2]. Na osnovi tega priporočila in dolžine cevovoda, določim
notranji, svetli premer cevovoda, ki znaša Dn=1,8 m.
2
14
n
m
D
Vc (5.1)
smc 97,1
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 32 -
5.3.2 Tlačne izgube v cevovodu
Izgube energije nastanejo zaradi notranjega trenja med delci tekočine ter trenja med delci
tekočine in hidravličnim vodnikom (cev, kanal, žleb). Te izgube npr. pri cevovodih
ugotavljamo na:
- ravnem delu vzdolž cevovoda, imenujemo jih linijske izgube hi L ,
- na posebnih lokacijah cevovoda (kolena, ventili, lopute, zasuni, zožitve), imenujemo
jih lokalne izgube hi Lok.
Hidravlični premer
Hidravlični premer dh je definiran z notranjim presekom cevi S in z obsegom cevi O, ki je
omočena s tekočino [14]. To prikazuje slika 5.1.
Slika 5.1 - Hidravlični premer [14]
Cevovod je omočen po celem obsegu cevi. To upoštevam in izračunam v enačbi 5.2.
O
Sdh
4 (5.2)
mdh 8,1
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 33 -
Hidravlične izgube
Pri tekočinah moramo upoštevati tudi notranje trenje, to je, da imamo v tekočini strižne
napetosti τ, ki so odvisne od hitrosti te tekočine.
Če položimo na mokra tla ploščo s ploščino A, lahko ugotovimo, da potrebujemo za
premikanje plošče neko silo F (slika 5.2). Ta sila je odvisna od ploščine A, od hitrosti pomika
v, od razdalje med ploščo in tlemi B in od sorazmernega faktorja. Sorazmernostni faktor je
specifičen za vsako tekočino in ga imenujemo dinamična viskoznost [17].
B
vAF
(5.3)
Splošneje:
dy
dv
A
F
(5.4)
Slika 5.2 - Strižne sile v tekočini [17]
Da izločimo vpliv mase tekočine, delimo dinamično viskoznost z gostoto. To veličino
imenujemo kinematična viskoznost ν [17].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 34 -
Kinematično viskoznost sem določil glede na medij in njegovo teoretično največjo
možno temperaturo v cevovodu. Za vodo pri teoretični največji temperaturi 20 oC znaša
kinematična viskoznost ν =1,01 mm2/s [9].
Reynoldsovo število
V osnovi imamo opravka z dvema vrstama toka. Laminarni tok imenujemo tok, kjer potekajo
tokovnice po vsem tokovnem prerezu vzporedno. Menjava energije med tokovnicami je
majhna in je izključno posledica trenja tekočine. V tehniki imamo večinoma opravka s
turbulentnim tokom: delci tekočine zadevajo drug ob drugega, zaradi tega nastane nepravilno
gibanje v vzdolžni in prečni smeri toka. Menjava energije v tekočini je večja kot pri
laminarnem toku in je posledica trenja in medsebojnih elastičnih trkov delcev tekočine. Zaradi
večje izmenjave energije znotraj toka je hitrost toka po celotnem prerezu zelo enakomerna, z
izjemo mejne plasti ob steni δ (slika 5.3). S kakšnim tokom imamo opravka nam pove
Reynoldsovo število Re; tok v okroglem cevovodu je npr. turbulenten, če je Re>2300 [17].
Slika 5.3 - Vrste tokov v cevovodih [17]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 35 -
Na osnovi izračunane srednje hitrosti vode c v cevovodu, določene kinematične
viskoznosti ν in omočenosti hidravličnega premera cevovoda dh izračunam Reynoldsovo
število Re (enačba (5.5)).
h
e
dcR
(5.5)
kreR Re105,3 6
Vrednost Reynoldsovega števila mi pove, da je v cevovodu turbulenten tok, ki je osnova
za določitev koeficienta tekočinskega trenja vode ob steno cevovoda.
Relativna hrapavost cevovoda
Za izračun linijskih in lokalnih izgub v cevovodu moramo poznati material cevovoda, ki
določa srednjo absolutno hrapavost k, ki je na sliki 5.4.
Slika 5.4 - Srednje absolutne hrapavosti k [17]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 36 -
Iz slike 5.4 izberem za cevovod varjene jeklene cevi – nove s srednjo absolutno
hrapavostjo k=10-1
mm.
Izračunana relativna hrapavost cevovoda k/Dn znaša .
Linijske izgube v cevovodu
Pri toku tekočin skozi cevi pride zaradi notranjega trenja v tekočini do izgube tlaka Δp. Za
ravno cev velja enačba (5.6).
2
2c
D
Lp
n
(5.6)
Izguba specifične tlačne energije Δp je premo sorazmerna z dolžino cevovoda L, s
kinetično energijo c²/2 in obratno sorazmerna s premerom cevovoda Dn. Sorazmernostni
faktor λ se imenuje koeficient tekočinskega trenja [17].
Celotna dolžina trase cevovoda L, s premerom Dn=1800 mm je razvidna iz slike 5.5.
Slika 5.5 – Predvidena trasa cevovoda [10]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 37 -
Vrednosti za koeficient tekočinskega trenja λ so prikazane grafično v Moodyjevem
diagramu (slika 5.6). Prikazuje koeficient tekočinskega trenja λ za ravne okrogle cevi v
odvisnosti od Reynoldsovega števila Re in relativne hrapavosti k/d.
Slika 5.6 - Moodyjev diagram [17]
Na osnovi izračunanih vrednosti Reynoldsovega števila Re in Relativne hrapavosti k/Dn
iz Moodyjevega diagrama na sliki 5.6 odčitam koeficient tekočinskega trenja λ=0,01.
Izračunana izguba specifične tlačne energije Δp v obliki linijskih izgub hi L=0,011m.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 38 -
Lokalne izgube v kolenih cevovoda
Izgubo tlaka Δp v kolenih, lokih, odcepih, iztokih, priključkih, ventilih, zasunih itd. lahko
določimo samo z meritvami [17].
Podobno kot pri enačbi za ravne cevi velja enačba (5.7) z upoštevanjem koeficienta
lokalnih izgub ζ.
2
2cp
(5.7)
Pri tem je koeficient lokalnih izgub ζ določen za različne vrste krožnih lokov (slika 5.7).
Slika 5.7 - Koeficient lokalnih izgub ζ [9]
Za izračun lokalnih izgub moram poznati traso cevovoda (slika 5.5) iz katere razberem
število in vrste krožnih lokov. Izračun je prikazan v Preglednici 5.1.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 39 -
Preglednica 5.1: Izračun lokalnih izgub na krožnih lokih
Kot krožnih lokov (º) število r/Dn ζ n Δp(Pa)
64 1
1
3,5
,
5
0,0805 0,7 156,2
42 1 3,5
0,0575
0,5
111,6
∑268
Izračunana izguba specifične tlačne energije Δp v obliki lokalnih izgub hi LOK=0,027m.
Lokalne izgube oblike vtoka
2
2cp
35,0 - koeficient izgub oblike vtoka [5]
– maksimalna hitrost vode na vtoku
hi Vt=0,006m
Lokalne izgube potopne stene
2
2cp
82,0 - koeficient izgub oblike potopne stene [5]
- maksimalna hitrost vode ob potopni steni
hi Ps=0,007m
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 40 -
Izgube prehodnega dela vtoka
2
2cp
08,0 - koeficient izgub prehodnega dela [5]
- maksimalna hitrost vode na prehodnem delu
hi Pd=0,001m
Izgube na grobi rešetki
sin2
234
g
c
e
sh
[5] (5.8)
42,2 - koeficient izgub oblike palic rešetke [5]
- maksimalna hitrost vode na rešetki pri 20% zamašenosti
- debelina palic rešetke
- razdalja med palicami
- kot nagnjenosti rešetke glede na smer pretoka vode
hi Gr=0,004m
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 41 -
Izgube na fini rešetki
sin2
234
g
c
e
sh
[5]
42,2 - koeficient izgub oblike palic rešetke [5]
- maksimalna hitrost vode na rešetki pri 20% zamašenosti
- debelina palic rešetke
- razdalja med palicami
- kot nagnjenosti rešetke glede na smer pretoka vode
hi Fr=0,006m
Izgube razcepnega dela cevovoda
2
2cp
23,0 - koeficient izgub razcepnega dela [5]
- hitrost vode v cevi
hi Rd=0,045m
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 42 -
5.3.3 Izračun neto padca
Od bruto padca Hb sem odštel izračunane izgube specifične tlačne energije v obliki linijskih
hiL in lokalnih izgub hiLOK v cevovodu in dobil neto padec Hn (enačba (5.9)).
iRdiFriPdGriPsiVtiKliLbn hhhhhhhhHH (5.9)
mHn 6,10
5.3.4 Kontrola neto padca
Pravilnost izračuna neto padca kontroliram na osnovi pogoja, da mora biti neto padec v
območju 90-98% bruto padca (enačba (5.10))[17].
%100% b
nn
H
HH (5.10)
%99% nH
Rezultat je zadovoljiv, ker se neto padec Hn nahaja v primernem območju.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 43 -
6 DOLOČITEV TURBINSKEGA AGREGATA
6.1 Izbira tipa turbinskega agregata
Za podan padec in pretok je zelo pomembno, da se izbere primeren tip turbine. Izbrani tip
turbine mora predstavljati optimalno rešitev za dane geološke in hidrološke parametre.
V elektrarnah se uporablja več vrst vodnih turbin za različna področja neto padcev H in
pretokov (slika 6.1.). Za višje padce in manjše pretoke ustrezajo peltonove turbine.
Srednjim pretokom in srednjim padcem ustrezajo francisove turbine. Kaplanove turbine
(propelerske S- turbine in cevne turbine) so uporabne za večje pretoke in nizke padce.
Slika 6.1. Uporabna območja vodnih turbin [7]
Kaplan
Francis
Kaplan
Pelton
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 44 -
Glede na pretok =5 m3/s pri neto padcu Hn=10,5 m, določim točke izbora tipa turbine,
ki je označena z rdečo točko. Položaj točke je v optimalnem območju cevne turbine, to je
območje z majhnim padcem in velikim pretokom. Izberem cevno turbino, ki bo imela
približno moč P=450 kW na osi turbine.
Zaradi zagotavljanja konstantnega pretoka na jezu v Markovcih in zelo majhnega
nihanja gladine vode v akumulacijskem jezeru, izberem neregulirano cevno S turbino.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 45 -
7 TEORIJA STATISTIČNE METODE ZA PRETOČNI TRAKT
TURBINE
7.1 Uvod
Izbrani cevna turbina mora imeti geometrijske parametre, ki so rezultat dosedanjega razvoja
in eksploatacije. Osnova za določitev optimalnih geometrijskih parametrov je statistična
obdelava podatkov že izdelanih in delujočih turbinskih agregatov.
Za določitev parametrov pretočnega trakta cevne turbine v mali HE Markovci sem
uporabil magistrsko nalogo: Gregori Janez. Optimizacija energetskih in geometrijskih
parametrov vodnih turbin: magisterij. Ljubljana : Fakulteta za strojništvo, 1987.
7.2 Obdelava statističnih podatkov z matematično statistiko
Vrednotenje statističnih podatkov zajema:
- zbiranje,
- urejanje,
- grafično iskanje relacije med dvema parametroma,
- analitično določanje meril kvalitete dobljene povezave.
Medsebojno povezanost opisuje regresijska krivulja. Nadomešča množico dveh
koreliranih parametrov na korelacijskem diagramu.
Osnova za statistično opazovanje je zbiranje podatkov o energetskih in geometrijskih
parametrih vodnih turbin različnih proizvajalcev.
Urejanje je prikaz zbranih podatkov v obliki tabele, ki ima zaradi univerzalnosti
sistematsko sestavo. Predstavlja najpreglednejši pregled nad zbranimi podatki in služi kot
osnova za nadaljnje raziskovanje.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 46 -
Grafični prikaz je nadgradnja tabelaričnega prikaza. Nazorno podaja zvezo med dvema
opazovanima parametroma in istočasno prikazuje smernice za podrobno statistično obdelavo.
7.3 Regresijska krivulja
Krivulja, ki poteka med vrisanimi točkami na diagramu se imenuje regresijska krivulja.
Predstavlja nadomestno množico dvojic statističnih podatkov in prikazuje funkcijsko
zakonitost v idealnem primeru.
Regresijske krivulje določamo po različnih metodah. Osnova za določitev regresijske
krivulje je izbira pravilnega tipa krivulje, ki naj predstavlja trend. Krivulja mora biti smiselna,
objektivna in enostavne matematične oblike.
Kot trend pri statističnem opazovanju vodnih turbin uporabimo analitično dobljeno
regresijsko krivuljo v obliki premice (enačba (7.1)).
bxaxfy )( (7.1)
7.4 Teorija korelacije
7.4.1 Srednja vrednost
Srednjo vrednost določa prvi ničelni moment, ki ga predstavljamo z enačbama srednje
vrednosti spremenljivk x in y (enačba (7.2)).
N
i
ixN
x1
0,1
1
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 47 -
N
j
iyN
y1
1,0
1 (7.2)
7.4.2 Standardna deviacija
Standardno deviacijo ali interval zaupanja definira drugi ničelni moment, ki predstavlja
raztros točk statističnih spremenljivk x in y (enačba (7.3)).
N
i
i xxN
xD1
2
0,2 )(1
N
j
j yyN
yD1
2
2,0 )(1
(7.3)
Drugi ničelni moment predstavlja odstopanja posameznih statističnih spremenljivk ix in
iy od njunih srednjih vrednosti x in y . To odstopanje imenujemo varianca.
V primeru, da je vrednost variance zelo majhna, so točke zelo ozko razporejene okrog
srednje vrednosti. Velikost razsipanja prikazujemo s standardno deviacijo ali standardnim
odklonom (enačba (7.4)).
N
i
ix xxN 1
2
0,2
1
N
j
jy yyN 1
2
2,0
1 (7.4)
Za analizo statističnih podatkov vodnih turbin uporabljamo modificirano obliko
standardne deviacije ali modificiran interval zaupanja, ker obravnavamo manjše število
statističnih podatkov (enačba (7.5)).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 48 -
N
i
ix xxN 1
2
1
1
N
j
jy yyN 1
2
1
1 (7.5)
Glede na zakonitost frekvenčne distribucije sledi, da je verjetnost razporeditve
statističnih podatkov znotraj pasu oziroma intervala zaupanja (enačba (7.6)).
%27,68 xxx
%45,9522 xxx
%73,9933 xxx (7.6)
7.5 Metoda določanja regresijskih krivulj
7.5.1 Analitična metoda
Za analitično določitev regresijske krivulje ali trenda uporabimo metodo najmanjših
kvadratov. Metoda najmanjših kvadratov je najpogosteje uporabljena zaradi vsestranske
univerzalnosti, praktičnosti in natančnosti.
Za popis regresijske krivulje in korelacije cevne turbine uporabimo odvisnost premera
pesta turbine pD in rotorja RD od specifičnih vrtljajev qpn (enačba (7.7)).
)(/ qpRp nfDD (7.7)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 49 -
7.5.2 Metoda najmanjših kvadratov
Predstavlja merilo stopnje najboljše prilagojenosti regresijske krivulje (slika 7.1.) dani
osnovni vrsti statističih podatkov (x – y).
Pogoj merila stopnje prilagojenosti predstavlja tista regresijska krivulja, kjer je vsota
kvadratov odklonov najmanjša (enačba (7.8)). Regresijska krivulja bo tem bolje prilagojena
podatkom, čim manjša bo vsota in obratno.
MinDDDS rY 22
2
2
1
2 ... (7.8)
Slika 7.1 Regresijska krivulja [6]
Definicije D (slika 7. 1) predstavljajo vertikalno odstopanje koordinat točk od koordinat
na regresijski krivulji (enačba (7.9)). Predstavljajo pogoj metode najmanjših kvadratov.
MinyyyyyyS nY 22
2
2
1
2 )...()()(
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 2 4 6 8 10 12
x
y
xn
yn
x1
y1
Tn(xn,yn)
regresijska krivulja
dvodimenzionalna regresija Dn
D2
D1
y2
y1
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 50 -
MinyySN
i
iY
2
1
2 )( (7.9)
V praksi je običajno, da odvisna spremenljivka ni funkcija ene same, ampak dveh ali
več neodvisnih spremenljivk (enačba (7.10)).
cybxaZ (7.10)
Enačba (7.10) predstavlja ravnino v koordinatnem tridimenzionalnem sistemu, kjer se
koordinate (x1,y1,Z1), (x2,y2,Z2),...(xn,yn,Zn) porabijo za izračun oddaljenosti posameznih točk
od te regresijske ravnine. Metoda najmanjših kvadratov se v tem primeru prevede na sistem
normalnih enačb (enačba (7.11)).
N
i
N
i
ii
N
i
i ycxbNaZ1 11
N
i
N
i
iii
N
i
i
N
i
ii yxcxbxaZx1 1
2
11
N
i
N
i
iii
N
i
i
N
i
ii ycyxbyaZy1 1
2
11
(7.11)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 51 -
8 IZRAČUN PARAMETROV PRETOČNEGA TRAKTA
CEVNE TURBINE PO STATISTIČNI METODI
Statistične podatke za obstoječe turbine v obratovanju po letu 1970 prikažemo grafično v
obliki diagramov, posamezne vrednosti pa veljajo za optimalne pogoje obratovanja. Podatki o
obstoječih turbinah vnesenih v diagrame tvorijo polje točk, katerim je določena regresijska
krivulja. Regresijska krivulja je določena po metodi najmanjših kvadratov. Predstavlja
optimalno karakteristiko za zelo široko področje specifičnih vrtilnih hitrosti turbin. Njeno
kvaliteto postavitve pa določa korelacijski koeficient in standardna deviacija.
Korelacijski koeficient r določa smer in tesnost dveh statističnih spremenljivk.
Standardna deviacija ali odklon σ določa povprečje odstopanj odvisne spremenljivke od
regresijske krivulje.
Specifična vrtilna hitrost popisuje lastnosti turbin in vsi statistični parametri so
prikazani v njeni odvisnosti. Dobljeni statistični parametri omogočajo določitev hidravličnih
in energetskih ter geometrijskih parametrov turbin.
Hidravlične in energetske parametre določa padec, potreben za pretok vode skozi
turbino in je funkcijsko odvisen od specifične vrtilne hitrosti. Povezava določi tip turbine
Geometrijski parametri določajo dimenzije turbine in njegov najpomembnejši del,
gonilnik, ki predstavlja osnovo gabaritov turbine.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 52 -
8.1 Pretočni trakt
8.1.1 Specifična vrtilna hitrost
Specifična vrtilna hitrost turbine prikaže, kakšno vrtilno hitrost bi morala imeti geometrično
podobna turbina, grajena za koristni padec, pretok in vrtilno hitrost, da bi pri koristnem padcu
H=1 m imela pretok =1 m3/s [17].
Na sliki 8.1 je prikazana množica točk in podatkov o cevnih turbinah zgrajenih po letu
1976 z vrisano regresijsko funkcijo Hn=f(nq).
Slika 8.1 - Regresijska krivulja Hn=f(nq) [6]
242; 10,6
2
20
140
H
nq
4
6
8
10
30
280 400
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 53 -
Analitična oblika regresijske krivulje je določena z metodo najmanjših kvadratov in
sicer je to geometrijska krivulja, ki jo z logaritemsko transformacijo pretvorimo v premico.
Prikaz v logaritemskem diagramu je elegantnejši, določanje analitične povezave pa
enostavnejše.
Funkcija je v tem primeru padajoča, z večanjem specifične vrtilne hitrosti se neto padec
zmanjšuje.
Analitična odvisnost z oceno korelacije je:
6,169180 qn nH (8.1)
1min242 qn
%94,86r
8077,3
Rezultat za specifično vrtilno hitrost je nq=242 min-1
v območju nq=210 – 400 min-1
[6],
ki ustreza cevni turbini in ga vrišem v graf Hn=f(nq) prikazan na sliki 8.1.
Iz zgoraj dobljenih rezultatov je vidno da je vrednost standardne deviacije nekoliko
večja, korelacijski koeficient nekoliko manjši, zaradi tega je raztros točk nekoliko večji, kar
pomeni da so točke nekoliko na široko razporejene okoli regresijske krivulje.
Točka obravnavane turbine se nahaja zelo blizu regresijske krivulje, blizu optimuma,
kar pomeni da turbina sledi trendu že obratujočih turbin, na osnovi katerih so dobljeni podatki
za statistično analizo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 54 -
8.1.2 Imenska vrtilna hitrost
Imensko vrtilno hitrost Ni imenujemo tisto število vrtljajev turbinske gredi na minuto, s
katerim mora obratovati turbina ne glede na obremenitev, da je njen izkoristek najboljši. V
hidroelektrarnah, ki imajo turbine in generatorje neposredno sklopljene, je imenska vrtilna
hitrost vedno enaka eni izmed sinhronskih vrtilnih hitrosti [15]. Izračunam jo iz enačbe za
specifično vrtilno hitrost (enačba (8.2)).
V
HnN qi
4 3
(8.2)
1min636 iN
Dobljena imenska vrtilna hitrost turbine ni enaka sinhronski vrtilni hitrosti Ns
generatorja. Vrtilna hitrost generatorja je določena s frekvenco f električnega omrežja in
številom parov polov P generatorja, zato jo imenujemo sinhronska vrtilna hitrost. Sinhronsko
vrtilno hitrost izberem iz preglednice 2.2, poglavje 2.3.2 in znaša:
1min428 SN
Pobežna vrtilna hitrost Np, ki je izračunam iz enačbe (2.6) znaša:
1min942 pN
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 55 -
8.1.3 Energijsko in pretočno število
Parametra, ki podajata značilnosti turbinskega agregata in njegovo obratovalno točko sta
energijsko ψ in pretočno število φ, ki sta brezdimenzijski števili.
Na sliki 8.2 je prikazana množica točk in podatkov energijskih in pretočnih števil z
vrisano regresijsko funkcijo ψ=f(nq).
Slika 8.2 - Regresijska krivulja ψ=f(nq) [6]
Analitična oblika regresijske krivulje za energijsko število ψ je geometrijska krivulja, ki
jo z logaritemsko transformacijo pretvorimo v premico.
Funkcija je v tem primeru padajoča, z večanjem specifične vrtilne hitrosti se energijsko
število ψ zmanjšuje.
242; 0,26 Ѱ
nq
240 360 120 400
0,24
0,36
0,48
0,50
0,12
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 56 -
Analitična odvisnost z oceno korelacije:
035,177 qn (8.4)
26,0
%07,95r
06035,0
Iz zgornjih rezultatov se vidi da je standardna deviacija precej nizka, zaradi tega je
raztros točk okoli regresijske krivulje majhen. Koeficient korelacije je visok, kar pomeni
visoko stopnjo povezanosti med dvema spremenljivkama.
Na sliki 8.3 je prikazana množica točk in podatkov energijskih in pretočnih števil z
vrisano regresijsko funkcijo φ=f(nq).
Slika 8.3 - Regresijska krivulja ϕ=f(nq) [6]
242; 0,31
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
100 150 200 250 300 350 400
ϕ
nq
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 57 -
Analitična oblika regresijske krivulje za pretočno število φ je premica.
Funkcija je linearna in naraščajoča, z večanjem specifične vrtilne hitrosti se veča tudi
pretočno število φ.
Analitična odvisnost z oceno korelacije:
qn 00085,01075,0 (8.5)
31,0
%86r
072,0
Iz zgornjih rezultatov se vidi da je standardna deviacija precej nizka, zaradi tega je
raztros točk okoli regresijske krivulje majhen. Koeficient korelacije je relativno nizek, kar
pomeni nižjo stopnjo povezanosti med dvema spremenljivkama.
Rdeči točki energijskega in pretočnega števila sta blizu regresijski krivulji, blizu
optimumu, kar pomeni da turbina sledi trendu že obratujočih turbin, na osnovi katerih so
dobljeni podatki za statistično analizo.
8.1.4 Školjčni diagram
Na osnovi izračunanih brezdimenzijskih energijskih in pretočnih števil lahko razberem
izkoristke cevne turbine iz školjčnega diagrama in določim optimalno obratovalno točko.
Na sliki 8.4 je prikazan primer školjčnega diagrama za cevno turbino s podobnimi
podatki za specifično vrtilno hitrost, energijsko in pretočno število. Na ordinatni osi je
prikazano brezdimenzijsko število ψ, ki je odvisno pri obravnavani turbini od neto padca Hn.
Na abscisni osi je prikazano brezdimenzijsko število φ, ki je odvisno od pretoka . Izkoristki
so predstavljeni v obliki zveznih koncentričnih izolinij tako, da lahko enostavno razberemo in
določimo karakteristike turbine. Brezdimenzijski števili ψ in φ določata optimalno
obratovalno točko cevne turbine, pri kateri ima turbina najboljši izkoristek.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 58 -
Slika 8.4 - Školjčni diagram [1]
Optimalna obratovalna točka turbine male HE Markovci je pri 87,7%. Ta podatek
uporabim za določitev pretoka najboljšega izkoristka ηi cevne turbine (slika 8.4).
8.1.5 Postavitev gonilnika nad spodnjo vodo
Turbina je najbolj zavarovana proti kavitaciji, če ni postavljena previsoko nad spodnjo vodo
v odvodnem kanalu.
Kavitacija na lopatici se pojavi, ko tlak na njej pade pod kritično vrednost. Ta je v
veliki meri odvisna od natočnega kota tekočine. Minimalni tlak na lopatici bo najvišji ob
idealnem natoku tekočine. Povečanje ali zmanjšanje pretoka pa se odraža na povečanem
padcu tlaka na sesalni ali na tlačni strani lopatice, čemur lahko sledi pojav kavitacije.
0,2 0,3 0,35 0,25 0,1 0,15
ϕ
ψ
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,31 0,4
0,26
0,4
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 59 -
Kavitacijo lahko delno, ne pa popolnoma, odpravimo. Lahko jo omilimo tako, da pri
cevnih turbinah postavimo dovolj dolgo in ustrezno oblikovano sesalno cev.
Sesalna dolžina cevne turbine ne sme presegati maksimalno dovoljene vrednosti, pri
kateri se še ne pojavi kavitacija. Sesalno dolžino določimo od gladine spodnje vode do osi
turbine.
Koeficient kavitacije
Nevarnost kavitacije napove kavitacijsko število ali koeficient kavitacije σs, ki je odvisen od
tlaka kapljevine, uparjalnega tlaka te kapljevine in kinetične energije.
Brezdimenzijsko kavitacijsko število je razmerje med tlačno in kinetično energijo. Po
izkušnjah se začne kavitacija pri 0,2 – 0,5 in je faktor, ki najbolj omejuje prenos izkušenj z
modela na izvedbo [17].
Na sliki 8.5 je prikazana množica točk in podatkov o koeficientih kavitacije iz
razpoložljive baze podatkov cevnih turbin vrisanih v logaritemski diagram, ki predstavljajo
regresijsko funkcijo σs =f(nq).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 60 -
Slika 8.5 - Regresijska krivulja =f(nq) [6]
Analitična oblika regresijske krivulje je geometrijska krivulja, ki je v diagramu na sliki
(8.5) z logaritemskim transformiranjem pretvorjena v premico.
Funkcija je naraščajoča, z večanjem specifičnega števila vrtljajev naraščajo vrednosti
koeficienta kavitacije.
Analitična odvisnost z oceno korelacije:
75,151066,8 qs n (8.6)
29,1s
%27,95r
3719,0
242; 1,29
0,1
1
σs
nq 100 200
2
0,2
280
0,3
0,4
0,5
0,6
0,8
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 61 -
V diagramu je viden ozek raztros točk okoli regresijske krivulje, zato ker je standardna
deviacija nizka. Koeficient korelacije je visok, kar pomeni višjo stopnjo povezanosti med
dvema spremenljivkama.
Koeficient kavitacije za cevno turbino mi je uspelo določiti dokaj natančno zaradi
zadostnega števila podatkov. Izračunana točka je zelo blizu regresijske krivulje , blizu
optimuma. Nahaja se nekoliko bolj na desno v diagramu, zaradi visoke specifične vrtilne
hitrosti. V ta diagram so vneseni podatki za cevne turbine z nekoliko bolj nižjimi specifičnimi
hitrostmi.
Sesalna višina
Sesalna višina pri turbinskem agregatu cevne turbine je zelo pomembna. Je razdalja med
centrom rotirajoče osi agregata in gladino spodnje vode v odvodnem kanalu.
Cevna turbina energetsko izkorišča celoten padec med gladino zgornje in spodnje vode,
čeprav je njen gonilnik postavljen nekaj metrov nad gladino spodnje vode. Izstop vode iz
gonilnika do gladine spodnje vode je povezan s stožčasto razširjeno sesalno cevjo, kar turbini
omogoča, pretvorbo kinetične energije v tlačno in posredno poveča energijski izkoristek
turbine.
Geodetska sesalna višina je odvisna od višine zračnega tlaka HBAR, ki se spreminja z
nadmorsko višino. Za vodo so višine zračnega tlaka podane v preglednici 8.1.
Preglednica 8.1: Vrednosti zračnega tlaka [9]
Nadmorska višina (m.n.m) 0 100 300 500 1000 2500
Višina zračnega tlaka HBAR (m) 10,3 10,2 9,9 9,7 9,2 7,7
Tlak nasičene vodne pare je odvisen od vrste kapljevine in njene temperature. Pri vodi
je tlačna višina vodne pare odvisna od temperature, kar je razvidno iz preglednice 8.2.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 62 -
Preglednica 8.2: Vrednosti tlačne višine vodne pare [9]
Temperatura (CO) 5 10 20 50 80 100
Tlačna višina vodne pare HV (m) 0,09 0,12 0,24 1,26 4,83 10,33
Iz preglednice 8.1 izberem višino zračnega tlaka HBAR=10 m pri 200 m.n.m, kar ustreza
lokaciji strojnice s turbinskim agregatom.
Iz preglednice 8.2 izberem tlačno višino vodne pare HV=0,12 m, kar ustreza povprečni
letni temperaturi vode reke Drave na tej lokaciji , ki je približno 10 Cº.
Sesalno višino izračunam v enačbi (8.7) [15].
VnsBARS HHHH (8.7)
mH S 8,3
Gonilnik turbine mora biti potopljen minimalno za 3,8m pod gladino spodnje vode, za
varno obratovanje brez kvarnega vpliva kavitacije.
8.1.6 Gonilnik
Koeficient obodne hitrosti
Brezdimenzijski števili φ in ψ omogočata posredno določiti tudi premer gonilnika Dr.
Določanje premera gonilnika na statistični osnovi pa omogoča brezdimenzijsko število
imenovano koeficient obodne hitrosti Ku enačba (8.8) [6].
n
iru
Hg
NDK
260
(8.8)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 63 -
Na sliki 8.6 je prikazana množica točk in podatkov o koeficientu obodne hitrosti, ki
predstavlja regresijsko funkcijo Ku =f(nq).
Slika 8.6 - Regresijska krivulja Ku=f(nq) [6]
Analitična oblika regresijske krivulje je premica. Funkcija je naraščajoča, z večanjem
specifične vrtilne hitrosti se veča tudi koeficient obodne hitrosti Ku.
Analitična odvisnost funkcije z oceno korelacije:
qu nK 0038,01 (8.9)
9196,1uK
%5,81r
25881,0
Iz zgornjih rezultatov je razvidno da je raztros točk okoli regresijske krivulje relativno
majhen, točke se držijo blizu regresijske krivulje kljub temu da je standardna deviacija višja in
242; 1,9196
1
1,5
2
2,5
3
100 150 200 250 300 350 400
Ku
nq
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 64 -
koeficient korelacije nekoliko nižji. Kljub navedenemu pa je navedena funkcijska odvisnost
relevantna in nam lahko služi za izbor osnovne velikosti gonilnika.
Točka, ki predstavlja obravnavano turbino, je zelo blizu regresijske krivulje, blizu
optimumu, in sledi trendu že obratujočih turbin.
Premer gonilnika
Pristop k določitvi osnovnih dimenzij pretočnega trakta cevne turbine omogočajo rezultati
geometrijskih parametrov. Premer gonilnika Dr pomeni osnovno karakteristično dimenzijo, po
kateri se ravnajo vse ostale dimenzije pretočnega trakta.
Iz koeficienta obodne hitrosti dobimo:
n
iru
Hg
NDK
260
i
nu
rN
HgKD
260
(8.10)
mmDr 831
Iz energijskega števila dobimo:
mm
N
HgD
DN
Hg
i
nr
ri
n 849
44
22
222
(8.11)
Iz pretočnega števila dobimo:
m
N
VD
DN
Hg
i
r
ri
n 860
44
3 232
2
(8.12)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 65 -
Izračunam srednjo vrednost premera gonilnika, ki jo vzamem za merodajno:
mDrsr 847
8.1.7 Geometrijski parametri pretočnega trakta
Analiza geometrijskih parametrov bazira na razpoložljivih podatkih že obstoječih cevnih
turbin, ki so osnova za projektiranje novih. Premer gonilnika Dr služi za določitev glavnih
gabaritov cevnega gonilnika in vodilnika. Vsi podatki so predstavljeni relativno glede na
premer gonilnika v odvisnosti od specifične vrtilne hitrosti.
Premer pesta gonilnika turbine
Velikost premera pesta turbine je zelo pomemben podatek pri projektiranju cevnih turbin
Na sliki 8.7 je prikazana množica točk in podatkov o razmerju premera pesta gonilnika
Dp in premera gonilnika Dr, ki predstavlja regresijsko funkcijo Dp/Dr=f(nq).
Slika 8.7 - Regresijska krivulja Dp/Dr=f(nq) [6]
242; 0,389
0,3
0,4
0,5
0,6
150 200 250 300 350 400
Dp/Dr
nq
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 66 -
Analitična oblika regresijske krivulje, ki je določena z metodo najmanjših kvadratov, je
premica. Raztros točk je relativno velik, kar navaja na šibko korelirani odnos med premerom
pesta in zunanjim premerom gonilnika.
Funkcija je padajoča, z naraščanjem specifične vrtilne hitrosti razmerje Dp/Dr pada.
Kljub majhnemu številu podatkov je bilo mogoče določiti analitično vrednost funkcije
in oceno korelacije:
q
r
pn
D
D 4102,2443,0 (8.13)
%04,58r
04935,0
389,0r
p
D
D
Iz rezultatov se vidi da je vrednost standardne deviacije majhna prav tako je vrednost
korelacijskega koeficienta majhna, zaradi tega je raztros točk okoli regresijske krivulje
relativno velik.
Točka obravnavane turbine je kljub malemu številu analitičnih podatkov dokaj blizu
regresijske premice v primerjavi z ostalimi točkami, blizu optimuma.
Na podlagi razmerja Dp/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam premer pesta gonilnika Dp
iz enačbe (8.14).
rsrqp DnD 4102,2443,0 (8.14)
mmDp 330
Premer pesta gonilnika Dp =330mm.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 67 -
Notranji in zunanji radij vodilnih lopatic
Notranji in zunanjii radij R1 in R2 vodilnih lopatic sta pomembna pri projektiranju, ker
določata obris pretočnega polja.
Na sliki 8.8 je prikazana množica točk notranjega in zunanjega radija vodilnih lopatic
R1, R2 in premera vstopne odprtine gonilnika Dr, ki predstavlja regresijsko funkcijo
R1,2/Dr=f(nq).
Slika 8.8 - Regresijska krivulja R1/Dr in R2/Dr=f(nq) [6]
Iz porazdelitve točk na obeh razmerjih radijev lahko vidimo neizrazit trend naraščanja
odnosno padanja razmerji od specifične vrtilne hitrosti.
Analitična oblika regresijske krivulje v obeh primerih R1 in R2 je premica. V primeru
R1/Dr je funkcija naraščajoča, z večanjem specifične hitrosti se veča razmerje R1/Dr. V
primeru R2/Dr je funkcija padajoča, z večanjem specifične hitrosti se manjša vrednost R2/Dr.
242; 0,391
242; 0,743
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
150 200 250 300 350 400
R2/Dr
nq
R2/Dr
R1/Dr
R1/Dr
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 68 -
Oba radija sta glede na velikost specifične vrtilne hitrosti dokaj konstantna, sprememba
je manjša od 22% glede na njuni srednji vrednosti. Potek obeh trendov je nasproten, kar
nakazuje na ožje pretočno polje pri višjih specifičnih hitrosti.
Analitična vrednost funkcije z oceno korelacije razmerja notranjega radija vodilnih
lopatic R1 in premera vstopne odprtine gonilnika Dr :
q
r
nD
R 41 1052,1335,0
(8.15)
371,01 rD
R
%55r
09365,0
Standardna deviacija je majhna, zaradi tega je raztros točk okli regresijske premice
relativno majhen. Koeficient korelacije je majhen, kar kaže na nizko stopnjo povezanosti med
dvema spremenljivkama.
Točka obravnavane turbine je skoraj na premici, skoraj na optimumu. Turbina sledi
trendu že izdelanih turbin.
Analitična vrednost funkcije z oceno korelacije razmerja zunanjega radija vodilnih
lopatic R2 in premera vstopne odprtine gonilnika Dr:
q
r
nD
R 42 1086,3837,0
(8.16)
%2,60r
07873,0
744,02 rD
R
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 69 -
Standardna deviacija je majhna, zaradi tega je raztros točk okoli regresijske premice
relativno majhen. Koeficient korelacije je majhen, kar kaže na nizko stopnjo povezanosti med
dvema spremenljivkama.
Točka obravnavane turbine je blizu premice, blizu optimuma. Turbina sledi trendu že
izdelanih turbin.
Na podlagi razmerja R1/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam notranji radij vodilnih
lopatic iz enačbe (8.17).
rsrq DnR 4
1 1052,1335,0
(8.17)
mmR 3151
Notranji radij vodilnih lopatic je R1 =315mm.
Na podlagi razmerja R2/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam zunanji radij vodilnih
lopatic iz enačbe (8.18).
rsrq DnR 4
2 1086,3837,0
(8.18)
mmR 6302
Zunanji radij vodilnih lopatic je R2=630mm.
Dolžina in premer hruške turbine
Oblikovanje hruške turbine kot obtočnega telesa bazira na njenih osnovnih izmerah, to je na
njeni dolžini Ls in njenem premeru Ds.
Na sliki 8.9 je prikazana množica točk dolžine L s, premera hruške turbine Ds in premera
vstopne odprtine gonilnika Dr, ki predstavlja regresijsko funkcijo Ls/Dr=f(nq) in Ds/Dr=f(nq).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 70 -
Slika 8.9 - Regresijska krivulja Ls/Dr in Ds/Dr=f(nq) [6]
Analitična oblika regresijske krivulje v obeh primerih Ls in Ds je premica, prav tako je
v obeh primerih Ls/Dr in Ds/Dr je funkcija padajoča, z večanjem specifične hitrosti se manjša
vrednost Ls/Dr in Ds/Dr.
Analitična vrednost funkcije z oceno korelacije razmerja dolžine Ls in premera vstopne
odprtine gonilnika Dr :
q
r
s nD
L 00123,0579,2
(8.19)
%23,56r
31336,0
281,2r
s
D
L
242; 2,281
242; 0,975
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
150 200 250 300 350 400
Ds/Dr
nq
Ls/Dr
Ls/Dr
Ds/Dr
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 71 -
Standardna deviacija je relativno majhna, zaradi tega je raztros točk okoli regresijske
premice relativno majhen. Koeficient korelacije je majhen, kar kaže na nizko stopnjo
povezanosti med dvema spremenljivkama.
Točka obravnavane turbine je skoraj na premici, skoraj na optimumu. Turbina sledi
trendu že izdelanih turbin.
Analitična vrednost funkcije z oceno korelacije premera hruške Ds in premera vstopne
odprtine gonilnika Dr :
q
r
s nD
D 4108,6143,1
(8.20)
%79,58r
19953,0
975,0r
s
D
D
Standardna deviacija je relativno majhna, zaradi tega je raztros točk okoli regresijske
premice relativno majhen. Koeficient korelacije je majhen, kar kaže na nizko stopnjo
povezanosti med dvema spremenljivkama.
Točka obravnavane turbine je skoraj na premici, skoraj na optimumu. Turbina sledi
trendu že izdelanih turbin.
Na podlagi razmerja Ls/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam dolžino hruške turbine iz
enačbe (8.21).
rsrqs DnL 0123,0579,2
(8.21)
mmLs 1932
Dolžina hruške turbine Ls =1932mm.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 72 -
Na podlagi razmerja Ds/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam premer hruške turbine v
enačbi (8.22).
rsrqs DnD 4108,6143,1
(8.22)
mmDs 829
Premer hruške turbine Ds =829mm.
Na sliki 8.10 so prikazane osnovne dimenzije cevne turbine.
Slika 8.10 – Geometrijski parametri pretočnega trakta
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 73 -
Lopatice gonilnika
Lopatice gonilnika so določene glede na specifično vrtilno hitrost nq in velikost razmerja
premera pesta gonilnika in vstopne odprtine gonilnika Dp /Dr .
Na podlagi preglednice 8.3 sem ugotovil, da bo imel cevna turbina 4 gonilne lopatice,
kar ustreza izračunanemu razmerju premeru pesta gonilnika in vstopne odprtine gonilnika
Dp /Dr=0,389 in specifične vrtilne hitrosti nq =242 min-1
.
Preglednica 8.3: Odvisnost števila lopatic od razmerja Dp / Dr in specifične vrt.
Hitrosti[12]
Število lopatic 3 4 5 6 8 10
Razmerje Dp / Dr 0,3 0,4 0,5 0,55 0,6 0,7
Specifična vrt. hitrost (min-1
) 316 253 189 127 110 95
8.1.8 Sesalna cev
Naloge sesalne cevi cevne turbine so:
- odvaja vodo iz gonilnika v odvodni cevovod;
- omogoča postavitev gonilnika nad spodnjo vodo, ne da bi se pri tem del padca izgubil
do gladine spodnje vode;
- zmanjša izstopne izgube gonilnika, tako da pretvarja kinetično energijo vodnega toka
v tlačno energijo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 74 -
Vstopna hitrost vodnega toka v sesalni cev
Čim višje je specifično število vrtljajev turbine, bolj narašča kinetična energija vodnega toka
iz gonilnika in tako tudi hitrost. Zaradi zveznega povečanja presekov sesalne cevi proti
izstopnemu premeru, se hitrost vodnega toka zmanjšuje proti izstopu [15].
Na sliki 8.11 je prikazana množica točk in podatkov o vstopni hitrosti vodnega toka v
sesalni cevi, ki predstavljajo regresijsko funkcijo vS =f(nq).
Slika 8.11 - Regresijska krivulja vS=f(nq) [6]
Analitična oblika regresijske krivulje, ki je določena z metodo najmanjših kvadratov, je
premica. Funkcija je padajoča, z naraščanjem specifične vrtilne hitrosti vrednost vs pada.
Analitična odvisnost funkcije z oceno korelacije:
qS nv 00216,0286,2 (8.23)
%87,23r
242; 2,81
1
2
3
4
100 120 140 160 180 200 220 240 260
vs
nq
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 75 -
5286,0
smvS 81,2
Iz rezultatov se vidi da je vrednost standardne deviacije nekoliko velika, prav tako je
vrednost korelacijskega koeficienta precej majhna, zato je raztros točk okoli regresijske
premice velik in povezanosti med dvema spremenljivkama ima nizko stopnjo.
Točka obravnavane turbine je blizu premice, kljub kar velikemu raztrosu točk okoli
regresijske premice. Turbina sledi trendu že izdelanih turbin.
Izstopna hitrost vodnega toka v sesalni cevi
Izstopna hitrost vodnega toka v sesalni cevi vSI se mora čim bolj približati hitrosti vode v
odvodnem kanalu, ki znaša 1m/s.
Izstopno hitrost vodnega toka vsi in njeno ustreznost izračunam v enačbi (8.24) [6].
132,2
n
nsi
H
Hv (8.24)
smvsi /47,1
Rezultat ustreza izrazu v enačbi (8.25):
04,02
2
n
s
Hg
vi
(8.25)
04,00104,0
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 76 -
Parametri sesalne cevi
Za ta tip cevne turbine ustreza horizontalna sesalna cev v obliki krivine (S oblika).
Glavna naloga sesalne cevi je, da ustvarja v svojem vstopnem delu podtlak (vakuum), ki
se povečuje z velikostjo sesalne dolžine. Sesalna cev sesa vodo iz gonilnika in tako s
sesanjem enakovredno zamenja tisti del vodnega tlaka, ki bi deloval na gonilnik, če bi ga
postavili v višini gladine spodnje vode v odvodnem kanalu. Izstop iz sesalne cevi mora biti
potopljen pod najnižjo možno gladino vode v odvodnem kanalu tako, da tudi pri najnižji
gladini zrak ne more vstopiti v cev. V tem primeru bi se vakuum v sesalni cevi uničil in cev
ne bi opravljala svoje naloge.
Minimalno dolžino izračunam v enačbi (8.26). Parameter Ds predstavlja premer sesalne
cevi na vstopu, ki je enaka premeru gonilnika Dr.
s
S
Dv
VL
I
4,496,4min (8.26)
mL 3,5min
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 77 -
9 PARAMETRI CEVNE TURBINE
9.1 Generator
Glede na dosedanje rešitve podobnih primerov, sem se odločil da bosta v strojnico vgrajena
dva tri fazna asinhronska generatorja s kratkostično kletko moči 450kW. Generatorska gred
bo direktno spojena z gredjo turbine preko elastične sklopke. Hlajenje generatorja bo prisilno
zračno s pomočjo venca ventilatorskih krilc na rotorju. Izgubljena toplota generatorja se bo
odvajala iz objekta preko odvodnih kanalov, v zimskem času pa se bo uporabljala za
ogrevanje strojnice. Generatorska ležaja bosta mazana z mastjo in zračno hlajena, temperatura
ležajev se bo merila z uporovnimi termometri. Osnovni tehnični podatki generatorja so podani
v preglednici 9.1.
Preglednica 9.1: Osnovni tehnični podatki generatorja
Nazivna moč 450 kW
Napetost obratovanja 3x400 V
Frekvenca 50Hz
Nazivna hitrost vrtenja 428 min-1
Pobežna hitrost vrtenja 942 min-1
Nazivni faktor moči 0,83
Izkoristek ηig 0,93
Masa 6000 kg
9.2 Moč turbinskega agregata
Izkoristek cevne turbine, ki sem ga odčital iz školjčnega diagrama znaša 87,7%. Iz tabele
tehničnih podatkov generatorja sem razbral izkoristek generatorja, ki znaša 93%. Oba podatka
uporabim za izračun moči turbinskega agregata v enačbi (9.1).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 78 -
iginA HVP
8,9 (9.1)
kWPA 424
Moč turbinskega agregata je zmanjšana za izkoristek turbine in generatorja, kar povsem
ustreza neto padcu in pretoku.
9.3 Proizvodnja turbinskega agregata
Letna proizvodnja električne energije EL je izračunana na osnovi hidroloških podatkov in
izkoristka turbinskega agregata za dve obdobji.
Obdobje 15.10 – 15.03:
hHVE iginL 36008,91
(9.2)
GWhEL 52,11
Za to obdobje upoštevam da deluje samo en agregat.
Obdobje 15.03 – 15.10:
251608,92
hHVE iginL (9.3)
GWhEL 37,42
Za to obdobje upoštevam da delujeta oba agregata.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 79 -
Skupna letna proizvodnja električne energije EL :
21 LLL EEE (9.4)
GWhEL 89,5
9.4 Tehnični opis
9.4.1. Splošno
Pogonski del agregata je cevna turbina s pripadajočimi elementi:
- turbinski gonilnik
- ohišje turbine
- vodilnik, ki ga sestavljajo fiksne usmerjevalne lopatice, usmerja tok vode na gonilnik
- turbinska gred, ki povezuje gonilnik in generator
- vodilni in nosilni ležaj
- tesnilka gredi, ki se nahaja na prehodu gredi iz spiralnega ohišja
- elastična sklopka
- predturbinski zaporni organ
- sesalna cev
9.4.1 Turbinski gonilnik
Gonilnik premera 847 mm sestavljajo:
- pesto ki je nasajeno na turbinsko gred
- ukrivljene lopatice, ki so fiksno nameščene na pesto
Zavrtinčena voda vstopa med lopatice po vsem obodu gonilnika, izstopa in odteka
naprej skozi sesalno cev v spodnjo vodo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 80 -
9.4.2 Ohišje turbine
Vstopni premer je 1600 mm ki se oža proti gonilniku. Ohišje turbine je varjena jeklena
konstrukcija in je postavljena na betonske temelje v strojnici elektrarne.
9.4.3 Vodilni in nosilni ležaj
Drsni radialni in drsni aksialno radialni ležaj, ležita v oljni kopeli s prisilnim mazanjem. Olje
se hladi v izmenjevalniku olje/voda. Tokokrog vode je zaprtega tipa.
9.4.4 Elastična sklopka
Povezuje gred turbine in generatorja. Sklopka mora omogočati manjša odstopanja v ravninah
gredi in prenesti vse momente in sile v času pobega.
9.4.5 Predturbinski zaporni organ
Predturbinski zaporni organ je namenjen regulaciji pretoka med zagonom in zaustavitvijo
turbine.
Prenašati mora vse sile, ki bi lahko nastale med zapiranjem pod polnim pretokom in
brez prekomernih vibracij med normalnim obratovanjem.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 81 -
9.4.2. Sesalna cev
Na izstopu vode iz gonilnika je vgrajena sesalna cev izdelana iz jeklene pločevine. Zagotavlja,
da se vodni pretok ne prekine in da se uporabi vsa razpoložljiva tlačna višina med spodnjo in
zgornjo vodo.
9.5 Dimenzije
V narisu so prikazani glavni gabariti in elementi opreme turbinskega agregata (slika 9.1), ki
so osnova za določitev velikosti strojnice.
Slika 9.1 – Prečni prerez cevno turbinskega agregata v mali HE Markovci
gonilnik vodilnik
ohišje
gred
sesalna cev
tesnilka ležaj sklopka
generator
predturbinski zaporni organ
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 82 -
9.6 Zaključek
Pridobivanje električne energije iz obnovljivih virov je danes najcenejši in okolju
najprijaznejši način reševanja vedno večjih potreb po tem energentu. Cilj moje diplomske
naloge je bil najti najustreznejšo rešitev v smislu optimalnega izkoriščanja vodne energije v
novi mali HE Markovci.
Za določen neto padec in pretok je zelo važno, da se izbere pravi turbinski agregat. Ta
mora predstavljati optimalno rešitev za geološke, hidrološke in geometrijske parametre.
Konstrukcija mora biti plod dosedanjega razvoja in obratovanja. Vse te parametre
upošteva statistična metoda obdelave podatkov že vgrajenih in delujočih turbin po letu 1970
[6]. Funkcionalnost turbine predstavlja specifična vrtilna hitrost v odvisnosti od hidravličnih
in geometrijskih parametrov pri optimalni točki obratovanja.
Izbrana turbinska agregata v mali HE Markovci vsebujeta neregulirano cevno turbino S
izvedbe. Predstavlja najugodnejšo izbiro, zaradi velikega pretoka in nizkega padca. Pretok
vode je skoraj vedno konstanten, 5 pozimi in 10 poleti, gladina ptujskega jezera
niha največ za 1m. Zaradi tega je zagotovljeno nemoteno obratovanje obeh agregatov skozi
obe obdobji in sama konstrukcija turbine je cenejša, ker ne vsebuje regulacije. Zaradi
zagotovljenega konstantnega pretoka izkoristek turbine redko kdaj pade pod teoretično
vrednostjo 87,7%. V primerjavi s Kaplanovo turbino je cevna turbina ugodnejša, ker ima bolj
preprosto konstrukcijo in zaradi tega je zanesljivejša, cenejša, lažje se namesti in vzdržuje.
Osnovni geometrijski podatek za konstrukcijo pretočnega trakta predstavlja premer
cevnega gonilnika Dr. Njegova velikost določa gabarite ostalih geometrijskih parametrov
turbine, ki veliko doprinese k odpravi nezaželene kavitacije.
Dobljeni rezultati so kvalitetni, saj prispevajo k pocenitvi izbranega turbinskega
agregata, zaradi manjših gabaritov opreme kot posledice visoke vrtilne hitrosti.
Dejstvo pa je, da so majhni gonilniki cevnih turbin podvrženi zamašitvi z naplavinami,
ki posledično zmanjšuje moč in povečuje debalans gonilnika. Navedeni problem je najbolj
pereč v času največje proizvodnje. V tem primeru je potrebno agregat zaustaviti in očistiti
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 83 -
pakete naplavin na lopaticah gonilnika. Nepredvideno zaustavitev elektrarne se bo deloma
odpravilo z vgradnjo čistilnega stroja na rešetkah vtoka v cevovod.
Glede na ugotovitve v diplomski nalogi, je najustreznejša rešitev vgradnja dveh
agregatov, ki pokrivata dva časovna obdobja z različnima pretokoma skozi celo leto.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 84 -
SEZNAM UPORABLJENIH VIROV
[1] ANDINO - HYDROPOWER ENGINEERING Inženiring podjetje d.o.o. Ljubljana.
[2] Brzina strujanja u proračunu cijevnih vodova i razvoda [svetovni splet]. Varaždin :
MIV Varaždin. Dostopno na WWW:http://www.miv.hr/katalog/00-uvod/09-brzina-
strujanja/brzina-strujanja-str15.pdf [15.12.2011]
[3] Dravske elektrarne Maribor [svetovni splet]. Maribor : DEM. Dostopno na WWW:
http://www.dem.si/slo/ [10.12.2011]
[4] Erbisti Paulo. Design of hydraulic gates. Netherlands : A.A. Balkema publishers, 2004.
[5] Giesecke Jurgen, Mosonyi Emil. Wasserkraftanlagen, Planung, bau und betrieb: 4.
Aktualisierte erweiterte Auflage. Heidelberg : Springer-Verlag Berlin, 2005.
[6] Gregori Janez. Optimizacija energetskih in geometrijskih parametrov vodnih turbin:
magisterij. Ljubljana : Fakulteta za strojništvo, 1987.
[7] Guide on how to develope a small power plant. Belgium : European small hydropower
association - ESHA, 2004.
[8] Karta potresne nevarnosti (pospeški) [svetovni splet]. Ljubljana : Ministrstvo za okolje
in prostor, agencija republike Slovenije za okolje. Dostopno na WWW:
http://www.arso.gov.si/potresi/podatki/intenziteta_resevanje.jpg [10.12.2011]
[9] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Jože
Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003.
[10] MHE Markovci, Idejni projekt. Maribor : HSE Invest d.o.o., 2011.
[11] Mravljak Jakob. Hidroenergetski potencial. Maribor : Elektrogospodarstvo Slovenije
d.d., 2000.
[12] Nechleba Miroslav. Hydraulic turbines, their design and equipement. Prague : Artia
1957.
[13] Recommendations for the design, manufacture and erection of steel penstocks of welded
construction for hydroelectric instalations. European commitee for boilermaking and
kindred steel structures - C.E.C.T, 1979.
[14] Stropnik Jože. Hidromehanika : učbenik. Ljubljana : Tehniška založba Slovenije, 1999.
[15] Šolc Leopold. Hidroenergetski stroji in naprave. Ljubljana : Zveza energetikov
Slovenije, 1968.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 85 -
[16] Šolc Leopold. Zgradimo majhno hidroelektrarno, 2. izdaja. Ljubljana : Zveza
organizacij za tehnično kulturo Slovenije, 1986.
[17] Tuma Matija, Sekavčnik Mihael. Energetski stroji in naprave: osnove in uporaba:
učbenik. Ljubljana : Fakulteta za strojništvo, 2005.