Ciecz wtłoczona do zbiornika kolektorowego kierowana jest na dwa ciągi pomiarowe z przepływomierzami. Woda po przejściu przez ciągi pomiarowe kierowana jest do jednej z komór zbiornika wysokociśnieniowego Zg, następnie przelewa się przez przegrodę w nim umieszczoną do drugiej komory, która połączona jest z króćcem zasilającym badaną turbinę.
Rys. 5 Turbina TSN 300D zainstalowana na stanowisku badawczym
Energia przepływającej wody odbierana jest przez wirnik turbiny i przekazywana poprzez wał do generatora prądu stałego G. Sterowanie szybkością obrotową turbiny odbywa się poprzez regulację wzbudzenia generatora oraz zmianę oporności opornika elektrolitycznego, w którym wytracana jest moc wygenerowana przez prądnicę turbiny. Woda po przejściu przez układ łopatkowy turbiny odprowadzana jest poprzez rurę ssąca oraz kolano do zbiornika niskociśnieniowego.
Na rysunku 5 przedstawiono turbinę TSN 300D zainstalowaną na stanowisku badawczym.
Wielkości charakteryzujące własności energetyczne modelu turbiny i sposób ich pomiaru
Schemat fragmentu stanowiska badawczego obejmującego zainstalowaną turbiną modelową wraz z zaznaczonymi mierzonymi wielkościami został przedstawiony na rysunku 6.
Rys. 6 Schemat stanowiska badawczego z zainstalowaną turbiną modelową wraz z zaznaczonymi miejscami pomiarowymi i wielkościami mierzonymi (1-1 – przekrój wysokociśnieniowy, 2-2 – przekrój niskociśnieniowy, α0 – kąt ustawienia łopatek kierownicy, β – kąt ustawienia łopatek wirnika, M – moment na wale turbiny, n – szybkość obrotowa turbiny, Q – natężenie przepływu, Δ p1-2 – różnica ciśnień statycznych pomiędzy przekrojami wysoko- i niskociśnieniowym)
Jednostkowa energia hydrauliczna turbiny jest zdefiniowana, jako różnica energii jednostkowej wody w wysoko- i niskociśnieniowym przekroju odniesienia (1-1) – na prostym odcinku rury przed wlotem do segmentu kierowniczego i na wylocie z rury ssącej (2-2). Dla wyznaczenia jednostkowej energii hydraulicznej stosuje się wzór:
gdzie: p1 oznacza ciśnienie w przekroju wysokociśnieniowym (przekrój wlotowy turbiny), p2 oznacza ciśnienie w przekroju niskociśnieniowym (przekrój wylotowy z rury ssącej), V1 jest średnią prędkością cieczy w przekroju wysokociśnieniowym liczoną z równania V1 = Q/A1, gdzie: A1 oznacza pole przekroju wysokociśnieniowego, V2 jest średnią prędkością cieczy w przekroju wylotowym rury ssącej w miejscu zainstalowanego wielopunktowego odbioru ciśnienia.
Prędkość V2 jest liczona z zależności V2 = Q/A2, gdzie: A2 – pole przekroju rury ssącej w miejscu zainstalowanego wielopunktowego odbioru ciśnienia, z1 – rzędna przetwornika ciśnienia w przekroju wysokociśnieniowym (1-1), z2 – rzędna przetwornika ciśnienia w przekroju niskociśnieniowym (2-2), g – przyspieszenie ziemskie, ρ – gęstość wody wyznaczona dla aktualnego ciśnienia atmosferycznego i aktualnej temperatury wody.
Przekroje: wysokociśnieniowy i niskociśnieniowy wyposażone były w wielopunktowe odbiory ciśnienia.
Spad netto turbiny Hn [m sł. wody] wyznaczany jest ze wzoru:
W celu zwiększenia dokładności pomiaru spadu, zamiast oddzielnych pomiarów ciśnień p1 i p2, mierzono różnicę ciśnień Δ p1-2 za pomocą przetwornika różnicowego. W tych warunkach spad turbiny wyznaczano ze wzoru:
Do pomiaru objętościowego natężenia przepływu Q [m3/s] (strumienia objętości) wody) posługiwano się dwoma zainstalowanymi na stanowisku przepływomierzami magneto-indukcyjnymi.
Moc na wale badanej turbiny mierzono w sposób pośredni, za pomocą pomiaru momentu obrotowego i szybkości obrotowej wirnika turbiny, a jej wartość obliczano ze wzoru:
gdzie: P – moc [W], M – moment obrotowy [Nm], n – szybkość obrotowa [obr/min].
Szybkość obrotowa wirnika badanej turbiny n była mierzona za pomocą przetwornika impulsowego. Moment obrotowy na wale badanej turbiny M był mierzony za pomocą momentomierza. Ze zmierzonych wartości natężenia przepływu Q, szybkości obrotowej n, momentu obrotowego na wale M oraz mocy mechanicznej na wale P wyznaczano sprawność całkowitą turbiny η, która wyraża stosunek energii mechanicznej na wale turbiny do energii hydraulicznej strumienia cieczy przepływającego przez turbinę, co zapisać można wzorem:
Zakres badań oraz ich przebieg
Badania modelu turbiny TNS 300D wykonano przy spadach netto Hn ~ 1.5 m, dla ośmiu ustawień łopatek wirnika β w zakresie 6÷24°. Szybkość obrotową n zmieniano w przedziale 250÷1100 obr/min.
Badania polegały na równoczesnym pomiarze natężenia przepływu Q, różnicy ciśnień statycznych między przekrojem wlotowym i wylotowym turbiny ∆p, momentu obrotowego M na wale turbiny oraz szybkości obrotowej wirnika n, przy różnych obciążeniach badanej turbiny. Na podstawie zmierzonych wielkości wyznaczone zostały: spad netto turbiny Hn, moc mechaniczną na wale turbiny P oraz sprawność całkowita η.
Uzyskane z pomiarów wartości natężenia przepływu, szybkości obrotowej, momentu obrotowego na wale oraz mocy mechanicznej na wale były redukowane (przeliczane) na średni spad turbiny Hred, utrzymywany w trakcie badań na stałym poziomie.
Wyniki badań
Na rysunku 7 przedstawiono przykładowe wyniki badań modelu turbiny TNS 300D, uzyskane przy kącie ustawienia łopatek wirnika β = 16° i kącie ustawienia łopatek kierownicy αo = 45° oraz spadzie H = 1,5 m sł. wody
Rys. 7 Przykładowe wyniki badań modelu turbiny TNS 300D, uzyskane przy kącie ustawienia łopatek wirnika β = 16° i kącie ustawienia łopatek kierownicy αo = 45° oraz spadzie H = 1,5 m sł. wody.
Wyniki te przedstawiono w postaci krzywych natężenia przepływu Q, mocy na wale P i sprawności η w zależności od szybkości obrotowej n. Krzywe (wielomiany piątego lub szóstego stopnia) wyznaczono metodą najmniejszych kwadratów, zastosowanych do wartości wielkości mierzonych podczas badań.