Научная статья на тему 'Бесплотинная микроГЭС с роторной гидротурбиной для преобразования энергии равнинных рек'

Бесплотинная микроГЭС с роторной гидротурбиной для преобразования энергии равнинных рек Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
523
286
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГИДРОТУРБИНА / МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ / МОЩНОСТЬ / ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ / ЭНЕРГИЯ / HYDRAULIC TURBINES / MICRO HYDRO / POWER / ELECTRICITY / ENERGY

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Баксаисов Е. И., Степанов С. Ф.

Рассматривается возможность применения роторных гидротурбин в бесплотинных микрогидроэлектростанциях, для преобразования энергии течения малых рек без создания дорогостоящих гидротехнических сооружений. Также описывается пример расчета основных гидроэнергетических показателей турбины с помощью ЭВМ. Приведен анализ полученных результатов расчета.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE MICRO-HPP WITHOUT THE DAM ON THE ROTOR-TYPE HYDRAULIC TURBINE TO CONVERT THE ENERGY OF LOWLAND RIVERS

The article considers an opportunity of application of rotary hydraulic turbines in the micro-HPP without dam, to convert the energy of the flow of small rivers without building expensive hydraulic structures. Also describes an example of calculation of the main hydro-energy indices of the turbine with the help of computer. The analysis of the received results of the calculation.

Текст научной работы на тему «Бесплотинная микроГЭС с роторной гидротурбиной для преобразования энергии равнинных рек»

УДК 621.311

Е.И. Баксаисов, С.Ф. Степанов

БЕСПЛОТИННАЯ МИКРОГЭС С РОТОРНОЙ ГИДРОТУРБИНОЙ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РАВНИННЫХ РЕК

Рассматривается возможность применения роторных гидротурбин в бесплотинных микрогидроэлектростанциях, для преобразования энергии течения малых рек без создания дорогостоящих гидротехнических сооружений. Также описывается пример расчета основных гидроэнергетических показателей турбины с помощью ЭВМ. Приведен анализ полученных результатов расчета.

Г идротурбина, микрогидроэлектростанция, мощность, электроснабжение, энергия

E.I. Baksaisov, S.F. Stepanov

THE MICRO-HPP WITHOUT THE DAM ON THE ROTOR-TYPE HYDRAULIC TURBINE TO CONVERT THE ENERGY OF LOWLAND RIVERS

The article considers an opportunity of application of rotary hydraulic turbines in the micro-HPP without dam, to convert the energy of the flow of small rivers without building expensive hydraulic structures. Also describes an example of calculation of the main hydro-energy indices of the turbine with the help of computer. The analysis of the received results of the calculation.

Hydraulic turbines, micro hydro, power, electricity, energy

Наша страна обладает значительными запасами водной энергии речных систем. При этом большое количество населенных пунктов расположено по берегам рек. Поэтому энергию рек можно широко использовать для получения небольших мощностей. Для этого не обязательно возведение сложных и дорогостоящих гидротехнических сооружений. Электроснабжение может осуществляться от бесплотинных микрогидроэлектростанций, не требующих создания статического напора.

Как правило, при проектировании гидротурбинного оборудования малых низконапорных ГЭС основное внимание уделяется не столько получению высоких энергокавитационных показателей турбины, сколько созданию надежного и дешевого оборудования, обеспечивающего заданную мощность. При этом в условиях малых перепадов между верхним и нижним бьефом нет необходимости в обеспечении высоких кавитационных показателей гидротурбины. Эти обстоятельства позволяют отказаться от дорогостоящих автоматизированных поворотно-лопастных конструкций направляющего аппарата и рабочего колеса и использовать сравнительно дешевую автоматизированную систему управления гидроагрегатом. Также в условиях малых низконапорных ГЭС целесообразно применять технологически простые в изготовлении лопастные системы гидротурбин, уменьшая тем самым трудоемкость и стоимость изготовления оборудования. Применение простых и технологичных в изготовлении лопастных систем приводит к некоторому снижению энергетических показателей гидротурбины, однако в каждом конкретном случае необходимо технико-экономическое обоснование конструкции лопастных систем на основе расчетной или экспериментальной оценки их гидравлических характеристик [1].

Существенно ускорить и оптимизировать оценку гидравлических характеристик помогают различные вычислительные комплексы, такие как Flow Vision, Ansys и т.д. Использование ЭВМ позволяет, исходя из математических уравнений, рассчитать поведение иссле-

дуемой турбины в тех или иных условиях, которые определяет пользователь. В основу программного комплекса Flow Vision положен метод конечных объемов. Расчетная сетка Flow Vision - декартова, локально адаптивная. Локальная динамическая адаптация начальной сетки производится в соответствии с заданными пользователем критериями. Базовыми в Flow Vision являются уравнения Навье-Стокса и уравнения неразрывности, которые можно записать в компактном тензорном виде: уравнение неразрывности

Эр д(рик)

dt dx,

к

о,

уравнение Навье-Стокса

р

дщ

dt

дх

к J

HJl dx,. dx,.

(1)

(2)

Пакет прикладных программ (ППП) для численного моделирования Flow Vision формально делится на 3 модуля, называемые Препроцессором,

Солвером и Постпроцессором. В Препроцессоре строят геометрическую основу задачи - расчетную область, выбирают модели, граничные и начальные условия, а также параметры расчетной сетки и метода решения задачи. Солвер обеспечивает численное решение поставленной задачи. Постпроцессор служит для вывода и представления, прежде всего визуализации полученных в результате расчетов данных.

Расчётная область (рис. 1) создана при помощи внешней программы Solid Works, относящийся к семейству САБов [2]. Средой, в которой ведется расчёт, является вода плотностью р = 1000 кг/м3, скорость течения v = 1,4 м/с.

Прежде чем приступить к расчету, необходимо задать расчетную сетку во всей расчетной области. В данной задаче мы используем расчётную сетку размерностью 60x60x12.

Результаты расчёта можно выводить в различных удобных формах: изображение распределения давления на поверхности турбины методом цветовой заливки, двумерный график изменения вращающего момента, визуализация векторного поля скорости.

Рис.1. Роторная ортогональная гидротурбина с вертикальной осью вращения

Рис. 2. График изменения момента турбины при вращении: а - график изменения во времени момента вращающих сил гидротурбины; б - график изменения во времени момента вращающих сил

гидротурбины поделенной на секции

На рис. 2а представлен результат расчета в форме графика зависимости вращающего момента от времени в секундах полученный с помощью Flow Vision. Из графика также видно, что роторная гидротурбина действительно имеет так называемую «мертвую точку» своего положения, когда плоскость, мысленно проведенная через все четыре кромки обеих цилиндрических лопастей, совпадает с направлением течения воды. В этом случае момент гидротурбины имеет наименьшее значение. При большой нагрузке она может даже остановиться.

Одним из способов устранения «мертвой точки» является разделение турбины на три секции двумя промежуточными дисками (рис. 3). Каждая секция смещается относительно двух других на 120°. Моделирование такой турбины с помощью ППП Flow Vision показало, что она не имеет «мертвой точки». Вращение становится более равномерным, уменьшается амплитуда биения.

Анализ полученных результатов свидетельствует о целесообразности применения роторных гидротурбин в бесплотинных микроГЭС. По рис. 2б можно установить среднее значение момента турбины равное М=10 Нм. Расход воды через турбину составил Q= 3,15 м3/с. Исходя из этого можно определить мощность проектируемой энергоустановки Р=0,6 кВт. При применении накопителя энергии мощности установки вполне достаточно для электроснабжения одного жилого дома.

ЛИТЕРАТУРА

1. Николаенко Ю.И. Разработка экономичных гидроагрегатов для низконапорных малых гидроэлектростанций / Ю.И. Николаенко, А.В. Тарасов, Г.И. Топаж // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. - Т. 12. - № 1(2). - С. 472-475.

2. Применение пакетов прикладных программ при изучении курсов механики жидкости и газа / Т.В. Кондранин, Б.К. Ткаченко, М.В. Березникова, А.В. Евдокимов, А.П. Зуев. -М.: МФТИ, 2005. - 104 с.

Рис.3. Роторная гидротурбина, состоящая из трех секций

Баксаисов Еркен Ибрахимович -

ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Степанов Сергей Федорович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Erken I. Baksaisov -

Assistant

Department of Power Supply of Industrial Enterprises,

Gagarin Saratov State Technical University

Sergey F. Stepanov -

Dr. Sc., Professor Department of Power Supply of Industrial Enterprises,

Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 16.05.12, принята к опубликованию 15.06.12

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.