Capitolul III.

Masini Hidraulice

CAPITOLUL III

DOMENIUL DE FUNCTIONARE AL TURBINELOR.DESCRIEREA PRINCIPALELOR TIPURI

3.1. Generalităţi

În tehnica modernă s-a impus trei tipuri principale de turbine: Kaplan, Francis şi Pelton. În ultimul timp, din acestea au derivat turbinele bulb, care sunt de fapt Kaplan fără cameră în spirală şi turbinele Deriaz-Kviatkovski, care sunt turbine Francis cu palete rotorice reglabile.

Fiecare tip de maşină îşi are un domeniu de utilizare, în care prezintă indici de funcţionare tehnico-economici ridicaţi. Din analiza relaţiei (1.1) de definiţie a turbinei hidraulice se evidenţiază grupul parametrilor funcţionali , respectiv ce caracterizează funcţionarea maşinii, ori aceste mărimi pot fi cuprinse sintetic în expresia unui alt parametru numit turaţia specifică :

(3.1)Acest parametru are puterea de criteriu de similitudine şi permite delimitarea

domeniilor de funcţionare ale unor clase de turbine asemenea geometric (fig.3.1.).

Fig. 3.1. Domeniul de functionare a turbinelor

19

Domeniul de functionare al turbinelor. Descrierea principalelor tipuri

3.2. Turbina Kaplan

Turbina Kaplan şi cele elcoidale sunt utilizate cu eficienţă maximă în zona căderilor mici, şi debitele foarte mari, ajutând până la debite de . Turaţia specifică are valori . Puterile pe unitate au crescut în ultima vreme din ce în ce mai mult şi cu acestea au crescut şi dimensiunile. Printre centralele hidroelectrice echipate cu turbine Kaplan, mai deosebite sunt:Aschach/Austria Jupia/Brazilia Solbergfoss/Norvegia Volgograd/Rusia Kuibîşev/Rusia Rockz Reach/Columbia Otori/Japonia Porţile de Fier I/România-Serbia .

Se remarcă faptul că turbinele de la Porţile de Fier I reprezintă o performanţă pe plan mondial, atât din punct de vedere al puterii pe unitate, cât şi ca dimensiune. Centrala de tip barajEchipată cu 12 grupuri, a fost construită în zona Gura Văii-Sip pentru un debit instalat

care, la o cădere de calcul furnizează o putere de . De remarcat că această operă situează industria noastră constructoare de turbine hidraulice, prin execuţia a trei grupuri din cele 12, la nivel competitiv.

Pe lângă creşterea puterilor pe unitate, se observă la turbinele Kaplan şi o tendinţă de majorare a căderii, ajungându-se la unele performanţe ca de exemplu: Orlik/Republica Cehă Bort Rhue/Franţa Otori/Japonia .

În etapa actuală s-a ajuns, se pare, la o plafonare a căderii la din motive de cavitaţie şi înălţime de aspiraţie. Prin studiile efectuate în diferite laboratoare şi instituţii s-a ajuns ca acest tip de turbină să funcţioneze cu randamente foarte ridicate,

, într-un domeniu larg de variaţie al puterilor şi debitelor, facilitat prin variaţia simultană a paletelor aparatului director şi a celor rotorice. Greutăţile specifice la care s-a ajuns în construcţia turbinelor Kaplan sunt de

La noi în ţară s-a construit o serie de centrale hidroelectrice echipate cu turbine Kaplan. Prima, construită complet de industria românească este CHE Tg. Mureş, care a fost studiată şi proiectată de colectivul de maşini hidraulice de la Institutul Politehnic din Timişoara şi realizat la Reşiţa în 1951. . La un interval destul de larg urmează apoi salba de centrale de pe valea Bistriţeiîn aval de Stejarul, de la: Pângăraţi, Vaduri, Piatra Neamţ, Roznov, Zărneşti, Costişa, Racova, Gârleni, Bacău I şi Bacău II.

20

Masini Hidraulice

a)

21


b)Fig. 3.2. Ansamblul turbinei Kaplan cu elemente constructive (a și b)

Toate au fost proiectate şi realizate la U.C.M. Reşiţa , modelele fiind studiate în parte în Laboratorul de maşini hidraulice de la Timişoara de specialiştii Catedrei de maşini hidraulice. Din punct de vedere al performanţelor şi al soluţiilor constructive utilizate, turbinele de pe valea Oltului, executate mai târziu, se plasează la nivelul realizărilor celor mai reuşite de pe plan mondial.

Pentru a cunoaşte mai îndeaproape părţi constructive importante ale unei turbine Kaplan, se prezintă o astfel de maşină în fig.3.2. Elementele constructive sunt următoarele: camera spirală (1), statorul cu palete fixe (2), inelele superior şi inferior ale statorului (3), paletele mobile ale aparatului director (4), pivotul paletei aparatului director (6), butucul rotorului (7), tija servomotorului rotorului (8), arborele turbinei (9), rotorul alternatorului (10), lagărele de ghidaj (11) şi (12), labirintul rotorului (13), camera de acumulare a debitului pierdut prin şicană (14), pompa de epuizment (15), inelul superior al rotorului (16), inelul de reglare al aparatului director (17), servomotorul aparatului director (18), bielele servomotorului (19), biela (20)şi bieleta (21) paletelor aparatului director, sistemul de blocare a inelului aparatului director (22), carcasa arborelui motor (23), pompe pentru ambalare cu limitatori de ambalare (24), inelul de distanţare (25), patinele lagărului axial (26), inelul de bază al lagărului axial ce susţine patinele lagărului (27), tetrapodul ce susţine lagărul axial (28), butucul rotorului alternatorului (29), inelul alunecător al lagărului pentru preluarea împingerii axiale şi a greutăţii părţii rotitoare (30), baia de ulei a lagărului axial (31), sistemul de aducere a aerului, cu o anumită presiune creată de rotorul alternatorului, la baia de ulei (32), bateria de cricuri hidraulice pentru ridicarea, în stare de repaus, a părţilor rotoare ale turbinei (33), frâne cu aer ce permit oprirea grupului (34), tubul de aspiraţie (35).

22

Masini Hidraulice

Părţile principale ale unei turbine Kaplan sunt : camera spirală, aparatul director, rotorul şi tubul de aspiraţie (35).

Camera spirală face legătura între canalul de aducţiune şi aparatul director, asigură o repartiţie uniformă a debitului pe toată periferia aparatului director sau a starorului şi creează condiţiile necesare intrării în rotor (generarea unei circulaţii şi a unor viteze mari). Este împreună cu paletele statorice cu element de rezistenţă, preluând anumite forţe pe care le transmite fundaţiei.

Aparatul director, prin construcţia sa, asigură variaţia debitului ce intră în rotor, respectiv a puterii turbinei, precum şi circulaţia curentului în rotor necesară funcţionării optime.

Rotorul este format dintr-un butuc şi palete care, prin intermediul unui servomotor şi al unui mecanism, se pot roti chiar în timpul funcţionării, ceea ce asigură o dublă reglare a turbinei şi funcţionarea acesteia la regimuri optimizate (fig.3.3.).

a)

b)Fig. 3.3. Schema reglarii duble a unei turbine Kaplan (a și b)

Rotorul constituie sediul transformării energetice din turbină.

23


Tubul de aspiraţie face legătura din secţiunea de ieşire din rotorul turbinei şi canalul de fugă. Prin funcţionarea sa permite recuperarea energiei cinetice de la ieşire din rotor, care uneori poate ajunge la din cădere, şi a înălţimii geometrice de aspiraţie, înlesnind uneori montarea rotorului deasupra nivelului apei din aval, în condiţii de funcţionare fără cavitaţie.

3.3. Turbina Francis

Acest tip de turbină se comportă optim în domeniul căderilor mijlocii şi debitele mijlocii având turaţia specifică

. Există CHE echipate cu turbine Francis de foarte înaltă cădere, precum CHE Ferrara/Italia cu sau CHE Râul Mare-Retezat/România cu . Puterile pe unitate au crescut în ultima vreme din ce în ce mai mult, ajungând la turbinele care echipează CHE Krasnoiarsk/Rusia la , iar la cele din CHE Itaipu/Brazilia-Paraguay la

. Ca dimensiuni, rotorii acestui tip de turbină se situează între valorile , iar ca greutate specifică s-a ajuns la . Randamentele

maxime se situează între valorile .Printre realizările cele mai de seamă se menţionează

Assuan/Nil Itaipu/Brazilia-Paraguay Guri II/Venezuela Grand Coulee/Columbia-USA I Grand Coulee/Columbia-USA II Grand Coulee/Columbia-USA III Churchill Fells/Canada Sajansk/Rusia Maniconagan/Canada Cabora Bassa/Mozambic

La noi în ţară există centrale importante echipate cu turbine de tip Francis. Astfel, CHE Stejaru, de la Bicaz este echipată cu patru turbine Francis, având caracteristicile:

, , , , şi două turbine Francis de caracteristici: , , . CHE de la Argeş-Corbeni, centrală subterană echipată cu trei grupuri, are următoarele caracteristici: ,

, ; CHE Tarniţa este echipată cu două grupuri având , ; CHE Mărişelu conţine trei grupuri cu

, CHE Râul Mare-Retezat este echipată cu 2 grupuri având

caracteristicile , .

24

Masini Hidraulice

a)

b)Fig. 3.4. Ansamblul turbinei Francis cu elemente constructive (a și b)

25


Fig. 3.5. Turbina Francis

Fig. 3.6. Rotoare de turbina Francis

Părţile constructive cele mai importante pot fi urmărite în fig.3.4. şi 3.5 : camera spirală (1), rotorul cu paletele (2), sistemul de etanşare dintre arbore şi partea superioară a turbinei (3), sistemul de etanşare auxiliar (4), lagărul de ghidaj (5), camera pompei de ulei a dinamului tahimetric şi limitatorul de ambalare (6), sistemul de susţinere al carcasei camerei pompei de ulei (7), inelul de reglare al aparatului director (9), sistemul de preluare a forţelor axiale ce acţionează asupra paletei directoare (10), servomotorul aparatului director (11), arborele turbinei (12), tubul de aspiraţie (13), camera în spirală, statorul, aparatul director şi tubul de aspiraţie sunt,din punct de vedere constructiv şi funcţional, asemănătoare cu cele de la turbina Kaplan, are însă palete fixe, încastrate în inel şi coroană, fig.2.6. fiind sediul transformării energetice. Deoarece paletele rotorice sunt fixe, reglarea debitului este simplă, numai cu paletele aparatului direcror.

26

Masini Hidraulice

3.4. Turbina Pelton

Acest tip de turbină se utilizează de preferinţă în domeniul căderilor mari şi debitelor mici, având turaţia specifică ; s-a ajuns la randamente

de şi la greutăţi specifice de . Printre centralele echipate cu turbine Pelton ce funcţionează la căderi foarte mari se amintesc: CHE Reisseck/Austria cu

şi ; CHE Chandoline/Elveţia cu şi .Centralele hidroelectrice de putere mare echipate cu turbine Pelton sunt:

Roseland/Franţa - 6 grupuri Sy Sima/Norvegia - 3 grupuri Silz/Austria - 2 grupuri

Idikki/India - 3 grupuri

Villarodin/Franţa - 2 grupuri În România centralele de la Dobreşti, Sadu, Moreni, Văliug şi Lotru sunt echipate cu

turbine Pelton. Este de reţinut că turbinele Pelton de la Văliug, cu 2 rotori pe acelaşi ax, au fost proiectate la Timişoara de colectivul catedrei de maşini hidraulice şi realizate la UCMR Reşiţa în anul 1951; încercările modelului au fost efectuate în Laboratorul de maşini hidraulice de la Politehnica din Timişoara. Caracteristicile celor 2 rotori sunt :

Rotor I: ; ; ; ; Rotor II: ; ; ; .

Centrala de la Lotru este dotată cu 3 turbine Pelton cu următorii parametri :; ; ; ; ;

.Părţile constructive cele mai importante ale unei turbine Pelton pot fi urmărite în

fig.3.7. Rotorul (1), cu paletele în formă de cupe (2) şi arborele (3), injectorul (4), diuza injectorului (5), acul injectorului (6), sistemul de reglare al acului (7), deflectorul (8), sistemul de reglare deflectorul (9), carcasa turbinei (10) şi sistemul de frânare al rotorului (11).

a)

27


b)Fig. 3.7. Ansamblul turbinei Pelton cu elemente constructive (a și b)

Rotorul cu palete este sediul transformării energiei, fiind realizat dintr-un disc, pe periferia căruia sunt dispuse paletele de forma unor cupe, fig.3.8. Paletele sunt asamblate pe disc prin buloane, iar uneori rotorul are o construcţie monobloc.

Fig. 3.8. Paleta turbinei Pelton

28

Masini Hidraulice

Injectorul format din diuză şi ac, construite din profile conjugate, asigură variaţia debitului şi aducerea curentului spre rotor sub forma unei vâne compacte. Sistemul de reglare, prin deplasarea acului injector, realizează variaţia debitului, creând astfel echilibrul dintre cuplul motor şi cel rezistent, la turaţie constantă, similar cu reglarea debitului cu ajutorul aparatului director la turbinele Kaplan şi Francis. Deflectorul permite tăierea şi devierea vânei de fluid într-un timp foarte scurt, asigurând astfel adaptarea cuplului turbinei la cuplul rezistent, fără a crea suprapresiuni nepermise în conducta de aducţiune (se evită „lovitura de berbec” ce ar apare la închiderea bruscă a injectorului).

3.5. Turbina Deriaz-Kviatkovski

Acest tip de turbină este derivat din turbinele Francis şi Kaplan, deoarece are elemente constructive specifice acestora. Palatele rotorului sunt mobile, asigurându-se o dublă reglare şi deci o funcţionare la randamente ridicate în domenii extinse de debite şi puteri. Funcţionează bine pentru turaţii specifice .

La căderi mari , forma paletelor este ca a turbinelor Francis lente şi se construieşte maşina tip Kviatkovski.

Pentru căderi mijlocii , forma paletelor este o combinaţie între Francis rapid şi Kaplan, construindu-se maşina Deriaz.

Aceste maşini conduc nu numai la randamente ridicate, dar şi la coeficienţi de cavitaţie mai mici, respectiv la înălţimi mari de aspiraţie. Printre centralele cele mai importante echipate cu turbine Deriaz amintim :Sir Adam Beck/Niagara, Canada Valdecanas/Spania Ajaure/Suedia Bakhtarma/Rusia Amagase/Japonia

În fig. 3.9. se prezintă desenul de ansamblu al turbinei Deriaz de la CHE Adam Beck. Se regăsesc aici toate elementele constructive ale turbinei Kaplan, dar forma paletelor şi poziţia lor diferă. Trecerea curentului din aparatul director în rotor se face sub un unghi mai mic de , faţă de turbina Kaplan, după o direcţie diagonală, motiv pentru care turbinele Deriaz se mai numesc diagonale. Turbina Deriaz s-a impus repede prin calităţile ei superioare, prin construcţia relativ simplă, prin siguranţa în exploatare. Elementele constructive importante ale unei turbine Deriaz sunt:rotorul cu mecanismul de reglare a paletelor (1), paletele rotorului (2), aparatul director (3), paletele statorice (4), arborele (5), camera în spirală (6), tubul de aspiraţie (7). Ca şi celelalte tipuri de turbine, turbina Deriaz este prevăzută cu un regulator de turaţie ce permite, prin reglarea debitului, păstrarea turaţiei constante.

29


Fig. 3.9. Turbina Deriaz

3.6. Turbina Bulb

Această turbină este un tip derivat al turbinei Kaplan dispusă orizontal, căreia îi lipseşte camera în spirală, iar tubul de aspiraţie este drept, ceea ce conduce la un curent axial în planul meridian. Generatorul a fost dispus la început în exteriorul turbinei, la periferia rotorului, iar pe urmă s-a adoptat soluţia cu generator capsulat, dispus în interiorul unui bulb

. Deşi primele brevete datează din anii , construcţia turbinelor Bulb ia un având deosebit abia după anul 1950, când se realizează primele centrale maree-motrice, în scopul utilizării energiei mareelor,ca o curiozitate, menţionăm ca prima turbină de acest tip, construită în Franţa, a fost amplasată la Saint-Malo unde încă funcţionau mori de maree medievale, în sec. II-III luând un avânt deosebit morile de apă şi cele acţionate de maree (se vorbea pe atunci despre „apa care face totul”).

Turbina Bulb prezintă actualmente o construcţie foarte compactă, având caracteristici optime de funcţionare în domeniul căderilor joase , corespunzătoare unor turaţii specifice ridicate şi unor debite foarte mari. Curgerea axială comportă numeroase avantaje. Repartiţia mai bună a vitezelor la alimentarea rotorului permite o creştere

30

Masini Hidraulice

a debitului specific, respectiv a puterii specifice, prin aceasta reducându-se diametrul rotorului şi dimensiunile maşinii în general, cu faţă de turbinele Kaplan.

Reducerea pierderilor hidraulice la intrare şi în tubul de aspiraţie asigură o creştere de randament (cu ). Coeficientul de cavitaţie mai redus se traduce printr-o adâncime mai mică a turbinei sau, la adâncimi egale, turaţiile sunt mai ridicate şi alternatorul mai economic. Avantajul principal al acestei turbine constă în aceea că investiţiile totale se reduc cu faţă de soluţia cu turbinele Kaplan .

Printre construcţiile cele mai de seamă se amintesc :Saint-Malo/Franţa La Rance/Franţa, Piere Benite/Franţa Altemworth/Austria Sakuma/Japonia Saratov/Rusia

În ţara noastră se remarcă în primul rând CHE Slatina-Olt, realizată în anul 1982, ce are următoarele caracteristici: ; ; ; tot pe Olt s-a construit CHE Ipoteşti, echipată ci patru turbine Bulb ( ; ; ), alte centrale gemene urmând a fi construite în continuare pe acelaşi râu. În fine, ca realizare deosebită se menţionează CHE Porţile de Fier II, în colaborare cu Zugoslavia, ce este echipată cu grupuri şi are parametrii: ; ; .

Elementele importante ale unei turbine Bulb, prezentate în fig.2.10 sunt: butucul rotorului (1) paletele aparatului director (3), paletele statorului (4), rotorul alternatorului (6), arborele turbinei şi al generatorului (7), capsula sau bulbul (8), lagărul axial (9), tubul de aspiraţie (10).

În evoluţia turbinei Bulb se distinge turbina cu bulbul în aval, ca cea de la Argentat/Franţa ( ; ; ) şi turbinele cu bulbul în amonte, cum sunt turbinele actuale. Bulbul amonte are numeroase avantaje faţă de bulbul aval şi anume: este mai scurt, ceea ce conduce la lucrări hidrotehnice mai ieftine, este mai uşor şi deci mai ieftin, randamentul este mai ridicat, iar durata demontării şi montării este mai scurtă.

31


a)

b)Fig. 3.10. Ansamblul turbinei bulb ( a și b)

32

Capitolul III.

Documents

Transcript of Capitolul III.