Turbine Hidraulice (1)

5. TURBINE HIDRAULICE

5.1. Clasificarea turbinelor i domeniile de utilizare ale turbinelor hidraulice

Energia hidraulic specific a turbinei, E n [J/kg], este energia specific a apei disponibil ntre seciunea de referin aS de la aspiraia turbinei hidraulice (seciunea

de nalt presiune) i seciunea de referin rS de la refularea turbinei (seciunea de

joas presiune):

( )rarara zzgppvvE ++=

2

22. (5.1)

Gradul de reaciune al unei turbine hidraulice1 se exprim prin relaia:

gH

ppE

pp rara=

=R , (5.2)

unde H este sarcina turbinei, sau cderea net a turbinei, definit drept sarcina net disponibil ntre seciunea de aspiraie, respectiv de refulare a turbinei, adic:

rarara zzgpp

gvv

gEH +

+==2

22. (5.3)

n funcie de tipul de energie transformat, turbinele hidraulice se clasific n trei

grupe distincte:

Turbine hidraulice care transform doar energia potenial specific de poziie, la care relaia (5.1) se reduce la expresia: ( )ra zzgE = i gradul de reaciune (5.2) este nul: 0=R , deoarece presiunea este constant i egal cu cea atmosferic ( )atra ppp == , iar vitezele n seciunile de referin a i r sunt neglijabile, sau au

1 vezi paragraful 3.1

Hidraulica reelelor de conducte i maini hidraulice 206

valori cvasi-egale, deci termenul cinetic din (5.1) se anuleaz, ( ) 0222 ra vv . n aceast categorie se ncadreaz roile de ap gravitaionale.

Turbine hidraulice cu aciune, care transform doar energia cinetic specific, la care relaia (5.1) se reduce la expresia: ( ) 222 ra vvE = i gradul de reaciune este nul:

0=R . n aceast categorie se ncadreaz: roile de ap cu aciune; turbinele hidraulice Pelton, respectiv Turgo; turbinele hidraulice transversale Bnki (sau Ossberger-Michell); turbinele eoliene; turbinele marine n curent transversal, de tip Darrieus, de tip Gorlov i de tip

Achard.

Turbinele hidraulice cu reaciune, care transform preponderent energia potenial specific de presiune i energia cinetic specific, la care relaia (5.1) se

poate reduce la expresia: ( ) ( ) + rara ppvvE 222 . n general, n cazul turbinelor cu reaciune, relaia (5.1) se aplic netrunchiat (gabaritul acestor turbine

este mare i termenul de poziie poate fi luat n considerare). Gradul de reaciune al

turbinelor hidraulice cu reaciune este subunitar: 10

cap.5. Turbine hidraulice

207

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

lg(Q) cu valorile debitului in [m3/s]

lg

(H) c

u valo

rile s

arcin

ii in [

m]

0,1 MW

1 MW

10 MW

100 MW

1000 MW

turbine Francis

turbine cu actiune

turbine Driaz

turbine axiale cu reactiune

izolinii de putere

Fig. 5.1 Domeniile de utilizare ale turbinelor hidraulice


Puterea turbinei, P, este puterea mecanic dat de arborele turbinei (adic puterea

util); aceast putere este mai mic dect puterea hidraulic, hP , disponibil la intrarea n turbin ( hP este puterea consumat). Relaia de definiie a puterii turbinei este:

== gQHPP h , (5.4) unde vmh = este randamentul total al turbinei hidraulice, obinut ca produs ntre randamentul hidraulic h , randamentul mecanic m i randamentul volumic v . n diagrama din figura 5.1, valorile puterii P au fost calculate considernd o valoare medie

a randamentului optim de 90%. n figura 5.2 sunt prezentate detaliat domeniile de utilizare ale turbinelor cu aciune

de tip Pelton (cu un injector, 2, 4 sau 6 injectoare), Turgo i Bnki (denumit i

Ossberger-Michell).

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5


lg

(H) c

u valo

rile s

arcin

ii in [

m]

0.1 MW 1 MW

10 MW

100 MW

1000 MW

turbine Peltonturbine Turgonumar de injectoareturbine Bnkiizolinii de putere

1 injector

2 injectoare4 injectoare

6 injectoare

Fig. 5.2 Domeniile de utilizare ale turbinelor hidraulice cu aciune


209

n figura 5.3 sunt prezentate detaliat domeniile de utilizare ale turbinelor axiale cu

reaciune, de tip Kaplan, bulb, Straflo i tubulare de tip S.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5


lg

(H) c

u valo

rile s

arcin

ii in [

m]

0,1 MW

1 MW

10 MW

100 MW

1000 MW

turbine tubulare tip S

turbine Kaplan

turbine bulb

turbine Straflo

izolinii de putere

Fig. 5.3 Domeniile de utilizare ale turbinelor hidraulice axiale cu reaciune

n procesul de proiectare al unei turbine hidraulice (vezi paragraful 3.3), se recomand

utilizarea turaiei specifice3, notat N i definit prin relaia (3.46):

( ) 4321

gHQnN = ,

n care turaia n este exprimat n [Hz], debitul Q n [m3/s], cderea net a turbinei H n

[m], iar acceleraia gravitaional g n [m/s2]. Turaia specific este un parametru

adimensional, care pentru turbine hidraulice variaz n intervalul: { },975 034,0 KN . Dac nu se cunoate debitul Q, ci se cunoate puterea P a turbomainii hidraulice,

3 Denumit n limba englez: specific speed.


msurat n [W], se recomand utilizarea turaiei specifice exprimat n funcie de

putere 4 , notat PN i definit prin relaia (3.48), care este, de asemenea, tot un

parametru adimensional. Dup cum s-a subliniat n paragraful 3.3, este preferabil

utilizarea unor parametri adimensionali pentru a caracteriza funcionarea mainilor

hidraulice.

Totui, n industria productoare de maini hidraulice, se utilizeaz preponderent nite

parametri dimensionali. Dintre acetia menionm rapiditatea dinamic, care, n

literatura de specialitate relativ recent [116; 173], este definit cu puterea mainii

hidraulice P exprimat5 n [kW], prin relaia:

( )

45

21 ][ ][

H

Pn

H

PHnn kWkWs kW == , (5.5)

unde turaia n este exprimat n [rot/min] i sarcina mainii hidraulice H n [m].

Unitatea de msur a rapiditii dinamice este [rot/min]. Fluidul turbinat fiind apa,

rezult c cei doi parametri din relaiile (3.48) i (5.5) sunt legai prin formula:

kWsP nN 006,0= . (5.6) Rapiditatea dinamic critic n kW, notat crs kWn i msurat n [rot/min], reprezint

valoarea critic superioar a rapiditii dinamice. Exist deci condiia: crss kWkW nn < . Rapiditatea dinamic critic este definit pentru principalele tipuri de turbin n funcie

de cderea net H, cu ajutorul urmtoarelor formule statistice [116]:

pentru turbina Pelton cu un singur injector [Siervo i Lugaresi, 1978]: 243,0

49,85H

n crs kW = , unde [ ]1000 ;50H m. (5.7) pentru turbina Bnki sau Ossberger-Michell [Kpordze i Warnick, 1983]: 505,0

25,513H

n crskW = , unde [ ]002 ;5,5H m. (5.8) pentru turbina Francis [Schweiger i Gregory, 1989]: 854,0

3763H

n crskW = , unde [ ]003 ;5H m. (5.9) 4 Denumit n limba englez: power specific speed. 5 n trecut, aceast rapiditate dinamic era definit cu puterea exprimat n cai putere [CP]. Era

notat sn , cele dou expresii fiind legate printr-un coeficient, ss nn kW 8575,0= sau kWss nn 166,1= , dat de relaia dintre puterea n CP i puterea n kilowatt: ][][ 36,1 kWCP PP = .


211

pentru turbina Kaplan [Schweiger i Gregory, 1989]: 486,0

2283H

n crskW = , unde [ ]05 ;5,5H m. (5.10) pentru turbina elicoidal [U.S. Bureau of Reclamation, 1976]: 5,0

2702H

n crskW = , unde [ ]55 ;9H m. (5.11) pentru turbina bulb [Kpordze i Warnick, 1983]: 2837,0

26,1520H

n crskW = , unde [ ]42 ;6H m. (5.12)

101 102 1030

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

nskWcr [rot/min]

H

[m]

turbina Pelton (5.7)turbina Pelton (5.13)turbina Bnki (5.8)

Fig. 5.4 Curbele limit ale cderii nete aferente turbinelor cu aciune, definite prin relaiile (5.7), (5.8) i (5.13)

Rapiditatea dinamic critic a turbinelor poate fi calculat i cu urmtoarele relaii,

citate din monografia profesorului Ioan Anton [7]:

pentru turbina Pelton [Hitachi Review]:

80025000+= Hn crskW , unde [ ]005 ;250H m. (5.13)


pentru turbina Francis [Hitachi Review]6: 50

2013000 ++= Hn crskW , unde [ ]005 ;30H m. (5.14)

pentru turbina Francis [F. de Siervo et al, 1976]: 625,0

3470H

n crskW = , unde [ ]005 ;30H m. (5.15)

101 102 1030

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

nskWcr [rot/min]

H

[m]

turbina Francis (5.9)turbina Francis (5.14)turbina Francis (5.15)turbina Driaz (5.16)

Fig. 5.5 Curbele limit ale cderii nete aferente turbinelor Francis i Driaz, definite prin relaiile (5.9) i (5.14) (5.16)

pentru turbina Driaz [Hitachi Review]: 50

2016000 ++= Hn crskW , unde [ ]501 ;40H m. (5.16)

pentru turbina Kaplan [Hitachi Review]: 50

2020000 ++= Hn crskW , unde [ ]07 ;30H m. (5.17)

6 relaie adoptat i de ctre CEI (Comisia Electrotehnic Internaional)


213

Pentru [ ]3,42 ;5,2H m, rapiditatea dinamic critic crs kWn a turbinelor bulb poate fi calculat i cu formula

3,01370H

n crskW , (5.18)

dedus dintr-o relaie propus de Anton et al [8, relaia (1.3)].

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

10

20

30

40

50

60

70

nskWcr [rot/min]

H

[m]

turbina Kaplan (5.10)turbina Kaplan (5.17)turbina elicoidala (5.11)turbina bulb (5.12)turbina bulb (5.18)

Fig. 5.6 Curbele limit ale cderii nete aferente turbinelor axiale cu reaciune, definite prin relaiile (5.10) (5.12), (5.17) i (5.18)

Reprezentarea grafic a formulelor statistice (5.7) (5.18) permite vizualizarea curbelor limit ale cderii nete aferente turbinelor hidraulice respective (figurile 5.4 5.6). Se recomand ca valoarea cderii nete s nu depeasc curba limit aferent tipului de

turbin considerat.


5.2. Roi de ap gravitaionale

Din antichitate i pn n secolul al XVIII-lea, roile de ap au fost cele mai rspndite

turbine hidraulice. Roile de ap gravitaionale (figura 5.7) utilizeaz energia poten-

ial de poziie a cursurilor de ap.

Fig. 5.7 Roi de ap gravitaionale [Muzeul Satului, Bucureti]

Roile de ap gravitaionale au arbore orizontal i un rotor cu diametru mare, de acelai

ordin de mrime cu cderea care este prelucrat. Rotorul este alctuit din pale drepte sau

simplu curbate, prinse la periferia rotorului ntre dou coroane circulare (fixarea palelor

este paralel cu axul i sub un unghi de atac potrivit). Aceste roi de ap sunt alimentate

n partea superioar a rotorului, n general, n punctul cel mai ridicat, n care roata

admite o tangent orizontal, sau ntr-un punct situat pe circumferina roii la circa 75%

distan fa de baza acesteia.


215

5.3. Turbine hidraulice cu aciune

5.3.1. Roi de ap cu aciune

Roile de ap cu aciune (figura 5.8) utilizeaz energia cinetic a cursurilor de ap.

n cazul n care nu este disponibil o cdere de ap (n zone cu pant lin), dar debitul

apei este constant i suficient, pot fi utilizate roi de ap cu arbore orizontal, la care

accesul apei este efectuat la partea inferioar a rotorului (figura 5.8.a). Roata de ap din

figura 5.8.a are rotorul alctuit dintr-o coroan circular pe a crei circumferin sunt

montate pale drepte (fusul fiecrei pale este fixat radial). Apa lovete palele la partea

inferioar a rotorului, imprimnd acestuia o micare de rotaie. Randamentul obinut cu

acest tip de roat de ap este foarte mic.

(a)

(b)

Fig. 5.8 Roi de ap cu aciune [Muzeul Satului, Bucureti]: (a) rotor cu pale drepte; (b) rotor cu cupe i jgheab nclinat care dirijeaz jetul de ap ctre cupe


n figura 5.8.b este prezentat o roat de ap cu aciune cu arbore orizontal, al crei

rotor este prevzut cu cupe (sculptate n lemn). Un jgheab nclinat dirijeaz jetul de ap

ctre cupe, la partea superioar a rotorului. Aceast roat de ap seamn cu o turbin

Pelton, doar c are cupe simple, confecionate cu o singur concavitate.

5.3.2. Turbina Pelton

n anul 1880, Lester Allan Pelton7 a brevetat turbina cu aciune, care ulterior avea s fie

denumit turbina Pelton: o turbin cu cupe rotorice profilate astfel nct s permit

divizarea jetului i devierea simetric a celor dou subjeturi rezultate. nc din 1883,

aceast turbin a atins un randament de 90,5%.

Turbinele Pelton sunt utilizate n domeniul debitelor mici { }38 1 KQ m3/s, respectiv al cderilor mari i foarte mari { }8691 05 KH m. Puterea obinut variaz n intervalul { }234 ,440 K MW, iar randamentele optime au valori maxime de 93%. Plaja de variaie a rapiditii dinamice este: { }58 14 KkWsn rot/min. Turaia specific variaz n intervalul: { }0,422 0,034 KN . Microturbinele Pelton au domeniul de utilizare redus la zona debitelor foarte mici

{ }1 ,020 KQ m3/s i cderilor mari, { }004 03 KH m. Randamenul optim are valori de circa 90%, iar puterea obinut este foarte mic: { }0001 2 KP kW. Rapiditatea dinamic variaz n intervalul: { }53 20 KkWsn rot/min, iar turaia specific este: { }0,335 0,126 KN . Turbina Pelton are un rotor prevzut cu un numr mare de cupe profilate, dispuse pe

circumferina unui disc circular (figura 5.9). Apa este distribuit ctre cupe (figura

5.10.a) cu ajutorul unor injectoare (figura 5.10.b). O turbin Pelton are cel puin un

injector; poate avea maxim 6 injectoare. n general arborele turbinei Pelton este vertical,

iar jeturile de ap au aceeai vitez, fiind situate n plan orizontal. Principiul de

funcionare al turbinei Pelton este descris n paragraful 3.5.2.

7 nscut: 1829, n Vermillion, Ohio; decedat: 1908


217

Fig. 5.9 Rotor de turbin Pelton8 [CHE Lotru Ciunget, iulie 2003]

(a) (b)

Fig. 5.10 (a) Cupele rotorului unei turbine Pelton [CHE Dobreti, noiembrie 2003]; (b) Injectoare de turbin Pelton [CHE Moroieni, noiembrie 2003]

n figura 5.11. este prezentat schema unei turbine Pelton cu 4 injectoare: accesul apei

n turbin este realizat printr-o singur conduct de aduciune, care nconjoar turbina, distribuind apa ctre injectoare. Alimentarea turbinelor mari, cu 4 sau 6 injectoare, 8 n curtea hidrocentralei de la Lotru Ciunget este expus unul dintre rotoarele cu 20 de cupe,

fabricat de Neyrpic n 1972.


poate fi realizat prin dou conducte de distribuie, dispuse simetric fa de axa turbinei,

fiecare alimentnd jumtate din numrul de injectoare. Jeturile de ap lovesc cupele,

imprimnd o micare de rotaie rotorului, cu viteza unghiular . Apa cade apoi n bazinul de refulare (cuv cu suprafa liber) de sub rotor, de unde este evacuat

printr-un canal de fug.

Fig. 5.11 Schema turbinei Pelton cu 4 injectoare: (1) conduct de aduciune; (2) injector; (3) jet de ap; (4) cup rotoric; (5) rotor; (6) bazin de refulare

Diametrul caracteristic al rotorului turbinei Pelton este notat extD (figura 5.12) i

reprezint diametrul tangent la axa jetului de ap. Injectorul turbinei Pelton este

prevzut la ieire cu un ajutaj profilat, de diametru d (figura 5.12). Jetul de ap are

diametrul contractat cd la ieirea din ajutaj, unde ( )ddc 95,0 91,0 K= . Variaia debitului Q este realizat cu ajutorul acului injectorului, cruia i se imprim o micare

de translaie (de la stnga ctre dreapta n figura 5.12): debitul este nul cnd acul de afl

la captul din dreapta al cursei i obtureaz complet orificiul; debitul este maxim cnd

acul este situat la limita din stnga a cursei.

Pentru oprirea turbinei sau pentru variaia brusc a debitului fr a crea suprapresiuni n

conducta de distribuie a apei, este utilizat un deflector (figura 5.12).


219

Fig. 5.12 Aciunea jetului asupra cupelor rotorice: (1) injector; (2) acul injectorului; (3) ajutajul injectorului; (4) deflector; (5) cupe rotorice

Deflectorul are o suprafa curbat i prin rotire (coborre) permite tierea i devierea

jetului de ap ntr-un timp foarte scurt, jetul fiind astfel dirijat direct ctre bazinul de

refulare de dedesubt. Pentru oprirea curgerii apei, acul injectorului va obtura lent

orificiul dup devierea jetului. Turbina Pelton este prevzut i cu un injector de

frnare, al crui jet acioneaz pe dosul cupelor pentru a facilita frnarea brusc (aceast

frnare este necesar, deoarece la turaii mici, se distruge filmul de ulei din lagre).

Forma cupei rotorului turbinei Pelton este foarte complex (figura 5.13): cupa prezint

dou concaviti simetrice, reunite de-a lungul muchiei de intrare ascuite (1), aflate pe

axa de simetrie. Pentru a evita apariia ocului la angajarea unei cupe n jetul de ap, s-a

realizat tietura (3) de la intrare, n vrful cupei. Jetul de ap de diametru cd se divide

de-a lungul muchiei de intrare; cele dou subjeturi formate sunt dirijate simetric ctre

muchiile de ieire (2), situate de-o parte i de alta a cupei (vezi paragraful 3.5.2).

Dintre centralele hidroelectrice (CHE) dotate cu turbine Pelton cu arbore vertical,

menionm urmtoarele:

CHE Bieudron din Elveia, echipat cu 3 turbine cu cte 5 injectoare (rotor cu 26 de cupe, diametrul rotorului de 4,63 m), puse n funciune n anul 1998. Puterea unei


turbine este de 423 MW, deci puterea instalat n central este de 1269 MW. Cderea

net este de 1869 m, iar debitul nominal al unei turbine este de 25 m3/s. CHE Bieudron9

deine dou recorduri mondiale: pentru cea mai mare cdere net prelucrat ntr-o

central hidroelectric i pentru cea mai mare putere a unei turbine Pelton.

Fig. 5.13 Cupa rotorului turbinei Pelton (vedere lateral, frontal i transversal): (1) muchia de intrare; (2) muchii de ieire; (3) tietura de la intrarea n cup

CHE Lotru Ciunget din Romnia, o central subteran echipat cu 3 turbine Pelton cu cte 6 injectoare. n anul 1972, au fost puse n funciune turbinele echipate cu rotoare

construite de ctre Neyrpic, rotoare cu cte 20 de cupe (figura 5.9). ntre 1996 i 2002,

rotoarele turbinei au fost nlocuite10 cu rotoare produse de ctre Sulzer, noile rotoare

avnd cte 21 de cupe, la acelai diametru de 2,95 m al rotorului. Puterea nominal a

unei turbine este de 170 MW, debitul nominal al unei turbine este de 26,67 m3/s,

respectiv turaia de sincronism este de 375 rot/min. Puterea instalat n central este de

510 MW, iar debitul instalat de 80 m3/s. n prezent, cderea brut este de 792,5 m 9 CHE Bieudron este amplasat n Alpii Elveieni, n Cantonul Valais i aparine amenajrii

hidroenergetice complexe Cleuson Dixence. 10 Pn n prezent au fost nlocuite numai rotoarele turbinelor, ns lucrrile de retehnologizare

aferente celorlalte echipamente din CHE Lotru Ciunget vor demara n anul 2008.


221

(calculat ca diferen ntre nivelul normal de retenie de 1289 mdM din lacul Vidra i

cota de 496,5 mdM de la ieirea apei din injectoare). Cderea brut maxim este de 809

m. Pierderile de sarcin hidraulic pe circuitul hidraulic principal sunt de circa 40 m n

condiii nominale de funcionare. Randamentul maxim al turbinelor este de 92%.

CHE Dobreti, pe rul Ialomia, o central mic, cu valoare istoric, echipat cu 4 turbine Pelton (figura 5.10.a), a cte 4 MW, puse n funciune n 1930! Puterea instalat

n central este de 16 MW, debitul instalat de 7 m3/s, iar cderea brut de 305 m.

CHE Moroieni, pe rul Ialomia, este echipat cu 2 turbine Pelton (figura 5.10.b), a cte 7,5 MW (PIF11 1953). Puterea instalat n central este de 15 MW, debitul instalat

de 8,5 m3/s, iar cderea brut de 232 m.

Menionm i o CHE dotat cu turbine Pelton cu arbore orizontal, anume:

CHE Oschenik III din Austria, echipat cu 5 turbine Pelton cu cte 2 injectoare (cu un diametru al rotorului de 1,825 m). Puterea unei turbine este de 42,8 MW, deci

puterea instalat n central este de 214 MW. Cderea net este de 1130 m.

5.3.3. Turbina Turgo

Turbina Turgo a fost inventat n 1920 de ctre Eric Crewdson. Turbina Turgo (figura

5.14) este mai mic i mai ieftin dect o turbin Pelton de aceeai putere. Rotorul

turbinei Turgo (2) are pale lungi, dublu curbate, care formeaz o singur concavitate;

palele sunt montate n jurul arborelui vertical (4). Deoarece palele rotorice sunt fragile,

rotoarele au diametru mic. Axa injectorului (1), deci i axa jetului de ap, este nclinat

n raport cu planul orizontal al rotorului. Jetul de ap lovete cupele rotorice, imprimnd

rotorului micarea de rotaie: apa este rotit cu circa 145 de grade ntre intrarea i ieirea

din pale. Exist i variante constructive cu mai multe injectoare.

Turbinele Turgo sunt utilizate n domeniul debitelor mici { }01 1 KQ m3/s i al cderilor mari { }602 05 KH m (conform figurii 5.2). Puterea obinut variaz n intervalul { },44 ,440 K MW, iar randamentele optime au valori maxime de 90%. Plaja

11 PIF = punere n funciune


de variaie a rapiditii dinamice este: { }33 22 KkWsn rot/min. Turaia specific este: { }0,211 0,137 KN .

Fig. 5.14 Turbina Turgo: (1) injector; (2) rotorul tubinei; (3) hidrogenerator electric; (4) arbore vertical

5.3.4. Turbina Bnki sau Ossberger-Michell

n anul 1917, Dont Bnki12 a inventat o turbin cu aciune, cu arbore orizontal, la care

apa trece de dou ori printre pale. Rotorul cilindric al turbinei (figura 5.15) este alctuit

din dou discuri circulare, distanate unul de ceallalt, fixate perpendicular pe arbore;

ntre aceste discuri, pe coroana circular exterioar a fiecrui disc, sunt montate pale

paralele cu axul orizontal; palele sunt simplu curbate.

Admisia apei este realizat radial, la partea superioar a rotorului, printr-un jet plan,

orientat cu ajutorul unei clapete, sub un unghi de 16 n raport cu planul orizontal

tangent la rotor. La intrarea n rotor, apa trece printre pale, strbate apoi zona central

12 nscut: 1859 la Bnk, Ungaria; decedat: 1922

1

Q

2

3

4


223

nepaletat de lng arbore, apoi trece a doua oar printre palele rotorice i iese din rotor.

Deci micarea apei este centripet la intrarea n rotor i centrifug la ieirea din rotor.

Fig. 5.15 Rotorul turbinei Bnki: (1) arbore; (2) disc circular de susinere a palelor; (3) pal orizontal, simplu curbat

Pe la nceputul anilor 20, germanul Fritz Ossberger a ncercat s gseasc o soluie

pentru a produce energie n mod economic. S-a asociat cu australianul A. G. M. Michell

i au proiectat mpreun o turbin cu aciune pentru cderi medii, cu acelai principiu de

funcionare ca i cel al turbinei inventate de Bnki. Turbina proiectat de Ossberger i

Michell a fost brevetat n Germania, n anul 1922, sub denumirea de turbin cu jet liber, n englez: Free Jet Turbine (Imperial Patent No. 361593/ 1922). Ossberger a

mbuntit forma clapetei curbate care dirijeaz jetul la admisia apei ctre rotor. n anul

1933, Ossberger i Michell au brevetat varianta mbuntit a turbinei i au denumit-o

turbin transversal, n englez: Cross Flow Turbine (Imperial Patent No. 615445/ 1933).

n prezent, acest tip de turbin cu jet liber i admisie radial poart dou denumiri: turbina Bnki, respectiv turbina Ossberger-Michell. Admisia apei n rotor poate fi

realizat pe direcie orizontal, sau pe direcie vertical, ca n figura 5.16.

Domeniul de utilizare acoper o plaj larg a debitului, { }10 02,0 KQ m3/s, pentru cderi mici i mijlocii, { }200 1 KH m. Puterea variaz n intervalul { }1500 1 K kW, iar randamentele optime au valori ridicate, { }86 08 K %. Rapiditatea dinamic variaz n intervalul: { }513 35 KkWsn rot/min, iar turaia specific are valorile:

{ }3,44 0,226 KN .


Turbina Ossberger-Michell (Bnki) este superioar altor turbine n ceea ce privete

funcionarea la sarcini pariale (funcionarea n afara regimului optim, la valori ale debitului Q diferite de debitul optim optQ ). Aceast turbin este mprit n mai multe

compartimente n funcie de valoarea debitului optim (rotorul, care n acest caz este mai

mare pe direcie logitudinal dect cel din figura 5.15, este compartimentat cu ajutorul

unor discuri interioare, paralele cu discurile de la extremiti).

(a)

(b)

Fig. 5.16 Turbina Bnki (Ossberger-Michell): (a) admisia apei pe direcie orizontal; (b) admisia apei pe direcie vertical

Fig. 5.17 Compartimentarea rotorului turbinei Ossberger-Michell, pentru: (a) debite mici; (b) debite medii; (c) debite mari

n general, o astfel de turbin este divizat n dou compartimente, n raport de 1:2

(adic un compartiment are un volum egal cu o treime din volumul total i cellalt

compartiment are un volum egal cu dou treimi din volumul total). Astfel,

compartimentul mai mic (figura 5.17.a) este utilizat la debite mici, de exemplu n

intervalul 310 < optQQ (n aceast caz, ncepnd de la 61=optQQ , se


225

nregistreaz un randament de peste 70%, iar n intervalul 3151 < optQQ , se obine un randament de circa 80%). Cel de-al doilea compartiment, dublu ca mrime (figura

5.17.b), este utilizat pentru debite medii, acoperind intervalul 320 < optQQ (n aceast caz, n intervalul 3231 < optQQ , se obine un randament cuprins ntre 80% i 82%). Pentru debite mari sunt utilizate simultan ambele compartimente ale turbinei

(figura 5.17.c), putnd fi deci acoperit tot intervalul de variaie a debitului:

10 < optQQ (n aceast caz, se obine un palier de randament de circa 81%, pentru o variaie mare a debitului turbinat, n intervalul 145,0 < optQQ ). Turbina Ossberger-Michell (Bnki) este o turbin ieftin, uor de fabricat i uor de

exploatat, fiind produs i n prezent pentru microhidrocentrale. De exemplu, n

2004, la Gants Mill din U.K., a fost pus n funciune o turbin Ossberger-Michell, care

produce o putere de pn la 12 kW.

5.4. Turbine hidraulice cu reaciune

5.4.1. Turbine axial-radiale

Utilizarea energiei poteniale de presiune, alturi de energia cinetic i de energia

potenial de poziie a fost posibil numai dup dezvoltarea teoriei mainilor

hidraulice: Daniel Bernoulli13 i Leonhard Euler14 au contribuit la dezvoltarea turbinelor

hidraulice, prin elaborarea bazelor teoretice ale hidrodinamicii n prima jumtate a

secolului al XVIII-lea.

Prima turbin hidraulic cu reaciune a fost inventat de ctre Johann Andreas von

Segner15, n perioada 1735-1755, cnd a fost profesor de matematic la Gttingen.

Segner a utilizat studiile teoretice asupra efectului de reaciune ale lui D. Bernoulli i a

proiectat un rotor de turbin, denumit ulterior rotorul Segner, bazat pe urmtorul

13 nscut: 8 februarie 1700 la Groningen, Olanda; decedat: 17 martie 1782 n Basel, Elveia 14 nscut: 15 aprilie 1707 n Basel, Elveia; decedat: 18 septembrie 1783 la St Petersburg, Rusia 15 Jnos Andrs Segner n limba maghiar; nscut: 9 octombrie 1704 n Pozsony, Ungaria (acum

Bratislava, Slovacia); decedat: 5 octombrie 1777 n Halle, Prusia (acum Germania)


principiu de funcionare: curentul de ap iese dintr-un cilindru prevzut la partea

inferioar cu cteva pale orizontale, curbate ntr-o singur direcie; apa care trece printre

pale produce o contrapresiune capabil s roteasc cilindrul n direcia opus.

Studiile lui Segner l-au influenat pe Euler, care a abordat i hidrodinamica turbinelor

hidraulice. Astfel, Euler a stabilit ecuaiile micrii apei i puterii hidraulice i le-a

aplicat la primul prototip de turbin cu reaciune. De asemenea, Euler a emis idea

utilizrii unui aparat director i a ntocmit proiectul unei turbine cu reaciune cu camer deschis i rotor.

ntre 1824 i 1834, profesorul de mecanic Jean-Victor Poncelet16 a studiat turbinele cu

reaciune i roile de ap n scopul mbuntirii randamentului acestora. Turbina

Poncelet avea rotor cu pale curbate, amplasate la periferia unei coroane circulare.

Admisia apei era efectuat ctre partea inferioar a rotorului, pe o direcie nclinat, iar

palele rotorice erau curbate astfel nct intrarea apei s fie fr oc. A fost primul rotor a

crui proiectare inea seama de principiile avansate ale hidrodinamicii curgerii n rotor.

Benot Fourneyron17 a brevetat n 1834 prima turbin hidraulic nchis, denumit

turbina Fourneyron, prima turbin cu reaciune modern, aplicabil la cderi

cuprinse ntre 30 cm i cteva zeci de metri. Fourneyron a amenajat n 1837 o cdere de

112 m; apa ajungea cu o vitez de 46 m/s ntr-un rotor, producnd o putere de 45 kW.

Turbina Fourneyron este o turbin axial-radial (figura 5.18), cu arbore vertical (1),

cu aparat director (3) i rotor cu pale fixe (4): apa dintr-o camer deschis intr axial n

palele directoare (curbate ntr-un singur plan) i iese radial din aparatul director, apoi

trece printre palele rotorului (care sunt de asemenea simplu curbate, dar invers fa de

palele directoare, conform figurii 5.18.b). Turbina Fourneyron nu are aspirator, ieirea

apei din rotor efectundu-se centrifug, deasupra suprafeei libere dintr-un bazin de

refulare, sau sub suprafaa liber a bazinului (n ambele cazuri, randamentul fiind bun);

nchiderea turbinei este realizat prin coborrea unei vane cilindrice (2), situat amonte

de rotor, la periferia aparatului director.

16 nscut: 1 iulie 1788, la Metz, Frana; decedat: 22 decembrie 1867 la Paris 17 nscut: 31 octombrie 1802 la Saint-tienne, Frana; decedat: 31 iulie 1867 la Paris


227

Randamentul acestei turbine scade brusc la sarcini pariale (adic la funcionarea n afara regimului optim). Se menioneaz c turbinele Fourneyron au fost folosite i dup

apariia turbinelor Francis (de exemplu, n 1895, au fost instalate turbine Fourneyron la

centrala hidroelectric Niagara Falls, USA).

(a)

(b)

Fig. 5.18 Turbina Fourneyron n (a) seciune transversal i (b) vedere n plan paralel: (1) arbore; (2) van cilindric; (3) pal directoare; (4) pal rotoric

n 1844, Uriah Atherton Boyden18 a proiectat i brevetat o turbin axial-radial, o

variant mbuntit a turbinei Fourneyron: turbina Boyden are o camer deschis

tronconic, care imprim apei o micare elicoidal la intrarea n turbin i asigur o

intrare fr oc n palele directoare; la ieirea centrifug a apei din rotor, apa intr

ntr-un difuzor (aspirator), care recupereaz o parte din energia cinetic; n plus, Boyden

a mbuntit vana cilindric care regleaz debitul la intrarea n rotor. ntre 1844 i

1846, patru turbine Boyden au fost instalate la Appleton Mills n Lowell, USA.

Randamentul optim al turbinei Boyden, estimat iniial la 78%, a fost depit, atingnd

88% la Appleton Mills. Turbina Boyden s-a dovedit a fi scump, ns oferea

randamente ridicate i fiabilitate n exploatare.

Succesul acestei noi turbine s-a resimit prin anii 50, cnd morile de ap din industria

textil din New England, USA, au nlocuit vechile roi de ap gravitaionale, cu turbine

18 nscut: 27 februarie 1804 n Foxborough, Massachusetts, USA; decedat: 17 octombrie 1879

n Boston, USA


Boyden. Printre susintorii acestei turbine s-a numrat i James Bicheno Francis19,

inginer ef la Locks & Canals Company, n Lowell. Francis a colaborat cu Boyden la

proiectarea turbinelor pentru morile de ap din Lowell.

5.4.2. Turbina radial-axial Francis

Cel mai important rezultat al colaborrii dintre James B. Francis i Uriah A. Boyden a

fost elaboararea unei turbine radial-axiale, care combina proiectul iniiat de Samuel B.

Howd20 pentru o turbin cu intrare radial i ieire axial, cu elemente ale turbinei

Boyden. Astfel, n 1949 a fost brevetat turbina radial-axial cu reaciune denumit

turbina Francis.

n prezent, domeniul de utilizare a turbinelor Francis este foarte vast. Turbinele

Francis acoper o plaj foarte larg a debitului, { }089 1 KQ m3/s, pentru cderi mijlocii i mari { }057 11 KH m. Puterea obinut variaz n intervalul { }809 ,50 K MW, iar randamentele optime au valori foarte ridicate, maximul atins fiind de 95,6%. Puterea maxim propus de firmele productoare de tubine este de 978

MW i corespunde unor perechi de valori { }HQ, situate ntre { }m 300 ,/sm 350 3 i { }m 071 ,/sm 809 3 , pentru un randament 95,0= . Plaja de variaie a rapiditii dinamice este: { }485,5 13,2 KkWsn rot/min. Turaia specific variaz n intervalul:

{ }2,97 0,082 KN . Microturbinele Francis au domeniul de utilizare redus la zona debitelor mici

{ }1 ,050 KQ m3/s i cderilor mijlocii, { }051 02 KH m. Randamenul optim are valori mai sczute, de circa 85%, puterea obinut fiind: { }0251 8 KP kW. Rapiditatea dinamic variaz n intervalul { }291,4 52 KkWsn rot/min, iar turaia specific este: { }1,896 0,338 KN . 19 nscut: 18 mai 1815 n Southleigh, Anglia; decedat: 18 septembrie 1892 n Lowell,

Massachusetts, S.U.A. 20 Turbina radial-axial a fost pentru prima dat brevetat n SUA de ctre Samuel B. Howd, n

1838, dar proiectarea acesteia a fost mult mbuntit de ctre James B. Francis, care ulterior a brevetat turbina care i poart numele.


229

Forma rotorului turbinelor Francis variaz n funcie de rapiditate. Astfel, se disting:

turbine Francis lente (figura 5.19), pentru valori mici ale rapiditii dinamice: 6,128kWsn sau 150sn rot/min; corespund debitelor mici i cderilor mari;

turbine Francis normale (figura 5.20), pentru valori medii ale rapiditii dinamice: 4,2146,128 < kWsn sau 250150 < sn rot/min, la debite i cderi medii;

turbine Francis rapide, pentru valori mari ale rapiditii dinamice: 4,214>kWsn sau 250>sn rot/min; corespund debitelor mari i cderilor mici.

Fig. 5.19 Turbina Francis lent: (1) camer spiral metalic; (2) stator; (3) rotor; (4) arbore vertical; (5) lagr radial; (6) mecanism de acionare a aparatului director; (7)

aparat director radial; (8) aspirator cotit

Traseul hidraulic al turbinei Francis cuprinde urmtoatele elemente (figurile 5.19 i

5.20): camera spiral (1), alimentat din conducta forat a amenajrii hidroelectrice; camera spiral are seciune circular i este confecionat prin sudarea unor virole

metalice; statorul (2) cu pale fixe, care imprim apei o micare elicoidal, respectiv care

rigidizeaz camera spiral; aparatul director (7) ale crui pale sunt reglate cu ajutorul

mecanismului de acionare (6), asigurnd variaia debitului ntre valoarea zero (aparat

director complet nchis) i valoarea maxim (aparat director complet deschis); poziiile


palelor directoare i mrimile care le caracterizeaz sunt detaliate n figura 5.22; rotorul

(3) cu un numr mare de pale fixe, dublu curbate; respectiv aspiratorul cotit (8), care

dirijeaz apa ctre bazinul de refulare din aval.

Fig. 5.20 Turbina Francis normal: (1) camer spiral metalic; (2) stator; (3) rotor; (4) arbore vertical; (5) lagr radial; (6) mecanism de acionare a aparatului director; (7)

aparat director radial; (8) aspirator cotit

(a) (b)

Fig. 5.21 Rotoare de turbin Francis: (a) rotor lent [CHE Vidraru, iulie 2004]; (b) rotor normal [CHE Brdior, iulie 2003]


231

Rotorul Francis lent are urmtoarele caracteristici (figurile 5.19 i 5.21.a): nlime

mic a palei la intrare (nlime egal cu nlimea aparatului director, 0B ); pal rotoric

lung, deci rotorul are diametru periferic mare (implicit, randamentul hidraulic este mai

slab, deoarece cresc pierderile de sarcin hidraulic n rotor); muchia de intrare are

acelai diametru i pe coroana exterioar a rotorului (situat la partea de jos a palelor) i

pe coroana interioar a rotorului (situat la partea superioar a palelor); raportul dintre

diametrul rotorului la intrarea n pale i diametrul caracteristic extD al rotorului este

supraunitar (diametrul caracteristic al rotorului turbinei Francis este diametrul coroanei

exterioare la ieirea din pale).

(a) (b)

Fig. 5.22 Aparat director: (a) pale directoare prinse de inelul de reglare, n poziie deschis; (b) definirea deschiderii 0a i unghiului palei de aparat director 0 n poziie

deschis, respectiv prezentarea palelor n poziie nchis

Rotorul Francis normal are urmtoarele caracteristici (figurile 5.20 i 5.21.b): nlime

mare a palei la intrare; pal rotoric mai scurt i rotor cu diametru periferic mai mic

dect rotorul lent; muchia de intrare are pe coroana exterioar a rotorului un diametru

mai mare dect pe coroana interioar; raportul dintre diametrul rotorului la intrarea n

pale pe coroana interioar i diametrul caracteristic extD al rotorului este subunitar;

raportul dintre diametrul rotorului la intrarea n pale pe coroana exterioar i diametrul

caracteristic extD al rotorului este cvasi-unitar.

Rotorul Francis rapid are urmtoarele caracteristici: nlime mare a palei la intrare;

pal rotoric scurt i rotor cu numr mai mic de pale; muchia de intrare are pe coroana

exterioar a rotorului un diametru mai mare dect pe coroana interioar; raportul dintre


diametrul rotorului la intrarea n pale pe coroana interioar i diametrul caracteristic

extD al rotorului este subunitar; raportul dintre diametrul rotorului la intrarea n pale pe

coroana exterioar i diametrul caracteristic extD al rotorului este subunitar. Acest rotor

poate fi caracterizat drept rotor diagonal cu coroan exterioar (spre deosebire de rotorul turbinei diagonale Driaz, care nu are coroan exterioar).

n figurile 5.23 i 5.24 sunt prezentate diferite forme constructive ale aspiratorului,

anume aspirator cotit, respectiv aspirator tronconic rectiliniu, n funcie de poziia

arborelui turbinei Francis. Sunt specificate nlimile de aspiraie sH corespunztoare,

calculate ca diferen ntre nivelul de referin refz al turbinei i nivelul suprafeei

libere ez din bazinul de refulare.

Fig. 5.23 Turbina Francis cu arbore orizontal (a) cu aspirator cotit; (b) cu aspirator rectiliniu: (1) arbore; (2) camer spiral metalic; (3) aspirator; (4) bazin de refulare

Dintre centralele hidroelectrice dotate cu turbine Francis cu arbore vertical,

menionm urmtoarele:

CHE Itaip, o central binaional pe fluviul Paran, la grania dintre Brazilia i Paraguay, echipat cu 18 turbine Francis (PIF ntre anii 1984 i 1991). Puterea unei

turbine este de 700 MW, deci puterea instalat n central este de 12600 MW, ceea ce


233

constituie recordul mondial de putere instalat ntr-o CHE. Cderea net este de

118,4 m, iar debitul nominal pe grup este de 645 m3/s. n 2000, producia de energie

anual a CHE Itaip a depit 93,4 TWh, asigurnd 95% din consumul energetic din

Paraguay i 24% din consumul energetic din Brazilia. Puterea instalat n CHE Itaip va

fi mrit la 14000 MW, dup punerea n funciune a dou noi hidroagregate, a cror

construcie a nceput n 2001.

Fig. 5.24 Turbina Francis cu arbore vertical (a) cu aspirator cotit; (b) cu aspirator rectiliniu: (1) arbore; (2) camer spiral metalic; (3) aspirator; (4) bazin de refulare

CHE Three Gorges, pe fluviul Yangtze din China. Three Gorges este cea mai mare amenajare hidroenergetic din lume. Construcia sa a nceput n 1993 i va fi

finalizat n 2009. Barajul a fost deja construit21. Au fost construite dou cldiri ale

acestei imense hidrocentrale, ctre malurile fluviului, de-o parte i de alta a fronturilor

deversante (de 484 m lungime) din centrul fluviului. CHE Three Gorges va fi echipat

pn n 2009 cu 26 de turbine Francis. Puterea unei turbine este de 700 MW. Diametrul

exterior al rotorului este de 10 m, iar greutatea acestuia de 450 tone. Producia de

energie a nceput n 2003, cu 11 hidroagregate funcionale. Puterea instalat n central

21 Construcia barajului Three Gorges a nceput n 1994 i s-a terminat n mai 2006. La sfritul

anului 2003, cnd nivelul apei n lac atinsese cota de 156 m, a nceput producerea de energie prin turbinare. Barajul va fi complet operaional abia n 2009, cnd apa din lac va atinge cota de 175 m i toate cele 26 de hidroagregatele vor fi puse n funciune. Ca volum, este cel mai mare baraj din lume: un baraj de greutate din beton, de 185 m nlime i cu o lungime de 2309 m a coronamentului ! Volumul lacului de acumulare este estimat la 39300 de milioane de m3 (limea medie a lacului: 1,1 km; lungimea lacului: peste 600 km !). Un sistem de ecluze cu dou sensuri este funcional din 2004.


n anul 2006 a fost de 9800 MW (cu 14 turbine n funciune), ns puterea instalat va

atinge valoarea de 18200 MW n 2009, cnd toate cele 26 de turbine vor fi funcionale,

ceea ce va constitui urmtorul record mondial de putere instalat ntr-o CHE.

Producia medie de energie anual a se estimeaz la valoarea de 84,7 TWh.

Amenajarea hidroenergetic Grand Coulee Dam pe fluviul Columbia din S.U.A., format din trei CHE i o CHEAP22, n prezent avnd o putere total instalat de 6809

MW i o producie medie de energie anual de 21 TWh, este cea mai mare

productoare de energie hidroelectric din SUA i se situeaz printre cele mai mari

din lume. Construcia barajului23 Grand Coulee a nceput n 1933 i a fost finalizat n

1941. Primele dou centrale hidroelectrice construite, Grand Coulee I n partea stng,

respectiv Grand Coulee II n partea dreapt a fluviului, sunt echipate cu 18 turbine

Francis a cte 125 MW fiecare (cte 9 turbine n fiecare central), respectiv cu 3 turbine

Francis mici, a cte 10 MW (amplasate doar n prima central, pentru serviciile proprii

ale amenajrii), cu PIF ntre anii 1941 i 1950. Cderea net a centralelor este de 99 m.

n anul 1973 au fost puse n funciune 6 turbine-pompe ntr-o CHEAP anexat

centralelor existente. Puterea instalat n CHEAP este de circa 305 MW (2 grupuri x

49,6 MW i 4 grupuri x 51,5 MW). n amenajarea hidroenergetic Grand Coulee Dam,

a fost inclus i o a treia central hidroelectric, Grand Coulee III, dotat cu 6 turbine

Francis (PIF 19751980). CHE Grand Coulee III are 3 grupuri x 600 MW (fiecare putnd atinge i 690 MW) i 3 grupuri x 805 MW, ultimele trei (cu diametrul rotorului

de 9,26 m) deinnd recordul mondial de putere al unei turbine Francis. Puterea

instalat n CHE Grand Coulee III este de 4215 MW (i poate atinge 4485 MW).

Recent, cele 18 turbine Francis din CHE Grand Coulee I i II au intrat ntr-un nou

proces de retehnologizare. Prima dintre turbinele retehnologizate, la repunerea n

funciune n 2001, a atins un randament maxim de 95,6% la o cdere de 97 m

(randament superior valorii de 92% obinut anterior la aceeai cdere). Valoarea

randamentului maxim obinut pentru turbinele Francis retehnologizate constituie un

record mondial: nu numai c este cel mai mare randament al unei turbine Francis,

ci este i cel mai mare randament obinut cu o turbin hidraulic.

22 Central HidroElectric cu Acumulare prin Pompare 23 Pn la apariia barajului Three Gorges din China, barajul Grand Coulee a fost cel mai mare

baraj de greutate din beton din lume. La terminarea acestuia n 1941, a fost considerat drept cea de-a opta minune a lumii, avnd 165 m nlime i 1567 m la coronament.


235

CHE Glceag pe rul Sebe, o central echipat cu 2 turbine Francis, puse n funciune n 1980. Puterea unei turbine este de 75 MW, fiind astfel cea mai mare

turbin Francis din Romnia. Puterea instalat n central este de 150 MW, iar debitul

instalat este de 45,6 m3/s. Cderea brut este de 465 m.

CHE Vidraru24 pe rul Arge, echipat cu 4 turbine Francis (rotorul este prezentat n figura 5.21.a), puse n funciune n 1966. Puterea unei turbine este de 55 MW, deci

puterea instalat n central este de 220 MW, iar debitul instalat este de 90 m3/s;

cderea brut este de 324 m.

CHE Brdior, pe cursul inferior al rului Lotru, este o central subteran, echipat cu 2 turbine Francis (cu diametrul rotorului de 2 m; rotorul este prezentat n figura

5.21.b), puse n funciune n 1982. Puterea instalat n central este de 115 MW (adic

57,5 MW pe fiecare grup), iar debitul instalat de 110 m3/s. Cderea brut este de 152 m,

cderea nominal este de 128,5 m, iar turaia de sincronism este de 375 rot/min.

Cea mai mare central hidroelectric echipat cu turbine Francis cu arbore

orizontal este CHE Hornberg din Germania, echipat cu 4 turbine (diametrul rotorului

de 1,7 m; PIF 1970). Puterea unei turbine este de 262 MW, deci puterea instalat n

central este de 1048 MW. Cderea net este de 652 m.

Turbinele Francis au fost contruite i n varianta reversibil, caz n care, maina

hidraulic funcioneaz att n regim de pompare (de exemplu noaptea, cnd este

excedent de putere n sistemul energetic), ct i n regim de turbinare (furniznd

energie electric, de exemplu, la vrf de sarcin). O astfel de main hidraulic

reversibil este amplasat ntr-o central hidroelectric cu acumulare prin pompare

(CHEAP). Printre CHEAP dotate cu turbine-pompe de tip Francis se remarc:

CHEAP Vianden, din Luxembourg, o central subteran situat n inima muntelui St. Nicholas. ntre 1962 i 1964 au fost puse n funciune25 9 hidroagregate cu arbore

orizontal, compuse din cte o turbin Pelton (cu putere de 100 MW), un motor- 24 Barajul Vidraru a fost, la inaugurare, al cincilea n Europa i al noulea n lume ntre

construciile similare. Este un baraj din beton, n arc (cu dubl curbur), avnd nlimea de 166,6 m i o lungime la coronament de 307 m (este un baraj zvelt, cu 6 m grosime la coronament i 25 metri la baz). Lacul de acumulare Vidraru are un volum total de 450 milioane m3, din care 320 milioane m3 reprezint volumul util.

25 Inaugurarea oficial a centralei a avut loc la data de 17 aprilie 1964.


generator, o pomp (cu putere de 69 MW), un cuplaj i o mic turbin necesar

demarrii pompei i aducerii acesteia la sincronism. CHEAP Vianden a fost extins n

1976 prin includerea celui de-al 10-lea hidroagregat26, o turbin-pomp reversibil de

tip Francis, cu arbore vertical i putere de 200 MW n ciclul de turbinare, respectiv

de 215 MW n ciclul de pompare. Puterea total instalat n CHEAP Vianden atinge

valoarea de 1100 MW n ciclul de turbinare, iar puterea total necesar pentru

pompare atinge valoarea de 836 MW. Cderea net variaz ntre 266,5 m i 291,3 m.

Debitul nominal total turbinat n central are valoarea de 432,5 m3/s, iar debitul nominal

total pompat are valoarea de 263 m3/s. Ciclul de pompare este zilnic, cu o durat de

utilizare a pompelor de 7 ore i un sfert. Durata zilnic corespunztoare turbinrii este

de 4 ore i un sfert. CHEAP Vianden este cea mai mare de acest tip din Europa.

CHEAP Tongbai, din China, o CHEAP subteran, dotat cu 4 turbine-pompe de tip Francis (cu un diametru exterior al rotorului de 4,8 m), puse n funciune n anul

2006; puterea unei turbine-pompe este de 306 MW, deci puterea total instalat n

CHEAP este de 1224 MW. Cderea net este de 287,6 m.

5.4.3. Turbina diagonal Driaz

Ca i turbina Kaplan, turbina Driaz a adoptat dublul reglaj al palelor rotorului i al

palelor aparatului director. Este o turbin care poate avea funcionare reversibil,

fiind des utilizat ca turbin-pomp n CHEAP. Turbina Driaz poate fi proiectat i

cu pale rotorice fixe.

n prezent, domeniul de utilizare a turbinelor Driaz acoper o plaj larg a debitului,

{ }005 5,1 KQ m3/s, pentru cderi mijlocii { }051 02 KH m. Puterea obinut variaz n intervalul { }776 ,270 K MW, iar randamentele optime au valori maxime de 92%. Plaja de variaie a rapiditii dinamice este: { }450 144 KkWsn rot/min. Turaia specific este: { }2,81 0,897 KN . 26 Acest hidroagregat (reversibil) a fost instalat ntr-un pu separat, n apropierea centralei

Vianden (construcia acestei amenajri suplimentare a fost finalizat n 1970, ns punerea n funciune a noului hidroagregat a avut loc abia n 1976).


237

Rotorul diagonal al turbinei Driaz este prezentat n figura 5.25. Este un rotor cu

arbore vertical, care mbin elemente ale rotorului turbinei Francis (forma dublu curbat

a palei, ns puin torsionat i nclinarea axei palei), dar i ale rotorului turbinei Kaplan

(pale profilate, reglabile, fr coroan rotoric exterioar). Pe butucul sferic al rotorului

diagonal sunt montate circa 10-12 pale, cu axa fusului nclinat (la 30, 45 sau 60) n

raport cu axa vertical a turbinei. Camera rotorului este sferic.

Fig. 5.25 Rotorul diagonal al turbinei Driaz

Traseul hidraulic al turbinei Driaz cuprinde urmtoarele elemente: camer spiral

metalic, cu seciune circular; stator; aparat director; rotor cu pale reglabile i aspirator

cotit. Aparatul director poate fi de tip radial, ca cel al turbinei Francis, sau poate fi de

tip conic (aparatul director conic asigur un ctig de randament n raport cu cel radial,

ns pune probleme tehnologice).

Dintre centralele hidroelectrice dotate cu turbine Driaz la nivel mondial menionm:

CHE Zeisk din Rusia (URSS la punerea n funciune), echipat cu turbine cu un diametru al rotorului de 6 m. Puterea unei turbine este de 215 MW. Cderea net

variaz ntre 74,5 m i 97,3 m.

CHE Ajaure din Suedia, echipat cu o turbin cu un diametru al rotorului de 4,5 m. Puterea turbinei este de 85 MW, iar debitul nominal este de 150 m3/s. Producia de

energie anual este de 325 GWh. Cderea net variaz ntre 45 m i 58 m.


5.4.4. Turbina axial Kaplan

n anul 1912, profesorul austriac Viktor Kaplan27 a obinut primul brevet pentru o

turbin axial cu numr mic de pale rotorice fixe, proiectat pentru cderi mici i

mijlocii. ntre 1912 i 1913, Viktor Kaplan a obinut n total patru brevete ale acestui tip

de turbin axial, printre care se afla i turbina axial cu pale rotorice reglabile i arbore

vertical. Turbina Kaplan a fost brevetat abia n anul 1920, datorit birocraiei i

Primului Rzboi Mondial. Inovaia major a fost dublul reglaj al palelor rotorului i

al palelor aparatului director (palele pot bascula n jurul axului lor n timpul

funcionrii turbinei), asigurndu-se astfel o reglare fin a debitului turbinat i o curb

caracteristic de randament aplatizat n raport cu alura caracteristicilor de randament ale altor turbine hidraulice.

Prima turbin Kaplan a fost construit la uzina Storek din Brno n 1918 i a fost pus n

funciune n 1919 la moara de ap din Velm, Austria, unde a rmas pn n 1952. Prima

central hidroelectric n care a fost instalat o turbin Kaplan a fost Podbrady din

Cehoslovacia (PIF n anul 1921). De atunci, acest tip de turbin a fost perfecionat,

ajungndu-se la actualele turbine Kaplan.

n prezent, turbina Kaplan este definit drept turbin axial cu dublu reglaj (pale rotorice reglabile i pale directoare reglabile); are aparat director radial, arbore

vertical, camer semi-spiral betonat i aspirator. Domeniul de utilizare a turbinelor Kaplan este foarte vast (figura 5.3). Turbinele

Kaplan acoper o plaj foarte larg a debitului, { }089 1 KQ m3/s, pentru cderi mici i mijlocii { }80 1 KH m. Puterea obinut variaz n intervalul { }712 ,0090 K MW, iar randamentele optime au valori foarte ridicate { }49 29 K %. Puterea maxim propus de ctre firmele productoare de turbine este obinut pentru 980=Q m3/s, 24=H m i 94,0= . Plaja de variaie a rapiditii dinamice este:

{ }860 214,5 KkWsn rot/min. Turaia specific este: { }5,95 1,34 KN . 27 nscut: 27 noiembrie 1876 n Mrzzuschlag, Austria; decedat: 23 august 1934 n Unterach,

Austria


239

Microturbinele Kaplan au domeniul de utilizare redus la zona debitelor mici

{ }1 ,180 KQ m3/s i cderilor mici, { }10 ,51 KH m. Randamenul optim are valori mai sczute, de circa 85%, puterea obinut fiind { }3,58 ,22 KP kW.

Rotorul turbinei Kaplan (figura 5.26) are un numr redus de pale profilate (de la 3 pale

pentru cderi mici, de 6 m, pn la 8 pale pentru cderi mari, de peste 50 m). Fusul

palelor este orizontal, iar mecanismul de acionare a palelor se afl n butucul rotorului.

Fig. 5.26 Rotorul turbinei Kaplan [CHE Porile de Fier I, mai 2003]

Traseul hidraulic al turbinei Kaplan cuprinde urmtoatele elemente (figurile 5.27 i

5.28): camera semi-spiral, cu seciune trapezoidal (debitul fiind mare, seciunea


transversal este mare, deci este realizat prin betonare, cu form poligonal); statorul

cu pale fixe, care imprim apei o micare elicoidal, respectiv care rigidizeaz camera

semi-spiral; aparatul director ale crui pale sunt reglate cu ajutorul mecanismelor de

acionare; rotorul cu pale reglabile; respectiv aspiratorul cotit, care dirijeaz apa ctre

bazinul de refulare din aval. Direcia de curgere a apei la intrarea n turbin, respectiv la

ieire, este schematizat n figura 5.27. Turbina are contrapresiune la refulare,

nlimea de aspiraie sH fiind negativ.

Fig. 5.27 Schema turbinei Kaplan: (1) stator; (2) camer semi-spiral betonat; (3) rotor cu pale reglabile; (4) bazin de refulare; (5) aspirator cotit

Diametrul caracteristic extD al turbinei Kaplan este diametrul periferic al palelor

rotorice. n figura 5.28 au fost reperezentate i alte mrimi specifice acestei turbine,

anume: diametrul butucului rotorului bD , nlimea aparatului director 0B , diametrul

fusului palelor directoare 0D i diametrul 0D de aezare aferent bordului de fug al aparatului director n poziie complet deschis. Nivelul de referin refz al turbinei

Kaplan este axa fusului palelor rotorice.


241

Fig. 5.28 Turbina Kaplan: (1) camer semi-spiral betonat; (2) stator; (3) servomotor pentru acionarea aparatului director; (4) pale rotorice reglabile; (5) arbore vertical; (6) lagr radial; (7) mecanism de acionare a palelor directoare; (8) aparat director radial;

(9) aspirator cotit; (10) ogiva rotorului; (11) butucul rotorului

Dintre centralele hidroelectrice dotate cu turbine Kaplan, menionm urmtoarele:

CHE John Day din USA, echipat cu 25 de turbine (cu un diametru al rotorului de 7,925 m), puse n funciune n anul 1971. Puterea unei turbine este de 158,3 MW, deci

puterea instalat n central este de 3957,5 MW. Cderea net este de 28,7 m.

CHE Porile de Fier I pe Dunre, amplasat la circa 15 km amonte de Turnu Severin, realizat n parteneriat cu Serbia (fost Iugoslavia), echipat cu 12 turbine

Kaplan, puse n funciune n 1971 (6 grupuri Kaplan sunt n centrala romneasc de pe

malul stng i 6 grupuri n centrala srbeasc de pe cellalt mal al Dunrii). Rotorul

turbinei are 9,5 m diametru, ncadrndu-se printre cele mai mari din lume.

Retehnologizarea echipamentelor hidroenergetice din centrala romneasc Porile de

Fier I a nceput n 1998 (printr-un contract ncheiat cu compania VA TECH HYDRO),

iar n prezent 5 din cele 6 grupuri au fost retehnologizate. Puterea unei turbine este de

191,2 MW. Puterea instalat n centrala romneasc este de 1147 MW, iar debitul

instalat de 4710 m3/s. Cderea brut este de 28,5 m.


CHE Turnu, pe Oltul mijlociu, echipat cu 2 turbine Kaplan (PIF 1982). Puterea unei turbine este de 35 MW, deci puterea instalat n central este de 70 MW. Debitul

instalat este de 330 m3/s. Cderea brut este de 24 m.

Au fost perfecionate i alte tipuri constructive de turbine axiale, anume: turbina

semi-Kaplan, turbina elicoidal, turbina bulb, turbina Straflo i turbina axial tubular

de tip S. Aceste tipuri constructive vor fi descrise succint n continuare.

5.4.5. Turbina axial semi-Kaplan i turbina elicoidal

Turbina semi-Kaplan este similar turbinei Kaplan, ns are pale directoare fixe,

reglarea debitului fiind asigurat numai prin reglarea palelor rotorice. Dezavantajele

acestei turbine constau n faptul c:

are simplu reglaj, ceea ce conduce la o curb caracteristic de randament mai ascuit dect curba de randament a turbinei Kaplan;

pentru nchiderea turbinei este necesar existena unei stavile n amonte, sau a unei stavile n aval de rotor, n aspirator.

Turbina semi-Kaplan are gabarit redus i este utilizat n microhidrocentrale.

Turbina elicoidal (propeller turbines n limba englez) este o turbin axial cu pale

rotorice fixe i arbore vertical. Aceast turbin poate avea o camer spiral circular

metalic, sau o camer deschis (figura 5.29), pentru debite mai mici, respectiv o camer semi-spiral betonat pentru debite mai mari. Reglarea debitului este asigurat

numai cu ajutorul palelor aparatului director. i n acest caz, simplul reglaj conduce la o

curb caracteristic de randament mai ascuit dect curba corespunztoare turbinei

Kaplan, iar randamentele optime au valori maxime reduse n raport cu cele

corespunztoare turbinei Kaplan.

Domeniul de utilizare a turbinelor elicoidale acoper zona cderilor mijlocii

{ }55 9 KH m, iar puterea maxim atins depete valoarea de 100 MW. Plaja de variaie a rapiditii dinamice n acest caz este: { }900 364,3 KkWsn rot/min, iar turaia specific este: { }5,63 2,27 KN .


243

Fig. 5.29 Turbina elicoidal cu camer deschis: (1) accesul apei ctre turbin prin camer deschis; (2) stator; (3) arbore vertical; (4) lagr radial;

(5) mecanism de acionare a palelor directoare; (6) aparat director radial; (7) rotor cu pale rotorice fixe; (8) aspirator cotit

Printre centralele hidroelectrice dotate cu turbine elicoidale la nivel mondial se

remarc urmtoarele:

CHE La Grande-1 din Canada, echipat cu 12 turbine elicoidale. Puterea unei turbine este de 114 MW, deci puterea instalat n central este de 1368 MW. Cderea

net este de 27,5 m.

CHE Jebba din Nigeria, echipat cu 6 turbine (cu un diametru al rotorului de 7,1 m), puse n funciune n anul 1978. Puterea unei turbine este de 103 MW, deci puterea

instalat n central este de 618 MW. Cderea net este de 29 m.

5.4.6. Turbina axial bulb

Turbina bulb este o turbin axial cu dublu reglaj (pale rotorice reglabile i pale

directoare reglabile). Aceast turbin are aparat director conic. Arborele turbinei este

orizontal, iar hidrogeneratorul electric este ncapsulat ntr-un bulb, care a dat numele


acestei turbine. Turbina bulb este destinat debitelor foarte mari i cderilor mici sau

foarte mici, fiind frecvent amplasat n centrale hidroelectrice pe firul apei (n special

centrale hidroelectrice fluviale) sau n centrale electrice maree-motrice (caz n care are

funcionare reversibil). Construcia acestor turbine este cu cel puin 20% mai ieftin dect construcia unei turbine Kaplan.

Turbinele bulb au diferite variante constructive, fiind clasificate dup poziia relativ

dintre rotorul turbinei i hidrogeneratorul electric astfel:

turbine bulb amonte, cu hidrogeneratorul amplasat amonte de rotor, n pil, n pu sau n capsul (figura 5.30); aceast ultim variant constructiv va fi dezvoltat n prezentul paragraf;

turbine bulb aval, cu hidrogeneratorul amplasat aval de rotor, n pil sau n capsul; turbine bulb cu hidrogeneratorul n afara zonei de curgere, de exemplu, cu rotorul hidrogeneratorului cuplat cu periferia palelor rotorice ale turbinei; aceast variant

constructiv, denumit Straflo, va fi dezvoltat n paragraful urmtor (5.4.7).

Domeniul de utilizare a turbinelor bulb acoper o plaj larg de debite

{ }956 2,1 KQ m3/s pentru cderi mici { }22 1 KH m. Puterea obinut variaz n intervalul { }86 ,130 K MW, iar randamentele optime au valori maxime ntre 90% (la turbinele mici) i 94% (la turbinele mari). Plaja de variaie a rapiditii dinamice este:

{ }960 632,5 KkWsn rot/min, iar turaia specific este: { }5,97 3,92 KN .

Traseul hidraulic al turbinei bulb cuprinde urmtoatele elemente (figura 5.30):

camera de aduciune (1), betonat; statorul, care este elementul de rezisten al turbinei, prelund eforturile i transmindu-le structurilor de rezisten; aparatul director conic

(4) ale crui pale sunt reglate cu ajutorul mecanismelor de acionare amplasate n

exteriorul bulbului (2); rotorul cu pale reglabile (8), al crui diametru caracteristic este

extD ; respectiv aspiratorul (5), care dirijeaz apa ctre bazinul de refulare din aval.

Aspiratorul este drept, are o conicitate de 610 i o lungime de cel puin 4 ori mai mare ca diametrul extD . Turbina are contrapresiune la refulare, nlimea de aspiraie

sH fiind negativ. Hidrogeneratorul electric (6) este ncapsulat (n interiorul bulbului),

ceea ce ridic probleme sistemului de rcire al acestuia.


245

Fig. 5.30 Schema turbinei bulb: (1) camera de aduciune; (2) capsul (bulb); (3) ci de acces n bulb; (4) aparat director conic; (5) aspirator; (6) hidrogenerator electric;

(7) arbore orizontal; (8) rotor cu pale reglabile

Dintre centralele hidroelectrice dotate cu turbine bulb, menionm urmtoarele:

CHE Rock Island II pe fluviul Columbia din S.U.A., echipat cu 8 turbine (cu un diametru al rotorului de 7,4 m; PIF 1977). Puterea unei turbine este de 54 MW, deci

puterea instalat n central este de 432 MW. Cderea net este de 12,1 m.

CHE Porile de Fier II, pe Dunre, realizat n parteneriat cu Serbia (fost Iugoslavia) i amplasat la circa 80 km n aval de CHE Porile de Fier I. Amenajarea hidroenergetic de la Porile de Fier II cuprinde dou centrale de baz, echipate fiecare cu cte 8 turbine bulb (cu un diametru al rotorului de 7,5 m), puse n funciune n 1986,

respectiv dou centrale suplimentare, cu cte 2 turbine, identice cu cele din centralele de

baz. Turbinele din centrala suplimentar din Romnia, CHE Gogou, au fost puse n funciune n 1994, iar cele aferente celei din Serbia au fost puse n funciune n 2000.

Puterea fiecrei turbine este de 27 MW, deci considernd totalul de 10 turbine bulb,

puterea instalat n partea romneasc a amenajrii Porile de Fier II este de 270 MW, iar debitul instalat este de 3400 m3/s. Cderea brut este de 10,25 m. Randamentul

maxim este de 94%.


CHE Ipoteti pe Oltul inferior, echipat cu 4 turbine bulb reversibile (PIF 1986). Puterea unei turbine este de 13,25 MW, deci puterea instalat n central este de 53

MW. Debitul instalat este de 500 m3/s. Cderea brut este de 13,5 m.

Printre centralele electrice maree-motrice la nivel mondial se remarc:

CHE La Rance, din Frana, cea mai mare central maree-motrice din lume, dotat cu 24 turbine bulb, puse n funciune ntre 1966 i 1967 (cu 4 pale rotorice i

diametrul rotorului de 5,35 m). Puterea unei turbine este de 10 MW, deci puterea total

instalat n central este de 240 MW. n urma retehnologizrii, n 1997, turbinele

iniiale au fost nlocuite cu turbine bulb reversibile. n prezent, CHE La Rance

produce energie prin turbinare pentru dou sensuri de curgere ale apei, anume i la flux i la reflux, ns poate funciona i n ciclu de pompare. Unghiul de aezare a

palelor rotorice variaz de la -50 la +350 n funcie de sensul curentului. n regim de

turbinare, n sensul de curgere direct dinspre bazinul de retenie ctre mare, puterea unei turbine este de 10 MW, la o cderea net maxim de 11 m i debit turbinat de 110

m3/s, respectiv de 3,2 MW, la o cdere de 3 m i un debit de 200 m3/s. n regim de

turbinare, n sensul de curgere inversat dinspre mare ctre bazinul de retenie, puterea unei turbine este de 10 MW, la o cderea net maxim de 11 m i debit turbinat

de 130 m3/s, respectiv de 2 MW, la o cdere de 3 m i un debit de 135 m3/s. n regim de

pompare direct, n sensul de curgere dinspre mare ctre bazinul de retenie, puterea unui grup este de 10 MW, att la o nlime de pompare de maxim 6 m i debit pompat

de 105 m3/s, ct i la o nlime de pompare de 1 m i un debit de 225 m3/s.

5.4.7. Turbina axial Straflo

Turbina Straflo este o turbin axial cu arbore orizontal, care reprezint o variant

constructiv a unei turbine bulb, mai exact o turbin bulb cu hidrogeneratorul n afara

zonei de curgere. Deosebirea fa de tubina bulb clasic const n lipsa arborelui de

legtur dintre rotor i hidrogenerator, deoarece periferia rotorului turbinei Straflo este

direct cuplat cu rotorul hidrogeneratorului electric (figura 5.31), hidrogeneratorul electric fiind astfel amplasat n jurul rotorului turbinei. Transmiterea micrii de rotaie


247

de la rotorul turbinei la cel al hidrogeneratorului este direct, iar rotorul turbinei servete

i ca suport pentru rotorul hidrogeneratorului.

Fig. 5.31 Turbina Straflo: (1) rotorul turbinei; (2) hidrogeneratorul electric

Turbinele Straflo sunt utilizate pentru un interval larg de debite { }878 ,57 KQ m3/s pentru cderi relativ reduse { }6,53 ,94 KH m. Puterea obinut variaz n intervalul { }89 1 K MW. Diametrul periferic al rotorului poate atinge 2,1 m. Printre puinele centralele hidroelectrice dotate cu turbine Straflo, se remarc:

CHE Annapolis din Canada, echipat cu una dintre cele mai mari turbine Straflo din lume (cu un diametru al rotorului de 7,6 m; PIF 1984). Puterea turbinei este de 20

MW, iar cderea net este de 7 m.

5.4.8. Turbina axial tubular de tip S

Turbina axial tubular de tip S este o turbin fr camer n amonte. Curgerea apei

ntre amonte i aval este efectuat printr-o tubulatur n form de S, care a dat numele

acestei turbine. Este o turbin simpl, cu gabarit mic, cu aparat director conic i cu pale

rotorice fixe (statorul lipsete n anumite variante constructive). Arborele turbinei poate

fi vertical, sau orizontal. Turbinele EOS sunt turbinele Elicoidale cu arbore Orizontal i

tubulatur n form de S (figura 5.32). Arborele turbinei iese n exterior prin zona

tubulaturii n care se afl inflexiunea traseului n form de S. Este o turbin ieftin i

uor de construit, fiind frecvent adoptat n microhidrocentrale electrice.


Fig. 5.32 Turbina EOS: (1) aparat director conic; (2) rotor cu pale fixe; (3) aspirator (tubulatur n form de S); (4) conduct de aspiraie; (5) arbore orizontal

n general, domeniul de utilizare a turbinelor axiale tubulare de tip S este redus la

zona debitelor mici { }2,57 1 KQ m3/s i cderilor mici { }20 1 KH m. Puterea obinut variaz n intervalul { },49 ,0080 K MW, iar randamentele optime au valori maxime reduse, de 85%.

5.5. Turbine marine n curent transversal

Datorit directivelor Uniunii Europene, care recomand rilor membre ca pn n 2010

s asigure un nivel de 20% din producia lor energetic din resurse regenerabile i avnd

n vedere faptul c n aceste ri, majoritatea potenialului hidroenergetic clasic este deja

exploatat, n ultimii ani au aprut o multitudine de proiecte care propun surse

alternative de energie, cum ar fi cea eolian sau marin.

Ideea de a utiliza turbine marine pentru a recupera energia cinetic a oceanului sau a

curenilor de coast nu este nou. De fapt, n anii care au precedat primul oc petrolier,

au fost derulate dou studii de proiecte. n 1974, CNEXO (n prezent IFREMER) a


249

efectuat un studiu n Raz Blanchard (ntre peninsula Cotentin i Channel Island din

Alderney). Efectul de val creaz un curent cu o vitez medie de aproximativ 2 m/s.

Studiul a artat c prin echiparea a 10% din zona Raz Blanchard cu un numr foarte

mare de turbine cu un diametru orizontal de 10 m i o putere de vrf de 5 MW, se poate

produce o cantitate de energie identic cu cea a centralei maree-motrice de la La Rance,

Frana (vezi paragraful 5.4.6). Neglijnd problemele de impact asupra mediului,

studiul a concluzionat c acest echipament nu este eficient din punct de vedere al

costurilor. n 1977, un program ambiios, proiectul CORIOLIS, care propunea instalarea

de turbine foarte mari de-a lungul Gulf Stream, a fost de asemenea abandonat datorit

problemelor legate de implementarea tehnic a proiectului i lipsei de eficien

economic. Recent, au fost propuse diverse proiecte care utilizeaz turbine marine, mai

mici i n numr mai mare.

5.5.1. Turbina de tip Darrieus

Conceptele englezeti (Marine Current Turbines, IT-Power) i norvegiene (Hammerfest

Storm AS) implic instalarea de turbine marine, similare turbinelor eoliene, amplasate

n larg, pe fundul mrii. Conceptele canadiene (Blue Energy Canada Inc.) i italiene

(Ponte di Archimede S.p.A.) se bazeaz pe utilizarea unei turbine Darrieus (figura

5.33.a) cu ax vertical [35; 93; 113; 117].

Compania canadian Blue Energy a propus un proiect guvernului statului Filipine,

pentru construcia unui pod n Strmtoarea San Bernardino, care va include 274 turbine

marine primare cu o capacitate de 1100 MW. Proiectul italian a condus la construcia

unui prototip, numit Kobold, n Strmtoarea Messina, n largul coastei Siciliei.

Dei proiectul unei turbine marine sau fluviale cu ax orizontal reprezint o idee

atractiv, fiind bazat pe o tehnologie cunoscut, multe proiecte au ales tehnologia cu

ax vertical. Turbinele marine cu ax vertical au avantajul de a nu depinde de direcia

curentului, fapt care, este n particular folositor pentru locaiile preconizate n Marea

Nordului. Mai mult, lipsa de fiabilitate a componentelor mecanice ale turbinelor eoliene

Darrieus, care este bine cunoscut, poate fi eliminat dac acestea sunt convertite

pentru a funciona n ap. De fapt, reducerea forei centrifuge n favoarea forei


hidrodinamice a fcut posibil proiectarea de pale care reduc drastic variaia

momentului transmis la axul motor n timpul rotaiei.

Fig. 5.33 Comparaie ntre turbinele hidraulice marine cu ax vertical de tip: (a) Darrieus, (b) Gorlov i (c) Achard. Pentru a facilita vizualizarea tridimensional,

modulele au fost reprezentate cu ax nclinat; n realitate, acestea au axul vertical

Turbinele marine cu ax vertical prezint avantaje semnificative fa de cele cu ax

orizontal, dar produc curgeri cu o complexitate mai mare dect cele prezente ntr-o

main hidraulic convenional.

Unghiul de inciden dintre curent i palele turbinei (unghiul dintre viteza de transport i

viteza relativ) variaz continuu n timpul unei rotaii de la 0 (pe direcii paralele la

curgere), pn la aproximativ 25 (pe direcii perpendiculare la curgere). La unghiul de


251

inciden maxim, componenta tangenial a forei hidrodinamice d moment la axul

turbinei. Unghiuri mari de inciden dau natere unei rate de separare dinamice ridicate,

care contribuie la performana mainii. ns, ncrcrile ciclice exercitate pe pale produc

oboseala materialului, iar structura de rezisten a turbinelor marine este slbit de

vibraii. Natura curgerii din aval de turbin influeneaz distana consecutiv dintre

turbinele dispuse n ferme hidroelectrice marine. A fost observat prezena a dou

vortexuri principale contra-rotative [21], care trec prin turbina marin cu ax vertical i

i continu micarea n aval. Principala caracteristic a acestor vortexuri este aceea c

rmn n apropierea palei care le-a generat. Exist deci o strns legtur ntre vortexuri

i curgerea din jurul palei, care cauzeaz un efect de sustentaie, avantajos din punct de

vedere al performanelor mainii. Mecanismele separrii dinamice sunt similare celor

observate la rotoarele elicopterelor.

5.5.2. Turbina de tip Gorlov

Alexandre Gorlov, cercettor rus de la Universitatea din Boston, a proiectat o ferm

marin hidroelectric bazndu-se pe reducerea forei centrifuge n favoarea forei

hidrodinamice [59; 93; 117]. Arhitectura acestei ferme este caracterizat de trei nivele

echivalente cu trei scri diferite de observaie: primul nivel este nsi acela al turbinei

marine, cunoscut ca modulul turbinei Gorlov (figura 5.33.b), care adopt geometria

unei elice verticale largi cu trei pale. Nivelul intermediar este creat prin aezarea ctorva

module, unul peste altul, pe aceeai ax vertical, formnd un turn, pentru a recupera

ntreaga energie de-a lungul adncimii curentului. Un generator electric este montat la

vrful coloanei. Nivelul global const ntr-un grup de turnuri integrate prin intermediul

unei structuri tubulare cu un anumit nivel de flotabilitate, care este ancorat de fundul

mrii. Dimensiunile acestei structuri variaz n funcie de puterea total necesar.

Proiectul asigur de asemenea flexibilitate n construcie, pentru ocuparea ntregii pri

folositoare (partea cu viteze mari) a seciunii de curgere, independent de forma acestei

seciuni. n orice caz, proiectul nu duce lips de neajunsuri. Problemele de rezisten

mecanic legate de transmisia axial a ncrcrilor de-a lungul palelor i acelea legate

de structura tubular nu par s fi fost evaluate. n plus, costul instalarii unei astfel de


structuri pare s fie foarte mare. n final, problemele de mentenan nu au fost luate n

calcul.

5.5.3. Turbina de tip Achard

Observaiile anterior menionate au condus laboratorul LEGI (Laboratoire des

coulements Gophysiques et Industriels 28 ) din Grenoble la nceperea unui studiu

global de fezabilitate a proiectului unei ferme hidroelectrice marine, care ar reine

cteva din avantajele conceptului lui Gorlov, cele legate n special de juxtapunerea n

coloane a turbinelor i ar nltura dezavantajele. Mai mult, acest proiect, care ar include

avantajele turbinelor Darrieus (la care direcia curentului este irelevant, iar

generatorul i reductorul sunt situate la captul coloanei), pare economic i din punctul

de vedere al ingineriei civile: este un concept modular i poate fi adaptat la toate

tipurile de locaii (mare deschis, strmtori, estuare, pentru cureni marini, respectiv

cursuri de ap, n special fluvii).

Programul de studiu denumit HARVEST (Hydroliennes Axe de Rotation VErtical

STabilis = turbine pentru cureni marini cu ax de rotaie vertical stabilizat) implic

cteva laboratoare din regiunea Rhne-Alpes din Frana i a fost iniiat sub conducerea

lui Jean-Luc Achard de la LEGI, Grenoble [92]. Obiectivele principale ale programului

HARVEST sunt urmtoarele:

Descoperirea problemelor tehnologice care ar putea mpiedica construcia unei ferme electrice marine;

Furnizarea de soluii inovative, respectnd soluiile propuse de Gorlov. Au fost deja depuse dou brevete INPG29-LEGI, pentru un nou tip de turbin cu ax vertical [92; 93]:

turbina Achard (figura 5.33.c i figura 5.34), brevete care acoper probleme de natur

hidrodinamic i structural aferente turbinei;

Furnizarea de date cantitative care s evalueze eficiena economic a acestui nou tip de central hidroelectric, respectnd nivelul fixat al puterii totale obinute i innd

seama de caracteristicile de mediu date;

28 Laboratorul de Curgeri Geofizice i Industriale 29 INPG = Institut National Polytechnique de Grenoble


253

Furnizarea de energie electric la turaia variabil a turbinei; studiul unui sistem de interconectare ntre generatoare i a unui sistem care s conecteze ferma la staiile de pe

rm.

Fig. 5.34 Turbina Achard [brevet INPG-LEGI, Grenoble]

n cadrul proiectului de turn patentat de LEGI n programul HARVEST, irul vertical

format prin suprapunerea turbinelor marine primare de tip Achard are, prin

sistemul de fixare, o rigiditate suficient [93].

Nu au fost realizate niciodat msurtori experimentale cantitative pe turbine de tip

Gorlov sau pe turbine de tip Achard. n strns colaborare cu LEGI, n perioada 2006-

2008, curgerea n turbina Achard va fi studiat att experimental, ct i numeric, n

cadrul unui proiect finanat n Romnia prin Programul CEEX [179].

5.6. Curbe caracteristice ale turbinelor hidraulice

Funcionarea turbinelor hidraulice este exprimat printr-o funcie care depinde de

parametrii hidraulici (debitul Q [m3/s] i cderea net H [m] a turbinei), de parametrii

mecanici (turaia n [rot/s], puterea turbinei P [W] i randamentul turbinei [%]), respectiv de alte mrimi aferente turbinei (deschiderea palei de aparat director 0a [m],

Turbine Hidraulice (1)

Documents

Transcript of Turbine Hidraulice (1)