BADANIA EKSPERYMENTALNE MODELU TURBINY WODNEJ TYPU MICHELL-BANKI

Transkrypt

1 BADANIA EKSPERYMENTALNE MODELU TURBINY WODNEJ TYPU MICHELL-BANKI Wojciech Zdrojewski Instytut Lotnictwa Streszczenie Praca przedstawia metodę oraz wyniki pomiarów podstawowych parametrów mechanicznych modelu turbiny Michell-Banki przeprowadzonych na basenie przeciwpożarowym Instytutu Lotnictwa dla sprawdzenia przewidywanych własności wyrobu finalnego będącego nową koncepcją tej turbiny zaprojektowaną całkowicie w Instytucie Lotnictwa, w szczególności z nowatorskim rozwiązaniem wlotu wody wraz z jego regulacją. Zaprezentowano również porównanie wyników powyższych pomiarów z obliczeniami przy zastosowaniu oprogramowania CFD (FLUENT) do numerycznego modelowania przepływów. 1. OBIEKT BADAŃ W Centrum Nowych Technologii Instytutu Lotnictwa w ramach aktualnie realizowanego projektu celowego finansowanego przez MNiSW oraz przy współpracy z przyszłym producentem turbin, firmą Darek&Co, opracowano projekt turbiny wodnej Michell-Banki małej mocy (rzędu 3,5 kw dla pojedynczego segmentu) przeznaczonej do pracy przy spadach od 1 do 2 m, o średnicy wirnika 0,8 m. Rys. 1. Przekrój turbiny Michell-Banki z wlotem pionowym BADANIA EKSPERYMENTALNE MODELU TURBINY WODNEJ TYPU MICHELL-BANKI 141

2 Rys. 2. Przekrój turbiny Michell-Banki z wlotem poziomym Turbina Banki jest połączonym z atmosferą kołem wodnym z przepływem promieniowym, które czerpie swoją moc wyłącznie z energii kinetycznej strumienia wody. Jest to turbina akcyjna, w której strumień wody o przekroju prostokątnym i szerokości równej długości wirnika przepływa w niej dwukrotnie przez łopatki, umocowane w tarczach. Na rys. 1 i 2 przedstawiono przykładowe przekroje turbiny Michell-Banki z pionowym i z poziomym wlotem wody (wg [4]). Omawiane badania przeprowadzono w celu sprawdzenia przewidywanych własności energetycznych przyszłej turbiny, przede wszystkim jej mocy. Do pomiarów użyto wykonany w Instytucie Lotnictwa model turbiny w skali 1:5 o średnicy wirnika 0,16 m (fotografia modelu na rys. 4, wg [1]). Zastosowany do badań model turbiny Banki składa się z dwóch części, dyszy i wirnika turbiny. Wirnik jest zbudowany z dwóch równoległych dysków (tarczy) kołowych połączonych na obrzeżu szeregiem zakrzywionych łopatek. Strumień wypływa z dyszy o przekroju prostokątnym na całej szerokości koła i wpływa na koło pod kątem średnio ok. 11 do stycznej do obrysu koła przy pełnym otwarciu. Kształt strumienia jest prostokątny, szeroki i niezbyt dużej grubości. Woda uderza w łopatki na obrzeżu koła (rys. 3), przelewa się po łopatce opuszczając ją, przechodząc przez pustą przestrzeń pomiędzy wewnętrznymi wieńcami, wchodzi na łopatkę po wewnętrznej stronie wieńca i wypływa na zewnętrznym wieńcu. Koło jest więc dośrodkowym kołem strumieniowym. Wydatek wody na wlocie można regulować za pomocą przepustnicy. Rys. 3. Schemat modelu turbiny (wg [3]) 142 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 206

3 Konstrukcja przepustnicy oraz geometria wlotu wody jest oryginalną koncepcją powstałą w Instytucie Lotnictwa. Przepustnica przesuwana po obwodzie wirnika, we współpracy z geometrią wlotu, tylko nieznacznie zakłóca przepływ przy różnych położeniach. Ukształtowanie wlotu daje też możliwie mały kąt wejścia wody na wieniec wirnika. Takie własności wlotu wody podnoszą sprawność turbiny (m.in. wg [7]). Rys. 4. Badany model turbiny wodnej typu Banki (wykonany model 1:5, zabudowany na stoisku badawczym) 2. METODYKA I PRZEBIEG POMIARÓW Pomiary przeprowadzono na basenie przeciwpożarowym Instytutu Lotnictwa z wykorzystaniem instalacji wodnej chłodzenia zespołu sprężarek Tunelu Aerodynamicznego dużych prędkości N3. Na brzegu basenu zainstalowano stoisko badawcze wykonane również w Instytucie Lotnictwa, którego schemat oraz fotografię przedstawiono (wg [1]) na rys. 5 i 6 poniżej. Rys. 5. Schemat stoiska pomiarowego z modelem turbiny i alternatorem dla spadu 2,145 m BADANIA EKSPERYMENTALNE MODELU TURBINY WODNEJ TYPU MICHELL-BANKI 143

4 Rys. 6. Stoisko do badań modelu turbiny (widok z przodu w trakcie rozruchu turbiny) Podstawowymi elementami stoiska wraz z zainstalowanymi modelem turbiny oraz alternatorem były: zbiornik zalewowy, rurociąg zasilający z instalacji zewnętrznej, upusty przelewowe wraz z przewodami, kanał zalewowy do wlotu turbiny. Wynikiem pomiarów miała być charakterystyka mocy modelu turbiny w funkcji prędkości obrotowej wirnika. Nie zrealizowano pomiarów wydatku wody przepływającej przez turbinę ze względu na ograniczone środki finansowe, które nie pozwoliły na wprowadzenie aparatury mierzącej przepływ. Moc turbiny zmierzono metodą pośrednią poprzez pomiar mocy użytecznej wytwarzanej przez alternator obciążający. Do obciążenia turbiny użyto alternatora samochodowego A125-55k, charakteryzującego się następującymi parametrami: napięcie regulatora 14 V, natężenie maksymalne prądu 55 A, sprawność elektryczna η a = 0,45 0,5. Pomiary wykonano dla trzech spadów wody, odpowiednio: 2,145 m; 1,5 m; 1,0 m dla jednego (maksymalnego) otwarcia przepustnicy o wielkości 40 (tzw. położenie A przepustnicy). Każdy z pomiarów powtórzono minimum trzy razy. Moc użyteczną zwiększano poprzez zmianę oporu na oporniku suwakowym o zakresie 0 40 Ω. Mierzono bezpośrednio: napięcie, woltomierzem typu APPA 305 o zakresie 0 40 V, natężenie prądu wytwarzanego przez alternator, amperomierzem typu TLME o dwóch zakresach pomiarowych: 0 5 A oraz 0 20 A, prędkość obrotową wału modelu turbiny, pomiarem bezpośrednim, wskazania w km/h, przeliczone następnie na prędkość obrotową prędkościomierzem typu SIGMA Elektro GmbH BC 506. Elementami składowymi obwodu pomiarowego były: alternator, 144 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 206

5 amperomierz, opornik suwakowy, woltomierz, akumulator, żarówka kontrolna obwodu wzbudzenia. Przyjęto sprawność obwodu elektrycznego η el = 0,9. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW POMIARÓW Moc wyjściową P turbiny obliczono jako iloczyn zmierzonego napięcia U oraz natężenia I podzielony przez iloczyn sprawności alternatora η a i obwodu elektrycznego η el, czyli:. Ponieważ sprawność alternatora nie była dokładnie znana, obliczenia przeprowadzono dla dwóch wartości z przyjętego przedziału sprawności (0,45 do 0,5), stąd dla każdego pomiaru są dwie charakterystyki (grupy linii na wykresach oznaczone jako P(n)). Na wykresach przedstawiono też, dla każdego pomiaru, charakterystyki mocy bez uwzględnienia sprawności η a i η el jako iloczyn bezpośrednio zmierzonych wielkości U oraz I (grupy linii na wykresach oznaczone jako U*I). Wyniki pomiarów dla przyjętych założeń przedstawiono na rys. 7 9 (wg [1]) wraz z charakterystykami mocy w funkcji prędkości obrotowej wirnika uzyskanymi z obliczeń oprogramowaniem FLUENT (z [3]) dla takich samych warunków, jak w pomiarach. P(n) U*I Rys. 7. Zestawienie charakterystyk mocy w zależności od obrotów z badań oraz z obliczeń numerycznych dla spadu 2,145 m BADANIA EKSPERYMENTALNE MODELU TURBINY WODNEJ TYPU MICHELL-BANKI 145

6 P(n) U*I Rys. 8. Zestawienie charakterystyk mocy w zależności od obrotów z badań oraz z obliczeń numerycznych dla spadu 1,5 m P(n) U*I Rys. 9. Zestawienie charakterystyk mocy w zależności od obrotów z badań oraz z obliczeń numerycznych dla spadu 1,0 m 146 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 206

7 Dla spadu 2,145 m obliczeniowa charakterystyka mocy była przesunięta względem krzywej doświadczalnej. W obliczeniach uzyskano mniejszą moc maksymalną niż w eksperymencie. Uśrednione maksimum mocy uzyskane w doświadczeniu to 322,5 W. W obliczeniach dla tej samej wartości obciążenia uzyskano 270 W. Błąd wynosi 19%. Dla spadu 1,5 m otrzymano dobrą zgodność obliczeń z doświadczeniem w całym zakresie pracy turbiny. Uśrednione maksimum mocy uzyskane w doświadczeniu to 189 W. W obliczeniach, dla tej samej wartości obciążenia uzyskano 176 W. Błąd wynosi ok. 7%. Dla spadu 1,0 m w obliczeniach otrzymano zawyżoną wobec wyników pomiarów wartość mocy turbiny z obliczeń numerycznych programem FLUENT. Uśrednione maksimum mocy uzyskane w doświadczeniu to 94,5 W. W obliczeniach, dla tej samej wartości obciążenia uzyskano 107 W. Oznacza to błąd około 14%. W przypadku pomiarów dla słupa wody 1,0 m aparatura pomiarowa wykazała zbyt małą dokładność przy rejestracji zmian mierzonych wartości, stąd niemal pionowy kształt charakterystyki doświadczalnej. Podstawowymi czynnikami powodującymi różnice między obliczeniami programem FLUENT, a wynikami pomiarów stoiskowych, oprócz nieznanych dokładnie sprawności alternatora i obwodu, mogą być nieszczelności w układzie stoiska badawczego i wynikające stąd przecieki, a także niemożność uzyskania w pełni niezapowietrzonego przepływu wody w kanale zalewowym, a tym samym na wlocie do turbiny. W obliczeniach nie zakładano przecieków oraz przyjęto skład czynnika na wlocie jako 100% wody. Jednak uzyskane zestawienie wyników obliczeń numerycznych z wynikami badań modelu turbiny pozwalają stwierdzić ich dobrą zgodność, co potwierdza prawidłowość modelu numerycznego oraz jego przydatność do przyszłego modelowania tego rodzaju przepływów. Można też spodziewać się uzyskania oczekiwanych własności energetycznych przyszłej turbiny (obiektu 1:1). Wyróżnik szybkobieżności n s, dla modelu oraz turbiny w skali 1:1, określony zależnością:, gdzie: n Pmax obroty wirnika turbiny dla maksymalnej mocy w obr/min, P max maksymalna moc wyjściowa turbiny w KM, H spad w m, dla przebadanych wielkości spadu przedstawiono poniżej, w Tabeli 1. Tabela 1. Wyróżnik szybkobieżności n s w zależności od spadu W Tabeli 2, przedstawiono klasyfikację turbiny wodnej wg [5]. BADANIA EKSPERYMENTALNE MODELU TURBINY WODNEJ TYPU MICHELL-BANKI 147

8 Tabela 2. Wyróżnik szybkobieżności rozmaitych rodzajów turbin wodnych (wg [5]) Uwzględniając warunki podobieństwa, na podstawie badań stoiskowych i obliczeń numerycznych, oszacowano przewidywane parametry energetyczne i mechaniczne turbiny w skali 1:1 (jeden segment) dla istotnych punktów charakterystyki mocy w funkcji obrotów, czyli: moc maksymalną P max, moment maksymalny M max (dla obrotów n = 0), moment dla mocy maksymalnej M Pmax, obroty dla mocy maksymalnej n Pmax, obroty maksymalne n max (dla momentu M = 0), wydatek dla mocy maksymalnej Q Pmax, sprawność maksymalną η max (dla P max ). Do oszacowania momentu maksymalnego dla n = 0 przyjęto liniowy przebieg charakterystyki momentu w funkcji obrotów. Ponieważ w badaniach stoiskowych nie mierzono wydatku, oszacowano go na podstawie obliczeń numerycznych z [3]. Przedstawione poniżej, w Tabeli 3, charakterystyczne wielkości dotyczą warunków takich jakie wystąpiły w badaniach stoiskowych czyli dla spadów 1,0; 1,5; 2,145 m oraz maksymalnego otwarcia wlotu. Tabela 3. Charakterystyczne parametry dla modelu oraz turbiny w skali 1:1 148 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 206

9 4. WNIOSKI 4.1. Wyniki badań modelu turbiny w skali 1:5, z uwzględnieniem warunków podobieństwa, pozwalają stwierdzić, że można spodziewać się uzyskania oczekiwanych własności energetycznych przyszłej turbiny (obiektu 1:1), której parametry przedstawiono w Tabeli Uzyskane zestawienie wyników obliczeń numerycznych oprogramowaniem FLUENT z wynikami badań modelu turbiny wykazało ich dobrą zgodność, co potwierdza prawidłowość modelu numerycznego oraz jego przydatność do przyszłego modelowania tego rodzaju przepływów Biorąc pod uwagę klasyfikację, przedstawioną w Tabeli 2, turbin wodnych ze względu na wielkość powyżej zdefiniowanego wyróżnika szybkobieżności n s,omawiana tu turbina Michell- Banki sytuuje się na pozycji odpowiadającej szybkobieżności wolnobieżnych turbin Francisa. BIBLIOGRAFIA [1] W. Gnarowski i Zespół BP-P1: Raport. Badania stoiskowe turbiny Banki, Sprawozdanie ILot nr 174/BP1 - SR/08, Warszawa, grudzień [2] W. Gnarowski i Zespół BP-P1: Analiza wyników prób modelowych turbiny Banki, Sprawozdanie ILot nr 173/BP1-AA/09, Warszawa, grudzień [3] W. Zalewski: Analiza przepływu przez model turbiny wodnej typu Michell-Banki, Sprawozdanie ILot nr 12/BA-A2/08/P, Warszawa, grudzień [4] M. Hoffman: Małe elektrownie wodne poradnik, Wyd. Nabba, Warszawa, [5] W.J. Prosnak: Mechanika płynów, t. 1, cz. III, p. 3.5, PWN, Warszawa, [6] Poradnik inżyniera mechanika, t. 2, rozdz. X, WNT, Warszawa, [7] C.A. Mockmore, F. Merryfield: The Banki Water Turbine, Oregon State College, Corvallis, February Wojciech Zdrojewski THE EXPERIMENTAL TESTS OF THE MODEL OF THE MICHELL BANKI WATER TURBINE Abstract The work presents the method and the results of the measurements of the basic mechanical parameters of the Michell - Banki turbine model. The tests were conducted on the firefighting pool of the Institute of Aviation in order to validate the expected properties of the final product, which is a new concept of this turbine designed entirely at Institute of Aviation, in particular with the innovative solution of the water inlet and its control. The work also presents the comparison of the above mentioned measurements results against calculations using CFD (FLUENT software) for flows numerical modeling. BADANIA EKSPERYMENTALNE MODELU TURBINY WODNEJ TYPU MICHELL-BANKI 149