SI23682A

SI23682A - Izboljĺ ava mehanizma za uravnavanje pretoka vode skozi vodno turbino sistema banki

Info

Publication number: SI23682A
Application number: SI201200090A
Authority: SI
Inventors: Janez GORJANC
Original assignee: Janez GORJANC
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2012-09-28
Also published as: EP2642115B1; RS58618B1; EP2642115A2; SI23682B; EP2642115A3

Abstract

Mehanizem difuzorske sesalne cevi (5 oziroma 5a) z notranjim delitvenim prekatom (8 oziroma 8a), omogoča Banki turbini z zapiralom (3 oziroma3a) po patentu SI 22684 optimalni energetski izkoristek razpoložljivega vodnega padca pod osjo rotorja (2 oziroma 2a) instalirane turbine, v najširšem možnem razponu energetskega izkoriščanja pretočne vode, ki je predvideno do razmerja 1: 9.

Description

IZBOLJŠAVA MEHANIZMA ZA URAVNAVANJE PRETOKA VODE SKOZI VODNO TURBINO SISTEMA BANKI

PREDMET IZUMA

Predmet izuma je dopolnitev mehanizma pretoka vode skozi vodno turbino sistema Banki z zapiralom v skladu s slovenskim patentom SI 22684.

TEHNIČNI PROBLEM

Tehnični problem, ki ga opisuje izum, je izboljšava uravnavanja pretoka vode skozi vodno turbino sistema Banki z difuzorsko sesalno cevjo oziroma difuzorjem. Z namestitvijo difuzorja po izumu lahko optimalno izkoristimo podtlačni padec vode pod rotorjem turbine v povečanem razponu vodnega pretoka glede na obstoječo tovrstno tehniko.

Turbine sistema Banki so primerne za manjše vodotoke, za katere je značilno veliko nihanje v količini pretoka. Nihanje vodnega pretoka v vodotokih nastaja zaradi spomladanskega taljenja snega in različnih količin dežja v letnem obdobju oziroma menjavanja sušnih in deževnih obdobij. Zaradi zagotavljanja ekološko sprejemljivega pretoka in varovanja življenja v vodotoku ter po drugi strani optimalnega izkoristka pretočne vode je potrebno spreminjati količino vode, ki teče skozi turbino v razmeroma velikem razponu. Tako seje pri pretvarjanju vodne energije vodotokov z velikim nihanjem pretoka, pokazala potreba po turbinah, ki lahko izkoriščajo zelo velik razpon v količini pretočne vode in imajo razumljivo pri tem čim višji • · izkoristek razpoložljive vodne energije. Turbina z izkoriščanjem širokega razpona pretočne vode, lahko nadomesti dve turbini z manjšim uporabnim razponom količine pretočne vode in s tem pridobi znatno investicijsko prednost.

ZNANO STANJE TEHNIKE

V patentu SI 22684 (Gorjanc, Aljančič) je predstavljeno spremenjeno zapiralo vodnega pretoka na rotor Banki turbine. Bistvo tega mehanizma je, da spreminja količino vodnega toka v območje rotorja tako, da vodo dovaja le na določeno širino rotorja v smeri pravokotno na os rotorja. Ta sistem vodne pripore ohranja po konstrukciji določeno in bolj izenačeno geometrijo vhodnega vodnega curka v rotor in s tem izboljšuje energijski izkoristek v celotnem razširjenem razponu pretočne vode do razmerja 1:9.

REŠITEV TEHNIČNEGA PROBLEMA

Poleg optimalnega izkoristka razpoložljive pretočne vode v turbini, je pomemben tudi polni izkoristek vodnega padca vode, ki se glede na vremenske pogoje in naravo vodotoka spreminja. S tem razlogom se za celotni izkoristek padca vode, sodobnim Banki turbinam na iztoku vode iz turbine dodaja sesalno cev, prednostno difuzorsko sesalno cev.

Sesalna cev izkorišča padec vode tudi pod rotorjem turbine. Tako lahko delovanje turbine varno dvignemo tudi nad višino nihajoče spodnje vode. Difuzorska sesalna cev poleg podtlačnega padca vode pod rotorjem z zmanjšanjem izhodne hitrosti, izkoristi tudi preostalo kinetično energijo izhodne vode.

Višina sesalnega padca vode pod rotorjem je enakovredna enaki višini tlačnega padca vode nad rotorjem. V neki meri je sesalni padec vode pod rotorjem celo prednosten zaradi ustvarjanja atmosfersko podtlačnega režima v ohišju vrtečega se rotoja. Difuzorska sesalna cev se v praksi običajno lahko uporablja do višine 3,5 m. Uporabo večje višine cevi, ki lahko izpostavlja nevarnost pojava kavitacije na rotorju, določa le proizvajalec turbine glede na instalacijske danosti.

Znana tehnika izvedbe CINK-Banki turbine, uporablja difuzorsko sesalno cev z izhodno hitrostjo vode 0,9 m/s do 1 m/s. Ta poleg sesalne višine, dobro izkorišča tudi preostalo kinetično energijo izhodne vode, vendar v primeru nizkega pretoka pod 30% polnega pretoka, zaradi prepočasne izhodne vode iz difuzorske sesalne cevi (izhodna hitrost < 0,3 m/s) ne zmore več vzdrževati optimalne višine podtlačnega vodnega stebra. CINKov sistem ima uporaben energijski izkoristek vode le do razmerja 1:4 oziroma do 25% polnega pretoka vode.

Razširjeno omogočen razpon energetskega izkoriščanja pretočne vode v turbini s turbinskim zapiralom P. SI 22684 kaže potrebo, da turbini prilagodimo tudi difuzorsko sesalno cev tako, da ta lahko vzdržuje optimalni podtlačni vodni steber tudi pri najširšem možnem razponu energetskega koriščenja pretočne vode in sicer do 1/9 polnega pretoka vode.

Turbinsko zapiralo, ki deluje prečno-pravokotno na os rotorja omogoča, da difuzorsko sesalno cev razdelimo v tri prekate z dvema delitvenima stenama, (Slika 1). Na ta način v sredinskem prekatu difuzorske sesalne cevi kljub pripiranju vode (zmanjševanju pretoka), ohranimo zadovoljivo prehodno hitrost vode, ki je v večji ali manjši meri podobna hitrosti polnega pretoka vode skozi difuzorsko sesalno cev. S tem je zagotovljeno, da je v sredinskem delu difuzorske sesalne cevi tudi pri najmanjši količini vodnega pretoka zadovoljiva izhodna hitrost vode, ki omogoča optimalno vzdrževanje podtlačnega vodnega stebra v celotni difuzorski sesalni cevi (v vseh treh prekatih).

Opredeljeni sredinski prekat difuzorske sesalne cevi lahko imenujemo »mejni prekat«. Delitvene stene mejnega prekata v difuzorju so nekoliko izpod rotorja, tako da se nastali podtlak izenačuje v vseh treh prekatih difuzorja in s tem tudi višina vodnega stebra. Zadovoljivo prehodno-izhodno hitrost vode v difuzorju do razpona pretočne vode 1/10 polnega pretoka, omogoča že mejni prekat širine 1/5 prečne širine rotorja (gledano po osi rotorja). Pri uravnavi mejnega prekata je potrebno upoštevati le, da mora imeti izhodna voda iz tega prekata zadovoljivo hitrost, ki ni manjša od 0,5 m/s. Ta hitrost vode še lahko odnaša dovolj zraka in vodnih izparin, ki se pojavljajo v ohišju rotorja (atmosferski zrak uhaja v ohišje rotorja tudi ob ne povsem zatesnjeni osi rotorja). Primemo izkoriščena izhodna hitrost vode iz difuzorja pri polnem pretoku je 1 m/s in tako je pri 1/10 polnega pretoka izhodna hitrost iz mejnega prekata 1/10 x 5 = 0,5 m/s. Ta hitrost izhodne vode zadovoljuje podtlačni režim in vzdrževanje vodnega stebra v celotnem difuzorju, tudi v stranskih dveh prekatih, ki pretoka vode nimata več.

Ker se vodni curek po prehodu skozi rotor (gledano po osi rotorja) nekoliko razširi je priporočljivo, daje mejni prekat tudi nekoliko širši izpod najožje pripiralne širine turbinskega zapirala, ko je to v stanju z najmanjšo prepustnostjo vode, ki se še lahko uporablja za energijsko izkoriščanje.

Difuzor ima zaradi izrabe preostanka kinetične energije vode, ki ima običajno hitrost izpod ohišja rotorja od 2 m/s do 4 m/s, tudi določeno razmerje med vhodno in izhodno površino, ki znaša od 0,25 do 0,45. Pri konstrukciji difuzorske sesalne cevi, se nemoteče glede na vstavitev delilnih sten, ki difuzor delijo v »mejni prekat«, upošteva v praksi znane zakonitosti pri oblikovanju in izvedbi dolžine cevi.

Primerna izhodna hitrost vode iz difuzorske sesalne cevi je 0,9 m/s do 1 m/s. Pri tej izhodni hitrosti vode je izguba hidravličnega padca lahko zanemarljiva:

0,4- f. * ,‘£* g = zemeljski pospešek = 9,8 m/s² v = absolutna hitrost (vode), m/s

Glede na instalacijske pogoje turbine in uporabni željni razpon pretočne vode, je primemo, da se izvedba difuzorske cevi in »mejni prekat« določi s preizkusnim modelom.

Sesalna moč v difuzorju se spreminja in lahko postane zaradi sprememb vodnega toka previsoka. V izogib težavi, da višina podtlačne vode ne poseže v sam rotor, vstavimo v difuzor vodno tipalo (Waterpilot E+H), ki uravnava pravilno višino vode s krmiljenjem ventila za dovod atmosferskega zraka v ob-rotorski prostor (Slika 2). Vodno tipalo se lahko namesti v kateri koli prekat difuzorja; primeren položaj tipala je v sredini višine difuzorja. Pri manjših turbinah lahko uravnavamo podtlak oziroma višino vodnega stebra v difuzorju tudi z mehanskim vzmetnim ventilom za izpust zraka v ob-rotorski prostor.

DIFUZOR Z »MEJNIM PREKATOM«

Opisani izum difuzorja z »mejnim prekatom« omogoča optimalno izrabo preostale potencialne in kinetične energije izhodne vode izpod rotorja Banki turbine z zapiralom po patentu SI 22684 v širokem razponu energijskega izkoriščanja pretočne vode do razmerja 1:9.

Izum omogoča racionalno nizko izhodno hitrost vode iz difuzorske sesalne cevi pri polnem pretoku obratovanja turbine in ohranja potrebno pretočno hitrost vode v »mejnem prekatu« do najmanjšega uporabnega pretoka v turbini. S tem je zagotovljen potreben podtlačni režim za optimalno vzdrževanje vodnega stebra v difuzorju v najširšem možnem razponu pretočne vode.

Predmetni izum je v prednosti pred obstoječo področno tehniko difuzorske cevi v izvedbi Banki-CINK. Turbina CINK ima turbinsko zapiralo z delovanjem vzporedno z osjo rotorja to je priporo, ki deluje preko cele osne širine rotorja, le z zmanjševanjem obsega rotorskih reber. Iz tega razloga, bi bila taka delitev difuzorske CINK cevi v »mejni prekat« neučinkovita oziroma fizikalno nesmiselna.

Izum ima prednost, tudi pred področno tehniko Banki-OSSBERGER, ki za dvostopenjski razpon energetskega izkoriščanja pretočne vode do razmerja 1:6, uporablja sesalno cev nespremenjenega premera. Takšna sesalna cev sicer ohranja zadovoljivo izhodno hitrost vode do naj nižjega pretoka to je 1/6 polnega pretoka, vendar pri tem ne izrablja zadovoljivo izhodne hitrostne-kinetične energije vode, ki na primer pri običajni izhodni hitrosti 3 m/s, izgublja 0.459 m geodetske višine (n = A ⁼ \ = Q.459t?s). To je razmeroma visoka «j? ’ izguba pri instalacijah malih HE, ki so pogoste na geodetskih višinah med 3 m in 10 m.

Banki turbina z zapiralom po patentu SI 22684 v alternativni izvedbi z enostranskim segmentom zapirala

Izum turbinskega zapirala po navedenem patentu, se za posebne primere v Banki turbini lahko prilagodi le na enostranski segment zapirala tako, da ima to zapiralo pomik preko cele osne širine rotorja, do nasprotne prilagojene stene ohišja turbine (Slika 3). Enostransko turbinsko

zapiralo je primemo le za izvedbo manjših turbin z ožjim rotorjem (gledano po osi rotorja) in tam, kjer obstaja potreba po razmeroma veliki jermenici. Pri izvedbi take turbine se v difuzorski sesalni cevi »mejni prekat« opredeli z eno delitveno steno v odgovarjajočem odmiku od stranske stene difuzorja, ki se nahaja na nasprotni strani izhoda turbinskega zapirala (Slika 3).

Mehanizem po izumu je v nadaljevanju podrobneje opisan v povezavi s shemo, ki kaže :

Slika 1 Shematičen prikaz Banki turbine z zapiralom po patentu SI 22684 in priključkom difuzorske sesalne cevi po izumu.

Slika 2 Prerez turbine s priključkom difuzorske sesalne cevi in sredstvom za uravnavanje podtlačnega vodnega stebra pod rotorjem.

Slika 3 Shematičen prikaz Banki turbine z zapiralom po patentu SI 22684 v alternativni izvedbi z enostranskim segmentom zapirala in temu prilagojeno difuzorsko sesalno cevjo po izumu.

Turbina slika 1, je izvedena iz ohišja 1, rotorja 2, zapirala 3 za uravnavanje vodnega toka v območje rotorja 2, konfuzorja 4, ki opredeljuje vodni tok v rotor 2, ter difuzorja 5, ki odvaja vodni tok iz turbine v spodnji vodotok tako, daje odvodni rob difuzorja 6 vedno potopljen v odvodno vodo.

Bistvo izuma je, daje difuzor 5, predeljen v vzdolžni - prednostno vertikalni smeri vodnega toka, v tri prekate 7, 8, 9 z delilnim sredstvom 11 in 11 a. Delilno sredstvo 11 in 1 la, je v izvedbi zasnovano v smislu predelnih sten, ki delijo presek difuzorja v sredinski prekat«mejni prekat« 8 in s tem tudi dva stranska prekata 7 in 9.

Predelne stene 11 in 1 la v difuzorju so prednostno izvedene iz jeklene pločevine v odgovarjajoči debelini, glede na celotno konstrukcijo difuzorja, ki se prilagaja posamičnim instalacijskim primerom. Predelne stene 11 in 1 la morajo vodotesno deliti difuzor 5 v prekate 7,8,9 v smeri vodnega toka.

«Mejni prekat« 8, je opredeljen s širino, ki je nekoliko večja iznad vertikalno najožje pripiralne širine zapiral 3, z energetsko še uporabno pretočnostjo vode. Praktično primerna širina mejnega prekata je 1/6 do 1/5 širine rotorja 2, gledano po osi rotorja .

Pri turbini Banki z zapiralom P. SI 22684, po alternativni izvedbi z enostranskim segmentom zapirala slika 3, uporabimo samo eno delilno predelno steno 1 lb, ki deli difuzor 5a v dva prekata 8a in 9a.« Mejni prekat« 8a je opredeljen na nasprotni strani izhodne strani zapirala 3a v širini, ki je nekoliko večja od vertikalno iznad najožje energetsko uporabne pretočnosti rotorja 2a. Praktično primerna širina mejnega prekata 8a, je med 1/6 in 1/5 širine rotorja 3a, gledano po osi rotorja.

Višina vodnega stebra v difuzorju 5 oziroma 5a se s spremembo podtlaka pod rotorjem menja tudi odvisno od količine pretoka vode skozi turbino. Za preprečevanje, da bi višina vode iz difuzorja 5 oziroma 5a posegla v rotor in s tem zavirala vrtenje rotorja 2 oziroma 2a, je predvideno nivojno tipalo 12, slika 2, ki je vstavljeno v katerikoli prekat 7, 8, 9 oziroma 8a , 9a v difuzorski sesalni cevi 5 oziroma 5a. Zaznamek, ki ga daje nivojno tipalo 12 upošteva krmilna naprava z zračnim ventilom 13, za izpust zraka v ob-rotorski prostor 10, slika 2. Na ta način se optimalno uravnava podtlačni vodni steber v difuzorju 5 oziroma 5a, ki mora posegati do določenega minimalnega odmika izpod oboda rotorja 2oziroma.2a .

Manj natančno uravnavanje vodnega stebra v difuzorju 5 oziroma 5a se lahko izvaja tudi z vzmetnim ventilom 14, za izpust zraka v ob-rotorski prostor 10, slika 2.

Claims

PATENTNI ZAHTEVKI

1. Mehanizem difuzorske sesalne cevi v sklopu predmetne inovacije Banki turbine, kije izvedena iz ohišja (1), rotorja (2), zapirala (3), za uravnavanje širine vodnega toka v območje rotorja (2), konfuzorja (4), ki z zapiralom (3) usmerja vodni tok v rotor (2), ter difuzorja (5), ki odvaja vodni tok iz turbine v spodnjo odvodno vodo vodotoka tako, daje spodnji rob difuzorja (6) vedno potopljen v vodo, je označen s tem , daje predeljen v vzdolžni smeri - prednostno vertikalni smeri vodnega toka v tri prekate (7, 8, 9) z delilnim sredstvom (11 in 1 la) in da je sredinski prekat (»mejni prekat«) (8), opredeljen tako, da je pretočna hitrost vode v tem prekatu vedno zadovoljiva za vzdrževanje optimalnega podtlačnega vodnega stebra v difuzorju (5).

2. Mehanizem po zahtevku 1., je označen s tem, daje delilno sredstvo (11 in 11 a) zasnovano v smislu predelnih sten, ki so prednostno iz jeklene pločevine v debelini odgovarjajoči konstrukciji difuzorske sesalne cevi (5), ki se prilagaja konkretnim instalacijskim primerom in da delilne stene (11 in lla) vodotesno opredeljujejo sredinski prekat (»mejni prekat«) znotraj difuzorske sesalne cevi (5).

3. Mehanizem po zahtevku 1., je označen s tem, daje sredinski prekat (»mejni prekat«) (8) opredeljen tako, da so njegove delilne stene (11 in lla) vertikalno iznad, v sojemu s končno pripiralno širino zapirala (3), ko je v stanju z minimalno pretočnostjo vode, ki je še uporabna za energetsko izkoriščanje v enaki širini oziroma prednostno v nekoliko večji širini, ki je lahko praktično primerna med 1/6 in 1/5 širine rotorja (2), gledano po osi rotorja.

4. Mehanizem difuzor sesalne cevi v sklopu predmetne inovacije Banki turbine z zapiralom v alternativni izvedbi z le enostranskim segmentom zapirala je označen s tem, daje difuzor (5a) deljen v vzdolžni smeri, prednostno vertikalni smeri vodnega toka le z eno delilno steno (1 lb), ki difuzor deli v dva prekata z »mejnim prekatom« (8a), ki je opredeljen tako, da je njegova delilna stena vertikalno iznad v sojemu s končno pripiralno širino zapirala z minimalno pretočnostjo vode, ki je še uporabna za energetsko izkoriščanje. »Mejni prekat« je v izvedbi prednostno nekoliko širši, ki je lahko praktično primerna med 1/6 in 1/5 širine rotorja, gledano po osi rotorja.

• ·

5. Mehanizem po zahtevkih 1 in 4, je označen s tem, da je za preprečevanje, da bi podtlačni vodni steber difuzorja (5 oziroma 5a) dosegel rotor (2 oziroma 2a), predvideno vodno tipalo (12) vstavljeno v katerikoli prekat (7,8,9 oziroma 8a,9a) difuzorske sesalne cevi (5 oziroma 5a) in zaznamek, ki ga daje nivojno tipalo (12) upošteva krmilna naprava (13) z ventilom za izpust zraka v ob-rotorski prostor (10) tako, da se višina podtlačnega vodnega stebra v difuzor cevi (5 oziroma 5a) vedno optimalno uravnava to je v določenem minimalnem odmiku izpod oboda rotorja.

6. Mehanizem po zahtevkih 1 in 4 , je označen s tem, da se podtlačni vodni steber v difuzorju (5 oziroma 5a) s prekati (7,8,9 oziroma 8a, 9a) lahko uravnava tudi z mehanskim vzmetnim ventilom (14), za izpust zraka v ob rotorski prostor (10), kije vstavljen v ohišje rotoja (2 oziroma 2a)