I

ZASNOVA MALE HIDROKINETIČNE TURBINE

diplomsko delo

Študent: Nejc Vrbovšek

Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Energetika

Mentor:

Somentor:

doc. dr. Gorazd Hren

asist. Marko Pezdevšek

Lektorica: dr. Aleksandra Gačić

Krško, september 2017

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Gorazdu Hrenu in asistentu Marku Pezdevšku za

mentorstvo ter pomoč in vodenje pri izdelavi diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi svoji

družini, ki mi je omogočila izobraževanje, mi stala ob strani in me spodbujala na študijski

poti. Zahvalo namenjam tudi partnerki za vse njene spodbude in pozitivne misli.

IV

ZASNOVA MALE HIDROKINETIČNE TURBINE

Ključne besede: hidrokinetična turbina, mehanizem, lopatice, model

UDK: 621.224:004.92(043.2)

Povzetek

V diplomskem delu je opisana zasnova male hidrokinetične turbine laboratorijske velikosti.

Namen turbine je izvajanje meritev tehnoloških veličin. Poudarek pri delu je zasnova

mehanizma za spreminjanje nastavnega kota lopatic. V diplomskem delu so prikazani štirje

modeli mehanizma hidrokinetične turbine z različnimi variacijami za zagotavljanje

spremembe nastavnega kota. Zasnova mehanizmov je izvedena po načelu modularne

gradnje, kar omogoča izmenljivost delov in vrste mehanizma glede na potrebe meritev.

Predstavljeni sta geometrija in funkcionalnost mehanizmov.

V

DESIGN OF SMALL HYDRO-KINETIC TURBINE

Key words: hydro-kinetic turbine, mechanism, blades, model

UDK: 621.224:004.92(043.2)

Abstract

The work describes the design of a small hydro-kinetic turbine of laboratory size. The

purpose of the turbine is to perform measurements of technological quantities. The

emphasis of this work is the design of the mechanism for changing the pitch angle of the

blades. The work presents four models of the hydro-kinetic turbine mechanism with

different variations in order to provide a change of the pitch angle. The design of the

mechanisms is carried out according to the principle of modular construction, which

enables the interchangeability of parts and assemble the mechanism according to the

needs of measurements. The geometry and functionality of the mechanisms are described.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ............................................................................................................................................... 1

2 PREGLED VODNIH TURBIN ........................................................................................................ 2

2.1 TURBINE, KI DELUJEJO S POMOČJO VIŠINSKE RAZLIKE ......................................................... 3

2.1.1 Peltonova vodna turbina ............................................................................................................... 3

2.1.2 Francisova vodna turbina ............................................................................................................. 4

2.1.3 Kaplanova vodna turbina .............................................................................................................. 5

2.1.4 Bankijeva vodna turbina ............................................................................................................... 6

2.2 PROPELERSKE HIDROKINETIČNE TURBINE ............................................................................... 7

2.2.1 Hidrokinetična turbina SR 2000 .................................................................................................... 8

2.2.2 Hidrokinetična turbina Cormat .................................................................................................... 9

2.2.3 Hidrokinetična turbina VLH ........................................................................................................ 9

2.2.4 Cevna hidrokinetična turbina ..................................................................................................... 10

2.2.5 Hidrokinetična turbina Seagen ................................................................................................... 11

3 MODEL MALE PROPELERSKE HIDROKINETIČNE TURBINE ........................................... 12

3.1 MEHANIZMI ZA SPREMINJANJE NASTAVNEGA KOTA .......................................................... 16

3.1.1 Mehanizem 1 ............................................................................................................................... 19

3.1.2 Mehanizem 2 ............................................................................................................................... 21

3.1.3 Mehanizem 3 ............................................................................................................................... 23

3.1.4 Mehanizem 4 ............................................................................................................................... 25

4 SKLEP ............................................................................................................................................ 28

VIRI IN LITERATURA.......................................................................................................................... 29

PRILOGE ................................................................................................................................................ 31

PRILOGA A: IZJAVA O AVTORSTVU IN ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE OBLIKE

ZAKLJUČNEGA DELA ............................................................................................................................ 31

VII

KAZALO SLIK

SLIKA 2.1: PELTONOVA TURBINA Z DOTOČNO ŠOBO [3] ..................................................................................... 4

SLIKA 2.2: FRANCISOVA VODNA TURBINA [5] .................................................................................................... 5

SLIKA 2.3: KAPLANOVA VODNA TURBINA [7] .................................................................................................... 6

SLIKA 2.4: SHEMA KAPLANOVE VODNE TURBINE [6] ......................................................................................... 6

SLIKA 2.5: VODNA TURBINA MICHELL-BANKI [8] ............................................................................................. 7

SLIKA 2.6: SHEMA BANKIJEVE TURBINE [8] ....................................................................................................... 7

SLIKA 2.7: HIDROKINETIČNA TURBINA SR 2000 [10] ......................................................................................... 8

SLIKA 2.8: SR 2000 V OBRATOVALNEM POLOŢAJU [10] ..................................................................................... 9

SLIKA 2.9: HIDROKINETIČNA TURBINA CORMAT [11] ..................................................................................... 9

SLIKA 2.10: VODNA TURBINA VLH [13] .......................................................................................................... 10

SLIKA 2.11: CEVNA HIDROKINETIČNA TURBINA [14] ....................................................................................... 11

SLIKA 2.12: HIDROKINETIČNA TURBINA SEAGEN [17] ..................................................................................... 11

SLIKA 3.1: CEVNA HIDROKINETIČNA TURBINA ................................................................................................. 12

SLIKA 3.2: DEL PESTA ...................................................................................................................................... 13

SLIKA 3.3: PESTO 1 .......................................................................................................................................... 14

SLIKA 3.4: MODEL TURBINE Z NOTRANJIM LEŢAJEM ........................................................................................ 14

SLIKA 3.5: PESTO 2 .......................................................................................................................................... 15

SLIKA 3.6: MODEL TURBINE Z ZUNANJIM LEŢAJEM .......................................................................................... 15

SLIKA 3.7: GRED, PRITRJENA NA PESTO S POMOČJO PRIROBNICE ...................................................................... 16

SLIKA 3.8: KRMILNA ROČICA MEHANIZMA 1 .................................................................................................... 17

SLIKA 3.9: KRMILNA ROČICA MEHANIZMA 2 .................................................................................................... 17

SLIKA 3.10: VOTLA GRED ALI OS Z VREZANIM UTOROM ................................................................................... 17

SLIKA 3.11: NOTRANJA POMIČNA KRMILNA ROČICA ........................................................................................ 18

SLIKA 3.12: VPETJE LOPATIC ........................................................................................................................... 18

SLIKA 3.13: POVEZOVALNA ROČICA ................................................................................................................ 19

SLIKA 3.14: JAREM ........................................................................................................................................... 19

SLIKA 3.15: MODEL MEHANIZMA 1 .................................................................................................................. 20

SLIKA 3.16: MEHANIZEM 1 .............................................................................................................................. 20

SLIKA 3.17: MEHANIZEM 1 V DRUGEM POLOŢAJU ............................................................................................ 21

SLIKA 3.18: MODEL MEHANIZMA 2 .................................................................................................................. 22

SLIKA 3.19: MEHANIZEM 2 .............................................................................................................................. 22

SLIKA 3.20: MEHANIZEM 2 V DRUGEM POLOŢAJU ............................................................................................ 23

SLIKA 3.21: MODEL MEHANIZMA 3 .................................................................................................................. 24

SLIKA 3.22: MEHANIZEM 3 .............................................................................................................................. 24

VIII

SLIKA 3.23: MEHANIZEM 3 V DRUGEM POLOŢAJU ............................................................................................ 25

SLIKA 3.24: MODEL MEHANIZMA 4 .................................................................................................................. 26

SLIKA 3.25: MEHANIZEM 4 .............................................................................................................................. 26

SLIKA 3.26: MEHANIZEM 4 V DRUGEM POLOŢAJU ............................................................................................ 27

IX

UPORABLJENE KRATICE

VLH - very low head

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

Svet nenehno stremi k uporabi obnovljivih virov energije in tako vedno znova iščemo

načine, kako bi lahko energijo narave popolnoma izkoriščali, jo pretvarjali v električno

energijo in bi tako v prihodnje svet poganjala čistejša energija. Poznamo več vrst

obnovljivih virov energije, kot so: sonce, voda in veter, ampak med vsemi naštetimi je

energija vode tista, ki je najbolj predvidljiva.

Hidrokinetične turbine so v svetu ţe dolgo v uporabi in so namenjene proizvodnji

električne energije neposredno iz tekočih voda rek, potokov, morskih tokov. Zaradi svoje

preproste zasnove, male velikosti in enostavne montaţe ne zahtevajo velikega posega v

okolje in zagotavljajo proizvodnjo čiste energije na okolju prijazen način. Ker za svoje

obratovanje izkoriščajo samo kinetično energijo, imajo posledično majhen izkoristek.

Glede na svojo velikost so primerne za proizvodnjo električne energije manjših moči.

Uporabljajo se lahko na oddaljenih obrečnih krajih (manjša mesta, vasi ipd.), kjer elektro-

energetska infrastruktura ne omogoča dobave električne energije iz centralnih elektrarn, ali

pa kadar zgolj ţelimo izkoristiti obnovljivi vir vodnega toka narave in tako proizvesti

električno energijo na okolju prijaznejši način.

V tem diplomskem delu je predstavljena zasnova male hidrokinetične turbine, ki bi se

uporabljala za raziskovalne namene. Gre za manjši model propelerske turbine, ki je

zasnovana z namenom, da se ji doda mehanizem, ki omogoča krmiljenje nastavnega kota

lopatic in zagotavlja enostavno menjavo lopatic. Vemo, da se reke med seboj v grobem

razlikujejo po vodnem pretoku in padcu ter glede na te lastnosti tudi izbiramo ustrezne

vodne turbine, ki se uporabljajo v hidroelektrarnah. Pretok rek in količina vode se čez leto

spreminjata in zato je treba vodne turbine tudi ustrezno regulirati. Model hidrokinetične

turbine, predstavljen v tem diplomskem delu, s pomočjo mehanizma omogoča moţnost, da

turbino ustrezno prilagodimo stanju reke in s tem doseţemo kar se da dober izkoristek.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

2

2 PREGLED VODNIH TURBIN

Vodne turbine so zasnovane tako, da pretvarjajo energijo vode v mehansko energijo, ki jo s

pomočjo generatorja potem pretvorimo v električno energijo.

Vodne turbine glede na pretvorbo delimo na:

- impulzne ali enakotlačne (Pelton, Turgo) in

- reakcijske ali nadtlačne (Francis, Kaplan).

Glede na smer pretoka vode jih delimo na:

- radialne,

- aksialne,

- diagonalne in

- tangencialne.

Glede na lego osi poznamo:

- navpične,

- vodoravne in

- poševne.

»Impulzne ali enakotlačne turbine. Gonilnik je nameščen nad gladino spodnjega nivoja

vode, pri čemer ohišje ni napolnjeno z vodo. Vsa potencialna energija se spremeni v

kinetično energijo v vodilniku – šobi, kjer se počasen tok z velikim tlakom pretvori v hiter

curek, ta pa nato doteka na lopatice in oddaja svojo energijo.«[1]

»Reakcijske ali nadtlačne turbine, so polno oblite in izkoriščajo polni padec vode od

zgornje in spodnje gladine vode, ohišje je povsem zapolnjeno z vodo, lopatice gonilnika so

oblikovane tako, da tlačne razlike vodnega toka okrog njih povzročajo vzgonske sile in

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

3

povzročajo vrtilni moment na gonilnik. Za dober izkoristek morajo imeti ustrezno

oblikovano izstopno cev divergentne oblike, ta poskrbi za podtlak, ki sesa vodo iz turbine.

Če je podtlak prevelik, obstaja nevarnost kavitacije zaradi uparjanja vode.«[1]

2.1 TURBINE, KI DELUJEJO S POMOČJO VIŠINSKE RAZLIKE

To so turbine, ki se uporabljajo v elektrarnah z zajezitvijo ali s cevovodom in za

proizvodnjo mehanske energije izkoriščajo potencialno energijo (višinsko razliko).

Poznamo več vrst teh turbin, in sicer:

- Peltonovo,

- Francisovo,

- Kaplanovo in

- Bankijevo.

2.1.1 Peltonova vodna turbina

Peltonova turbina (slika 2.1) je enakotlačna impulzna turbina, primerna za manjše pretoke

in velike padce, tudi do 2000 m. Dosega moč do 250 MW. Območje obratovanja je med 10

in 40 obr/min. Turbina je priklopljena na dovodni cevovod, ki se konča s šobo (lahko jih je

lahko tudi več), ki usmerja vodni curek okroglega preseka v simetralni ravnini gonilnika k

lopaticam (pravokotno na lopatico). Gonilne lopatice so izdelane v obliki korcev, ki so

nameščene na obodu gonilnika. Prednost te turbine je ta, da je vtok curka v korec v vseh

legah pravilen in brez udarca. To doseţemo tako, da je vstopni rob gonilne lopatice v

srednji ravnini kolesa in se ne spreminja pri vrtenju gonilnika. Moč turbine uravnavamo s

pomočjo pomikanja igle v šobi. S pomikanjem igle, ki je lahko samodejno ali ročno,

spreminjamo debelino in s tem količino vodnega curka. Bolj, ko iglo porinemo v šobo, tem

tanjši je vodni curek in s tem energija dotekajoče vode. Posledično pade moč turbine. [2,3]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

4

Slika 2.1: Peltonova turbina z dotočno šobo [3]

2.1.2 Francisova vodna turbina

Francisovo turbino (slika 2.2) poznamo kot radialni in radialno-aksialni tip in jo uvrščamo

med nadtlačne turbine. To je najpogosteje uporabljena vodna turbina, saj je primerna za

srednje pretoke in srednje padce. Uporablja se pri tlačnih višinah od 15 do 500 m.

Izkoristki takšnih turbin so 94–96-odstotni. Moč turbine je odvisna predvsem od pretoka

vode in smeri toka glede na lopatice gonilnika, kar uravnavajo vodilne lopatice, ki so

premične in se jih da poljubno odpreti in zapreti. Stalno vrtilno hitrost doseţemo z

zmanjšanjem pretočnega prereza vodilnika. S pripiranjem prereza se spremeni vstopni kot

in voda vstopa z udarcem, pri čemer se relativna hitrost zmanjša. [2,4]

Francisove turbine imajo v primerjavi s Peltonovimi turbinami večjo hitrost, zaradi tega so

manjših dimenzij in imajo laţje generatorje ter večjo elastičnost glede na spremembo

padca. To je tudi vzrok, da Francisove turbine vse bolj prodirajo v območje Peltonovih

turbin. [2]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

5

Slika 2.2: Francisova vodna turbina [5]

2.1.3 Kaplanova vodna turbina

Kaplanova vodna turbina (slika 2.3, 2.4) je aksialna nadtlačna vodna turbina, ki ima vtok

radialen, iztok pa aksialen. Uporablja se za velike pretoke in manjše padce (do 70 m).

Kaplanova turbina je nadgradnja Francisove turbine. Novost pri turbini so nastavljive

lopatice na gonilniku in vodilniku, ki se premikajo koordinirano. Ravno zaradi teh lopatic

lahko pri širokem razponu pretoka dosegamo zelo dobre izkoristke, tudi večje od 90 %. [6]

Te turbine dosegajo vrtljaje nad 160 obr/min. Lopatice turbine imajo obliko ladijskega

vijaka in široko pesto, število lopatic pa je med 4 in 8. Vodilne lopatice imajo podobno

obliko kot Francisove, število lopatic je med 8 in 24 in se lahko regulirajo.[2]

Posebna izvedba Kaplanove turbine je propelerska turbina, ki je podobna Kaplanovi,

vendar ima nepremično vpete gonilne lopatice. Podobno kot Francisova turbina je tudi ta

enojno krmiljena z vodilnimi lopaticami. Propelerske turbine so preprostejše zasnove in

dosegajo višje vrtilne frekvence, zato se z njimi nadomeščajo starejše Francisove turbine.

Primerne so za nizke padce (do 10 m). [17]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

6

2.1.4 Bankijeva vodna turbina

Bankijeva oziroma natančneje vodna turbina Michell-Banki (slika 2.5, 2.6), je turbina s

kriţnim pretokom, ki deluje po enakotlačnem – impulznem načelu, lahko pa tudi po

nadtlačnem – reakcijskem, kar je povsem odvisno od pretoka vode, ki ga določa odprtost

nastavljive odprtine na vtoku. V primerjavi z večino vodnih turbin, ki imajo pretok vode

speljan v aksialni ali radialni smeri, je pri tej turbini pretok izveden prečno skozi gonilnik.

Slika 2.3: Kaplanova vodna turbina [7]

Slika 2.4: Shema Kaplanove vodne turbine [6]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

7

Turbina dosega nizke vrtljaje in je zato primernejša za majhne elektrarne z nizkimi padci in

velikimi pretoki. Prednost teh turbin je cenovno ugodna in enostavna gradnja. [8, 9]

Slika 2.5: Vodna turbina Michell-Banki [8]

Slika 2.6: Shema Bankijeve turbine [8]

2.2 PROPELERSKE HIDROKINETIČNE TURBINE

Hidrokinetična energija nastane zaradi gibanja vodnih tokov. To je predvsem energija

morskih tokov v oceanih, vodnih tokov rek in umetnih vodnih kanalov ter energija

plimovanja in valovanja morja. Za izkoriščanje teh oblik energij poznamo hidrokinetične

turbine, ki so grajene tako, da minimalno posegajo v naravni vodotok in so v primerjavi s

hidroelektrarnami tudi cenovno ugodnejše, vendar so še v razvojnih fazah in počasi

prihajajo v uporabo. Ločimo turbine z vodoravno (propelerske turbine) in prečno osjo

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

8

glede na tok. Turbine z vodoravno osjo so laţje in imajo večjo hitrost delovanja ter s tem

večjo učinkovitost kot turbine s prečno osjo. [9]

Poznamo različne izvedbe propelerskih hidrokinetičnih turbin, ki se ločijo po proizvajalcih,

ki imajo različne izvedbe:

- SR 2000,

- Cormat,

- VLH,

- cevna hidro-kinetična turbina,

- Seagen.

2.2.1 Hidrokinetična turbina SR 2000

SR 2000 (slika 2.7, 2.8) je največja in najmočnejša turbina na svetu, ki izkorišča energijo

tokov plimovanja. Celoten plovni del s strojnico je dolg 64 m. Premer propelerja znaša 16

m in doseţe največje vrtljaje do 16 vrt./min. Turbina je namenjena vsem vrstam voda,

katerih globina je večja od 25 metrov, in sicer zaradi prilagoditve priveznega sistema.

Opremljena je z dvema propelerjema in generatorjema moči 2 x 1 MW. [10]

Slika 2.7: Hidrokinetična turbina SR 2000 [10]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

9

Slika 2.8: SR 2000 v obratovalnem poloţaju [10]

2.2.2 Hidrokinetična turbina Cormat

Cormat je hidrokinetična turbina (slika 2.9), ki izkorišča morski tok plimovanja in je

primerna za niţje vrtljaje. Vsebuje tehnologijo dveh rotorjev, ki se vrtita v različne smeri.

Prvi rotor ima tri lopatice in se vrti v smeri urinega kazalca, medtem ko drugi rotor, ki je

neposredno za prvim, vsebuje štiri lopatice, ki se vrtijo v nasprotni smeri urinega kazalca.

To podvoji relativno hitrost vrtenja v primerjavi s samo enim rotorjem. [11]

Slika 2.9: Hidrokinetična turbina CORMAT [11]

2.2.3 Hidrokinetična turbina VLH

Turbina VLH (slika 2.10) je zasnovana z namenom izkoriščanja vodnih tokov vodotokov z

zelo majhnimi padci. Sestavljena je iz posebej prirejenega kaplanovega gonilnika z osmimi

nastavljivimi lopaticami in zapornimi rešetkami. Gonilnik se vrti počasi. Celotna turbina je

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

10

pod določenim kotom potopljena v dovodni kanal. Izkoristek takšnih turbin je pri

normalnem padcu in pretoku 90-odstoten. Moči teh turbin se gibljejo od 350 do 500 kW in

so primerne za vodne tokove od 10 do 30 m3/s. Dosegajo premer turbine tudi do 5 m. [12,

9]

Slika 2.10: Vodna turbina VLH [13]

2.2.4 Cevna hidrokinetična turbina

Cevna hidrokinetična turbina (slika 2.11) je plovne izvedbe in lahko izkorišča energijo

plimovanja ali rečne vodne tokove. Osnovni sestavni deli so: difuzor, v katerem sta vpeta

vrtljiva gred in pesto z lopaticam, ter generator, ki je nameščen na zgornjem zunanjem delu

difuzorja. Njena namestitev je enostavna in ne zahteva velikega posega v okolje.

Zasnovana je bila zaradi zmanjšanja stroškov in moţnosti proizvodnje električne energije

na odmaknjenih krajih. Propeler se vrti počasi in dosega vrtljaje do 40 obr/min. [9]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

11

Slika 2.11: Cevna hidrokinetična turbina [14]

2.2.5 Hidrokinetična turbina Seagen

Turbina Seagen (slika 2.12) ima dva rotorja, s po dvema lopaticama, ki sta nameščena na

stebru, ki je pritrjen na morsko dno. Rotorja sta podobna kot pri vetrnih turbinah z

vodoravno osjo vrtenja. Vgrajena regulacija omogoča prilagajanje lopatic vodnemu toku,

medtem ko rotorjev ni mogoče vrteti okrog osi stebra. Za potrebe vzdrţevanja je rotorja

mogoče dvigniti nad gladino. [1, 16]

Slika 2.12: Hidrokinetična turbina Seagen [17]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

12

3 MODEL MALE PROPELERSKE HIDROKINETIČNE TURBINE

V tem diplomskem delu je predstavljena mala propelerska turbina laboratorijske velikosti

(slika 3.1) za izvajanje meritev tehnoloških veličin (navor, hitrost vrtenja ipd.). Tema

diplomskega dela je zasnova mehanizma, ki bo omogočal spremembo nastavnega kota

lopatic. Oblika in velikost lopatic nista temi diplomskega dela, vendar osnovni deli turbine

določajo robne pogoje, kot sta velikost pesta in vpetje turbine. Zasnova mehanizma mora

biti takšna, da omogoča uporabo mehanizma v različne laboratorijske namene, tudi za

meritve na primer vetrnih turbin.

Osnovni podani gabariti za izvedbo mehanizma so:

- zunanji premer cevi 400 mm,

- premer pesta 100 mm,

- premer osi 30 mm,

- zanesljivo vpetje treh lopatic na pesto,

- nastavljiv kot lopatic za vsaj 15 stopinj.

Na osnovi teh robnih pogojev sta bila razvita dva sistema za nastavitev kota lopatic in dva

načina vpetja. Ker je mogoče te sisteme kombinirati, smo izvedli mehanizme tako, da je

mogoče sistem nastavljanja in vpetja med seboj kombinirati v poljuben sestav glede na

potrebe pri meritvah. Zagotovili smo izmenljivost delov po metodi modularne gradnje.

Slika 3.1: Cevna hidrokinetična turbina

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

13

Pesto sestavljata dva enaka kosa (slika 3.2), sestavljena skupaj. Pesto je tako deljivo na dva

dela prečno čez sredino lukenj vpetja lopatic. Lopatice so na ta način dobro vpete, z

razpolovitvijo pesta pa enostavno menjujemo lopatice in dostopamo do mehanizma.

Slika 3.2: Del pesta

Imamo dve pesti. Eno pesto omogoča vgradnjo leţaja (slika 3.3) in je primerno za model,

pri katerem os miruje, pesto se vrti, vrtilni moment pa odvzemamo na pestu (slika 3.4). Pri

drugih treh modelih moment odvzemamo na gredi in se pesto vrti skupaj z gredjo, zato je v

tem primeru uporabljen drugo pesto (slika 3.5), ki nima mesta za leţaj, saj je leţaj

nameščen zunaj na gredi turbine (slika 3.6). Gred je pritrjena na pesto s pomočjo

prirobnice (slika 3.7).

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

14

Slika 3.3: Pesto 1

Slika 3.4: Model turbine z notranjim leţajem

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

15

Slika 3.5: Pesto 2

Slika 3.6: Model turbine z zunanjim leţajem

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

16

Slika 3.7: Gred, pritrjena na pesto s pomočjo prirobnice

3.1 MEHANIZMI ZA SPREMINJANJE NASTAVNEGA KOTA

Mehanizem krmilja nastavnega kota lopatic je vgrajen v pestu. Krmiljenje se izvaja ročno s

pomočjo ročice, ki jo pomikamo v aksialni smeri in s tem spreminjamo kot. Ročni

regulator je na prednji strani pod pokrovom pesta in je tako zaščiten pred neposrednim

vodnim tokom, ki doteka na lopatice turbine. Pri mehanizmu 1 in 2 kot lopatic

spreminjamo s pomikom ročice enakega premera kot gred (slika 3.8, 3.9), pri mehanizmu 3

in 4 pa imamo votlo debelostensko gred oziroma os (pri četrtem primeru mehanizma)

(slika 3.10), v katero je vstavljena ročica (slika 3.11), s katero krmilimo nastavni kot. Na

osi oziroma gredi turbine (pri tretjem primeru mehanizma) je vrezan utor, skozi katerega je

ročica mehansko povezana z mehanizmom.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

17

Slika 3.8: Krmilna ročica mehanizma 1

Slika 3.9: Krmilna ročica mehanizma 2

Slika 3.10: Votla gred ali os z vrezanim utorom

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

18

Slika 3.11: Notranja pomična krmilna ročica

Vsi štirje mehanizmi so zasnovani tako, da uporabljajo enak način vpetja in enako

dimenzijo pesta, zato lahko kadar koli neki turbini, ki ima vgrajen enega od naštetih

mehanizmov, z uporabo enakih osnovnih delov spremenimo mehanizem v katerega od

ostalih.

Osnovni sestavni deli mehanizma so:

- vpetje lopatic (slika 3.12),

- povezovalna ročica (slika 3.13),

- jarem (slika 3.14).

Slika 3.12: Vpetje lopatic

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

19

Slika 3.13: Povezovalna ročica

Slika 3.14: Jarem

3.1.1 Mehanizem 1

Za mehanizem 1 (slika 3.15, -3.16, -3.17) je značilno, da se vrtita pesto in gred. Gred je s

prirobnico in vijaki pritrjena na pesto. Uleţajenje turbine je izvedeno z dvema leţajema, ki

sta nameščena na gredi, zato pri tem modelu mehanizma uporabimo pesto št. 2, ki ne

omogoča vgradnje leţaja v pesto, ampak ima pesto skozi središče vrezano luknjo premera

30 mm, skozi katero je vstavljena krmilna os za spreminjanje kota. S pomikom osi v

aksialni smeri, ki je z ročicami povezana na vpetje lopatic, vplivamo na spremembo kota.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

20

Slika 3.15: Model mehanizma 1

Slika 3.16: Mehanizem 1

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

21

Slika 3.17: Mehanizem 1 v drugem poloţaju

3.1.2 Mehanizem 2

Mehanizem 2 (slika 3.18, -3.19, -3.20), pri katerem se gred vrti skupaj s pesto, je

nadgradnja predhodnega mehanizma 1. Model sestavlja pesto št. 2, na katero je pritrjena

gred s pomočjo prirobnice. Vpetje turbine je izvedeno z leţajema na gredi. Ta model

omogoča spremembo kota med obratovanjem turbine s pomočjo jarma, ki je nameščen na

koncu krmilne osi. Vpetje lopatic je neposredno vpeto v jarem. Med obratovanjem se pesto

vrti, ročičevje v obliki valja, premera 4 mm pa drsi po jarmu, na ta način krmilna os med

obratovanjem turbine miruje in se ne vrti skupaj s pestom.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

22

Slika 3.18: Model mehanizma 2

Slika 3.19: Mehanizem 2

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

23

Slika 3.20: Mehanizem 2 v drugem poloţaju

3.1.3 Mehanizem 3

Model mehanizma 3 (slika 3.21, -3.22, -3.23) sestavlja pesto št. 2, skozi katero je

vstavljena votla gred, ki se vrti skupaj s pestom in ima vrezan utor. V gredi je krmilna

ročica oziroma notranja gred, ki ima proti koncu vrezane luknje premera 4 mm. Ročičevje

mehanizma je tako skozi utor vstavljeno v luknje notranje gredi in povezano z vpetjem

lopatic. S pomikom krmilne gredi v gredi tako spreminjamo kot, in sicer do kota, ki ga

dopušča dolţina utora. V tem primeru je to 15°.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

24

Slika 3.21: Model mehanizma 3

Slika 3.22: Mehanizem 3

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

25

Slika 3.23: Mehanizem 3 v drugem poloţaju

3.1.4 Mehanizem 4

Mehanizem 4 (slika 3.24, -3.25, -3.26) je sestavljen iz pesta št. 1, v katero je vstavljen

leţaj. Skozi leţaj poteka votla os, v kateri je vstavljena notranja krmilna os. Notranja os

ima vrezane luknje, v katere je vstavljen moznik, ki je skozi utor pritrjen na jarem. Vpetje

lopatic je povezano z jarmom. Med obratovanjem turbine se pesto vrti, os pa miruje, ker

valjasto ročičevje vpetja drsi po jarmu. Ta mehanizem omogoča krmiljenje nastavnega

kota lopatic med obratovanjem, vrtilni moment pa moramo zato odvzemati na pestu.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

26

Slika 3.24: Model mehanizma 4

Slika 3.25: Mehanizem 4

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

27

Slika 3.26: Mehanizem 4 v drugem poloţaju

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

28

4 SKLEP

Predstavljen je bil model male laboratorijske 3-krake hidrokinetične turbine, ki je

opremljena z mehanizmom za ročno regulacijo nastavnega kota lopatic za kot do 15°.

Mehanizem je vgrajen v pestu in posledično zaščiten pred vodnim tokom. Predstavljeni so

štirje različni mehanizmi, zasnovani tako, da je mogoče katerega koli od njih vgraditi v

model turbine. Model turbine je sestavljen iz pesta premera 100 mm, dolţine 90 mm, gredi

ali osi premera 30 mm in leţajev. Celotna turbina je vstavljena v cev premera 400 mm.

Mehanizmi imajo to prednost, da so sestavljeni iz enakih delov. S tem zmanjšamo število

potrebnih delov, in sicer za sestavo vsakega mehanizma. Izpolnjen je tudi pogoj, da se za

vse štiri mehanizme uporablja le en način vpetja lopatic, deljivo pesto pa omogoča hitro in

enostavno menjavo lopatic ter hkrati zagotavlja dobro vpetje, brez uporabe zatičev, vijakov

ipd. Turbina glede na izbiro mehanizma omogoča odvzem vrtilnega momenta na gredi ali

vrtljivem pestu. Seveda je treba mehanizem za potrebe izvajanja meritev še detajlirati s

tolerancami, načinom tesnjenja in podobno, kar pa je odvisno tudi od materiala in načina

izdelave posameznih komponent.

Glede na izbiro, ki jo imamo pri sestavi te turbine, bi z uporabo drugih lopatic bila

primerna tudi za vetrno turbino. Naslednji korak pri razvoju mehanizmov je moţnost

spreminjanja nastavnega kota med obratovanjem turbine. Nadaljnja dodelava, ki bi se

lahko naredila pri teh modelih mehanizmov, je regulacija. Pomembna je natančna

sprememba kota, za kar je dovolj ţe mali pomik regulacijske osi, ko opravimo pomik, pa je

dobro vedeti, za kolikšen kot smo spremenili lego lopatic. Zanimiva bi bila tudi

elektronska regulacija s pomočjo servo motorja skozi votlo os ali gred pri mehanizmu, ki

to omogoča. Tako bi turbino enostavneje prilagajali spremembam vodnega toka in

izboljšali izkoristek. Moţnosti je veliko, najboljša rešitev pa je le ena.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

29

VIRI IN LITERATURA

[1] Fleisinger Matjaţ. Močno vezane računalniške simulacije s tokom gnane darrieusove

turbine: doktorska disertacija. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2014.

[2] Germek Matej. Numerična simulacija hidro-kinetične vodne turbine v reki Muri:

diplomsko delo. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2015.

[3] Predavanje: Vodne turbine, Energetska proizvodnja: Univerza v Ljubljani, Fakulteta za

strojništvo. Povezava: http://lab.fs.uni-lj.si/kes/energetska_proizvodnja/ep-predavanje-

h04.pdf [25. 5. 2017].

[4] Wikipedia: Francisova turbina. Povezava: https://hr.wikipedia.org/wiki/Francisova_-

turbina [25. 5. 2017].

[5] Eternoo machinery co. Povezava: http://www.eternoohydro.com/turbines/francis-

turbines.html [26. 5. 2017].

[6] Wikipedia: Kaplanova turbina. Povezava: https://sl.wikipedia.org/wiki/Kaplanova_-

turbina [26. 5. 2017].

[7] Rajce.net: Radek78. Povezava: http://radek78.rajce.idnes.cz/Brnenska_prehrada

1.Stola_uvnir_prehradni_hraze_elektrarna/ [29. 5. 2017].

[8] Wikipedia: Bankijeva turbina. Povezava: https://hr.wikipedia.org/wiki/Turbina_

s_kri%C5%BEnim_protokom [29. 5. 2017].

[9] Smogavec Bojan. Numerična simulacija s tokom gnane hidro-kinetične turbine:

diplomsko delo. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2015.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

30

[10] Scotrenewables, Tidal Power Ltd, SR 2000. Povezava: http://www.scotrenewables.-

com/technology-development/sr2000 [2. 6. 2017].

[11] Nautricity. Cormat's advantage. Povezava: http://www.nautricity.com/cormat/- cormat-

power/ [2. 6. 2017].

[12] Yumpu: VLH. Konferenca: oktober, 2011. Povezava:

https://www.yumpu.com/en/document/view/17561752/very-low-head-vlh-turbine-

ontario-waterpower-association.

[13] Bayerische Landeskraftwerke: Ökologische wasserkraft, VLH-turbine. Povezava:

https://www.landeskraftwerke.de/oekologische-wasserkraft.htm.

[14] OpenEI: Micro hydro kinetic turbines from smart hydro power. Povezava:

http://en.openei.org/wiki/Micro_Hydro_Kinetic_Turbines_from_Smart_Hydro_Power

[05.06.2017].

[15] MCT (Marine Current Turbines): SeaGen tidal energy system reaches full power-

1,2MW.Povezava:http://www.marineturbines.com/3/news/article/17/seagen_tidal_ener

gy_system_reaches_full_power___1_2mw [5. 6. 2017].

[16] MCT (Marine Current Turbines): Technology development. Povezava:

http://www.marineturbines.com/SeaGen-Products [5. 6. 2017].

[17] Predavanje: Hidroenergetski sistemi: Marko Hočevar, 2015. Povezava:

http://lab.fs.uni-lj.si/lvts/datoteke/2015_marec_hidroenergetski_sistemi predavanja.pdf.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

31

PRILOGE

PRILOGA A: IZJAVA O AVTORSTVU IN ISTOVETNOSTI TISKANE IN

ELEKTRONSKE OBLIKE ZAKLJUČNEGA DELA

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

32