Ghid de utilizare a picoturbinei pentru caderi mici

CUVANT INAINTE

Lucrarea de fata se adreseaza in egala masura atat expertilor din cercetare si invatamant, cat si studentilor interesati sa aprofundeze cunostintele din domeniul Mecanicii si a Energeticii, prin studierea unei clase speciale de masini hidraulice - picoturbinele. In ultimii ani, turbinele de putere foarte mica reprezinta din nou o optiune atractiva in domeniul cercetarii stiintifice aplicative, in special datorita faptului ca sunt printre putinele surse hidro care se indeplinesc cerintele legislative din domeniul protejarii ecosistemelor.

Primul capitol introduce conceptele teoretice care stau la baza producerii de energie electrica din surse microhidro. Aceste concepte sunt bazate pe studiile statistice efectuate de International Renewable Energy Agency.

Principalele tipuri de turbine hidraulice adecvate implementarii in picosisteme sunt prezentate in capitolul doi.

Capitolul trei dezvolta o analiza a turbinelor cu dublu flux.

In capitolul patru este oferit, spre exemplificare, un proiect al unei microturbine transversale de putere P < 30 kW.

Capitolul cinci detaliaza problematica conceperii si realizarii unui stand cu nivel liber dedicat efectuarii de studii experimentale asupra picoturbinelor de cadere mica si contine solutii tehnice pentru canalul hidraulic, dispozitivele conexe de ridicare-coborare, de ghidare si de modificare a conditiilor de lucru ale turbinei, sistemul de masura si monitorizare a parametrilor turbinei. Aceste solutii au fost realizate si implementate in laboratorul de Mecanica Fluidelor, Masini si Actionari Hidraulice de la Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” din Iasi.

In capitolul sase, o picoturbina pentru productia de energie curata, adica o turbina transversala proiectata pentru caderi foarte mici, a fost studiata cu succes prin incercari experimentale si simulari numerice. Incercarile experimentale au aratat ca solutia constructiva propusa asigura o functionare cu randamente acceptabile la caderi masurate de pana la 1,6 m si debite masurate de pana la 0,25 m3/s, valori limita sub care alte tipuri de turbine sunt dificil de utilizat.

Simularile numerice au fost validate pe baza rezultatelor experimentale. Rezultatele prezentate indica faptul ca o turbina cu dublu flux de cadere foarte joasa poate functiona cu randamente bune atunci cand este proiectata si exploatata corespunzator. Prin urmare, tipul de turbina studiat este recomandat in scopul exploatarii potentialului hidraulic foarte scazut, acolo unde se doreste valorificarea economica a resurselor regenerabile, fie sub forma sistemelor combinate solar-eolian-hidro, fie sub forma unitatilor independente de producere a energiei electrice.

Autorii

CUPRINS

1. Politici energetice privind producerea de energie electrica din surse cu potential hidroenergetic redus 13

2. Tipuri de turbine hidraulice adecvate implementarii in micro si pico sisteme 19
2.1. Clasificarea pico si micro turbinelor hidraulice 19
2.2. Micro si picoturbine de cadere mare 21
2.3. Micro si picoturbine de cadere medie 25
2.3.1. Microturbina si picoturbina Turgo 25
2.3.2. Microturbina cu dublu flux 28
2.3.3. Microturbina Francis 36
2.4. Microturbine si picoturbine de cadere mica 37
2.4.1. Roata de apa 37
2.4.2. Roata de apa Poncelet 38
2.4.3. Roata de apa Zuppinger 39
2.4.4. Roata de apa Sagebien 40
2.4.5. Roata de apa cu ax vertical 40
2.4.6. Microturbina tip surubul lui Arhimede 41
2.4.7. Picoturbina elicoidala 42
2.4.8. Microturbina si picoturbina Kaplan 44
2.5. Microhidroenergia in Romania 45

3. Analiza tipurilor constructive de turbine cu dublu flux 49

4. Ghid de proiectare a unei microturbine cu dublu flux 63
4.1. Date de calcul 63
4.2. Calcule hidraulice 63
4.2.1. Calculul turatiei specifice 63
4.2.2. Calculul dimensiunilor principale ale rotorului 64
4.2.3. Calculul randamentului si a puterii 64
4.2.4. Determinarea latimii ajutajului si a latimii rotorului 65
4.2.5. Dimensionarea paletelor rotorului 65
4.2.6. Calculul hidrodinamic al rotorului 66
4.2.7. Calculul aparatului director 69
4.2.8. Influenta grosimii paletelor 70
4.2.9. Suprapresiuni si pierderi volumice 71
4.2.10. Gradul de umplere si pierderile hidraulice la prima interactiune 72
4.2.11. Pierderile de cadere datorita pozitiei rotorului 73
4.3. Calcule de rezistenta 73
4.3.1. Calculul arborelui 73
4.3.2. Starea de solicitare din rotor si rigiditatea sa 75
4.3.3. Calculul rulmentilor 76
4.4. Randamentul 78
4.5. Alegerea generatorului electric 78
4.6. Calcule tehnico-economice estimative 79

5. Stand pentru testarea picoturbinei cu dublu flux la cadere mica 83
5.1. Consideratii generale privind testarea turbinelor hidraulice 83
5.2. Descrierea standului experimental cu nivel liber 84
5.3. Conditii limitative ale standului experimental din laboratorul MFMAHP 89
5.4. Dispozitive conexe 91
5.4.1. Sistem de ridicare-coborare a turbinei cu ajutorul scripetilor 91
5.4.2. Sistem de sustinere si ghidare a ansamblului injector-rotor 96
5.4.3. Sistemul de transmisie a miscarii de rotatie de la axul rotorului la axul sistemului de incarcare 101
5.4.4. Sistem de incarcare mecanica 102
5.4.5. Sistem de incarcare electrica 105
5.4.6. Sistem de distributie a apei catre rotorul picoturbinei 108
5.5. Sistemul de masura si monitorizare a parametrilor picoturbinei 111
5.5.1. Aparatura de masura si achizitie date 111
5.5.2. Sistemul de achizitie date 115
5.5.3. Instrument virtual de prelucrare si afisare a datelor 116

6. Studii experimentale si analiza CFD privind o picoturbina de cadere mica 119
6.1. Proiectarea prototipului experimental 119
6.1.1. Rotor 120
6.1.2. Injector 124
6.2. Realizarea prototipului experimental 130
6.3. Testarea prototipului experimental 131
6.4. Analiza rezultatelor experimentale 137
6.5. Rularea de simulari numerice pe o geometrie de incercare a picoturbinei de cadere mica 139
6.6. Concluzii privind testarea si analiza CFD asupra picoturbinei de cadere mica 145

Bibliografie 149

DESPRE AUTORI

Prof. dr. ing. Daniela POPESCU s-a nascut in anul 1960 si a absolvit cursurile Facultatii de Electrotehnica, specializarea Energetica, Institutul Politehnic Iasi, in anul 1984. Incepand cu anul 1991 a fost angajata la Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” din Iasi (UTI), departamentul de Mecanica Fluidelor, Masini si Actionari Hidraulice si Pneumatice (MFMAHP). Este profesor in cadrul aceluiasi depar¬tament din anul 2008 si este conducator de doctorat din anul 2011.

Pe langa activitatea didactica, care include pozitia de titular disciplina a cursurilor de Mecanica Fluidelor, Masini Hidraulice, Centrale Hidroelectrice, este preocupata si de activitatea de cercetare. Este directorul Centrului de Cercetare „Mecanica Fluidelor Aplicata si Mecanica Teoretica” de la Facultatea Constructii de Masini si Management Industrial din UTI. A participat la peste 10 contracte de cercetare, a fost coordonator a trei contracte de cercetare de tip parteneriate castigate prin competitie nationala si responsabil de proiect din partea UTI intr-un proiect de cercetare international finantat de Comisia Europeana.

Este referent stiintific la reviste Elsevier si expert evaluator al Comisiei Europene in cadrul programului Horizon 2020. Este prim autor a 2 brevete de inventii in domeniul masinilor hidraulice, unic autor a 4 carti editate in edituri recunoscute si autor/coautor a peste 100 de lucrari stiintifice.

Din totalul de lucrari, peste 60 au fost publicate in jurnale si volume de conferinte internationale, peste 20 fiind recunoscute ISI. Parametrii de scientometrie realizati sunt Hirsch index: 5, i10-index: 3, citari > 200.

Drd. ing. Constantin POPESCU este absolvent al specializarii Masini si Sisteme Hidraulice si Pneumatice (UTI), promotia 2010. A obtinut diploma de master in specializarea Mecanica Fluidelor Aplicata in anul 2012.

In prezent ocupa functia de inginer in cadrul Departamentului MFMAHP de la UTI. Este student doctorand din anul 2012, specializarea Inginerie Mecanica. Tema tezei de doctorat este „Cercetari teoretice si experimentale privind microturbinele transversale”.

In cadrul studiilor doctorale si a activitatii de cercetare desfasurata pentru realizarea obiectivelor proiectului PICOTURB, a publicat 7 lucrari stiintifice, din care 1 intr-o revista ISI si 1 intr-un proceeding ISI.

Sef lucrari dr. ing. Andrei DRAGOMIRESCU s-a nascut in anul 1974 si lucreaza, in prezent, la Universitatea Politehnica din Bucuresti (UPB), Facultatea de Energetica, Departamentul de Hidraulica, Masini Hidraulice si Ingineria Mediului. In 1997 a absolvit Facultatea de Inginerie Mecanica, specializarea Masini Hidraulice si Pneumatice, in cadrul UPB. Este doctor in domeniul Energetic din 2011.

Este titularul cursului de „Turbine Hidraulice si Turbotransmisii” de la Facultatea de Inginerie Mecanica si Mecatronica din UPB, programul de studii de licenta „Masini si Sisteme Hidraulice si Pneumatice”. Domeniile sale de competenta sunt Mecanica fluidelor, Masurari hidraulice si pneumatice, Turbomasini, Echipamente hidromecanice. Este membru al Asociatiei de Standardizare din Romania, Comitetul Tehnic 109 „Debitmetrie”. Rezultatele obtinute pe parcursul activitatii sale au fost diseminate in 2 carti si 43 de articole, dintre care 12 au fost publicate in reviste indexate BDI, 4 au fost publicate in reviste cotate ISI, iar 4 au fost publicate in volume ale unor conferinte ISI. A obtinut un brevet de inventie acordat de OSIM pentru o turbina eoliana cu rotor transversal.

Prof. dr. ing. Mircea BARGLAZAN. Data si locul nasterii: 10.11.1939, Timisoara. Profesia: inginer meca¬nic, specializarea Masini Hidraulice si Pneumatice (MHP). Studii: Universitatea Politehnica Timisoara (UPT), Facultatea de Mecanica, Specialitatea Masini Hidraulice (absolvent in anul 1961). Titlul: Profesor universitar emerit. Activitatea: la UPT, toate gradele didactice in intervalul 1961 - 2016. Doctor inginer in 1981 si conducator de doctorat in 1990. Discipline onorate in numar de 35 in domeniul ingineriei mecanice si in special MHP (de ex. Turbine hidraulice si transmisii hidrodinamice, Mecanica fluidelor, Hidraulica, Centrale hidroelectrice, Reglarea si automatizarea sistemelor hidraulice, Actionari hidraulice si pneumatice, Masurari hidraulice). Coordonator la 128 proiecte de diploma in domeniul MHP. Publicistica stiintifica in domeniul MHP: 18 carti, 195 articole (la 46 unic autor si la 71 prim autor), doua brevete de inventie, 125 recenzii. Specializari mai importante: SUA, Franta si Irlanda. Profesor invitat la Universitatea Politehnica din Kielce (Polonia) in anii 2009 - 2013. Coordonator al Proiectului International TEMPUS S 09498-95. Participant la 22 conferinte, congrese si simpozioane de specialitate MHP, in strainatate.

Contracte de colaborare tehnico-stiintifica in numar de 72 (la 37 responsabil). Granturi TEMPUS, CNFIS, CNCSU, ANSTI, CNSIS, GAR, MENER si EEA in numar de 26 (la 16 director). Colaborator la Institutul de Hidraulica si Pneumatica, Bucuresti. Colaborator la Agentia Manageriala pentru Cercetare Stiintifica, Inovare si Transfer Tehnologic Politehnica.

Conf. univ. dr. ing. Bogdan CIOBANU a absolvit Facultatea de Tehnologia Constructiilor de Masini de la UTI, specializarea T.C.M., promotia 1992. Din 1993 lucreaza la departamentul de MFAMAHP din aceeasi universitate unde, in paralel cu activitatile didactice specifice pozitiilor ocupate, a fost implicat in activitati de cercetare derulate prin 24 de contracte si granturi.

A publicat in calitate de autor/coautor 7 carti, mono¬grafii si cursuri universitare si 96 de articole in reviste si volume de conferinte, din care 32 indexate in baze de date internationale. A predat cursul „Turbine hidraulice si turbotransmisii” studentilor inscrisi la specializarea Masini si Sisteme Hidraulice si Pneumatice. A evaluat teme de cercetare in programe nationale. Este referent stiintific la reviste.

Din 2016 este Prodecan cu activitatea de cercetare la Facultatea de Constructii de Masini si Management Industrial.

Conf. univ. dr. ing. Radu DROSESCU este absolvent al Facultatii de Automatica si Calculatoare a Institutului Politehnic Bucuresti, promotia 1981.

Este doctor inginer in specialitatea Inginerie Mecanica din mai 2000. Din anul 2007 este conferentiar la Universitatea Tehnica „Gh. Asachi” Iasi in specialitatea „Echipament Electric si Electronic al Autovehiculelor Rutiere”.

A studiat sistemele electronice de control, sistemele de siguranta activa, pasiva si de asistare a conducatorului auto pentru autovehicule rutiere publicand 4 carti, 5 patente de inventie, peste 40 lucrari stiintifice si a participat ca director sau colaborator la 10 granturi de cercetare.

Asist. univ. dr. ing. Eugen NASTASE, nascut in anul 1981 este absolvent de T.C.M. - UTI, promotia 2005. A obtinut in anul 2006 o diploma de master si in anul 2008 o diploma de studii postuniversitare in Informatica la UAIC din Iasi. In anul 2012 si-a sustinut la UTI, teza de doctorat cu titlul „Cercetari teoretice si experimentale privind influenta unor parametri constructivi si hidraulici asupra performantelor miniturbinelor hidraulice”, in domeniul Inginerie Mecanica. In ultimii 5 ani, a mai fost implicat ca membru in echipa in 4 granturi/contracte de cercetare avand ca director/responsabil proiect membrii departamentului MFMAHP din UTI. A publicat 12 lucrari stiintifice si o carte.