ΥδροδυναµικέςΜηχανές

ΥδροδυναµικέςΜηχανές Τύποι υδροστροβίλων Εργαστήριο Αιολικής Ενέργειας Τ.Ε.Ι. Κρήτης ηµήτρης Αλ. Κατσαπρακάκης

ιάκρισηυδροστροβίλων Βαθµός αντιδράσεως στροβιλοµηχανής: Βαθµός αντιδράσεων µιας βαθµίδας στροβιλοµηχανής ορίζεται ο λόγος της µεταβολής της στατικής πίεσης µεταξύ εισόδου και εξόδου της πτερωτής προς τη συνολική µεταβολή της στατικής πίεσης µεταξύ εισόδου και εξόδου από τη βαθµίδα. Πτερωτές δράσεως και αντιδράσεως: Όταν η στατική πίεση µεταξύ εισόδου και εξόδου της πτερωτής µεταβάλλεται, τότε η πτερωτή ονοµάζεται αντιδράσεως, ενώ στην αντίθετη περίπτωση, η πτερωτή ονοµάζεται δράσεως.

ιάκρισηυδροστροβίλων Με κριτήριο το βαθµό αντιδράσεως της πτερωτής, οι υδροστρόβιλοι διακρίνονται σε δράσεως και αντιδράσεως. Υδροστρόβιλοι αντιδράσεως: Είναι υδροστρόβιλοι ολικής προσβολής, δηλαδή ολόκληρη η πτερωτή λειτουργεί αξονοσυµµετρικά. Η στατική πίεση µεταβάλλεται (µειώνεται) µεταξύ εισόδου και εξόδου της πτερωτής. Υδροστρόβιλοι δράσεως: Είναι υδροστρόβιλοι µερικής προσβολής, δηλαδή κάθε χρονική στιγµή µόνο ένα τµήµα της πτερωτής συµµετέχει στην ενεργειακή µετατροπή. Η στατική πίεση δεν µεταβάλλεται µεταξύ εισόδου και εξόδου της πτερωρής και ο βαθµός αντιδράσεως ισούται µε µηδέν.

Υδροστρόβιλοιδράσεως Pelton Από τους υδροστροβίλους δράσεως ο µόνος τύπος που έχει επικρατήσει είναι ο υδροστρόβιλος Pelton.

Υδροστρόβιλοιδράσεως Pelton

Υδροστρόβιλοιδράσεως Pelton Οριακό στρώµα

Υδροστρόβιλοιδράσεως Pelton Οι υδροστρόβιλοι Pelton παρουσιάζουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Λόγω της διαµόρφωσης των σκαφιδίων, δεσµεύουν σχεδόν το 100% της κινητικής ενέργειας του ρευστού σε χαµηλές ταχύτητες, επιτυγχάνοντας έτσι σταθερό υψηλό βαθµό απόδοσης σε όλο πεδίο λειτουργίας των. Αυξάνονταςτοναριθµότωνακροφυσίων (έως 6), αυξάνεται η δέσµευση ενέργειας του ρευστού, συνεπώς και η απόδοση του στροβίλου. Πεδίολειτουργίας: Μανοµετρικό: 30 1.500m Παροχή: 0,01 5m 3 /s.

Υδροστρόβιλοιδράσεως Turgo Ο υδροστρόβιλος Turgo αποτελεί παραλλαγή του υδροστροβίλου Pelton. Η εφαρµογή του έχει σχεδόν εκλείψει.

Υδροστρόβιλοιδράσεως Turgo Οριακό στρώµα

Υδροστρόβιλοιδράσεως Turgo Οι υδροστρόβιλοι Turgo παρουσιάζουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Είναι παραλλαγή του υδροστροβίλου Pelton. Λειτουργεί µε υψηλότερες παροχές, σε χαµηλότερα µανοµετρικά και παρουσιάζει ελαφρώς χαµηλότερη απόδοση. Στην πραγµατικότητα η πτερωτή Turgo είναι η πτερωτή Pelton κοµµένη στη µέση. Συνεπώς, µία πτερωτή Turgo θα έχει διπλάσια διάµετρο απόµίαπτερωτή Peltonίδιαςισχύος.

Υδροστρόβιλοιδράσεως Turgo Οι υδροστρόβιλοι Turgo παρουσιάζουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Παρουσιάζει σταθερό υψηλό βαθµό απόδοσης σε όλο το πεδίο λειτουργίας. Αυξάνονταςτοναριθµότωνακροφυσίων (έως 2) αυξάνεται η απόδοση του στροβίλου. Έχει υψηλή ταχύτητα περιστροφής, συνεπώς δεν χρειάζεται κιβώτιο ταχυτήτων για τη σύζευξη µε τη γεννήτρια, σε αντίθεση µε τον υδροστρόβιλο Pelton. Πεδίολειτουργίας: Μανοµετρικό: 30 400m Παροχή: 0,02 8m 3 /s.

Υδροστρόβιλοιδράσεως Cross flow ή Banki Ο υδροστρόβιλος Cross Flow ή Banki έχει σχεδόν µηδενικό βαθµόαντιδράσεωςστοκανονικόσηµείολειτουργίας. Χρησιµοποιείταιγιαµικρέςυδραυλικέςπτώσεις (H<100m), παροχές 0,04 10m 3 /s καικατασκευάζεταιγιαµικρέςισχείς (<2MW). Είναι απλός στην κατασκευή και οικονοµικός στην κτήση και στη λειτουργία. Σταθερή απόδοση σε όλο το εύρος λειτουργίας του. Χαµηλότερη µέγιστη απόδοση από Francis, Pelton, Kaplan, Turgo.

Υδροστρόβιλοιδράσεως Cross flow ή Banki

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Francis

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Francis Οριακό στρώµα

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Οριακό στρώµα Francis Ο υδροστρόβιλος Francis έχει τις περισσότερες εγκαταστάσεις στον κόσµο (70-80% των υδροηλεκτρικών έργων). Έχει υψηλή απόδοση, η οποία όµως δεν διατηρείται σταθερή σε µεγάλο πεδίο τιµών, έξω από το ονοµαστικό σηµείο λειτουργίας. Πεδίο λειτουργίας: Μανοµετρικό: 20 300m Παροχή: 0,15 10m 3 /s.

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Kaplan

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Οι υδροστρόβιλοι Kaplan αποτελούν µία εξέλιξη του υδροστρόβιλου Francis, προκειµένου να γίνει δυνατή η παραγωγή ισχύος σε µεγάλες παροχές και µικρά µανοµετρικά. Παρουσιάζει υψηλή σταθερή απόδοση σε µεγάλο εύρος λειτουργίας. Πεδίο λειτουργίας: Μανοµετρικό: <50m. Παροχή: 0,5 50m 3 /s. Kaplan

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Deriaz

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Ο υδροστρόβιλος Deriaz είναι παραλλαγή του υδροστροβίλου Kaplan µε επίπεδα κεκλιµένα πτερύγια, µε σκοπό τη λειτουργία του σε υψηλότερα µανοµετρικά. Είναι υδροστρόβιλος µικτής ροής. Η κλίση των πτερυγίων είναι προσαρµοζόµενη, συνεπώς προσφέρεται η δυνατότητα λειτουργίας σε ευρύ πεδίο µανοµετρικού και παροχής. Γιατονίδιολόγοείναιδυνατήηαποφυγήτηςσπηλαίωσης, σε όλα τα σηµεία λειτουργίας. Πεδίο λειτουργίας: Μανοµετρικό: 20 100m. Παροχή: 0,5 50m 3 /s. Deriaz

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Βολβοειδής (bulb) Οριακό στρώµα

Υδροστρόβιλοιαντιδράσεως Οριακό στρώµα Βολβοειδής (bulb) Οι βολβοειδείς υδροστρόβιλοι αποτελούν παραλλαγή των υδροστροβίλων Kaplan, µε µεγαλύτερο αριθµό πτερυγίων, µε σκοπό τη λειτουργία τους σε ακόµα µεγαλύτερεςπαροχές (>100m 3 /s).

Ενδεικτικάµεγέθηµεγαλύτερων υδροστροβίλων Francis αναστρέψιµος: YHE Grand Coulee (Η.Π.Α.) Κατασκευή Voith Group, 3 συνολικάµονάδες, ισχύος 838MW έκαστη, διαµέτρου πτερωτής 9.900mm, µέγιστης υδραυλικής πτώσης 87m. Έτος έναρξης λειτουργίας: 1978. Francis: YHE Itaipu (Βραζιλία - Παραγουάη) Κατασκευή Οριακό Neyrpic - Voith, 18 συνολικά µονάδες, ισχύος στρώµα 740MW έκαστη, διαµέτρου πτερωτής 8.100mm, µέγιστης υδραυλικήςπτώσης 118m. Έτοςέναρξηςλειτουργίας: 1984. Pelton: YHE Sima (Νορβηγία) Κατασκευή Kvaerner - Hydro, 2 συνολικά µονάδες, ισχύος 315MW έκαστη, µέγιστηςυδραυλικήςπτώσης 885m, ταχύτητα περιστροφής 300rpm.

Ενδεικτικάµεγέθηµεγαλύτερων Οριακό στρώµα υδροστροβίλων Kaplan: YHE Shulbinsaya (Ρωσία) Κατασκευή Kharkov, 6συνολικάµονάδες, ισχύος 230MW έκαστη, διαµέτρου πτερωτής 8.500mm, µέγιστης υδραυλικής πτώσης 48,3m, ταχύτητα περιστροφής 93,3rpm. Έτος έναρξης λειτουργίας: 1983. Βολβοειδής: YHE Dnieper II (Ρωσία) Κατασκευή USSR, 6συνολικάµονάδες, ισχύος 155MW έκαστη. Έτοςέναρξηςλειτουργίας: 1973.

Απόδοσηυδροστροβίλων

Επιλογήυδροστροβίλου

Σύνοψηχαρακτηριστικών υδροστροβίλων Pelton: υδροστρόβιλος δράσεως κατάλληλος για µεγάλα µανοµετρικά (300 1.800mΣΥ) ισχύς έως 400MW ιδανική προσαρµογή για λειτουργία µε µεταβλητή παροχή κακή προσαρµογή Οριακό για λειτουργία µε µεταβαλλόµενο µανοµετρικό. στρώµα Francis αργόστροφος: υδροστρόβιλος αντιδράσεως κατάλληλος για αρκετά µεγάλα µανοµετρικά (150 750mΣΥ) ισχύς έως 400MW καλή προσαρµογή για λειτουργία µε µεταβλητή παροχή µέτρια προσαρµογή για λειτουργία µε µεταβαλλόµενο µανοµετρικό

Σύνοψηχαρακτηριστικών υδροστροβίλων Francis ταχύστροφος: υδροστρόβιλος αντιδράσεως κατάλληλος για µέσα µανοµετρικά (200 150mΣΥ) ισχύς έως 800MW µέτρια προσαρµογή για λειτουργία µε µεταβλητή παροχή σχετικά καλή Οριακόπροσαρµογή για λειτουργία µε µεταβαλλόµενο µανοµετρικό. στρώµα Kaplan: υδροστρόβιλος αντιδράσεως κατάλληλος για µικρά µανοµετρικά (10 80mΣΥ) ισχύς έως 200MW καλή προσαρµογή για λειτουργία µε µεταβλητή παροχή καλή προσαρµογή για λειτουργία µε µεταβαλλόµενο µανοµετρικό

Σύνοψηχαρακτηριστικών Οριακό στρώµα υδροστροβίλων Deriaz: υδροστρόβιλος αντιδράσεως αποτελεί το ενδιάµεσο µεταξύ υδροστροβίλων Francis και Kaplan κατάλληλος για µέσα µανοµετρικά (20 150m) ισχύς έως 150MW λόγω των φορτίων που παραλαµβάνουν τα πτερύγιά του καλή προσαρµογή για λειτουργία µε µεταβαλλόµενη παροχή καλή προσαρµογή για λειτουργία µε µεταβαλλόµενο µανοµετρικό. Βολβοειδής: αντίστοιχα χαρακτηριστικά µε αυτά του Kaplan κατάλληλος για µικρά µανοµετρικά και για µεγάλες παροχές.

Σύγκριση Peltonκαι Francis ιαθέσιµη υδραυλική πτώση (m) Ισχύς (MW) Ειδικός αριθµός στροφών Ταχύτητα περιστροφής (rpm) Εξωτερική διάµετρος πτερωτής (m) ιάµετρος εισόδου (m) Ύψος τοποθέτησης ως προς στάθµη κάτω ταµιευτήρα (m) Pelton 400 50 46,9 375 2,74 1,51 2,55 Francis 400 50 75 600 1,40 1,33-3,30

Πλεονεκτήµατα Pelton Η στάθµη τοποθέτησης του Pelton είναι ψηλότερη από αυτή του Francis και οπωσδήποτε πάνω από τη µέγιστη στάθµη του κάτω ταµιευτήρα. Συνεπώς δεν υπάρχει κίνδυνος πλυµµήρας του ΥΗΣ. εν απαιτείται διάταξη προστασίας του αγωγού φυγής από υδραυλικό πλήγµα. Για την αντίστοιχη περίπτωση του υδροστροβίλου Francis είναι απαραίτητη η κατασκευή πύργου εκτόνωσης. Ο υδραυλικός βαθµός απόδοσης είναι µεγαλύτερος στα µερικάφορτία (γιαισχύµικρότερητου 0,65 N max ) καιτοπεδίο λειτουργίαςτουπολύεκτεταµένο (από 10 100% της N max ). Η αποσυναρµολόγηση του στροβίλου και ειδικά της πτερωτής είναι πιο εύκολη και πιο γρήγορη.

Πλεονεκτήµατα Pelton Οι υπερπιέσεις στον αγωγό τροφοδοσίας είναι πιο ήπιες και ελεγχόµενες κατά τα µεταβατικά φαινόµενα (εκκίνηση, παύση λειτουργίας, µεταβολή παροχής). Ευκολία στην εν κενώ λειτουργία, για την παραγωγή άεργης ισχύος και τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος, καθώς δεν απαιτείται άδειασµα του υδροστροβίλου, όπως στην περίπτωση του Francis, δεδοµένου ότι η πτερωτή είναι πάντοτεέξωαπότονερό.

Πλεονεκτήµατα Francis Η διαθέσιµη υδραυλική πτώση στον Francis είναι µεγαλύτερη, δεδοµένου του ότι ο Pelton τοποθετείται πάντα ψηλότερα από τη µέγιστη στάθµη του κάτω ταµιευτήρα. Ο ολικός βαθµός απόδοσης στον Francis είναι µεγαλύτερος στον ονοµαστικό σηµείο λειτουργίας. Η ταχύτητα περιστροφής του Francis είναι µεγαλύτερη από αυτή του Pelton, µε αποτέλεσµα οι ολικές διαστάσεις και το κόστος του Francis να είναι µικρότερα. Επίσης µικρότερο είναι και το µέγεθος και το κόστος της γεννήτριας του Francis. Η ρύθµιση της λειτουργίας του Francis µέσω της στεφάνης των ρυθµιστικών πτερυγίων είναι ακριβέστερη και πιο ικανοποιητική, ιδιαίτερα όσον αφορά τη ρύθµιση της συχνότητας ηλεκτρικού ρεύµατος σε αυτόνοµο δίκτυο.

Πλεονεκτήµατα Francis Η µηχανική διάβρωση των διαρρεόµενων στοιχείων στον Francis (πτερωτή, κέλυφος, ρυθµιστικά πτερύγια) επηρεάζει λιγότερο τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του υδροστροβίλου απόότιηφθοράτωνακµώντωνσκαφιδίωνήτηςβελόνης τροφοδοσίας στον Pelton. Το πρόβληµα της κόπωσης της πτερωτής Pelton, λόγω των επαναλαµβανόµενων φορτίσεων, απαιτεί συχνότερους προληπτικούς ελέγχους από ότι στον Francis.

Σύγκριση Peltonκαι Francis Τα ανωτέρω διαµορφώνουν την τάση που επικρατεί σήµερα: Οι ελάχιστες υδραυλικές πτώσεις για τη λειτουργία υδροστροβίλου Pelton δεν επιδιώκεται να κατέβουν προς τα κάτω, αυξάνοντας το πεδίο εφαρµογών του Pelton. Αντίθετα, η τεχνολογική κατασκευαστική έρευνα επιδιώκει την αύξηση των ανώτατων τιµών υδραυλικής στάθµης για τη λειτουργία µε υδροστρόβιλο Francis. Συνεπώς, φαίνεται τα πλεονεκτήµατα του Francis να είναι πιο σηµαντικά από ότι αυτά του Pelton.

Σύγκριση Francisκαι Kaplan ιαθέσιµη υδραυλική πτώση (m) Ισχύς (MW) Ειδικός αριθµός στροφών Ταχύτητα περιστροφής (rpm) Εξωτερική διάµετρος πτερωτής (m) ιάµετρος εισόδου (m) Ύψος τοποθέτησης ως προς στάθµη κάτω ταµιευτήρα (m) Francis 50 50 310 179 3,55 4,03-1,80 Kaplan 50 50 358 213-4,95-6,30

Πλεονεκτήµατα Francis Η διάµετρος της πτερωτής και το µήκος του σπειροειδούς κελύφους είναι µικρότερα των αντίστοιχων του Kaplan. Η µηχανική διαµόρφωση του Francis είναι πιο απλή, ενώ στον Kaplan η δυνατότητα περιστροφής των πτερυγίων της πτερωτής αυξάνει την πολυπλοκότητα και το κόστος. Η παράµετρος σπηλαίωσης είναι µικρότερη, άρα είναι µικρότερη η πιθανότητα εµφάνισης του φαινοµένου. Τα µεταβατικά φαινόµενα είναι πιο απλά και πιο εύκολα στον έλεγχό τους. Η δυνατότητα λειτουργίας σε αυτόνοµο δίκτυο µε διατήρηση της συχνότητας είναι πιο εύκολη, ακόµα και σε δίκτυα µε έντονεςδιαταραχές.

Πλεονεκτήµατα Kaplan Ο µέγιστος βαθµός απόδοσης είναι µεγαλύτερος από αυτόν του Francis, ενώ διατηρείται σταθερά σε υψηλές τιµές για µεγαλύτερο πεδίο τιµών λειτουργίας του υδροστροβίλου. Ο υδροστρόβιλος Kaplan µπορεί να λειτουργία ικανοποιητικά και σε µερικά φορτία ή σηµαντικά µειωµένες τιµές της υδραυλικής πτώσης, ενώ ο αντίστοιχος Francis, λόγω της έντονα ασταθούς λειτουργίας και κραδασµών υπό αυτές τις συνθήκες, δεν είναι δυνατόν να λειτουργεί.

Σύγκριση Francisκαι Kaplan Συµπερασµατικά, στην πλειονότητα των περιπτώσεων, η οικονοµοτεχνικήµελέτηεπιλέγειυδροστρόβιλο Francis, καθώς είναι οικονοµικότερος στην κτήση και λειτουργία.

Σύγκριση Kaplan και Deriaz Στην περίπτωση αναστρέψιµης µονάδας, ο υδροστρόβιλοςαντλία Deriaz έχει σηµαντικά πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τον υδροστρόβιλο Francis, ιδιαίτερα όταν η υψοµετρική διαφορά µεταβάλλεται και όταν το ολικό ύψος δεν ξεπερνά τα 150m. Συγκρίνοντας τους υδροστροβίλους Kaplan και Deriaz για υδραυλική πτώση 55m, έχουµε: Για τον υδροστρόβιλο Deriaz η διατοµή εισόδου στην πτερωτή είναι µεγαλύτερη και άρα οι αντίστοιχες ταχύτητες µικρότερες. Η τιµή της παραµέτρου σπηλαίωσης για τον Deriaz είναι περίπου 20% µικρότερη από αυτή του Kaplan. Η ταχύτητα φυγής στον Deriaz είναι µικρότερη κατά 20% από αυτήν στον Kaplan, άρα έχουµε µεγαλύτερη δέσµευση ενέργειας.

Σύγκριση Kaplan και Deriaz Οι φυγόκεντρες δυνάµεις που αναπτύσσονται στα πτερύγια του Deriazείναιµικρότερεςαπόότιστον Kaplan. Λόγω της κωνικής πλήµνης, ο µηχανισµός περιστροφής των πτερυγίων είναι απλούστερος στον Deriaz. Συµπερασµατικά, για υδραυλικές πτώσεις µεγαλύτερες των 40m ο Deriaz πλεονεκτεί σηµαντικά του Kaplan, χωρίς όµως να έχει τύχει της αναµενόµενης διάδοσης. Τούτο µάλλον ωφείλεται στο ότι για µεγαλύτερες υδραυλικές πτώσεις επιλέγεται συνήθως υδροστρόβιλος Francis.

Σύγκριση Kaplan καιβολβοειδούς Τοκόστοςέργωνπολιτικούµηχανικούείναιπερίπου 15% µικρότερο για ΥΗΣ µε βολβοειδή υδροστρόβιλο. Αντίστοιχηµείωσηµεγέθουςκαικόστουςαπό 20-45% προκύπτειγιατονη/μεξοπλισµό (υδροστρόβιλος, γεννήτρια) υπέρ του βολβοειδούς. Ο ολικός βαθµός απόδοσης είναι ελαφρώς µεγαλύτερος στο βολβοειδή, τόσο στο ονοµαστικό σηµείο λειτουργίας, όσο και στα µερικά φορτία. Η συνολική παραγωγή ενέργειας παρουσιάζεται 1-2% µεγαλύτερη. Η τιµή της παραµέτρου σπηλαίωσης για το βολβοειδή είναι µικρότερη από αυτή του Kaplan. Συµπερασµατικά, για υδραυλικές πτώσεις κάτω των 20m ο βολβοειδής υδροστρόβιλος είναι προτιµητέος του Kaplan.