Post on 14-Aug-2015
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
1. INTRODUCERE
1.1. Domeniul de funcţionare a turbinelor
În tehnica modernă s-au impus trei tipuri de turbine principale: Kaplan, Francis şi Pelton.
În ultimul timp, din acestea au derivat turbinele bulb, care sunt de fapt turbine Kaplan fară
cameră spirală şi turbinele Deriaz-Kviatkovski, care sunt turbinele Farncis cu paletele rotorului
reglabile.
Cercetarea privind funcţionarea, construcţia şi fiabilitatea acestor maşini, dar mai ales
îndrăzneala specialiştilor au condus la realizări de mare eficienţă, de puteri apreciabile ale unui
grup funcţionând a turaţii ridicate şi cu greutăţi specifice reduse.
Până la mijlocul secolului al XVIII-lea, construcţia maşinilor hidraulice s-a făcut pe baze
empirice şi ţinându-se seama de experienţa pe care unii constructori talentaţi au acumulat-o.
Bazele teoriei turbinelor hidraulice au fost stabilite în perioada 1730-1760, însă abia peste 130 de
ani constructorii de turbine au asociat teoria cu experienţa şi astfel au reuşit să realizeze prin
perfectionări continue, maşini cu randamente de peste 90%.
Datorită faptului că mecanica fluidelor nu era suficient de dezvoltată, constructorii de
maşini hidraulice, până în secolul al XVIII-lea, au realizat maşini care utilizau fie energie de
poziţie, fie pe cea cinetică a cursurilor de apă. Astfel se explică de ce timp de multe zeci de
secole roţile de apă au fost cele mai răspandite turbine hidraulice. Utilizarea energiei de presiune,
care în cazul unui curent de apă este mult mai dificil de sesizat, a fost posibilă numai după
dezvoltarea teoriei maşinilor hidraulice - aceasta este o caracteristică a turbinelor moderne.
Un salt calitativ de cea mai mare importanţa pentru dezvoltarea turbinelor a fost marcat
de crearea bazelor teoretice ale acestor maşini, de catre D. Bernoulli (1730) şi L. Euler (1740-
1750).
L. Euler a stabilit ecuaţiile miscării apei şi a puterii hidraulice, ecuaţii folosite şi astăzi în
hidrodinamică şi le-a aplicat la primul prototip de turbine cu reacţiune. De asemenea, L. Euler a
emis idea utilizării unui aparat director şi a întocmit proiectul unei turbine cu reacţiune, care a
fost executată abia în anul 1945 şi a funcţionat cu un randament de 75% (turbina cu cameră
deschisa şi rotor).
În Rusia, între anii 1766 şi 1795, K. D. Frolov a construit cu sprijinul acordat de
Lomonosov, peste 150 de centrale hidromecanice, mai ales în Urali, unele atingând şi căderi de
60 m, divizate în trei cascade.
1
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
În acelasi timp, în Europa au contribuit la dezvoltarea teoriei turbinelor savanţii Parent,
Borda, Smeaton, Bossut, Gerstner şi alţii. Turbina industrială cu reacşiune de tip centrifugă,
construită de Fourneyron în perioada 1827-1834, folosea căderea H = 108 m, avea o putere P =
40 CP, o turatie n = 2300 rot/min şi un randament %75 . Turbina avea o conductă fortaţă, un
stator, un rotor şi un multiplicator cu roţi dinţate. În intervalul dintre anii 1837-1843 a fost
inventata şi construită de maistrul mecanic alsacian Jonval turbina cu reacţiune de tip axial, la
care apare pentru prima data aspiratorul, celulele statorice si rotorice fiind de tip axial.
În acelaşi timp, s-au dezvoltat si turbine cu acţiune pentru a utiliza căderi mai mari.
Turbina avea drept stator un singur injector, în care debitul se regla printr-o vană plană. Acelaşi
principiu de trnsformare integrală a căderii în înălţime cinetică la gura statorului, o realiza, în
1850-1880, turbina Girard cu ax vertical sau orizontal, la care distribuitorul alimenta celulele
statorice sub presiune, iar cele rotorice funcţionau la presiunea atmosferică.
Începând cu anul 1838 se dezvoltă tipuri de turbine, care prin perfecţiuni ulterioare au
dus la tipurile utilizate astăzi.
Tipul cu reacţiune a fost proiectat şi realizat de profesorul Redtenbacher, în anul 1838,
pentru prima dată de tip centripet, aşa cum rezultă din aplicarea teoremei impulsului la curgerea
prin turbine. Turbina era instalată în camera deschisa şi avea un stator pur radial s aşezat
concentric, cu rotorul r în exteriorul acestuia. După o piesă de trecere t se racorda aspiratorul a
spre nivelul aval.
1.2. Descrierea principalelor tipuri
1.2.1. Turbina Francis
Fig. 1.1. Turbina Francis
2
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Cu 10 ani mai târziu (1847-1849), Francis a construit o turbina care nu prezenta nimic
nou; dimpotrivă era mai putin perfecţionată, datorită lipsei aspiratorului. Totuşi, timp de aproape
100 de ani, aceasta turbină – perfecţionată ulterior mai ales de fabricile constructoare europene- a
fost denumită nejustificat turbina Francis. Profesorul Fink a perfecţionat în anul 1880 statorul
turbinei Francis la care se varia admisia apei printr-un obturator cilindric, înlocuindu-l cu o reţea
de pale fuzelate hidrodinamic care pot fi rotite în jurul axelor a cu ajutorul parghiilor p, de la un
inel central de reglaj i. De asemenea între anii 1880 şi 1900, fabricile constructoare de maşini
hidraulice au introdus aspiratorul modern şi au studiat hidrodinamic aparatul director şi rotorul,
transformând prototipul Francis în turbina Francis radial-axială cu suprapresiune folosită până în
prezent.
1.2.2.Turbina Pelton
Fig. 1.2. Turbina Pelton
În anul 1880, Lster Allan Pelton a brevetat turbina cu acţiune, care ulterior avea să fie
denumită turbina Pelton: o turbină cu cupe rotorice profilate astfel încât să permită divizarea
jetului şi devierea simetrică a celor două subjeturi rezultate. Încă din 1883, acestă turbină a atins
un randament de 90,5%.
Turbinele Pelton sunt utilizate în domeniul debitelor mici, respectiv al căderilor mari şi
foarte mari. Puterea obţinută variază în intervalul 423...44.0 MW, iar randamentele optime au
valori maxime de 93%. Plaja de variaţie a rapidităţii dinamice este: 58...14 sn rot/min. turaţia
specifică variază în intervalul: . 422.0...034.0N
Turbina Pelton are un rotor prevăzut cu un număr mare de cupe profilate, dispuse pe
circumferinţa unui disc circular. Apa este distribuită către cupe cu ajutorul unor injectoare. O
3
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
turbină Pelton are cel puţin un injecto; poate avea maxim 6 injectoare. În general arborele
turbinei Pelton este vertical, iar jeturile de apă au aceeaşi viteză, fiind situate în plan orizontal.
1.2.3.Turbina Kaplan
Fig. 1.3. Turbina kaplan
În anul 1912, profesorul Kaplan a construit prototipuri de turbine axial-elicoidale cu
număr mic de pale, asemanatoare cu elicele de avion sau de nave. Kaplan aducea însa o invenţie
de cea mai mare importanţă prin dublul reglaj al palelor rotorului şi ale aparatului director, care
pot fi rotite în jurul axului lor (basculate) în timpul funcţionării turbinei.
Prima turbină Kaplan industrială a fost pusă în funcţiune în 1919 şi de atunci acest tip de
turbină s-a perfecţionat, ajungându-se la actualele turbine Kaplan, semi-Kaplan, elicoidale, care
însumează pe glob aproximativ 30 milioane kW instalati.
În prezent, turbina Kaplan este definită drept turbină axială cu dublu reglaj( pale rotorice
reglabile şi pale directoare reglabile); are aparat director radial, arbore vertical, cameră semi-
spirală betonată şi aspirator.
Domeniul de utilizare a turbinelor Kaplan este foarte vast. Aceste turbine acoperă o plajă
foarte largă a debitului, , pentru căderi mici şi mijlocii . Puterea
obţinută variază în intervalul , iar randamentele optime au valori foarte ridicate
smQ /980...1 3
217...009.0
mH 80...1
MW
%.94...92 Puterea maximă propusă de producătorii de turbine este obţinută pentru Q=980
H= 24m şi η=0,94. ,/3 sm
4
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
1.2.4.Turbina Banki
Fig. 1.4.Turbina Banki
Turbina cu acţiune a profesorului Banki, construită între anii 1916 şi 1925, care însă nu a
putut concura ca randament şi putere cu turbinele Pelton şi Francis, cu toate că era constructiv
mai simplă şi mai ieftină.
Turbina Banki constă dintr-un stator, un rotor, montat pe un arbore, care transmite
puterea unui generator electric direct sau prin intermediul unor angrenaje şi a unui arbore.
Reglarea debitului se face automat sau manual cu ajutorul unei toţi de mână, care roteşte piesa
sau o face să execute o mişcare de translaţie.
Rotorul este aşezat la o înălţime de 0,3…1m deasupra nivelului apei din canalul de fugă.
Caracteristic acestei turbine este şi faptul că apa traversează de două ori palele rotorului. Statorul
poate fi vertical sau diagonal. Rotorul constă din două discuri de tablă groasă pe care sunt sudate
discurile marginale şi palele dunt dimensionate pentru a prelua momentul de torsiune, iar la
capete este fixat câte un fus pentru sprijinirea rotorului pe lagăre. Acestă construcţie elimină
posibilitatea ca jetul de apă ce traversează rotorul să lovească arborele.
Existenţa în majoritatea tărilor a unor apreciabile resurse hidroenergetice, a căror
amenajare este economică, a permis ca în construcţia de uzine hidroelectrice să se realizeze
succese din ce în ce mai mari. Dezvoltarea actuală a hidroenergeticii se caracterizează prin
creşterea rapidă a puterii instalate a CHE şi a puterii agregatelor. În paralel cu marile CHE se
construiesc şi altele de putere mică în zonele rurale, unde există posibilităţi de amenajări
avantajoase. Totodată construcţia de turbine hidraulice a facut importante progrese.
5
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Caracteristicile generale ale turbinelor hidraulice construite în ultimii ani sunt
determinate de necesitatea de a ţine seama de urmatorii factori:
alegerea soluţiei constructive trebuie să se facă avându-se în vedere aspectul economic şi
financiar al amenajării;
greutatea agregatului să fie cât mai redusă;
turbina să-şi păstreze randamentul în timpul exploatării;
timpul necesar pentru revizie să fie minim.
Pentru satisfacerea primelor două cerinţe este necesar să:
se mărească turaţia turbinei;
să se aleagă judicious materialele de construcţie, precum şi procedeele de fabricaţie ale
diferitelor organe;
să se aleagă în mod adecvat poziţia arborelui şi caracteristicile constructive ale diferitelor
ansamble.
Materialele de fabricaţie a diferitelor organe se aleg astfel ca să satisfacă solicitarile la
care sunt supuse, precum şi procedeelor de execuţie, ţinându-se seama de faptul că s-a extins
mult execuţia prin sudare în locul turnării şi forjării.
În general poziţia axului turbinelor este determinată de condiţiile specifice locale, precum
şi de necesitatea unei bune siguranţe în exploatare şi a înlesnirii eliminării rapide a
deranjamentelor.
1.2.5. Turbina bulb
Fig. 1.5. Turbina Bulb
6
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Odată cu apariţia turbinelor bulb şi a turbinelor axial-concentrice, s-a făcut un nou pas
spre construirea turbinelor mai ieftine (costul lor fiind cu cel putin 20% scăzut decât cel al unei
turbine Kaplan).
Construcţia turbinelor bulb a parcurs un drum lung până să ajungă la forma modernă,
utilizată cu prioritate astăyi aproape în toate centralele hidroelectrice şi în cele mareeomotrice.
Astfel, prima generaţie de turbine axiale(bulb) prevăd rotorul generatorului fixat la periferia
paletelor rotorului turbinei Kaplan.
A doua generaţie de turbine bulb a permis specialiştilor, în urma unor ample cercetări de
laborator, să rezolve numeroase probleme constructive şi funcţionale, ca: dispunerea bulbului în
aval sau amonte pe un arbore cu 4, 3 sau 2 lagăre de mare capacitate portantă, cu rotorul în
consolă, realizarea unui aparat director conic cu palete torsionate, asigurarea unei răciri eficiente,
creşterea parametrilor specifici funcţionali.
Toate bulburile din generaţia a doua sunt caracterizate printr-o reglare dublă, deci a
paletelor directoare şi a paletelor rotorice.
În vederea obţinerii unor economii suplimentare s-a pus la punct bulburile din generaţia a
treia, care au paletele directoare şi rotorice fixe. Utilizarea unor astfel de grupuri este posibilă
atunci cănd căderea H este constantă. Pentru a realiza reglarea continuă a debitului ce trece prin
centrală se montează alături de grupurile cu palete fixe unul sau mai multe grupuri cu reglare
dublă.
1.2.6. Turbine radial-axiale Deriaz
Fig. 1.6. Turbina Deriaz
În vederea asigurării funcţionării la randamente ridicate într-un domeniu cât mai extins de
debite şi puteri s-a recurs la reglarea dublă , turbina Kaplan , reglare care s-a introdus şi la
7
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
turbinele radial axiale de către Deriaz. Astăzi, turbinele Deriaz s-au impus prin calităţile lor
energetice şi cavitaţionale şi prin costul lor redus în domeniul căderilor H = 20…200m.
Aceste turbine au generat în ideea găsirii unor forme constructive de turbine care să
acopere în special domeniul căderilor H = 40…80m, unde turbina Kaplan nu a dat satisfacţie.
Pentru ca turbinele hidraulice să-şi menţină randamentul ridicat în timpul exploatarii,
trebuie să se evite eroziunea şi uzura organelor în contact cu apa, ceea ce se poate realiza prin
decantarea apei, prin adoptarea unor forme hidrodinamice corecte ale pieselor şi în special, prin
utilizarea unor materiale cu caracteristici mecanice adecvate.
Reducerea timpului pentru revizii se realizeaza prin adoptarea de solutii constructive care
să permită montarea şi demontarea rapidă a organelor celor mai expuse uzurii cum ar fi: statorul,
rotorul şi aspiratorul.
Tendinţa generală a hidroenergeticii de reducere a timpului de executie a CHE şi a
cheltuielilor de investiţie impune ca la turbinele hidraulice în curs de proiectare sau care se vor
executa în viitor să se accentueze:
perfecţionarea constructivă pentru reducerea gabaritelor şi a greutăţii;
normalizarea şi unificarea turbinelor şi a echipamentelor anexe;
elaborarea de noi tipuri de turbine;
îmbunataţirea condiţiilor de curgere;
creşterea puterii unitare a agregatelor;
simplificarea şi utilizarea unor noi procedee de fabricaţie;
alegerea soluţiilor celor mai economice fară însă a reduce randamentul şi siguranţa în
exploatare a agregatelor.
La turbinele Pelton puterea grupurilor va creşte numai până la aproximativ 200 MW,
deoarece la căderi foarte mari, debitele disponibile sunt reduse.
Pentru turbinele Francis proiectanţii preconizează puteri de 500 până la 1000 MW. Se
întrevede reintroducerea în practică, într-o nouă variantă, a turbinelor Francis şi Kaplan duble
care pentru puteri mari satisfac cerinţele moderne. De asemenea, este posibil să se utlizeze noi
tipuri constructive cu rotoare în serie sau cu rotor şi contrarotor, ceea ce va permite aplicarea lor
pana la căderi de 1000 m.
Turbinele Kaplan vor ajunge până la puteri de 500 MW/turbine şi la căderi de 80 m.
Curând se vor introduce în exploatare turbine Kaplan, de tip AB, cu rotor si contrarotor, care au
dimensiunile şi greutatea agregatului mult mai mici decât a turbinelor AB clasice. Aceste turbine
vor funcţiona şi la căderi de 150m.
De asemenea, se prevăd progrese însemnate în domeniul transformatoarelor
hidroenergetice echipate cu grupuri reversibile.
8
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Cu privire la randament nu se mai poate astepta o depăşire sensibilă a celor obţinute în
prezent, deci vor fi limitate la 95%, pentru regimul optim de funcţionare.
Turbinele hidraulice fac parte dintre maşinile hidraulice, deci din cele în care are loc o
transformare a energiei din hidraulică în mecanică, ori invers, prin intermediul unui fluid, care de
regulă este apă sau ulei.
Maşinile care transformă energia hidraulică în energie mecanică se numesc “motoare
hidraulice” sau turbine hidraulice, iar cele care transforma energia mecanica în energie
hidraulicaă se numesc “generatoare hidraulice” sau pompe.
Maşinile în care energia mecanică primită la arbore se transformă în energie hidraulică şi
din nou în energie mecanică se numesc transformatoare hidraulice; cele realizate pentru a
funcţiona în condiţii optime atât ca turbine cât şi ca pompe, se numesc maşini hidraulice
reversibile.
Turbinele hidraulice sunt motoarele care au randamentul cel mai ridicat si se disting prin
urmatoarele caracteristici:
- prelucrează orice fel de căderi de la 1 la 2400 m şi debite de la 0,1 la 900 m3/s pe turbină şi
se pretează la construcţia de unităti de mare putere;
- sunt maşini foarte robuste cu durata de viata peste 50 de ani;
- sunt maşinile cele mai elasticeîn exploatare în condiţiile variaţiei căderii, debitului, puterii şi
a turaţiei;
- pot fi pornite şi încarcate în plin în 1-2 minute, astfel putând fi folosite în zonele de vârf ale
graficului de sarcină sau în centralele de intervenţie şi rezervă.
Pentru căderi cuprinse între 10…30 m, la debite şi puteri mari a centralelor fluviale se
utilizeaza exclusiv turbine Kaplan.
Pentru căderi cuprinse între 30…80m, intră în calcul comparativ atât turbina Francis cât
şi turbina Kaplan şi se stabileşte de la caz la caz care este cea mai economica.
Turbinele Kaplan şi cele elicoidale sunt utilizate cu eficienţă maximă în zona căderilor
mici, H=10-50-(75)m si debitelor foarte mari ajungând până la debite de Q = 700-800 m3/s.
Puterile pe unitate au crescut în ultima vreme din ce în ce mai mult şi cu acestea şi dimensiunile.
În etapa actuală se pare că s-ar fi ajuns la o plafonare a căderii la H = 40-50 m, din motive de
cavitaţie şi înălţime de aspiraţie.
Dupa efectuarea mai multor studii s-a ajuns la concluzia că acest tip de turbină să
funcţioneze cu randamente foarte ridicate, %5.9393max , într-un domeniu larg de variaţie
al puterilor şi debitelor, facilitat prin variaţia simultană a palelor aparatului director cu cele ale
rotorului. Greutăţile specifice la care s-a ajuns în construcţia turbinelor Kaplan sunt de 75140
N/kW.
9
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
1.3. Hidrocentrale în România
Primele preocupări în acest domeniu la Uzinele din Reşiţa au avut loc la începutul anilor
1940, sub îndrumarea Prof. Aurel Bărglăzan de la şcoala Politehnica din Timişoara, prin
proiectarea şi fabricarea a două turbine hidraulice. Prima,în anii 1942 - 1943, o turbină Pelton de
30 kW realizată la atelierele din Anina pentru ferma proprie de la Marghitaş. Urmatoarea, în
1946, o turbină Francis de 100 kW care s-a instalat în zona Moldova Nouă.
În perioada 1948 - 1952, colaborarea strânsa cu scoala Politehnica din Tmişoara s-a
materializat prin producerea şi punerea în funcţiune a trei tipuri de hidroagregate cu turbine
hidraulice, generatoare electrice, regulatoare şi vane după cum urmează:
o Pelton cu putere 1.840/1.100 kW (turbine cu două rotoare diferite pe acelaşi arbore)
pentru centrala Crăinicel cu caderea 434/323 m, 750 rpm turaţie, 6.300 V;
o Francis cu putere 1.100 kW pentru centrala Crănicel (aceeaşi) cu căderea 68 m, 750 rpm
turaţie, 6600 V;
o Kaplan/elicoidal cu putere 550 kW pentru centrala Târgu Mureş cu căderea 4,85 m, 750
rpm turatie, 6300 V.
În anul 1966 ia naştere Institutul de Cercetări şi Proiectări pentru Echipamente
Hidroenergetice - ICPEH, iar în anul 1972 i se alătură Laboratorul de Cercetari Turbine
Hidraulice. De-a lungul timpului, institutul traversează mai multe stadii de proprietate, fiind
asimilat de U.C.M. Reşiţa sau derulându-şi activitatea de sine statator.
În 2003, U.C.M. Reşiţa devine membru al Asociaţiei Internationale pentru Centrale
Hidroelectrice Mici (IASH), o asociaţie internaţională pentru promovarea schimbului de
informaţii şi expertize tehnice pentru accelerarea dezvoltării centralelor de mică putere.
În ianuarie 2006, după o atentă analiză efectuată de acţionari, institutul este externalizat din
cadrul U.C.M. Reşiţa prin crearea unei noi firme HYDRO ENGINEERING.Relatiile strânse cu
U.C.M. Reşiţa se perpetuează, în momentul actual cele două entităţi formând nucleul Grupului
de Firme UCM Reşiţa.
Organizaţional, HYDRO ENGINEERING, a căutat continuu să-şi identifice şi optimizeze
procesele interne pentru a fi întotdeauna la nivelul cerinţelor pieţei. Acest fapt a şi dus la
împărţirea activităţilor pe divizii de proiectare, de cercetare şi testare şi nu în ultimul rând de
fabricaţie a echipamentelor destinate generării de energie electrică prin exploatarea surselor
hidro. Din punct de vedere al serviciilor si produselor oferite, au fost realizate acţiuni de
standardizare a componentelor fabricate în domeniul electric, de automatizare şi în cel
hidromecanic. Activităţile de proiectare s-au structurat funcţie de nivelul cererii acoperind, prin
10
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
departamente dedicate, atât în mod particular cât şi în mod global furniturile de echipamente
hidroenergetice.
La noi în tară s-au construit o serie de centrale hidroelectrice echipate cu turbine Kaplan.
Prima construită de industria noastră, este CHE Tg. Mures, care a fost studiată şi proiectată de
colectivul de maşini hidraulice de la Universitatea Politehnica din Timişoara, şi realizată la
Reşiţa.
La un interval destul de lung urmează apoi salba de centrale de pe valea Bistriţei, în aval
de Stejarul, de la: Pangarati, Vaduri, Piatra Neamţ, Roznov II, Zănesti, Costisa, Racova, Gârleni,
Bacău I şi Bacău II. Toate aceste turbine au fost proiectate la U.C.M Reşiţa, machetele fiind
studiate în parte la Laboratorul de Maşini Hidraulice de la Universitatea Politehnica din
Timişoara.
Fig. 1.7. C.H.E. Porţile de Fier I
Sistemul Portile de Fier I este una dintre cele mai mari construcţii hidrotehnice din
Europa si cea mai mare de pe Dunare. Lacul său de acumulare, cu un volum de peste 2200
milioane m 3 şi puterea instalată de cca 2000 MW sunt cifre impresionante pentru o amenajare
hidroelectrica. În afară de furnizarea de energie electrică, canalul navigabil realizat face posibilă
navigaţia pe Dunăre prin ecluze construite pe ambele maluri.
În toamna anului 1965 este atacată o lucrare de mari dimensiuni pe râul Lotru. La această
amenajare, prin concentrarea debitelor şi a căderilor s-a ajuns la o soluţie de proiect care
cuprinde 156 km de galerii de aducţiuni secundare, galerii ce transportă în acumularea principală
debitele unor afluenţi sau râuri din bazinele adiacente, debite ce se uzinează folosind cea mai
mare cădere disponibilă în ţaă, de 809 m. Aceasta amploare a bazinului montan de retenţie şi
lungime de aducţiuni, dă amenajării un caracter de unicat pe plan mondial. Barajul Vidra este
11
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
executat din anrocamente cu miez de argila (h = 121 m)şi formează în spatele lui un lac de
acumulare de 340 mil. mc. Centrala Lotru-Ciunget are o putere instalată de 510 MW. Punerea în
funcţiune a primului hidroagregat s-a făcut în anul 1972.
La începutul anului 1970 s-au început lucrările de pe Someşul Cald, cuprinzând treapta
superioară cu barajul de anrocamente Fântânele (92 m) formând în spate o acumulare de 212 mil.
mc, o galerie de derivaţie de 12,8 km, centrala subterană Marişelu cu o putere instalată de 220
MW, treapta inferioară cu barajul de beton în arc de la Tarniţa şi centrala de la piciorul barajului
având o putere instalată de 45 MW.
În anul 1972 au fost începute lucrările de pe râul Sebeş, care sunt compuse din 2
acumulări şi 2 centrale cu o putere instalată total de 300 MW.
O lucrare importantă, realizată în colaborare cu fosta Uniune Sovietică şi destinată
reducerii inundaţiilor în lunca râului Prut, a fost începută în anul 1973. Amenajarea Stânca-
Costeşti a cuprins un baraj din anrocamente cu înălţimea de 45m ce formează un lac de
acumulare de 1.200 mil. mc volum util.
În 1975 au început lucrările de la Râul Mare în Munţii Retezat. Retezatul este masivul
muntos cu cea mai mare umiditate şi scurgere din Carpaţii Meridionali, cu o reţea hidrografică
destul de densă, orientată în două direcţii. În bazinul râului Mureş sunt colectate, prin
intermediul Streiului, râurile: Barbat, Serel, Râul Alb, Parosu. Râul Mare, care se varsă şi el în
Strei, colectează râurile: Lapusnicul Mare, Zlata, Rîusor, Nucşoara şi Salaşu. Partea sudică a
masivului este drenată de Jiul de Vest, având ca afluenţi Buta, Valea Lazarului şi Pilugul.
Amenajările hidrotehnice s-au finalizat în 2000 (barajul de la Gura Apei; captarile râurilor
Barbat, Alb, Nucsoara si Râusor; tunelele subterane; salba de microcentrale de pe Râul Mare).
Amplasat pe versantul de nord al masivului Retezat, la poalele Rezervaţiei şi a Parcului Naţional
Retezat, barajul de la Gura Apelor este cel mai înalt şi cel mai voluminos baraj din ţară.
Construit din anrocamente cu miez de argila, cu o inaltime de 168 m si cu un volum total de
10,252 mil. mc creează condiţiile formării în spatele său a unui lac de acumulare de 210 mil mc.
Şi printr-o aducţiune de 18.400 m, pune în funcţiune 2 turbine Francis având o putere instalată
totală de 335 MW şi producând o energie electrică în anul hidrologic mediu de 605 GWh/an.
În anul 1981 a început execuţia amenajării Bistra – Poiana Mărului – Ruieni – Poiana
Ruscă, situată în jud. Caras – Severin, regularizând afluenţii din bazinul superior al râului Timiş,
de pe o suprafaţă de 670 km . Sunt prevăzute 3 centrale hidroelectrice subterane (Ruieni, Poiana
Marului, sistata pe moment, Raul Alb – total 260 MW) care vor da 522 GWh/ anul hidrologic
mediu si 3 baraje (Poiana Marului – anrocamente cu nucleu de argilă, 125,5 m, Scorilo – beton
în arc sistat pe moment si Poiana Ruscă – beton în arc, 75 m).
2
12
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Cel mai mare lac artificial amenajat pe râurile interioare este Lacul Izvorul Muntelui
(Lacul Bicaz) pe râul Bistriţa, "născut" în iulie 1960 în spatele barajului înalt de 127 m si lung de
435 m, cu o suprafaţă de 33 km . Lungimea lacului este de 35 km, iar lăţimea variază între 200
şi 2000 m, volumul maxim fiind de 1250 miliarde mc şi alimentează hidrocentrala Bicaz-Stejaru.
Pe Bistriţa mai sunt 12 lacuri de acumulare în aval de lacul Izvorul Muntelui pe o distanţă de 140
km ( un numar de 7 lacuri de acumulare, 36,5 km de canale de derivaţie si 12 centrale electrice
totalizând o putere instalată de 244 MW).
2
În anul 1966 a fost desăvârşită una din cele mai mari lucrări hiodroenergetice din tară:
barajul de la intrarea în cheile Argesului. Pentru a asigura volumul de apa prevazut pentru lac, au
fost construite baraje, lacuri de acumulare, captari şi conducte de aducţiune dinspre râuri vecine
Argeşului: Topologul, Valsanul, Cernatul, Râul Doamnei, Baciu si altele. S-au construit trei
lacuri mai mici, pe afluenti, in zona montana si alte 13 lacuri (cu hidrocentrale ), în aval, pâna la
Piteşti. Hidrocentrala de la Vidraru (220 MW) a necesitat realizarea unui baraj de beton în arc,
care în momentul terminării se situa, prin înălţimea sa de 166,6 m, pe locul 5 în Europa si pe
locul 9 în lume, a unui lac de acumulare cu un volum de 465 mil. mc, a unei derivaţii principale
de 13,3 km, a unei centrale subterane, la Corbeni, cu o putere instalată de 220 MW şi a unui
sistem de captări şi aducţiuni secundare de 29 km. Centrala subterana Vidraru este adevaratul
“templu“ al amenajării. Într-o cavernă având dimensiunile H=31,70 metri, L=67,80 metri si
l=16,70 metri, amplasată la 104 metri sub nivelul albiei râului Arges.
În 1982 la Siriu, pe râul Buzău se începe execuţia barajului cu acelaşi nume, al doilea ca
mărime din tara, dintre barajele de anrocamente – 8,8 mil mc cu 123 m înălţime, o aducţiune
principală de 7746 m cu Di = 3,70 m şi o centrala de 42 MW care dă o energie de 122 GWh/an
hidrologic mediu.
În anul 1988 a început amenajarea Jiului la ieşirea din defileu. Dintre cele 3 centrale
amintim centrala de la Valea Sadului care are o caracteristică diferită faţă de celelalte lucrări.
Rolul ei este de a retransforma Jiul într-un râu cu peşti, prin decantarea în lacul de acumulare a
suspensiilor carbonifere rezultate de la instalaţiile de preparare a cărbunelui cocsificabil din
amonte. Volumul lacului de 306 mil. mc permit, în extremis, decantarea aluvionară pe următorii
3 – 400 de ani, timp în care rezervele miniere se vor fi terminat de mult.
Amenajarea în cascadă a râului Olt, începănd din depresiunea Făgăraş, apoi în defileul
Turnu Roşu - Cozia, continuând în Subcarpaţi şi în zona de câmpie, cu cele 30 de hidrocentrale,
dintre care 6 încă în execuţie, are o putere totală de 1.088 MW.
Pe râul Cerna se află lacul de acumulare Cerna (baraj din anrocamente, de 110m înălţime)
ale cărui ape trec pe sub Munţii Mehedinţi spre valea Motrului (lacul Valea Mare), unde s-a
construit hidrocentrala Valea Mare. Pe Tismana şi Bistriţa se află lacuri hidroenergetice, la 5 km
13
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
amonte de Băile Herculane pe Cerna s-a amenajat lacul Prisaca. Toate aceste amenajari fac parte
din sistemul hidroenergetic Cerna- Motru - Tismana. Apele Cernei sunt barate si in zona 7
Izvoare , de un baraj din beton in dublu arc, cu o înălţime de 58,8 m ; 13 m lăţime la baza ; 3,6 m
lăţime la coronament ; 188 m lungime coronament .Acumularea realizată de baraj se prezintă cu
date astfel : volum total = 14,7 mil.mc ; 12,16 mil.mc volum util, suprafaţa lacului 86,6 ha ;
suprafaţa bazinului de recepţie 125 km . Centrala Herculane destinată să prelucreze energia
potenţială acumulată în spatele barajului, este de tip semiîngropat cu sala maşini şi camera de
comandă la suprafaţă. Este echipată cu 2 grupuri de 2 respectiv 5 MW cu o producţie medie de
energie de 12 GWh.
2
14
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
2. DESCRIEREA AMENAJĂRII HIDROENERGETICE A
RÂULUI SIRET
2.1. Prezentarea spaţiului hidrografic a râului Siret
Fig. 2.1. Spaţiul hidrografic al râului Siret
15
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
2.1.1. Delimitarea spaţiului hidrografic Siret
Bazinul hidrografic Siret este situat în partea de est – nord - est a ţării fiind cel mai mare
bazin hidrografic de pe teritoriul României.
Râul Siret este cel mai important afluent al Dunării, având un debit mediu multianual, la
vărsare, de cca. 250 mc/s şi reprezintă cel mai mare bazin hidrografic de pe teritoriul României.
Bazinul hidrografic al râului Siret are o suprafaţă totală de 44.811 km2 din care 42.890
km pe teritoriul României şi 28.116 km în administrarea Direcţiei Apelor SIRET sub
denumirea Spaţiul Hidrografic Siret.
2 2
Spaţiul hidrografic Siret se învecinează la vest cu bazinele Someş - Tisa, Mureş şi Olt, la
sud cu bazinele Ialomiţa – Buzău, iar la est cu bazinul Prut.
Din punct de vedere administrativ, spaţiul hidrografic Siret ocupă integral judeţul
Suceava, aproape integral judeţele Neamţ, Bacău şi Vrancea şi parţial judeţele Botoşani, Iaşi,
Galaţi, Buzău, Covasna, Harghita, Bistriţa Năsăud, Maramureş.
Populaţia din acest spaţiu este de cca. 2,6 milioane locuitori (1,5 mil. în mediu urban şi 1
mil. în mediu rural), din punct de vedere demografic teritoriul administrat fiind caracterizat
printr-o densitate medie a populaţiei de 94,13 locuitori / Km2.
2.1.2. Hidrografie
Bazinul hidrografic Siret are pe teritoriul României o suprafaţă de 42.890 km2 care
reprezintă 18% din suprafaţa României (238.391 km ) 2
Altitudinea medie a bazinului este de 515 m, iar panta medie a râului Siret este de 0.5‰.
Spaţiul hidrografic Siret aflat sub administrarea Direcţiei Apelor Siret are o suprafaţă de
28.116 km , reprezentând 11,8% din suprafaţa ţării, iar panta medie a râului principal este de
0,5‰.
2
Pe teritoriul României, în bazinul hidrografic Siret au fost codificate 1013 cursuri de apă,
însumând o reţea hidrografică în lungime de 15.157 kilometri care reprezintă 19.2% din
lungimea totală a reţelei codificate din ţară.
În administrarea Direcţie Apelor Siret se află un număr de 734 cursuri de apă codificate
cu o lungime a reţelei hidrografice de 10.280 kilometri.
Principalele cursuri de apă din bazinul hidrografic Siret sunt afluenţi de dreapta ai râului
Siret care colectează toate apele de pe versantul de est al Carpaţilor Orientali şi anume râurile
16
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Suceava, Moldova, Bistriţa, Trotuş, Putna, Râmnicu Sărat şi râul Buzău, al cărui bazin
hidrografic se află în administrarea Direcţiei Apelor Buzău – Ialomiţa.
Pe partea stângă are un singur afluent mai important, râul Bârlad, al cărui bazin
hidrografic se afla în administrarea Direcţiei Apelor Prut.
Râul Siret are o lungime totală de 647 km de la izvorul de sub Obcina Lungul şi până la
vărsare în Dunăre şi de 559 km de la intrarea în ţară la NE de oraşul Siret până la confluenţa cu
Dunărea.
2.1.3. Resurse de apă
Resursele de apă de suprafaţă din spaţiul hidrografic Siret reprezintă cca 17% din
volumul total al resurselor de apă ale ţării şi sunt formate, în principal, de râul Siret şi afluenţii
săi şi într-o măsură foarte redusă din lacuri şi bălţi naturale.
Stocul mediu multianual al râului Siret în secţiunea de vărsare în Dunăre este cca.5800
milioane m (Q = 250 mc/s) situând din acest punct de vedere râul Siret pe locul I în ierarhia
celor mai importante cursuri de apă ale României.
3
Resursele naturale totale de apă ale s.h. Siret sunt de 6.868 mil m3 din care:
Resurse de suprafaţă - 5.800 mil m3
Resurse subterane - 1.068 mil m3
Din aceste resurse sunt utilizabile în medie pe an 2.655 mil. m3
Resurse de suprafaţă - 1.955 mil. m3
Resurse subterane - 700 mil. m3
În s.h. Siret există un număr de 30 acumulări cu folosinţă complexă cu un volum util de
1.847,63 mil. m3.
În cadrul resurselor de apă de suprafaţă din s.h. Siret se află şi 2 lacuri naturale, apa
acestora nefiind utilizată pentru satisfacerea cerinţelor consumatoare de apă.
Resursele de apă subterane freatice şi de adâncime cele mai importante sunt localizate în
luncile râurilor Siret, Suceava, Moldova şi Bistriţa, apa freatică estimându-se la cca. 28 mc/s din
care 16,7 mc/s sunt resurse de bilanţ.
Spre deosebire de alte cursuri de apă, Siretul dispune de mai multi afluenţi importanţi,
fapt ce se exprimă mai pregnant prin variaţia debitului mediu multianual în lungul cursului său
(Suceava cca 9%, Moldova cca 17,6 %, Bistriţa cca 35 %, Trotuş cca 18 %).
Râul Siret are la intrarea în ţară în secţiunea Siret un debit mediu multianual de 13.0
m3/s. Spre aval debitele cresc mai ales după principalele confluenţe. Astfel, la Lespezi (aval de
17
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
confluenţa cu Suceava) este de 36,5 m3/s, la Drăgeşti (în aval de confluenţa cu Moldova) de 75,1
m3/s, la Răcătău (în aval de confluenţa cu Bistriţa) 140 m3/s, la Lungoci (în aval de confluenţa
cu Trotuşul şi Putna) – 210 m3/s.
2.1.4. Lacuri de acumulare
În s.h. Siret există un număr de 30 lacuri de acumulare (din care 20 cu suprafaţa > 50 ha) cu
folosinţă complexă (energetic, alimentare cu apă, atenuare viituri, irigaţii, piscicultură) totalizând
un volum de 1847,632 mil. mc. din care volumul util este de 1206,121 milioane m3. Cele mai
importante acumulări sunt: Rogojeşti, Bucecea, Dragomirna, Şomuz II Moara, Izvorul Muntelui,
Poiana Uzului.
În s.h. Siret există 144 amenajări piscicole.
Acumulările de pe Siretul inferior - GALBENI, RĂCĂCIUNI, BEREŞTI, CALIMĂNEŞTI
au rol complex: energetic, atenuare viituri şi irigaţii
Lacurile de acumulare
Lacurile de acumulare a căror suprafaţă este mai mare de 0,5 km2 sunt în număr de 20 în
Spaţiul Hidrografic Siret şi produc în principal ca presiune hidromorfologică, întreruperea
continuităţii scurgerii şi regularizarea debitelor (fig. 3.15).
Dintre acumulările de mare importanţă din spaţiul hidrografic Siret se menţionează:
Acumularea ROGOJEŞTI situată pe cursul superior al râului Siret cu un volum total
de 48.4 milioane.m3, din care util 26 milioane m3, şi o suprafaţă la NNR de 825 ha – scop
alimentare cu apă, irigaţii, atenuare de viituri şi subordonat, producere de energie electrică.
Acumularea BUCECEA de pe râul Siret cu un volum total al acumulării de 25 mil. mc.
din care 5,86 mil. mc. volum util şi o suprafaţă la NNR de 475 ha – scop alimentarea cu apă
potabilă şi industrială, tranzitarea de debite pe derivaţia Bucecea – Sitna pentru irigaţii,
producere energie electrică.
Acumularea DRAGOMIRNA situată pe pârâul Dragomirna, afluent de stânga al râului
Suceava, cu un volum total de 19,22 mil. mc. din care volumul util 18,73 mil. mc şi suprafaţa
lacului la NNR este de 189 ha – scop alimentarea cu apă.
Acumularea ŞOMUZ II MOARA amplasată pe pârâul Şomuzul Mare cu un volum total
de 11,3 mil. mc din care volumul util 6,8 mil. mc şi o suprafaţă la NNR de 153 ha – scop
atenuarea viiturilor şi piscicultură.
18
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Acumularea IZVORUL MUNTELUI situată pe râul Bistriţa cu un volum total de 1230
mil. mc. din care volumul util de 882 mil. mc şi o suprafaţă a lacului la NNR de 3100 ha - scop
producerea de energie electrică, alimentare cu apă, atenuare viituri, irigaţii şi agrement.
Acumularea POIANA UZULUI situată pe râul Uz, afluent al râului Trotuş, cu un volum
total de 88,0 mil. mc. din care volumul util este de 86,0 mil. mc şi o suprafaţă la NNR de 335 ha
- scop alimentarea cu apă şi producerea de energie electrică.
2.1.5. Regularizări şi îndiguiri
Pe teritoriul Spaţiului Hidrografic Siret, există un număr de 31 de râuri regularizate pe o
lungime totală de 570,2 km. Analizând parametrii hidromorfologici ai acestora în conformitate
cu criteriile pentru definirea presiunilor hidromorfologice semnificative, se constată că lucrările
de regularizare care pot fi considerate presiuni hidromorfologice semnificative sunt pe 14 corpuri
de apă, totalizând o lungime de 146,68 km.
Îndiguirile din Spaţiul Hidrografic Siret care pot fi considerate presiuni hidromorfologice
semnificative însumează o lungime de 188,76 km, se află pe 13 corpuri de apă. Şi acestea au fost
analizate prin prisma criteriilor mai sus menţionate.
Regularizările şi îndiguirile, produc în principal ca presiune hidromorfologică, modificări
ale morfologiei cursurilor de apă, alterări ale caracteristicilor hidraulice şi întreruperi ale
continuităţii laterale.
2.1.6. Derivaţii
Obiectivele hidrotehnice din această categorie, în număr de 4, din care 3 sunt derivaţii
mixte şi o derivaţie de tip canal, au drept scop suplimentarea debitului afluent în acumulările:
Dragomirna, Cătămărăşti, Izvorul Muntelui şi Călimăneşti precum şi asigurarea cerinţei de apă
pentru irigaţii, producând modificări semnificative ale debitelor cursurilor de apă pe care
funcţionează.
Derivaţia Mihoveni – Dragomirna: este amplasată pe malul stâng al râului Suceava.
Derivaţia se realizează prin două conducte (2 fire) cu diametrul de 1200 mm fiecare fir şi cu un
debit instalat de 4.8 m3/s. Apa este transportată de la sursă prin pompare în lacul Dragomirna.
Din lac apa este preluată de către ACET Suceava în vederea satisfacerii alimentării cu apă
potabilă a cartierului Burdujeni şi industrială pentru CET Suceava.
19
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Din acumularea Dragomirna se alimentează cu apă pentru irigaţii Sistemul Dragomirna
din cadrul ANIF Suceava.
Derivaţia Bucecea – Sitna: a fost realizată pentru tranzitarea unor debite în vederea
suplimentării volumelor de apă necesare irigaţiilor în b.h. Jijia. Transportul apei de la priza din
lacul de acumulare Bucecea se realizează gravitaţional. Tranzitarea debitelor se face prin
conductă cu diametrul 2200 mm, tunel cu diametrul 1600 mm şi două conducte cu diametrul de
800 mm, iar în continuare, până în acumularea Cătămărăşti, prin valea Bărbălăteni regularizată.
Derivaţia Taşca – Izvorul Muntelui: a fost pusă în funcţiune în anul 1961.
Elementele componente ale amenajării sunt:
- barajul Taşca pe pârâul Bicaz
- priza energetică, amplasată pe versantul stâng al pârâului Bicaz
- galeria de derivaţii Taşca – lac Izvorul Muntelui cu o lungime de 9852 m
Debitul maxim de transport la NNR este de cca 15 mc/s.
Derivaţia Siret – Bărăgan: este destinată pentru asigurarea apei necesare irigării
terenurilor din spaţiul Siret – Ialomiţa. Este o derivaţie de tip canal cu o lungime proiectată de
190 km şi primul tronson (5,7 km) a fost pus în funcţiune în anul 1993. Are ca punct de plecare
acumularea Călimăneşti (râu Siret) şi străbate întreg spaţiul de la N la S şi apoi spre SV până la
râul Ialomiţa.
Derivaţiile, ca presiuni hidromorfologice, produc în principal efecte asupra curgerii
minime, asupra stabilităţii albiei şi biotei.
2.1.7. Principalele construcţii hidrotehnice
1.Canal de irigaţii Siret-Bărăgan, Tronson I, km 0,00 – 5,700 - aflat în administrarea
S.G.A. Vrancea având următoarele lucrări pe traseu:
Nod hidrotehnic Zăbrăuţi are rol de regularizare a pârâului Zăbrăuţi pe o lungime de
2,0km şi subtraversarea de către acesta a canalului.
Supratraversarea Modruzeni are rol şi de golire a canalului printr-un canal de golire cu
descărcare în râul Siret.
În cazul golirii tronsonului de canal, apa este evacuată în râul Siret prin subtraversarea
Modruzeni, printr-un canal de golire în lungime de 2,810 km lungime.
2. C.H.E Călimăneşti (S.C.Hidroelectrica S.A.) pe râul Siret (care are o putere instalată
de 40 MW)- folosinţă de apă: producerea de energie electrică şi asigurarea volumelor de apă
pentru irigaţii prin priza de apă mal drept.
20
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3. C.H.E. Movileni (S.C.Hidroelectrica S.A.) pe râul Siret (energie electrica = 113Gwh),
- folosinţă de apă: producerea de energie electrică şi cu rol de atenuarea viiturilor.
4. M.H.E. Greşu (S.C.Hidroelectrica S.A.) pe râul Putna - folosinţă de apă: producerea
de energie electrică - 27,6 GWh/an şi asigurarea unui debit de servitute de 300 l/min.
5.M.H.E. Zăbala (S.C.Hidroelectrica S.A.) pe pâraul Zăbala folosinţă de apă: producerea
de energie electrică - 1,853GWh/an an şi asigurarea unui debit de servitute de 1,57 mc/s.
Lucrări hidrotehnice ce urmează a fi demarate:
1. Diguri de apărare împotriva inundaţiilor cu o lungime de: 81,30 km de-a lungul râurilor Siret,
Putna şi Rm.Sărat
2. Regularizări de râuri: 90,37 km pe râurile Putna ,Milcov, Şuşiţa şi Rm. Sărat.
3. Consolidări şi apărări de maluri: 27,539 km pe râurile Siret, Putna, Milcov, Şuşiţa şi Rm.
Sărat.
4. Derivaţii: 5,70 km-canalul Siret Bărăgan.
2.2 Descrierea amenajării hidroenergetice CĂLIMĂNEŞTI
2.2.1. Amplasament
Acumularea Călimăneşti este amplasată pe cursul inferior a râului Siret, între localităţile
Adjud şi pădureni, judeţul Vrancea şi delimitată de versantul natural pe malul stâng de contur în
lungime de 10,5 km, pe malul drept. Accesul în centrala Călimăneşti se poate face prin satele
Călimăneşti sau Pădureni ce aparţin de oraşul Mărăşeşti.
Distanţa până la Focşani( reşedinţa de judeţ) este de 35 km.
Distanţa până la Buzău este de 142 km.
2.2..2. Date hidrologice
Acumularea Călimăneşti se gaseşte în aval de captura Bereşti, iar Siretul primeşte
afluent Trotuşul între cele două acumulări. Deci exista o diferenţă de bazin între cele două
acumulări, iar valorile debitelor catastrofale sunt diferite pentru cele două acumulări. În
21
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
consecinţă manevrele de la evacuatorii barajului de la Bereşti sunt informative în efectuarea
manevrelor la acumularea Călimăneşti, deoarece pot apărea cazuri de viituri nascute pe diferenţa
de bazine, deci nivelul în lac va fi, în lipsa prognozei, factorul determinant în efectuarea
manevrelor evacuatorilor barajului Călimăneşti.
Debite maxime în regim natural:
Q =5360 m /s ; Q =7235 m /s %13
%1.03
Viteza de creştere a debitului la unda de viitura în cazul valorilor catastrofale ale debitelor
poate atinge 350 m /s·h. 3
Barajul U.H.E. Călimăneşti sunt încadrate în clasa a doua de construcţii, în conformitate
cu proiectul tehnic, pentru care calculul evacuatorilor se face la debitul de depăşire de 1%, iar
verificarea lor se face la debitul cu probabilitatea de depoasire de 0.1%.
2.2.3. Caracteristici tehnice generale
Date de proiect Date de exploatare
Putere instalată Pi 43,56 MW 40 MW
Căderea brută/netă Hnet 12,5 m 15 m
Debit instalat Qi 390 m 340 m min/3 min/3
Turaţie n 83,33 rot/min
Producţie de energie Ep 79 GWh
Randament η 97,2 %.
2.2.4. Elementele acumulării
Nivelurile caracteristice ale suprafeţei libere a lacului Călimăneşti sunt:
Nivelul normal de retenţie (NNR) 75,00 mdM;
Nivelul minim de exploatare (NME) 72,7 mdM;
Nivelul maxim de exploatare (NMC) 77 mdM;
Volumele caracteristice ale acumulării sunt:
Volumul la nivelul normal de retenţie 44,274 mil. m 3 ;
Volumul util al lacului 15,917mil. m 3 ;
22
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Volumul de protecţie la ape catastrofale cca 16.111 mil. m 3 ;
Aria suprafetei libere a lacului, la nivelul normal de retenţie A =749,9 ha. 0
2.2.5. Caracteristicile evacuatorilor şi organelor de închidere
Barajul Călimăneşti este un baraj mobil. Evacuatorii de ape mari constau în şapte câmpuri
numerotate: 1, 2, 3, 4, 5, 6 şi 7 dinspre malul stang spre malul drept.
Fig. 2.2. Câmpurile deversoare C.H.E. Călimăneşti Vrancea
Evacuatorii sunt închişi cu stavile segment ( patru câmpuri ), respectiv segment cu clapeta
(trei câmpuri) 11,5x 21 m , cu pragul(radierul) dispus la cota 64,8mdM, respectiv cu cota
articulaţiei clapetei 72,2 mdMB.
2
Stavilele segment servesc in principal la evacuarea debitelor mari şi la evacuarea
plutitorilor şi gheţii, respectiv reglează nivelul în lac şi debitul evacuat.
Acţionarea acestora se face cu mecanisme de acţionare individuale cu motoare electrice şi
reductoare, prin intermediul unui lanţ Gall. Motoarele şi reductoarele sunt dispuse pe pile. Cheile
limnimetrice ale clapetelor şi stavilelor segment sunt reprezentate astfel: debitul evacuat de o
stavilă segment este exprimat în funcţie de deschiderea “a” a stavilei şi de cota z a nivelului
suprafeţei libere a apei în lac Q =Q (a,z), iar debitul evacuat de clapete este dat în funcţie de
coborârea clapetei a, pentru diverse cote z în lac. Debitul total evacuat de o stavilă segment,
complet ridicată, pentru NNR în lac este de 1035 m 3 /s.
a u
23
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
La determinarea manevrelor evacuatorilor se vor folosi numai cheile corespunzătoare
nivelului normal de retenţie, deoarece evacuarea debitelor catastrofale se produce în jurul
nivelului normal de retenţie. Pentru determinarea şi înregistarea debitelor se vor folosi şi
celelalte chei, interpolând liniar pentru cote intermediare.
Nivelul apei în lac trebuie măsurat în afara câmpurilor deversoare la un limnimetru instalat
pe malul stâng lângă baraj.
2.2.5.1. Date generale
Amenajarea Călimăneşti este amplasată pe cursul inferior al raului Siret, între localităţile
Adjud şi Pădureni-Vrancea, fiind realizatăca o folosinţă complexă şi anume:
Folosinţă principală − redresarea unui nivel în lacul de acumulare necesar derivării
debitelor pentru irigaţii în canalul magistral Siret- Băragan.
Folosinţă secundară − producerea de energie electrică prin prelucrarea potenţialului
hidroenergetic al râului Siret.
În acelaşi timp trebuie asigurat în aval de amenajare un debit necesar pentru apă potabilă,
industrială şi pentru irigaţii.
Stabilirea paramerilor amenajării s-a făcut ţinand cont de cerinţele de gospodărirea
complexă a apelor.
Din punct de vedere geologic, amenajarea este situată în partea de sud a platformei
moldoveneşti, cu depozite sedimentare noi şi înclinare redusă spre sud (5°-10°). Roca de bază
este formată din intercalaţii de argilă şi argilă mărnoasă, nisipuri şi pietrişuri mărunte.
Principalele elemente constitutive ale schemei de amenajare sunt:
- lacul de acumulare cu diguri de contur;
- barajul deversor;
- priza centralei;
- centrala hidroelectrica;
- regularizare aval de centrală.
24
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
2.2.6. Lacul de acumulare
Fig. 2.3. Lacul de acumulare Călimăneşti Vrancea
Este amplasat în albia majoră a râului Siret şi delimitat de versantul natural înalt pe malul
stâng şi digul de contur în lungime de aproximativ 10 km pe malul drept.
Frontul de retnţie înspre malul stâng este completat de un dig de aproximativ 0.75 km.
Cele două diguri au următoarele caracteristici:
- lăţime la coronament 6m;
- panta taluzului înspre lac: 1:2,5 ;
- panta taluzului exterior: 1:3 şi 1:2,5;
- protecţia taluzului interior: perei de beton armat cu rosturi etanşe;
- protecţia taluzului exterior: pământ vegetal înierbat;
- la coronament este prevăzut parapet sparge-val;
- colectarea apelor de infiltraţie: contracanal;
- atanşare în profunzime: cu perete continuu din beton.
2.2.6.1. Nivelele, volumele caracteristice în lacul de acumulare:
- nivelul minim de exploatare: NmE= 74,5 mdM;
- volum la NmE =40,6 mil.m 3 ;
- nivel normal de retenţie NNR=75 mdM;
25
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
- volum la NNR= 44,3 mil.m 3 ;
- nivel maxim de retenţie NMR ‚ 75,24 mdM( corespunzător vârfului clapetei);
- volum la NMR=46,3 mil.m 3 ;
- nivel maxim de exploatare NME =76 mdM;
- volum la NME= 52 mil.m 3 ;
- nivel maxim excepţional de exploatare, în perioada de secetă = 72,7 mdM;
- volum la NmEx= 28,3 mil.m 3 .
Avându-se in vedere că este dificil să se menţină în lac o cotă constantă de 75 mdM B, s-a
admis o oscilaţie de 0,5 m, respectiv până la nivelul minim un volum util de aproximativ 4
mil.m 3 , suficient pentru funcţionarea centralei la vârful zilnic de sarcină.
2.2.7. Barajul
Este amplasat între doua braţe ale raului Siret, având cota de fundaţie 56 mdM. Situaţia
geologică a amplasamentului este următoarea:
- la suprafaţă, un strat de nisip fin, argilos, afânat, cu grosimea medie de 0,4-1m;
- sub acest strat se gasesc aluviuni, în grosime de 7-12 m, constituite din amestec
de bolovăniş, pietriş şi nisip;
- roca de bază este formată dintr-o alternanţă de nisipuri, păietrişuri , argile grase şi
prăfoase, cu înclinare dinspre amonte spre aval şi spre versantul stâng.
Barajul deversor din beton este de tip mobil cu prag lat, având şapte câmpuri deversoare cu
secţiunea de 160 m , echipate cu patru stavile segment şi trei stavile segment cu clapetă. 2
Soluţia constructivă aleasa este cu ploturi, independente având câte două rosturi din
radierul deversant situate la 4 m de la pile (in grosime de 4 m).
Disiparea energiei debitului evacuat se face în disipatorul de energie care este de tip bazin
în două trepte prevăzute cu praguri.
Lungimea frontului deversant estede 112 m, iar lungimea totală a frontului este de 142m.
Coronamentul barajului este carosabil, podul de şosea fiind de 10,2m lăţime, cu doua fire
de circulaţie de cate 4 m pe fir şi două trotuare de câte 1m, amplasate de o parte şi de alta a
carosabilului.
Carosabilul traversează atât barajul cât şi priza centralei.
26
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Echipamentul hidrodinamic este constituit din:
-la baraj a) un set de 8 elemente de batardou identice de 16x1,27m/buc. de tip plan
alunecător având rolul de a obtura fiecare din cele 7 deschideri ale barajului deversor pentru
executarea unor lucrări de revizie sau reparaţie la stavile şi clapete.
Manevrarea elementelor de batardou în nişă, se face în current echilibrat cu ajutorul grinzii
de manevră 2x12,5 tf.-16m, prevăzută cu două cârlige capabile să cupleze şi decuplze in apă.
Etanşarea cu batardourile se face spre amonte cu:
- cauciuc profil “P” pe feţele laterale ;
- cauciuc tip”cuţit ” la prag şi între elemente.
b) macara portal 12,5/2x10 t.f.-5 m + 4,5 m + 2 m cu care se ridică ( coboară şi
translatează) elementele de batardou.
Macaraua traversează intreg barajul pe calea de rulare sprijinită pe pile şi culee, iar în
deschideri pe grinzi de beton.
c) stavilele segment cu clapetă în număr de 3 bucăţi, cu următoarele dimensiuni
şi caracteristici:
- construcţie tip cheson-metalică
-deschiderea în lumină 16m
-înălţimea stavilei 8,23m
-înălţimea clapetei 2,2m
-înălţimea totală ( stavilă+ clapetă) =10,43m.
Pragul stavilei se află la cota 64,81 mdMB, iar cota vârfului clapetei este 75,24 mdMB,
rezultând o gardă faţă de NNR de 0,24 m.
Corpul chesonat al stavilei este vizitabil având pe parţile laterale găuri de acces prevăzute
cu capace de închidere fixate în buloane.
Mecanismul de acţionare este electrodinamic, alcătuit din două grupuri simetrice, faţă de
axa deschiderii, amplasate în pile şi culee sub cota coronamentului, sincronizarea se face prin
arbore electric.
Transmiterea mişcării la stavile se face prin cele două lanţuri Gall cu bolţuri şi eclise,
situate la capetele stavilei.
d) stavilele segment sunt în număr de 4 bucăţi, având următoarele dimensiuni şi
caracteristici:
- tipul construcţiei metalice: cheson
- deschiderea in lumină : 16m
-înălţimea stavilei : 10,43m.
27
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
e) instalaţia de prevenire a îngheţurilor este constituită din electrocompresoare tip
ECS 1,5, amplasate câte două în pilele 2 şi 5 ale barajului, care produc aer comprimat ce se
distribuie în faţa fiecărei stavile printr-o conductă magistrală de 3’’ şi de la care se ramifică două
conducte de 2’’ pentru fiecare deschidere.
Rolul instalaţiei este de barbotare a apei în a monte de stavile astfel încât pet imp friguros
să nu se producă un pod de gheaţă în contact cu stavilele, putând conduce la indisponibilitatea
acestora sau în cel mai fericit caz la manevrarea greoaie în caz de necesitate.
f) instalaţia de încălzire asigură topirea gheţii ce s-ar putea forma pe ghidajele
laterale şi pe pragul stavilelor menţinându-se în starea de disponibilitate.
Încălzirea este de tip inductiv şi este amplasată în ghidajele şi pragurile deschiderilor 1 şi 7.
2.2.8. Centrala hidroelectrică
Centrala Călimăneşti este o centrală de tip baraj şi este amplasată în frontul de retenţie în
continuarea barajului deversor, de tip baraj subterană. Casa vanelor face corp comun cu clădirea
centralei. Debuşarea apei din centrală se face într-un bazin de liniştire.
Din punct de vedere geologic roca de bază şi de fundaţie are aceleaşi caracteristici cu ale
barajului.
Parametrii hidroenergetici principali sunt:
- debitul instalat: 380 m 3 /s
- puterea instalată : 40 MW
- căderea brută: 12.5 m
- producţia de energie electrică în anul hidrologic mediu= 79 GW.
Principalele elemente constructive ale centralei sunt:
Priza energetică are următoarele componente (echipamente hidromecaice):
a) Batardoul avansat S14-6,95x19,5 culisează în nişa situată în faţa gratarului şi are rolul de
punere la uscat a prizei pentru revizie şi reparaţie la gratare.
Manevrarea batardourilor se face cu o grindă de manevră Ma 6,95-2/5 şi cu macara de
12,5 tf. De la priză.
b) Grătarul rar 6,95x14,5-130/3. Fiecare din cele 4 deschideri este echipată cu un gratar fix
cu posibilitatea de demontare şi având următoarele caracteristici:
- deschidere în lumină 6,95m
- înălţime în lumină 14,5m
28
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
- lungimea între bare 180mm
- pasul barelor 194mm.
Vana plană rapidă 6,95x8,16/18,5 este cu acţionare hidraulică prin intermediul unui
servomotor cu simplu efect de Ø 300 şi a grupului de pompare ulei. Este o vană de tipul plană cu
roţi de rulare şi ghidare laterală.
Fiecare hidroagregat este echipat cu două astfel de vane rezultând 4 vane rapide pentru
centrală. Coborârea vanelor se face prin greutate proprie. Timpul de coborâre 2 min, iar timpul
de acţionare la ridicare este de 8min.
Macaraua portal (12,5x2x10) t.f. este multifuncţională şi se utilizează pentru manevrarea
batardourilor ( amonte şi avansat) a gratarelor, gratarelor plan şi polip a vanelor în cazul
demontării lor în vederea reparaţiilor.
− Sarcina principală 12,5 tf
− Sarcina auxiliară 210tf
− Deschiderea(distanţa dintre şine) 5 m
− Înălţimea de ridicare
deasupra solului 6 m
totală 20 m
− Şina de rulare CF 40
− Viteza nominală de ridicare 8m/min
− Viteza nominală de deplasare 31,5 m/min
− Graifar plan
− Graifar polip 1
Instalaţia de golire aspirator
Este alcătuită din două electropompe de tip MV-403 cu următoarele caracteristici:
− P=110 KW
− Q= 900 hm /3
− n=1500 rot/min
− H=25 m
Instalaţia de evacuare apă infiltrată în centrală
Evacuarea apei infiltrată în centrală se realizează cu electropompe de tip MA-200:
− P=22 MW
− Q=150 sm /3
− n= 1500 rot/min.
29
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Gospodăria de ulei este reprezentată de trei rezervoare: unul de 5 de ulei curat Tb 58,
altul de 5 de ulei uzat Tb 58 şi un rezervor de 5 de ulei curat H9EP.
3m
3m 3m
Gospodăria de aer:
− Compresor aer ÎP, asigură perna de aer GUP-HA;
− Compresor aer JP, asigură presiunea de aer pentru frânare HA.
2.2.9. Bazinul de liniştire
Batardoul A-5-6,95 7,6/19,5 serveşte la obturarea tubului aspirator al centralei în vederea
reviziilor şi reparaţiilor la turbine.
− Numărul deschiderilor 4
− Numărul batardourilor 2
− Deschiderea în lumină 6950 mm
− Înălţimea în lumină 7600 mm
− Sarcina de calcul la prag 19,5 mca
− Tipul batardoului plan, alunecător cu 5 elemente (4
elemente inferioare plus un element superior)
− Echilibrarea presiunilor cu by-pass înglobat în elementul
superior
− Manevrarea cu macara portal 10 tf prin
intermediul grinzii de manevră 6,952/5
− Depozitarea cu nişe, câte 3 elemente de batardou
suprapuse.
Pentru punerea la uscat a aspiratorului, în vederea reparaţiei la turbină, s-au prevăzut două
nişe de batardou; în fiecare culisează două batardouri aval de tip A5-6, 95x7, 6/19,5.
Batardoul este format din 4 elemente inferioare şi un element inferior care are by-pass
pentru echilibrarea presiunilor.
Manevrarea elementelor de batardou se face cu macaraua portal de 10 t.f. prin intermediul
unei grinzi de manevră. Elementele de batardou se pot folosi şi pentru obturarea
deschiderilor din amonte de turbină.
30
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
2.2.10. Centrala
Centrala este obiectivul principal al amenajării în care sunt amplasate principalele instalaţii
şi agregate pentru producerea energiei electrice, instalaţiile de comandă şi control, instalaţiile
serviciilor interne (proprii şi generale). Echipată cu două hidroagregate de tip KVB 22,45-12,5
fiecare, având P i =20 MW şi Q i =190 m 3 /s prevăzută cu toate instalaţiile de bază şi auxiliare
specifice unui astfel de tip de turbină.
Debitul maxim prin turbine este de 205 , diametrul rotorului, D , turaţia
nominală , sensul de rotaţie este spre dreapta, căderea netă maximă,
căderea netă de calcul,
sm /3
,5, m
mmi 5800
min/33,83 rotn
,m13maxH 12H c căderea netă minimă, puterea
maximă la cupla turbinei corespunzătoare căderii nete
,5,11min mH
,13max mH , puterea
maximă la cupla turbinei corespunzătoare căderii nete
kW22450Pmax
,5,12 mHc , puterea
maximă la cupla turbinei corespunzătoare căderii nete
kW22450Pmax
,5,11min mH , debitul
maxim absorbit de turbină la căderea netă
kW19400Pmax
,13mmaxH s/m7,Q 194max 3 , debitul maxim
absorbit de turbină la căderea netă ,5m,12H c sm /205 3Qmax
sm /190 3
, debitul maxim absorbit de
turbină la căderea netă . ,5,11 mminH Qmax
Randamente garantate
− Sarcina maximă admisibilă de aspiraţie la căderea netă mH 13max în condiţiile realizării
mkWP 22450max H s 4,1max ,
− Sarcina maximă admisibilă de aspiraţie la căderea netă mH c 5,12 în condiţiile realizării
mkWP 19400max H s 9,1max ,
− Sarcina maximă admisibilă de aspiraţie la căderea netă mH 5,11min în condiţiile realizării
mkWP 22450max H s 6,0max .
Turaţia maximă de ambalare la funcţionarea turbinei cu păstrarea legăturii combinatorice,
,iar în cazul ruperii legăturii combinatorice, min/135rotna min/160rotna .
Partea de curgere cuprinde camera spirală, care are unghiul maxim desfăşurare de 180°,
secţiune radială este trapezoidală cu plafon plat, dimensiunile secţiunilor de intrare
6885 , viteza medie de curgere a apei în secţiunea de intrare, statorul
turbinei cu diametrul de intrare
mm9850 ,/0,3 smVm
,91801 mmD diametrul de ieşire înălţimea
numărul coloanei inclusive pintenului spiralei,
,7800mme D
,,2330mm0H 12sZ coloanele sunt profilate
hidrodinamic, aparatul director este caracterizat de diametrul de aşezare al palelor,
31
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
,6700mmDa înălţimea numărul palelor directoare Z=24, profilul paletelor este
simetric, deschiderea maximă posibilă a paletelor este de 60mm, rotorul turbinei are diametrul
periferiei paletelor diametrul butucului
,23200 mmH
,5800mmDi ,2090mmd numărul paletelor
Z=4,unghiul maxim posibil de închidere al palelor este de -10°, iar unghiul maxim posibil de
deschidere al palelor este de 20°, tubul de aspiraţie cu diametrul secţiunii de intrare
înălţimea totală a tubului de aspiraţie h=15660mm, lungimea tubului de aspiraţie
din axul turbinei L=26100mm, dimensiunile secţiunii de ieşire: arborele
turbinei cu diametrl ciupercii din zona lagarului D=1000mm, diametrul exterior al arborelui
d=750mm, diametrul interior al arborelui d=400 mm, lungimea arborelui L=7685 mm, ventil de
rupere la vacuumul DN 200 cu diametrul de 200mm, înălţimea totală a ventilului H=510mm,
coloana de distribuţie cu o lungime totală L=11045mm, gura de vizitare a camerei spirală are
dimensiunile lungimea gurii de vizitare L=1000mm, servomotor AD ø
370 cu diametrul pistonului cursa teoretică a servomotorului cursa
minimă majorată
,7841mmD
a
,7600mm
615maxS
Pa 24200
Pn 21780
n 10500
I n
cos
16900
,850mm
370mmDsm
.735mm
1600
maj
b
maxS
, ,mm
Admisia apei la turbină se realizează prin două deschideri şi camera spirală din beton.
Evacuarea debitului turbinate se face printr-un aspirator din beton în bazinul de liniştire şi
regularizarea aval până la confluenţa cu albia râului Siret.
Generatorul
Generatorul este de tip hidrogenerator vertical sincron (HVS) 794/100-72 cu următoarele
caracteristici:
− Putere nominală KVA
− Putere nominală activă kW
− Tensiunea nominală VU
− Curentul nominal statoric A6,1330
− Factorul de putere nominal 9,0
− Frecvenţa nominală Hz f 50
3,83 rotn
200na
6200
− Turaţia nominală min/
− Turaţia de ambalare min/ rot
− Moment volant tmpGD
32
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
− Randament sarcina nominală 97,2%
− Curent de excitaţie la sarina nominală A IeN 790
− Tensiunea de excitatie VU e 300
− Numărul fazelor 3
− Conexiunea fazelor în stea
− Reactanţa sinusoidală longitudinală ..95657,0 ruxd
− Reactanţă tranzitorie longitudinală ..65054,0 ruxd
− Reactanţă supratranzitorie longitudinală 29591 ,0'' dx
− Reactanţa înfăşurării de excitaţie ..08145,1 ruxe
− Rezistanţa ohmică a înfăşurării statorului la 75° 033,0)75(1R
− Rezistanţa ohmică a înfăşurării de excitaţie la 75° 268,0)75(2R
− Diametrul interior al statorului mm Di 7500
− Lungimea pachetului de tole mm L 1000
− Greutatea totală tG 44,345
− Numărul de bucăţi pe centrală 2
Partile principale ale generatorului sunt urmatoarele :
Statorul hidrogeneratorului – care formează partea de indus a hidrogeneratorului,
se compune din:
- carcasa de formă circulară nedivizată, de construcţie sudată, executată din tablă de oţel
laminat;
- pachetul de tole statorice – format din tole stanţate din tablă silicioasa. Pachetul de tole
statorice formează circuitul magnetic al indusului. Este realizat din 13 pachete elementare, între
care sunt dispuse circular cu direcţia radială, piese distantoare cu profil special cu ajutorul cărora
se realizează canalele radiale de ventilaţie. Pachetul de tole este fixat de carcasă prin intermediul
unor pene bulon cu profil în forma de coada de rândunică.
- înfăşurarea statorică, care formează circuitul electric, la bornele cărora se obţine sistemul de
tensiuni trifazate. Bobinajul statoric este executat din conductori de cupru electrolitic în două
straturi de tip buclat, cu pas scurtat cu număr fracionar de crestături pe pol şi fază.
33
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Rotorul hidrogeneratorului
Are în componenţă urmatoarele părti principale:
- arborele – prin care se face transmiterea cuplului motor-turbină – generator. Este executat
prin forjare şi tratare termică. El se cuplează în partea inferioară cu arborele turbinei prin
intermediul unei flanşe (cuplă). În arbore este executată o gaură centrală ce are ca scop realizarea
spaţiului necesar pentru coloana de distribuţie a sistemului de reglaj.
- polii rotorului – se compun din tole stantate din tabla de OL37 de 2mm. Pachetareaşi
strângerea se face cu ajutorul plăcilor de strângere şi a buloanelor. În talpa polului este amplasată
înfăsurarea de amortizare formată din şase bare din Cu cu secţiune circulară. Înfăşurarea de
amortizare este scurtcircuitată cu ajutorul inelelor de scurtcircuitare legate între ele prin legături
elastice;
- înfasurarea de excitaţie se compune din bobine individuale legate în serie, executate din Cu
electrolitic de secţiune specială. Legatura dintre sursa de alimentare şi înfăşurarea de excitaţie se
face prin legaături rotot, care sunt îngropate în două canale executate în arbore şi închise cu pene.
Steaua superioară – este o construcţie sudată din tablă groasă şi se compune din:
- corpul stelei care formează baia de ulei în care se montează lagarul axial şi lagărul radial. Pe
suprafaţa exterioară a corpului, în decupări special executate se montează răcitoarele de ulei ale
lagarului;
- patru braţe prin care steaua se sprijină pe carcasă. Steaua superioară preia întreaga sarcină
axiala a hidrogeneratorului.
Steaua inferioara – este o construcţie metalică sudată din tablă groasă şi se
compune dintr-o parte centrală şi patru braţe demontabile, care prin intermediul a patru plăci se
sprijină pe beton. În corpul stelei se montează lagarul radial inferior, capacul având şi rol de vane
de ulei. În capacul inferior al vanei, sunt montate răcitoarele de ulei ale lagarului. Steaua este
demontabilă, asigurând în acest fel scoaterea capacului turbinei. Pe braţele stelei în partea
superioară este montat scutul inferior, iar în partea inferioară diafragma care separa puţul
generatorului de puţul turbinei.
Lagarul axial –radial superior – serveste pentru preluarea sarcinii axiale
compuse din greutatea tuturor părţilor rotitoare şi împingerea axială a apei. Este de tipul pe
suporţi elastici şi se compune din:
- partea mobilă – patina lagarului care se montează pe butucul lagărului prin intermediul
buloanelor.
- partea fixă – formată din 10 segmenti dispuşi circular şi sprijiniţi pe arcuri montate în placa
de baza a lagarului. Dispunerea arcurilor creează o excentricitate a suprafeţei de sprijin care
favorizează formarea peliculei de ulei. Deasupra lagarului axial în aceeasi vană de ulei este
34
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
montat şi lagărul radial superior care este format din şase segmenti oscilanţi cu posibilitatea de
reglare radială pentru centrare faţă de arborele hidrogeneratorului. Răcirea se realizează cu
ajutorul celor patru răcitori de ulei dispuşi circular. Agentul de răcire este apa. Răcitoarele sunt
legate în serie.
Lagărul radial inferior – este prevăzut cu şase segmenţi sprijiniţi pe buloane
reglabile, având aceeaşi construcţie ca şi lagărul superior. Răcirea se face cu ajutorul răcitoarelor
de ulei, agentul de răcire fiind apa.
Sistemul de frânare şi ridicare – Generatorul este dotat cu patru dispozitive de
frânare-ridicare cu ajutorul cărora se realizează frânarea rotorului agregatului în timpul opririi şi
ridicarea rotorului după o perioadă de 24h de staţionare sau în timpul reparaţiilor. Acţionarea
dispozitivelor de frânare se face cu aer comprimat de 7atm., iar pentru ridicare dispozitivele sunt
acţionate cu ulei sub presiune de 40 atm.
Instalatia de racire si ungere – Răcirea uleiului din vanele lagărelor se
realizează cu ajutorul răcitoarelor de ulei al căror agent de răcire este apa. Răcirea aerului de
ventilaţie se realizează cu ajutorul a patru răcitoare de aer aşezate simetric pe periferia carcasei.
Sistemul de ventilatie – Generatorul este prevăzut cu ventilaţie cu aer în circuit
închis, răcirea efectuându-se cu răcitoare cu apă. Circulaţia aerului este asigurată de către
ventilatoarele axiale montate pe rotor. Construcţia generatorului asigură şi posibilitatea trimiterii
aerului cald spre exterior, în scopul încălzirii sălii maşinilor.
Sistemul de control termic – Controlul termic al generatorului se efectuează cu
ajutorul termorezistenţelor plate pentru fier şi bobinaj stator şi cu ajutorul termorezistenţelor
cilindrice pentru segmenţii lagărului, uleiului din vane şi aer de ventilaţie. În caz de depăşire a
temperaturilor în punctele indicate se prevede deconectarea hidroagregatului de la reţea.
Instalaţia de stins incendiu – Pentru eliminarea unui eventual incendiu în
interiorul maşinii, generatorul este prevăzut cu instalaţia de stins incendiu cu apă. Sistemul de
stins incendiu se compune din două conducte circulare perforate şi prevăzute cu diuze, pentru
injectarea apei la capetele înfăşurării statorului. Alimentarea conductelor circulare se face din
două racorduri dispuse diametral, de la conducta magistrală de apă de răcire. Acţionarea
instalaţiei poate fi făcută manual sau automat prin ventilul electromagnet prevăzut în schemă.
Excitatoarea este de tip EVSDR 190/35-20 şi area caracteristicile :
− Puterea nominală kW Pn 280
− Tensiunea nominală kVU n 300
− Curentul nominal de excitaţie A I en 28
35
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
− Turaţie nominală min/ 3.83 rotn
− Tensiunea maximă VU 530 max
− Rezistenţa ohmică la temperatra de 75° a înfaşurării poliexcitaţie 5,4) 75(R
− Greutatea excitatoarei G=13,73t.
Reostatul de excitaţie este de tip RE 58/35 având :
− Tensiunea nominală VU n 220
− Curentul nominal A I n 30
− Rezistenţa totală 58R
− Greutatea reostatului de excitaţie kgG 115
Rezistenţa de ezexcitare rapidă a excitatoarei
− Tip RD 29/35
− Tensiunea nominală VU n 230
− Curentul nominal A I n 28
− Rezistenţa ohmică la temperatura de 75° 29) 75(R
− Durata de funcţionare undesec7
− Greutatea rezistenţei G=25kg
Generatorul sincron de reglaj
− Tip AVM 140/10 -72
− Putere nominală VA Pn 400
− Tensiunea nominală V VU n 30/17;220/127
− Curentul nominal A I n 93,1/79,0
− Frecvenţa f=50 Hz
− Turaţia nominală min/ 3,83 rotn
− Greutatea 673 kg.
36
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3. FUNCŢIONAREA TURBINELOR DE LA C.H.E. CĂLIMĂNEŞTI CU
UN NIVEL SCĂZUT ÎN AVAL
Turbinele de la CHE Călimăneşti funcţionează fară ca treapta din aval, CHE Cosmeşti, să
fie amenajată şi evacuarea apei din turbine este facută cu cote scăzute în bazinul de liniştire, aşa
cum rezultă din cheia limnimetrică din bieful aval, în regim nepermanent.
În condiţiile debitelor normale pe Siret , cand se funcţionează numai cu grupurile din
centrală şi nu se deversează, nivelul din aval este mai coborât cu 4…5 m decât cota impusă prin
proiect de 62,50 mdMB, care asigură contrapresiunea necesară turbinelor (între mH s 2
pentru P=22,5 MW la H=12,5 m şi mH s 6,0 pentru P=19,4 MW la H=11,5 m). În consecinţă
se funcţionează cu înălţimi de aspiraţie pozitive , mH s 2...1 .
În continuare se va proiecta turbina Kaplan în condiţiile în care puerea instalată este de 15
MW şi căderea H=15 m.
Fig. 3.1. Bieful aval al CHE Călimăneşti
37
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.1 Determinarea parametrilor de calcul ai turbinei Kaplan
Turbinele hidraulice fac parte din maşinile hidraulice, deci din cele în care are loc o
transformare a energiei din hidraulică, ori invers, prin intermediul unui fluid care de regulă este
apă sau ulei.
Maşinile care transformă energia hidraulică în energie mecanică se numesc “motoare
hidraulice” sau turbine hidraulice. Cele care transformă energia mecanică în energie hidraulică se
numesc “generatoare hidraulice” sau pompe.
Maşinile în care energia mecanică primită la arbore se transformă în energie hidraulică şi
din nou în energie mecanică se numesc transformatoare hidraulice; cele realizate pentru a
funcţiona în condiţii optime atât ca turbine, precum şi ca pompe, se numesc maşini hidraulice
reversibile.
Parametrii fundamentali ai turbinelor
O turbină se caracterizează din punct de vedere funcţional prin următorii parametrii:
Debitul smQ
3
Căderea mH
Puterea kWP
Rotaţia minrotn
Randamentul %
Turbina Kaplan
Tubinele Kaplan şi cele elicoidale sunt utilizate cu eficienţă maximă în zona căderilor
mici, H= 10…75 m şi debitelor foarte mari ajungând până la debite de Q= 700…800 m /s.
Puterile pe unitate au crescut în ultima vreme din ce în ce mai mult şi cu acestea au crescut
dimensiunile.
3
38
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Debitul turbinei
Este definit prin cantitatea de apă ce intră în maşină în unitatea de timp. Debitul se exprimă
în unităţi de volum, de greutate sau de masă, raportate la unitatea de timp.
Căderea turbinei
Se defineşte plecând de la noţiunea de energie specifică a lichidului, care se poate exprima
ca energie totală E raportată la greutatea fluidului G sau la masa M. Astfel:
kg
mNvgz
p
M
EY
fluidcoloanămg
vz
p
G
Ee
,2
.,2
2
2
Fiecare din termenii de mai sus exprimă una din formele cunoscute ale energiei specifice a
lichidului p sau
p - energia de presiune a lichidului; gz sau z – energia specifică de poziţie;
gv
22
sau 22v - energia specifică cinetică a lichidului.
Căderea brută Hb a amenajării
Căderea brută Hb se defineşte ca fiind diferenţa dintre energia specifică a curentului din
amonte şi din avalul centralei:
g
vvzz
ppeeH avam
avamavam
avamb 2)(
22
,
dar cum şi atavam ppp 0 avam vv ,
avamb zzH
Rezultă deci că diferenţa pe verticală dintre cotele nivelurilor apei din amonte şi din aval
reprezintă căderea brută Hb.
39
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Căderea turbinei H
Considerând secţiunea de la intrarea în turbină cea notată cu i şi ieşirea cu e, căderea
turbinei se exprimă sub forma ei eeH , deci:
g
vvzz
ppH ei
eiei
2)(
22
Deoarece la trecerea curentului prin sistemul de aducţiune de la baraj la turbină apar
pierderi hidraulice ( ), iar la ieşirea din turbină curentul are încă energie ( ),
căderea turbinei H este mai mică decât căderea brută H
padh ieşeşipe he
b. Astfel:
iesirepadpb hhHH
În cazul nostru caderea turbinei H= 15 m.
Puterea turbinei
Într-o conductă sau canal, de secţiuni şi pante constante, ce constituie aducşiunea unei
centrale hidroelectrice, dacă un volum de apă V, de greutate VG se deplasează dintr-o
poziţie 1 într-o poziţie 2, în aşa fel încât distanţa dintre centrele de greutate este ei zzH , se
obţine lucrul mecanic:
VHL
şi puterea
QHP .
După cum ne referim la căderea brută Hb, la căderea turbinei H sau la căderea utilă
, se obţine: efu HH
bam QHP puterea amenajării;
QHPP ha puterea hidraulică sau puterea absorbită de turbină.
P= 15 MW
40
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Randamentul turbinei
Prin randament sau eficienţă se înţelege, în general, raportul dintre energia furnizată Ef de
un sistem si energia absorbită Ea:
rare
ieşeşi
a
f
E
E
E
E
int
.
Ca în orice sistem energetic, şi în turbina hidraulică transmiterea de energie de la curentul
de apă la rotorul acesteia se efectuează cu o anumită pierdere. Această pierdere este definită şi
măsurată prin randamentul turbinei:
QH
P
P
P
a
Se estimează randamentul:
η= 0,89÷0,92
η = 0,975 mvm
h
η =0,98 v
Aleg η=0,9 94,098,0975,0
9,0
h
Calcularea debitului turbinei:
smQsmQ
kWHQgP
/26,11394,01581,910
1015/
Hg
P 33
63
Înălţimea barometrică:
mg
pAH v
b 900
33,10 , unde p reprezintă presiunea de vaporizare a apeila 20°C,
iar A reprezintă altitudinea amplasamentului.
v
A=75 mdM
mH b 00667,1024,0900
7533,10 .
41
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Înălţimea de aspiraţie:
Hs - înălţimea de aspiraţie reprezintă diferenţa de nivel dintre axul turbinei şi cota din aval.
HkHH bs
unde:
k = coeficient de siguranţă: se allege k=1 )2.10.1(k
σ = coeficient de cavitaţie: σ =1
mH
mH
mH
20,835,0
2015,91,0
15,1
m-4,99331500667,10 sH
Pentru determinarea dimensiunilor propuse vom calcula numai coeficienţii care ne
interesează.
După cum se observă in calculul coeficienţilor intervine mărimea ns care reprezintă
rapiditatea turbinei. Calculul rapidităţii presupune parcugerea următoarelor etape:
Calculul rapidităţii critice:
La o turbină Kaplan, pentru o anumită cădere netă H, înălţime de aspiraţie H şi
înălţimea barometrică H b date din condiţia evitării apariţiei cavitaţiei rezultă următoarea
expresie a rapidităţii maxime, denumită şi rapiditate critică:
s
1005.1
24
30000
sb
bs
HH
HH
ncr
min/91,744100
9933,400667,10
5,100667,101524
30000rotn crs
n
42
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Calculul rapidităţii ns:
Rapiditatea reală n se alege cu cateva procente mai mică decât cea critică n . Anume , se
alege prima turaţie sincronă
s crs
pn
3000 , unde p reprezintă numărul de perechi de poli ai
alternatorului, mai mică decât turaţia n care corespunde rapidităţii n . c crs
Rapiditatea ns trebuie să îndeplinească următoarea condiţie:
crcr sss nnn 95,092,0 . Alegem: min/217,70094,0 rotnncrs .
Calculul turaţiei de sincronism:
min/721,14415/101536,1
15217,700
/'
3rot
HP
Hnn
cp
s
,
unde P cpcp 20400101536,1 3
în funcţie de n’ stabilim numărul de perechi de poli:
729,20721,144
3000
'
3000
np si alegem p=21 perechi de poli.
rot/min.8541,14221
30003000
pn
Recalculăm ns :
min/1988,691/ rotHPH
nn cps .
43
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.2 Dimensionarea turbinei
Turbinele Kaplan s-au impus în tehnica modernă prin calităţile superioare ca: randamente
ridicate, dimensiuni şi greutăţi specifice reduse, puteri mari pe unitate, în domeniul caderilor
joase H= (70=÷50÷12 m şi a debitelor foarte mari Q= 500÷800m . s/3
Reglarea simultană a paletelor aparatului director şi a rotorului permite funcţionarea în
regimuri optimizate cu randamente ridicate în domeniu larg de debite şi puteri.
Randamentul turbinei se alege în funcţie de performanţele obţinute pe plan mondial.
Dimensiunile principale ale turbinei pot fi determinate prin mai multe metode, cum ar fi:
dimensionarea după metoda similitudinii, metoda statistică aplicată la turbine Kaplan, metoda
coeficienţilor de viteze ( Thomann), metoda mărimilor unitare pentru turbine Kaplan
nestandardizată, metoda profesorului Vadot, metoda topogramelor turbinelor Kaplan
standardizate, metoda profesorului Nechleba, metoda diametrului economic ş.a.
Dimensionarea turbinei constă în determinarea dimensiunilor principale ale rotorului
turbinei. Gabaritele principale ale turbinei se determină cunoscând parametrii de calcul:
Căderea netă de calcul H [m];
Puterea turbinei P [m3/s];
Pentru determinarea dimensiunilor principale ale rotorului turbinei vom folosi două
metode:
Metoda Dorin Pavel
Metoda Thomann – a coeficienţilor de viteză
Se folosesc următoarele notaţii:
Z numărul de pale rotorice;
D1 diametrul exterior al turbinei;
Db=DF diametrul butucului.
44
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.3 Calculul rotorului
Fig. 3.2. Rotor HA1 CHE Călimăneşti
3.3.1 Alegerea sectiunilor de calcul şi calculul triunghiurilor de viteze
3.3.1.1. Metoda Dorin Pavel
Aceasta metoda este una dintre numeroasele metode statistice cunoscute în literatura .
Orice diametru „Di” din masină poate fi scris sub forma:
H
QnaD sii )(
Coeficienţii au următoarele relaţii de calcul: )( si na
ss
nn
a 410390
385.0'
45
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
sna
27037.01
ssn2 na 00002,0
25236.0
intă diametrul centrelor de basculare ale palelor de aparat director.
arat director în poziţia de calcul
t tor.
D , diametrul imediat aval de ieşirea din rotor este cu câteva procente mai mic decât D .
Diametrul butucului în dreptul diametrului D este:
unde
D’ reprez
D 0 reprezintă dimetrul bordurilor de fugă al palelor de ap
maxim deschis.
D1 este diametrul de intrare, imediat în amon e de ro
2 1
1
1Ddbb D
5,1
160034,0
sn [m]
Butucul rotorului are
bd
în dreptul mujlocului palei un diametru D ’ sporit faţă de D
datorită fusul palei. Construcţiile moderne conduc la expresia
diamet
D ’=
D reprezintă dimetrul de intrare în aspirator.
legerea numărului de pale rotorice:
Cunoscând valoarea rapidităţ ns se pot calcula coeficienţii ce intervin în calculul
dimensiunilor de gabarit pe care ni le-am propus.
b b ,
discului buton, care poartă
rului bosajului sferic:
b bs Dn )0001,018,1( .
3
0B , înălţimea palelor de aparat directorb’= 5,001,013,0 sn .
A
Pentru căderi aflate în intervalul 10÷24 de metri numărul palelor rotorice se recomandă a
fi: 4z .
ii
0.88010390
385 n
.0' 40
ss
na ,
rezultă: m 4,55915
113,2560.880'' 00
H
QaD
76.0270
37.01 sn
a ,
rezultă: mH
QaD 114.4
15
113,2560.8211
46
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
mD
D
nd b 422.0
sb 5
150034.0
15.1 ,
rezultă: mDdD bb 738,1114.40.42251
mDnD bsb 93,1)0001.018.1('
7384,0252
36,02 sn
a
Atunci D =3,993m, 2
mD
Dd b
b 4225,019,691
150034,0
5,11
mDb 738,1114,44225,0 Rezultă ,
392,001,013,0' 5,0 s
nb 87,1' 00 DbB m.
nn, în anul 1930, deci în prima fază a
const
comparaţia cu alte metode mai noi.
Metoda coeficienţilor de viteză este o metodă statistică, în care fiecare diametru poate fi
scris sub forma:
3.3.1.2. Metoda coeficienţilor de viteză (Thomann)
Metoda a fost dezvoltată de profesorul Thoma
rucţiei de turbine Kaplan. În principal, metoda se aplică la turbine cu căderi sub 30m şi
poate servi pentru
n
HnkD sui )(6.84
Pen di e care ni le-am propus să le determinăm vom calcula următorii
coeficienţi:
şi
tru mensiunile p
ubui kk , Q
Qc , functie de
Pentru avem următorii coeficienţi:
.sn
600sn
.950,0Q
Qc 6,11 uk , ,63,12 uk ,66.13 uk ,73,0ub 0k 322,0k , ,382,000
iD
Bb
Pentru s avem urmă 700n torii coeficienţi:
, ,410,000
iD
Bb 970,0
Q
Qc , k , ,80,12 uk ,82.13 uk ,75,0ubk 334,00 k77,11 u
Qc reprezentând debitul de calcul.
47
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Folosind interpolarea liniara au rezultat urmatorii coeficienti si respectiv diametre:
755.160.177.1
60.1
600700
60016,69111
uu kx
k
785.163.180.1
63.1
600700
60016,69122
uu kx
k
805.166.182.1
66.1
600700
60016,69133
uu kx
k
749.073.075.0
73.0
600700
60016,691
ubub kx
k
333.0322.0334.0
322.0
600700
60016,69100
kx
k
969.095.097.0
322.0
600700
60016,691
Q
Qx
Q
Q cc
4078.0382.0410.06007000
382.060016.691
b bx
Conform formulei diametrului de mai sus, rezulta:
Diametrul periferic al rotorului: 025.46.84 111 Dn
HkD u m
Diametrul la iesirea din rotor: 096.46.84 222 Dn
HkD u m
Diametrul la intrarea in aspirator: 1432.46.84 333 Dn
HkD u m
Diametrul butucului rotorului: 718.16.84 bbub Dn
HkD m
Inaltimea palelor directoare: 642.101D
Cu ajutorul lui 0b ,se deduce
0 BB
b m.
si diametrul corespunzator bordului de fuga al aparatului
im deschis: D0
director in pozitia max
041,40756.0
0
10
0
DHDkb
QD m.
48
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
entralizarea rezultatelor:
Tab 3.1. Tabel centralizator secţiuni de calcul
e D
C
Metoda/marim a m Do' o D1 D2 Db Db' D3 Bo Dorin Pavel 4. 1.9 0 759 4.113 4.113 1.738 3 − 1.870 Thomann − 4. 4. 4. 5 4. 040 025 02 1.718 142 1.641 Marimi alese 4.6 4 4 4 1.650 1.85 1.750 4 Marimi corectate 5.29 − 5.090 5.090 2.100 − − −
Rezultă un raport: 413.01
D
Db .
Zona de curgere prin rotor, între diametrul periferic D1 AD si diam
, se imparte in 3 tuburi de curent, care du ebit: Q/3. Diametrele care
iteaza tubul de curent din mijloc sunt notate D si D . Ariile secţiunilor
inarea diametrului axei fiecarui tub de curent, axe pozitionate la
diametrele DB, DC si DE.
etrul butucului, notat
bF
transversale ale acestor tuburi sunt egale si se determină din egalitaţile de mai jos. Diametrele D
DD
delim
c acelasi d
, unde DD
si D permit apoi determ
2
2
21
bF
C
B
DDD
DDD
DDD
Pentru fiecare tub de curent, se consideră ca parametrii mişcării sunt cei corespunzători
axei tubului. Rezultă astfel 5 secţiuni de calcul : cea de la periferie, numerotată cu 1, cele trei axe
ale tuburilor de curent, numerotate de la 2 la 4, respectiv sectiunea de la butuc, numerotata cu 5.
S-au obtinut urmatoarele valori :
433.3718.13
1025.4
3
2
3
2
3
1 22221 bDDD m,
715.2718.13
2025.4
3
1
3
2
3
1 22221 bDDD m,
49
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
din care au rezultat urmatoarele diametre ale celor 5 sectiuni de calcul:
m (ales anterior) 41 D
717.32
433.3025.4
21
DD
DB m
074.32
433.3715.2
2
DD
DC m
182.22
ED718.1433.3
2
bDD m,
Fig. 3.3. Principalele dimensiuni ale rotorului
3.3.2. Calculul triunghiurilor de viteze pentru fiecare secţiune de calcul
nfluenţă. Proiectarea rotorului presupune cunoaşterea vitezelor de la
intrar
uchia
arametrii mişcării pentru fiecare tub de curent sunt constanţi şi egali cu cei
ine ortogonală, cu unghi
unde 65.15 bDD m (ales anterior).
Prin secţionarea rotorului turbinei Kaplan cu un cilindru de rază r şi aplatizare se obţine o
reţea dreaptă definită prin geometria profilului, prin t/l şi β s . Curentul la trecerea prin reţea este
definit prin vitezele şi unghiurile respective, în afara zonei de influenţă şi în imediata vecinătate a
bordului de atac şi de fugă. De regulă ne referim la elementele cinematice şi unghiulare specifice
intrării şi ieşirii din zona de i
e şi ieşire de pe profil.
Pentru fiecare din cele 5 secţiuni de calcul se determină triunghiul vitezelor de pe m
de intrare (cu indicele 1) si de pe muchia de iesire (cu indicele 2), in urmatoarele ipoteze:
- se considera ca p
din axa tubului;
- se admite ieşirea din turb 902 si componenta tangeţială a vitezei
absolute nulă: 02 c .
Triunghiurile de viteze necesită calculul urmatoarelor mărimi: viteza de transport u (egaă
la intrare şi ieşire într-o secţiune de calcul), componenta meridiană sau axială a vitezei absolute
cm (egală la intrare si ieşire într-o secţiune de calcul, conform ipotezei vârtejului potenţial),
componenta tangenţiala a vitezei absolute la intrare c1φ , componenta tangenţială a vitezei
absolute c∞φ aferentă triunghiului de referinţă notat cu indicele , viteza absolută la intrare c1, la
infinit c∞ si la ieşire c2, viteza relativă la intrare w1, la infinit w∞, respectiv la ieşire w2, precum
si ungh β∞ 2, α1, α∞. iurile specifice triunghiurilor de viteze la intrare, la infinit si la ieşire : β1, , β
50
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Calculele se efectueaza cu urmatoarele relatii pentru fiecare secţiune i=1 .
Viteza de transport este definita prin relatia :
5
60
2 nRu
,
rezultand valorile:
m/s 919.2960
857.142221
u
m/s 799.2760
857.14285.122
u
m/s 992.2260
857.142536.123
u
m/s 323.1660
857.142091.124
u
341.12605
857.142825.02
u m/s.
Componenta meridiană a vitezei absolute cm este egală la şire într-o secţiune
de calcul, însa va
intrare si ie
riază pe direcţie radială, între butuc şi periferie )(Rcc mm .Formula de calcul
este urmatoarea:
221 bRR
Qmc
,
816.10825.02
26.11322
mc .
uc si perife
ntrare
la infinit
Şi sarcina turbinei variază pe direcţie radială, H=H(R), între but rie, ceea ce
conduce la variaţia componentei tangenţiale a vitezei absolute la i R , şi implicit
la variaţa componentei tangenţiale a vitezei absolute
cc 11
Rc c . Pentru intrare,
formula de calcul a vitezei tangenţiale este urmatoarea:
ii u
hHgc
,
cu unitatea doar in secţiunea 3 si are valoarea cea mai mica
la butuc. Rezulta urmatoarele valori:
1
Coeficientul sarcinii este egal
m/s 632.4919.29
94.01581.911
c
51
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
m/s985.4799.27
94.01581.921
c
m/s 028.6992.22
94.01581.931
c
m/s 490.8323.16
94.01581.941
c
m/s 230.11341.1251
94.01581.9
c .
Vitezele relative la intrare se calculeaza cu ajutorul relatiei:
21
2 1 )(
iiimi cucw ,
de unde rezulta valorile:
m/s 521.27)623.4919.29(816.10 2211 w
m/s 267.25)985.4799.27(816.10 221 w
m/s 143.20)028.6992.22(816.10 2231 w
m/s 391.13)490.8323.16(816.10 2241 w
m/s918.10230.11341.12(816.1051 w 22
Unghiul dintre viteza de transport u si cea relativa w1 la intrare se calculeaza cu :
ii
imi cu
c
1
1 arctg
,
si are urmatoarele valori:
011 244.23
632.4919.29
861.10arctg
021 458.25
985.4799.27
861.10arctg
031 629.32
028.6992.22
861.10arctg
041 202.54
490.8323.16
861.10arctg
051 155.84
230.11341.12
861.10arctg
.
52
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Unghiul dintre u si w2 la iesire se calculeaza cu relatia:
i
mii u
carctg2 ,
de unde rezultă urmatoarele valori:
012 951.19
919.29
861.10arctg ;
022 341.21
799.27
861.10arctg ;
032 285.25
992.22
861.10arctg ;
042 638.33
323.16
861.10arctg ;
052 348.41
341.12
861.10arctg .
Unghiul dintre u si c1 la intrare se calculează cu rela
ţia:
i
mii c
c
11 arctg ,
de unde rezultă urmatoarele valori:
011 901.66
632.4
861.10arctg ;
021 343.65
985.4
861.10arctg ;
031 969.60
028.6
861.10arctg ;
041 983.51
490.8
861.10arctg ;
051 043.44
230.11
861.10arctg .
Diferenţa dintre si i2 (care trebuie sa fie mai mica decât 23º) are valorile : i1
;292.3 01211
;117.4 02221
;343.7 03231
;560.20 04241
53
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
.806.42 05251
În cazul în care nu este îndeplinită condiţia ca diferenţa dintre i1 si i2 sa fie mai mică
Viteza relativă la infinit (viteza de referinţă a reţelei) se calculează cu relaţia :
de 23°, atunci se mareşte D1 şi D b astfel încât raportul D1 / D b să fie constant.
212
2
iimii
cucw
,
şi are u atoarele valori:
rm
;m/s 663.292
632.4919.29861.10
22
1
w
;m/s 539.272
985.4799.27861.10
22
2
w
m/s; 739.222
028.6992.22861.10
22
3
w
;m/s 243.162
490.8323.16861.10
22
4
w
.m/s 775.122
230.11341.12861.10
22
5
w
ii
mii cu
c
1
arctg
cu urmatoarele valori:
;478.21632.4919.29
861.10arctg 0
1
;228.23985.4799.27
861.10arctg 0
2
;530.28028.6992.22
861.10arctg 0
3
;963.41490.8323.16
861.10arctg 0
4
.228.58230.11341.12
861.10arctg 0
5
54
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Nefiind îndeplinită condiţia de mai sus de face o a doua iteraţie cu rezultatele centralizate
in tabelul 3.2.
Tabel 3.2. Calculul mărimilor de intrare, respectiv de ieşire
Marime/Sectiune A B C E F
R 2.545455 2.355208 1.933183 1.375703 1.05
u 38.07991 35.23383 28.92036 20.58046 15.70796
cm 6.705
c1 φ 3.639789 3.933799 4.79257 6.73468 8.82373
c2 φ 0.000
w1 35.08677 32.01018 25.04216 15.38393 9.610013
w2 38.66574 35.86618 29.68748 21.64521 17.07922
β 1 11.01718 12.09134 15.5308 25.83985 44.24519
β 2 9.986402 10.77487 13.05342 18.04582 23.116
α 1 61.50552 59.60074 54.44454 44.87431 37.23139
α 2 90.000
β 1 - β 2 1.030775 1.316471 2.477381 7.794033 21.1292
w ∞ 36.87477 33.93595 27.35847 18.47299 13.13627
β ∞ 10.47678 11.39571 14.18696 21.2829 30.69274
În acest caz este îndeplinită condiţia ca diferenţa dintre i1 si i2 sa fie mai mică de 23°
3.3.3. Alegerea profilelor rotorice şi stabilirea unghiurilor de aşezare
Pentru construirea palelor rotoarelor turbinelor axiale se utilizează profile hidrodinamice,
ale căror caracteristici geometrice sunt stabilite pe cale teoretică sau experimentală şi care apoi se
stusiază în laboratoare, unde li se determină şi caracteristicile hidrodinamice. Rezultatele
cercetărilor sunt concentrate într-o curbă pentru diferite unghiuri de incidenţă.
Profilele hidroaerodinamice sunt caracterizate prin următoaarele mărimi geometrice
Zvelteţea profilului care caracterizează dinpunct de vedere geometric şi hidrodinamic
forma palei.
55
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
La turbinele axiale – turbinele de joasă cădere – palele sunt în general lungi şi suple.Ele
sunt mai groase şi mai scurte la butuc unde solicitarea este maximă şi mai subţiri la periferia
rotorului, unde solicitarea este minimă.
În consecinţă cu aceste precizări vom alege zvelteţea profilelor palei după cum urmează:
- zvelteţea si se alege între 10÷20 la periferie şi între 30÷50 la butuc.
Pasul reţelei t rezultă din formula: z
Dt i
i
, unde z = 4 este numarul de pale rotorice.
Deoarece desimea reţelei este egală cu unitatea, rezultă că lungimea corzii geometrice a
profilului, l, este egala cu pasul retelei, adica tl . S-au obtinut urmatoarele valori în cadrul
primei iteraţii :
998.311
RN
Dt
m;
699.322
RN
Dt
m;
036.333
RN
Dt
m;
160.244
RN
Dt
m;
649.155
RN
Dt
m.
Desimea relativă tl este raportul dintre coarda geometrică a profilului (l) si pasul
retţelei (t). Acest raport reprezintă un parametru important în construcţia şi funcţionarea palelor
maşinilor axiale, deoarece influentează substantial caracteristicile energetice şi cavitaţionale ale
palei. Desimea reţelei are valori mai mici la periferie l/t = (0.6 0.9) si mai mari la butuc l/t =
(0.9 1.2). Se va alege o valoare pentru desimea relativă care va impune unghiul la centru.
bbbb
bb
bbb
RlradlradR
ll
tlt
l
/
701.1cos
979.12.12.1
Se obţine unghiul α la centru în radiani cu care se determină şi proiecţiile corzilor pe
direcţie tangenţială pentru restul secţinilor ( A, B, C, E).
xxx
ECBA tt
ll
x
cos),,,(
56
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
xx
x
x t
l
t
l
cos
radRl xx , 62.1rad
Produsul dintre coeficientul de portanţă c p şi desimea relativă t
l.
tg
tgwu
Hg
t
lc h
p
1
2
Portanţa cu valori reduse înseamnă incidenţe şi curburi mici ale profilului, respectiv
pierderi hidraulice minime.
Creşterea diametrului butucului duce la o reducere apreciabilă a coeficientului portanţei
pentru firul interior, în timp ce la periferie influenţa este neglijabilă.
Grosimea relativă l
d.
Din punct de vedere geometric, profilul dispus în reţea cu l
t şi s cunoscute, este
definit prin l
d ;
l
f
L
xd ; şi l
x f . Grosimea maximă relativă l
d se stabileşte în primul rând din
considerente de solicitări mecanice şi de vibraţii ale paletei.
Grosimea şi forma bordului de atac influenţează apreciabil coeficientul de cavitaţie.
Grosimea relativa (d/l) a profilelor este raportul dintre grosimea maxima a profilului d si
lungimea corzii l. In general, se adopta grosimi relative mici la periferie
d/l = (0.02 0.04) si mari la butuc d/l = (0.12 0.15). Grosimile mari ale profilelor din zona
butucului sunt impuse din considerente de rezistenta. Profilele de la butuc sunt mai puternic
incarcate hidrodinamic, deci comportarea cavitationala necesita grosimi mai mari.
Coeficientul de influenţă al reţelei de plăci plane s-a determinat cu ajutorul
diagramei Weining şi au rezultat urmatoarele valori, corespunzatoare celor 5 secţiuni de calcul:
95.21 k ; ; ; 75.22 k 3.23 k 42.14 k ; 03.15 k .
La profilele foarte zvelte l
d se alege între 0.02 si 0.04, iar pentru profile mai groase vom
avea l
d între 0.1 si 0.15, după cum este reprezentat in tabelul următor:
57
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
d/l 0.02 0.05 0.1 0.15
k 0.75 0.5 0.38 0.3
Pentru coeficientul de corecţie s-au obţinut prin interpolare valorile:
348.0 ;38.0 ;43.0 ;48.0 ;58.051 i .
Pentru desimea reţelei unitara, coeficientul K de influenta al retelei are valorile :
845.4952.058.0195.2 21 RK
200.4949.048.0175.2 22 RK
415.393943.013.2 23 RK
081.2902.038.0142.1 24 RK
546.1833.0348.0103.1 25 RK .
Fig. 3.4. Diagrama Weinig
Coeficientul de portanţă al profilului plasat in reţea
Coeficientul de portanţă cp ce trebuie realizat de profilul palei în condiţiile hidrodinamice
impuse şi a randamentelor maxime rezultă din raportul tl
tlcc
pp dintre incarcarea tlc p si
58
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
desimea retelei tl . In cadrul metodei fortei portante, încarcarea palei se defineşte în fiecare
secţiune i = (1 5) prin formula:
i
ii
i
ip
w
c
t
lc
tg
tg1
2 1.
Fig 3.5. Coeficientul de portanţă al profilului plasat in reţea
374.0
tg0.184
087.0tg1663.29
632.42
1
t
lc p
354.0
tg0.0.201
069.0tg1539.27
985.42
2
t
lc p
441.0
tg0.252
.0520tg1739.22
028.62
3
t
lc p
800.0
tg0.389
034.0tg1243.16
490.82
4
t
lc p
384.1.0
tg0.593
017.0tg1775.12
23.112
5
t
lc p .
59
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Alegerea profilului
Asupra unui corp care se deplasează într-un curent de fluid acţionează o forţă rezultantă.
Un interes deosebit îl reprezintă corpurile profilate, care au o mică rezistenţă la înaintare si o
forţă portantă mare, forţă perpendiculară pe direcţia mişcării.
Aceste corpuri sunt cunoscute sub denumirea de aripi portante.
Fig. 3.6. Aripă portantă
Secţiunea aripii portante este un profil aerodinamic sau hidrodinamic care are forma aripii
de pasăre.
În general profilele sunt cunoscute prin geometria lor, prin caracteristicile energetice si
cavitaţionale
În funcţie de coeficientul de portanţă al profilului izolat, determinat anterior pentru cele
cinci secţiuni de calcul, şi in funcţie de grosimea realtivă aleasă în fiecare secţiune, se aleg
profilele NACA corespunzătoare, din seria 4400. sunt notate cu patru sau cinci cifre, semnificaţia
celor patru cifre a seriei NACA 4400 este următoarea : prima cifră (4) are semnificaţia curburii
maxime în procente (4%) ; a doua cifră (4) semnifică poziţia curburii maxime în zeci de procente
(40%) din lungimea corzii, faţă de bordul de atac al profilului. Ultimele două cifre reprezintă
grosimea maximă relativă. De exemplu, un profil NACA 4412 corespunde unei valori d/l = 0.12.
Profilul ales astfel trebuie sa îndeplinească urmatoarele condiţii:
forma lui sa corespundă formelor profilelor vecine (conditie verificată întotdeauna de
profilele NACA);
grosimea profilului să corespundă poziţiei, astfel că la diametre mai mici, profilele să
fie mai groase.
60
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Datorită acestor considerente se poate întampla ca primul profil din diagramă sa nu fie
corespunzător, astfel încat se recurge la al doilea sau la al treilea. Utilizarea unor profile cu un
coeficient de portanţă mai mare nu este recomandată, în această situaţie fiind preferată
redimensionarea diametrelor maşinii. Dacă este necesar, profilele pot fi subţiate sau ingroşate,
astfel încât scheletul sa se păstreze.
Geometria profilelor
Coordonatele profilului se pot exprima astfel:
Fig 3.7. Geometria unui profil NACA
În raport cu x se obişnuieşte să se construiască o distribuţie a grosimii si alta
nesimetrică a curburii . Linia definită astfel este linia mijlocie a profilului sau scheletul
profilului, iar linia ce uneşte cele două extremităţi ale profilului situate pe axa x defineşte coarda
profilului.
xyt
xy
Ordonatele ale distribuţiei de grosime sunt perpendiculare pe tangentele la schelet
duse în punctele respective.
xyt
Această metodă se utilizează la definirea profilelor NACA (National Advisory Commitee
for Aeronautics, Washington).
Coordonatele x si y se raportează la lungimea l a corzii. Originea sistemului se confundă cu
bordul de atac al profilului.
Corespunzator grosimilor relative alese pentru fiecare din cele 5 secţiuni de calcul i, situate
la diametrul Di, rezultă urmatoarele profile NACA:
Tabel 3.3. Alegerea profilelor NACA
Di D1 D2 D3 D4 D5
NACA 404 4406 4408 4410 4412
61
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
62
Unghiul de aşezare a profilului în reţea 0 este unghiul dintre coarda
geometrică a profilului şi frontul reţelei şi se calculează cu relaţia :
iii 0 ,
unde este unghiul de incidenţa optimă, definit între coarda geometrică a profilului şi direcţia
vitezei de referinţa a reţelei w. Pentru profilele NACA din seria 4400, incidenta optimă se
determină dintr-o diagrama [Zidaru, 1981], în funcţie de valoarea desimii reţelei (l/t) , respectiv
de valoarea coeficientului de portanţă al profilului izolat cp0. Într-o primă aproximaţie, citirea
grafica se efectueaza pentru coeficientului de portanţă al profilului în reţea cp, iar după
determinarea valorii cp0 se iterează si se citeste iar din grafic valoarea incidenţei optime. În urma
citirilor iterative efectuate pe diagramă, au rezultat urmatoarele valori pentru unghiul de
incidenta optima:
;4Ai ;7.3Bi ; Ei3Ci ;8.2 4.3Fi
Pentru cele 5 secţiuni de calcul, s-au obţinut urmatoarele valori ale unghiului de aşezare
0 în funcţie de unghiul şi de incidenţa optimă:
477.140 A ; ; ; ; . 096.150 B 187.170 C 083.240 E 293.270 F
Coeficientul de rezistenţă la înaintare
Coeficientul de rezistenţă la înaintare în fiecare secţiune i se determină grafic astfel : din
diagrama )(0 tgfc p se citeşte pentru coeficientul de poranţă al profilului iyolat , raportul 0pc
0p
r
ciipi c tg0
c
c
ctg de pe curba corespunzătoare profilului NACA.
rc
de unde rezultă valorile:
0051.0tg0.07073.0tg 10 ApAr cc ;
0052.0065.1tg080.0tg 20 BpBr cc
00608.0.050tg121.0tg 30 CpCr cc
0076.0tg0.022347.0tg 40 EpEr cc
0105.0tg0.014747.0tg 50 FpFr cc .
Etapele de calcul prezentate până la acest paragraf, inclusiv relaţiile si rezultatele obţinute
sunt prezentate în tabelul care urmăreşte pas cu pas calculul coeficientului de portanţă.
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Tabel 3.4. Centralizare rezultate calcul coeficient de portanţă
Marime/Sectiune A B C E F A B C E F
R 2 1.858275 1.536929 1.091154 0.825 2.545455 2.355208 1.933183 1.375703 1.05
u 29.91993 27.79973 22.9924 16.32362 12.34197 38.07991 35.23383 28.92036 20.58046 15.70796
cm 10.861 6.705
c1 φ 4.632458 4.985762 6.028202 8.490936 11.2302 3.639789 3.933799 4.79257 6.73468 8.82373
c2 φ 0.000 0.000
w1 27.52134 25.26747 20.14329 13.39101 10.91806 35.08677 32.01018 25.04216 15.38393 9.610013
w2 31.83034 29.84615 25.4287 19.60685 16.44057 38.66574 35.86618 29.68748 21.64521 17.07922
β 1 23.24418 25.45827 32.62937 54.20256 84.15553 11.01718 12.09134 15.5308 25.83985 44.24519
β 2 19.95154 21.34051 25.28544 33.63876 41.34876 9.986402 10.77487 13.05342 18.04582 23.116
α 1 66.90127 65.34305 60.96902 51.98314 44.04335 61.50552 59.60074 54.44454 44.87431 37.23139
α 2 90.000 90.000
β 1 - β 2 3.292643 4.117752 7.343922 20.56381 42.80677 1.030775 1.316471 2.477381 7.794033 21.1292
w ∞ 29.66365 27.53915 22.73984 16.24346 12.77571 36.87477 33.93595 27.35847 18.47299 13.13627
β ∞ 21.4783 23.22827 28.53096 41.96354 58.22831 10.47678 11.39571 14.18696 21.2829 30.69274
63
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
64
Marime/Sectiune A B C E F A B C E F δ 5 4 3 2 1 4.004173 3.718994 2.862405 1.260304 0.802089
tgδ 0.087489 0.069927 0.052408 0.034921 0.017455 0.07 0.065 0.05 0.022 0.014 tgβ∞ 0.18492 0.201557 0.252797 0.38954 0.593585 0.18492 0.201557 0.252797 0.38954 0.593585
cosβ ∞ 0.983329 0.980286 0.969501 0.9318 0.859917 0.983329 0.980286 0.969501 0.9318 0.859917 t 3.998391 3.699552 3.036637 2.160949 1.649336 3.998391 3.699552 3.036637 2.160949 1.649336
cp*l/t 0.374682 0.354997 0.441982 0.800939 1.384117 0.317662 0.342189 0.436734 0.772782 1.375866 cp 0.357045 0.33724 0.415255 0.723243 1.153431 0.30271 0.325073 0.410325 0.697818 1.146555 d/l 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
λ 79.52322 78.60429 75.81304 68.7171 59.30726 79.52322 78.60429 75.81304 68.7171 59.30726 t/l 0.95293 0.949981 0.93953 0.902994 0.833333 0.953 0.950 0.940 0.903 0.833
k (Weinig) 2.95 2.75 2.3 1.42 1.03 2.95 2.75 2.3 1.42 1.03 K(interpolare) 0.58 0.48 0.43 0.38 0.348 0.58 0.48 0.43 0.38 0.348
kr 4.845033 4.200473 3.415194 2.081763 1.546154 4.845033 4.200473 3.415194 2.081763 1.546154 cp0 0.073693 0.080286 0.12159 0.347419 0.746 0.062478 0.07739 0.120147 0.335205 0.741553
profilul 4404 4406 4408 4410 4412 4404 4406 4408 4410 4412 tgδ(din diagr) 0.07 0.065 0.05 0.022 0.014 0.068 0.063 0.048 0.02 0.013 δc calculat 4.004173 3.718994 2.862405 1.260304 0.802089 3.890124 3.60487 2.748088 1.145763 0.744803
cr 0.005159 0.005219 0.00608 0.007643 0.010444 0.004249 0.004876 0.005767 0.006704 0.00964
eroare 24.86973 7.555969 4.806963 58.69189 24.67452 2.931745 3.16583 4.159875 9.996921 7.691339
i -4 -3.7 -3 -2.8 3.4
βo 14.477 15.096 17.187 24.083 27.293
Tabel 3.5.Tabel centralizator calcul unghiului de aşezarea al palelor rotorice
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Tabel 3.6. Calculul lungimii profilelor NACA
Marime/Sectiune A B C E F
t 3.998391 3.699552 3.036637 2.160949 1.649336
Lb 4.798069 4.439463 3.643965 2.593138 1.979203
β∞grade 10.47678 11.39571 14.18696 21.2829 30.69274
β∞rad 0.182854 0.198893 0.247609 0.371457 0.535689
cos β∞ 0.983329 0.980286 0.969501 0.9318 0.859917
Lbϕ 4.718079 4.351943 3.532828 2.416285 1.70195
α (rad) 1.620905 1.620905 1.620905 1.620905 1.620905
Lϕ 4.125941 3.817569 3.133507 2.229883 1.70195
l/t 1.049395 1.052652 1.064362 1.107427 1.2
l 4.195892 3.894342 3.232082 2.393093 1.979203
3.3.4. Alinirea profilelor şi determinarea proiecţiilor palei rotorice
3.3.4.1. Coordonatele profilelor
În tabelele următoare sunt prezentate valorile coordonatelor profilelor NACA pentru cele
5 secţiuni de calcul. Abscisa x ia valori de la 0 la bordul de atac, pana la l la bordul de fugă al
profilului. Pentru fiecare x, se indică ordonatele ye pentru extradosul profilului, respectiv yi
pentru intradosul acestuia.
65
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
NACA 4404
Tabel 3.7. Coordonatele profilului NACA 4404
x[%] y0/l yu/l x yo yu
0 0.0222 0.0222 0 0.000493 0.000493
1.25 0.0296 0.017 0.000278 0.000657 0.000377
2.5 0.0331 0.0157 0.000555 0.000735 0.000349
5 0.0382 0.0145 0.00111 0.000848 0.000322
7.5 0.0423 0.0143 0.001665 0.000939 0.000317
10 0.0456 0.0144 0.00222 0.001012 0.00032
15 0.0509 0.0152 0.00333 0.00113 0.000337
20 0.0547 0.0164 0.00444 0.001214 0.000364
25 0.0573 0.0177 0.00555 0.001272 0.000393
30 0.0589 0.0189 0.00666 0.001308 0.00042
35 0.0596 0.0199 0.00777 0.001323 0.000442
40 0.0593 0.0207 0.00888 0.001316 0.00046
45 0.0583 0.0211 0.00999 0.001294 0.000468
50 0.0565 0.0212 0.0111 0.001254 0.000471
55 0.054 0.021 0.01221 0.001199 0.000466
60 0.0508 0.0203 0.01332 0.001128 0.000451
65 0.0468 0.0193 0.01443 0.001039 0.000428
70 0.0422 0.0178 0.01554 0.000937 0.000395
75 0.0369 0.0159 0.01665 0.000819 0.000353
80 0.031 0.0135 0.01776 0.000688 0.0003
85 0.0243 0.0107 0.01887 0.000539 0.000238
90 0.017 0.0074 0.01998 0.000377 0.000164
95 0.0091 0.0037 0.02109 0.000202 8.21E-05
100 0.0004 -0.0004 0.0222 8.88E-06 -8.9E-06
66
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
NACA 4406
Tabel 3.8. Coordonatele profilului NACA 4406
x[%] y0/l yu/l x yo yu
0 0.0222 0.0222 0 0.000493 0.000493
1.25 0.0328 0.0138 0.000278 0.000728 0.000306
2.5 0.0374 0.0113 0.000555 0.00083 0.000251
5 0.0442 0.0086 0.00111 0.000981 0.000191
7.50 0.0493 0.0073 0.001665 0.001094 0.000162
10 0.0534 0.0066 0.00222 0.001185 0.000147
15 0.0598 0.0063 0.00333 0.001328 0.00014
20 0.0642 0.0069 0.00444 0.001425 0.000153
25 0.0672 0.0078 0.00555 0.001492 0.000173
30 0.0689 0.0089 0.00666 0.00153 0.000198
35 0.0695 0.01 0.00777 0.001543 0.000222
40 0.069 0.011 0.00888 0.001532 0.000244
45 0.0676 0.0118 0.00999 0.001501 0.000262
50 0.0654 0.0124 0.0111 0.001452 0.000275
55 0.0623 0.0127 0.01221 0.001383 0.000282
60 0.0584 0.0127 0.01332 0.001296 0.000282
65 0.0537 0.0124 0.01443 0.001192 0.000275
70 0.0483 0.0117 0.01554 0.001072 0.00026
75 0.0422 0.0106 0.01665 0.000937 0.000235
80 0.0353 0.0091 0.01776 0.000784 0.000202
85 0.0278 0.0072 0.01887 0.000617 0.00016
90 0.0195 0.005 0.01998 0.000433 0.000111
95 0.0104 0.0024 0.02109 0.000231 5.33E-05
100 0.0006 -0.0006 0.0222 1.33E-05 -1.3E-05
67
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
NACA 4408
Tabel 3.9. Coordonatele profilului NACA 4408
x[%] y0/l yu/l x yo yu
0 0.0222 0.0222 0 0.071752 0.071752
1.25 0.0359 0.0107 0.040401 0.116032 0.034583
2.5 0.0418 0.0069 0.080802 0.135101 0.022301
5 0.0501 0.0027 0.161604 0.161927 0.008727
7.5 0.0563 0.0003 0.242406 0.181966 0.00097
10 0.0612 -0.0012 0.323208 0.197803 -0.00388
15 0.0687 -0.0026 0.484812 0.222044 -0.0084
20 0.0738 -0.0027 0.646416 0.238528 -0.00873
25 0.0771 -0.0021 0.80802 0.249194 -0.00679
30 0.0789 -0.0011 0.969625 0.255011 -0.00356
35 0.0794 0.0001 1.131229 0.256627 0.000323
40 0.0787 0.0013 1.292833 0.254365 0.004202
45 0.0769 0.0025 1.454437 0.248547 0.00808
50 0.0742 0.0036 1.616041 0.23982 0.011635
55 0.0705 0.0045 1.777645 0.227862 0.014544
60 0.066 0.0051 1.939249 0.213317 0.016484
65 0.0606 0.0055 2.100853 0.195864 0.017776
70 0.0544 0.0056 2.262457 0.175825 0.0181
75 0.0475 0.0053 2.424061 0.153524 0.01713
80 0.0397 0.0047 2.585665 0.128314 0.015191
85 0.0312 0.0038 2.74727 0.100841 0.012282
90 0.0219 0.0026 2.908874 0.070783 0.008403
95 0.0118 0.001 3.070478 0.038139 0.003232
100 0.0008 -0.0008 3.232082 0.002586 -0.00259
68
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
NACA 4410
Tabel 3.10. Coordonatele profilului NACA 4410
x[%] y0/l yu/l x yo yu
0 0.0222 0.0222 0 0.053127 0.053127
1.25 0.0391 0.0075 0.029914 0.09357 0.017948
2.5 0.0462 0.0026 0.059827 0.110561 0.006222
5 0.056 -0.0032 0.119655 0.134013 -0.00766
7.5 0.0633 -0.0067 0.179482 0.151483 -0.01603
10 0.069 -0.009 0.239309 0.165123 -0.02154
15 0.0776 -0.0115 0.358964 0.185704 -0.02752
20 0.0834 -0.0123 0.478619 0.199584 -0.02944
25 0.087 -0.012 0.598273 0.208199 -0.02872
30 0.0889 -0.0111 0.717928 0.212746 -0.02656
35 0.0893 -0.0098 0.837583 0.213703 -0.02345
40 0.0884 -0.0084 0.957237 0.211549 -0.0201
45 0.0862 -0.0068 1.076892 0.206285 -0.01627
50 0.083 -0.0052 1.196547 0.198627 -0.01244
55 0.0788 -0.0038 1.316201 0.188576 -0.00909
60 0.0736 -0.0025 1.435856 0.176132 -0.00598
65 0.0675 -0.0014 1.555511 0.161534 -0.00335
70 0.0605 -0.0005 1.675165 0.144782 -0.0012
75 0.0527 0.0001 1.79482 0.126116 0.000239
80 0.0441 0.0004 1.914475 0.105535 0.000957
85 0.0346 0.0004 2.034129 0.082801 0.000957
90 0.0243 0.0002 2.153784 0.058152 0.000479
95 0.0131 -0.0003 2.273439 0.03135 -0.00072
100 0.001 -0.001 2.393093 0.002393 -0.00239
69
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
NACA 4412
Tabel 3.11. Coordonatele profilului NACA 4412
x[%] y0/l yu/l x yo yu
0 0.0222 0.0222 0 0.043938 0.043938
1.25 0.0423 0.0044 0.02474 0.08372 0.008708
2.5 0.0505 -0.0018 0.04948 0.09995 -0.00356
5 0.0619 -0.0092 0.09896 0.122513 -0.01821
7.5 0.0703 -0.0137 0.14844 0.139138 -0.02712
10 0.0768 -0.0168 0.19792 0.152003 -0.03325
15 0.0865 -0.0204 0.296881 0.171201 -0.04038
20 0.0929 -0.0218 0.395841 0.183868 -0.04315
25 0.0969 -0.0219 0.494801 0.191785 -0.04334
30 0.0989 -0.0211 0.593761 0.195743 -0.04176
35 0.0992 -0.0198 0.692721 0.196337 -0.03919
40 0.098 -0.018 0.791681 0.193962 -0.03563
45 0.0955 -0.0161 0.890642 0.189014 -0.03187
50 0.0918 -0.0141 0.989602 0.181691 -0.02791
55 0.087 -0.012 1.088562 0.172191 -0.02375
60 0.0812 -0.0101 1.187522 0.160711 -0.01999
65 0.0744 -0.0083 1.286482 0.147253 -0.01643
70 0.0666 -0.0066 1.385442 0.131815 -0.01306
75 0.058 -0.0052 1.484403 0.114794 -0.01029
80 0.0485 -0.004 1.583363 0.095991 -0.00792
85 0.038 -0.003 1.682323 0.07521 -0.00594
90 0.0267 -0.002 1.781283 0.052845 -0.00396
95 0.0145 -0.0017 1.880243 0.028698 -0.00336
100 0.0013 -0.0013 1.979203 0.002573 -0.00257
70
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.3.4.2. Construcţia palei rotorice
Construcţia palelor rotorului turbinei Kaplan urmăreşte în principiu urmatoarele etape:
Pentru fiecare din cele 5 secţiuni de calcul i = 15 se traseaza axa Ox astfel încât sa facă
cu orizontala unghiul de asezare i0 determinat ; La lungimea corzii li adică lungimea profilului
corespunzatoare diametrului de calcul Di se trasează axa Oy perpendiculară pe Ox;
Pentru profilele NACA alese se trasează punctele definite de coordonatele x, respectiv ye
pentru extrados si yi pentru intrados. Astfel se construieşte profilul fiecărei secţiuni de calcul în
parte. Fiecare profil, poziţionat după unghiul de aşezare, va avea bordul de atac în partea dreapta-
sus si bordul de fugă în partea stanga-jos ;
Pe scheletul fiecarei pale, se poziţionează centrul de basculare (poziţia în care axa fusului
palei rotorice intersectează profilul), în zona în care profilul are grosimea maximă. Prin centrul
de basculare, se trasează o axa verticală AX_V, numita axa de aliniere a profilelor si o axa
orizontala AX_O;
Palele se aşează una sub alta, după axa verticală de aliniere AX_V. La partea superioară a
reprezentării grafice se dispune profilul de la butuc (secţiunea 5 de calcul), apoi sub el cel al
secţiunii 4 si aşa mai departe, pana la cel mai de jos, aferent secţiunii de la periferie (secţiunea
1). Se construieşte proiecţia palei în plan meridian (vedere din lateral), în lungul axului fusului
palei. În raport cu axa turbinei, se poziţioneaza cele 5 secţiuni de calcul, la razele Ri = Di /2 (i =
15). În dreptul fiecărei secţiuni de calcul, se transpun distanţele maxime măsurate pe verticală
pe profilul corespunzator, de la axul orizontal AX_O pana la bordurile de atac şi de fuga. Asfel
se va obţine muchia de intrare în pala, la partea superioara, respectiv muchia de ieşire la partea
inferioară a acestei proiecţii meridiane;
Se construieşte proiecţia palei în plan paralel (vedere de sus), în lungul axului fusului
palei. Fiecare secţiune de calcul se pozitionează pe un arc de cerc, trasat din axa turbinei, la
razele Ri. Pe fiecare arc se transpun distanţele maxime măsurate pe orizontală, de la axul vertical
AX_V pâna la bordurile de atac şi de fuga. Aceste distanţe se plasează la stânga axei fusului
pentru bordul de fugă şi la dreapta axei fusului pentru bordul de atac. Asfel se va obţine muchia
de intrare în pală, în partea stângă, respectiv muchia de ieşire în partea dreaptă a acestei proiecţii.
71
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Fig. 3.7. Proiecţia palei rotorice în plan paralel
Măsurând pe desen distanţele maxime pe verticală de la bordurile de atac şi, respectiv, de
fugă se construieşte vederea în lungul palei (proiecţia în plan meridian);
Fig. 3.8. Proiecţia plan meridian pala rotorică
72
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.3.5. Trasarea curbelor topografice
Se construiesc curbele topografice:
se trasează planele orizontale echidistante, în sus şi în jos, pornind de la axul
palei, de o parte si de alta a acestuia se construiesc două plane, restul
planelor fiind trasate la distanţă echidistantă una unul de altul;
se are în vedere ca axul palei să fie intersectat pentru fiecare diametru în
parte de acelaşi plan;
în raport cu verticala care trece prin axele palelor se măsoară pentru fiecare
plan distanţa în stânga pentru extrados şi spre dreapta pentru intrados;
distanţele care au fost măsurate prin intersecţia cu planele topografice pentru
extrados si intrados se transpun pe vederea laterală a palei în stânga şi în
dreapta axului corespunzător sensului în care au fost măsurate, astfel încât
să intersecteze cercul dus la raza corespunzătoare secţiunii de calcul;
se unesc punctele corespunzătoare unor aceleaşi plane orizontale de
intersecţie, obţinându-se astfel curbele topografice pentru extrados si,
respectiv, pentru intrados;
se pun în evidenţă bordul de atac si bordul de fugă al palei;
pentru cazul în care un anumit plan deja nu mai intersecteză pala, se
măsoară razele din axul palei până la intersecţia cu linia bordurilor de fugă
de la proiecţia în plan meridian.
Fig. 3.9. Curbele topografice
73
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.4. Calculul aparatului director
Aparatul director conduce apa de la camera în spirală spre rotor şi asigură vitezele,
respectiv circulaţia 1 necesară transformării energetice optime, în condiţiile pierderilor
hidraulice minime. De asemenea asigură o distribuţie uniformă a debitului pe periferia rotorului
la intrare şi un câmp hidrodinamic caracteristic unei curgeri axial simetrice. Funcţia de variaţie a
debitului, respectiv de reglare a cuplului motor al turbinei revine aparatului director.
În construcţiile moderne de turbine s-au generalizat aparatele directoare cilindrice, conice
şi axiale.
Aparatul director cilindric este utilizat de preferinţă la turbinele Kaplan şi Fransis şi este
amplasat în spatele coloanelor statorice. Paletele directoare sunt montate în inelul superior şi cel
inferior cu posibilităţi de rotire, deoarece fusurile trec prin lagăre de alunecare.
Paleta directoare este realizată prin turnare sau sudare. Deoarece suprafaţa exterioară a
paletei profilate nu este prelucrată, se impune realizarea unei calităţi superioare prin turnare. Se
prelucrează mecanic doar bordul de fugă al paletei şi suparafaţa de aşezare, respectiv cea de
etanşare la închiderea completă. La îmbinare se prevede o garnitură de cauciuc vulcanizat. De
regulă, paleta este goală în interior.
Aparatul director este organul situat în general amonte de rotor.
Aparatul director are următoarele funcţii:
distribuie apa uniform pe toată periferia rotorului;
transformă o parte a energiei de presiune în energie cinetică;
imprimă curentului de apă la ieşirea din reţeaua de pale o viteză absolută 0c , care să
fie înclinată sub unghiul absolut 0 faţă de tangenta la cercul de diametru 0
(diametrul bordurilor de fugă ale palelor de aparat director);
D
reglează debitul ce trece prin turbină (admisia) astfel încât să corespundă totdeauna
puterii cerute de sarcina generatorului;
închide complet, cât mai etanş, curgerea apei spre turbină în caz de nevoie;
asigură scurgerea apei cu pierderi de sarcină cât mai mici cu putinţă, în care scop
palele se aleg profile hidrodinamice adecvate.
Mecanismele de comandă ale aparatului director trebuie să asigure un reglaj de precizie,
dar totuşi să fie robuste şi uşor de întreţinut.
74
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Parametrii geometrici principali ai aparatului director sunt:
înalţimea aparatului director, 0B , este unul dintre parametrii care alături de ae şi turaţia
turbinei influenţează apreciabil valoarea debitului 11Q şi a circulaţiei 1 de la intrarea în
rotor, respectiv transformarea energetică din turbină.
numărul de pale, dN
diametrul D0’ al cercului pe care se afla axele de rotaţie ale palelor (axa fusului palei
directoare). Punctul corespunzător intersecţiei fiecărei axe cu profilul fiecărei pale directoare
se numeste centru de basculare
diametrul D0 al cercului corespunzător bordului de fugă al palelor directoare în poziţia
maxim deschis
unghiul palei faţă de tangenta periferică, 0
lungimea l0 a coardei profilului;
grosimea maxima d a profilului şi grosimea relativa d/l0;
pasul reţelei de profile dN
Dt
'0
0
.
În cazul turbinelor Kaplan, rotorul prelucrează în principal energie de presiune, de unde
rezultă că unghiul 0 al vitezei c0 este mare (către 45°). Aparatul director are în acest caz o
înaltime B0 mare, încarcarea palei fiind importantî (debitul are valori mari). Din considerente de
rezistenţă, palele directoare sunt groase, având o grosime relativă 15.013.0/ 0 ld .
În procesul de reglaj al debitului, un rol important îl are deschiderea a0 a aparatului
director. Deschiderea turbinei a0 se defineşte ca diametrul cercului care poate fi înscris între
două pale consecutive (se ia în consideraţie cercul de diametru maxim). Aceasta mărime depinde
de diametrul D0’ si de numărul de pale Nd. Deschiderea palelor aparatului director reprezintă
parametrul geometric care influenţeaza dependenţa puterii de debit şi care intra în calculul
regulatorului turbinei. Prin variaţia deschiderii aparatului director, variază debitul turbinat, deci
puterea turbinei şi în final energia produsă de centrala hidroelectrică respectivă.
Pentru o anumita deschidere, aparatul director fiind un organ fix, curgerea în această
porţiune a turbinei decurge fără schimb de energie între fluid si maşină.
75
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Etape de calcul ale palei de aparat director
Se consideră următorii parametri de functionare ai turbinei: căderea H = 15 m,
debitul Q = 113.26 m3/s, turaţia n = 142.857 rot/min şi puterea P = 15 MW.
Pentrul calculul aparatului director, în paragraful corespunzator predimensionarii
rotorului s-au ales urmatoarele valori:
diametrul de aşezare al fusurilor aparatului director mD 29.5'0
diametrul corespunzator bordului de fugă al palelor directoare mD 09.50
înalţimea palei de aparat director mB 75.10 .
3.4.1 Calculul unghiului de asezare 0
Un parametru important în construcţia şi funcţionarea turbinelor, respectiv în transpunerea
rezultatelor de la un aparat director la altul este unghiul 0 . Acesta este unghiul constructiv
închis de tangentă la ultimul element al scheletului paletei directoare şi tangenta la cercul paralel
de la ieşire. Unghiul 0 diferă relativ puţin de la unghiul vitezei absolute şi depinde de
geometria profilelor paletelor directoare.
Se calculează pasul reţelei în dreptul centrului de basculare cu ajutorul formulei:
m 692.024
29.5'0'
0
dN
Dt .
Unghiul de asezare 0 se calculeaza cu ajutorul urmatoarei formule:
2
0
2
00
2
0 36.112.441
36.112.44tg
kW
d
kW PB
Qn
D
N
PB
Qnk
unde:
l0 este lungimea corzii profilului. În general, '0 . Se alege: 0 )3.11.1( tl
m 830.0692.02.1 2.1 '00 tl
grosimea relativa 0l
d este cuprinsa intre ( 14.00 12. ). S-a ales 12.0
l
d
grosimea profilului la bordul de fuga 0 se calculeaza cu formula:
m 012.012.0830.012.012.00
0
l
dl .
76
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Rezulta valoarea tangentei unghiul de asezare: 117.1tg 0 k , de unde rezulta :
172.480 .
Numărul de pale directoare DN
Numărul palelor de aparat director se determina funcţie de diametrul , astfel : 1D
m
m
m
m
9632
65.224
5.24.116
4.12.110
pale 24deci se alege un număr DN .
3.4.2. Profilarea palelor aparatului director
Paletele directoare constituie o reţea radială de profile, care la trecerea curentului trebuie
să asigure pierderi hidraulice minime. Acestea se cer să fie potrivit profilate, iar elementele
geometrice şi unghiulare alese în aşaa fel încât funcţionarea lor să ducaă la randamente cât mai
rdicate.
Geometria profilelor directoare se obţine din:
1. Profile simetrice cu scheletul o spirală logaritmică
2. Profile teoretice
3. Profile experimentale standard
4. Profile simetrice cu scheletul o spirală logaritmică
Profile simetrice cu scheletul după o spirală logaritmică
În cazul unei mişcări libere, fră schimb de energie în aparatul director, liniile de curent
sunt spirale logaritmice de ecuaţie: dR
dRk
0tgk
keRR 0
2
00
DR , unde R este raza curentă şi rad .
77
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Profile aero-hidrodinamice teoretice
În cazul în care la baza calculului aparatului director şi în special al profilării paletelor se
utilizează una din metodele teoretice de calcul, atunci se pot obţine toate caracteristicile
funcţionale la o geometrie dată sau invers.este deci posibilă calcularea aparatului director prin
rezolvarea directă sau inversă a unei reţele radiale.
Profile aero-hidrodinamice standard
În construcţia de turbine hidraulice , pentru palele directoare s-au standardizat trei tipuri
geometrice de profile, de curbură negativă, simetrice şi de curbură pozitivă, care au fost studiate
singular în tunele hidrodinamice şi direct pe modele de turbine hidraulice. Cele trei tipuri sunt
simetrice în jumătatea dinspre bordul de fugă, asigurând aceeaşi legătură funcţională )( 00 tf .
Asimetria se realizează numai înspre bordul de atac.
3.4.3. Calculul scheletului palei aparatului director
Scheletul palei de aparat director este o spirala logaritmică care se calculează cu ajutorul
relaţiei:
, kRR e0
unde
exponentul ;117.1tg 0 k
raza bordului de fugă al palei este R0 = 2.545 m;
unghiul se introduce in formulă în radiani;
ia valori între [ 355 ];
pentru transformarea unghiului din grade în radiani se utilizează urmatoarea
formulă: 180
grd rad
.
În tabelul de mai jos sunt prezentate valorile razelor ce permit trasarea scheletului palei
aparatului director (construirea spiralei logaritmice), la diverse unghiuri în raport cu unghiul
, corespunzator razei R = R0 0.
78
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Tabel 3.12. Calculul scheletului palei aparatului director
Ө[grad] Ө[rad] R[m]
-5 -0.08727 2.308966
-2 -0.03491 2.448084
0 0 2.545455
2 0.034907 2.646698
5 0.087266 2.806164
10 0.174533 3.093577
15 0.261799 3.410426
20 0.349066 3.759728
25 0.436332 4.144806
30 0.523599 4.569324
35 0.610865 5.037322
3.4.4. Calculul profilului palei de aparat director
În general, scheletul astfel trasat se îmbracă cu profile de tip Jukovski. Deoarece mişcarea
în aparatul director are un caracter turbulent, de pe profil se desprind vârtejuri rezultând unele
vibraţii ale palelor. Din acest motiv, ca şi din considerente de etanşare la închiderea completă,
profilele folosite pentru aparatul director au bordul de fuga retezat.
Pentru obţinerea profilului Jukovski se îmbracă scheletul palei cu o funcţie de grosime
definită prin relaţia :
302
0
)(2
xxll
dy
,
unde:
abscisa x = [0,1; 0,2; ….0,9]·l0 , măsurată de-a lungul profilului de la
bordul de fugă către bordul de atac;
coarda profilului este l0 = 0.830 m;
79
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
144.0830.012.012.00
dl
d m.
Aplicând ecuaţia de definiţie a funcţiei de grosime a profilelor Jukovski, se obtine
urmatorul tabel de calcul:
Tabel 3.13. Calculul profilului palei de aparat director
Xo X Y
0 0 0
0.1 0.083095 0.008665
0.2 0.16619 0.023106
0.3 0.249285 0.039707
0.4 0.332381 0.056598
0.5 0.415476 0.072206
0.6 0.498571 0.084897
0.7 0.581666 0.09265
0.8 0.664761 0.092424
0.9 0.747856 0.077983
1 0.830951 0
Fusul palei de aparat director (centrul de basculare al profilului CB) se aşează la 4.03.0
din lungimea l0 a corzii, în raport cu bordul de atac.
Se reduce 10% din lungimea profilului de la bordul de fugă, apoi se poziţionează centrul
de basculare.
Fig. 3.10. Pală aparat director
80
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.4.5. Studiul închiderii
După ce se realizează proiectarea palei aparatului director pentru poziţia deschis, adică
pentru admisia de 100% a debitului Q, se studiază inchiderea treptată a palelor de aparat director.
Pe palele aparatului director aflate în poziţie aproape închisă, nu trebuie sa se exercite
momente hidrodinamice cu sens de deschidere, sau dacă aceasta nu este posibil, atunci se prevad
blocaje mecanice împotriva unor supradeschideri anormale la ruperea unui organ de manevră. S-
au studiat forme de pale care asigură închiderea automata datorită momentului hidrodinamic care
acţionează tot timpul în sensul închiderii.
Pentru studiul poziţiei închis se procedează în felul urmator:
se micşorează treptat unghiul de aşezare 0 la trei pale consecutive, astfel că unghiul 0 sa
fie riguros acelasi la cele trei pale consecutive ;
se găseşte un unghi i care corespunde poziţiei închis, pentru care extremitatea din extrados
a bordului de fugă al palei din stânga atinge intradosul palei din dreapta.
Se consideră că închiderea este bună dacă atingerea intradosului cu extradosul se face
punctual în plan, sau după o dreaptă de lungime B0 în spaţiul tridimensional. Dacă la închidere
pala din stânga atinge intradosul celeilalte dupa un segment oarecare, înseamnă că nu se asigură
o închidere etanşă (în spaţiu, cele două pale intră în contact după doua suprafeţe cvasi-paralele,
dar care nu coincid peste tot). În acest caz se corectează poziţia centrelor de basculare ale
profilelor celor trei pale de studiu.
Ca închiderea să fie corectă, suprapunerea bordului de fugă cu intraodsul palei din
dreapta trebuie să fie punctiformă şi să se realizeze în prima treime a lui fată de bordul de
atac. În caz contrar se modifică poziţia centrului de basculare.
0l
Pentru studiul închiderii s-au efectuat urmatoarele calcule :
- pasul în dreptul centrului de basculare : 758.024
796.5'0'
0
DN
Dt m, unde este
noul diametru citit după reducerea din lungimea palei cu 10%.
'0D
81
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Fig. 3.11. Închiderea palelor de aparat director
3.5 Calculul elementelor de intrare, respectiv de ieşire
3.5.1 Calculul statorului
Statorul turbinelor hidraulice are funcţii importante în construcţia şi funcţionarea
acestora. Astfel statorul este elementul portant care transmite la fundaţia centralei greutatea
hidroagregatului care se roteste, împingerea axială şi o parte din greutatea betonului aflat
deasupra camerei spirale. Pe de alta parte, statorul este reazemul aparatului director şi elementul
care preia eforturile ce apar în camera spirală datorită acţiunii presiunii.
Statorul este constituit dintr-un numar de pale (coloane) profilate dispuse în zona de
ieşire din camera spirală şi are rolul de a conduce curentul înspre aparatul director, în condiţiile
82
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
intrării optime în reţeaua de profile directoare. Statorul este deci o reţea radială de profile, ca şi
aparatul director, dar mai rară, deoarece numarul coloanelor statorice este jumatate din numarul
palelor directoare. Construcţia statorului este determinată de tipul turbinei, precum şi de căderea
H şi diametrul de referinţă al rotorului.
În cazul turbinelor Kaplan, statorul poate fi executat:
cu coloane încastrate direct în beton;
cu coloane statorice încastrate în partea inferioară în beton şi îmbinat în partea superioara cu
inelul prin suduă sau buloane;
cu buloanele încastrate în inelul superior şi cel inferior prin sudură sau prin turnare;
Ultima construcţie prezintă avantaje tehnologice în ansamblarea statorului şi aparatului
director, prin faptul că asamblarea se face în uzina constructoare.
În toate cazurile, pentru reducerea piederilor hidraulice din stator şi aparat director,
direcţia curentului la intrarea în coloanele statorice trebuie să coincidă cu direcţia vitezelor
determinate de camera spirală a turbinei sau de canalul de aducţiune, iar direcţia curentului la
ieşirea din coloanele statorice, să coincidă cu direcţia de intrare în palele directoare
corespunzatoare deschiderii de calcul.
Statorul este o construcţie turnată, constând din patru segmente inferioare şi patru
segmente superioare, care se asamblează în inele prin buloane şi stifturi, iar inelele între ele se
asambleaza pentru a forma statorul prin intermediul coloanelor cu profil hidrodinamic, a
buloanelor şi stifturilor aferente acestora.
Statorul este construit din oţel de tipul OT40, el se betoneaza în fundaţia turbinei şi nu se
mai demontează pe toată durata exploatării.
Elemente geometrice
Numărul coloaneleor, precum şi dimensiunile lor depind de tipul turbinei, al camerei în
spirală, de tehnologia de execuţie, precum şi de curgerea cu pierderi minime. Dimensiunile
inelelor depind de poziţia camerei în spirală fată de ax şi de dimensiunile acesteia.
Pentru reducerea pierderilor hidraulice din stator şi aparatul director, scheletul palelor
statorice se află în prelungirea celui de aparat director, pe aceeaşi spirală logaritmică
caracterizată de unghiul 0 .
83
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Pentru dimensionarea palei statorice se folosesc în calcul urmatoarele mărimi:
raza bordului de fugă al profilelor de aparat director: m 55.22
00
DR ;
raza bordurilor de atac ale profilelor de aparat director: m 168.3''0 R .
Lungimea pe direcţia razei a palei de aparat director este dată de relaţia :
622.0001 RRR m.
Spaţiul dintre aparatul director şi stator este 2R şi reprezintă distanţa pe direcţia radială
între bordul de atac al palei de aparat director şi cel de fugă al palelor statorice:
124.05
12
RR m.
Spaţiul radial ocupat de pala statorică este:
415.03
213 RR m.
Raza de ieşire din stator este:
292.320 RRRse m.
Raza de intrare în stator este:
707.33 RRR sesi m.
Scheletul palei statorice se construieşte considerând că urmăreşte spirala logaritmică ce
descrie scheletul palei de aparat director. Se va utiliza acceaşi ecuaţie a spiralei logaritmice
corespunzătoare lui .0
radkseRR e
unde 117.1tg 0 k , iar unghiul se va introduce în radiani. Se va considera SI ,0 , cu
085.6rad 1062.0292.3
707.3ln
117.1
1ln
1
se
siSI
R
R
k.
Tabel 3.14. Calculul spiralei logaritmice stator
θ[°] θ[rad] R[m]
-5 -0.08727 2.986198
-2 -0.03491 3.16612
0 0 3.29205
2 0.034907 3.422989
5 0.087266 3.629228
7 0.122173 3.773578
84
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Scheletul statoric obţinut se îmbracă cu un profil hidrodinamic care are urmatoarele
caracteristici: - grosimea relativă 16.014.0/ sld , lungimea palei statorice este măsurată
pe schelet ;
sl
- lungimea palei statorice se determinăcu ajutorul relaţiei: sl
m 556.0292.3994.0292.3707.32707.3
cos2
22
2max
2
sesesisis RRRRl
- grosimea maximă a palei statorice este:
0834m.0556.015.0 d ;
mlr sa 0167.0556.02.03.0...2.0
mls 01.0556.012.015.0...1.
;
rf 0 .
Pentru îmbrăcarea scheletului palei statorice se folosesc coordonatele profilului Jukovski
conform tabelului de mai jos, în care abscisa x ia valori în intervalul :
. Pentru fiecare x, se calculează diametrul cercului (raportat la
grosimea maximă d).
sss lllx 9.0,,2.0,1.0
Tabel 3.15. Calculul profilului palei statorice
x/ls δ/d x δ δ /2
0.1 0.808 0.055636 0.067431 0.033716
0.2 0.945 0.111273 0.078865 0.039432
0.3 0.995 0.166909 0.083037 0.041519
0.35 1 0.194727 0.083455 0.041727
0.4 0.995 0.222546 0.083037 0.041519
0.5 0.925 0.278182 0.077196 0.038598
0.6 0.83 0.333818 0.069267 0.034634
0.7 0.692 0.389455 0.057751 0.028875
0.8 0.555 0.445091 0.046317 0.023159
0.9 0.4 0.500728 0.033382 0.016691
85
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Fig. 3.12. Pala statorică
3.5.2 Calculul camerei spirale
Camera spirală constituie primul element din circuitul hidraulic al turbinei Kaplan,
Francis şi Deriaz. În această cameră se formează curentul care intră uniform în stator pe toată
periferia acestuia.
Stabilirea formei camerei spirale, ţinând cont de faptul că ea trebuie să asigure un acces
uniform al apei la turbină, se poate face pe baza unor calcule hidraulice riguroase. Pentru
simplificare , cu erori destul de mici, se poate admite ipoteza fluidului ideal şi a camerei spirale
de înălţime constantă.
Camera spirală are roluri multiple printre care:
face legătura între vana de admisie şi stator;
creează cuplul hidraulic necesar la intrarea în stator;
asigură o intrare aproximativ uniformă a apei în stator;
asigură turbina împotriva deformatiilor axiale prin palele statorice, iar în unele cazuri, când
este construită rigid, transmite forţe verticale spre fundaţie (de exemplu greutatea lagarului
pivot sau lagarelor de ghidaj a capacelor).
86
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Camera spirala are influenţă asupra caracteristicilor funcţionale ale turbinei şi celor
constructive, determinând în cele din urmă costul centralei. Soluţia optimă aleasa pentru camera
spirală rezultă în baza unui studiu comparativ al mai multor variante.
Cercetarile experimentale au pus în evidenţă că în carcasa spirală mişcarea apei are un
caracter tridimensional. Datorită dificultaţilor matematice se realizează în continuare ipoteza că
fluidul este perfect si mişcarea potenţială.
În zona de intrare a camerei spirale se prevede o priză compusa de presiune, cu şase puncte
de preluare a presiunii, pentru masurarea sarcinii nete a turbinei. Din zona de incepere a porţiunii
spiralate, la diferite raze se prevăd niste prize de debit, pentru măsurarea debitului de apă ce trece
prin turbină.
Pentru accesul la sectorul demontabil al camerei rotorului, camera spirală se prevede cu două
uşi etanşe, una spre exterior în galeria centralei şi una spre camera turbinei, în camera de scoatere
a palei. Pentru golire în caz de reparaţii, camera spirală se prevede cu o nişa laterală, cu un ventil
acţionat hidraulic care descarcă apa din cavitatea camerei spirale în tubul de aspiaţie.
Din camera spirală, prin două prize din tabla gaurita, se ia apa necesară ungerii. Camera
spirală are o formă de cameră melcată, deoarece liniile de curent sunt spirale logaritmice.
Elementele specifice construcţiei camerei spirale sunt:
secţiunea meridională a spiralei la intrare;
unghiul total de înfasurare al spiralei;
laţimea totală;
unghiul spiralei, respectiv al liniilor de curent din cameră
Forma secţiunii maxime la intrarea în camera spirală determină forma celorlalte secţiuni
dispuse la unghiul de la pintenul spiralei. De acest lucru depinde extinderea în plan a centralei
şi deci costul acesteia.
O secţiune poligonală duce la secţiuni mai reduse ale centralei decât cea circulară,
randamentele fiind comparabile. La turbinele Kaplan, unde debitele sunt mari şi căderile mici, se
obtin dimensiuni mari pentru secţiunile meridionale ale spiralei.
Se alege 210max si unghiul de înclinare . 20
Mărimea secţiunii la intrare (aria) se determina din ecuaţia de continuitate:
ic
QA max
max ,
unde este debitul la intrarea în camera spirală unde . maxQ 210max
Viteza la intrare în prima secţiune a carcasei se determină aproximativ cu relatia:
Hgkc ii 2 ,
87
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
unde k i se determină prin interpolare liniară folosind următorul tabel:
Tabel 3.16. Valori ale coeficientului k i la diferite căderi
H[m] 2 4 6 8 10 20 30 40
k i 0.268 0.264 0.261 0.258 0.254 0.240 0.226 0.214
241.0 ik
smci /237.41581.92241.0
Etapele de calcul hidraulic aferent camerei spirale
se alege 210max
viteza de intrare se calculează conform formulei de la paragraful anterior :
smci /237.41581.92241.0
se alege 75.10max Bn m
înăltimea maximă a camerei spirale maxB se calculeaza cu ajutorul urmatoarei formule :
25.503max
BB m
maxQ se calculează cu ajutorul urmatoarei formule :
/sm 07.6626.113360
210
3603max
max QQ
raza R corespunzatoare fiecarei secţiuni din camera spirală (secţiune situată la unghiul )
se calculează cu urmatoarea formula :
sii
RB
nc
QR
1
tg2
max
max
unde:
363.0 20tgtg
n se calculează cu formula:
25.075.1210
300
maxmaxmax
Bnn
m
88
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
B se calculează cu urmatoarea formulă :
02 BnB
Cu ajutorul acestor elemente de calcul se poate reprezenta camera spirală. Rezultatele
obţinute sunt trecute în tabelul de mai jos.
Tabel 3.17. Calculul camerei spirale
Φ n φ B φ a φ R φ
0.000 0.000 1.750 0.000 3.707
30.000 0.250 2.250 1.000 4.707
60.000 0.500 2.750 1.653 5.360
90.000 0.750 3.250 2.119 5.826
120.000 1.000 3.750 2.473 6.180
150.000 1.250 4.250 2.754 6.461
180.000 1.500 4.750 2.986 6.693
210.000 1.750 5.250 3.182 6.889
Fig. 3.13. Camera spirală- plan meridian
89
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.5.3 Calculul aspiratorului
Aspiratorul este un organ al cărui rol este de a conduce apa din turbina în bieful aval,
dând la nevoie, posibilitatea dirijării curentului de la direcţia orizontală la cea verticală şi invers.
Permite aşezarea rotorului deasupra sau sub nivelul apei din canalul de fugă şi asigură
recuperarea unei părţi din energia cinetică a apei ce iese din rotor.
Forma tubului de aspiraţie depinde de tipul turbinei şi de centrala hidroelectrică, respectiv
de gradul de recuperare a energiei cinetice de la ieşirea din rotor. Astfel întâlnim următoarele
forme de aspiratoare:
aspiratoare drepte, difuzoare simple sau hidrocone, care sunt cele mai simple forme
constructive de aspiratoare şi se întalnesc la turbinele Kaplan si Francis de puteri mici;
aspiratoare curbate, care sunt utilizate astăzi la turbinele moderne de tipul Kaplan şi Francis,
deoarece asigură o buna recuperare a energiei cinetice, o structură bună a curentului la ieşirea
din rotor şi posibilităţi de reducere a adâncimii centralei, respectiv a investiţiilor;
aspiratoare melcate, cu o eficienţă mărită şi la ieşire au o galerie construită din două spirale
cu unghiuri de înfaşurare de 900;
aspiratoare tip clopot, care sunt prevăzute în partea centrală cu o inima din beton, care
contribuie la evitarea apariţiei depresiunii şi a turbionului central, eliminându-se astfel
fenomenul de curgere a apei dinspre secţiunea de ieşire a aspiratorului spre rotor prin această
zonă centrală.
Deoarece viteza apei la ieşirea din rotorul unei turbine axiale este mare, pentru
recuperarea acestei energii cinetice este necesar ca aspiratorul sa aibă o lungime relativ mare.
Construirea unui astfel de aspirator sub forma unui trunchi de con ar duce la mărirea exagerată a
fundaţiei agregatului, în consecinţă aspiratoarele turbinelor Kaplan sunt curbe. Spre deosebire de
acestea, la turbinele axiale Bulb sau axial-concentrice, construite în ultimii ani, aspiratorul este
un trunchi de con cu axa rectilinie, orizontală şi mai rar oblică.
Pentru turbinele axiale cu ax vertical, alegerea tipului optim de aspirator reprezintă o
problema de mare importanţă, deoarece dimensiunile acestuia influenţează asupra volumului de
săpături şi a volumului de beton necesar la construcţia fundaţiei agregatului, precum şi a
randamentului grupului. Cu cât rapiditatea creşte, cu atât viteza la intrare în aspirator este mai
mare, deci şi lungimea acestuia pentru recuperarea energiei cinetice trebuie să fie mai mare.
Micşorarea acestei lungimi este posibilă numai prin alegerea unor tipuri speciale de aspiratoare
cu profil curbat şi axă rectilinie.
Tipurile noi de aspiratoare cu axă rectilinie şi cu profil curb au randamente ridicate şi
dimensiuni relativ mici, încât satisfac condiţiile unei construcţii optime. În fiecare caz concret,
90
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
alegerea soluţiei definitive se face pe baza unei cercetari pe model şi a unui calcul tehnico-
economic.
Cercetarile experimentale au arătat că la turaţii unitare mici n11 = (100…120),
randamentul diferă foarte puţin pentru aspiratorul curbat, pentru cel tronconic şi cel pâlnie
(aspirator cu profil curbiliniu şi axa rectilinie). Pentru acest domeniu al turatiei unitare, dar la
valori mari ale debitului unitar Q11 = (1300…1500), pierderile cele mai mici de energie sunt la
aspiratoarele curbe şi cele mai mari, la cele pâlnie. Dacă Q11 = (600…90), randamentul maxim îl
are aspiratorul pâlnie. La valori mari ale turatiei unitare n11 = (120…140), randamentul minim îl
are aspiratorul tronconic şi maxim cel pâlnie.
Aspiratorul curb constă din trei părti:
partea initială – de forma unui trunchi de con;
partea de mijloc – de forma unui cot;
partea finală – de forma unui difuzor cu secţiunea dreptunghiulară.
La turbinele axiale, datorită prezenţei ogivei butucului rotorului, secţiunea de trecere a
apei variază mult în sensul de scurgere, ceea ce face ca unghiul de evazare al conului echivalent
să ia valori, care sunt mult mai mari decât cele admisibile.
Aspiratorul este construit din beton cu torcret pe suprafaţa interioară, în zona cu viteză
maximă, respectiv conul aspiratorului este căptuşit cu tablă de incorodal. Prin conul tubului de
aspiratie trece o priză cu dop prin care, în timpul reparaţiilor, se evacuează uleiul din rotorul
turbinei. În punctul inferior se prevede un grătar circular prin care, în timpul reparaţiilor,
aspiratorul se goleşte de apa într-un puţ de golire. De asemenea, pentru scoaterea palelor uzate,
respectiv introducerea palelor noi pentru rotor, aspiratorul se prevede cu un capac cu ramă etanş.
La ieşirea din aspirator se prevede o priză compusă de presiune, cu câteva puncte de prelucrare a
presiunii, pentru măsurarea sarcinii nete a turbinei.
Toate dimensiunile aspiratorului sunt definite în funcţie de diametrul D1.
Marimile de calcul sunt prezentate in continuare pentru D1 = 5.09 m:
7.1109.53.23.2 11 Dh m;
036.209.54.04.0 12 Dh m;
581.209.5507.0507.0 13 Dh m;
21.609.522.122.1 14 Dh m;
178.709.541.141.1 15 Dh m;
581.209.578.078.0 16 Dh m;
109.609.52.12.1 14 DD m;
91
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
709.2309.56.46.4 1 DL m;
636.709.55.15.1 11 DL m;
193.509.502.102.1 13 DD m
709.1109.53.23.2 15 DB m;
757.309.5738.0738.0 1 Dr m;
581.409.59.09.0 1 DR m;
09.5315.1315.1 11 Da m;
176.109.5231.0231.0 12 Da m;
919.109.57.07.0 14 Da m;
563.309.57.07.0' 1 DR m;
10 ;
21 m, alegem m5 b b 5.15 .
Fig. 3.14. Aspirator- secţiune transversală
92
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
3.6 Calculul caracteristicii de exploatare
3.6.1. Generalitaţi
Pentru trasarea caracteristicilor dee exploatare se fac citiri din topogramele existente în
funcţie de debitul dublu unitar şi turaţia dublu unitară pentru cinci căderi:
o cădere de calcul
două căderi mai mici decât căderea de calcul
două căderi mai mari decât căderea de calcul Funcţionarea turbinelor hidraulice este exprimată printr-o funcţie care depinde de
parametrii hidraulici ( debitul Q sm /3 şi căderea netă mH a turbinei), de parametrii mecanici
(turaţia , puterea P[W] şi randamentul turbinei η[%], respectiv de alte mărimi aferente
turbinei ( deschiderea palei de aparat director [m], unghiul de aşezare al palelor rotorice
srotn /
0a
grd0 şi coeficientul de cavitaţie al lui Thoma ). Matematic, funcţia sus-menţionată poate fi
exprimată sub forma:
,,,,,,, 00aPnHQf
Pentru reprezentarea grafică în plan a diferitelor curbe caracteristice ale turbinei, se aleg
două variabile dintre cele enumerate ( două mărimi care au o importanţă majoră în funcţionarea
turbinei), iar o a treia mărime, sau mai multe mărimi intervin ca parametri. Astfel se obţin mai
multe tipuri de curbe caracteristice, utile atât în proiectarea turbinei, cât mai ales în expluatarea
acesteia. Aceste tipuri de curbe pot fi clasificate în:
caracteristici energetice, care reprezintă variaţia căderii, debitului, puterii sau
randamentului în funcţie de diferite mărimi( mai puţin );
caracteristici cavitaţionale, care reprezintă variaţia coeficientului lui Thoma în
funcţie de celelalte mărimi.
Reprezentarea curbelor de izorandament η= const. Într-un sistem de coordonate , sau
, se numeşte caracteristică de axploatare a turbinei hidraulice. Uzual, caracteristica de
exploatare mai include şi curbe de izodeschidere a aparatului director , curbe de
izorapiditate şi curbe de egal coeficient de cavitaţie
HP,
.
HQ,
0 consta
.constnskW ’const. De asemenea, pe
caracteristica de exploatare se trasează limitele de funcţionare ale turbinei.
Reprezentarea curbelor de izorandament η= const. într-un sistem de coordonate
dimensionale, având debitul dublu unitar în abscisă şi turaţia dublu unitară în ordonată, 11Q 11n
93
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
constituie topograma turbinei, sau caracteristica universală a turbinei hidraulice. Debitul
dublu unitar este definit de relaţia:
HD
ext
211 ,
iar turaţia dublu unitară este definită prin relaţia:
H
Dnn ext
11 ,
unde turaţia n este măsurată în rot/min . pe topograma turbinei sunt de asemenea trasate curbe de
izodeschidere a aparatului director, curbe de izorapiditate, curbe de egal coeficient de cavitaţie şi
limitele de putere.
Fiecare topogramă conţine indicaţii privind valoarea diametrului de referinţă al turbinei
D , numarul de pale de aparat director, tipul camerei spirale şi tipul aspiratorului, valoarea
căderii medii H pentru carea s-au efectuat determinările şi înălţimea de aspiraţie în timpul
determinărilor.
ext
sH
Deşi conţine toate regimurile de funcţionare ale unei turbine, topograma nu este utilă în
exploatare, deoarece variabilele în care este trasată nu sunt direct măsurabile. Această topogramă
este însă utilă la dimensionarea turbinelor noi, respectiv la trasarea caracteristicilor de exploatare
ale turbinei.
3.6.2. Calculul caracteristicii de exploatare pentru turbina Kaplan studiată
Alegem cele patru caderi, două mai mici decât căderea de calcul şi două căderi mai mari,
astfel:
13m< 14m< 15m< 16m< 17m,
Conform formulei prezentate mai sus, debitul dublu unitar are valoarea:
smQ /128.1 311 ,
iar turaţia dublu unitară are valoarea:
781.18711 n rot/min.
iHDQQ 2111 ,
ihh HQgP .
94
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Rezultatele pentru căderile alese sunt ilustrate în tabelele următoare:
min/709.20111 rotn
H=13 smQ /311 212.1
Tabel 3.17.
ηc Q11c Q Ph
0.77 1 93.44635 9176254
0.78 1.052 98.30556 9778789
0.79 1.12 104.6599 10544350
0.78 1.582 147.8321 14705365
0.77 1.665 155.5882 15278464
0.76 1.743 162.877 15786494
min/371.19411 rotn
H=14 smQ /311 168.1
Tabel 3.18.
ηc Q11c Q Ph
0.77 0.88 85.337 9024541
0.78 0.93 90.18569 9661160
0.79 1 96.97386 10521528
0.79 1.5 145.4608 15782293
0.78 1.7 164.8556 17660186
0.77 1.776 172.2256 18213165
95
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
96
min/781.18711 rotn
H=15 smQ /311 128.1
Tabel 3.19.
ηc Q11c Q Ph
0.78 0.82 82.30954 9447242
0.79 0.884 88.7337 10315159
0.8 0.98 98.36994 11580109
0.81 1.368 137.3164 16366948
0.8 1.567 157.2915 18516358
0.79 1.698 170.441 19813507
0.78 1.78 178.6719 20507427
min/818.18111 rotn
H=16 smQ /311 093.1
Tabel 3.20.
ηc Q11c Q Ph
0.8 0.84 87.08231 10934752
0.81 0.93 96.41256 12257662
0.82 1.438 149.0766 19187235
0.81 1.567 162.45 20653501
0.8 1.68 174.1646 21869504
0.79 1.782 184.7389 22907329
min/389.17611 rotn
H=17 smQ /311 059.1
Tabel 3.21.
ηc Q11c Q Ph
0.81 0.815 87.09089 11764560
0.82 0.91 97.24259 13298061
0.83 1.178 125.8811 17424345
0.82 1.538 164.3507 22475184
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Caracteristica de exploatare
12
13
14
15
16
17
18
5 10 15 20
Ph
h
0.77
0.77
0.78
0.78
0.79
0.8
0.81
0.82
97
Proiectarea unei turbine Kaplan pentru centrala hidroelectrică Călimăneşti 2011
Bibliografie
1. D. Pavel, „Turbine hidraulice”, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1965.
2. I. Anton, „Turbine hidraulice”, Ed. Facla, Timişoara, 1980.
3. E. C. Isbăşoiu, ş.a., „Mecanica fluidelor”, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1995.
4. E. C. Isbăşoiu, „Încercarea maşinilor hidraulice” Ed. POLITEHNICA Press,
Bucureşti 2009.
5. A.M. Georgescu, S.C. Georgescu, “ Hidraulica reţelelor de conducte şi
maşini hidraulice”, Ed. PRINTECH 2007.
6. I. A. Idelcik, „Îndrumător pentru calculul rezistenţelor hidraulice”, Ed.
Tehnică, Bucureşti, 1984.
7. R. Prişcu, „Construcţii hidrotehnice”, Vol II, Ed. Didactică, Bucureşti, 1974.
8. M. Ghergu, V. Nistreanu, „Centrale hidroelectrice şi staţii de pompare”,
Bucureşti, 1984.
98