Szakcikk a vízenergia jelentőségéről és felhasználásáról, a korábbi turbinákról és körívsugaras turbina működési elvéről.
A vízenergia jelentősége
A megújuló áramtermelő energiaforrások közül a vízenergia a legrégebben használt. A folyók, patakok vízhozama – az évszakos változásoktól eltekintve – szinte állandó, és a vízturbina szabályzásával könnyen megoldható, hogy a csúcsidőszakokban jelentősen több energiát termeljen. A kevésbé intenzív időszakokban növelni lehet a duzzasztómű vízszintjét, majd a csúcsigénynél a felduzzasztott vizet leengedni. A vízerőművek előnye a szélenergiával szemben, hogy a víz sűrűsége kb. 700-szor nagyobb a levegőénél, így azonos teljesítmény kivételéhez sokkal kisebb gépre van szükség.
A patakok, folyók, folyamok esése és vízmennyisége jelentősen eltér. A vízfolyásokból kinyerhető teljesítmény az esés és vízmennyiség szorzatából adódik. Az esés azt hivatott jelezni, hogy – képletesen – milyen magasról „esik”, vagyis érkezik a víz, tehát mekkora a helyzeti energiája.
Fizikai fogalmakat használva a nyomás feleltethető meg az esésnek. 100 m esésű gépen a nyomás közel 10 bar, míg 1000 méteresen közel 100 bar. A vízhozam pedig az átfolyó víz mennyiségét jelöli, SI mértékegységet használva m3/s-ben.
Ugyanazt a teljesítményt adja le egy 1000 m (100 bar) esésű és 1 m3/s vízmennyiségű hegyvidéki vízerőmű, mint egy 10 m (1 bar) esésű, 100 m3/s vízmennyiségű folyami erőmű. A vízenergiát jó hatásfokkal és kis gépszámmal feldolgozó turbinák között azonban lényeges különbségek adódnak. Lényeges lesz a különbség a turbina fő méreteiben (járókerék átmérő, nyomócsonk átmérő) és a turbinaház falvastagságában, szilárdsági igénybevételében, illetve fordulatszámában.
A hegyvidéki, nagy esésű turbinák kis vízmennyiséget dolgoznak fel nagy esés mellett. Ezért ezek tipikusan viszonylag kis átömlési keresztmetszetű, de nagynyomású, és nagy falvastagságú szerkezetekkel rendelkeznek. Ugyanakkor a folyami erőmű nagy vízmennyiséget dolgoznak fel kis nyomáson. Tehát az átömlési keresztmetszetek nagyok (pl. 8-10 m átmérőjű járókerék) a szerkezet pedig kis nyomású konstrukció.
A gép típus jellemzők szempontjából jó megközelítést ad a jellemző fordulatszám használata, ami a turbina teljesítményét is figyelembe veszi.
A turbinák hidraulikai jellemzője az ún. „jellemző fordulatszám”, amely a teljesítményre és az esésre fajlagosított fordulatszám értékét jelenti. A jellemző még abban a korban lett meghatározva, amikor a teljesítmény egysége még a LE volt. A formula azóta is így használatos, de a kW egység átszámítása mellett.
1. ábra: Turbina típusok az esés – jellemző fordulatszám tartományban
A Francis és a Kaplan ill. szárnylapátos turbinák területe átfedéses. A határterületen lehet mindkettőből választani. A Pelton és a Francis turbinák között azonban van egy üres terület ns=50-80 között, amely nincs még lefedve turbina típussal. Számos kísérlet történt ennek lefedésére az utóbbi évszázadban: Megnövelték a Pelton sugárszámát, de egy járókerékkel maximum hat sugarat lehet feldolgozni, így a Pelton turbina ns=60 fölé nem volt kiterjeszthető. A Bánki turbina jellemző fordulatszám tekintetében ide esik, de a turbina szilárdsági okok miatt csak viszonylag kis, 50-100 m esés határig alkalmas, ezért inkább kis,-közepes gépek építésére alkalmazzák.
A Francis turbináknak erre a területre való kiterjesztésének kavitációs korlátai voltak. Így ez az ns-H tartomány alig kihasznált maradt.
A terület betöltésére feltehetőleg a szabadsugaras turbina lenne versenyképes, mivel ezeknek a hatásfoka széles szabályozási tartományban jó, ellentétben a Francis gépekkel, amelyek hatásfok mezője viszonylag csúcsos és keskeny. Számos kísérlet történt a „hézag” szabadsugár turbinával való betöltésére, párat felsorolva:
- L.F.Moody, Impulse turbine, 1921
- M.Reiffenstein, Wirbelstrahlturbine, ~1920-35
- H.U.Widmer, SFINDEX turbina, ~1950-1955
- S. Lucas, Full admission axial impulse turbine, 2001
Ezek a próbálkozások, nem vezettek még eredményre. A hatásfokuk értéke nem érte el a Pelton és Francis turbináét.
A körívsugaras turbina ismertetése:
A működési elv ismertetésére a 2. ábra szolgál.
A víz a turbina csigaház nyomócsonkján lép be. A csigaház hasonló a Francis turbinák csigaházához, de részleteiben vannak lényeges eltérések. A nagy esések miatt erős támlapátokkal van ellátva, amely a csigaház oldalfalait és a spirál héjat összetartja. Az áramló víznek a támlapátokat követő vezetőlapátok adnak perdületet. A házból a víz körív alakú szájon (vagy szájakon) át lép ki. A kilépő víz nem diszkrét, kör szelvényű sugarak formájában lép ki (mint a Pelton turbinánál), hanem összefüggő, körgyűrű-szegmens, körív formában. Az körív sugarak száma kiviteltől függően 1, -2, esetleg 4 lehet.
A szabályozás az ív, vagy ívek hosszúságával, a nyitás méretének megváltoztatásával történik. A járókerékről távozó víz lehull, illetve a kúpos házfalon távozik.
2. ábra: A körívsugaras turbina vázlata
A turbina járókerekét és a csigaházat áramlási szimuláció által lépésenként fejlesztettük. A konstrukció előnye, hogy a járókeréken az áramlás közel körszimmetrikus, egyenletes. A belépő sebesség kerületi összetevője nagyobb, mint a szokásos szabadsugaras turbináké, ezért a gép fajlagos fordulatszáma is nagyobb. A nagyobb fordulatszám által a méretek csökkenthetők. Hátránya ugyanakkor a megnövelt relatív sebesség, amely a járókerék súrlódási veszteségét növeli. Emiatt a járókerék felületi simaságára fokozottan ügyelni kell.
3. ábra: Modellvizsgálati berendezés
A fényképen a modellvizsgálati berendezés látható. A berendezés a járókerék, a turbina szerkezet kipróbálására és fejlesztésére szolgál. A képen turbina rá van szerelve egy víztartályra, amelyben szabad vízfelszín van. A turbina felett helyezkedik el a generátor, amely itt egy aszinkron motor. A motor egy lengő csapágyas talpra lett felszerelve, amely által a hasznos nyomaték mérhető. Az esést tápszivattyú szolgáltatja, amely a tartályból szív, és a turbina csigaházába nyom. Az esés fojtószeleppel változtatható. A térfogatáram mérésére indukciós áramlásmérő, az esés mérésére dobozos manométer szolgál. A járókerék változatok a 3D modellek után nyomtatási technológiával készülnek.
ForrásEuroSolid