MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke PELTON ÉS FRANCIS-TURBINA ÖSSZEHASONLÍTÓ MÉRÉSE ZÁRÓDOLGOZAT Energetikai mérnök szak, gépészeti szakirány. Készítette: BURCSIK PETRA Neptun kód JBMRK9 Miskolc Egyetemváros 2014
2
1. A záró gyakorlat helye: 2. Instruktor: 3. A záródolgozat módosítása 1 : dátum 4. A tervezést ellenőriztem: szükséges nem szükséges (módosítás külön lapon) tervezésvezető dátum tervezésvezető 5. A záródolgozat beadható: i gen / nem 1 dátum tervezésvezetők konzulens 6. A záródolgozat és az alábbi mellékleteket tartalmazza: szövegoldalt, db rajz tervnyomtatvány egyéb melléklet (CD, stb.) 7. A záródolgozat bírálatra 1 bocsátható nem bocsátható A bíráló neve: dátum 8. A záródolgozat osztályzata betűvel (és számmal): A bíráló javaslata: A tanszék javaslata: A ZVB döntése: tanszékvezető Kelt: Miskolc, Záróvizsga Bizottság elnöke 1 Megfelelő rész aláhúzandó 3
Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Burcsik Petra (Neptun kód: JBMRK9) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős energetikai mérnök szakos hallgatója, ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Pelton és Francis-turbina összehasonlító mérése című komplex feladatom/ szakdolgozatom/ diplomamunkám 2 saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számit: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül. Miskolc, 20 év hó nap Hallgató 2 Megfelelő rész aláhúzandó 4
I. ÖSSZEFOGLALÁS A szakdolgozatomban két vízturbinát vizsgálok, egy Pelton és egy Francisturbinát. Először ismertetem a kialakulását napjainkig, majd röviden leírom, hogy mi is az a vízturbina. Bemutatom a működését és felvázolom a különböző fajtáit más-más szempontok alapján. Az általam vizsgált turbina természetesen nem egy iparban használatos gép, hanem egy úgynevezett kisminta. Hogy mit is takar ez a kisminta fogalom és hogy miért van erre szükség, ezt a későbbiekben megmagyarázom. A dolgozat második részében bemutatom a vizsgálat során használt mérőegységet, annak vázlatát és működését. Ismertetem a vizsgált vízturbinákat és a kiértékeléshez szükséges képleteket, amelyeknél a mért adatokat használtam fel. Mivel a mérés során nem lehetett állandó fordulatszámot tartani, ezért a számítások során fel kellett használnom a hasonlósági törvényeket is. Miután átváltottam a szükséges értékeket és kiszámoltam minden fontos adatot, megrajzoltam mind a két turbinánál a kagylódiagramot. A dolgozat végén a mért és a számított értékek felhasználásával további érdekes diagramokat mutatok be különböző fordulatszámokon. 5
II. SUMMARY In my thesis I m going to examine two kinds of water turbinate the Pelton and the Francis turbinate. In the beginning I am going to introduce the history of it s development till recently and briefly I will explain what water turbinate is. I will show how it works and the difference between several types in different ways of view. The turbinate that I examined has not been used in industry, it s a small sample of the original. I will explain what is small sample and why it s important. In the second part of my thesis I will introduce what kind of measurement units had been used, their sketches and the way of function. I will explain the formulas I used depending on the measured data, because during the measuring we can t achieve a constant speed that is why I had to use the similarity laws also. After doing the necessary calculations of every important data, I made a script of each turbinate. In the end my thesis using the measured and calculated data to show more interesting diagrams and different speeds. 6
Tartalomjegyzék 2. Jelölések és indexek jegyzéke... 8 3. Bevezetés... 9 3.1. A vízturbinákról általánosan... 11 3.2. A vízturbinák osztályozása... 12 3.3. A kisminta... 14 4. A mérési rendszer... 16 4.1. Működés:... 18 4.2. A Pelton-turbina... 19 4.2.1. Mért és meghatározott eredmények... 21 4.3. A Francis-turbina... 23 4.3.1.Mért és meghatározott eredmények... 25 5. Következtetések és tapasztalatok... 29 5.1. Kagylódiagram... 29 5.2. Diagramok... 30 5.2.1. A mechanikai teljesítmény változása térfogatáram függvényében.. 31 5.2.2. A mechanikai teljesítmény változása mérési pontok függvényében 32 5.2.3. A hatásfok alakulása a mérési pontoknál... 33 5.2.4. A nyomaték alakulása a mért fordulatszámokon... 34 5.2.5. A mechanikai teljesítmény változása a mért fordulatszámokon... 35 5.2.6. A hatásfok alakulása a mért fordulatszámokon... 36 6. Összegzés... 37 7. Köszönetnyilvánítás... 38 8. Irodalomjegyzék... 39 7
2. JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE Jelölések: A [m 2 ] keresztmetszet c [m/s] sebesség d [m] csőátmérő D [m] járókerék átmérő g [m/s 2 ] nehézségi gyorsulás H [m] esésmagasság M [Nm] nyomaték n [1/min] fordulatszám p [Pa] nyomás P [W] teljesítmény Q [m 3 /s] térfogatáram η [%] hatásfok ρ [kg/m 3 ] sűrűség Indexek: 1 belépő 2 kilépő m mért t turbina hyd hidraulikai mech mechanikai 8
3. Bevezetés A vízenergia hasznosítása már több ezer éve megkezdődött, amikor vízkerekeket használtak ipari energiaforrásként. Legfőbb hátrányukat a nagy méret jelentette, amely korlátozta az átömlő vízmennyiséget és a hasznosítható esést. A mai, modern turbinák kialakulásához mintegy száz évig tartott a fejlődés. A legnagyobb áttörés az ipari forradalom alatt keletkezett, amikor tudományos elveket és módszereket kezdtek használni. Szintén nagy segítséget jelentettek az új anyagok és technológiák, amelyek az ipari forradalom eredményei voltak. Az 1700-as évek közepén Segner János András reakciós vízturbinát fejlesztett. Ez a vízszintes tengelyű turbina volt a modern vízturbinák előfutára. Ezt a rendkívül egyszerű gépet még ma is gyártják kis vízerőművek számára. Segner Eulerrel együtt dolgozta ki a turbina méretezésének első tudományos elméletét. 1820-ban Jean V. Poncelet, francia mérnök és matematikus megépítette az első centripetális turbinát. Őt 1826-ban Bénoit Fourneyron követte, amikor kifejlesztette a centrifugális turbinát, amely jóval hatékonyabb volt, mint elődje és hatásfoka elérte a 80%-ot. 1844-ben Uriah A. Boyden továbbfejlesztette a centrifugális turbinát, így hozta létre a Fourneyron turbinát. 1849-ben James B. Francis megalkotta a saját reakciós turbináját, melyet a centrifugális turbina elvein épített fel és hatásfoka meghaladta a 90%-ot. A Francis turbina volt az első modern turbina, amelyet a mai napig világszerte sok erőműben használnak (3.1. ábra). A Fourneyron turbina alakja nagyjából azonos volt a Francis turbináéval. 1913-ban Victor Kaplan megalkotta a Kaplan-turbinát, az első propeller típusú gépet (3.2. ábra). Ez - a Francis turbinától eltérően - kis esésű víz energiáját hasznosítja hatékonyan. [5] 9
3.1. ábra Francis-turbina felmetszve 3.2. ábra Kaplan-turbina Az alábbi képen pedig egy hat sugárcsöves Pelton-turbina látható (3.3. ábra): 3.3. ábra Pelton-turbina 10
3.1. A vízturbinákról általánosan A vízturbina egy olyan forgó erőgép, amely a mozgó víz energiáját mechanikai energiává alakítja. A víz a felvízből egy nyomócsövön keresztül lép be a turbinába annak nyomócsonkján keresztül, majd a szívócsövön keresztül az alvízbe ömlik. Általában a turbinával közös tengelyre szerelnek egy generátort, amely a létrejövő mechanikai energiát villamos energiává alakítja át. A turbináknál lényeges követelmény, hogy a leadott teljesítményüket szabályozni lehessen a szükségletnek megfelelően. A turbinák fordulatszáma állandó, mivel az előállított váltakozó áram periódusa nem változhat, ezért itt nem lehetséges a fordulatszám szabályozása, mint például a szivattyúknál. Mivel az esésmagasság sem változtatható, így csak az átáramló folyadékmennyiséget lehet szabályozni annak megfelelően, hogy mekkora teljesítményre van szükség. A legtöbb vízturbina típus lényegében egy turbinaházból és egy forgórészből (rotorból) áll. A Pelton-turbina forgórészének leggyakrabban vízszintes tengelye van, a peremén pedig lapátok, illetve kupaszerű, különleges geometriájú szerkezeti elemek találhatók, amikre a víz több tíz, esetenként több száz méter magasságból a rotorhoz viszonyítva érintőlegesen jut, így mozgásban tartja a forgórészt. A Francis- és Kaplan-turbináknál a forgórésznek általában függőleges tengelye van. Az előzőnél a víz érintőlegesen ömlik be a vízszintes síkban elhelyezkedő ütköző lapátokra, míg a Kaplan-turbinákba sugárirányban ömlik be a víz néhány méter magasságból, majd főleg súlyánál fogva mozgásban tartja a turbina légcsavarszerűen kiképzett forgórészét. A víznek a turbinaházból való gyors távozása növeli a turbina hatásfokát. Éppen ezért a víz a turbinaházból valamennyi típusú vízturbinából egy fokozatosan szélesedő elvezető csatornán (diffúzoron) keresztül távozik. [6] A lenti ábrán (3.4. ábra) egy egyszerű vízerőmű rajza látható. 3.4. ábra Egy vízerőmű felépítése 11
3.2. A vízturbinák osztályozása Kis esésű vízerőmű: - Esés: <15 m. - Vízhozam: nagy. - Felhasználás: alaperőmű (teljesítmény kihasználás >50%). - Beépített turbinák: Kaplan-turbina, Bánki-turbina. Közepes esésű vízerőmű: - Esés: 15-50 m. - Vízhozam: közepes-nagy. - Felhasználás: alaperőmű, közepes kihasználás (30-50%). - Beépített turbinák: Francis-turbina, Kaplan-turbina, keresztáramú. Nagy esésű vízerőmű: - Esés: 50-2000 m. - Vízhozam: kicsi. - Felhasználás: csúcserőmű (kihasználás <30%). - Beépített turbinák: Francis-turbina, Pelton-turbina. Azokat a turbinákat, amelyeknél a járókeréken változik a nyomás, reakciós vagy réstúlnyomásos turbináknak hívjuk. Ahol a nyomás nem változik, azok az akciós, más néven szabadsugár turbinák. Reakciós turbinák pl.: Akciós turbinák: - Francis - Kaplan - Pelton - Bánki A turbinák a járókerekén átáramló folyadék iránya szerint lehetnek: - radiális átömlésűek (centrifugál szivattyú, radiális ventilátor), - axiális átömlésűek (Francis-turbina), - félaxiális átömlésűek (hajócsavar, Kaplan-turbina). [3] Az alábbi ábra (3.5. ábra) a Q [m 3 /s] térfogatáram H [m] esés koordinátarendszerben mutatja be a különféle turbinatípusok alkalmazási területét és az állandó teljesítmény vonalakat. 12
3.5. ábra A vízturbinák alkalmazási tartományai A 3.6. ábra a jellemző fordulatszám (n q ) és az esésmagasság (H) függvényében mutatja a különböző turbina típusokat. [3] 3.6. ábra A különböző turbina típusok az esésmagasság és a fordulatszám függvényében 13
3.3. A kisminta A nagy teljesítményű és nagyméretű, valamint a sorozatban gyártandó kisebb méretű áramlástechnikai gépek legyártását kisminta kísérletek előzik meg. Azaz a megtervezett gépnek először a kismintáját készítik el. A kisminta dinamikailag és geometriailag is hasonló az eredeti géphez, a hosszméretek csak egy konstans szorzóban térnek el, a geometriai szögek azonosak. A kismintában az áramlás is hasonló, a sebességek csak egy konstans szorzóban térnek el, az áramlási szögek azonosak. Elvégzik a szükséges méréseket, hogy adatokat szerezzenek a gép teljesítményére, hatásfokára és persze a gép üzemi viselkedésére. Ha a kismintán az eredmények megfelelőek, akkor fognak hozzá a nagy gép gyártásához. A vízturbinák esetében is először a kismintát készítik el, amelyen elvégzik a szükséges teljesítménymérést, valamint több más mérést, amelyre a továbbiakban szükség lehet. A mérési adatok segítségével felveszik a kagylódiagramot és csak ezután készítik el a nagy gép tervrajzait. A nagy gép méreteinek megállapítása a kismintán felvett kagylódiagram alapján történik. A tervezéskor a gazdaságosság is fontos szempont, a rendelkezésre álló folyadékenergiát a lehető legkisebb méretű géppel, viszont a lehető legjobb hatásfokkal lehessen hasznosítani. E gazdasági számítások elvégzésekor először a kismintán felvett kagylódiagramot a nagy gépre át kell számítani a kisminta törvények alapján. Ahhoz, hogy ez a számítás egyszerűbb legyen és hogy a különböző típusú turbinán egymással összehasonlíthatók legyenek, célszerű a kagylódiagramokat egységesíteni. A kialakult gyakorlat szerint minden turbina üzemi jellemzőit és a kagylódiagramját is 1m járókerék átmérőre és 1m esésre vonatkoztatják. Ezeket a D=1m járókerék átmérőre és H=1m esésre vonatkoztatott üzemi jellemzőket a turbina fajlagos üzemi jellemzőinek nevezzük. [1] 14
A kisminta törvények a következők: A valódi gép esésmagasságának kiszámítása: ahol: H[m] H m [m] n[1/min] n m [1/min] D[m] D m [m] 2 n D H H * * m, (3.1) nm Dm esésmagasság a nagyméretű turbinára vonatkozóan, esésmagasság a mintára vonatkozóan, fordulatszám, minta fordulatszáma, járókerék átmérője, minta járókerekének átmérője. 2 A folyadékmennyiségek közötti átszámítás: ahol: Q[m 3 /s] Q m [m 3 /s] n[1/min] n m [1/min] D[m] D m [m] 3 n D Q Q * * m, (3.2) nm Dm térfogatáram, térfogatáram a minta esetén, fordulatszám, minta fordulatszáma, járókerék átmérője, minta járókerekének átmérője. A teljesítmények közötti átszámítás: ahol: P[W] P m [W] n[1/min] n m [1/min] D[m] D m [m] 3 n D P P * * m, (3.3) nm Dm teljesítmény, minta teljesítménye, fordulatszám, minta fordulatszáma, járókerék átmérő, minta járókerekének átmérője. 5 15
4. A mérési rendszer A méréseket a Miskolci Egyetem Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszékének vízlaboratóriumában végeztem. A vizsgálathoz kétféle vízturbinát használtam, egy Pelton-turbinát és egy Francis-turbinát. A mérés során a HM 365.32 Turbina kiszolgáló egységet használtam (4.1. és 4.2. ábra), amely a HM 365 univerzális meghajtó és fékező egységgel és a HM 365.31 turbinákkal alkot egy teljes rendszert. Az egység fel van szerelve elektronikus mérő-átalakítókkal, amelyek a mért értékeket kijelzőn mutatják, illetve a megjelenő adatokat el lehet menteni egy csatlakoztatott számítógépre. A HM 365.32 kiszolgáló egység tartalmaz minden szükséges alkotóelemet: tartály, szivattyú, csőrendszer, mérő-átalakítók és mérőerősítők, digitális kijelzők. A vizsgálandó turbinát csak fel kell szerelni, a tengelyét pedig össze kell kapcsolni ékszíjjal a HM 365 motorjával, amely ebben az esetben generátorként (fékként) működik. [2] Az egység ábrája (4.1 ábra): 4.1. ábra A mérőegység felépítése 16
Jelmagyarázat: 1.) görgős laboratóriumi asztal, 2.) hűtővíz tartály beömlő és kiömlő csővel, 3.) nagy teljesítményű centrifugál szivattyú, 4.) magneto-induktív áramlásmérő, 5.) szabályozószelep, 6.) hajlékony csatlakozócső, 7.) a felszerelt turbina, 8.) fröccsenő víz elleni védelem, 9.) mérőegység. 4.2. ábra Az alkalmazott mérőegység 17
4.1. Működés: A tartályban lévő folyadékot a centrifugál szivattyú az áramlásmérőn keresztül szivattyúzza át az adott turbinába. A víz ott leadja energiáját, majd tovább folyik a fröccsenés gátlón keresztül a tartályba. A víz áramlási sebességét a szabályozószeleppel lehet változtatni. A turbinát az ékszíjon keresztül lehet fékezni az egység generátorának segítségével. Mivel a turbina és a generátor nem közös tengelyen van, ezért a számítások során figyelembe kell venni az áttételt, amely jelen esetben 1,44. A méréseket három különböző szinkron fordulatszámon végeztem. A legalacsonyabb fordulatszám 500 1/min, 750 1/min és a legmagasabb 1500 1/min volt. Működés közben mértem a generátor fékező nyomatékát és a fordulatszámát. A turbinába történő belépés előtt a nyomást, valamint a Francisturbinánál a kilépő nyomást is rögzítettem. A folyadék hőmérsékletét egy Pt 100 ellenállásos hőmérő mérte. Az átáramló víz mennyiségét a rendszerben lévő áramlásmérő segítségével tudtam mérni. [2] A HM 365.32 Hidraulikus alapmodul műszaki adatai [2]: Méret (H x SZ x M): 1500 x 800 x 1300 mm. Súly kb. 120 kg. Tápellátás: 400 Vac / 50 Hz / 3 fázis. Szivattyú: centrifugál szivattyú. Max. áramlás: 400 liter / perc. Teljesítményfelvétel: 5,5 kw. Tápellátás: 400 Vac / 50 Hz / 3 fázis. Tartály kapacitás: 96 liter. Biztonsági szelep: 4,5 bar. Áramlásmérő: magneto-induktív, 0 600 liter/perc. Hőérzékelő: Pt 100, 0 100 C. Nyomásérzékelő (p1): -1 +9 bar. Mérőerősítő biztosító: 1,5 A. Hűtővíz minimális áramlás: 8 liter/perc. 18
HM 365.31 Pelton turbina: Effektív átmérő turbina ékszíjtárcsa: 180 mm. Effektív átmérő HM 365 ékszíjtárcsa: 125 mm. Áttétel: 1,44:1. Nyomásérzékelő (p2): 0 1,6 bar. HM 365.31 Francis turbina: Effektív átmérő turbina ékszíjtárcsa: 180 mm. Effektív átmérő HM 365 ékszíjtárcsa: 125 mm. Áttétel: 1,44:1. Vezető lapát pozíció állítás: 1 10. Nyomásérzékelő (p2): 0 1,6 bar. 4.2. A Pelton-turbina A vizsgálatot az egy sugárcsöves Pelton-turbinával (4.3. ábra) kezdtem. Ez egy akciós vagy szabadsugár - vízturbina, mivel a folyadék nyomása a járókerék előtt és után megegyezik a járókereket körülvevő levegő nyomásával. A sugárcső belsejébe axiális irányban elmozdíthatóan van beépítve a járókerékre ömlő folyadékmennyiséget szabályozó úgynevezett szabályozó tű, amelynek segítségével szabályozható a turbina teljesítménye. [1] A járókerék lapátjai kanál alakúak (4.4. ábra). 4.3. ábra Egy sugárcsöves Pelton-turbina vázlata 19
4.4. ábra Két Pelton kanál A méréskor a szabályozó tűnél 12 állást használtam, 2 mérési sorozat alatt oda-vissza mértem az értékeket. Igyekeztem közel azonos nyomást 4 bar értéket tartani a rendszerben, ezt a szabályozószelep állításával próbáltam elérni. Az egység elrendezésének vázlata (4.5. ábra): 4.5. ábra A Pelton-turbinával felszerelt egység elrendezésének vázlata 20
A mérés során alkalmazott Pelton-turbina járókereke látható az alábbi ábrán (4.6. ábra): 4.6. ábra A Pelton-turbina járókereke 4.2.1. Mért és meghatározott eredmények Ebben a részben részletezem a számolás során felhasznált összefüggéseket, amelyek szükségesek a diagramok megrajzolásához és elengedhetetlenek a nagy gép tervezésekor is. A kapott értékek táblázatba vitele után először átváltottam a térfogatáramot l/min-ről m 3 /sec-ra, hogy a továbbiakban megfelelően tudjam használni. A turbina előtt mért p 1 nyomást bar-ról Pa-ra számoltam át. A környezeti nyomás a mérések során 98656,8Pa volt. Az átáramló víz hőmérsékletéhez tartozó sűrűséget egy táblázatból [5] választottam ki. A rendszerben lévő cső külső átmérője, amelyen a folyadék áthaladt, 64mm, a cső falvastagsága 0,5mm. A cső meghatározott keresztmetszete: A d 2 * 4 0,063 4 2 * 0,003117 m 2, (4.1) ahol: A[m 2 ] cső keresztmetszete, d[m] külső csőátmérő. Mivel a turbina és a motor nem egy közös tengelyen helyezkedtek el, ezért a mért fordulatszámot át kellett váltani az alábbi módon, hogy megkapjam a turbina tényleges fordulatszámát: nm nt, (4.2) 1,44 21
ahol: n t [1/min] n m [1/min] turbina valós fordulatszáma, minta fordulatszáma. A folyadék áramlási sebessége: ahol: c[m/s] Q[m 3 /s] A[m 2 ] Q c, (4.3) A áramlási sebesség, térfogatáram, cső keresztmetszete. A hatásfokkagyló megrajzolásához állandó fordulatszám szükséges, ami a mérés során azonban nem volt teljes mértékben kivitelezhető, ezért a hasonlósági törvények segítségével átszámoltam a kapott térfogatáramot. ahol: Q[m 3 /s] n[1/min] n m [1/min] Q m [m 3 /s] n Q * Qm, (4.4) n térfogatáram, fordulatszám, m minta fordulatszáma, térfogatáram a minta esetén. A mintagép mérési eredményeiből kiszámolható az esésmagasság: p1 H m, (4.5) g * ahol: H m [m] esésmagasság a mintánál, p 1 [Pa] a turbina előtt mért nyomás, g[m/s 2 ] nehézségi gyorsulás, ρ[kg/m 3 ] folyadék sűrűsége. A tényleges esésmagasság a hasonlósági törvény felhasználása után: 2 n H * H m n, (4.6) m 22
ahol: H[m] n[1/min] n m [1/min] H m [m] esésmagasság, fordulatszám, minta fordulatszáma, esésmagasság a minta esetén. A mechanikai teljesítmény, amely a turbina tengelyén mérhető: P mech ahol: P mech [W] mechanikai teljesítmény, M[Nm] nyomaték, n[1/min] fordulatszám. 2* * n M *, (4.7) 60 A hidraulikai teljesítmény: P hyd p * Q, (4.8) 1 ahol: P hyd [W] p 1 [Pa] Q[m 3 /s] hidraulikai teljesítmény, a turbina előtt mért nyomás, térfogatáram. A turbina hatásfoka a teljesítmények hányadosával számítható ki: Pmech *100, (4.9) P hyd ahol: η[%] P mech [W] P hyd [W] hatásfok, mechanikai teljesítmény, hidraulikai teljesítmény. 4.3. A Francis-turbina A második mérést egy Francis-turbinával (4.7. ábra) végeztem. Ennél a turbinánál a járókerék elé egy állítható lapátozású vezetőlapát rendszer van beépítve, amelynek segítségével változtatható a turbinán átáramló folyadékmennyiség, így szabályozható a turbina teljesítménye. A vezető lapátokon a folyadék nyomási energiájának csak egy része alakul át sebességi energiává. A vezetőlapátok és a járókerék közti résben a folyadék a légköri nyomáshoz képest túlnyomással rendelkezik, innen kapták a réstúlnyomásos elnevezést ezek a 23
turbinák. A folyadékenergia a járókerék előtt nagyobb részt nyomási energia alakjában van jelen, amit aztán a járókerék közvetítésével a turbina hasznosítható mechanikai energiává alakít át. [1] 4.7. ábra A Francis-turbina felépítése A mérés elrendezésének vázlata (4.8. ábra): 4.8. ábra A Francis-turbinával felszerelt egység elrendezésének vázlata 24
A mérés során a vezetőlapát 6 állási pontjánál rögzítettem az értékeket. Két körben, oda és vissza is lementettem az adatokat. A 4.9. és 4.10. ábrákon a turbina állítható vezetőlapátjai láthatóak zárt és nyitott állásban. 4.9. ábra A Francis-turbina vezetőkerekei zárt állásban 4.10. ábra A Francis-turbina vezetőkerekei nyitott állásban 4.3.1. Mért és meghatározott eredmények A kapott értékek táblázatba vitele után itt is először átváltottam a térfogatáramot l/min-ről m 3 /sec-ra. A turbina előtt mért p 1 nyomást és a turbinánál kilépő p 2 nyomást bar-ról Pa-ra számoltam át. A környezeti nyomás a mérések során 98656,8Pa volt. A víz hőmérsékletéhez tartozó sűrűségnek az értékét a korábbiakban is használt táblázatból [5] választottam ki. A rendszerben lévő cső külső átmérője ugyanaz, mint az előző turbinánál, 64mm, a cső falvastagsága 0,5mm. 25
A cső keresztmetszete: A d 2 * 4 0,063 4 2 * 0,003117 m 2, (4.10) ahol: A[m 2 ] d[m] cső keresztmetszete, külső csőátmérő. A turbina tényleges fordulatszáma, az áttétel figyelembe vételével: ahol: n t [1/min] n m [1/min] nm nt, (4.11) 1,44 turbina valós fordulatszáma, minta fordulatszáma. A folyadék áramlási sebessége: ahol: c[m/s] Q[m 3 /s] A[m 2 ] Q c, (4.12) A áramlási sebesség, térfogatáram, cső keresztmetszete. A hatásfokkagyló megrajzolásához állandó fordulatszám szükséges, ami a mérés során azonban nem volt teljes mértékben kivitelezhető, ezért a hasonlósági törvények segítségével ebben az esetben is átszámoltam a kapott térfogatáramot. ahol: Q[m 3 /s] n[1/min] n m [1/min] Q m [m 3 /s] n Q * Qm, (4.13) n m térfogatáram, fordulatszám, minta fordulatszáma, térfogatáram a minta esetén. A mintagép mérési eredményeiből kiszámolható az esésmagasság: H m p2 p1, (4.14) g * 26
ahol: H m [m] esésmagasság a mintánál, p 2 [Pa] turbinánál kilépő nyomás, p 1 [Pa] turbina előtt mért nyomás, g[m/s 2 ] nehézségi gyorsulás, ρ[kg/m 3 ] folyadék sűrűsége. A tényleges esésmagasság a hasonlósági törvény felhasználásával: ahol: H[m] n[1/min] n m [1/min] H m [m] 2 n H * H m n, (4.15) m esésmagasság, fordulatszám, minta fordulatszáma, esésmagasság a minta esetén. A mechanikai teljesítmény, amely a turbina tengelyén mérhető: P mech ahol: P mech [W] mechanikai teljesítmény, M[Nm] nyomaték, n[1/min] fordulatszám. 2* * n M *, (4.16) 60 A hidraulikai teljesítmény: P hyd ( p p2) * Q, (4.17) 1 ahol: P hyd [W] p 1 [Pa] p 2 [Pa] Q[m 3 /s] hidraulikai teljesítmény, a turbina előtt mért nyomás, a turbinánál kilépő nyomás, térfogatáram. A turbina hatásfoka a teljesítmények hányadosával számítható ki: Pmech *100, (4.18) P hyd 27
ahol: η[%] P mech [W] P hyd [W] hatásfok, mechanikai teljesítmény, hidraulikai teljesítmény. 28
5. Következtetések és tapasztalatok 5.1. Kagylódiagramok Az 5.1. ábrán a Pelton-turbina kagylódiagramja látható. A különböző nyitásértékekhez tartozó jelleggörbéket felrajzoltam a Q n koordinátarendszerben és az állandó hatásfokú pontokat egy-egy görbével összekötöttem, így kaptam a kagylódiagramot, amely hasonlít az elméletihez. 5.1. ábra A Pelton-turbina kagylódiagramja 29
Az 5.2. diagram a Francis-turbina kagylódiagramját ábrázolja. Ennek szerkesztésénél szintén felvettem a jelleggörbéket és az állandó hatásfokú pontokat összekötve megkaptam a kagylódiagramot, amely ebben az esetben is hasonlít az elméleti kagylódiagramhoz. 5.2. ábra A Francis-turbina kagylódiagramja 5.2. Diagramok Ebben a részben bemutatom a mérés során kapott és a meghatározott értékek felhasználásával készített diagramokat. Látni lehet a Pelton-turbina és a Francisturbina esetében is, hogy hogyan alakulnak a különböző értékek a szabályozás hatására, valamint milyen mértékben módosulnak ezek a görbék, ha emeljük a fordulatszámot. 30
5.2.1. A mechanikai teljesítmény változása térfogatáram függvényében Az 5.3. és az 5.4. ábrákon látható, hogy a Pelton-turbina esetében a térfogatáram növekedésével a teljesítmény is egyre nagyobb lesz, míg a Francisturbinánál éppen az ellenkezőjét tapasztaltam, minél nagyobb volt a térfogatáram, annál kisebb teljesítményt lehetett elérni. 5.3. ábra Teljesítmény változása a térfogatáram függvényében (Pelton-turbina) 5.4. ábra Teljesítmény változása a térfogatáram függvényében (Francis-turbina) 31
5.2.2. A mechanikai teljesítmény változása mérési pontok függvényében Az alábbi diagramokon (5.5. ábra és 5.6. ábra) szintén a teljesítmény változása figyelhető meg, viszont most nem a térfogatáram függvényében, hanem az adott turbina különböző mérési pontjainál. Látható, hogy a Pelton-turbina esetében, minél jobban be van tolva a szabályozó tű, annál jobb teljesítmény érhető el (5.5. ábra). 5.5. ábra Teljesítmény változása a mérési pontok függvényében (Pelton-turbina) A Francis-turbinánál megfigyelhető, hogy a legnagyobb teljesítmény a vezető lapátok zárt állásánál érhető el, a lapátozás nyitásával fokozatosan csökken a gép mechanikai teljesítménye (5.6. ábra). 5.6. ábra Teljesítmény változása a mérési pontok függvényében (Francis-turbina) 32
5.2.3. A hatásfok alakulása a mérési pontoknál Az 5.7. diagramon a Pelton-turbina mérésénél elért hatásfokok láthatóak. A tű előretolásával növekedik a gép hatásfoka is, majd a szabályozó tű körülbelül közepes állásától ez az érték állandósul. 5.7. ábra A hatásfok alakulása a mérési pontok függvényében (Pelton-turbina) Az 5.8. ábrán a Francis-turbina hatásfoka van ábrázolva. Megfigyelhető, hogy az adott fordulatszámhoz tartozó hatásfokok elérnek egy maximális értéket, onnan pedig fokozatosan csökkennek, ha nyitódnak a lapátok. 5.8. ábra A hatásfok alakulása a mérési pontok függvényében (Francis-turbina) 33
5.2.4. A nyomaték alakulása a mért fordulatszámokon Az alábbi ábrákon (5.9. és 5.10. ábra) a nyomaték változása látható a fordulatszám függvényében. Mindkét turbina esetén jól látható, hogy a fordulatszám emelésével a forgó tengelyen mérhető nyomaték egyre kisebb lesz. 5.9. ábra A nyomaték alakulása a fordulatszámok függvényében (Pelton-turbina) 5.10. ábra A nyomaték alakulása a fordulatszámok függvényében (Francis-turbina) 34
5.2.5. A mechanikai teljesítmény változása a mért fordulatszámokon Az 5.11. és 5.12. diagramokon megfigyelhető, hogy a fordulatszám növelésével hogyan változik az adott vízturbina teljesítménye. Látható, hogy minél nagyobb fordulatszámot választottam, annál jobb teljesítményt lehetett elérni. 5.11. ábra A mechanikai teljesítmény változása a fordulatszámok függvényében (Pelton-turbina) 5.12. ábra A mechanikai teljesítmény változása a fordulatszámok függvényében (Francis-turbina) 35
5.2.6. A hatásfok alakulása a mért fordulatszámokon A mérés során elért hatásfokok alakulását ábrázolják az alábbi ábrák (5.13. és 5.14. ábra). Mindkét diagramon egyértelműen látszik, hogy minél nagyobb fordulatszámon működtetjük a turbinát, annál jobb hatásfokot tudunk elérni. Az általam használt Pelton-turbina esetében közel 25%-os, a Francis-turbinánál pedig körülbelül 10%-os hatásfokot tudtam elérni. Ez viszonylag jónak mondható ezen kismintáknál, hiszen minél nagyobb gépről van szó, annál jobbak a hatásfok értékek. Ennek magyarázata, hogy a nagy gépen a vízzel érintkező felületek relatív érdessége kedvezőbb, mint az általam is használt kismintán. 5.13. ábra A hatásfok alakulása a fordulatszámok függvényében (Pelton-turbina) 5.14. ábra A hatásfok alakulása a fordulatszámok függvényében (Francis-turbina) 36
6. ÖSSZEGZÉS A szakdolgozat készítése során elvégeztem a szükséges méréseket és a kapott értékek segítségével kiszámoltam a nélkülözhetetlen mennyiségeket. A kiszámolt adatok segítségével ábrázoltam a kagylódiagramot, valamint további fontosabb görbéket. Elmondható, hogy a diagramok mindegyike hasonlít az elméleti görbéhez. A Pelton-turbina vizsgálatánál fent tudtam tartani közel állandó nyomást a rendszerben, viszont a Francis-turbina esetében ezt nem tudtam kivitelezni. Ezen okból a két turbina diagramjai nem hasonlíthatóak össze teljes mértékben. Munkám során még kiszámoltam az esésmagasságokat is, amely a Pelton-turbinánál 80-90 méter között, a Francis-turbinánál 28-58 méter között változott. A vízturbina fajlagos jellemzőit sajnos nem tudtam kiszámolni, mert nem ismertem az adott turbina járókerekének átmérőjét. 37
7. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Szeretnék köszönetet mondani konzulensemnek, Farkas Andrásnak, a Miskolci Egyetem Áramlás és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszék tanszéki mérnökének a folyamatos segítségért, valamint az elkészült munka ellenőrzéséért. A dolgozatban dokumentált kutató munka a Miskolci Egyetem stratégiai kutatási területén működő Innovációs Gépészeti Tervezés és Technológiák Kiválósági Központ keretében valósult meg. 38
8. IRODALOMJEGYZÉK [1] Dr. Czibere Tibor: Áramlástechnikai gépek [2] HM 365.32 Turbina táp modul - Használati útmutató [3] Dr. Szabó Szilárd: Erő- és munkagépek Előadásvázlat 2010 [4] A víz sűrűsége különböző hőmérsékleten http://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784408230.ap02; letöltési idő 2014.10.20. [5] Wikipédia; Vízturbina http://hu.wikipedia.org/wiki/v%c3%adzturbina; letöltési idő 2014.10.20. [6] Emergia; Erőmű típusok http://www.emergia.hu/index.php?option=com_content&task=view&id=59&itemi d=101; letöltési idő 2014.10.08. 39