Hidrauline turbine

Hidraulicne turbine su ureaji za oduzimanje energije iz rezervoara tekicine obicno dobivenih od oborina iznad razine mora. Voda se skuplja u rezervoare na visini , i pomocu cijevi dovodi do turbine. Hidraulicne turbine se univerzalno koriste za proizvodnju elektricne energije, a tu su uglavnom 3 vrste tipova turbina u upotrbi : Peltonovo kolo, Francisova turbine i Kaplanova turbine. Koristenjem odnosa p = hg moguce je izraziti bilo kakav pritisak u smislu visine , osobito tekucine. To je pristup koji se obicno koristi u hidraulicnim turbinama.Hidraulicne turbine se obicno klasificiraju u smislu totalnog pada. Za bilo koju poziciju u sistemu tekucine totalni pad je dat sljedecom jednacinom :Hidraulicne turbine se univerzalno koriste za proizvodnju elektricne energije, a tu su uglavnom 3 vrste tipova turbina u upotrbi : Peltonovo kolo, Francisova turbine i Kaplanova turbine. Koristenjem odnosa p = hg moguce je izraziti bilo kakav pritisak u smislu visine , osobito tekucine. To je pristup koji se obicno koristi u hidraulicnim turbinama.Hidraulicne turbine se obicno klasificiraju u smislu totalnog pada. Za bilo koju poziciju u sistemu tekucine totalni pad je dat sljedecom jednacinom :

etiri glavne vrste turbina su shematski prikazane na slici 4.10.Peltonov kotaa je najjednostavniji oblik vodene turbine i koristi se za visoke padove postrojenja.Peltonov kota se sastoji od jednog ili vie mlaznica koje proizvode veliku brzinu mlaza vode to onda moze utjecati na ugradnju niza lopatica koje dijele mlaz i vode tok poslije izlazi iz stroja.Lopatica sadrzi relativnu brzinu W1 koji se potom pomjera za neki kut i nastavlja ka vani s brzinom kW1 gdje je k empirijski koeficientzbog trenja i utice na smanjenje brzine. Za analizu brzina na Peltonovoj turbinikoristi se kut . Mlaz skrece za 180 - cime Peltonova turbina postize velike obrtaje.Uobiocajne vrijednosti su od deset do dvadeset stupnjeva.Francis turbina se koristi za usmjeravanje toka vode i na vec opisani centrifugalni rotor koji radi u obrnutom smjeru. Francis turbine ima dva seta vodi lopaticam.Prve na vanjskom radijusu su fiksne ,a druge omogucavaju regulaciju protoka vode ka stroju koji rotira. Obino se pokretne lopatice mogu zatvoritii moe se zaustaviti protok kroz stroj.

Hidrauline turbineHidro energija proizvodi 20% ukupne svjetske elektricne energije. Hidrauline turbine dolaze u razliitim oblicima odreenim po promjenjivom padu i broj veliina odreenim po protoku kroz turbinu.

Tri osnovna tipa hidrauline maine(Peltonova, Francisova i Kaplanova)Kavitacija je efektivno isparavanje tekuine izloene veoma malom tlaku u odreenim dijelovima turbine

Peltonov koloOvaj ureaj je izumljen oko 1880g od strane Lestera Peltona, te se koristi na visokim padovima od 300 do 4000m i ima korisnost od oko 90%.Slika pokazuje Peltonov kotao na lijevoj starni i crte na desnoj strani koji pokazuje dijagram operacije sa trokutima brzina.Analiza Peltonovog toka je prilino neposredna, a druge hidrauline maine zahtjevaju dublji pristup. Ovo je proces u tri koraka:1. Dat je protok primjenom jednadbe kontinuiteta da se dobije radijalna i aksijalna brzina.1. Geometrija ugla lopatica i radijusi e dat apsolutnu i relativnu brzinu iz trokutovih brzina.1. Snaga je dobivena iz Eulerove jednadbe.Ako je dat ukupan pad moe se dobiti idealnu snagu:

Ako nemamo sve informacije, realnipad dobijemo iz:

Francisova turbina

1. Ulaz u sprovodno kolo (skica 1): Moe doi do kovitlanja na ulasku u sprovodno kolo zbog vrtloga nastalih rasporedom protoka.1. Izlaz iz sprovodno kola(skica 2): Protok skree pod utjecajem lopatica statora da se dobije velika brzina kovitlanja, tako veliki kutni moment. Nacrtaj trokut brzine za relativan protok na ulazu u pokretne lopatice.1. Izlaz iz radnog kola(skica 3): Cilj je ovdje napraviti izlaz u kojem nema vrtloga(apsolutna nula) jer e inae kinetika energija biti potroena. Ponovno moramo nacrtati trokut brzine da dobijemo relativan protok na izlazu iz radnog kola.1. Difuzor turbine(skica 4): Ovaj difuzer dozvoljava povratak izgubljene kinetike energije aksijalnog protoka.Za razliku od Peltonovog toka, cijela promjena tlaka ne stvara u statoru, Francisova turbina se moe smatrati kao reakcijskom mainom

Trokut brzina za izlaz iz sprovodnog kola

Kaplan turbina

Pristup analizi je sljedei:

1. Od stanice 2, izlaz vodee lopatice, do stanice 3, na ulazu u radno kolo moe koristiti ouvanje ugaonog momenta, ako su vodee lopatice postavljene radijalno. Kod nekih Kaplan turbina vodee lopatice su usmjerene u aksijalnom smjeru, i tada je stanica 2 jednaka stanici 3.2. Na 4, na izlazu radnog kola, treba nacrtati trokut brzina za dobivanje relativnih i apsolutnih izlaznih brzina.

3. Eulerova jednaina 5.12 daje snagu: 4. Izrauniti gubitke. U ovom primjeru, komponente gubitaka e se uzimati u obzir. Glavni gubici ce se dobiti radei od stanica 0 do 4.. Tako se dobija uinkovitost turbine.

5. Na kraju dolazi difuzor, stanica 4 do stanice 5 se analizira, ovaj proraun e nam dati ukupnu uinkovitost stanice.

Slika 9.6 trokut brzina za Kaplanovu turbinu na izlazu vodee lopatice

Slika 9,7: Trokut brzina za Kaplan radno kolo

Analiza difuzoraNormalno je da u hidraulikim strojevima dvije efikasnosti mogu biti navedene.Prva poznata kao efikasnost turbine iskljuuje difuzor i unutranje gubitke u cijevi iz definicije dostupnog pada i upucuje na kvalitet radnog kola turbine.Druga poznata kao efikasnost sistema ukljuuje gubitke u untranjosti cijevi i difuzor i ona je od krucijalnog znaaja onima koji projektiraju ili za specifini tehniki hidro-elektini sistem(postrojenje).

Uticaj difuzora

Problem s pretjerano niskim pritiskom je taj da oni mogu dovesti do fenomena poznatog kao kavitacija.Kavitacija nastaje ako apsolutni pritisak padne ispod pritiska zasiene pare, pv,za temperaturu vode. Ili drugim rijeima, kada pritisak previe padne, voda pone isparavati ak i na sobnoj temperaturi nailazei na djelove hidraulike maine.U sutini doi e do formiranja mjehiria pare.Kako pritisak ponovo raste, mjehurii pare iznenada eksplodiraju, i veoma visoki trenutani pritisci mogu biti stvoreni (p> 500bar) to moe uzrokovati znaajnu eroziju povrine lopatica i slabije performanse maine.U praksi ovo pstaje problem fluida i mnogih granica izmeu pritiska zasiene pare i pritiska vode turbine, djelujui kad se stvore uslovi. Ovo se obino radi koritenjem parametra poznatog kao Tomin (Thomas) koeficijent.: gdje je p pritisak fluida, pv je pritisak zasiene pare i H je pad visine kroz mainu. Tabele Tominih parametara napravljenih iz praktinog iskustva su dostupne. Problem kavitacije moe se ublaiti smanjenjem Z4, znai sputanjem turbine blie nivou rijeke ili ak ispod nje.