5-6 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΥΔΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ

Transcript

1 -6 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΥΔΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ PELTON & FRANCIS Σκοπός της Άσκησης Σκοπός της άσκησης είναι η χάραξη των καμπυλών ισχύος, ροπής στρέψης και βαθμού απόδοσης συναρτήσει του αριθμού στροφών των υδροστροβίλων Pelton και Francis.. Θεωρητικό Μέρος Οι υδροστρόβιλοι ανήκουν στην κατηγορία των ρευστοδυναμικών μηχανών, οι οποίες μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια, που είναι αποθηκευμένη στο ρευστό, σε μηχανική ισχύ στον άξονά τους. Στη συνέχεια, η μηχανική ισχύς μπορεί να αξιοποιηθεί για την κίνηση ηλεκτρογεννητριών και την περεταίρω παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (υδροηλεκτρικά εργοστάσια). Οι υδροστρόβιλοι ταξινομούνται σε δύο κύριες κατηγορίες, βάσει του μηχανισμού αλληλεπίδρασης του ρευστού με τα πτερύγια: α) Η πρώτη κατηγορία είναι οι υδροστρόβιλοι δράσεως, με κύριο εκπρόσωπο τον υδροστρόβιλο Pelton β) Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει τους υδροστροβίλους αντιδράσεως, με κύριους εκπροσώπους τους υδροστροβίλους Francis και Kaplan Στρόβιλοι Δράσεως (Impulse Turbines) Στους στροβίλους δράσεως, το ολικό ύψος μηχανικής ενέργειας (πίεσης, ταχύτητας και στάθμης) του νερού μετατρέπεται σε ύψος ταχύτητας στο ακροφύσιο, με ανάλογη πτώση πίεσης. Με άλλα λόγια, όλη η μηχανική ενέργεια του ρευστού μετατρέπεται σε κινητική κατά την έξοδό του από το ακροφύσιο. Η δύναμη επί των πτερυγίων, που επιφέρει τη ροπή στο δρομέα, παράγεται, αποκλειστικά, από την εκτροπή (αλλαγή διεύθυνσης) της δέσμης του ρευστού, κατά την πρόσκρουσή της στα πτερύγια. Μεταβολή του μέτρου της ταχύτητας του ρευστού είναι αμελητέα, ενώ εκατέρωθεν των πτερυγίων δεν παρατηρείται πτώση πίεσης. Οι υδροστρόβιλοι δράσεως είναι μηχανές μεγάλου μανομετρικού ύψους και μικρής παροχής. Στρόβιλοι Αντιδράσεως (Reaction Turbines) Στους στροβίλους αντιδράσεως, ο δρομέας περιβάλλεται από κέλυφος, είναι βυθισμένος στο νερό και φέρει οδηγητικά πτερύγια. Σε αυτό το είδος στροβίλων, ένα μέρος της δύναμης, που επιφέρει τη ροπή στο δρομέα, οφείλεται στην εκτροπή του ρευστού και ένα άλλο αποτελεί αντίδραση στην επιτάχυνση του ρευστού ως προς το πτερύγιο. Η πίεση και η ταχύτητα του ρευστού μειώνονται κατά τη διέλευσή του από το δρομέα, επομένως, εκατέρωθεν του δρομέα, παρατηρείται πτώση πίεσης και μεταβολή της σχετικής ταχύτητας του ρευστού.

2 Οι υδροστρόβιλοι αντιδράσεως είναι μηχανές μικρού μανομετρικού ύψους και υψηλής παροχής. Χαρακτηριστικά Μεγέθη Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται το διάγραμμα ροής της ενέργειας από την είσοδο του στροβίλου, μέχρι την έξοδο του δρομέα. Στη διάθεση της διάταξης αυτής διατίθεται παροχή Q, υπό ολικό ύψος H ολ (σε μέτρα στήλης νερού) ή ισχύς Ν ολ. Η ισχύς που διατίθεται στο στρόβιλο είναι: N ολ = Q P ολ = ρgh ολ Q () Εάν n, είναι η ταχύτητα περιστροφής του στροβίλου σε rpm, τότε, η μηχανική ισχύς, που στον άξονα του δρομέα είναι: Ν = Tω = Τ πn 60 () Τα ακροφύσια ή τα πτερύγια, παρέχουν στην πτερωτή μία λίγο μικρότερη ισχύ, γιατί έχουν μερικές απώλειες από τριβές. Ως ολικός βαθμός απόδοσης του στροβίλου ορίζεται ο λόγος της παραγόμενης μηχανικής ισχύος στον άξονα του δρομέα, προς την ισχύ που προσφέρεται μέσω του νερού: n ολ = Ν Ν ολ () Αξίζει να αναφερθεί ότι οι υδροστρόβιλοι σήμερα χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για το λόγο αυτό εργάζονται υπό σταθερό αριθμό στροφών, ώστε να παράγεται ρεύμα σταθερής συχνότητας, με κατάλληλο σχεδιασμό. Επιλογή Στροβίλου βάσει μανομετρικού ύψους Η επιλογή τύπου υδροστροβίλου εξαρτάται, κατά κύριο λόγο, από το διαθέσιμο καθαρό μανομετρικό ύψος. Το παρακάτω διάγραμμα απεικονίζει τις διαθέσιμες επιλογές βάσει του μανομετρικού ύψους και της παροχής.

3 . Πειραματικό Μέρος Οδηγίες για το σωστό και ασφαλή χειρισμό του εργαστηριακού συγκροτήματος υδροστροβίλων Pelton & Francis. Διαδικασία Εκκίνησης a. Έλεγχοι i. Βαλβίδα αναρρόφησης αντλίας κλειστή ii. Βαλβίδα επιστροφής αντλίας ανοιχτή iii. Φορτίο: Διακόπτης στη θέση OFF, μεταγωγέας ¼ iv. Διέγερση: Διακόπτης στο OFF, ρεοστάτης στο 0 v. Ακροφύσιο σχεδόν κλειστό, όχι κλεισμένο vi. Προφυλακτήρας ακροφυσίου εντός b. Χειρισμοί i. Κεντρικός διακόπτης στο ON ii. Αντλία στο Start iii. Μετά από 0 sec, άνοιγμα της βαλβίδας αναρρόφησης αντλίας. Πρέπει το από το ακροφύσιο να βγαίνει λίγο νερό και να κτυπά στον προφυλακτήρα iv. Διακόπτης φορτίου στο ON v. Θέση εκτός του προφυλακτήρα και αμέσως αύξηση της διέγερσης από το ρεοστάτη, για να μην συμβεί υπερτάχυνση του στροβίλου (να διατηρείται στις 800 rpm). vi. Βαθμιαίο κλείσιμο της βαλβίδας επιστροφής της αντλίας με ταυτόχρονη αύξηση της βαλβίδας διέγερσης και στην ανάγκη και του φορτίου, ώστε ο στρόβιλος να τηρείται κάτω των 800 rpm και τελικά να ρυθμιστεί στις 00rpm.

4 . Διαδικασία Λειτουργίας για τη Λήψη Μετρήσεων a. Ανοίγοντας το ακροφύσιο αυξάνονται η παροχή και οι στροφές b. Αυξάνοντας τη διέγερση ή το φορτίο ελαττώνονται οι στροφές.. Διαδικασία Παύσης Μετά το Πέρας Λήψης Μετρήσεων a. Κανονική Παύση i. Άνοιγμα της βαλβίδας επιστροφής της αντλίας ii. Stop της αντλίας iii. Φορτίο: Μεταγωγέας στο /, διακόπτης στο OFF iv. Διέγερση: Ρεοστάτης στο 0, διακόπτης στο OFF v. Κεντρικός διακόπτης στο OFF vi. Σχεδόν κλείσιμο του ακροφυσίου, όχι σφίξιμο vii. Θέση του προφυλακτήρα του ακροφυσίου, εντός viii. Κλείσιμο βαλβίδας αναρρόφησης αντλίας b. Παύση έκτακτης ανάγκης i. Stop αντλίας ii. Κεντρικός διακόπτης στο OFF Εκτέλεση Πειράματος Για κάθε στρόβιλο χωριστά, μεταβάλλοντας τις τιμές του αριθμού στροφών, με τη χρήση του ρεοστάτη, λαμβάνονται οι τιμές της ροπής της γεννήτριας, της παροχής καθώς και της πίεσης πριν το στρόβιλο. Πίνακας Μετρήσεων α/α Στροφές (rpm) Ροπή γεννήτριας (Nm) Παροχή (m /h) Πίεση (bar) Δεδομένα: Υψομετρική διαφορά μανομέτρου εισόδου Δy: o Pelton: Δy=8 cm o Francis: Δy= cm Διάμετρος ακροφυσίου Pelton: 80 mm

5 . Υπολογιστικό Μέρος Το μανομετρικό ύψος του στροβίλου είναι: Η ολ = P + U + Δy () ρg g. Να συμπληρωθεί για κάθε στρόβιλο ο παρακάτω πίνακας: α/α Στροφές n (rpm) Παροχή Q (m /sec) Πίεση P (Pa) Ύψος Στροβίλου H ολ(m) Ροπή Γεννήτριας Μ (Nm) Ισχύς ύδατος Ν ολ (W) Ισχύς Άξονα Ν (W) Βαθμός Απόδοσης n t (%). Να χαραχθούν για κάθε στρόβιλο, οι γραφικές παραστάσεις της ροπής της γεννήτριας Μ, της ισχύος στον άξονα N και του βαθμού απόδοσης, ως προς τον αριθμό στροφών, στο ίδιο διάγραμμα.. Να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα της προηγούμενης γραφικής παράστασης και να σχολιασθούν τυχόν αποκλίσεις, που έχουν από τις θεωρητικές ή/και αναμενόμενες τιμές.