109

4

TURBINE HIDRAULICE

Dintre echipamentele hidromecanice ale unei uzine hidroelectrice, cele care au efect semnificativ n alctuirea centralei hidroelectrice i au pondere n dimensionarea construciilor specifice sunt turbinele hidraulice. Ca urmare, un capitol este destinat acestui subiect, n cadrul cruia se prezint principalele tipuri de turbine, criteriile de alegere a tipului de turbin i unele considerente privind dimensionarea preliminar. 4.1. TIPURI DE TURBINE HIDRAULICE Energia potenial a apei este transformat de o turbin n energie mecanic de rotaie printr-unul dintre cele dou moduri fundamentale: - energia potenial este convertit n energie cinetic a apei nainte de a intra n rotorul turbinei. Un jet de ap cu vitez foarte mare lovete cupele montate pe extradosul rotorului i imprim micarea de rotaie. Dup impactul asupra cupelor apa cade n canalul de fug, energia remanent fiind foarte redus. Turbinele care utilizeaz acest mecanism se numesc turbine cu impuls. - presiunea apei se exercit asupra palelor rotorului, care este complet submers, circuitul hidraulic fiind sub presiune. Presiunea i viteza apei descresc pe msur ce apa parcurge rotorul. Turbinele se numesc turbine cu reaciune. 4.1.1. Turbine cu impuls Turbina Pelton In esen, aceast turbin este o roat hidraulic lovit tangenial de unul sau mai multe jeturi de ap. Jeturile acioneaz asupra cupelor, care au forma unor linguri i care sunt fixate la distane egale pe periferia rotorului (fig.4.1).

Figura 4.1. Elementele componente ale unei turbine Pelton

110

Fora tangenial de impuls creeaz cuplul motor la arborele turbinei, care n continuare este cuplat cu arborele generatorului de curent electric. Jeturile de ap sunt trimise prin injectoare. Viteza de rotaie a rotorului este determinat de viteza i debitul jeturilor, care sunt controlate prin intermediul unei vane aciculare situat n interiorul injectorului (fig. 4.2). Turbina lucreaz eficient atunci cnd viteza periferic a rotorului este jumtate din viteza jetului.

Figura 4.2. Rotorul unei turbine Pelton i modul de acionare al injectorului la reducerea sarcinii

Atunci cnd sarcina grupului descrete, jetul este iniial deviat parial pn cnd vana acicular reduce corespunztor debitul. Acest mod de operare este benefic pentru regimul de presiune din circuitul de alimentare al turbinei. Dac s-ar proceda la nchiderea brusc a vanei aciculare s-ar induce o suprapresiune dinamic mare din lovitura de berbec. Detalii privind alctuirea injectorului sunt redate n figura 4.3.

Figura 4.3. Injectorul unei turbine Pelton Turbinele Pelton pot fi echipate cu unul, dou, sau mai multe injectoare. Exemple sunt prezentate n figura 4.4.

Impactul asupra cupei

Sarcin plin

Jet parialdeviat

Jet oprit de vana acicular

111

Figura 4.4. Turbine Pelton cu mai multe injectoare Turbina Turgo Turbina Turgo are elemente comune cu turbina Pelton, dar de aceast dat cupele au o form diferit, iar jetul de ap lovete planul rotorului la un unghi de 200. Apa intr n rotor pe o parte i iese pe cealalt (fig.4.5). Figura 4.5. Schema de principiu a unei turbine Turgo Este o turbin utilizat pentru microhidrocentrale cu cdere mai mic dect gama de cderi a turbinelor Pelton (cobornd pn la 30 m) i cu debite mai mari. Dac la o turbin Pelton debitul instalat este limitat de condiia ca apa reflectat de o cup s nu interfere cu apa reflectat de cupa adiacent, rotorul Turgo nu prezint asemenea probleme. Ca urmare, viteza de rotaie a rotorului este mai mare i se poate cupla direct cu axul generatorului, eliminnd multiplicatorii de turaie. O dispoziie general a unui ansamblu turbin generator este prezentat n figura 4.6.

Cu ax orizontal Cu ax vertical

Rotor Generator

Injector Figura 4.6. Ansamblul unei turbine Turgo

112

Turbina Cross-Flow (Banki sau Banki Michell) Conceptul turbinelor cross-flow a fost patentat n 1903 de Michell i reinventat n 1920 de Donat Banki, de la universitatea din Budapesta. De aici i denumirile alternative pentru aceast turbin. Caracteristica principal a turbinei este c jetul de ap, dreptunghiular, traverseaz de dou ori palele dispuse pe periferia rotorului, perpendiculare pe acesta. Jetul este direcionat de un aparat director situat n amonte de rotor. Prima dat jetul trece din spre periferie spre centrul rotorului i apoi, dup ce traverseaz spaiul liber din interiorul rotorului, jetul trece din interior spre exterior (fig. 4.6).

Figura 4.6. Principiul turbinei cross-flow Energia cinetic a jetului este convertit n energie de rotaie a rotorului n doi timpi, odat la impactul asupra palelor la intrare i a doua oar la ieirea din rotor. Turbina este ncadrat n categoria turbinelor cu impuls dei, atunci cnd deschidrea dintre pale este mai mare i debitul crete, apa poate umple total interiorul rotorului i turbina lucreaz ca o turbin cu reaciune.

Aparat director

Rotor

Jetul de ap

Palele rotorului

Rotorul turbinei

Figura 4.7. Blocul unei turbine cross-flow produs de firma Ossberger

113

n prezent, firma Ossberger din Germania este principalul productor de turbine cross-flow. Peste 7 000 de turbine produse de aceast firm sunt n exploatare n lume. Din acest motiv, li se asociaz uneori turbinelor de tip cross-flow denumirea de turbine Ossberger. Majoritatea sunt ansambluri monobloc, care se instaleaz cu uurin n schemele microhidrocentralelor (fig. 4.7). Principalul avantaj al turbinelor cross-flow este gama larg de cderi pe care le poate acomoda, de la 2 m la 100 m i meninerea unor randamente bune la o variaie mare a debitelor. 4.1.2. Turbine cu reaciune Turbina Francis Turbina Francis (fig.4.8) are un rotor cu pale fixe, profilate pentru a induce apei o micare de rotaie fr desprinderi sau turbioane. Legtura dintre conducta forat sau distribuitor i rotor se realizeaz printr-o carcas spiral, care rapartizeaz n mod uniform debitul de ap pe periferia aparatului director. Din camera spiral apa este dirijat de palele aparatului director, care asigur orientarea cea mai favorabil a curgerii spre rotor.

Figura 4.8. Elementele componente ale unei turbine Francis Rotorul este alctuit dintr-un butuc, pe care sunt fixate dou coroane circulare, ntre care se ncastreaz un numr de pale. Palele sunt lamelare, cu suprafaa curb n spaiu. Acestea delimiteaza n interiorul rotorului un sistem de canale prin care circul curentul de ap (fig.4.9).

Figura 4.9. Rotorul unei turbine Francis

114

Concentric cu rotorul, se afl aparatul director, alctuit si el dintr-un numr de pale, care se pot roti ntr-un sistem de pivoi (fig.4.10); palele statorice sunt dirijate n aa fel inct ele asigur o intrare eficient a curentului de ap in canalele rotorului. Palele controleaz seciunea de intrare a apei spre rotor i regleaz astfel debitul turbinat. Dup ieirea din rotor apa este evacuat spre aval de aspirator. Circulaia apei pe tot traseul din interiorul turbinei are loc in spaiu nchis, astfel inct rotorul, sub aciunea energiei cinetice ct i aceea de presiune de care dispune curentul, creeaza un cuplu motor.

Figura 4.10. Micrile palelor aparatului director

Turbinele Francis se pot folosi pentru o marje foarte larg de cderi, de la 20 m la 700 m i pentru puteri de la civa kilowai pn la 1000 MW. Dimensiunile sunt de asemenea cuprinse ntre zeci de cm pn la 10 m. Datorit randamentelor foarte bune i a faptului c acoper o gam larg de cderi i debite, turbinele Francis sunt cele mai frecvent folosite. Pentru exemplificare, n figura 4.11 se prezint una dintre cele 20 de turbine Francis de la UHE Itaipu, care are o putere de 700 MW, la o cdere de cca 120 m i un debit instalat pe turbin de 700 m3/s. Pentru a realiza dimensiunile grupului turbin generator, pe schi este poziionat i statura unui om.

Figura 4.11. Rotorul turbinei Francis i rotorul generatorului de la un grup al amenajrii Itaipu

115

Turbina Kaplan Aceast turbin are rotorul de tip elice, cu arborele tubular vertical. Rotorul este alctuit dintr-un butuc pe care se fixeaz 48 pale. Palele se pot roti printr-un sistem comandat de o tij aflat n interiorul arborelui tubular, in funcie de debitul de ap disponibil (fig. 4.12).

Figura 4.12. Ansamblul unei turbine Kaplan

ntocmai ca i la turbina Francis, curentul de ap este repartizat pe periferia rotorului prin aparatul director, dup ce acesta a fost alimentat prin carcasa spiral. La debite mari carcasa sau camera spiral se construiete cu seciunea de o form special, n genere poligonal, uneori din beton armat. Spre deosebire de turbina Francis, turbina Kaplan este dublu reglabil, adic permite orientri convenabile att palelor rotorice ct i ale aparatului director. Dup cum se vede din figura 4.12, palele rotorului sunt acionate de curent de-a lungul arborelui, dup ce n prealabil curentul i-a schimbat direcia cu 90, de unde i denumirea de turbine axiale. Energia hidraulic cedat palelor face ca rotorul s creeze un cuplu motor, care prin intermediul arborelui este transformat in energie electrica de catre generatorul cu care turbina este cuplat direct. Evacuarea apei are loc n spaiul nchis format de tubul aspirator-difuzor, care la debite mari are o forma cotita i este construit din beton armat. Aspiratorul are o form special, cu seciune cresctoare spre aval, pentru a decelera curentul de ap i a recupera energia cinetic. Dubla reglare, prin aparatul director i prin palele rotorului, permite meninerea unor randamente ridicate n exploatare, de peste 90% , pentru o marje larg de debite. Din acest motiv turbinele Kaplan sunt frecvent folosite n amenajrile hidroelectrice cu cderi mici (pna la cca 30 m) i debite mari.

Rotor

Aspirator - difuzor

Pale

Butuc Aparat director

Pal

Carcas spiral

116

Pentru ilustrare, n figura 4.13 sunt prezentate poziiile extreme ale reglajului palelor rotorului, de la debite foarte mici la debitele nominale.

Figura 4.13. Poziii extreme ale palelor rotorului unei turbine Kaplan

Tot pentru ilustrare, n figura 4.14 se prezint ansamblul rotor turbin rotor generator pentru o central hidroelectric echipat cu turbine Kaplan.

Figura 4.14. Ansamlul rotoric al unui grup echipat cu turbine Kaplan

Turbina Bulb Este de fapt o turbin de tip Kaplan (fig. 4.15) la care axul de simetrie este orizontal sau face un unghi relativ mic fa de orizontal. Se difereniaz de asemenea prin faptul c accesul apei la palele statorice i rotorice se asigur printr-un sistem confuzor - difuzor, orizontal, n loc de obinuita camer spiral la intrare i tub aspirator-difuzor la evacuare. n acest mod traseul curentului urmeaz aproape o singur direcie, sau, n orice caz, un traseu fr curburi accentuate, fapt care micoreaz apreciabil pierderile hidraulice.

117

Figura 4.15. Schema de principiu a turbinei Bulb Butucul rotorului trece printr-un rost etan (care permite rotire), ntr-o camer realizat de o manta metalic, de forma unui bulb, n interiorul creia se afl generatorul de curent, sistemul de cuplare, instalaiile anex etc. Aparatul director este dispus n apropierea rotorului, iar mai n amonte se fixeaz o serie de nervuri de dirijare a curentului si de susinere a ntregului sistem. Accesul n interiorul bulbului se face printr-un pu, a crui gur de intrare se amenajeaz in sala mainilor. O imagine a ansamblului turbin bulb se poate urmri n figura 4.16.

Figura 4.16. Seciune transversal printr-o turbin bulb

Turbinele bulb echipeaz centralele hidroelectrice pe firul apei, cu cderi modeste (de la civa metri la cel mult 20 m) i cu debite foarte mari. Seciunile de curgere a apei ctre i de la turbin trebuie s fie foarte mari, ceea ce ar face ca n cazul turbinelor cu ax vertical s apar dificulti constructive i costuri mari pentru schimbarea direciei de curgere la intrare i la ieire.

Confuzor

Difuzor

Aparat director Rotor

Pu de acces Nervuri de prindere

Bulb

Generator

Rotor

Aparat director

118

Alte tipuri de turbine cu reaciune Turbina Deriaz are un rotor cu elice cu pale reglabile, ca i turbina Kaplan, dar se deosebete de aceasta prin unghiul de atac al curentului fa de axa de rotaie (30 ... 45), astfel c traseul curentului devine diagonal.

Turbina de tip Propeller este o turbin Kaplan cu palele rotorului fixe. Este folosit atunci cnd cderea este cvasi-constant i nu impune reglaje speciale.

Turbina Straflo este o turbin axial la care generatorul este amplasat ntr-un spaiu aflat n afara curntului apei.

4.2. TURAIE SPECIFIC I SIMILITUDINE Turaia specific ns a unei turbine caracterizeaz forma acesteia, indiferent de dimensiunile geometrice. Pe baza turaiei specifice se poate concepe prin scalare o nou turbin pornind de la o turbin cu performane cunoscute. Turaia specific este de asemenea principalul criteriu pentru alegerea corect a unui anumit tip de turbin pentru caracteristicile energetice ale uzinei hidroelectrice. Pornind de la cderea i debitul nominal al turbinei i cunoscnd turaia generatorului (rot/min) se calculeaz turaia specific i pe baza acesteia se alege tipul de turbin.

Definiia general acceptat pentru turaia specific este turaia unei turbine ideale, care produce o putere unitar la o cdere unitar. Turaia specific este o caracteristic furnizat de fabricantul turbinei i corespunde condiiilor de funcionare la randament maxim a turbinei. Turaia specific este de asemenea mrimea pe baza creia se pot determina n etapa preliminar principalele dimensiuni ale componentelor turbinei.

4.2.1. Relaii de similitudine Proiectarea turbinelor hidraulice, la fel ca a unei mari pri a structurilor hidraulice, se bazeaz pe studii pe modele la scar redus. Teoria similitudinii constitue baza de trecere de la model la prototip. Modelul i prototipul trebuie s fie similare geometric. n cazul turbinelor, cea de a doua condiie este identitatea coeficientului de debit definit sub forma gHAQ 2/ , cu notaiile cunoscute: Q debit; A arie de curgere; H cdere. Similitudinea geometric se asigur dac toate dimensiunile modelului se obin prin reducerea cu un coeficient de scar k a dimensiunilor prototipului. Dac coeficientul de scar se refer la lungimi, atunci raportul ariilor este k2 iar raportul volumelor este k3. Din condiia ca modelul i prototipul s aib acelai coeficient de debit rezult relaia:

2

2/1

22 k

HH

AAx

gHgH

QQ

mmmm

== (4.1)

unde indicele m semnific modelul. Raportul puterilor furnizate de prototip i model este la rndul lui exprimat n funcie de aceleai mrimi: