DE202023101859U1 - A system to study the performance of a two-bladed two-stage Savonius-like hydrokinetic turbine at low flow rate conditions - Google Patents
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Abstract
Ein System zum Untersuchen der Leistung einer zweiblättrigen zweistufigen Savonius-ähnlichen hydrokinetischen Turbine (SAHT) bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeitsbedingungen, das System umfasst:
eine Turbine, die mit zwei Schaufeln und einer Doppelstufe mit vertikaler Achse entwickelt ist; Und
eine Versuchsanordnung im offenen Gerinne, die das Experiment ermöglicht, wobei die entwickelte Turbine zur Durchführung der experimentellen Untersuchung in die Versuchsanordnung im offenen Gerinne eingetaucht und mit Wasser durchströmt wird.
A system for studying the performance of a two-bladed two-stage Savonius-like hydrokinetic turbine (SAHT) at low flow rate conditions, the system comprising:
a turbine designed with two blades and a vertical axis double stage; And
an open channel test arrangement enabling the experiment, whereby the developed turbine is immersed in the open channel test arrangement and water flows through it to carry out the experimental investigation.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zum Untersuchen der Leistung einer zweistufigen zweistufigen hydrokinetischen Savonius-ähnlichen Turbine (SAHT) bei Bedingungen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein System zum Untersuchen der Leistung einer zweiblättrigen zweistufigen SAHT mit vertikaler Achse als Flussstromturbine durch Ändern des Spalts/Abstands zwischen den Stufen.The present disclosure relates to a system for investigating the performance of a two-stage two-stage hydrokinetic Savonius-like turbine (SAHT) at low flow rate conditions. More particularly, the present disclosure relates to a system for investigating the performance of a two-bladed, two-stage, vertical axis SAHT flow-stream turbine by changing the gap/spacing between the stages.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Der Bedarf an Elektrizität ist als Reaktion auf die Ausweitung menschlicher Aktivitäten gestiegen, was auch den Preis konventioneller Energiequellen und das Niveau der Treibhausgasemissionen weltweit erhöht hat. Die Welt steht im 21. Jahrhundert vor einem schwerwiegenden Energieproblem, das fossile Energieträger unter keinen Umständen allein lösen können. Infolgedessen hat die Nutzung erneuerbarer Energien zugenommen, da sie umweltfreundlich und endlos ist und einen erheblichen Einfluss auf die Formulierung von Energievorschriften hat.The demand for electricity has increased in response to the expansion of human activity, which has also increased the price of conventional energy sources and the level of greenhouse gas emissions around the world. In the 21st century, the world is facing a serious energy problem that fossil fuels alone cannot solve under any circumstances. As a result, the use of renewable energy has increased because it is environmentally friendly, endless and has a significant impact on the formulation of energy regulations.
Weltweit hat sich der Fokus der Wasserkraftforschung auf Wasserkraftsysteme im Mikromaßstab verstärkt. Savonius-ähnliche hydrokinetische Turbinen (SAHT), Gorlov-Wasserturbinen (GWT), H-Darrieus-Wasserturbinen usw. wurden alle in diesem Bereich hergestellt, wo die kinetische Energie des Wasserstroms mit niedriger Fallhöhe und niedriger Geschwindigkeit in mechanische Energie umgewandelt wird. SAHT ist nämlich als die Art von Turbine mit vertikaler Achse definiert, die dank verbesserter Selbststartfähigkeit unter Bedingungen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit und ohne Fallhöhe betrieben werden kann. Für die Stromerzeugung im Mikromaßstab mit SAHT sind niedrige Fließgeschwindigkeiten in Abflussgebieten von Flüssen sowie in Kanälen und Kanälen große Wasserressourcen.Globally, the focus of hydropower research has increased on microscale hydropower systems. Savonius-like hydrokinetic turbines (SAHT), Gorlov water turbines (GWT), H-Darrieus water turbines, etc. have all been manufactured in this area, where the kinetic energy of the low-head, low-velocity water flow is converted into mechanical energy. Namely, SAHT is defined as the type of vertical axis turbine that can operate in low flow conditions and no head thanks to improved self-launching capability. For micro-scale power generation with SAHT, low flow velocities in river basins and in canals and canals are large water resources.
Das größte Problem mit SAHT ist jedoch, dass es weniger effektiv ist. Infolgedessen konzentriert sich die Studie in diesem Bereich auf die Entwicklung und Verwendung kreativen Designs, um die Leistung solcher Turbinen zu verbessern. Daher besteht ein Bedarf an einer Verbesserung seiner Effizienz. Aus der Literatur wurde beobachtet, dass technologische Fortschritte verwendet wurden, um die Leistung der SAHT zu verbessern, einschließlich des Anbringens von Ablenkplatten an verschiedenen Stellen, des Positionierens kreisförmiger Zylinder an der Seite der vorrückenden Schaufeln, des mehrstufigen Savonius-Turbinen, des Erhöhens der Anzahl der Schaufeln, Änderung der Klingenform usw.However, the biggest problem with SAHT is that it is less effective. As a result, study in this area focuses on the development and use of creative designs to improve the performance of such turbines. Therefore, there is a need to improve its efficiency. It has been observed from the literature that technological advances have been used to improve the performance of the SAHT, including installing baffles in various locations, positioning circular cylinders on the side of the advancing blades, multi-stage Savonius turbines, increasing the number of the blades, changing the shape of the blade, etc.
In Anbetracht der vorstehenden Diskussion wird deutlich, dass ein Bedarf an einem System zum Untersuchen der Leistung einer zweiblättrigen zweistufigen Savonius-ähnlichen hydrokinetischen Turbine (SAHT) bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeitsbedingungen besteht.In view of the above discussion, it is apparent that there is a need for a system for investigating the performance of a two-bladed two-stage Savonius-like hydrokinetic turbine (SAHT) at low flow rate conditions.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zum Untersuchen der Leistung der zweiblättrigen zweistufigen hydrokinetischen Savonius-ähnlichen Turbine (SAHT) bei Bedingungen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Durch Variieren des Spalts/Abstands zwischen den Stufen zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, zu untersuchen, wie gut eine zweiblättrige, zweistufige SAHT mit vertikaler Achse als Flussstromturbine funktioniert. Die Stufen sind mit einer um 90° phasenverschobenen Montage auf der Welle positioniert. Der Abstand zwischen den Stufen kann zwischen 0 und 20 mm liegen, wobei jeder Millimeter 5 mm hinzufügt. Die Versuche werden unter verschiedenen Lastbedingungen durchgeführt, indem verschiedene niedrige Fließgeschwindigkeiten im Bereich von 0.4 bis 0.6 m/s berücksichtigt werden, die normalerweise in den mehrjährigen Flüssen anzutreffen sind. Es wird festgestellt, dass die Leistung der SAHT durch die Bühnenlücke beeinträchtigt wird. Der optimale Belastungszustand und der optimale Abstand zwischen den Stufen wurden basierend auf den experimentellen Ergebnissen identifiziert.The present disclosure relates to a system for examining the performance of the two-bladed two-stage hydrokinetic Savonius-like turbine (SAHT) at low flow rate conditions. By varying the gap/distance between the stages, the present invention aims to investigate how well a two-bladed, two-stage, vertical-axis SAHT performs as a flow-stream turbine. The stages are positioned on the shaft with a 90° out-of-phase assembly. The distance between the steps can be from 0 to 20 mm, with each millimeter adding 5 mm. The tests are conducted under different load conditions, considering different low flow velocities ranging from 0.4 to 0.6 m/s, which are usually encountered in the perennial rivers. It is found that the performance of the SAHT is affected by the stage gap. The optimal loading condition and the optimal distance between steps were identified based on the experimental results.
Die vorliegende Offenbarung versucht, ein System zum Untersuchen der Leistung der zweiblättrigen zweistufigen Savonius-ähnlichen hydrokinetischen Turbine (SAHT) bei Bedingungen niedriger Strömungsgeschwindigkeit bereitzustellen. Das System umfasst: eine Turbine, die mit zwei Schaufeln und einer zweistufigen vertikalen Achse entwickelt ist; und eine Versuchsanordnung mit offenem Gerinne, die das Experiment erleichtert, wobei die entwickelte Turbine in die Versuchsanordnung mit offenem Gerinne eingetaucht wird und Wasser durch sie geleitet wird, um die experimentelle Studie durchzuführen.The present disclosure seeks to provide a system for examining the performance of the two-bladed two-stage Savonius-like hydrokinetic turbine (SAHT) at low flow rate conditions. The system includes: a turbine designed with two blades and a two-stage vertical axis; and an open channel test assembly facilitating the experiment, wherein the developed turbine is immersed in the open channel test assembly and water is passed through it to conduct the experimental study.
In einer Ausführungsform umfasst der Versuchsaufbau mit offenem Kanal: einen offenen Kanal für Wasserströmung, wobei der offene Kanal einen Wassereinlass und einen Wasserauslass umfasst und wobei der offene Kanal eine einstellbare Basis aufweist; eine Vielzahl von Wasserpumpen zum Zuführen von Wasser zu einem offenen Kanal, wobei Wasser durch zwei Zentrifugalwasserpumpen zugeführt wird, wobei ferner eine zusätzliche Wasserpumpe aktiviert wird, wenn ein verbesserter Wassergeschwindigkeitswert benötigt wird, während der Abfluss geändert wird; ein unter der Erde befindlicher Wassertank dient zum Speichern von Wasser, aus dem das Wasser mit Wasserpumpen in einen offenen Kanal gefördert wird; eine ADV-Einheit zum Messen eines breiten Bereichs von Wassergeschwindigkeit, wobei die ADV-Einheit eine ADV-Sonde, eine Computerschnittstelle und einen ADV-Feldprozessor umfasst, der unter Verwendung einer Sehne mit hoher Kapazität mit der ADV-Sonde verbunden ist; und ein einstellbares Auslasstor zum Steuern des Wasseraustritts aus dem offenen Kanal mit Hilfe eines Reglers.In one embodiment, the open channel experimental setup comprises: an open channel for water flow, the open channel comprising a water inlet and a water outlet, and the open channel having an adjustable base; a plurality of water pumps for supplying water to an open channel, water being supplied by two centrifugal water pumps, further activating an additional water pump when an upgraded Was water speed value is needed while the outflow is changed; an underground water tank for storing water, from which the water is pumped into an open channel by water pumps; an ADV unit for measuring a wide range of water speed, the ADV unit comprising an ADV probe, a computer interface and an ADV field processor connected to the ADV probe using a high capacitance tendon; and an adjustable outlet gate for controlling the water outlet from the open channel by means of a regulator.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein System zum Untersuchen der Leistung der zweiblättrigen zweistufigen Savonius-ähnlichen hydrokinetischen Turbine (SAHT) bei Bedingungen niedriger Strömungsgeschwindigkeit bereitzustellen.An object of the present disclosure is to provide a system for studying the performance of the two-bladed two-stage Savonius-like hydrokinetic turbine (SAHT) at low flow rate conditions.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die Wirkungen des Lückenabstands zwischen den Stufen der SAHT auf ihre Leistung zu untersuchen.Another object of the present disclosure is to examine the effects of the gap spacing between the stages of the SAHT on its performance.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die Leistung der zweistufigen SAHT bei niedrigen Wassergeschwindigkeiten von mehrjährigen Flüssen zu untersuchen.Another object of the present disclosure is to study the performance of the two-stage SAHT at low water velocities of perennial rivers.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die Auswirkungen unterschiedlicher Bremslasten auf die Welle der SAHT zu untersuchen und dann ihre Leistung abzuschätzen.Another object of the present disclosure is to study the effects of different braking loads on the shaft of the SAHT and then estimate its performance.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die Leistung des SAHT als Antriebsmaschine für den Pumpbetrieb bei einem sehr niedrigen TSR (weniger als 0.2) zu untersuchen.Yet another object of the present disclosure is to examine the performance of the SAHT as a prime mover for pumping at a very low TSR (less than 0.2).
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung weiter zu verdeutlichen, erfolgt eine genauere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Es versteht sich, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs anzusehen sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Einzelheiten mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben und erläutert.In order to further clarify the advantages and features of the present disclosure, the invention will be described in more detail with reference to specific embodiments thereof illustrated in the accompanying drawings. It should be understood that these drawings represent only typical embodiments of the invention and are therefore not to be considered as limiting its scope. The invention will be described and illustrated with additional specificity and detail with the accompanying drawings.
Figurenlistecharacter list
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Zeichen in allen Zeichnungen gleiche Teile darstellen, wobei:
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1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Systems zum Untersuchen der Leistung einer zweiblättrigen zweistufigen Savonius-ähnlichen hydrokinetischen Turbine (SAHT) bei Bedingungen niedriger Strömungsgeschwindigkeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
2 Zeichnungen der Draufsicht einer zweiblättrigen Doppelzustands-Savonius-Turbine und eine Vorderansicht der zweistufigen SAHT gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und -
3 veranschaulicht ein schematisches Diagramm des entwickelten Versuchsaufbaus mit offenem Kanal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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1 12 illustrates a block diagram of a system for investigating the performance of a two-bladed two-stage Savonius-like hydrokinetic turbine (SAHT) at low flow rate conditions in accordance with an embodiment of the present disclosure; -
2 12 illustrates top plan drawings of a two-blade, two-stage Savonius turbine and a front view of the two-stage SAHT, in accordance with an embodiment of the present disclosure; and -
3 FIG. 12 illustrates a schematic diagram of the open channel experimental setup developed, in accordance with an embodiment of the present disclosure.
Ferner werden Fachleute erkennen, dass Elemente in den Zeichnungen der Einfachheit halber dargestellt sind und möglicherweise nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Zum Beispiel veranschaulichen die Flussdiagramme das Verfahren in Bezug auf die hervorstechendsten Schritte, die beteiligt sind, um dabei zu helfen, das Verständnis von Aspekten der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus können in Bezug auf die Konstruktion der Vorrichtung eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt worden sein, und die Zeichnungen können nur solche spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind um die Zeichnungen nicht mit Details zu verdecken, die für den Durchschnittsfachmann, der von der hierin enthaltenen Beschreibung profitiert, leicht ersichtlich sind.Furthermore, those skilled in the art will appreciate that elements in the drawings are presented for simplicity and may not necessarily be drawn to scale. For example, the flowcharts illustrate the method in terms of the salient steps involved to help improve understanding of aspects of the present disclosure. Moreover, with respect to the construction of the device, one or more components of the device may have been represented in the drawings by conventional symbols, and the drawings may only show such specific details as are relevant to an understanding of the embodiments of the present disclosure around the drawings not to be obscured with details that would be readily apparent to one of ordinary skill in the art benefiting from the description contained herein.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:DETAILED DESCRIPTION:
Um das Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen, und es wird eine spezifische Sprache verwendet, um diese zu beschreiben. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weiteren Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Prinzipien der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann normalerweise einfallen würden in der Technik, auf die sich die Erfindung bezieht.For the purposes of promoting an understanding of the principles of the invention, reference will now be made to the embodiment illustrated in the drawings and specific language will be used to describe the same. It should be understood, however, that no limitation on the scope of the invention is intended thereby, contemplating such changes and further modifications to the illustrated system, and such further applications of the principles of the invention illustrated therein, as would normally occur to one skilled in the art to which the invention relates.
Fachleute werden verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht beschränken sollen.Those skilled in the art will understand that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory are for the invention and are not intended to limit it.
Die Bezugnahme in dieser gesamten Beschreibung auf „einen Aspekt“, „einen anderen Aspekt“ oder ähnliche Ausdrücke bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Somit können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen dies aber nicht.Reference throughout this specification to "an aspect," "another aspect," or similar language means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the present disclosure is. Thus, the phrases "in one embodiment," "in another embodiment," and similar phrases throughout this specification may, but need not, all refer to the same embodiment.
Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“ oder andere Variationen davon sollen einen nicht ausschließlichen Einschluss abdecken, so dass ein Prozess oder Verfahren, das eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern andere Schritte nicht umfassen kann ausdrücklich aufgeführt oder einem solchen Prozess oder Verfahren innewohnend. In ähnlicher Weise schließen ein oder mehrere Geräte oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, denen „umfasst ... ein“ vorangestellt ist, ohne weitere Einschränkungen nicht die Existenz anderer Geräte oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen aus oder andere Komponenten oder zusätzliche Geräte oder zusätzliche Teilsysteme oder zusätzliche Elemente oder zusätzliche Strukturen oder zusätzliche Komponenten.The terms "comprising," "comprising," or other variations thereof are intended to cover non-exclusive inclusion such that a process or method that includes a list of steps includes not only those steps but may include other steps not expressly listed or any inherent in such process or procedure. Similarly, without further limitation, one or more devices or subsystems or elements or structures or components preceded by "comprises...a" does not exclude the existence of other devices or other subsystems or other elements or other structures or other components or additional devices or additional subsystems or additional elements or additional structures or additional components.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem diese Erfindung gehört. Das hierin bereitgestellte System, Verfahren und Beispiele sind nur veranschaulichend und sollen nicht einschränkend sein.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention pertains. The system, methods, and examples provided herein are illustrative only and are not intended to be limiting.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden unten im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.Embodiments of the present disclosure are described below in detail with reference to the accompanying drawings.
In einer Ausführungsform wird ein Versuchsaufbau (104) mit offenem Kanal entwickelt, der das Experiment erleichtert, wobei die entwickelte Turbine in den Versuchsaufbau (104) mit offenem Kanal eingetaucht wird und Wasser durch ihn geleitet wird, um die experimentelle Studie durchzuführen.In one embodiment, an open channel experimental structure (104) is developed to facilitate the experiment, wherein the developed turbine is immersed in the open channel experimental structure (104) and water is passed through it to conduct the experimental study.
In einer Ausführungsform weist die konstruierte Turbine (102) eine Einrichtung zum Ändern des Spaltabstands zwischen den Stufen auf, wobei zwei Stufen (102b) an einer vertikalen Welle (102c) in einem Winkel von 90° zueinander phasenverschoben montiert sind. Jede Stufe hat eine Höhe von 0.085 m, und alle Schaufeln (102a) sind auf einer zentralen Welle (102d) mit einem Durchmesser von 0.014 m mit Hilfe einer Mutter- und Bolzenanordnung montiert, wobei eine Turbinenwelle (102e) montiert ist auf einem Kugellager, das unten an einem Plattenrahmen befestigt ist, um bei Wasserströmung Halt zu finden.In one embodiment, the turbine (102) constructed includes means for changing the gap spacing between stages, wherein two stages (102b) are mounted on a vertical shaft (102c) at 90° out of phase with each other. Each stage has a height of 0.085m and all blades (102a) are mounted on a 0.014m diameter central shaft (102d) by means of a nut and bolt arrangement, with a turbine shaft (102e) mounted on a ball bearing, which is attached to a plate frame below to provide support in water currents.
In einer Ausführungsform umfasst der Versuchsaufbau (104) mit offenem Kanal: einen offenen Kanal (104a) für Wasserströmung, wobei der offene Kanal (104a) einen Wassereinlass und einen Wasserauslass umfasst und wobei der offene Kanal eine einstellbare Basis hat; eine Vielzahl von Wasserpumpen (104b) zum Zuführen von Wasser zu einem offenen Kanal (104a), wobei Wasser durch zwei Kreiselwasserpumpen zugeführt wird, wobei ferner eine zusätzliche Wasserpumpe aktiviert wird, wenn ein verbesserter Wassergeschwindigkeitswert benötigt wird, während der Abfluss geändert wird; ein unter der Erde angeordneter Wassertank (104c) dient zum Speichern von Wasser, und von diesem wird das Wasser unter Verwendung von Wasserpumpen in einen offenen Kanal gefördert; eine ADV-Einheit (104d) zum Messen eines breiten Bereichs von Wassergeschwindigkeit, wobei die ADV-Einheit (104d) eine ADV-Sonde, eine Computerschnittstelle und einen ADV-Feldprozessor umfasst, der unter Verwendung einer Sehne mit hoher Kapazität mit der ADV-Sonde verbunden ist; und ein einstellbares Auslasstor (104e) zum Steuern des Austritts von Wasser aus dem offenen Kanal mit Hilfe eines Reglers. Die Länge, Höhe und Breite des offenen Kanals betragen 12 m, 0.505 m bzw. 0.9 m. Die ADV-Einheit (104d) wird zum Messen eines großen Bereichs der Wassergeschwindigkeit verwendet, wobei dies mit Hilfe eines Senderkopfs und drei Empfängerarms durchgeführt wird, die mit akustischen Sensoren integriert sind, die in der Lage sind, drei Komponenten der Fluidgeschwindigkeit zu messen, und wobei die ADV-Einheit ferner eine PC-Schnittstellenvorrichtung verwendet und die erforderlichen experimentellen Daten gesammelt werden, wobei ferner die Turbinendrehzahl unter Verwendung eines digitalen berührungslosen Tachometers gemessen wird.In one embodiment, the open channel experimental setup (104) comprises: an open channel (104a) for water flow, the open channel (104a) comprising a water inlet and a water outlet, the open channel having an adjustable base; a plurality of water pumps (104b) for supplying water to an open channel (104a), water being supplied by two centrifugal water pumps, further activating an additional water pump when an improved water velocity value is required while the discharge is being changed; an underground water tank (104c) for storing water and from which the water is pumped into an open channel using water pumps; an ADV unit (104d) for measuring a wide range of water speed, the ADV unit (104d) comprising an ADV probe, a computer interface and an ADV field processor connected to the ADV probe using a high capacity tendon connected is; and an adjustable outlet gate (104e) for controlling the exit of water from the open channel by means of a regulator. The length, height and width of the open channel are 12m, 0.505m and 0.9m respectively. The ADV unit (104d) is used to measure a wide range of water speeds using a transmitter head and three receiver arms which integrated with acoustic sensors capable of measuring three components of fluid velocity and the ADV unit further using a PC interface device and collecting the necessary experimental data, further measuring the turbine speed using a digital non-contact tachometer becomes.
In einer Ausführungsform wird die Turbine (102) in dem offenen Kanal an einer Position platziert, die 5.2 m vom Einlass des offenen Kanals entfernt ist, und danach werden vorläufige Experimente durchgeführt, um die Strömungsstabilität zu bestätigen, bevor sie auf die Schaufeln der Turbine treffen.In one embodiment, the turbine (102) is placed in the open channel at a position 5.2 m away from the inlet of the open channel, and then preliminary experiments are performed performed to confirm flow stability before hitting the turbine blades.
In einer Ausführungsform werden die Experimente bei unterschiedlichen Wasserpegeln, für unterschiedliche niedrige Freistrom-Strömungsgeschwindigkeiten und für unterschiedliche Bremslastbedingungen durchgeführt, wobei Bremslasten durch eine Seilbremsen-Dynamometeranordnung aufgebracht werden.In one embodiment, the experiments are performed at different water levels, for different low free stream flow rates, and for different braking load conditions, with braking loads being applied by a cable brake dynamometer assembly.
Die Stufen sind in einem Winkel von 90 Grad zueinander phasenverschoben auf der vertikalen Welle positioniert. Zur Herstellung von Turbinenschaufeln werden Aluminiumbleche mit einer Dicke von 1.5 mm und einem halbkreisförmigen Querschnitt mit einem Sehnenabstand von 0.14 m verwendet. Die Gesamtturbinenhöhe beträgt 0.17 m, der Gesamtturbinendurchmesser 0.26 m und das Gesamtturbinen-Seitenverhältnis 0.64, da jede Stufe eine Höhe von 0.085 m hat. Durch die Verwendung einer Mutter-Schrauben-Konfiguration sind alle Blätter an einer zentralen Welle mit einem Durchmesser von 0.014 m befestigt, was eine einfache Änderung des Spaltabstands zwischen den Stufen ermöglicht. Die Turbinenwelle wird von einem Kugellager getragen, das unten an einem Plattenrahmen befestigt ist, um beim Eintauchen in Wasser für Stabilität zu sorgen.The stages are positioned 90 degrees out of phase with each other on the vertical shaft. Aluminum sheets with a thickness of 1.5 mm and a semi-circular cross-section with a chord spacing of 0.14 m are used to manufacture turbine blades. The overall turbine height is 0.17 m, the overall turbine diameter is 0.26 m and the overall turbine aspect ratio is 0.64 as each stage has a height of 0.085 m. Using a nut and bolt configuration, all blades are attached to a 0.014m diameter central shaft, allowing for easy changing of the gap distance between stages. The turbine shaft is supported by a ball bearing attached to a plate frame below for stability when submerged in water.
Die Pumpen werden verwendet, um Wasser über den offenen Kanal aus dem unterirdischen Wassertank zu fördern. Mit einem 16 MHz Micro Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) (hergestellt von SonTek/YSi Inc., USA) beträgt die größte Wassergeschwindigkeit, die in dieser Konfiguration aufgezeichnet wurde, 0.65 m/s. Ein Einzelpunkt-Strömungsmesser, der eine Vielzahl von Wassergeschwindigkeiten messen kann, wird als ADV bezeichnet. Drei Empfängerarme und ein Senderkopf mit integrierten akustischen Sensoren bilden den ADV. In einem bestimmten Abstand vom Messumformerkopf sind diese Sensoren in der Lage, die drei Komponenten der Flüssigkeitsgeschwindigkeit (Wasser) zu überwachen. Der Betriebsbereich des Mikro-ADV beträgt 0.03-2.5 m/s, die Abtastfrequenz 0.1-50 Hz und die Genauigkeit ± 1 %. Das Programm SonTek Horizon ADV wird auf dieses Gerät mit PC-Schnittstelle geladen, und die erforderlichen experimentellen Daten werden entsprechend gesammelt. Ein digitaler berührungsloser Tachometer (Hersteller-Systems), der die Turbinendrehzahl misst, hat eine Genauigkeit von ± 1 %.The pumps are used to pump water from the underground water tank via the open channel. Using a 16 MHz Micro Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) (manufactured by SonTek/YSi Inc., USA), the maximum water velocity recorded in this configuration is 0.65 m/s. A single point flow meter that can measure a variety of water velocities is called an ADV. Three receiver arms and a transmitter head with integrated acoustic sensors form the ADV. At a specified distance from the transmitter head, these sensors are able to monitor the three components of liquid (water) velocity. The operating range of the micro ADV is 0.03-2.5 m/s, the sampling frequency is 0.1-50 Hz and the accuracy is ± 1%. The SonTek Horizon ADV program is loaded onto this PC-interfaced device and the necessary experimental data is collected accordingly. A digital non-contact tachometer (Manufacturer Systems) measuring turbine speed has an accuracy of ±1%.
Verschiedene Parameter werden berechnet, indem die Daten verwendet werden, die aus dem Experiment erhalten wurden, das unter Verwendung des experimentellen Aufbaus durchgeführt wurde.Various parameters are calculated using the data obtained from the experiment conducted using the experimental setup.
Die maximale (theoretische) Energie, die die Anströmung mit einer freien Anströmgeschwindigkeit (U) besitzt, lässt sich nach Gleichung (1) berechnen.
Das hydrodynamische Drehmoment der Turbine wird auf der Grundlage der angelegten Last berechnet, die mit Hilfe einer Seilbremsen-Dynamometeranordnung gemessen wird. Es kann mathematisch unter Verwendung der unten angegebenen Gleichung (2) ausgedrückt werden,
Wobei W die aufgebrachte Last (Nm) ist, S die Restfederbalance (Nm) ist, RWelle der Wellenradius (m) ist, dr der Durchmesser der verwendeten Nylonschnur (m) ist.Where W is the applied load (Nm), S is the residual spring balance (Nm), R shaft is the shaft radius (m), dr is the diameter of the nylon cord used (m).
Die Leistung, die durch Verwendung der Savonius-Turbine aus der Anströmung extrahiert wird, kann durch Verwendung der unten angegebenen Gleichung (3) ausgedrückt werden.
Der Leistungskoeffizient (Cp) bezieht sich auf den Bruchteil der unter Verwendung der Turbine extrahierten Leistung aus der gesamten Wasserleistung, die mathematisch ausgedrückt wird, wie in Gleichung (4) unten angegeben.
Das Spitzengeschwindigkeitsverhältnis der Turbine (TSR) zeigt einen der Hauptfaktoren im Zusammenhang mit der Auswirkung der Geschwindigkeit des freien Stroms auf die Drehzahl der Turbine an. Sie kann unter Verwendung der unten angegebenen Gleichung (5) berechnet werden.
Zwei Umwälzpumpen fördern kontinuierlich eine beträchtliche Wassermenge durch die Einlaufstrecke des Gerinnes in den Bereich, der als offener Gerinne gilt. Obwohl die Wasserströmung durch den Kanal ziemlich turbulent ist, ist es kontrollierbar, wie intensiv sie ist. Die Turbine muss richtig positioniert werden, so dass der freie Wasserstrom stabil ist, oder mit anderen Worten, die Turbulenzintensität des Stroms muss in einen respektablen Bereich fallen. Im Allgemeinen ist die Geschwindigkeit des einfallenden freien Stroms umgekehrt mit der Berechnung der Turbulenzintensität verbunden, während die Standardabweichung der Strömung, die Geschwindigkeitsänderungen in x-, y- und z- Richtung berücksichtigt, in direktem Zusammenhang steht. Die Intensität der Turbulenz für die Strömung kann an einer bestimmten Position mit der unten angegebenen Gleichung berechnet werden.
Die Turbine ist 5.2 m von der Einmündung des Gerinnes entfernt positioniert. Anschließend wurden Vorversuche durchgeführt (Einzelheiten dazu im folgenden Abschnitt), um die Strömungsstabilität vor dem Aufprall auf die Turbinenschaufeln zu verifizieren. An dieser Stelle der Turbine wurde festgestellt, dass die Turbulenz des Wassers im zulässigen Bereich lag.The turbine is positioned 5.2 m from the mouth of the flume. Preliminary tests were then carried out (details in the following section) to verify the flow stability before impact with the turbine blades. At this point in the turbine, it was determined that the water turbulence was within acceptable limits.
Als weiterer Faktor muss auch die Verblockungsquote untersucht werden. Das Verhältnis der Turbinenstirnfläche (HD) zur Kanalquerschnittsfläche (HcW) ist als Verstopfungsverhältnis (b) bekannt. Sie lässt sich mathematisch mit Gl. (7) wie folgt:
Das Verstopfungsverhältnis für den aktuellen Aufbau, bei dem die hergestellte Turbine ein Seitenverhältnis von 0.64 aufweist, beträgt 20.94 %. In dieser Situation gibt es keine Blockierungsanpassung, da sie weniger als 30 % beträgt.The clogging ratio for the current design, where the manufactured turbine has an aspect ratio of 0.64, is 20.94%. There is no blocking adjustment in this situation because it is less than 30%.
Die Wasserströmungen wurden an verschiedenen vertikalen Stellen der Turbine, von der Gerinnesohle aus gerechnet, gemessen, da sich die freie Strömungsgeschwindigkeit für verschiedene Wassertiefen ändert. Die ADV-Sonde misst die Fließgeschwindigkeiten in drei verschiedenen Wassertiefen, 0.08 m, 0.10 m und 0.14 m, und es werden Durchschnittsdaten für die Analyse berücksichtigt. In der Rinne liegt die freie Wasseroberfläche 0.03 m über der Oberkante der Schaufeln. Die in dieser Arbeit berücksichtigten durchschnittlichen Wassergeschwindigkeiten betragen 0.4, 0.5 und 0.6 m/s, was den durchschnittlichen Wasserströmungsgeschwindigkeiten entspricht, die in den meisten mehrjährigen Flüssen üblich sind. Die Geschwindigkeitsverteilungen werden dadurch erfasst, dass die ADV-Sonde an verschiedenen Positionen zwischen 30 cm und 60 cm stromaufwärts der Turbinenachse in Schritten von 5 cm platziert wird. Die Versuche wurden unter verschiedenen Bremslastsituationen durchgeführt, einschließlich 100 g, 250 g, 500 g, 750 g und 1000 g, in dem Kanal, der als offen galt. Durch eine Seilbremsen-Dynamometeranordnung werden die Bremslasten aufgebracht.The water currents were measured at different vertical points of the turbine, calculated from the flume bottom, since the free current speed changes for different water depths. The ADV probe measures flow velocities at three different water depths, 0.08 m, 0.10 m and 0.14 m, and average data is taken into account for the analysis. In the channel, the free water surface is 0.03 m above the upper edge of the blades. The average water velocities considered in this work are 0.4, 0.5 and 0.6 m/s, which correspond to the average water flow velocities common in most perennial rivers. The velocity distributions are recorded by placing the ADV probe at different positions between 30 cm and 60 cm upstream of the turbine axis in 5 cm increments. The tests were conducted under different braking load situations, including 100g, 250g, 500g, 750g and 1000g, in the channel that was considered open. The braking loads are applied by a cable brake dynamometer arrangement.
In einer Ausführungsform wird eine Fehleranalyse durchgeführt, um die Daten fehlerfrei zu machen. Bei der vorliegenden Erfindung wurden insgesamt sechs wiederholbare Tests durchgeführt, um die Wiederholbarkeit der Messungen zu garantieren, um menschliches Versagen zu berücksichtigen. Zweitens wurden zur Sicherstellung der Genauigkeit und Präzision der gesammelten Daten Messfehler, die durch Spannungsschwankungen während der Experimente verursacht wurden, mithilfe von Datenreduktions- und Glättungsverfahren effektiv kontrolliert.In one embodiment, error analysis is performed to make the data error free. In the present invention, a total of six repeatable tests were performed to guarantee the repeatability of the measurements to allow for human error. Second, to ensure the accuracy and precision of the collected data, measurement errors caused by voltage fluctuations during the experiments were effectively controlled using data reduction and smoothing techniques.
Oft werden verschiedene Instrumente kombiniert, um verschiedene Parameter in einer experimentellen Umgebung zu messen. Unabhängig davon, wie gut die Kalibrierung durchgeführt wird, weicht jedes dieser Instrumente in gewissem Maße vom wahren Wert ab, der allgemein als Genauigkeit des Instruments bezeichnet wird. Zur Bestimmung des Instrumentenfehlers, der der Gesamtfehler dieser Instrumente über eine Reihe von Tests hinweg ist, werden Standardbewertungstechniken verwendet. Angesichts dessen wird die unten bereitgestellte Gleichung (8) verwendet, um die instrumentellen Fehler für die in der aktuellen Studie durchgeführten Experimente zu berechnen.
Der von der Turbine erzeugte Leistungskoeffizient (Cp) und Drehmoment (T) sind nun die beiden wichtigsten Ausgangskennwerte, die in der aktuellen Studie berücksichtigt werden. Nach Gl. (1)-(5) werden sie mit den entsprechenden beobachteten Parametern berechnet. Angesichts dessen wird der Instrumentenfehler in Bezug auf die Berechnung von Cp wie folgt dargestellt.
In ähnlicher Weise wird der Instrumentenfehler, der mit der Berechnung des von der Turbine erzeugten Drehmoments verbunden ist, wie unten gezeigt ausgedrückt.
Auf der Grundlage der Daten und unter Verwendung der Gleichungen (9) und (10) wird der Instrumentenfehler, der dem berechneten Wert von Cp und dem Drehmoment (T) zugeordnet ist, mit ±8.5 % bzw. ±5.7 % bewertet.Based on the data and using equations (9) and (10), the instrumental error associated with the calculated value of Cp and the torque (T) is estimated to be ±8.5% and ±5.7%, respectively.
Die Ergebnisse der Untersuchung, die in der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird, sind nachstehend aufgeführt.The results of the investigation conducted in the present disclosure are listed below.
Die Auswirkung der variablen Last auf diese Turbine ist so, dass die Turbine bis zu einem Lastzustand von 1000 g mehr hydrodynamisches Drehmoment und mechanische Leistung erzeugen kann; allerdings ist die erzeugte Leistung bei höherer Belastung etwas geringer als die des Drehmoments.The effect of the variable load on this turbine is such that up to a load condition of 1000g the turbine can produce more hydrodynamic torque and mechanical power; however, the power generated is slightly less than that of torque at higher loads.
Der ideale Spaltabstand zwischen den beiden Stufen des betrachteten zweiblättrigen, zweistufigen SAHT wird mit 5 mm bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die ideale Bremslast für eine bessere hydrodynamische Leistung des SAHT eine Last von 1000 g ist.The ideal gap distance between the two stages of the two-leaf, two-stage SAHT under consideration is determined to be 5 mm. It has been determined that the ideal braking load for better hydrodynamic performance of the SAHT is a 1000g load.
Die SAHT erreicht ihr maximales hydrodynamisches Drehmoment von 0.0529 Nm bei optimaler Last und Spaltabstand für eine Strömungsgeschwindigkeit von 0.4 m/s, aber die Turbine erreicht ihre maximale Leistung von 0.0507, wenn die Strömungsgeschwindigkeit von 0.5 m/s darunter gehalten wird optimale Belastungs- und Spaltabstandsparameter.The SAHT achieves its maximum hydrodynamic torque of 0.0529 Nm at optimal load and gap spacing for a flow rate of 0.4 m/s, but the turbine achieves its maximum power of 0.0507 when the flow rate of 0.5 m/s is maintained under optimal load and gap spacing parameters .
Bei der idealen Bremskraft und Schnelllaufzahl (TSR) von 0.1538 für die Strömungsgeschwindigkeit von 0.5 m/s wird die höchste Leistungszahl von 0.0341 erreicht. Dies ist die optimale Leistung der SAHT, die auch ähnlichen Turbinendesigns überlegen ist und einem niedrigeren TSR-Niveau entspricht.With the ideal braking force and speed ratio (TSR) of 0.1538 for a flow speed of 0.5 m/s, the highest coefficient of performance of 0.0341 is achieved. This is the SAHT's optimum performance, which is also superior to similar turbine designs and corresponds to a lower TSR level.
Eine weitere Untersuchung der Leistung von SAHT im Pumpbetrieb bei verschiedenen Wasserströmungsgeschwindigkeiten mit oder ohne Strömungsbeschleuniger am Eingang der Turbine ist notwendig. Um die aktuelle Leistung zu verbessern, muss das größere Aspektverhältnis dieses entwickelten SAHT bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit bewertet werden. Die weitere Arbeit an diesem Turbinendesign kann auch eine strömungsphysikalische Analyse umfassen, um die Leistungseinsicht dieses neuartigen Designs mit verschiedenen Spaltabständen zu ermitteln, indem der Strömungstransport über den Spalt und über die Schichten innerhalb des Spalts visualisiert wird.Further investigation of the performance of SAHT in pumping mode at different water flow velocities with or without a flowmaker at the turbine inlet is necessary. In order to improve current performance, the larger aspect ratio of this developed SAHT must be evaluated at a higher flow rate. Further work on this turbine design may also include fluid dynamics analysis to determine the performance insight of this novel design with different gap distances by visualizing the flow transport across the gap and across the layers within the gap.
Die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung geben Ausführungsbeispiele. Der Fachmann wird erkennen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente gut zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente von einer Ausführungsform können zu einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Beispielsweise können hierin beschriebene Reihenfolgen von Prozessen geändert werden und sind nicht auf die hierin beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen irgendeines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge implementiert werden; auch müssen nicht unbedingt alle Handlungen durchgeführt werden. Auch solche Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, können parallel zu den anderen Handlungen durchgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist keineswegs durch diese spezifischen Beispiele beschränkt. Zahlreiche Variationen, ob ausdrücklich in der Beschreibung angegeben oder nicht, wie Unterschiede in Struktur, Abmessung und Materialverwendung, sind möglich. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so breit wie durch die folgenden Ansprüche angegeben.The drawings and the above description provide exemplary embodiments. Those skilled in the art will recognize that one or more of the elements described may well be combined into a single functional element. Alternatively, certain elements can be broken down into multiple functional elements. Elements from one embodiment may be added to another embodiment. For example, orders of processes described herein may be changed and are not limited to the manner described herein. Furthermore, the actions of any flowchart need not be implemented in the order shown; also, not all actions have to be performed. Actions that are not dependent on other actions can also be performed in parallel with the other actions. The scope of the embodiments is in no way limited by these specific examples. Numerous variations, whether or not expressly stated in the description, such as differences in structure, dimensions and use of materials, are possible. The scope of the embodiments is at least as broad as indicated by the following claims.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben in Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass Vorteile, Vorzüge oder Lösungen auftreten oder stärker ausgeprägt werden, sind jedoch nicht als kritische, erforderliche oder wesentliche Merkmale oder Komponenten von auszulegen einige oder alle Ansprüche.Advantages, other benefits, and solutions to problems have been described above with respect to specific embodiments. However, the benefits, benefits, problem solutions, and components that may cause benefits, benefits, or solutions to occur or become more pronounced are not to be construed as critical, required, or essential features or components of any or all claims.
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Ein System zur Untersuchung der Leistung einer zweistufigen Savonius-Akin-Hydrokinetikturbine (SAHT) mit zwei schaufeln.A system for studying the performance of a two-stage Savonius-Akin hydrokinetic turbine (SAHT) with two blades.
- 102102
- Turbineturbine
- 102a102a
- Zwei Klingentwo blades
- 102b102b
- Doppelstufe Mit Vertikaler AchseDouble Stage With Vertical Axis
- 102d102d
- Zentrale Wellecentral shaft
- 102c102c
- Vertikale WelleVertical Wave
- 102e102e
- Turbinenwelleturbine shaft
- 104104
- Offener Gerinne VersuchsaufbauOpen channel experimental set-up
- 104a104a
- Offenen Kanalopen channel
- 104b104b
- Mehrere WasserpumpenMultiple water pumps
- 104c104c
- Wassertankwater tank
- 104d104d
- Adv-Einheitadv unit
- 104e104e
- Ein Einstellbares EntladetorAn adjustable discharge gate
- 302302
- Wasserzuflusswater inflow
- 304304
- Pumpepump
- 306306
- Wassertankwater tank
- 308308
- 2-Blatt-Savonius-Turbine2-blade Savonius turbine
- 310310
- Verstellbare BasisAdjustable base
- 312312
- Computerschnittstellecomputer interface
- 314314
- Adv-FeldprozessorAdv field processor
- 316316
- Akkord Mit Hoher KapazitätHigh Capacity Chord
- 318318
- Reglercontroller
- 320320
- Verstellbarer AuslaufschieberAdjustable outlet slide
- 322322
- Wasserabflusswater drain
- 324324
- Adv-SondeAdv probe
- 326326
- Offener Kanalopen channel
Claims (8)
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-
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: LIPPERT STACHOW PATENTANWAELTE RECHTSANWAELTE , DE |