SI22684A - Mehanizem za uravnavanje dotoka vode pri turbini - Google Patents

Abstract

Z mehanizmom za uravnavanje pretoka vode z zaporo rotorja turbine po širini je rešen problem optimalnega izkoriščanja pretoka vode pri malih vodnih turbinah sistema Banki. Mehanizem za uravnavanje pretoka vode z zaporo rotorja Banki turbine je značilen po tem, da se regulacija dotoka vode na rotor (2) turbine vrši s pomočjo zapiranja in odpiranja zapiral (5 in 6) v delu (1b) ohišja (1) turbine s pomočjo avtomatizirane oljne hidravlike in vzdrževanja nivoja dotoka vode, da je regulacija dotoka vode izvedena prečno na os rotorja (2) in to tako, da voda priteka vedno optimalno krožno na pet ali več lopatic rotorja (2) turbine, pri čemer je širina med zapirali (5 in 6) variabilna glede na nivo razpoložljive vode.

Description

Mehanizem za uravnavanje dotoka vode pri turbini

Izum spada na področje malih vodnih turbin, še zlasti takoimenovane Bankijeve turbine, in sicer v okvir uravnavanja pretoka vode pri tovrstnih turbinah.

Tehnični problem je usmerjen v iskanje zanesljive in ob upoštevanju vseh možnih situacij med obratovanjem zadovoljive konstrukcijske rešitve mehanizma za uravnavanje pretoka vode pri Bankijevi turbini, s čimer naj bi bilo zagotovljeno doseganje pričakovanega energetskega izkoristka vodnega potenciala v sistemu Bankijeve vodne turbine pri mali hidroelektrarni. Problem zagotavljanja maksimalnega izkoristka pretoka vode pri hidroelektrarnah, vključno z Bankijevo turbino, je namreč v tem, da v odvisnosti od vsakokratnih vremenskih razmer na turbino lahko priteka različna količina vode. V kontekstu zastavljenega problema gre za regulacijo pretoka vode s pomočjo turbinskih zapiral, ki naj bi zagotavljala večjo koncentracijo vodnega curka pod optimalnim kotom glede na lopatice rotorja celo pri nižjih in najnižjih pretokih vode. Pri tem naj bi konstrukcijska zasnova turbinskega zapirala omogočala takšno delovanje turbine, da vodne tokovnice ne glede na razpoložljiv pretok vode potekajo pod optimalnim kotom glede na lopatice rotorja turbine, in da je obenem koncentracija proti lopaticam rotorja usmerjenega vodnega curka ne glede na razpoložljiv pretok vselej optimalna.

To je možno pri Bankijevi turbini, opisani npr. v US 1,436,933 in v US 1 548,341, doseči s prečno regulacijo dotoka vode v prečni smeri, na ta način pa se izboljša izkoristek vsakokrat razpoložljivega vodnega potenciala.

Tačas je v praksi najbolj uveljavljen agregat Banki-Cinkove turbine, ki ima pri optimalnem pretoku, ki znaša približno 95% maksimalnega pretoka, in tudi pri pretoku, znižanem do 60%, optimalen izkoristek. Pri še nadaljnjem zniževanju pretoka vode pod 60% se tudi pri Cinkovi turbini s polkrožnim zapiralom, ki sega preko celotne širine rotorja, med pripiranjem zapirala ob zmanjšanju vstopne površine obenem znatno povečuje obseg vodnega curka. Pri tem se ob povečanju upora na obodu vodni tok izraziteje razprši, pri čemer se med pretakanjem ob kovinskih delih in po notranjost rotorja izgublja znaten del razpoložljive energije.

Temeljna slabost Bankijeve turbine, pri kateri za regulacijo dotoka vode služi preprosta priporna loputa, se kaže v odsotnosti odvodne sesalne cevi. Temu ustrezno Ossberger v patentih DE 361 593, DE 383 133 in DE 383 134, DE 361 593 uvaja dvojno vodenje vode na rotor v razmerju 1/3 in 2/3 s pomočjo posebno oblikovane regulacijske lopute, kot tudi z ozračenjem rotorja in s paralelno sesalno cevjo. Tovrstne turbine so široko uporabne pri gradnji malih hidroelektrarn, ki obratujejo na tisočerih lokacijah po celem svetu z vodnimi padci 1,5 do 150 m in močjo do 1,5 MW ob sprejemljivih izkoristkih, ki pri polnem pretoku vode znašajo 80-82%, pri najmanjšem pretoku, ki znaša 1/6 polnega, pa izkoristki še vedno znašajo 50-55%.

Nadalje je v CZ-93891 (Cink) predlagana rešitev regulacije dotoka vode na Bankijevo turbino s pomočjo turbinskega zapirala, zasnovanega kot v obodni smeri rotorja premakljiva polkrožna loputa. S tem je možno spreminjati dotok vode in istočasno poenostaviti razpon dotekajoče vode v zadovoljivem razmerju glede na izkoristek. Zahvaljujoč omenjeni zasnovi zapirala se med prenosom moči na rotor vodne silnice le malo odklonijo. Izboljšanje bil tudi dotok vode po konfuzorju in odtok vode v sesalni difuzor odtočne cevi. Omogočen je bil razpon dotoka vode 1:4 ob izkoristkih 85-87% pri polnem pretoku in zgolj 50% pri */» polnega pretoka. Regulacijo dotoka se v tem primeru vrši v smeri smiselno vzporedno z osjo rotorja turbine. To pomeni, da je pri majhnih pretočnih količinah celotna količina pretoka usmerjena na eno ali dve lopatici rotorja, in sicer po celotni aktivni širini rotorja, pri čemer je učinkovitost tako oblikovanega pretočnega preseka manjša kot v primeru v smeri prečno glede na os razširjenega oz. v vzdolžni smeri osi rotorja zoženega pretočnega preseka.

JP 5-026146 nadalje predlaga, daje za usmerjanje vodnega toka na lopatice rotorja predvidena iz več prekatov formirana cev, katere svetlino tvori več drug ob drugem razporejenih sklenjenih prehodov, pri čemer je možno ob zmanjšanju razpoložljivega pretoka določeno število prehodov zapreti, tako da se v preostalih še odprtih prehodih vodi zagotovi ustrezne pogoje za formiranje curka primernega preseka, ki ob naletu na lopatice rotorja zagotavlja ustrezen izkoristek. Tovrstna rešitev je povezana z grobim stopenjskim načinom regulacije, ki vsaj v večini primerov ne omogoča doseganja optimalnih izkoristkov.

Podobno je v JP 5-018344 predlagan usmerjevalnik vodnega toka, kije premakljiv v smeri vzporedno z osjo rotorja. V tem primeru je zelo problematično tesnenje, obenem pa vzdrževanjem načeloma visokim pritiskom vode izpostavljenega usmerjevalnika v vsakokrat izbranem položaju. Tovrsten usmerjevalnik je primeren kvečjemu za turbine z razmeroma ozkim rotorjem in za majhne padce.

JP 4-179865 predlaga, da se pri turbini v dovodni kanal vgradi med seboj vzporedni in prečno glede na os rotorja neodvisno premakljivi zapirali, od katerih je vsako formirano iz vsaj ene vodilne plošče in po ene usmerjevalne plošče. Vodilni plošči obeh zapiral sta med seboj vsaj približno vzporedni, med njima pa je omogočen pretok vode proti rotorju. K vsaki od omenjenih vodilnih plošč je v protitočni smeri domnevno šamirsko priključena po ena usmerjevalna plošča ki poteka poševno od vsakokratne vodilne plošče proti vsakokrat pripadajoči bočni stranici dovodnega kanala, tako da omenjeni usmerjevalni plošči formirata postopno zožitev kanala v smeri toka. Vsaka od omenjenih usmerjevalnih plošč je na preostalem koncu vodena v ustreznem vodilu v steni kanala. Za potrebe spreminjanja medsebojne razdalje med omenjenima zapiraloma oz. njunima vodilnima ploščama je vsako od omenjenih zapiral v območju svoje vodilne plošče podprto z vsaj enim vijačnim vretenom, ki poteka od vsakokrat pripadajoče bočne stranice dovodnega kanala proti omenjeni vodilni plošči vsakokratnega zapirala. Tovrstna rešitev je med trajno uporabo lahko problematična z vidika zagotavljanja potrebne togosti in tudi v pogledu same funkcionalnosti. V primeru večje količine padavin namreč pogosto pride do znatnega povečanja pretoka, pogosto tudi v razmeroma kratkem času. Temu ustrezno se med obratovanjem lahko znatno poveča pritisk na bočni stranici korita in usmerjevalni plošči, še zlasti pa na omenjeni vodilni plošči. Zaradi pritiskov so načeloma možne precejšnje deformacije, pa tudi trenje na površini vijačnih vreten se lahko občutno poveča. Razen tega v primerih naglega in znatnega povečanja toka pogosto prihaja tudi do prelivanja, kar je povezano z možnostjo vdora trdnih mineralnih delcev, listja ali vejevja v območje regulacijskega sistema vreten, zaradi česar lahko mehanizem v določenih situacijah popolnoma odpove.

Po izumu je predviden mehanizem za uravnavanje pretoka vode v turbini, še zlasti Bankijevi turbini, s pomočjo katerega se regulacija dotoka vode na rotor turbine vrši na osnovi zapiranja in odpiranja zapiral v konfuzorju ohišja turbine, in sicer prednostno s pomočjo avtomatizirane oljne hidravlike in v povezavi z mikroprocesorskim krmiljenjem pretoka in vzdrževanja nivoja dotoka vode, pri čemer je regulacija dotoka vode izvršena prečno na os rotorja, in sicer tako, da voda priteka vedno krožno po obodu na polno, s konstrukcijo določeno število lopatic, namreč na vsaj pet ali več lopatic, in pri čemer je širina med zapirali variabilna glede na nivo razpoložljive vode. Z mehanizmom po izumu je dosežena regulacija pretoka vode s turbinskimi zapirali, ki zagotavljajo večjo koncentracijo vodnega curka pod vselej optimalnim kotom tokovnic glede na lopatice rotorja tudi pri znižanem in najnižjem pretoku vode.

Dodatno varovanje mehanizma po izumu je izvedeno z akumulatorskim napajanjem hidravličnega agregata in ročno oljno tlačilko, ki tudi lahko vodi hidravlike na zapiralih turbine, kar omogoča popolno avtomatizacijo in zaporo turbine tudi ob stihiji.

Mehanizem po izumu bo v nadaljevanju podrobneje opisan v povezavi s skico, kjer kaže

Sl. 1 mehanizem za uravnavanje pretoka vode po izumu;

Sl. 2 shematično ponazorjen mehanizem v pogledu od strani,

Sl. 3 pa shematično ponazorjen mehanizem v narisu.

Ohišje 1 turbine je sestavljeno iz spodnjega dela la in konfuzorja oz. zgornjega dela lb ohišja 1 ter ohišja 3 za namestitev vodila 4 zapirala in zapirala 6. Del lb je v obliki lijaka, pri čemer je v ohišju 3 vodilo 4 pomičnega zapirala 5 in zapirala 6. Zapiralo 5 in zapiralo 6 sta izdelana iz visokolegiranega jekla debeline 15 do 40 mm. Obremenjene drsne površine zapiral 5, 6 so ojačene s keramičnimi vložki, ki na skici niso posebej prikazani. Zapiralo 5 je sestavljeno iz pravokotne stranice 5a, ki je tako zvarjena na stranico 5b, da je stik zaobljen , kar pri delovanju zmanjšuje turbulenco vode. Zapiralo 6 je simetrično zapiralu 5 in ima stranico 6a, ki je tako zavarjena na stranico 6b, da je stik zaobljen. Dolžine stranic 5a, 5b zapirala 5 in stranic 6a in 6b zapirala 6 so prilagojene velikosti turbine in obliki rotorja. V delu 5a zapirala 5 in delu 6a zapirala 6, ki se nahajata med ohišjem 3 in rotorjem 2, sta privarjena nastavka 5c na zapiralu 5 in 6c na zapiralu 6. V nastavek 5c je pritrjen hidravlični bat 7, ki je vzporeden z osjo rotorja 2 ter je voden skozi vodilo 7a na delu lb ohišja 1. Hidravlični bat 7 je krmiljen s hidravličnim agregatom HA. V nastavek 6c je pritrjen hidravlični bat 8, kije vzporeden z osjo rotorja 2 ter je voden skozi vodilo 8a na delu lb ohišja 1. Hidravlični bat 8 je krmiljen s hidravličnim agregatom HA. Hidravlični agregat HA je krmiljen z računalniškim programom, kije prilagojen za vsako posamezno turbino.

Ohišje 1 in zapirali 5 in 6 sestoje iz visoko kvalitetne legirane jeklene pločevine, kije dimenzionirana na pritisk vode ustrezno izvedbi vsakokratne turbine, kar v praksi lahko znaša 1 bar/cm2 do 30 bar/cm2. Vodilo 4 v utorih ohišja je obloženo s keramičnimi vložki ali drugimi po zahtevi obstojnimi materiali. Rotor 2 turbine ima znotraj svoje širine na določenih razmikih po osi vložene diske, dva ali več glede na obliko in velikost rotorja, ki so nosilci pogonskih reber, kar pa ni predmet tega izuma. Zapirali 5 in 6 se premikata neodvisno eden od drugega, kar se določi z računalniškim programom, tako da eno zapiralo obstane nad sredinskim utrjevalnim diskom rotorja in le drugo nasprotno zapiralo s pomiki uravnava pretok vode in obratno. S tem načinom je izkoristek vodnega curka izboljšan.

Mehanizem za uravnavanje pretoka vode pri Bankijevi turbini z zaporo rotorja po širini ima poleg hidravličnih mehanizmov za premikanje zapor tudi senzorje za tipanje višine pretočne vode in računalniški program, ki s pomočjo vnaprej pripravljenih algoritmov uravnava položaja zapiral 5 in 6. Zapirali 5, 6 sta vodeni tako, da se zaustavita nad sredinskimi diski rotorja 2, kar dodatno izboljša izkoristek vodnega curka. Avtomatizacija zapore turbine je varovana tudi z akumulatorskim napajanjem agregata hidravlike in ročno oljno črpalko za pomik hidravlik. Mehanizem turbinskega zapirala po izumu je univerzalno uporaben le na Bankijevih turbinah in mora biti prilagojen različnim obremenitvam vodnih sil glede na terensko situacijo. Mehanizem za uravnavanje pretoka vode pri Bankijevi turbini z zaporo rotorja po širini omogoča avtomatsko popolno zaporo turbine tudi ob stihijah, kot so izpad električne energije, zamašitev čistilne naprave, neobvladljive vodne ujme in podobno.

Prednost mehanizma po izumu je v tem, da turbina deluje z visokim energetskim izkoristkom vode tudi pri nižjih in najnižjih pretokih, namreč med 60% in 12% polnega pretoka. S tako spremenjeno regulacijo dotoka vode je mogoč skoraj idealen izkoristek vodne sile. Bistvo izuma je, da sta turbinski zapirali vodeni prečno na os rotorja 2, torej sta obrnjeni za 90° glede na zapirala pri prej znanih turbinah BankiMichell, Banki-Ossberger in Banki-Cink.

Pri mehanizmu po izumu je dotok vode vedno optimiran glede na število lopatic rotorja, ki v praksi glede na konstrukcijo rotorja oz. turbine običajno znaša med 5 in 9. Z zmanjševanjem pretoka vode se tudi pri sistemu po izumu nekoliko poveča vhodni obodni obseg vodnega curka glede na tlorisno površino curka, vendar pa znatno manj kot v primeru enakega volumskega pretoka zapirala pri Banki-Cinkovi turbini (Sl. 2).

Z mehanizmom po izumu je možno vzdrževati optimalen izkoristek vodnega potenciala do najnižjih pretokov, in sicer vse tja do razmerja 1:10, podobno kot pri Peltonovih turbinah. Ob zniževanju pretoka vode se tudi pri rešitvi po izumu procent turbinskega izkoristka pretoka vode nekoliko zniža zaradi obstoječih obremenitvenih izgub v agregatu, ob zmanjšanju potencialne vodne energije.

Claims (8)

1. Mehanizem za uravnavanje pretoka vode pri turbini, zlasti Bankijevi turbini, kakršna sestoji iz ohišja (1), sestoječega iz spodnjega dela (la) in zgornjega dela (lb), kot tudi iz v omenjenem ohišju (1) vgrajenega rotorja (2), pri se čemer regulacijo dotoka vode na rotor (2) v smeri prečno glede na os rotorja (2) pri tovrstnem mehanizmu vrši z zapiranjem in odpiranjem zapiral (5, 6), predvidenih v zgornjem delu (lb) ohišja (1), in sicer na tak način, da voda priteka na optimalno, s konstrukcijo določeno število lopatic, smotrno na vsaj 5 lopatic rotorja (2) turbine, medtem ko je razdalja med zapiraloma (5, 6) variabilna v odvisnosti od nivoja razpoložljive vode, označen s tem, da je v zgornjem, kot lijak oziroma konfuzor zasnovanem delu (lb) ohišja (1) turbine predvideno ohišje (3) vodila (4) vsakokratnega zapirala (5, 6), tako daje vsakokratno zapiralo (5, 6) s svojimi drsnimi površinami vstavljeno in vodeno v vsakokrat pripadajočem vodilu (4) v omenjenem ohišju (3).

2. Mehanizem po zahtevku 1, označen s tem, da vsakokratno zapiralo (5, 6) sestoji iz stranice (5a, 6a), ki je s svojimi drsnimi površinami vodena vsakokrat pripadajočem v vodilu (4), in nanjo pravokotno privarjene in proti rotorju (2) usmerjene stranice (5b, 6b), pri čemer je prehod med vsakokratnima stranicama (5a, 5b oz. 6a, 6b) zaokrožen.

3. Mehanizem po zahtevku 1 ali 2, označen s tem, da so drsne površine zapiral (5, 6) ojačene s keramičnimi vložki.

4. Mehanizem po enem od zahtevkov 1 do 3, označen s tem, da vsako od zapiral (5, 6) sestoji iz visoko legirane jeklene pločevine.

5. Mehanizem po enem od predhodnih zahtevkov, označen s tem, da je na vsakem od zapiral (5, 6), in sicer v območju med ohišjem (3) in rotorjem (2) predviden nastavek (5c, 6c), na katerega je pritrjen vsakokrat po en hidravlični bat (7, 8), ki poteka vzporedno z osjo rotorja (2) in je voden v vodilu (7a, 8a) v zgornjem delu (lb) ohišja (1).

6. Mehanizem po zahtevku 5, označen s tem, daje vsakokraten hidravlični bat (7, 8) krmiljen s pomočjo hidravličnega agregata (HA).

7. Mehanizem po zahtevku 6, označen s tem, da je predviden vsaj en senzor za zaznavanje višine pretočne vode in da hidravlični agregat (HA) krmiljen z računalniškim programom, ki je prilagojen za vsako posamezno turbino in z pomočjo vnaprej pripravljenih algoritmov omogoča premikanje zapiral (5, 6) neodvisno drug od drugega.

8. Mehanizem po enem od zahtevkov 5-7, označen s tem,, da je zaradi omogočanja popolne avtomatizacije in zapore turbine tudi ob stihiji predvideno dodatno varovanje mehanizma z akumulatorskim napajanjem hidravličnega agregata (HA) in ročno oljno tlačilko.