meritev karakteristik peltonove turbine

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za strojništvo

Aškerčeva 6

1000 Ljubljana, Slovenija

telefon: 01 477 12 00

faks: 01 251 85 67

www.fs.uni-lj.si

e-mail: [email protected]

Katedra za energetsko strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Meritev karakteristik peltonove turbineLaboratorijska vaja

Avtorja: Mitja Mori

Boštjan Drobnič

Ljubljana, november 2011

MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 1

1. CILJ VAJE

Izmeri karakteristike Peltonove turbine in jih prikaži v diagramu kot karakteristične

krivulje za turbino pri različnih volumenskih tokih vode.

2. UVOD – Prenos energije v Peltonovi turbini

Turbine so razdeljene v dve glavni skupini :

� enakotlačne (impulzne) in

� nadtlačne (reakcijske).

Pri obeh tipih teče fluid skozi rotor, na katerem so nameščene lopatice. Moment fluida v

obodni smeri se spremeni in posledica tega je obodna sila na rotor. Rotor se torej vrti in

opravlja tehnično delo, medtem ko ga fluid zapušča z zmanjšano energijo. Za enakotlačne

turbine velja, da ni spremembe statičnega tlaka na poti skozi rotor, v nadtlačni turbini pa se

statični tlak zmanjšuje, ko fluid potuje skozi rotor. Pri vsaki turbini je energija na začetku

shranjena v obliki tlaka (npr. višje ležeči rezervoar).

Enakotlačna turbina ima eno ali več šob, v katerih se tlačna energija pretvori v kinetično

energijo curka. Pri obtekanju lopatice se curek preusmeri, zaradi spremembe impulza pa se

njegova kinetična energija spreminja v mehansko delo. Curki fluida nato potiskajo lopatice

rotorja in izgubijo večino svoje kinetične energije. V nadtlačni turbini poteka pretvorba tlačne

v kinetično energijo postopoma na poti skozi rotor.

Splošna medsebojna odvisnost različnih oblik energij, ki sloni na prvem zakonu

termodinamike in se nanaša na enoto mase, ki gre skozi bilančno mejo (turbino), se glasi :

∫ +⋅+⋅+

⋅=− trS dWdpvdzg

vddW

2

2

(1),

kjer so:dWS oddana energija fluida,

( )2/2vd ⋅ sprememba kinetične energije fluida,

g∙dz sprememba potencialne energije fluida,

∫ ⋅dpv sprememba tlačne energije, kjer je v specifični volumen fluida,

dWtr izguba energije zaradi trenja v obliki toplote oddane v okolico ali v sam fluid na

poti od vstopa do izstopa iz turbine.


3. OPIS PELTONOVE TURBINE

Peltonova turbina (slika 1) je turbina, ki je primerna za velike padce in majhne volumenske

toke. Voda zapušča tlačni cevovod skozi posebne šobe, v katerih se na račun potencialne

energije močno poveča kinetična energija. Običajno število šob je dve do šest. Turbina je lahko

vertikalna ali horizontalna, pri tem pa je vodni curek vedno usmerjen tangencialno na

gonilnik.

Gonilnik ima na obodu posebne dvojne lopatice, rezilo v sredini lopatice pa razdeli vodni

curek v dva dela in skrbi, da je natok vode brez udarca. Izrez na srednjem delu dvojne lopatice

podaljša delovanje curka na srednji del predhodne lopatice. Natok je delen, tlak v lopatici se

ne spremeni, Peltonova turbina je torej enakotlačna turbina!

Slika 1: Prikaz Peltonove turbine.

Volumenski tok vode in s tem moč Peltonove turbine se uravnava s premikanjem igle v šobi, ki

je nameščena v vodilniku (slika 2).

Slika 2: Igla v šobi Peltonove turbine.


4. OPIS ENOTE ZA IZVEDBO VAJE

Enoto FM3SU z nameščeno Peltonovo turbino (enota FM32) za izvedbo vaje sestavljajo

(slika 3, slika 4 in slika 5):

� nosilno namizno podnožje,

� akrilni rezervoar za vodo (1),

� obtočna črpalka (2), ki jo poganja enofazni elektromotor (3),

� pripadajoče cevi,

� turbinska enota, ki je pritrjena na vrh rezervoarja (slika 5) in je sestavljena iz:

� modela Peltonove turbine (4), ki je pritrjena na nosilno ploščo. Na rotorju je 10 lopatic.

Koreni lopatic so na premeru 70 mm. Rotor je nameščen na narjavečo gred, ki je

vležajena z zaprtimi krogličnimi ležaji, ki ne potrebujejo dodatnega mazanja,

� igelnega ventila (4a), ki ima šobo premera 4,5 mm z nastavljivim steblom in služi za

spreminjanje premera curka z najmanjšimi tornimi izgubami. Možno je spreminjanje

masnega toka pri konstantni izstopni hitrosti curka. Rotor in ventil sta v akrilnem ohišju

(4b),

� zavornega sistema (5),

Slika 3: Shema merilnega preizkuševališča.

� dušilni ventil (6), ki je spojen s cevjo na tlačni strani črpalke,

� tipal za spremljanje delovanja Peltonove turbine,

� tipalo diferenčnega tlaka (7) SPW1, ki meri volumenski tok vode na zaslonki vgrajeni v

sesalno cev črpalke,

� vmesna enota (8) za zajem podatkov IFD4,

� PC računalnik (9) za obdelavo podatkov.


Za spremljanje delovanja Peltonove turbine so na voljo naslednja tipala:

a) Tipalo tlaka (10)

Sestavljeno je iz piezo-električnega senzorja in ustreznega pretvornika signala. Senzor meri

tlak na vstopu v igelni ventil.

b) Števec vrtljajev (11)

Sestavljen je iz infrardečega optičnega stikala, ki je povezan z pretvornikom signala in služi

za merjenje vrtilne frekvence rotorja turbine. Optično stikalo je nameščeno poleg pesta

rotorja, na katerem je odbojni trak za lažje merjenje vrtilne frekvence.

Slika 4: Slika merilnega preizkuševališča.

c) Tipalo zavorne sile (12)

Na prečki zavore so uporovni merilni lističi (strain gauge), ki so povezani z ustreznim

pretvornikom signala. Tipalo je namenjeno merjenju zavorne sile, ki deluje na pesto

rotorja. Hitrost turbine se regulira z nastavitvijo napetosti zavornega traku s pomočjo

vijaka.


Slika 5 : Podrobnost 1 na sliki 4.

5. TEORETIČNA PODLAGA

Enota FM3SU nam omogoča spremljanje naslednjih veličin:

� diferenčni tlak na zaslonki Δp0 [kN/m2],

� tlak na vstopu v turbino p1 [kN/m2],

� vrtilno frekvenco n [Hz] in

� zavorno silo Fb [N].

Na osnovi teh merjenih veličin nato izračunamo naslednje veličine:

� Volumenski tok V& ,

� tlačna višina H,

� moment M, izhodna moč PG ter izkoristek turbine ηt.

5.1.1. Volumenski tok V&

Volumenski tok skozi turbino je volumen, ki gre skozi sistem na enoto časa. Izražen je v

kubičnih metrih na sekundo, m3/s. Enota FM3SU uporablja zaslonko vgrajeno v sesalno cev

črpalke za meritev V& . Za izračun se uporablja znana enačba, ki povezuje padec tlaka na

zaslonki z volumenskim tokom:


Slika 6: Definicija tlačnega padca skozi turbino.

ρ

ρπ

⋅

⋅⋅⋅⋅⋅=

4

2 02 pdC

Vd Δ

& (2),

kjer je Cd = 0,63 pretočni koeficient zaslonke, d = 0,009 m premer zaslonke in ρ = 998,2 kg/m3

gostota fluida.

5.1.2. Tlačna višina H

Izraz višina se nanaša na geodetsko

višino gladine vode merjeno od

izhodiščnega nivoja. V primeru turbine

je zanimiva tlačna višina vode na

vstopu v rotor, ki ima seveda

neposredni vpliv na karakteristiko

turbine.

Tlačna višina turbine H je višina, ki

jo izrabi turbina za proizvodnjo dela in

jo izračunamo po naslednji enačbi:

21 mm HHH −= (3).

Hm1 ... manometrska vstopna višina je

tlak pri vstopni šobi izražen v metrih

glede na srednjico turbinskega rotorja.

Hm2 ... manometrska izstopna višina je

tlak pri izstopni šobi izražen v metrih

glede na srednjico turbinskega rotorja.

Pri modelu FM3SU je merjen nadtlak na vstopu v turbino p1. Ker je izstop iz turbine pri

tlaku okolice, lahko rečemo da je izmerek v bistvu tlačna razlika skozi turbino. Torej je tlačna

višina H dejansko merjena kot diferenčni tlak p1, ki je kasneje v izračunih pretvorjen v višino

vodnega stolpca z enačbo p1/(ρ g).

5.1.3. Izhodna moč in izkoristki

Moč na zavori (moč na gredi) PG, ki jo turbina proizvaja s pomočjo momenta M na zavori pri

vrtilni frekvenci n je podana z enačbo:

MnPG ⋅⋅⋅= π2 (4),


rFM b ⋅= (5),

kjer je Fb sila na zavori izmerjena z uporovim merilnim lističem in r = 0,024 m polmer

zavornega kolesa.

Armfieldovi modeli ne vključujejo direktnega merjenja mehanske moči na gredi PG.

Namesto tega se meri uporabljena sila na zavori. Celotni izkoristek turbine je:

mht ηηη ⋅= (6),

kjer je ηh hidravlični izkoristek, ηm pa mehanski izkoristek turbine. Pri toplotnih strojih se

hidravlični izkoristek imenuje notranji izkoristek, kajti pri toplotnih strojih gre za določen

vpliv na termodinamične veličine stanja. Če celotni izkoristek zapišemo še v drugi obliki:

%1002

%100

%100%100fluidamočivarazpoložlj

turbinegredinamoč

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅=⋅

⋅

⋅=

⋅=⋅=

VHg

nM

Vp

M

P

P

tot

t

h

Gt

&& ρ

πωη

η

Δ

(7).

5.2. IZVEDBA VAJE

Naš namen v vaji je določiti

karakteristične krivulje za turbino pri

dveh različnih volumenskih tokih vode,

kajti to je najboljši način za opis

delovanja turbine. Karakteristične

krivulje podajajo odvisnost momenta,

zavorne sile in izkoristka turbine od

vrtilne frekvence pri nekem

konstantnem volumenskem toku

delovnega sredstva (slika 7).

Proizvajalci dajo informacije o

delovanju njihovih turbin v obliki

karakterističnih krivulj kakršna je

Slika 7: Karakteristične krivulje za turbino.


prikazana na naslednjem diagramu (slika 8).

Tak diagram omogoča določitev hitrosti in volumenskega toka, pri katerih naj bi turbina

obratovala, da bo imela zahtevano moč in najboljši izkoristek.

5.2.1. POSTOPEK VAJE

1. Zaprite dušilni ventil in zaženite črpalko (motor je na ta način zagnan pri minimalni

obremenitvi). Odprite dušilni ventil do konca.

2. Nastavite volumenski tok s pomočjo igelnega ventila na 0,000310 m3/s.

3. Določite primerne korake, tako da boste s postopnim povečevanjem sile na gredi zabeležili

8 do 12 merilnih točk, predenj se turbina popolnoma ustavi. Pomagajte si tako, da

spremljate padec vrtljajev turbine (korak cca. 5Hz).

4. Odvijte vijak za nastavitev zavore tako, da bo zavorna sila enaka nič. Ko se merjene

veličine stabilizirajo začnite z meritvijo. Najprej odčitajte prvo točko karakteristične

krivulje. Meritev izvajate s pritiskom na gumb ''Take Sample''. V preglednico se zapisujejo

vsi štirje izhodni signali (Δp0, p1, n in Fb).

Slika 8: Školjčni diagram - dejanski prikaz obratovalnih karakteristikmodela Peltonove turbine pri različnih volumenskih tokih.


5. Nato rahlo privijte vijak, počakajte da se sistem stabilizira in zapišite drugo merilno točko.

6. Ponavljajte točko 5 do najmanjših možnih vrtljajev, da se turbina še ne ustavi, po prej

izbranih korakih.

7. Sedaj zmanjšajte volumenski tok s pomočjo dušilnega ventila na 0,000260 m3/s in

ponovite postopek meritev.

8. Zadnjo meritev naredite s popolnoma odprtim dušilnim ventilom in volumenski tok

zmanjšajte na 0,000260 m3/s s pomočjo igelnega ventila.

NALOGA ŠTUDENTOV:

• S pomočjo ustreznih enačb za vsako izmerjeno točko izračunajte: volumenski pretok, tlačno

višino, moment, izhodno moč, razpoložljivo moč in nazadnje izkoristek turbine.

• S pomočjo rezultatov narišite ustrezne karakteristične krivulje (izkoristek, moment in moč

v odvisnosti od vrtilne frekvence) za vse tri meritve.

• Primerjajte karakteristične krivulje in ustrezno komentirajte dobljene rezultate.

• Pojasnite razliko, ki nastane, če volumenski tok zmanjšamo s pomočjo dušilnega ali pa s

pomočjo igelnega ventila.

Odgovorite pravilno na naslednjo vprašanje:

Ko dušilni ventil počasi pripremo ali se vrtilna hitrost črpalke sama od sebe poveča?

a) Da;

b) Ostane enaka;

c) Ima tendenco padanja;

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Meritev karakteristik Peltonove turbine Stran: 1 od 2

Meritev karakteristik Peltonove turbine

Laboratorijska vaja

predmet:

datum:

skupina:

študent:

vpisna št. ime in priimek podpis

1. Naloga

Izmeri potrebne veličine za določitev karakteristike Peltonove turbine, izračunaj

karakteristične veličine in jih prikaži v ustreznem diagramu kot karakteristične krivulje za

turbino pri danem volumskem pretoku vode.

Upoštevaj naslednje konstantne vrednosti:

pretočni koeficient zaslonke: Cd = 0,63

premer zaslonke: d = 0,009 m

gostota vode: ρ = 998,2 kg/m3

polmer zavornega kolesa: r = 0,024 m

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Meritev karakteristik Peltonove turbine Stran: 2 od 2

2. Izmerjene vrednosti

veličina oznaka vrednost enota

1

2

3

4

3. Izračunane vrednosti

volumski pretok vode:ρ

ρπ

⋅

⋅⋅⋅⋅⋅=

4

2 02 pdC

Vd Δ

&

razpoložljiva moč vode: VpPh&

1=

navor turbine: rFM b=

moč turbine: MnPb π2=

izkoristek turbine:h

bt

P

P=η

veličina oznaka vrednost enota

1

2

3

4

5

meritev karakteristik peltonove turbine

Documents