Post on 02-Mar-2021
UNIVERSITATEA „VASILE ALECSANDRI” DIN BACĂU FACULTATEA DE INGINERIE
Ing. Marius Gheorghe MĂRIAN
“CONTRIBUŢII LA STUDIUL CONVERSIEI
MECANOELECTRICE A ENERGIEI RÂURILOR
CU POTENŢIAL HIDROENERGETIC REDUS”
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC:
Prof. univ. dr. ing. Tudor SAJIN
Bacău
2013
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 2
Mulţumiri
Doresc să adresez mulţumiri tuturor celor care, direct sau indirect, prin exactitatea
sugestiilor oferite, au contribuit la şlefuirea acestei lucrări ştiinţifice şi m-au susţinut la finalizarea
ei.
În cadrul parcursului acestei cercetări am beneficiat de sprijinul permanent şi necondiţionat
al domnului Prof. univ. dr. ing. Tudor SAJIN, conducătorul ştiinţific al tezei mele de doctorat,
căruia îi aduc pe această cale, cele mai sincere mulţumiri pentru îndrumarea activităţii mele
ştiinţifice, pentru răbdarea şi pentru exigenţa manifestată faţă de această lucrare.
Mulţumesc distinşilor referenţi din componenţa Comisiei, prezidate cu onoare, pentru
atenţia acordată analizării lucrării de faţă, precum şi pentru sugestiile formulate.
Mulţumesc întregului colectiv al Facultăţii de Inginerie din cadrul Universităţii ”Vasile
Alecsandri” din Bacău, care a contribuit la formarea mea profesională şi colegilor care mi-au
oferit sprijinul şi prietenia lor.
Mulţumesc de asemenea domnilor Directori şi colegilor din cadrul HIDROELECTRICA -
Sucursala Hidrocentrale ”Bistriţa” Piatra Neamţ, pentru încrederea acordată şi aportul major
adus în cizelarea deprinderilor mele în taina ingineriei hidroenergetice.
Acestor oameni minunaţi care mi-au dăruit informaţie şi afecţiune, care şi-au rupt din
timpul lor pentru a-mi fi de ajutor mie, doresc să le aduc recunoştinţa mea şi mă tem că-mi vor fi
sărace cuvintele în raport cu efortul domniilor lor.
Nu în cele din urmă aş dori să-mi exprim recunoştinţă şi mulţumire dragei mele soţii şi
părinţilor, pentru înţelegerea, îndrumarea, ajutorul şi încurajările continue pe care mi le-au
transmis pe parcursul acestor ani de studiu.
Vă mulţumesc!
Ing. Marius Gheorghe MĂRIAN
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 3
CUPRINS
LISTA PRINCIPALELOR NOTAŢII ŞI SIMBOLIZĂRI................................................ 6
INDEX TABELE.................................................................................................................... 8
INDEX FIGURI...................................................................................................................... 9
INTRODUCERE.................................................................................................................... 16
CAPITOLUL 1. STADIUL ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC ACTUAL AL
CERCETĂRILOR ŞI REALIZĂRILOR PRACTICE ÎN DOMENIUL
VALORIFICĂRII ENERGIEI RÂURILOR CU POTENŢIAL HIDROENERGETIC
REDUS..................................................................................................................................... 19
1.1. Energia din surse regenerabile – alternativa viitorului.................................................... 19
1.2. Situaţia pe plan mondial şi naţional de valorificare a energiei râurilor cu
potenţial hidroenergetic redus.......................................................................................... 23
1.2.1. Scurt istoric al dezvoltării hidroenergeticii.......................................................... 23
1.2.2. Centralele hidroelectrice pe plan mondial........................................................... 24
1.2.3. Potenţialul hidroenergetic al cursurilor de apă.................................................... 27
1.2.4. Potenţialul hidroenergetic din România şi alte ţări.............................................. 28
1.2.5. Microhidroenergetica........................................................................................... 31
1.2.6. Costuri implicate de implementarea microhidroenergeticii................................. 32
1.2.7. Valorificarea micropotenţialului hidraulic în România....................................... 32
1.3. Tehnologii microhidroenergetice de conversie a energiei. Analiză comparativă a
principalelor metode de captare a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic
redus…............................................................................................................................. 38
1.3.1. Amenajări pentru microhidrocentrale.................................................................. 38
1.3.2. Microturbine hidraulice....................................................................................... 40
1.3.2.1. Tipuri de microturbine hidraulice uzuale.............................................. 40
1.3.2.2. Microturbine hidraulice aflate în diferite stadii de dezvoltare.............. 43
1.3.2.3. Micro- şi miniturbine hidraulice fabricate în România......................... 49
1.3.2.4. Tehnologia valorificării energiei râurilor cu potenţial
hidroenergetic redus din vârtejul gravitaţional..................................... 51
1.4. Modelarea matematică a instalaţiilor primare ale unei centrale hidroelectrice................ 53
1.5. Metode de cercetare experimentală a turbinelor hidraulice pentru conversia
energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus.......................................................... 56
1.5.1. Turbina Pelton...................................................................................................... 56
1.5.2. Turbina Kaplan.................................................................................................... 57
1.5.3. Turbina Francis.................................................................................................... 58
1.5.4. Turbina Banki...................................................................................................... 59
1.6. Concluzii. Formularea obiectivelor şi problemelor de studiu.......................................... 59
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 4
CAPITOLUL 2. ASPECTE TEORETICE PRIVIND PROCESUL DE CONVERSIE
MECANICĂ A ENERGIEI RÂURILOR CU POTENŢIAL ENERGETIC
REDUS..................................................................................................................................... 62
2.1. Observaţii introductive.................................................................................................... 62
2.2. Curgerea apei prin aducţiune........................................................................................... 64
2.3. Mişcarea de vârtej a apei în camera cilindrică cu aparat director.................................... 64
2.4. Curgerea apei prin canalul conic al turbinei.................................................................... 65
2.5. Hidrodinamica curgerii în sistem fix şi rotaţional........................................................... 67
2.5.1. Ecuaţiile de mişcare............................................................................................. 67
2.5.2. Starea de tensiune într-un fluid vâscos incompresibil în mişcare........................ 69
2.5.3. Condiţii de unicitate............................................................................................. 70
2.5.4. Adimensionalizarea ecuaţiilor de mişcare rotaţională......................................... 72
2.6. Aspecte teoretice ale curgerii apei prin paletele rotorice ale turbinei.............................. 73
2.6.1. Producerea forţei asupra palelor turbinei de către fluidul în mişcare.................. 73
2.6.2. Interacţiunea dintre rotorul şi statorul turbinei la curgerea apei.......................... 74
2.6.3. Fenomenul de cavitaţie la curgerea apei prin turbină.......................................... 76
2.6.4. Influenţa curgerii turbulente asupra stabilităţii palelor rotorului
hidrodinamic multipal.......................................................................................... 77
2.7. Bazele teoretice ale procesului de conversie mecanică a energiei hidraulice.................. 78
2.7.1. Schimbul de energie între fluid şi turbina hidraulică........................................... 78
2.7.2. Legătura între structura cinematică a mişcării şi schimbul de
energie din rotor................................................................................................... 79
2.7.3. Ecuaţiile turbinelor hidraulice.............................................................................. 81
2.7.4. Factorii de influenţă asupra eficienţei conversiei energiei cinetice..................... 84
2.7.5. Mişcarea potenţială plană. Determinarea coeficienţilor
hidrodinamici CL şi CM........................................................................................ 85
2.7.6. Stratul limită laminar şi turbulent. Determinarea coeficientului
hidrodinamic CD.................................................................................................. 87
2.7.7. Curgerea apei prin conul aspirator....................................................................... 89
2.7.8. Elemente de modelare fizică şi matematică a procesului
de conversie mecanică a energiei vârtejului de apă............................................. 89
2.7.8.1. Observaţii introductive......................................................................... 89
2.7.8.2. Problema conversiei energiei vârtejului de apă................................... 94
2.7.8.3. Ipoteze simplificatoare......................................................................... 94
2.7.8.4. Elemente de modelare matematică la mişcarea fluidului în
curentul principal................................................................................. 95
2.7.8.5. Efectele tensiunii superficiale.............................................................. 98
2.7.8.6. Mişcarea în stratul limită..................................................................... 99
2.8. Analiza dimensională....................................................................................................... 100
2.9. Concluzii şi contribuţii personale.................................................................................... 104
CAPITOLUL 3. MODELAREA MATEMATICĂ A PROCESULUI DE
CONVERSIE MECANICĂ A ENERGIEI VÂRTEJULUI CONIC DE APĂ................. 105
3.1. Noul concept al microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional............................................ 105
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 5
3.2. Modelarea curgerii apei prin statorul turbinei în lipsa rotorului...................................... 110
3.2.1. Structura curgerii................................................................................................. 111
3.2.2. Determinarea componentelor vitezelor în stratul limită...................................... 112
3.2.3. Relaţii de calcul al câmpului de viteze în zona curgerii potenţiale şi în
zona vârtejului forţat............................................................................................ 123
3.3. Modelul de simulare numerică a curgerii şi de calcul al caracteristicilor
energetice ale microhidrocentralei cu funcţionare în vârtej gravitaţional....................... 127
3.3.1. Simularea numerică a curgerii apei prin camera conică în prezenţa
treptelor de turbină............................................................................................... 127
3.3.2. Modelul de calcul al caracteristicilor de curgere, de turaţie şi de
putere ale microcentralei...................................................................................... 130
3.4. Concluzii şi contribuţii personale.................................................................................... 150
CAPITOLUL 4. DESCRIEREA INSTALAŢIILOR ŞI PROCEDURILOR DE
CERCETARE EXPERIMENTALĂ A PROCESULUI DE CONVERSIE
MECANICĂ A ENERGIEI VÂRTEJULUI CONIC DE APĂ.......................................... 153
4.1. Instalaţia de laborator pentru demonstrarea principiului de conversie a energiei
hidraulice a vârtejului de apă gravitaţional în energie electrică...................................... 153
4.2. Instalaţia experimentală de studiu al modelului de laborator al
microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional...................................................................... 155
4.3. Calculul hidraulic al instalaţiei experimentale................................................................. 163
4.4. Procedura experimentală de studiu al procesului de captare a energiei
hidraulice a vârtejului gravitaţional de apă...................................................................... 167
4.5. Calculul incertitudinilor de măsurare şi de determinare a mărimilor
experimentale................................................................................................................... 170
4.6. Concluzii şi contribuţii personale.................................................................................... 172
CAPITOLUL 5. INTERPRETAREA REZULTATELOR EXPERIMENTALE.
VALIDAREA MODELELOR ŞI RELAŢIILOR TEORETICE....................................... 174
5.1. Observaţii experimentale şi interpretarea lor în legătura cu mecanismul de
captare a energiei mecanice din vârtejul gravitaţional..................................................... 174
5.2. Caracteristicile de curgere................................................................................................ 177
5.2.1. Coeficientul de debit............................................................................................ 177
5.2.2. Capacitatea de înghiţire a turbinei....................................................................... 181
5.3. Caracteristicile de turaţie ale treptelor turbinei hidraulice............................................... 183
5.3.1. Dependenţele turaţiilor treptelor de debitul de apă şi parametrii
funcţionali şi geometrici ai turbinei…………………………………………..... 183
5.3.2. Caracteristicile de turaţie……………………………………………………..... 186
5.3.3. Caracteristicile de putere……………………………………………………..... 192
5.4. Analiza comparativă a performanţelor convertorului microhidroenergetic cu trepte
de rapiditate ale turbinei cu alte tehnologii de conversie a energiei hidraulice a
râurilor cu potenţial hidroenergetic redus………………………………………............ 193
5.5. Concluzii şi contribuţii personale………………………………………………............ 194
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 6
CAPITOLUL 6. CONCLUZII GENERALE ŞI CONTRIBUŢII PERSONALE.
DIRECŢII DE CERCETARE ÎN PERSPECTIVĂ............................................................. 197
6.1. Concluzii generale……………………………………………………………………... 197
6.2. Contribuţii personale…………………………………………………………………… 205
6.3. Direcţii de cercetare în perspectivă…………………………………………………...... 207
BIBLIOGRAFIE……………………………………………………………………............. 208
ANEXE:
Anexa 1. Legislaţia privind sursele regenerabile de energie.................................................... 219
Anexa 2. Lista lucrărilor publicate în domeniul tezei de doctorat…........................................ 221
Anexa 3. Copii ale lucrărilor publicate în domeniul tezei de doctorat..................................... 223
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 7
INTRODUCERE
Creşterea consumului de energie conduce la creşterea continuă a volumului extragerii
combustibililor fosili, care asigură astăzi peste 85% din energia utilizată [1,2]. În prezent, anual se
consumă energia echivalentă a peste 11 miliarde tone de combustibil convenţional din care doar
15,4% nu este de origine fosilă [3,4]. În contrast cu combustibilii fosili şi cel nuclear care sunt
epuizabili şi surse stocate de energie, formate pe parcursul a milioane de ani, sursele regenerabile de
energie (SRE) sunt definite ca „energii obţinute din fluxurile existente în mediul ambiant şi care au
un caracter continuu şi repetitiv” [7,8]. Spre deosebire de energia din surse regenerabile, cea din
combustibili fosili este încorporată şi poate fi eliberată numai în urma unei anumite activităţi a
omului. Prin eliberarea energiei stocate în combustibilii fosili sau cei nucleari nu doar că se
poluează mediul ambiant cu deşeuri ci se contribuie la poluarea termică a mediului [9].
Conform estimărilor efectuate, rezervele energiei din surse regenerabile sunt enorme [10]:
solară – 89000 TW; eoliană – 370 TW; ocean – 200 TW; hidro – 160 TW.
În micro- sau nano-CHE se îmbină, pe de o parte, avantajele unei CHE de mare putere cu
posibilitatea alimentării decentralizate cu energie [53,54]. Acest tip de centrale nu au multe
dezavantaje ale centralelor de mare putere cum ar fi transmisiile costisitoare, problemele ecologice
[55,56]. Plus la aceasta, implementarea microhidroenergeticii conduce la utilizarea decentralizată a
energiei electrice şi creează condiţii favorabile de dezvoltare a zonelor economice, bazată în
principal pe asigurarea cu resurse proprii.
Microhidroenergetica este indicată, în primul rând, pentru ţările cu economie în dezvoltare
datorită realizării principiului de decentralizare [64]. Energia electrică produsă se transmite, de
regulă, printr-o reţea de joasă tensiune unui număr restrâns de consumatori amplasaţi în vecinătatea
micro-CHE.
Resursele de apă din interiorul ţării se caracterizează printr-o mare variabilitate, atât în
spaţiu, cât şi în timp [51]. Astfel, zone mari şi importante, cum ar fi Câmpia Română, podişul
Moldovei şi Dobrogea, sunt sărace în apă.
Un interes deosebit îl prezintă tehnologia microhidroenergetică bazată pe vârtejul
gravitaţional [157]. Dacă pentru o microhidrocentrală convenţională este nevoie de o cădere de
nivel de minimum 2 metri pentru ca apa ce intră în turbină să aibă puterea să învârtă paletele,
pentru microcentrala cu vârtej gravitaţional este de ajuns o cădere de 0,7 m, energia creată de
vârtej fiind capabilă să învârtă paletele nemaifiind nevoie de construirea unui baraj. Turbina se
roteşte coaxial în vârtejul gravitaţional şi este acţionată pe toată circumferinţa. Un alt mare avantaj
al sistemului cu vârtej este acela că nu sunt necesare site şi filtre, pentru a îndepărta impurităţile şi
resturile ce sunt purtate de apă; acestea trec foarte uşor prin vârtej. Ar mai fi de menţionat faptul, că
peştii nu mai au nevoie de un canal special ca în cazul microhidrocentralelor clasice, aceştia fiind
liberi să treacă prin vârtej, paletele acesteia având o viteză mică de rotaţie.
Obiectivul ştiinţific principal al lucrării este creşterea randamentului de valorificare a
potenţialului hidro-mecanic al râurilor cu potenţial hidroenergetic redus prin studiul şi dezvoltarea
tehnologiei de conversie a energiei apei în vârtej gravitaţional.
Reieşind din analiza stadiului tehnico-ştiinţific actual şi din considerentele atingerii acestui
obiectiv au fost soluţionate problemele de studiu abordate în această lucrare.
Lucrarea este structurată în 6 capitole, ce cuprind studii teoretice şi experimentale ce pun în
evidenţă modalităţile de conversie a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus, accentul
fiind pus atât pe conversia energiei hidraulice extrase din vârtejul gravitaţional.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 8
Capitolul 1 prezintă o analiză a stadiului actual în domeniul valorificării energiei hidraulice
atât la nivel naţional cât şi mondial. Sunt prezentate tehnologiile existente la ora actuală şi este
efectuată o analiză comparativă a acestora din punct de vedere constructiv, tehnologic, al impactului
asupra mediului natural şi al randamentului de conversie.
Capitolul 2 prezintă aspectele teoretice privind conversia energie hidraulice a vârtejului de
apă, a modelelor matematice de conversie a acestuia. De asemenea se prezintă o sistematizare a
fenomenelor fizice şi mecanice ce au loc la trecerea apei prin elementele unei microcentrale
hidroelectrice. În finalul acestui capitol a fost realizată o analiză dimensională a procesului de
conversie a energiei vârtejului gravitaţional de apă.
Capitolul 3 prezintă metoda de modelare matematică a procesului de conversie mecanică a
energiei vârtejului conic de apă. Se propune conceptul unui nou tip de microhidrocentrală, care
funcţionează la curgerea apei în vârtej gravitaţional, a cărui concept este brevetat. În aproximaţia
stratului limită sunt formulate şi integrate numeric ecuaţiile Navier-Stokes şi ecuaţiile de
continuitate în straturile limită ale aparatului director şi al canalului conic în lipsa treptelor de
turbină. Soluţiile sunt obţinute prin metoda lui Pohlausen. În aproximaţia vârtejului Rankine sunt
determinate repartiţiile vitezelor în zonele vârtejului forţat şi vârtejului liber a curgerii. Se realizează
simularea numerică a curgerii apei prin canalul conic în prezenţa treptelor de turbină, utilizând soft-
ul Comsol Multiphysics, care poate interacţiona cu pachetul de programe SolidWorks. Se simulează
pe calculator în softul Mathcad 14 modelele de calcul al caracteristicilor de curgere, de turaţie şi de
putere a microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional şi se determină dependenţele coeficientului de
debit şi capacitatea de înghiţire a centralei în funcţie de randamentele treptelor, de poziţionarea unei
singure trepte în canalul conic şi de unghiul canalului conic.
Capitolul 4 prezintă instalaţiile experimentale şi metodologiile de măsurare a mărimilor
care intervin în studiul modelului turbinei hidraulice. Se concepe şi realizează instalaţia de laborator
pentru demonstrarea principiului de conversie a energiei hidraulice a vârtejului de apă gravitaţional
în energie electrică. De asemenea se concepe şi realizează o instalaţie experimentală de studiu a
modelului de laborator al microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional, executat la scară mică.
Se efectuează calculul hidraulic al instalaţiei experimentale.
Se elaborează procedurile experimentale de studiu a procesului de captare a energiei
hidraulice a vârtejului gravitaţional de apă.
Se calculează incertitudinile de măsurare şi determinare a mărimilor care intervin în
procesele studiate.
Capitolul 5 este destinat interpretării şi comparării rezultatelor experimentale cu cele
teoretice obţinute în capitolele anterioare. Se demonstrează experimental că mecanismul de
extracţie a lucrului mecanic din vârtejul gravitaţional este determinat de procesul de tranziţie a
curgerii discontinue, în neechilibru, în curgere continuă în echilibru. Se trasează caracteristicile de
curgere, de turaţie şi de putere ale treptelor turbinei experimentale.
Se validează relaţiile modelelor matematice propuse în cap. 3.
Capitolul 6 este dedicat concluziilor generale, contribuţiilor originale aduse în domeniul
temei propuse precum şi a perspectivelor ulterioare de cercetare.
Bibliografia prezentată în final cuprinde un număr de 208 titluri de cărţi şi articole care au
stat la baza cercetărilor şi au contribuit semnificativ la obţinerea rezultatelor prezentate, precum şi
titlurile de lucrări şi de brevet de invenţie publicate de autor.
Anexele cuprind lista lucrărilor publicate în domeniul temei tezei, precum şi copii ale
articolelor relevante şi o listă cu legislaţia în vigoare în domeniul surselor regenerabile de energie.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 9
CAPITOLUL 1. STADIUL ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC ACTUAL AL CERCETĂRILOR ŞI REALIZĂRILOR PRACTICE ÎN DOMENIUL
VALORIFICĂRII ENERGIEI RÂURILOR CU POTENŢIAL HIDROENERGETIC REDUS
Un număr mare de tehnologii de conversie a energiei hidraulice, dintre care unele bazate pe
principii mai degrabă neobişnuite, au fost propuse pentru exploatarea amplasamentelor
hidroenergetice neutilizate în prezent, cu diferenţe de căderi mai mici de 2 m şi o putere cuprinsă
între 1-1000 kW. Gama de principii de conversie cuprinde de la conversia energiei cinetice, la
crearea şi utilizarea curgerii sub forma de vârtej, la conversia energiei valurilor, la clasicele roţi de
apă. Colectarea informaţiilor furnizate, dezvoltarea teoriilor ştiinţifice bazate pe principiile de lucru
şi analiză, rezultatele pe care le-ar putea indica cele mai multe convertoare de energie hidraulică
propuse au limitat randamentul real de la 4,6-35%, în timp ce impactul lor ecologic este cuprins
între moderat şi extrem.
În ultimii ani România este confruntată cu o penurie energetică, caracterizată prin alternanţa
unor faze de adâncire, respectiv de normalizare, în funcţie de fluctuaţiile sprijinului din exterior
[133]. Independenţa energetică a României trebuie să treacă pe calea valorificării optime a tuturor
resurselor interne regenerabile sau neregenerabile. Sursa care ar putea să satisfacă asemenea cerinţe
este reprezentată de energia hidraulică a râurilor mici care, în funcţie de rentabilitate, poate sau nu
să fie racordată la sistemul energetic naţional [33].
În contextul actual [134], pot fi subliniate următoarele avantaje principale ale micro-
hidrocentralelor:
• sunt potrivite pentru cerinţe mici de putere, descentralizate (industria uşoară, ferme private
şi întreprinderi, comunităţi rurale) şi pentru operaţii externe reţelei principale;
• necesită reţele de distribuţie de joasă tensiune şi, eventual, micro reţele subregionale;
• pot fi utilizate în proprietate privată sau proprietate comună;
• perioada scurtă de construcţie cu materiale locale şi utilizarea abilităţilor populaţiei din zonă,
pot avea un impact considerabil asupra calităţii vieţii rurale;
• flexibilitatea lor, în special în ceea ce priveşte adaptarea la încărcări variabile în funcţie de
debitul afluent, le face un component privilegiat în orice sistem energetic integrat;
• centralele pot rezista o perioadă îndelungată. Unele au peste 70 de ani şi sunt încă în stare de
funcţionare. Centralele pregătite de a intra în funcţiune în viitorul apropiat pot prezenta o durată de
viaţă chiar mai lungă şi pot servi consumatorii timp de mai multe generaţii fără a polua atmosfera.
În concluzie, potenţialul hidroenergetic al râurilor mici poate fi valorificat deoarece reprezintă
o sursă ieftină, practic inepuizabilă. Printr-o alegere corespunzătoare a traseului ce urmează a fi
amenajat, atât în funcţie de condiţiile favorizante cât şi de cele restrictive şi prin menţinerea unui
raport rezonabil între debitul instalat şi cel de servitute, microhidrocentralele se vor integra bine în
peisaj, fără să provoace dezechilibre. Nu în ultimă instanţă, buna gospodărire a traseului amenajat şi
a instalaţiilor, precum şi un regim de exploatare optim, pot contribui la viabilitatea
microhidrocentralelor.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 10
CAPITOLUL 2. ASPECTE TEORETICE PRIVIND PROCESUL DE CONVERSIE MECANICĂ A ENERGIEI RÂURILOR CU POTENŢIAL
ENERGETIC REDUS
În cadrul acestui capitol au fost prezentate elementele constructive ale microhidrocentralei în
conceptul funcţionării în vârtej gravitaţional. Astfel, a fost abordată problema curgerii apei prin
elementele microhidrocentralei [207]:
canalul de aducţiune, amplasat tangenţial la cursul unui râu, preluând astfel o parte din apa
acestuia pe care o deviază către microhidrocentrală;
zona cilindrică a camerei de formare a vârtejului, unde se realizează admisia tangenţială a
apei, iar cu ajutorul aparatului director cu palete fixe cu înclinare reglabilă se formează vârtejul
gravitaţional cu intensitate controlată pentru alegerea regimului optim de funcţionare a turbinei;
zona unui trunchi de con, poziţionat cu baza mare în partea superioară, care asigură
formarea vârtejului gravitaţional cu viteză unghiulară variabilă pe înălţimea camerei (ca şi în cazul
ciclonului), ceea ce permite amplasarea unor trepte de turaţii suplimentare pentru captarea
suplimentară a energiei vârtejului şi creşterea randamentului de conversie;
rotorul turbinei hidraulice cu trepte de rapiditate cu diametre caracteristice ale paletelor
care descresc în lungul camerei de la intrare spre orificiul de scurgere direct proporţional cu
descreşterea diametrului secţiunii transversale a camerei în care sunt amplasate, ceea ce permite
captarea profundă a energiei vârtejului gravitaţional de apă şi creşterea randamentului de conversie;
conul aspirator care este cuplat între orificiul central de scurgere al camerei de formare a
vârtejului şi canalul de fugă. Acesta conduce la reducerea pierderilor reziduale ale turbinei
hidraulice, deci şi la creşterea randamentului de conversie.
În plan teoretic au fost sistematizate bazele teoretice ale hidrodinamicii curgerii fluidului
incompresibil vâscos în sisteme de coordonate fix şi rotaţional. S-a pornit de la analiza ecuaţiei
generale Navier – Stokes şi a ecuaţiei de continuitate, descriindu-se apoi starea de tensiune a unui
fluid vâscos incompresibil în mişcare. S-au specificat condiţiile de unicitate. Din
adimensionalizarea ecuaţiilor de mişcare rotaţională s-au evidenţiat trei numere adimensionale
caracteristice: numărul Ekman, numărul Rossby şi numărul Reynolds.
Au fost analizate noţiunile teoretice referitoare la curgerea apei prin paletele rotorice ale
turbinei. Aspectele evidenţiate au fost: mecanismul producerii forţei de către fluidul în mişcare
asupra palelor turbinei, interacţiunea dintre rotorul şi statorul turbinei la curgerea apei, fenomenul
de cavitaţie a apei la interacţiunea cu turbina şi influenţa curgerii turbulente asupra stabilităţii
palelor turbinei.
La sistematizarea teoriei procesului de conversie mecanică a energiei hidraulice s-au
analizat: schimbul de energie între fluid şi turbina hidraulică, legătura între structura cinematică a
mişcării şi schimbul de energie din rotor, ecuaţiile turbinelor hidraulice, factorii de influenţă asupra
eficienţei conversiei energiei cinetice, mişcarea potenţială plană, stratul limită laminar şi turbulent,
curgerea apei prin conul aspirator.
S-au prezentat elemente de modelare fizică şi matematică a procesului de conversie
mecanică a energiei vârtejului de apă. S-a abordat problema conversiei energiei vârtejului de apă. În
acest sens s-au formulat ipotezele simplificatoare, ecuaţiile de mişcare în curentul principal şi în
stratul limită.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 11
Ca şi contribuţie personală a fost realizată analiza dimensională a proceselor de curgere a
apei prin elementele microhidrocentralei. Rezultatele obţinute în acest capitol constau în
sistematizarea bazelor teoretice pentru formularea şi realizarea modelelor concrete (fizic şi
matematic) care vor fi dezvoltate în capitolul următor.
CAPITOLUL 3. MODELAREA MATEMATICĂ A PROCESULUI DE CONVERSIE MECANICĂ A ENERGIEI VÂRTEJULUI CONIC DE APĂ
3.1. Noul concept al microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional
Microcentrala hidroelectrică
propusă (fig. 3.1) este constituită
dintr-o fundaţie de ţărm, executată
sub forma carcasei spirale 1 din
beton armat cu racord tangenţial de
admisie 2, prin care este deviat o
parte din cursul râului şi cu o
cameră 3 de formare a curgerii apei
sub formă de vârtej gravitaţional. În
partea inferioară a camerei 3 este
executat orificiul central 4 de
scurgere a apei, poziţionat deasupra
unui canalului de fugă 5.
Microcentrala mai conţine turbina
hidraulică 6 cu arbore vertical,
poziţionată în centrul camerei 3 şi
legată cinematic cu generatorul
electric 7.
Carcasa spirală 1, la intrarea
în partea superioară a camerei 3,
este dotată cu aparatul director 8 cu
palete fixe 9 cu înclinare reglabilă
de tip Fink. Obişnuit arborele
fiecărei palete 9 este solidar cu o
manivelă, legată printr-o bieletă la
un inel de comandă, rotit de un
servomotor hidraulic (în desene nu
sunt prezentate).
Camera 3 este executată sub
forma unui trunchi de con,
poziţionat cu baza mare în partea
superioară.
Fig. 3.1. Microcentrala hidroelectrică cu trepte de
turbină elicoidale, secţiune longitudinală
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 12
Între orificiul central 4 de scurgere al camerei şi canalul de fugă 5 este cuplat aspiratorul în
cot 10.
Turbina hidraulică 6 este executată în cel puţin două trepte de turaţii, spre exemplu, treptele
11, 12 şi 13 cu diametre caracteristice D ale paletelor mobile care descresc în lungul camerei 3 de la
intrare spre orificiul 4 de scurgere direct proporţional cu descreşterea diametrului secţiunii
transversale a camerei în care sunt amplasate. Turbina hidraulică 6 este legată cinematic cu
generatorul electric 7 prin mecanismul de reducere şi multiplicare 14 a turaţiilor treptelor. Fiecare
treaptă 11, 12 şi 13 a turbinei hidraulice 6 este montată pe arborele propriu de rotaţie 15, 16 şi 17.
Acestea sunt asamblate telescopic şi sunt cuplate la roţile dinţate conducătoare 18, 19 şi 20
respective (fig.3.2) ale mecanismului de reducere şi multiplicare 14.
Turbina hidraulică 6, generatorul electric 7 şi mecanismul de reducere şi multiplicare 14
sunt montate pe suportul metalic 21 dotat cu un lagăr axial puternic – crapodina 22.
Mecanismul de reducere şi multiplicare 14 a
turaţiilor treptelor (fig. 3.2) este alcătuit dintr-un număr
de perechi de roţi dinţate angrenate între ele, egal cu
numărul de trepte ale turbinei 6, în cazul nostru din trei
perechi de roţi dinţate 18-23, 19-24 şi 20-25, din care,
în funcţie de turaţiile treptelor turbinei, unele perechi
20-25 sunt utilizate pentru reducerea, iar altele 18-23 şi
19-24 pentru multiplicarea turaţiei până la valoarea
turaţiei nominale a generatorului electric 7. Se ştie, că
la curgerea spirală a apei printr-un canal conic, cum
este camera 3, produsul vitezei liniare v a curgerii la
raza r a secţiunii transversale a camerei 3 este o
mărime constantă:
constr v . (3.2) Având în vedere că rv , unde este viteza unghiulară a turbionului în secţiunea
camerei 3 cu raza r , vom obţine că viteza unghiulară a vârtejului gravitaţional va creşte invers
proporţional cu pătratul razei camerei 3, adică:
2r
const . (3.3)
Prin urmare, treapta mai apropiată de orificiul 4 al camerei 3 va avea turaţia mai mare decât
dacă aceasta ar fi poziţionată mai sus. În cazul turbinei cu mai multe trepte acest principiu nu se mai
respectă din cauza reducerii turaţiei prin captarea de energie de către treptele poziţionate mai sus.
Astfel, dacă turaţia uneia dintre treptele turbinei 6 depăşeşte turaţia nominală a generatorului
electric 7, mai probabil treapta 13, arborele de rotaţie 17 al acesteia este cuplat la roata
conducătoare 20 a perechii 20-25 care reduce această turaţie până la valoarea turaţiei nominale a
generatorului electric 7. Dacă turaţia uneia dintre treptele turbinei 6 este sub turaţia nominală a
generatorului electric 7, mai probabil treapta 11, arborele de rotaţie 15 al acesteia este cuplat la
roata conducătoare 18 a perechii 18-23 care multiplică această turaţie până la valoarea turaţiei
nominale a generatorului electric 8. Pot exista cazuri, când turaţiile tuturor treptelor sunt sub turaţia
nominală a generatorului 7 şi, atunci mecanismul 14 va fi un multiplicator în trepte sau când un
număr diferit de trepte au turaţia sub cea nominală iar altele peste cea nominală şi, atunci
Fig. 3.2. Mecanismul de reducere şi
multiplicare a vitezelor unghiulare
ale treptelor, secţiune longitudinală
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 13
mecanismul 14 va fi un mecanism combinat de reducere şi multiplicare. Tipul concret al
mecanismului 14 se alege în funcţie de numărul de trepte ale turbinei 6 şi de spectrul de valori ale
turaţiilor acestora.
Tipul de palete utilizate în fiecare treaptă 11, 12 şi 13 sunt alese în funcţie de rapiditatea
acesteia, calculată cu formula de similitudine a turbinelor hidraulice.
Generatorul electric 7 este cuplat cu arborele de ieşire 29 al mecanismului de reducere
multiplicare 14 prin cuplajul 30.
3.2. Modelarea curgerii apei prin statorul turbinei în lipsa rotorului
Trecerea unui lichid turbionar printr-un ajutaj convergent este însoţită de formarea unui strat
limită pe peretele ajutajului. Presupunând că acest strat este subţire, mişcarea curentului principal
poate fi considerată fără frecare şi distribuţia presiunii şi vitezei în acesta, când debitul vine dintr-un
rezervor de mare presiune, poate fi obţinută prin aplicarea teoriei debitului critic. Este necesar să
presupunem că unghiul ajutajului conic este
mic, astfel încât vitezele radiale pot fi neglijate.
Viteza de curgere a curentului de apă este
determinată ca fiind uniformă în fiecare
secţiune transversală, ea crescând în intensitate
o dată cu reducerea diametrului conului spre
ieşirea din acesta.
3.2.2. Determinarea componentelor vitezelor
în stratul limită
Un caz particular al acestei curgeri
(pentru 0 , curgere pură) a fost studiat de
Binnie şi Harris [144]. Un alt caz particular
(pentru Q=0, vârtej pur) a fost abordat de
Taylor [138] şi Cooke [154]. Pentru acest caz
(Q=0) pe peretele conic se formează stratul
limită, în care, în afară de componentele
vitezelor u şi v apare şi componenta w în
direcţia directoarei conului. Nucleul curgerii, în
care apa se comportă ca un fluid ideal este o
curgere în vârtej, având doar componenta
circulară a vitezei v.
În aproximaţia stratului limită, ecuaţiile
Navier – Stokes şi ecuaţiile de continuitate se
scriu sub forma [196-198,201,202]:
a) pentru curgerea în camera cilindrică
în coordonate cilindrice (fig.3.5, a) [169, 201]:
Fig. 3.5. Structura curgerii apei în vârtej
gravitaţional:
a - structura curgerii; b - orientarea vectorilor viteză în
sistem de coordonate sferico-polare R, ,
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 14
r
v
r
P1 2
; (3.4)
2
2
r
v
z
vw
r
vu
; (3.5)
2
2
r
wg
z
P1
z
ww
r
wu
; (3.6)
0z
w
r
u
, (3.7)
având condiţiile la limită,
0wvu:2
Dr (3.8)
0
;
22
;0:2
r
u
r
v
Dv
wD
r
(3.9)
b) pentru curgerea prin canalul conic în coordonate sferico-polare (fig. 3.5, b) [138, 201]:
R
ctgvP
R
1 2
; (3.10)
cosg
w
RR
v
sinR2
w
R
u
R
wW
2
2
2
2
23
2
; (3.11)
sing
v
RR
vwv
R
u
r
vW
2
2
2; (3.12)
0u
R
1
R
w2
R
w
, (3.13)
cu condiţiile la limită,
0wvu:2
; (3.14)
0wvu
;
2sinR2
v;0w:R2
. (3.15)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 15
Grosimea stratului limită z creşte monoton cu z (fig. 3.6), atingând valoarea maximă
pentru z = h (în secţiunea inferioară a camerei cilindrice). Rezultatele numerice sunt descrise cu
înaltă precizie de relaţia:
4,0
h
zhz
(3.20)
Profilele vitezelor v, w, u sunt identice cu cele din camera cilindrică (fig. 3.8-3.10) deoarece
sunt descrise de aceleaşi funcţii Fv(η), Fw(η) şi Fu(η).
Grosimea stratului limită R şi parametrul adimensional RE s-au determinat prin
soluţionarea numerică a sistemului de ecuaţii, obţinute în urma calculării integralelor impulsurilor
pentru acest caz [138]:
2
1
1
2
1
2
11
2
E
RE330
R
E2
R
98
dR
dE
; (3.30)
Fig. 3.9. Profilul componentei axiale w a
vitezei în stratul limită al camerei cilindrice
a aparatului director
Fig. 3.8. Profilul componentei circulare
v a vitezei în stratul limită al camerei
cilindrice a aparatului director
Fig. 3.6. Dependenţa grosimii stratului limită z al camerei
cilindrice a aparatului director de coordonata axială z
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 16
1
1
2
1
1
2
2
1
1
2
1 R285R
E
RE
E49
dR
Ed
, (3.31)
în care,
0
1R
RR ; (3.32)
2sin2
R
R
0
1 . (3.33)
Repartiţia grosimii stratului limită în coordonate
adimensionale 11 R are profilul prezentat în fig. 3.17.
Dependenţa R a fost aproximată cu relaţia:
1
R
R18,5
R
R136,9
R
R138,4
2sin2
RR
57,0
0
37,1
0
75,1
0
0 . (3.36)
Repartiţia parametrului adimensional 1RE este prezentată în fig.3.18 şi se descrie cu
relaţia aproximativă:
15
0
5,0
00 R
R848,0
R
R5,2
R
R4569,7RE
(3.37)
Fig. 3.17. Dependenţa grosimii stratului limită
R al canalului conic de coordonata R
Fig. 3.18. Dependenţa parametrului
adimensional RE al stratului limită
al canalului conic de coordonata R
Fig. 3.10. Profilul componentei
radiale u a vitezei în stratul
limită al camerei cilindrice a
aparatului director
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 17
3.2.3. Relaţii de calcul al câmpului de viteze în zona curgerii potenţiale şi în zona vârtejului
forţat
Vitezele w şi u sunt legate între ele cu ecuaţia de continuitate a fluidului incompresibil, care
în coordonate cilindrice pentru curgerea axial-simetrică se scrie sub forma:
0
z
w
r
u
r
u. (3.41)
În consecinţă, vom admite pentru v(r), u(r) şi w în vârtejul forţat relaţiile de tipul vârtejului
lui Rankine [201,202]:
.dacă,0;2
;
;dacă,;2
;
0
2
0
2
0
0
rrwr
ru
r
rv
rrzwrurv
(3.42)
Atunci ecuaţia de continuitate (3.41) va fi validată automat.
Viteza circulară v (fig.3.26) şi viteza radială u (fig.3.27) este continuă la suprafaţa exterioară
a vârtejului forţat 0rr , chiar dacă are punct de întoarcere la această suprafaţă, în timp ce viteza
axială w (fig.3.28) pentru 0z variază în prag. Un astfel de prag pentru w, în punctul de
întoarcere 0rr , care depinde liniar de z, este strict vorbind instabil [201]. Această instabilitate este
cunoscută ca instabilitatea decalajului tangenţial de viteză [171], care la apariţia unor fluctuaţii ale
vitezei şi presiunii la suprafaţa fluidelor care se mişcă cu viteze diferite, cresc în timp exponenţial.
Astfel, la etapa neliniară de dezvoltare a instabilităţii apare o structură turbulentă sub forma unei
serii aproape periodice de vârtejuri cunoscute sub denumirea de „ochi de pisică” [172]. În acest strat
superficial turbulent şi cvasistaţionar are loc atenuarea decalajului vitezei axiale şi a punctului de
întoarcere a vitezelor radială şi circulară.
Pentru zona vârtejului forţat ecuaţiile lui Euler în proiecţii pe axele r şi z se scriu sub forma
( 0 p ):
rp
rrr
122
2; (3.46)
gr
pz
12 , (3.47)
integrala comună a cărora este:
constr
zgzrrp
2
2
22
8
2
2
22. (3.48)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 18
Fig.3.26. Repartiţia vitezei circulare în
zonele vârtejului forţat şi a curgerii
potenţiale:
=9.653 s-1; D=2.6 m; d=1.58 m
Fig. 3.27. Repartiţia vitezei radiale în
zonele vârtejului forţat şi a curgerii
potenţiale:
H=2.5 m; z/H: 1-0; 2-0.2; 3-0.4; 4-0.6; 5-0.8; 6-0.9;
=0.418 s-1
Fig.3.28. Repartiţia vitezei axiale în zonele vârtejului forţat şi a curgerii
potenţiale:
z(r) - suprafaţa liberă de separaţie a fazelor apă-aer în caverna de aer la rotaţia fluidului calculată cu
ecuaţia (3.49), în care =0.418 s-1; =9.653 s-1; =0.07269 N/m; =998.2 kg/m3
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 19
La suprafaţa liberă a fluidului în mişcare de rotaţie (interfaţa dintre caverna de aer şi apă,
fig.3.5) presiunea constp . Prin urmare, suprafaţa liberă a fluidului este suprafaţa unui paraboloid
de rotaţie (fig.3.28, curba z(r)), descrisă de ecuaţia [201]:
2
28
2
2
22222
)(
rr
rgg
rz . (3.49)
3.3. Modelul de simulare numerică a curgerii şi de calcul al caracteristicilor energetice ale microhidrocentralei cu funcţionare în vârtej gravitaţional
3.3.1. Simularea numerică a curgerii apei prin camera conică în prezenţa treptelor de
turbină
La elaborarea programului de simulare pe
calculator s-a utilizat softul comercial Comsol
Multiphysics. Acesta este un pachet de modelare,
care soluţionează sisteme de ecuaţii cu derivate
parţiale neliniare prin metoda elementului finit în una,
două şi trei dimensiuni. Cadrul pentru modelare este
mult îmbunătăţită cu un modul software, Comsol
Script, - un instrument de calcul care include peste
600 de comenzi pentru calcule numerice şi
vizualizare în modul linie de comandă. Acesta
permite crearea unor scripturi diferite (proceduri,
scrisă în format text). Cu scripting, se pot efectua
studii interactive parametric şi optimizare, precum şi
de modelare.
Mediul Comsol Multiphysics de simulare
facilitează toate etapele în procesul de modelare -
definirea geometriei, discretizarea, rezolvarea şi apoi
vizualizarea rezultatelor. În plus, Comsol
Multiphysics, poate interacţiona cu pachetul de
programe MATLAB, SolidWorks, etc. În aceste sens,
în softul SolidWorks a fost realizat proiectul 3D CAD
a microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional
(fig.3.29). Utilizând mediul de simulare Comsol
Multiphisics s-au efectuat simulări numerice în
regimuri de curgere şi debite diferite [198].
În cele ce urmează se reprezintă câteva
rezultate obţinute în simulările numerice în 3D şi 2D
(fig. 3.30 – 3.31) [198,201-203].
Fig. 3.29. Proiectul 3D CAD a
microhidrocentralei cu vârtej
gravitaţional:
1-canalul de aducţiune; 2-arborele; 3- aparatul
director; 4-canalul conic; 5,6,7,8- trepte de turbină;
9- orificiul de scurgere
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 20
Fig. 3.30. Vizualizare din lateral a curgerii apei prin turbină:
Q = 5 l/s, Γ = 3 m2/s
Fig. 3.31. Vizualizare de sus a curgerii apei prin turbină:
Q=5 l/s, Γ=3 m2/s
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 21
Analizând liniile de curent şi valorile vitezei, se observă, că are loc formarea de turbioane în
fiecare spaţiu dintre palete. Viteza apei creşte rapid pe măsura apropierii de orificiul de scurgere şi
depinde puternic de debitul de apă Q şi de intensitatea vârtejului . Chiar şi la bifurcaţia vârtejului
în spaţiile dintre palele mobile, forma helicoidală a liniilor de curent se păstrează.
3.3.2. Modelul de calcul al caracteristicilor de curgere, de turaţie şi de putere ale
microcentralei
Schema de calcul al caracteristicilor
microhidrocentralei hidraulice este prezentată în fig.3.35
[199, 200]. Trasarea acestora a fost realizată în softul
Mathcad 14.
Caracteristicile de curgere. Debitul de apă,
care traversează microhidrocentrala, depinde nu numai
de aria S a secţiunii de scurgere a canalului conic şi de
căderea disponibilă de apă H, dar şi de coeficientul de
debit μ [175,199, 200].
gHμSQ 2 . (3.50)
În lipsa vârtejului:
,0 Q , (3.51)
La curgerea apei în vârtej coeficientul de debit al
canalului conic este funcţie şi de numerele
adimensionale ale lui Froude (Fr), Reynolds (Re),
Weber (We), de intensitatea adimensională a vârtejului
* şi de simplexul geometric R* [176]:
d
R
hHgd
VR
dhHg
hHgd
d
H
00 *R;2
2*
;2
We
;2
Re;Fr
(3.56)
În cadrul modelului de calcul al caracteristicilor de curgere au fost determinate dependenţele
coeficientului de debit şi capacitatea de înghiţire a centralei în funcţie de randamentele treptelor, de
poziţionarea unei singure trepte în canalul conic şi de unghiul canalului conic. La curgerea fără
formare de vârtej coeficientul de debit şi capacitatea de înghiţire a turbinei practic nu depind de
debitul de apă, ci depind neliniar de unghiul canalului conic, atestând un maxim, şi cresc odată cu
creşterea diametrului orificiului de scurgere. În cazul curgerii cu formare de vârtej gravitaţional,
coeficientul de debit şi capacitatea de înghiţire a turbinei se reduc liniar cu creşterea debitului de
apă (fig.3.38 şi 3.44), se reduc neliniar cu creşterea unghiului canalului conic (fig.3.45) şi cresc
Fig.3.35. Schema de calcul a micro-
hidrocentralei cu vârtej gravitaţional:
CA-canal de aducţiune; AD - aparat director;
CC-canal conic; T1, T2, T3-trepte de turbină
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 22
atingând valori maxime la mărirea diametrului orificiului de scurgere până aproape de valoarea
diametrului secţiunii de intrare a canalului conic (fig.3.41).
Fig. 3.38. Dependenţa coeficientului de
debit al canalului conic de debitul de apă
la curgerea în vârtej gravitaţional:
, [grade]: 1-0; 2-0,2; 3-1; 4-2; 5-5; 6-10; 7-20;
8-40; 9-70; 10-90
Fig. 3.45. Influenţa unghiului canalului
conic asupra capacităţii de înghiţire a
turbinei în trepte la curgerea în vârtej
gravitaţional:
Q , [m3/s]: 1-0,1; 2-0,5; 3-1; 4-2; 5-3; 6-4; 7-5
Fig. 3.41. Influenţa diametrului orificiului
de scurgere al canalului conic asupra
coeficientului de debit al canalului:
Q , [m3/s]: 1-1; 2-2; 3-3; 4-4; 5-5
Fig. 3.44. Dependenţa capacităţii de
înghiţire a turbinei în trepte de debitul de
apă la curgerea în vârtej gravitaţional:
, [grade]: 1-0; 2-0,2; 3-1; 4-2; 5-5; 6-10; 7-20;
8-40; 9-70; 10-90
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 23
Caracteristicile de turaţie. Acestea se determină cu formulele:
;1
2
0
.max
i
i
iiin
nMnM (3.80)
;30
i
iiii
nnMnP
(3.81)
gHHQ
nPn
ii
iiii
* , (3.82)
unde iM este cuplul de rezistenţă la arborele treptei i, [N.m];
2....
*.max 130 iainominominomiii nnngHHQM
- valoarea maximă a cuplului
de rezistenţă la arborele treptei i, [N.m]; in - turaţia treptei, [rot/min];
inomisisia nnnn .
2
.
42
.. 5.1105 - turaţia de ambalare a treptei la mersul în gol, [rot/min]; iP -
puterea la cuplă a treptei, [W]; - densitatea apei, [kg/m3]; Q - debitul de apă, procesat de
treptele de turbină, [m3/s]; iH
- căderea disponibilă de apă pentru treapta i, [m]; g -
acceleraţia gravitaţională ( g
= 9.81 m/s2); i - randamentul treptei de turbină.
Turaţiile treptelor turbinelor au fost calculate pornind de la ecuaţia lui Bernoulli, scrisă
consecutiv pentru secţiunile de intrare şi de ieşire ale aparatului director şi ale treptelor de turbină.
Caracteristicile de turaţie propriu-zise sunt prezentate în fig. 3.57-3.59. Pentru acestea sunt
date următoarele caracteristici ale treptelor de turbină:
1 – treapta din amonte: 109nomn rot/min;
939,0H m; 5,2Q m3/s;
609sn rot/min; 85,0h ;
2 – treapta intermediară: 69nomn rot/min;
962,0H m; 5,2Q m3/s;
378sn rot/min; 85,0h ;
3 – treapta din aval: 26nomn rot/min;
0355,1H m; 5,2Q m3/s;
135sn rot/min; 85,0h .
În fig. 3.57 sunt prezentate caracteristicile de
turaţie ale cuplelor la arborii treptelor de turbină. Se
observă că cuplul la arbore atinge valoarea maximă
pentru turaţia 0n şi descreşte până la valoarea 0 atunci
când turaţia atinge turaţia de ambalare ann , adică în lipsa sarcinii. Valoarea maximă a cuplului
nM creşte, iar turaţia de ambalare descreşte pentru turaţiile treptei care urmează după treapta din
amonte, dacă aceasta este în funcţiune la randament maxim 85,01 h .
Fig. 3.57. Caracteristicile de turaţie
ale cuplelor la arborii treptelor
legenda în text
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 24
Caracteristica de turaţie a puterilor treptelor nPi
sunt prezentate în fig. 3.58. Chiar dacă intervalul de
variaţie a turaţiei se reduce de la treapta din amonte spre
treapta din aval, valorile maxime ale puterilor nPi
rămân practic egale pentru regimul de funcţionare cu
randamente 85,0321 hhh .
Totuşi, valorile randamentelor treptelor de turbină
în regim de autoreglare a procesului de captare a energiei
hidraulice, cu participarea maxim posibilă a celor trei
trepte, nu sunt egale şi sunt descrise de la treapta amonte
spre treapta aval (fig. 3.59).
Caracteristicile de putere. Dependenţa
randamentului treptei Ti (fig. 3.75) şi a debitului de apă
(fig. 3.76) de puterea treptei se determină cu formulele
[199,200,203]:
.2 .max
8.0
.
8.0
.
i
iopt
i
iopt
i
iiP
P
P
PP
(3.83)
iiiii
iii
PgHHQ
PPQ
*; (3.84)
unde 3902 .max. oiiiopt nMP - puterea optimă la
cupla treptei i, [W];
gHHQnM iioiii *
.max.max 3902 -
randamentul maxim al treptei de turbină.
Fig. 3.59. Caracteristicile de turaţie ale
randamentelor
legenda în text
Fig. 3.58. Caracteristicile de turaţie ale
puterilor treptelor
legenda în text
Fig. 3.75. Caracteristicile de putere
ale randamentelor treptelor de
turbină:
1 – treapta din amonte: 109nomn rot/min;
939,0H m; 5,2Q m3/s; 609sn
rot/min; 85,0h ;2 – treapta
intermediară: 69nomn rot/min;
9625,0H m; 5,2Q m3/s; 378sn
rot/min; 85,0h ;3 – treapta din aval:
26nomn rot/min; 0355,1H m;
5,2Q m3/s; 135sn rot/min;
85,0h .
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 25
CAPITOLUL 4. DESCRIEREA INSTALAŢIILOR ŞI PROCEDURILOR DE CERCETARE EXPERIMENTALĂ A PROCESULUI DE CONVERSIE
MECANICĂ A ENERGIEI VÂRTEJULUI CONIC DE APĂ
4.2. Instalaţia experimentală de studiu al modelului de laborator al microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional
Schema hidraulică a instalaţiei experimentale este prezentată în fig. 4.3. Aceasta este
constituită din rezervorul amonte de apă 1 din material semitransparent cu volumul de 100 l, cuplat
în circuitul hidraulic prin ventilul 2 de reglare a debitului de apă, conducta 3 şi canalul de aducţiune
4 la modelul de laborator al microhidrocentralei electrice 5 cu vârtej gravitaţional. Apa din
microhidrocentrală se scurge în rezervorul aval de apă 6 cu volumul de 120 l şi este returnată în
rezervorul amonte 1 cu ajutorul pompei 7 prin conducta retur 8.
În modelul de laborator al microhidrocentralei 5 au fost folosite patru tipodimensiuni de
canale conice cu valorile parametrilor geometrici D, d, H şi α date în tabelul 4.1, realizate din folie
transparentă.
Fig. 3.76. Caracteristicile de putere ale debitului de apă prelucrat de treptele de
turbină:
a – treapta din amonte: 109nomn rot/min; 939,0H m; 5,2Q m3/s; 609sn rot/min;
803,0max ; b – treapta intermediară: 69nomn rot/min; 9625,0H m; 5,2Q m3/s; 378sn
rot/min; 7773,0max ; c – treapta din aval: 26nomn rot/min; 0355,1H m; 5,2Q m3/s; 135sn
rot/min; 722,0max ; 1 – caracteristica de putere calculată cu formula (3.84), în care ii P este
variabilă; 2 – caracteristica de putere calculată cu fromula (3.85), în care max const .
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 26
Fig. 4.3. Schemă hidraulică a instalaţiei experimentale:
1-rezervor amonte de 100 l; 2-ventil de reglaj al debitului de apă; 3-conductă; 4-ulucul de aducţiune a apei în
microhidrocentrală; 5-microhidrocentrala cu vârtej gravitaţional; 6-rezervor aval de 120 l; 7-pompă de recirculare;
8-conductă de recirculare
Tabelul 4.1. Valorile parametrilor geometrici ai camerei conice a microhidrocentralei
experimentale
Tipodimensiunile camerei conice /
Număr de trepte de turbină (i/j):
D,
[mm]
d,
[mm]
Hcon,
[mm]
α,
[0]
1/2 120 18 100 54,04
2/2 120 18 150 37,56
3/3 120 18 200 28,61
4/3 120 18 250 23,06
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 27
Au fost realizate trei trepte de palete
mobile cu profil tip W-Wirbel-Kraftwerk [174],
prezentat în fig.4.8. Pe arborele turbinei s-au
fixat 1, 2 sau 3 trepte, în funcţie de
tipodimensiunile camerei conice. În cazul
utilizării doar a unei trepte, aceasta s-a fixat
rigid pe un singur arbore de rotaţie. La
utilizarea mai multor trepte de turbină simultan,
rotoarele se montau rigid pe arbori de rotaţie
individuali, unul cilindric cu diametrul mic şi
lungimea cea mai mare, iar ceilalţi doi tubulari
cu diametre mai mari şi lungimi mai mici decât
la primul arbore, dar diferite, arborele tubular
cu diametrul cel mai mare având lungimea cea
mai mică. Toţi trei arbori de rotaţie au fost
montaţi concentric şi telescopic pe lagăre.
Mărimile măsurate au fost următoarele:
debitul de apă, Q; valoarea maximă a debitului
de apă, Qmax, cu care s-a determinat capacitatea
de înghiţire a turbinei, Qî; turaţiile treptelor de turbină, in ; momentele la cuplele treptelor de
turbină, iM .Debitele de apă, Q şi Qmax, au fost determinate prin măsurarea timpului de scurgere al
unui volum cunoscut de apă şi erau reglate cu ventilul 2 (fig.4.3). În fiecare din părţile superioare
ale celor trei arbori, ansamblaţi telescopic era poziţionat câte un disc cu diametru diferit de
diametrele celorlalte două discuri. Pe aceste discuri erau fixate câte o marcă sensibilă pentru cititorii
a trei tahometre laser tip UT 371, cu care se măsurau turaţiile treptelor turbinei, in . Pentru reglarea
momentelor de rezistenţă la cuplele treptelor turbinei au fost folosite trei motoare identice de curent
continuu acţionate în regim de frânare (generator) prin metoda conectării inverse cu variaţia
tensiunii U de alimentare a circuitului fiecărui indus al celor trei electromotoare. Valoarea
momentului maxim, Mmax, la cupla turbinei cu o singură treaptă s-a măsurat cu un dispozitiv
cinematic de construcţie proprie prin măsurarea cuplului motor de forţă cu un cântar electronic. În
cazul turbinei cu trei trepte valoarea Mmax era egală cu momentul de rezistenţă aplicat la cuplă la
care treapta se oprea (ni=0). Alţi parametri s-au determinat în baza mărimilor măsurate. Cu aceste
date s-au trasat caracteristicile de de curgere, de turaţie şi de putere: Qî(Q), Qî(α), Mi(ni), Pi(ni),
ηi(ni) and Qi(Pi), cu care s-au validat relaţiile modelelor matematice prezentate în cap.3.
4.3. Calculul hidraulic al instalaţiei experimentale
Obiectivele calculului hidraulic sunt următoarele:
a) determinarea pierderilor de curgere în funcţie de debitul de apă Q;
b) stabilirea randamentului c al conductei de alimentare a aparatului director şi a puterii
disponibile a fluxului de apă Pd în funcţie de debitul Q la ieşirea din racordul tangenţial cu aparatul
director;
Fig. 4.8. Schema profilului treptei de turbină
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 28
c) calculul vitezelor circulare Qv0 şi unghiulare 0 de rotaţie a apei în aparatul director
pe circumferinţa tangentă la axa longitudinală a racordului tangenţial în secţiunea de intrare în
aparatul director.
Pierderile de curgere adH se însumează din pierderile de curgere liniare lin.adH şi
pierderile de curgere locale loc.adH [173]:
kg/J,HHH loc.adlin.adad . (4.6)
Ambele categorii de pierderi sunt direct proporţionale cu pătratul vitezei de curgere a apei c
prin elementul respectiv al circuitului hidraulic. Valoarea acestei viteze poate fi exprimată prin
debitul Q, utilizând ecuaţia de continuitate:
2
id
Q4c
, (4.7)
în care di este diametrul secţiunii transversale de curgere al elementului respectiv al circuitului de
curgere.
Pierderile liniare de curgere, ţinând cont de relaţia (4.4), se determină cu formula [173]:
4
i
2
2
i
i
i
2
i
lin.add2
Q16
d
L
d
Q4
0018,002,0H
, (4.8)
unde Li este lungimea elementului liniar al circuitului hidraulic.
Pierderile locale de curgere se calculează cu relaţia [173]:
4
i
2
2
i
iloc.add2
Q16H
, (4.9)
în care i
i este suma rezistenţelor hidraulice ale elementelor locale ale circuitului hidraulic.
Însumând conform relaţiei (4.6) toate pierderile liniare lin.adH şi toate pierderile locale
loc.adH , determinăm căderea hidraulică netă de apă în secţiunea de ieşire din racordul tangenţial 4
şi de intrare în aparatul director:
adbrutto.adnetto.ad HHH , (4.11)
cu ajutorul căreia calculăm randamentul conductei de alimentare a aparatului director:
brutto.ad
netto.adc
H
H (4.12)
Puterea disponibilă a fluxului de apă la intrarea în aparatul director s-a calculat cu formula:
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 29
netto.add HQP (4.13)
unde ρ este densitatea apei, [kg/m3].
Viteza circulară a apei în vârtejul format în aparatul director pe circumferinţa tangenţă la axa
longitudinală a racordului tangenţial 4 se determină asemănător relaţiei (4.7), astfel:
2
ad
Q4v
(4.14)
unde da=0,03 m este diametrul secţiunii transversale a
racordului tangenţial la intrarea în aparatul director. Apa
va intra în aparatul director sub formă de jet înecat,
orientat tangenţial la circumferinţa coaxială cu secţiunea
transversală a camerei cilindrice a aparatului director
având raza R0 egală cu distanţa axei longitudinale a
racordului tangenţial de la centrul circumferinţei
(R0=0,045 m).
Cu aceste mărimi se calculează viteza unghiulară
de rotaţie a apei în vârtejul format:
0R
v (4.15)
Pentru calculul hidraulic al instalaţiei experimentale a fost întocmit un program de calcul în
softul Mathcad 14. Rezultatele calculate pentru s/m105...101Q 345 sunt prezentate în fig.
4.16-4.18. Debitul Q este limitat în acest interval de variaţie în instalaţia experimentală.
Fig. 4.18. Dependenţa puterii disponibile a
fluxului de apă la intrarea în aparatul director
de debitul de apă:
h1, [m]: 1-0,045 (conul 1); 2-0,060 (conul 4)
Fig. 4.17. Influenţa debitului de apă asupra
randamentului conductei de alimentare a
aparatului director al turbinei:
h1, [m]: 1-0,045 (conul 1); 2-0,060 (conul 4)
Fig. 4.16. Dependenţa căderii nete
disponibile a apei la intrarea în
aparatul director de debitul de apă:
h1, [m]: 1-0,045 (conul 1); 2-0,050 (conul 2);
3-0,055 (conul 3); 4-0,060 (conul 4)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 30
4.4. Procedura experimentală de studiu al procesului de captare a energiei hidraulice a vârtejului gravitaţional de apă
Pentru determinarea caracteristicilor procesului de conversie a energiei vârtejului de apă
gravitaţional au fost parcurse următoarele etape:
1) reglarea parametrilor de formare a vârtejului;
2) măsurarea parametrilor dinamici ai elementelor instalaţiei;
3) determinarea mărimilor caracteristice rezultate din măsurători;
4) calcularea erorilor relative ce intervin în cadrul măsurătorilor.
Fig. 4.21. Schema funcţională a sistemului de măsurare a parametrilor funcţionali ai
instalaţiei de conversie a energiei vârtejului gravitaţional de apă
Au fost elaborate procedurile experimentale de studiu a procesului de captare a energiei
hidraulice a vârtejului gravitaţional de apă. Procedurile prevăd metodologia realizării măsurătorilor
şi prelucrarea rezultatelor experimentale pentru trasarea caracteristicilor de curgere, de turaţie şi de
putere a modelului experimental al microhidrocentralei.
Au fost calculate incertitudinile de măsurare şi de determinare a mărimilor care intervin la
prelucrarea rezultatelor experimentale. Analiza acestor incertitudini demonstrează că aparatele de
măsură alese permit determinarea acestor mărimi cu incertitudini mai mici decât variaţia lor (până
la 5%).
Instalaţia şi procedurile experimentale realizate în acest capitol permit validarea modelelor
teoretice, elaborate în capitolul 3 şi studiul suplimentar al fenomenelor legate de realizarea
tehnologiei de conversie a energiei hidraulice a curgerii în vârtej gravitaţional.
Circuit hidraulic de
recirculare a apei:
Q, H
Elemente de măsură a mărimilor
care intervin în procesul de
conversie:
V, , nij, Mij,
Interfaţă analiză proces de
conversie:
Q, Qî(Q), n(Q), M(n), P(n),
η(n), η(P), Q(P)
Elemente de conversie a energiei
vârtejului de apă (microhidrocentrala):
P, h
Elemente de calibrare a instalaţiei de
conversie:
tipodimensiune canal conic (i=1…4),
număr de trepte (j=1…3), momente de
rezistenţă la cuplele treptelor Mj
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 31
CAPITOLUL 5. INTERPRETAREA REZULTATELOR EXPERIMENTALE. VALIDAREA MODELELOR ŞI RELAŢIILOR TEORETICE
În studiul modelului experimental al microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional s-a urmărit
trasarea diagramelor caracteristice ale turbinei în trepte: caracteristicile de curgere a apei,
caracteristicile de putere şi caracteristicile de turaţie. Deoarece aceste microhidrocentrale sunt
destinate pentru conversia energiei curgerii apei într-un interval mic de variaţie a căderii (0,7…2 m)
[181], trasarea caracteristicilor de cădere nu este relevantă şi din acest motiv în modelul
experimental căderea s-a menţinut constantă la valoarea suficientă pentru formarea mişcării de
rotaţie în aparatul director.
Un alt obiectiv al studiului experimental a fost validarea modelelor şi relaţiilor teoretice
prezentate în capitolul 3. În acest scop, simularea modelelor şi trasarea graficelor teoretice au fost
realizate la scara modelului experimental de laborator descris în capitolul 4, la punctul 4.2.
Interpretarea rezultatelor experimentale s-a bazat pe nivelul actual de cunoaştere în acest
domeniu, dar şi pe observaţiile experimentale proprii care au avut drept obiectiv stabilirea
mecanismului procesului de conversie a energiei hidraulice în energie mecanică la curgerea apei în
vârtej gravitaţional.
5.1. Observaţii experimentale şi interpretarea lor în legătura cu mecanismul de captare a energiei mecanice din vârtejul gravitaţional
La captarea energiei mecanice din curgerea în vârtej gravitaţional se folosesc două procese
consecutive de accelerare a apei: accelerarea sub acţiunea forţei de gravitaţie, necesară pentru
punerea în funcţiune a aparatului director; accelerarea că urmare a formării vârtejului gravitaţional
[198,200].
Pentru primul proces de accelerare viteza curgerii zv se va determina cu o relaţie de tipul
(5.2), care explicitată prin determinarea pierderilor liniare şi locale H din legea lui Darcy, se scrie
sub forma:
21
d
z1
zg2zv
, (5.4)
unde z este căderea de apă, [m]; - coeficientul de pierderi hidraulice locale; - coeficientul de
pierderi liniare al lui Darcy; d - diametrul canalului de aducţiune, [m]; g – acceleraţia căderii libere,
[m/s2].
În cazul celui de-al doilea proces de accelerare a apei, dependenţa vitezei curgerii de căderea
disponibilă z se calculează cu relaţia:
c
i
S
S
n
zvzv
(5.5)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 32
unde n este coeficientul de reducere a căderii disponibile de apă z pe seama accelerării în
rezultatul formării vârtejului gravitaţional; d/DS/S ci - contracţia liniilor de curent în vârtejul
gravitaţional.
În fig. 5.1 sunt prezentate graficele teoretice calculate cu formulele (5.4) şi (5.5) de creştere
relativă a vitezei curentului de apă accelerat prin cele două modalităţi. Din această diagramă se
observă că, creşterea vitezei apei accelerate în rezultatul formării vârtejului peste viteza apei
accelerate sub acţiunea forţei de gravitaţie este cu atât mai mare cu cât căderea disponibilă z este
mai mare, dar şi cu cât creşte contracţia ci S/S în vârtej, adică cu cât creşte unghiul α de conicitate a
canalului. Prin urmare accelerarea curgerii în vârtejul format are avantajul reducerii căderii
disponibile de apă z .
Acest efect a fost verificat experimental prin trasarea graficelor zn/n CCAD în funcţie de
diferenţa de cote z de amplasare a două trepte de turbină: una în aparatul director AD la nivelul
racordului tangenţial al canalului de aducţiune CA cu AD, a doua la diferite cote z în canalul
conic CC (vezi fig. 3.35). S-au măsurat turaţiile ADn şi CCn ale treptelor respective pentru 0M ri
şi căderea în secţiunea de intrare în aparatul director .constzAD Din fig. 5.2 se observă că
ipoteza de accelerare consecutivă a curentului de apă se confirmă şi se află în concordanţă cu
previziunile teoretice expuse în lucrarea [208].
În consecinţă, putem concluziona că mecanismul de captare a lucrului mecanic din vârtejul
gravitaţional este determinat de procesul de tranziţie a curgerii discontinue (în neechilibru), în
curgere continuă (în echilibru). Din punct de vedere termodinamic o asemenea tranziţie este
posibilă cu condiţia captării energiei vârtejului, condiţie care se respectă la funcţionarea turbinei în
regim de vârtej cu extindere nu mai mare decât până în secţiunea de ieşire din treapta terminală.
Fig. 5.2. Creşterea relativă a turaţiei
ncc(Δz) a treptei de turbină amplasate
în canalul conic la diferite distanţe de
secţiunea de intrare a acestuia în raport
cu turaţia nAD a treptei amplasate la
nivelul aparatului director:
Mri≈0; ΔzAD=const.; H=0,25 m
Fig. 5.1. Creşterea relativă a vitezei
curentului de apă accelerat sub acţiunea
forţei de gravitaţie, necesară pentru
punerea în funcţiune a aparatului director
(formula (5.4)) şi ca urmare a formării
vârtejului gravitaţional (formula (5.5)):
n=5; λ=0,08; ξ=1; Si/Sc: 1-2,25; 2-2,50; 3-2,75; 4-3,00
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 33
5.2. Caracteristicile de curgere
În conformitate cu metodologia de măsurare şi prelucrare a datelor experimentale, prezentată
în subcapitolul 4.4, au fost trasate dependenţele coeficientului de debit μ şi a capacităţii de înghiţire
îQ a turbinei în funcţie de debitul volumic de apă Q şi de unghiul α al canalului conic al
microhidrocentralei, la curgerea în vârtej gravitaţional în prezenţa şi în lipsa treptelor de turbină
[199,200].
5.2.1. Coeficientul de debit
Expresia pentru coeficientul de debit al canalului conic în prezenţa treptelor de turbină în
funcţiune este:
Tu
a
T
PQ
gHh
Qd
d
.
2
42
2 1
2
82
4
, (5.11)
unde T.h este randamentul hidraulic total al turbinei;
3
1i
i,uT.u PP - puterea utilă extrasă din
turbină în ansamblu, [W].
Fig. 5.4. Influenţa unghiului de evazare al
canalului conic asupra coeficientului de
debit la curgerea cu vârtej gravitaţional:
Debitul de apă Q, [m3/s]: 1-1.10-4; 2-2.10-4; 3-3.10-4;
4-4.10-4; 5-5.10-4; diametrele canalului conic: D=0,12
m; d=0,018 m; înălţimea camerei cilindrice de formare
a vârtejului h=0,08 m; temperatura apei t=200C;
puncte-experiment; curbe continue-calcul cu formulele
(3.51)-(3.58)
Fig. 5.3. Dependenţa coeficientului de debit al
canalului conic de debitul de apă la curgerea
cu vârtej gravitaţional:
Unghiul de evazare al canalului conic , [grade]:
1-23,060; 2-28,611; 3-37,556; 4-54,043; înălţimea
canalului conic H, [m]: 1-0,25; 2-0,20; 3-0,15; 4-0,10;
diametrele canalului conic: D=0,12 m; d=0,018 m;
înălţimea camerei cilindrice de formare a vârtejului
h=0,08 m; temperatura apei t=200C; puncte-experiment;
curbe continue-calcul cu formulele (3.51)-(3.58)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 34
Dependenţa T va depinde de valorile 2/tg2/dDH .
În lipsa treptelor de turbină în canalul conic dependenţele experimentale Q şi la
curgerea apei în vârtej gravitaţional sunt prezentate în fig. 5.3 şi 5.4 [199].
Cu creşterea debitului de apă coeficientul de debit se reduce liniar cu atât mai mult, cu cât
este mai mare unghiul α de conicitate a canalului şi, implicit, cu cât este mai mică înălţimea a
canalului conic (fig. 5.3). Graficele 1-4 din această figură au fost trasate pentru cele patru
tipodimensiuni de canale conice utilizate în modelul experimental.
Dependenţele la curgerea în vârtej prin canalul conic în lipsa treptelor de turbină, sunt
descrescătoare cu creşterea unghiului de conicitate α al canalului (fig. 5.4). Cu cât este mai mare
debitul de apă , cu atât mai semnificativ se reduce cu creşterea α.
În fig. 5.5 şi 5.6 cu linii continue sunt trasate dependinţele teoretice QT şi T ,
calculate cu relaţia (5.11). În cazul dependenţelor T , acestea s-au trasat pentru valori Q fixate.
5.2.2. Capacitatea de înghiţire a turbinei
Capacitatea de înghiţire a turbinei este o mărime specifică a debitului de apă Q , care
traversează turbina, şi caracterizează la ce valoare s-ar reduce parametrul Q , dacă turbina ar lucra
sub o cădere de apă unitară. Conform definiţiei [77] şi relaţiei (3.59),
,Q24
d
H
2
t
î (5.12)
Fig. 5.5. Dependenţa coeficientului de debit al
canalului conic al turbinei de debitul de apă
în prezenţa treptelor de turbină:
α, [grade]: 1-23,06; 2-28,61; 3-37,56; 4-54-04; H, [m]: 1-
0,25; 2-0,20; 3-0,15; 4-0,10; D=0,12 m; d=0,018 m;
h=0,08 m; t=200C; puncte-experiment; curbe continue-
calcul cu formula (5.11)
Fig. 5.6. Influenţa unghiului de evazare a
canalului conic asupra coeficientului de debit
la curgerea cu vârtej gravitaţional în prezenţa
treptelor de turbină:
Q, [m3/s]: 1-1.10-4; 2-2.10-4; 3-3.10-4; 4-4.10-4; 5-5.10-4;
D=0,12 m; d=0,018 m; h=0,08 m; t=200C; puncte-
experiment; curbe continue-calcul cu formula (5.11)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 35
unde HhHH nettoadt 2. este căderea totală de apă, care însumează căderea în aparatul director
şi căderea în canalul conic al turbinei.
Fig. 5.8. Influenţa unghiului de evazare a
canalului conic asupra capacităţii de
înghiţire a turbinei în lipsa treptelor de
turbină:
Q, [m3/s]: 1-1.10-4; 2-2.10-4; 3-3.10-4; 4-4.10-4; 5-5.10-4;
D=0,12 m; d=0,018 m; h=0,08 m; t=200C; puncte-
experiment; curbe continue-calcul cu formula (3.59)
Fig. 5.7. Dependenţa capacităţii de înghiţire a
turbinei hidraulice de debitul de apă în lipsa
treptelor de turbină:
α, [grade]: 1-23,06; 2-28,61; 3-37,56; 4-54-04; H, [m]:
1-0,25; 2-0,20; 3-0,15; 4-0,10; D=0,12 m; d=0,018 m;
h=0,08 m; t=200C; puncte-experiment; curbe continue-
calcul cu formula (3.59)
Fig. 5.10. Influenţa unghiului de evazare a
canalului conic asupra capacităţii de
înghiţire a turbinei în prezenţa treptelor de
turbină:
Q, [m3/s]: 1-1.10-4; 2-2.10-4; 3-3.10-4; 4-4.10-4; 5-5.10-4;
D=0,12 m; d=0,018 m; h=0,08 m; t=200C; puncte-
experiment; curbe continue-calcul cu formulele (3.59) şi
(5.11)
Fig. 5.9. Dependenţa capacităţii de înghiţire a
turbinei hidraulice de debitul de apă în
prezenţa treptelor de turbină:
α, [grade]: 1-23,06; 2-28,61; 3-37,56; 4-54-04; H, [m]:
1-0,25; 2-0,20; 3-0,15; 4-0,10; D=0,12 m; d=0,018 m; h=0,08
m; t=200C; puncte-experiment; curbe continue-calcul cu
formulele (3.59) şi (5.11)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 36
Graficele dependenţelor QQ î şi îQ pentru cele patru tipodimensiuni ale canalului
conic (vezi tabelul 4.1), în lipsa şi în prezenţa treptelor de turbină, sunt prezentate în fig. 5.7 şi 5.8,
respectiv 5.9 şi 5.10.
Din fig. 5.7 se observă că în lipsa treptelor de turbină, capacitatea de înghiţire scade
proporţional cu Q . Aceasta se explică prin reducerea valorii debitului Q în relaţia (5.12) cauzată de
reducerea netto.adH , la reglarea Q cu ajutorul ventilului 2 din fig. 4.3. De fapt capacitatea de înghiţire
este dependentă cauzal de tH .
Reducerea Qî cu Q este cu atât mai mare cu cât creşte unghiul de evazare α al canalului
conic (fig. 5.8). Pentru debite Q<1.10
-4 [m
3/s], capacitatea de înghiţire nu depinde de unghiul α.
În prezenţa treptelor de turbină proporţionalitatea dependenţelor QîT(Q) şi QîT(α) (fig. 5.9 şi
5.10) este inversă în comparaţie cu dependenţele Qî(Q) şi Qî(α), în corespundere cu aliurele
graficelor μT(Q) şi μT(α) din fig. 5.5 şi 5.6.
5.3. Caracteristicile de turaţie ale treptelor turbinei hidraulice
Caracteristicile de turaţie ale treptelor turbinei hidraulice studiate se referă la determinarea
dependenţelor momentului iM , puterii iP şi randamentului hidraulic iη la cupla treptei „i”, în
funcţie de turaţia acesteia in . Determinarea acestor caracteristici s-a realizat la această etapă prin
două metode [199,200,203]:
1 – prin aplicarea modelelor matematice descrise în subcapitolul 3.3.2. la calculul
caracteristicilor de turaţie ale turbinei hidraulice experimentale;
2 – prin determinarea experimentală a caracteristicilor de turaţie în conformitate cu
metodologia de măsurare descrisă în subcapitolul
4.4.
Confruntarea rezultatelor obţinute prin
aceste două metode a permis validarea modelelor
teoretice ale caracteristicilor de turaţie.
5.3.1. Dependenţele turaţiilor treptelor de
debitul de apă şi parametrii funcţionali şi
geometrici ai turbinei
Pentru fiecare din cele trei trepte turaţia
creşte o dată cu creşterea randamentului hidraulic
propriu la valori constante ale randamentelor
celorlalte două trepte 0,85ηhi , rata de creştere
scăzând de la treapta din amonte spre treapta din
aval (fig. 5.11).
În limitele de variaţie a debitului de apă Q
determinate de debitul de mers în gol şi de
Fig. 5.11. Dependenţa turaţiilor treptelor de
turbină de randamentele hidraulice proprii
la valori constante ale randamentelor
celorlalte trepte:
1-treapta din amonte; 2-treapta intermediară (ηh1=0,85);
3-treapta din aval (ηh1= ηh2=0,85); Q=2,5.10-4 m3/s;
t=200C; puncte-experiment; curbe continue-calcul cu
formulele (3.61)-(3.78)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 37
Fig. 5.20. Caracteristicile de turaţie ale
momentelor motoare la cuplele
treptelor de turbină:
1-treapta din amonte (nnom1=379 rot/min; H1=0,611
m); 2-treapta intermediară (nnom2=296 rot/min;
H2=0,164 m); 3-treapta din aval (nnom3=150
rot/min; H3=0,097 m); ηh1= ηh2= ηh3=0,85 (în regim
nominal); Q=2,5.10-4; t=200C; puncte-experiment;
curbe continue-calcul cu formula (3.80)
capacitatea de înghiţire a turbinei modelului experimental, turaţiile celor trei trepte practic nu
depind de Q (fig. 5.16).
Din contra, cu creşterea unghiului α a canalului conic, turaţia treptei se reduce cu atât mai
mult cu cât creşte randamentul hidraulic (fig. 5.19).
5.3.2. Caracteristicile de turaţie
Caracteristicile teoretice ii nM , ii nP şi
ii nη ale treptelor turbinei experimentale au fost
calculate cu relaţiile (3.80)-(3.82), iar cele
experimentale conform metodologiei de măsurare
prezentate la subcapitolul 4.4.
Momentul motor la cupla fiecărei din cele trei
trepte se reduce odată cu creşterea turaţiei, de la
valoarea maximă Mmax.i pentru ni = 0, până la zero
pentru ni = na (fig. 5.20). Turaţia de ambalare se reduce
de la treapta din amonte spre treapta din aval.
Cu creşterea turaţiei, puterea fiecărei trepte Pi
variază parabolic, având valori nule pentru ni = 0, şi
ni = na şi atingând valoarea maximă la turaţia nominală
(fig. 5.21). Puterea maximă extrasă descreşte de la
treapta din amonte spre treapta din aval.
Randamentele treptelor variază cu turaţiile
acestora, din punct de vedere calitativ, în mod analogic
cu puterile, cu excepţia că valorile maxime ale
randamentelor sunt practic egale (fig. 5.22).
Fig. 5.19. Dependenţa turaţiei treptei de
turbină de unghiul de evazare a
canalului conic:
ηh1: 1-0,1; 2-0,3; 3-0,5; 4-0,7; 5-0,95; Q=2,5.10-4;
t=200C; puncte-experiment; curbe continue-calcul
cu formulele (3.61)-(3.78)
Fig. 5.16. Dependenţa turaţiilor treptelor de
turbină de debitul de apă la valori constante ale
randamentelor hidraulice:
1-treapta din amonte (ηh1=0,95); 2-treapta intermediară
(ηh1= ηh2=0,95); 3-treapta din aval (ηh1= ηh2= ηh3=0,95); t=200C;
puncte-experiment; curbe continue-calcul cu formulele (3.61)-
(3.78)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 38
Pentru treapta din amonte şi cea din aval turaţia de ambalare nu depinde de debitul de apă Q,
dar creşte uşor pentru treapta intermediară (fig. 5.25).
Turaţia de ambalare na a treptei se reduce o dată cu creşterea unghiului de evazare α a
canalului conic (fig. 5.37)
Fig. 5.37. Influenţa unghiului de evazare a
canalului conic asupra turaţiei treptei de
turbină:
Q=2,5.10-4 m3/s; t=200C; puncte-experiment; curbe
continue-calcul cu formula pentru na.i de la explicaţia
relaţiilor (3.80)-(3.82)
Fig. 5.25. Dependenţa turaţiilor de ambalare ale
treptelor de turbină de debitul de apă:
1-treapta din amonte (nnom1=379 rot/min; H1=0,611 m);
2-treapta intermediară (nnom2=296 rot/min; H2=0,164 m);
3-treapta din aval (nnom3=150 rot/min; H3=0,097 m);
ηh1= ηh2= ηh3=0,85 (în regim nominal); t=200C; puncte-
experiment; curbe continue-calcul cu formula pentru na.i de la
explicaţia relaţiilor (3.80)-(3.82)
Fig. 5.22. Caracteristicile de turaţie ale
randamentelor hidraulice ale treptelor de
turbină:
1-treapta din amonte (nnom1=379 rot/min; H1=0,611
m); 2-treapta intermediară (nnom2=296 rot/min;
H2=0,164 m); 3-treapta din aval (nnom3=150 rot/min;
H3=0,097 m); ηh1= ηh2= ηh3=0,85 (în regim nominal);
Q=2,5.10-4; t=200C; puncte-experiment; curbe
continue-calcul cu formula (3.82)
Fig. 5.21. Caracteristicile de turaţie ale
puterilor extrase la cuplele treptelor de
turbină:
1-treapta din amonte (nnom1=379 rot/min; H1=0,611 m);
2-treapta intermediară (nnom2=296 rot/min; H2=0,164 m);
3-treapta din aval (nnom3=150 rot/min; H3=0,097 m);
ηh1= ηh2= ηh3=0,85 (în regim nominal); Q=2,5.10-4;
t=200C; puncte-experiment; curbe continue-calcul cu
formula (3.81)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 39
5.3.3. Caracteristicile de putere
Trasarea dependenţelor teoretice ηi(P) şi Qi(P) ale celor trei trepte s-a realizat, utilizând
relaţiile de calcul (3.83) şi (3.84). Pentru determinarea caracteristicilor de putere experimentale s-au
măsurat debitele de apă Qi, turaţiile ni şi
momentele la cuple Mi, ultimele variindu-se. Cu
aceste mărimi, utilizând relaţiile (3.81) şi (3.82), s-
au calculat valorile P(ni) şi ηi(ni) [199,200,203].
Caracteristicile de putere ηi(P) pentru cele
trei trepte ale turbinei hidraulice sunt prezentate în
fig. 5.38. Se observă, că gradul de aplatizare a
curbei η(P) creşte de la treapta din aval la treapta
din amonte. Valoarea maximă a randamentului
rămâne practic constantă.
Caracteristicile de putere Qi(P) sunt
prezentate pentru treapta din amonte în fig. 5.39, a,
pentru treapta intermediară în fig. 5.39, b şi pentru
treapta din aval în fig. 5.39, c. Se observă că
curbele 1 Qi(P) cresc neliniar cu puterea, deoarece
randamentul variază cu puterea. Începând de la
debitul de mers în gol curbele 1 din fig. 5.39 a, b şi
c, în intervalul 0 ≤ P ≤ Popt cresc, având
concavitatea orientată în jos, iar peste Popt, curbele
1 au concavitatea orientată în sus. Dacă
Fig. 5.39. Caracteristicile de putere ale debitului de apă prelucrat de către treptele turbinei
hidraulice:
a-treapta din amonte (nnom1=379 rot/min; H1=0,611 m; ns1=29,205; na1=575 rot/min; ηmax1=0,879); b-treapta
intermediară (nnom2=296 rot/min; H2=0,164 m; ns2=61,166; na2=465 rot/min; ηmax2=0,866); c-treapta din aval (nnom3=150
rot/min; H3=0,097 m; ns3=45,958; na3=231 rot/min; ηmax3=0,873); ηh1= ηh2= ηh3=0,85 (în regim nominal); Q=2,5.10-4;
t=200C; 1-caracteristica de putere calculată cu formula(3.84), în care ηi(P) are valoare variabilă; 2-caracteristica de
putere calculată cu formula (3.85), în care ηi=const. (η1=0,7453; η2=0,7339; η3=0,7395); puncte-experiment
Fig. 5.38. Caracteristicile de putere ale
randamentelor treptelor de turbină:
1-treapta din amonte (nnom1=379 rot/min; H1=0,611 m);
2-treapta intermediară (nnom2=296 rot/min; H2=0,164
m); 3-treapta din aval (nnom3=150 rot/min; H3=0,097
m); ηh1= ηh2= ηh3=0,85 (în regim nominal);
Q=2,5.10-4; t=200C; puncte-experiment; curbe continue-
calcul cu formula (3.83)
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 40
randamentul ar rămâne constant cu variaţia puterii, atunci caracteristicile Qi(P) ar fi liniare (dreptele
2 din fig. 5.39 a, b şi c).
Relaţiile (3.83) şi (3.84) ale modelului matematic al caracteristicilor de putere sunt astfel
validate prin buna concordanţă a datelor experimentale cu cele teoretice.
5.4. Analiza comparativă a performanţelor convertorului microhidroenergetic cu trepte de rapiditate ale turbinei cu alte tehnologii de conversie a energiei
hidraulice a râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
În tabelul 5.1 sunt prezentate principalele caracteristici ale tehnologiilor moderne de captare
a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus [181,200].
Tabelul 5.1. Prezentarea comparativă a caracteristicilor noilor tehnologii de conversie a
energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Ra
nd
am
entu
l m
aşi
nii
da
t d
e p
rod
ucă
tor
Ra
nd
am
entu
l to
tal
Ra
nd
am
entu
l to
tal
ba
zat
pe
esti
mă
rile
ex
per
ţilo
r
Pu
tere
a e
lect
rica
pen
tru
Q=
2,5
m
3/s
, H
=1
,5 m
şi
v=
5,4
m/s
Co
stu
rile
in
ves
tiţi
on
ale
ale
ma
şin
ii ş
i a
com
po
nen
telo
r el
ectr
ice
Co
stu
rile
in
ves
tiţi
on
ale
ale
lu
cră
rilo
r d
e
con
stru
cţii
Co
stu
l sp
ecif
ic a
l
inv
esti
ţiei
pe
MW
-ul
inst
ala
t
Infl
uen
ţa t
urb
inei
asu
pra
peş
tilo
r
Valorile pentru orientare 37.5 kW 112,500
EUR
112,500
EUR
6,000
EUR 0
Roţile de curs de apă 40 % 34 % 13 kW 0 - - +
Barajul Roue 95 % 76 % 67 % 25 kW** 0 0 0 +
Aniprop* 59 % 50 % 12.5 % 1.9 kW** 0 0 0 +
Tehnologia
Transverpello* 44 % 37 % 5 % 0.8 kW** 0 0 0 +
Tehnologia
HydroPowerLens 25 % 21 % 8 kW 0 + + +
Turbina Gorlov * 45 % 33 % 5 kW + - 0 +
Turbina Davis * - - 30 % 4.5 kW** + - 0 +
Tehnologia Hydro
Venturi* 30 % 20 % 10 % 1.5 kW** + - 0 +
Tehnologia UEK* 57 % 37 % 5.5 kW + - 0 +
Tehnologia KHPS* 30 % 20 % 3 kW + - 0 +
MHC cu o singura treaptă
de conversie a energiei
vârtejului gravitaţional 80 % 52 % 35 % 13 kW** - + 0 +
MHC cu trei trepte de
conversie a energiei
vârtejului gravitaţional - 93% - 35 kV - + 0 +
Legendă: + mai mare, - mai mic, similar cu valoarea de orientare 0;
* referitoare la energia cinetică; toate celelalte referitoare la energia potenţială,
** Randamentul total este calculat cu estimarea experţilor
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 41
CAPITOLUL 6. CONCLUZII GENERALE ŞI CONTRIBUŢII PERSONALE. DIRECŢII DE CERCETARE ÎN PERSPECTIVĂ
6.1. Concluzii generale Din analiza bazelor teoretice ale procesului de conversie mecanică a energiei râurilor cu
potenţial hidroenergetic redus rezulta următoarele aspecte:
Elementele constructive ale microhidrocentralei, necesare pentru funcţionarea în vârtej
gravitaţional sunt următoarele: canal de aducţiune; camera cilindrică a aparatului director al
turbinei; canal sub formă de trunchi de con; rotor de turbină hidraulică în trepte de rapiditate; con
aspirator.
Pentru descrierea hidrodinamicii curgerii fluidului incompresibil vâscos în sisteme de
coordonate fix şi rotaţional, s-a pornit la analiza ecuaţiei generale Navier – Stokes şi a ecuaţiei de
continuitate.
Teoria procesului de conversie mecanică a energiei hidraulice se bazează pe schimbul de
energie între fluid şi turbina hidraulică, legătura între structura cinematică a mişcării şi schimbul de
energie din rotor, ecuaţiile turbinelor hidraulice, factorii de influenţă asupra eficienţei conversiei
energiei cinetice, mişcarea potenţială plană, stratul limită laminar şi turbulent, curgerea apei prin
conul aspirator.
Din analiza şi sistematizarea bazelor teoretice ale procesului de conversie mecanică a
energiei hidraulice au rezultat elemente de modelare fizică şi matematică a procesului de captare a
energiei mecanice din vârtejul de apă cu abordarea problemei conversiei energiei vârtejului şi
formularea ipotezelor simplificatoare, ecuaţiilor de mişcare în curentul principal şi în stratul limită.
În urma analizei dimensionale a proceselor de curgere a apei prin elementele
microhidrocentralei au fost stabilite principalele criterii de similitudine care intervin la captarea
energiei hidraulice din vârtejul gravitaţional de apă.
Din modelarea matematică a procesului de captare a energiei hidraulice a vârtejului
gravitaţional de apă au rezultat următoarele concluzi:
La curgerea apei prin statorul conic al turbinei în lipsa treptelor rotorice se formează
vârtejul gravitaţional şi curgerea se structurează astfel: la peretele aparatului director şi a canalului
conic se formează stratul limită hidrodinamic, în care fluidul nu se mai comportă ca un fluid ideal,
crescând rolul influenţei forţelor de viscozitate asupra mişcării; în nucleul curgerii, sub acţiunea
forţei centrifuge de rotaţie a vârtejului, se formează o cavernă de aer, în care aerul, parţial lichidul
din imediata vecinătate a suprafeţei de separare a fazelor aer-apă, se rotesc forţat, ca un corp solid,
cu viteză unghiulară constantă şi curgerea în această zonă este rotaţională; între caverna de aer şi
stratul limită curgerea este potenţială (irotaţională), vârtejul în această zonă fiind liber.
Profilurile componentelor vitezelor atestă creşterea vitezelor circulară şi radială de la zero
la suprafaţa peretelui solid până la valoarea maximă la graniţa stratului limită şi valori de zero la
aceste limite a vitezei axiale cu un maximum în interiorul stratului limită.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 42
În zonele curgerii potenţiale şi a vârtejului forţat au fost adoptate, pentru determinarea
repartiţiilor componentelor vitezelor, soluţiile vârtejului Rankine, pentru care s-au impus condiţiile
la limită. Astfel, componentele circulară şi radială sunt direct proporţionale cu raza în zona
vârtejului forţat şi invers proporţionale cu raza în zona vârtejului liber. Componenta axială este
direct proporţională cu coordonata axială în zona vârtejului forţat şi nulă în zona vârtejului liber.
Rezultatele simulării numerice a curgerii apei prin canalul conic în prezenţa treptelor de
turbină au demonstrat că în curgerea apei în vârtej gravitaţional prin canalul conic are loc formarea
de turbioane în fiecare spaţiu dintre palete. Viteza apei creşte rapid pe măsura apropierii de orificiul
de scurgere şi depinde puternic de debitul de apă Q şi de intensitatea vârtejului .
Din conceperea şi realizarea instalaţiilor şi procedurilor de cercetare experimentală a
procesului de captare a energiei hidraulice a vârtejului gravitaţional de apă s-au obţinut următoarele
rezultate:
Instalaţia de laborator pentru demonstrarea principiului de conversie a energiei hidraulice
a vârtejului de apă gravitaţional în energie electrică. Instalaţia este constituită dintr-un canal conic
în care este poziţionat rotorul unei turbine cu o singură treaptă având profil de tip W-Wirbel-
Kraftwork. Treapta rotorică este fixată rigid pe un arbore vertical, sprijinit în lagăre. La capătul
superior al lagărului este fixată rigid o roată de transmisie prin curea a cuplului mecanic unui
microgenerator electric conectat la un osciloscop. În partea superioară a canalului conic este
poziţionat aparatul director al turbinei, realizat sub formă de cochilie de melc şi racordat la canalul
de aducţiune a apei. Microhidrocentrala este înseriată într-un circuit hidraulic închis între două
rezervoare de apă (amonte-de alimentare cu apă; aval-de scurgere a apei), cu o pompă de
recirculare, care pompează apa din rezervorul de scurgere în rezervorul de alimentare. Debitul de
apă prelucrat de turbină se reglează cu un ventil.
Instalaţia experimentală de studiu a modelului de laborator al microhidrocentralei cu
vârtej gravitaţional, executat la scară mică. Modelul de laborator avea posibilitatea de înlocuire a
canalului conic al instalaţiei cu unul din patru conuri de tipodimensiuni diferite, cu diverse înălţimi
şi valori ale unghiului de evazare. De asemenea, construcţia modelului experimental permitea
asamblarea rotorului de turbină cu o singură treaptă, cu două sau trei trepte, fiecare fixate pe
propriul arbore de rotaţie, aceştia fiind poziţionaţi telescopic. Ca şi în cazul instalaţiei
demonstrative, modelul experimental al microhidrocentralei era înseriat într-un circuit hidraulic
închis între două rezervoare de apă (de alimentare şi de scurgere), cu o pompă de recirculare a apei
din rezervorul de scurgere în rezervorul de alimentare şi cu un ventil de prelucrare a debitului de
apă prelucrat de microhidrocentrala experimentală. Instalaţia experimentală a fost dotată cu aparate
şi mijloace de măsurare a debitului de apă, a turaţiilor treptelor, a momentelor la cuplele treptelor,
inclusiv a momentului maxim la turaţie nulă. De asemenea instalaţia permitea reglarea momentelor
de rezistenţă aplicate la cuplele treptelor de turbină.
Procedurile experimentale de studiu al procesului de captare a energiei hidraulice a
vârtejului gravitaţional de apă, care prevăd metodologia realizării măsurătorilor şi de prelucrare a
rezultatelor experimentale pentru trasarea caracteristicilor de curgere, de turaţie şi de putere a
modelului experimental al microhidrocentralei.
Rezultatele de calcul ale incertitudinile de măsurare şi de determinare a mărimilor care
intervin la prelucrarea rezultatelor experimentale, analiza cărora au demonstrat, că aparatele de
măsură alese permit determinarea acestor mărimi cu incertitudini mai mici decât variaţia lor.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 43
Posibilitatea validării modelelor teoretice şi studiul suplimentar al fenomenelor legate de
realizarea tehnologiei de conversie a energiei hidraulice a curgerii în vârtej gravitaţional.
Din studiul experimental al procesului de captare a energiei hidraulice a vârtejului
gravitaţional de apă au rezultat următoarele concluzi:
S-a demonstrat experimental că mecanismul de extracţie a lucrului mecanic din vârtejul
gravitaţional este determinat de procesul de tranziţie a curgerii discontinue, în neechilibru, în
curgere continuă în echilibru.
La extracţia energiei mecanice din curgerea în vârtej gravitaţional se folosesc două
procese consecutive de accelerare a apei: accelerarea sub acţiunea forţei de gravitaţie, necesară
pentru formarea vârtejului gravitaţional şi accelerarea ca urmare a formării acestuia. Accelerarea
curgerii în vârtejul format are avantajul reducerii căderii disponibile de apă.
Rezultatele experimentale se concordă bine cu rezultatele de calcul, astfel relaţiile de
calcul ale modelelor matematice fiind validate.
6.2. Contribuţii personale
La realizarea acestei lucrări au fost aduse o serie de contribuţii personale, care se refera la
studiul teoretic şi experimental al unei noi microhidrocentrale funcţionând la curgerea apei în vârtej
gravitaţional, principalele din ele fiind enumerate în continuare:
A fost realizat şi analizat stadiul ştiinţific şi tehnic actual în domeniul
microhidroenergeticii, care cuprinde centralele şi convertoarele pentru valorificarea potenţialului
hidroenergetic a râurilor mici, din care au rezultat problemele de studiu abordate în această lucrare.
Au fost sistematizate bazele teoretice ale hidrodinamicii curgerii fluidului incompresibil
vâscos în sisteme de coordonate fix şi rotaţional referitoare la problema conceperii şi studiului unui
nou tip de microhidrocentrală funcţionând la curgerea apei în vârtej gravitaţional.
S-au analizat noţiunile teoretice referitoare la curgerea apei prin paletele rotorice ale
turbinei, punându-se accentul pe mecanismul producerii forţei de către fluidul în mişcare asupra
palelor turbinei, interacţiunea dintre rotorul şi statorul turbinei la curgerea apei, fenomenul de
cavitaţie a apei la interacţiunea cu turbina, influenţa curgerii turbulente asupra stabilităţii palelor
turbinei.
Au fost abordate unele aspecte ale problemei microhidrocentralei studiate în baza teoriei
procesului de conversie mecanică a energiei hidraulice. S-au analizat schimbul de energie între fluid
şi turbina hidraulică, legătura între structura cinematică a mişcării şi schimbul de energie din rotor,
ecuaţiile turbinelor hidraulice, factorii de influenţă asupra eficienţei conversiei energiei cinetice,
mişcarea potenţială plană, stratul limită laminar şi turbulent, curgerea apei prin conul aspirator.
S-au prezentat elemente de modelare fizică şi matematică a procesului de conversie
mecanică a energiei vârtejului de apă. S-a abordat problema conversiei energiei vârtejului de apă, s-
au formulat ipotezele simplificatoare, ecuaţiile de mişcare în curentul principal şi în stratul limită.
A fost realizată analiza dimensională a proceselor de curgere în vârtej a apei prin
elementele microhidrocentralei din care au rezultat principalele criterii de similitudine.
A fost propus şi brevetat conceptul unui nou tip de microhidrocentrală, care funcţionează
la curgerea apei în vârtej gravitaţional.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 44
S-a modelat curgerea apei prin statorul turbinei în lipsa treptelor rotorice. În acest scop au
fost dezvoltate şi generalizate modelele particulare propuse de Binnie şi Harris pentru curgerea
pură, fără vârtej 0 , şi de Taylor şi Cooke pentru vârtejul pur 0Q şi de asemenea pentru
cazul curgerii apei prin statorul turbinei , în care 0 şi 0Q .
A fost stabilită structura curgerii apei în vârtej gravitaţional prin canalul conic al turbinei
în lipsa treptelor de turbină: stratul limită hidrodinamic, care aderă la peretele canalului conic;
caverna de aer din nucleul curgerii rotaţionale (vârtejul forţat); curgerea potenţială (irotaţională) în
vârtejul liber dintre vârtejul forţat şi stratul limită hidrodinamic.
În aproximaţia stratului limită au fost formulate şi integrate numeric ecuaţiile Navier-
Stokes şi ecuaţiile de continuitate în coordonate cilindrice, pentru curgerea apei prin aparatul
director, şi în coordonate sferico-polare pentru curgerea apei prin canalul conic având condiţiile de
alipire la limita pereţilor solizi şi cu condiţiile respective la suprafeţele exterioare ale straturilor
limită hidrodinamice. Soluţiile acestor modele matematice au fost obţinute prin metoda lui
Pohlhausen, care constă în asumarea unei forme arbitrare de repartiţie a vitezelor în stratul limită,
care să satisfacă condiţiile impuse la suprafaţa pereţilor solizi şi la graniţa stratului limită şi care să
satisfacă de asemenea integralele impulsurilor. Astfel au fost determinate numeric repartiţiile
componentelor vitezelor (circulară, radială şi axială) în straturile limită ale aparatului director şi ale
canalului conic, prin calcularea grosimii acestora.
În zonele curgerii potenţiale şi a vârtejului forţat au fost adoptate, pentru determinarea
repartiţiilor componentelor vitezelor, soluţiile vârtejului Rankine, pentru care s-au impus condiţiile
la limită.
Au fost integrate ecuaţiile Euler în proiecţii pe axele radială şi axială ţinând cont de
forţele centrifuge şi gravitaţionale, de presiunile dinamice şi capilare a fluidului şi impunând la
interfaţa dintre caverna de aer şi apă condiţia de egalitate a presiunii fluidului cu presiunea
atmosferică.
A fost realizată simularea numerică a curgerii apei prin canalul conic în prezenţa treptelor
de turbină. La simularea pe calculator s-a utilizat soft-ul Comsol Multiphysics, care poate
interacţiona cu pachetul de programe SolidWorks. În soft-ul SolidWorks a fost realizat proiectul 3D
CAD al microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional.
Au fost propuse şi simulate pe calculator în softul Mathcad 14 modelele de calcul al
caracteristicilor de curgere, de turaţie şi de putere a microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional. În
cadrul modelului de calcul al caracteristicilor de curgere au fost determinate dependenţele
coeficientului de debit şi capacitatea de înghiţire a centralei în funcţie de randamentele treptelor, de
poziţionarea unei singure trepte în canalul conic şi de unghiul canalului conic. S-au calculat turaţiile
treptelor în funcţie de randamentele hidraulice, caracteristicile şi parametrii caracteristicilor de
turaţie, de putere şi de randament a cuplelor la arborii treptelor rotorice. Caracteristicile de turaţie
cuprind dependenţele momentelor, puterilor şi randamentelor hidraulice la cuplele treptelor în
funcţie de turaţie. Caracteristicile de putere se referă la dependenţele de putere randamentelor
hidraulice ale treptelor şi a debitului de apă.
A fost concepută şi realizată instalaţia de laborator pentru demonstrarea principiului de
conversie a energiei hidraulice a vârtejului de apă gravitaţional în energie electrică.
S-a conceput şi s-a realizat o instalaţie experimentală de studiu a modelului de laborator
al microhidrocentralei cu vârtej gravitaţional, executat la scară mică. Modelul de laborator avea
posibilitatea de înlocuire a canalului conic al instalaţiei cu unul din patru conuri de tipodimensiuni
diferite, cu diverse înălţimi şi valori ale unghiului de evazare. De asemenea, construcţia modelului
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 45
experimental permitea asamblarea rotorului de turbină cu o singură treaptă, cu două sau trei trepte,
fiecare fixate pe propriul arbore de rotaţie, aceştia fiind poziţionaţi telescopic.
Instalaţia experimentală a fost dotată cu aparate şi mijloace de măsurare a debitului de
apă, a turaţiilor treptelor, a momentelor la cuplele treptelor, inclusiv a momentului maxim la turaţie
nulă. De asemenea instalaţia permitea reglarea momentelor de rezistenţă aplicate la cuplele treptelor
de turbină.
S-a efectuat calculul hidraulic al instalaţiei experimentale, cu care s-au determinat:
pierderile de curgere în funcţie de debitul de apă; randamentul conductei de alimentare a
microhidrocentralei şi a puterii disponibile a fluxului de apă în funcţie de debit la ieşirea din
racordul tangenţial cu aparatul director; vitezele circulară şi unghiulară de rotaţie a apei în aparatul
director pe circumferinţa tangentă la axa longitudinală a racordului tangenţial în secţiunea de intrare
în aparatul director.
Au fost elaborate procedurile experimentale de studiu a procesului de captare a energiei
hidraulice a vârtejului gravitaţional de apă. Procedurile prevăd metodologia de realizare a
măsurătorilor şi de prelucrare a rezultatelor experimentale pentru trasarea caracteristicilor de
curgere, de turaţie şi de putere a modelului experimental al microhidrocentralei.
S-au calculat incertitudinile de măsurare şi de determinare a mărimilor care intervin la
prelucrarea rezultatelor experimentale.
S-a studiat experimental mecanismul de extracţie a lucrului mecanic din vârtejul
gravitaţional, în care sunt importante două procese consecutive de accelerare a apei: accelerarea sub
acţiunea forţei de gravitaţie, necesară pentru punerea în funcţiune a aparatului director şi accelerarea
ca urmare a formării vârtejului gravitaţional. Accelerarea curgerii în vârtejul format are avantajul
reducerii căderii disponibile de apă.
Pentru modelul experimental al turbinei hidraulice în trei trepte au fost trasate
caracteristicile de curgere în lipsa şi în prezenţa treptelor: coeficientul de debit şi capacitatea de
înghiţire a turbinei.
S-au măsurat experimental turaţiile treptelor în funcţie de randamentele hidraulice,
caracteristicile şi parametrii caracteristicilor de turaţie.
Au fost trasate caracteristicile de turaţie ale treptelor turbinei experimentale.
S-au trasat caracteristicile de putere pentru cele trei trepte ale turbinei experimentale.
Au fost validate relaţiile de calcul ale modelelor teoretice de studiu a microhidrocentralei
funcţionând la curgerea apei în vârtej gravitaţional.
6.3. Direcţii de cercetare în perspectivă
Din direcţiile de cercetare în perspectivă pentru acest domeniu vom menţiona următoarele:
Aprofundarea studiului curgerii apei în vârtej gravitaţional. Problema principală în
această direcţie rămâne stabilirea structurii şi câmpurilor de viteze la curgerea în prezenţa treptelor
în funcţie de randamentul de extracţie a energiei. O altă problemă se referă la curgerea turbionară
prin statoare de turbină cu diferit profil şi optimizarea geometriei acestora pentru ameliorarea
randamentului hidraulic.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 46
Studiul profilelor de palete rotative în funcţie de repartiţiile vitezelor apei la curgerea prin
spaţiile dintre palete. Stabilirea diagramelor de viteze va permite obţinerea unor profile cu pierderi
reziduale mici şi randamente mari de conversie a energiei hidraulice a vârtejului de apă în lucru
mecanic util.
Studiul de optimizare a numărului de trepte. Optimizarea se va baza şi pe calcule tehnico-
economice care vor corela puterea turbinei cu preţul acesteia.
Studii în vederea corelării structurii curgerii cu locul de poziţionare a treptelor de turbină.
Se va stabili randamentul de extracţie a energiei vârtejului de apă în funcţie de gradul de
interacţiune a treptei cu vârtejul forţat şi cu cel liber.
Căutarea unor noi soluţii de valorificare a potenţialului energetic al râului la reducerea
căderii de apă.
Diminuarea impactului ecologic al tehnologiei propuse prin studii concrete a factorilor de
mediu afectaţi la implementarea acesteia.
Căutarea unor posibilităţi de combinarea a microhidrocentralei propuse cu alte tipuri
convertoare energetice: solare, eoliene etc.
Studiul posibilităţii adaptării tehnologiei propuse la conversia energiei valurilor ca şi
microcentrale de ţărm.
Căutarea unor posibilităţi de creare a vârtejului în statoare rotorice orizontale pe baza
conversiei energiei de curgere a râului.
Studii de marketing în vederea facilitării implementării tehnologiei de conversie a
energiei vârtejului de apă în lucru mecanic util.
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ
[1] Bostan I., Dugheru V., Sobor I., Bostan V., Sochireanu A. (2007). Sisteme de conversie a
energiilor regenerabile, Editura TEHNICA-INFO, Chişinău.
[2] MANOLIU M., Management în Energie şi Mediu, http://www.hydrop.pub.ro/mem.htm .
[3] Balanţa energetică în anul 2003 a Republicii Moldova (2004), Departamentul „Statistică şi
Sociologie” al Republicii Moldova, Chişinău.
[4] Nakicenovic N., Grubler A., MacDonald A. (1998). Global Energy Perspectives , IIASA,
WEC,Cambridge, UK.
[7] Twidell J., Wir A. (1990). Vozobnovleaemye istochniki energii, Pers angl. – M.:
Energoautomatizdat.
[8] Barrett L. B. (1991). Will the Clean Air Act Boost Energy Conservation and Renewables?,
Strategic Planning for Energy and the Environment, Vol. 11, n. 2, pp. 58-55.
[9] Koch H., Vögele S. (2009). Dynamic modelling of water demand, water availability and
adaptation strategies for power plants to global change, Ecological Economics 68, pag. 2031–
2039.
[10] Construction of a Composite Total Solar Irradiance. Times Series from 1978 to present.
(2005).
[33] Khan M.J., Iqbal M.T., Quaicoe J.E. (2008). River current energy conversion systems:
Progress, prospects and challenges, Renewable and Sustainable Energy Reviews 12, pag.
2177–2193.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 47
[51] Popescu A., Popescu V. (2004). Potenţialul hidroenergetic al României şi stadiul de
valorificare al acestuia, Referat pentru teza de doctorat, UPB, Catedra de Hidraulică.
[53] Afgan N.H., Gobaisi D.A., Carvalho M.G., Cumo M. (1998). Sustainable energy development,
Renewable and Sustainable Energy Reviews 2, pag. 235–286.
[54] Paish O. (2002). Micro-hydropower: status and prospects, Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers Part A – Journal of Power and Energy 216, pag.31–40.
[55] Brochure Small Hydropower For Developing Countries – European Small Hydropower
Association,
http://www.esha.be/fileadmin/esha_files/documents/publications/publications/Brochure_SHP
_for_Developing_Countries.pdf.
[56] POPA B., Hidroenergetica, http://www.hydrop.pub.ro/bp1.htm.
[64] Montanari R. (2003). Criteria for the economic planning of a low power hydroelectric plant,
Renewable Energy 28, pag. 2129–2145.
[77] SAJIN T. (2002). Maşini mecanoenergetice, Editura Alma Mater, Bacău, ISBN 973-8392-56-
X .
[133] Haidu I. (1993). Evaluarea potenţialului hidroenergetic natural al râurilor mici, Editura
GLORIA.
[134] Factori care limitează performanţele sistemelor mecatronice ale micro-hidrocentralelor,
http://www.unitbv.ro/proiecte/pagini/IDEI/jaliu/docs/rezultate/2008/FACTORI%20LIMITAT
ORI%20-%20directii%20optimizare.pdf.
[138] Taylor G. I. (1950). The boundary layer în the converging nozzle of a swirl atomizer, Q. Jl.
Mech. Appl. Math. 3, pag. 129-139.
[157] http://www.zotloeterer.com/our_company_-
_english/water_vortex_engineering/water_vortex_power_plant.php.
[169] Som S.K. (1983). Theoretical and Experimental Studies on the Formation of an Air Core in a
Swirl Spray Pressure Nozzle Using a Power Law Non-Newtonian Liquid, Applied Scientific
Research, 40, pag. 71 - 91.
[171] Landau L.D., Lifşiţ E.M. (1988). Teoreticeskaia fizica, Tom IV Ghidrodinamica, Nauka,
Moscva, 736 p.
[172] Fridman A.M. (2008). Predskazanie i otcrâtie silineişih ghidrodinamiceschih neustoicivostei,
vâzvânnâh skacicom scorosti: teoria i experimentî, Uspehi fizicheskih nauk, Tom 178, nr.3,
pp.225-242.
[173] Grosman I. (2004). Curs service – pompe, Romstal.
[174] Zötloterer F., Kleinstwasserkraftanlagen Das Gravitationswasserwirbelkraftwerk, 2008,
available at: http://www.general-files.com/go/152373111100, accessed: 29.05.2012.
[175] Kutateladze S. S. (1990). Heat transfer and hydrodynamic resistance, Energoatomizdat,
Moscow, 367 p. [in Russian].
[176] Examples for hydraulic calculations, manual for higher education (1976), ed. AD Alitshuli,
Stroizdat, Moscow, 255 p. [in Russian].
[181] Wiemann P., Müller G., Senior J. (2007). Review of current developments in low head, small
hydropower. In, 32nd IAHR Conference 2007, Venice, Italy.
[196] Marian M. G., Carauşu C., Sajin T. (2011). Modelarea curgerii apei prin camera conica a
microcentralei hidroelectrice cu vârtej gravitaţional, Volumul de lucrări al Conferinţei
Naţionale şi Expoziţiei de Energetică CNEE 2011, 26-28 octombrie 2011, Sinaia,
ROMÂNIA, Editura S.I.E.R., 2011, 26-28 oct., p. 276-280.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 48
[197] Marian G. M., Sajin T., Nedelcu D. Iu., Birsan C., Ostahie C. N., Florescu Iu., Pintilie Gh.,
Grigore R. M. (2012). Study of Water Flow through a Conical Stator and Runner Steps of a
Hydraulic Turbine with Gravitational Vortex, Proceedings of 16th
International Conference
Modern Technologies, Quality and Innovation – New face of TMCR (ModTech 2012), 24-26
May, Sinaia, Romania, ISSN 2069-6736, indexată ISI Thomson Reuters, INSPEC, p. 525-
528.
[198] Mărian M. G., Sajin T., Florescu I., Nedelcu D. I., Ostahie C. N., Birsan C. (2012). The
concept and theoretical study of micro hydropower plant with gravitational vortex and turbine
in speed steps, Buletinul AGIR, nr.3, 2012, ISSN 1224-7928, BDI: INDEX COPERNICUS
INTERNATIONAL, ACADEMIC KEYS, getCITED, World Energy System Conference –
WESC 2012, pp.219-226.
[199] Mărian M. G., Sajin T., Azzouz A. (2013). Experimental Study of Micro Hydropower Plant
Operating in Gravitational Vortex Flow Mode, Applied Mechanics and Materials, ISSN
1662-7482, Vol. 371, 2013, Innovative Manufacturing Engineering International Conference
IManE 2013 International Conference, Iaşi, România, pp 601-605.
[200] Marian M. G., Sajin T. (2013). Energy capture in the gravitational vortex water flow, Journal
of Marine Technology and Environment, ISSN 1844-6116, no.1, 2013, International
Databases: IndexCopernicus Journals Master List, CSA Serials Sourse List for Oceanic
Abstracts, CSA Serials Sourse List for Meteorological & Geoastrophysical Abstracts, Inspec,
Transportation Research Information Services (TRIS), EBSCO, pp. 89-96.
[201] Sajin T., Marian M. G. (2013). Flow fields in the conical channel of micro hydropower
converter in presence of turbine stages, Journal of Marine Technology and Environment,
ISSN 1844-6116, no.1, 2013, International Databases: IndexCopernicus Journals Master List,
CSA Serials Sourse List for Oceanic Abstracts, CSA Serials Sourse List for Meteorological &
Geoastrophysical Abstracts, Inspec, Transportation Research Information Services (TRIS),
EBSCO, pp.97-108.
[202] Sajin T., Mărian M. G. (2013). Structure and Velocity Field of Water Vortex Flow through
the Multistage Turbine of Micro Hydropower Converter, Conference Proceedings Abstracts
of The Xth
International Conference Constructive and Technological Design Optimization in
the Machines Building Field OPROTECH-2013, Editura ALMA MATER Bacau, 2013, ISBN
978-606-527-293-4, p.41.
[203] Mărian M. G., Sajin T. (2013). Optimization of Micro Hydropower Converter for the Energy
Capture in the Gravitational Vortex Water Flow, Conference Proceedings Abstracts of The
Xth
International Conference Constructive and Technological Design Optimization in the
Machines Building Field OPROTECH-2013, Editura ALMA MATER Bacău, 2013, ISBN
978-606-527-293-4, p.41.
[207] Mărian M., Sajin T. (2010). Water Flow Through the Micro Hydroelectric Power Plant
Components, Bulletin of the Polytechnic Institute of Iaşi, Machine Constructions Section,
ISSN 1011-2855, International Databases: INDEX COPERNICUS, ULRICHS, 2010, Vol.
LVI (LX), Issue 4B, p. 199-206.
[208] Budarin V. A. (2006). Metod rasciota dvijenia jidcosti, Editura Astroprint, Odesa, 137 p.
Contribuţii la studiul conversiei mecanoelectrice a energiei râurilor cu potenţial hidroenergetic redus
Rezumatul tezei de doctorat 49
ABSTRACT
Eng. MĂRIAN Marius Gheorghe
Contributions to study of mechano-electrical energy conversion of rivers with reduced
hydropower potential
PhD thesis in Mechanical Engineering
Bacau, 2013
The thesis is divided into six chapters that analyze theoretically and experimentally the
exploitation of hydraulic potential of small rivers by converting energy of the gravitational water
vortex. It contains 292 pages, 200 figures, 18 tables, 3 appendices and 208 references. The results
were published in 12 scientific papers and one invention patent.
Keywords: water, micro hydropower, hydraulic turbine, vortex, boundary layer, efficiency, head,
discharge.
In micro- or nano- hydropower plants (HPP) combines on the one hand, the advantages of
high power HPP with the possibility of a decentralized energy supply. These types of power plants
have not many disadvantages of the high power plants such as expensive transmission and
environmental problems. Small hydropower is indicated primarily for countries with developing
economy due to implementation of the principle of decentralization. Electricity is transmitted,
usually through a network of low voltage to a small number of customers located in the vicinity of
micro-HPP.
In terms of environmental and social impact, a more efficient conversion of hydraulic
energy is the kinetic energy of flowing water of rivers without dam construction. For this we
designed a new concept of micro hydropower plant based on a gravitational vortex. The amount of
energy produced depends on the speed of water flow. The technical problem, which solves the
proposed installation, is to achieve a small hydropower plant with a high efficiency conversion of
hydraulic energy flow into electricity.
This research is a synthesis of the mechanical and physical phenomena for the water flow
through the micro hydropower plant components. Our purpose is to convert the hydropower
potential of small river using a new method to convert the hydraulic energy of the water flow, in
this case the energy of the gravitational water vortex. Therefore we designed a micro hydropower
plant which puts into effect this phenomenon. The micro hydropower plant, is made up of a
foundation ashore, executed in the form of a spiral case, made by concrete, with tangential inlet
connection, through which is deviated a part of the river and with a chamber where is forming
gravitational vortex in the bottom of which is made a central drainage hole, positioned over a
channel of escape. A hydraulic turbine is positioned with shaft in the centre of the chamber and
coupled kinematic spiral with an electric generator.
The thesis presents the theoretical and experimental aspects of hydraulic energy conversion
of water whirlpool. It also presents a systematization of physical and mechanical phenomena that
occur in water passing through the elements of a micro hydropower plant.
The major scientific objectives realized of this work are designing and made a new micro
hydropower plant, formulation the mathematical models and their simulation, study and
establishing the optimal condition for water vortex conversion into mechanical work.