Vývoj Kaplanovy vrtulové turbíny s proměnlivými provozními otáčkami

UJEP
Výroba elektrické energie z vodních zdrojů patří do kategorie bezemisních zdrojů a je zcela v souladu s celosvětovým trendem využívání obnovitelných zdrojů. Popisovaný projekt cílí na oblast malých vodních elektráren a mikro zdrojů. V rámci jeho řešení byl úspěšně uveden do provozu prototyp vrtulové turbíny s proměnnými otáčkami, širokým regulačním rozsahem a vysokou účinností.

Pokrok v oblasti vývoje generátorů s permanentními magnety (PMG – Permanent Magnet Generator) a v oblasti frekvenčních měničů umožňuje nové koncepce nízko spádových axiálních vodních turbín s proměnnými provozními otáčkami a pevnými lopatkami oběžného kola. S využitím silných prostředků numerického modelování CFD (Computational Fluid Dynamics) ve spojení s efektivními optimalizačními nástroji lze překonat klasický koncept Kaplanovy turbíny s radiálním rozváděčem a získat mnoho provozních výhod.

Evropská energetika prochází výraznou proměnou vlivem dlouhodobého akcentu na využití obnovitelných zdrojů. Malé vodní elektrárny (MVE) a mikroelektrárny jsou důležitým článkem v celé této oblasti. Zároveň se významně podílejí na snížení distribučních ztrát při přenosu elektrické energie. Velká část malých vodních elektráren v ČR má zastaralou technologii, nezřídka to představují cca sto let staré Francisovy vodní turbíny, které vyžadují náročnou repasi. Stávající technická řešení s nutností nákladných stavebních úprav znemožňují jejich efektivní rekonstrukci.

Původní Francisova turbína – pohled do strojovny

Původní Francisova turbína – pohled do kašny

V rámci projektu TA ČR „Inovativní návrh kompaktního soustrojí Kaplanovy mikro-turbíny“ ve spolupráci Fakulty stavební ČVUT (Dr. Ing. Petr Nowak, Ing. Eva Bílková, Ing. Jiří Souček) a Fakulty strojního inženýrství UJEP (Ing. Martin Kantor, Ph.D.) s firmou Elzaco s.r.o. (Ing. Roman Kubíček) byl navržen zcela nový koncept soustrojí spočívající ve významném zjednodušení strojní části turbíny se současným zlepšením účinnostních charakteristik.

Nové typy PMG umožňují vynechat problematický převod mezi generátorem a turbínou, čímž jsou výrazně sníženy vibrace a hluk. PMG generátor s vysokým krouticím momentem při nízkých otáčkách je v porovnání s běžnými asynchronními generátory podstatně menší, má vyšší účinnost a ztráty na převodu zcela odpadají. Provozní otáčky turbíny jsou regulovány pomocí čtyř-kvadrantního frekvenčního měniče s rekuperační jednotkou a výstupním EMC filtrem. V návrhu je dále zahrnuto využití zbytkového tepla vodou chlazeného generátoru (případně i frekvenčního měniče) pro temperování strojovny MVE a přilehlého objektu. Dalším zásadním zjednodušením strojní části je oběžné kolo s pevnými lopatkami – tím odpadá hydraulické ovládání servomotoru, které je rizikové i z hlediska možné kontaminace vody hydraulickým olejem.

Nová Kaplanova turbína – pohled do elektrického rozvaděče s frekvenčním měničem a rekuperační jednotkou

Nová Kaplanova turbína – pohled na soustrojí v kašně

V rámci projektu byla navržena a nainstalována kompletní sestava prototypu. Turbínové soustrojí má regulovatelný radiální rozvaděč, který nahrazuje provozní uzávěr. PMG je přímo napojený na hřídel turbíny a frekvenční měnič umožňuje nastavení požadovaných provozních otáček v závislosti na aktuálním spádu a otevření rozváděče.

Prototyp prokázal výhodnou konstrukční jednoduchost koncepce s pevnými lopatkami oběžného kola. To je vlastním „srdcem“ vodní turbíny, a proto bylo tvaru lopatek věnováno maximální úsilí. V rámci projektu byl navržen „work flow“ tvarové optimalizace celého soustrojí vyvíjené turbíny.

Nejdůležitější částí je poloautomatický MOGA (Multi-Objectives Genetic Algorithm) optimalizační „engine“ parametricky zadaného tvaru lopatek oběžného kola, který umožňuje efektivně navrhnout optimální řešení podle zadaných kritérií. Těmito jsou v praxi zpravidla vážená účinnost ve vazbě na regulační rozsah a dále kavitační odolnost. S využitím PARETO grafů je pro vybrané tvarové kandidáty následně provedeno detailní měření turbíny na virtuální zkušebně pomocí CFD metod a výsledky jsou v prostředí Matlab automaticky zpracovány do modelových charakteristik s následným přepočtem na charakteristiky provozní.

Celkové pohled na novou Kaplanovu turbínu v dispozici stávající budovy MVE

Prezentace různých variant parametrického modelu hydraulického profilu turbíny

Výsledný tvar oběžného kola Kaplanovy turbíny s pevnými lopatkami

Výsledný návrh axiální turbíny splňuje požadavek širokého regulačního rozsahu i při silně kolísajícím spádu se zohledněním kavitační odolnosti. Postup umožňuje efektivní „tailor made“ návrh tvaru lopatek pro požadovaný rozsah provozních parametrů. Turbína má v porovnání s klasickou Kaplanovou turbínou nižší specifické (a zároveň i provozní) otáčky, delší lopatky oběžného kola a tím je šetrná pro povodní migraci ryb. Do okolí vyzařuje nižší hluk a vibrace, a proto je vhodná i pro urbanizované oblasti. Koncept soustrojí je zacílen pro instalaci na MVE s rozsahem spádu 1,5–15m, průtoků 0,5–10 m3/s, při výkonu cca 10–400 kW.

Dalšími příklady použití metody numerického modelování CFD (Computational Fluid Dynamics) jsou následující aplikace viz následující obrázky. Metody slouží například ke kvantifikaci ztrát, tlakových a rychlostních poměrů, identifikaci poruch prouděn a možných změn geometrie.

Vizualizace proudění metody CFD v S-savce Kaplanovy turbíny

Vizualizace proudění metody CFD ve ventilu

Informace o projektu

Projekt TH04010140 „Inovativní návrh kompaktního soustrojí Kaplanovy mikro-turbíny“ je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci programu EPSILON.

www.tacr.cz

Kolektiv autorů:

Fakulty strojního inženýrství UJEP: Ing. Martin Kantor, Ph.D.

Fakulty stavební ČVUT: Dr. Ing. Petr Nowak, Ing. Eva Bílková, Ing. Jiří Souček

Elzaco s.r.o.: Ing. Roman Kubíček

Odkazy

Fakulta stavební ČVUT v Praze: https://www.fsv.cvut.cz

Fakulta strojního inženýrství Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem: https://fsi.ujep.cz 

Elzaco: https://www.elzaco.cz

Technologická agentura ČR: https://www.tacr.cz