Návrh a optimalizace propelerové turbíny s proměnnými otáčkami

Abstract

Vodní mikro-elektrárny představují důležitý obnovitelný zdroj elektrické energie. Jejich nízký instalovaný výkon vyvažuje velké množství dostupných lokalit. Často využívají zbytkového spádu a jejich dopad na životní prostředí je minimální. Přispívají k decentralizace výroby elektrické energie a tím zvyšují bezpečnost jejích dodávek. Běžně používané technologie turbín však nejsou pro mnoho mikro-elektráren ekonomicky efektivní. Tato práce představuje koncept axiální vrtulové turbíny s proměnnými otáčkami navržené „na míru“ konkrétní lokalitě. Turbína je navržena tak, aby splňovala specifické potřeby dané lokality s ohledem na prostorová a provozní omezení. Dvojitě regulovaná turbína s pevnými lopatkami oběžného kola zjednodušuje strojní konstrukci a současně si zachovává široký regulační rozsah. Pro jeho dosažení je oběžné kolo je speciálně navrženo a optimalizováno pro provoz s proměnnými otáčkami. Optimalizace hydraulického tvaru oběžného kola je provedena pomocí parametrickému modelu geometrie a posouzení vlastností jednotlivých návrhů CFD modelem. Bylo zjištěno, že vrtulová turbína s proměnnými otáčkami má vynikající regulaci průtoku při zachování jednoduché mechanické konstrukce. Návrh šitý na míru lokalitě využívá stávajících konstrukcí a tím minimalizuje náklady na výstavbu. Je vhodný především pro mini-elektrárny. V práci jsou prezentovány poznatky o návrhu axiálních turbín s proměnlivými otáčkami, ale k jejich zobecnění je zapotřebí dalších studií.

Hydro micro-power plants are an important renewable source of energy. A large number of available sites balances their low installed capacity. They often use the residual head, and their environmental impact is minimal. They contribute to the decentralization of electricity production and thus increase the security of supply. However, commonly used turbine technologies are not suitable for many micro-power plants as they are not cost-effective. This paper presents the concept of a variable speed axial axis turbine designed "tailored" to a specific site. The turbine is designed to meet the site's specific needs, considering space and operational constraints. The double-regulated turbine with fixed runner blades simplifies the mechanical design while maintaining a wide operating range. The runner is specially designed and optimized for variable speed operation to achieve a desired operating range. The parametric geometry model and a CFD-based assessment of the design properties enable hydraulic profile and runner optimization. The variable-speed propeller turbine was found to have excellent flow control while keeping the mechanical design simple. The tailor-made approach minimizes construction costs using existing structures and is highly suitable for mini-hydropower applications. The findings on the design of axial variable-speed turbines are presented, but further studies are needed to generalize them.