Spośród niewykorzystywanych obecnie zasobów hydroenergetycznych w Polsce o potencjale wynoszącym 6,5 TWh/rok, znacząca część (około 1,7 TWh/rok) przypada na obiekty tak zwanej małej energetyki wodnej – MEW (pod tym pojęciem przyjmuje się w Polsce obiekty o mocy poniżej 5 MW). Zdecydowaną większość obiektów do wykorzystania przez MEW stanowią obiekty o niskim spadzie (42%), co należy uwzględnić w programach produkcji turbin, kładąc nacisk na szybkobieżne turbiny niskospadowe. Turbiny tego typu pozwalają w sposób efektywny zagospodarować obiekty hydrotechniczne, charakteryzujące się relatywnie wysokimi natężeniami przepływu wody przy niskich spadkach (różnicy poziomów wody górnej i dolnej poniżej 4 m słupa wody).

Adam Henke, Adam Góralczyk

W niniejszym artykule przedstawiono najważniejsze wyniki prac projektowo-badawczych, przeprowadzonych w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN (IMP), których głównym celem było zaprojektowanie, wykonanie oraz przebadanie nowoczesnego modelu (prototypu) hydrozespołu z turbiną wodną o wysokiej sprawności energetycznej, zwartej konstrukcji oraz z możliwością łatwego montażu. Na podstawie badań tego modelu zaprojektowano typoszereg hydrozespołów z piko- i mikroturbinami, różniących się wielkością i przeznaczonych na obiekty o spadach od 1 m do 4 m słupa wody.

Rys. 1  Rozkład ciśnień statycznych oraz linie prądu kolorowane prędkością całkowitą w warunkach pracy turbiny przy najwyższej sprawności.

Poprzez wprowadzenie narzędzi analizy przepływu i projektowania bryłowego, oraz weryfikację zaprojektowanego układu przepływowego badaniami prototypu na stanowisku laboratoryjnym, uzyskano konstrukcję turbiny charakteryzującej się wysokim poziomem parametrów energetycznych i eksploatacyjnych.

Koncepcja i założenia projektowe turbiny
Po przeprowadzeniu analizy różnych rozwiązań pikoturbin przeznaczonych dla obiektów niskospadowych z założeniem uzyskania wysokiego wyróżnika szybkobieżności przy stosunkowo niskich kosztach instalacji hydrozespołu na obiekcie MEW, zdecydowano się na zaprojektowanie, wykonanie i przebadanie modelu trójłopatkowej rurowej turbiny z wirnikiem Kaplana i przestawianą palisadą kierownicy. Założono, że turbina będzie wyposażona w jednokolanową stożkową rurę ssącą, a odbiór mocy z wirnika będzie się odbywał poprzez wał przechodzący przez kolano rury ssącej.
Własności hydrauliczne turbin wodnych określają ich podstawowe wielkości (parametry): natężenie przepływu Q, wysokość spadu (spad) H oraz szybkość obrotowa wirnika n. Zależność między tymi wielkościami przedstawiona jest często w postaci tzw. kinematycznego wyróżnika szybkobieżności nsQ.
Wyróżnik nsQ jest liczbą kryterialną podobieństwa maszyn hydraulicznych (turbin wodnych i pomp wirowych) i służy do określania kształtu ich wirników oraz typów maszyn (akcyjne lub reakcyjne o przepływie promieniowym, promieniowo-osiowym, osiowym).

gdzie: n –szybkość obrotowa wirnika maszyny [obr/min], Q – objętościowe natężenie przepływu w nominalnych warunkach pracy [m3/s], H – wysokość spadu [m].
Założenia projektowe modelu rurowej turbiny o przyjętym symbolu TNS 300D z wirnikiem Kaplana sformułowano następująco:

• nominalny spad turbiny Hn = 2 m słupa wody,
• nominalna szybkość obrotowa nn = 800 obr/min,
• średnica wirnika D = 300 mm,
• wyróżnik szybkobieżności nSQ » 220,
• liczba łopatek wirnika z = 3,
• liczba łopatek kierownicy regulowanej zk = 14.

Proces projektowania układu przepływowego modelu turbiny przebiegał w dwóch etapach. W pierwszym etapie za pomocą klasycznych metod jednowymiarowych, w oparciu o dane literaturowe oraz własne doświadczenia konstruktorów, wyznaczono geometrię łopatek wirnika oraz kierownicy regulowanej. W drugim etapie projektowania optymalizowano geometrię układu przepływowego turbiny wykorzystując metody CFD.

Rys. 2  Przekrój osiowy modelu turbiny podwójnej regulacji TNS 300D
(1 – kierownica wsporcza, 2 – kierownica regulowana, 3 – obudowa wirnika, 4 – wirnik, 5 – wał, 6 – rura ssąca jednokolanowa, 7 – węzeł łożyska prowadząco-nośnego).

Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe wyniki analizy numerycznej układu przepływowego turbiny TNS 300.
Na podstawie wyników przeprowadzonych obliczeń układu przepływowego wykonano projekt konstrukcyjny modeli turbiny (Rys. 2,3).

Rys. 3  Model turbiny TNS 300D – wizualizacja przestrzenna.

Badania modelowe pikoturbin wodnych na stanowisku laboratoryjnym
Stanowisko laboratoryjne do badań modelowych pikoturbin wodnych
Stanowisko uniwersalne do badań modelowych pomp wirowych i turbin wodnych zostało zbudowane w laboratorium Instytutu Maszyn Przepływowych PAN w latach 1973/74. Było ono wykorzystywane głównie do prac związanych z badaniami modelowymi pomp osiowych i niektórych typów turbin wodnych na rzecz rozwoju małej energetyki wodnej w Polsce. Na stanowisku tym prowadzono także zajęcia dydaktyczne ze studentami Politechniki Gdańskiej. W ostatnim czasie, w celu polepszenia warunków napływu na maszynę modelową oraz zwiększenia możliwości badawczych stanowisko przeszło gruntowną modernizację. W ramach tej modernizacji, m.in. zainstalowano zbiornik wyrównawczy po stronie wysokociśnieniowej, o pojemności 12,5 m3, co spowodowało znaczne polepszenie warunków napływu wody do badanych maszyn, zwiększenie dokładności pomiaru natężenia przepływu (wydłużenie ciągów pomiarowych oraz zainstalowanie przepływomierzy magnetoindukcyjnych, które zastąpiły pierwotne zwężki Venturiego), a także znaczne zwiększenie objętości wody obiegowej stanowiska, co przyniosło poprawę warunków termicznych. Wprowadzono również regulację szybkości obrotowej pomp obiegowych stanowiska za pomocą przemienników częstotliwości, co zdecydowanie poprawiło sterowanie pracą stanowiska podczas badań.
Od 2011 roku stanowisko spełnia podstawowe wymogi narzucone przez normę międzynarodową IEC 995, dotyczącą badań modelowych turbin wodnych. Schemat stanowiska przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 4  Schemat obiegu hydraulicznego uniwersalnego stanowiska do badań modelowych pomp i turbin wodnych w laboratorium IMP PAN: Zd – zbiornik niskociśnieniowy, Zg – zbiornik wysokociśnieniowy, K – kolektor, T – badana turbina, G – generator,  P1, P2 – pompy obiegowe.

W trakcie badań modelowych turbin wodnych obieg wody w układzie hydraulicznym stanowiska zapewniają dwie pompy (P1 i P2 – rys. 4) pracujące ze zmienną szybkością obrotową. Pompy połączone są od strony ssącej ze zbiornikiem niskociśnieniowym Zd, natomiast od strony tłocznej z kolektorem K.