Meritev karakteristik peltonove turbine Laboratorijska vaja

Transcript

1 Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva Ljubljana, Slovenija telefon: faks: dekanat@fs.uni-lj.si Katedra za energetsko strojništvo Laboratorij za termoenergetiko Meritev karakteristik peltonove turbine Laboratorijska vaja Avtorja: Mitja Mori Boštjan Drobnič Ljubljana, november 2011

2 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 : dw S 2 v = d 2 + g dz + v dp + dw tr (1), kjer so: dws d ( v 2 /2) g dz v dp dwtr oddana energija fluida, sprememba kinetične energije fluida, sprememba potencialne energije fluida, sprememba tlačne energije, kjer jevspecifični volumen fluida, izguba energije zaradi trenja v obliki toplote oddane v okolico ali v sam fluid na poti od vstopa do izstopa iz turbine.

3 MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 2 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 MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 3 4. OPIS ENOTE ZA IZVEDBO VAJE Enoto FM3SU z nameščeno Peltonovo turbino (enota FM32) za izvedbo vaje sestavljajo (slika3,slika4inslika5): 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 straničrpalke, 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.

5 MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 4 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.

6 MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 5 Slika5: Podrobnost 1 na sliki TEORETIČNA PODLAGA Enota FM3SU nam omogoča spremljanje naslednjih veličin: diferenčni tlak na zaslonkiδp0[kn/m 2 ], tlak na vstopu v turbinop1[kn/m 2 ], vrtilno frekvencon[hz] in zavorno silofb[n]. Na osnovi teh merjenih veličin nato izračunamo naslednje veličine: Volumenski tokv &, tlačna višinah, momentm, izhodna močpgter izkoristek turbineηt Volumenski tokv & Volumenski tok skozi turbino je volumen, ki gre skozi sistem na enoto časa. Izražen je v kubičnih metrih na sekundo, m 3 /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:

7 MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 6 C π d ρ = 2 2 p0 V& d Δ (2), 4 ρ kjer jecd=0,63pretočni koeficient zaslonke,d=0,009mpremer zaslonke inρ=998,2kg/m 3 gostota fluida 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: H = H m H (3). 1 m2 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. Slika 6: Definicija tlačnega padca skozi turbino. 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) Izhodna moč in izkoristki Moč na zavori (moč na gredi)pg, ki jo turbina proizvaja s pomočjo momentamna zavori pri vrtilni frekvenci n je podana z enačbo: P G = 2 π n M (4),

8 MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 7 M = F b r (5), kjer je Fb sila na zavori izmerjena z uporovim merilnim lističem in r=0,024m 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: η = η η (6), t h m 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: η = t močnagrediturbine razpoložljiva moč fluida P 100% = P M ω M 2 π n ηt = 100% = 100% Δp V& ρ g H V& tot G h 100% (7) 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.

9 MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 8 prikazana na naslednjem diagramu (slika 8). Slika 8: Školjčni diagram- dejanski prikaz obratovalnih karakteristik modela Peltonove turbine pri različnih volumenskih tokih. Tak diagram omogoča določitev hitrosti in volumenskega toka, pri katerih naj bi turbina obratovala, da bo imela zahtevano moč in najboljši izkoristek 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, m 3 /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,ninFb).

10 MERITVE KARAKTERISTIK PELTONOVE TURBINE 9 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, m 3 /s in ponovite postopek meritev. 8. Zadnjo meritev naredite s popolnoma odprtim dušilnim ventilom in volumenski tok zmanjšajte na 0, m 3 /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;

11 Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko 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=998,2kg/m 3 polmer zavornega kolesa: r = 0,024 m Meritev karakteristik Peltonove turbine Stran: 1 od 2

12 Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko 2. Izmerjene vrednosti veličina oznaka vrednost enota Izračunane vrednosti volumski pretok vode: razpoložljiva moč vode: navor turbine: moč turbine: izkoristek turbine: C V& = P h d = p V& 1 M = F b P b π d 2 ρ Δp 4 ρ r =2π nm P ηt = P b h 2 0 veličina oznaka vrednost enota Meritev karakteristik Peltonove turbine Stran: 2 od 2