Projekti / Programi
Optimizacija delovanja vodnih turbin s horizontalno osjo in nizko potopitvijo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.04 |
Tehnika |
Energetika |
Energetski postroji |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T140 |
Tehnološke vede |
Energijske raziskave |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Vodna turbina, nizka potopitev, kavitacija
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
EU bo za pokritje povečanih potreb potrebovala 750 GW novih kapacitet za proizvodnjo električne energije (EUROELECTRIC). Proizvodnja električne energije z vodnimi elektrarnami igra v EU veliko vlogo saj pokriva več kot desetino proizvodnje energije in 20 % inštalirane moči. Največji preostali potencial vodnih elektrarn v Evropi je v elektrarnah z nizkim vodnim padcem (<15m). Obstajajo povečane in bolj usmerjene potrebe po raziskavah in razvoju sistemov za trajnostno generacijo elektrike iz neizkoriščenih evropskih vodnih potencialov, ob upoštevanju evropske vodne direktive (SETIS). Turbine z zelo nizkim vodnim padcem so po drugi strani izpostavljene nestacionarnim pogojem zaradi spremenljivega statičnega tlaka na lopaticah. Med temi je najpomembnejša kavitacija, ki v vodni turbini povzroči padec izkoristka, vibracije, hrup in erozijo. Da bi se omenjenim problemom izognili je minimalna na potopitev gonilnika, ki zagotovi dovolj velik statični tlak in prepreči nastanek kavitacije standardno (IEC 60193) določena. Tak ukrep za turbine s horizontalno osjo in nizke padce rek ni sprejemljiv zaradi česar se pojavi asimetričnost tlačnega polja na vstopu gonilnika, kar pomeni, da lopatice ob vsakem obratu prehajajo iz nižje v višje tlačno območje.
Določitev optimalne obratovalne točke turbine s horizontalno osjo bistveno prispeva k boljšemu izkoriščanju energetskih virov. Turbine s horizontano osjo omogočajo izrabo rek z nizkim padcem. Poleg tega ne potrebujejo zajezitve, kar bistveno zmanjša posege v okolje ter zniža stroške gradbenih del (~2/3 celotne investicije).
Oblikovati nameravamo turbino, ki bo obratovala bliže kavitirajočemu stanju ali ob prisotnost kavitacije pri minimalnih negativnih učinkih. Študirali bomo asimetrično oblikovani vodilnik, ki bo omogočal optimalnejšo porazdelitev tlačnega in hitrostnega polja na vstopu v gonilnik in s tem zmanjšal negativne vplive kavitacije.
V okviru bazičnih raziskav bomo raziskovali vpliv spremenljivega statičnega tlaka ob rotaciji turbine na lopatici v kavitacijskem tunelu, kjer bomo v sistemu periodično spreminjali tlak. Eksperimentalne metode bodo zajemale simultano merjenje dinamičnega tlaka na lopatici in vizualizacijo kavitacijskih struktur z namenom študije vpliva spremenljivega statičnega tlaka na dinamiko kavitacije in študijo agresivnosti erozije in abrazije.
Numerične metode bodo vključevale modeliranje s komercialnimi in odprto kodnimi programi, ki jih nameravamo izpopolniti s časovno spremenljivimi robnimi pogoji, boljšim popisom turbulence, upoštevanjem stisljivost dvofaznega toka in upoštevanjem odnosa fluid-trdnina.
Sledil bo prenos znanja na model turbine. Z vzporednim merjenjem tlaka, izkoristka, vibracij, hrupa in vizualizacijo kavitacije na modelu turbine bomo nadgradili poznavanje vpliva spremenljivega tlačnega polja na kavitacijo in njene učinke. Z izboljšanimi numeričnimi orodji bomo izvedli simulacijo toka skozi turbine, predvideli negativne učinke kavitacije in optimirali oblike delov pretočnega trakta.
V zadnji fazi sklopa bomo izdelali in ovrednotili prototip turbine, ki bo omogočal nižjo potopitev turbine. Za hitro diseminacijo nameravamo delo predstaviti na vsaj 5 znanstvenih in strokovnih konferencah. Dodatno bomo rezultate objavili v vsaj 10 članikih v recenziranih znanstvenih revijah. Vzpodbujevali bomo diplomske in podiplomske študente še posebej pa se bomo posvetili dodatnemu izobraževanju zaposlenih v industriji. Cilj diseminacije je vpeljava metod za določanje minimalne potopitve turbin s horizontalno osjo.
V okviru projekta bomo v LVTS izvedli bazične raziskave ter numerične simulacije v okviru izvedbenih raziskav. Eksperimentalna dela v okviru izvedbenih raziskav bodo potekala v LitostrojPower. Laboratorija sta opremljena z vsemi potrebnimi orodji za izvedbo projekta. Dodatne preskuze, bo možno izvesti tudi na TU-Muenchen (Nemčija), Arts et Métiers ParisTech (Francija) in ČKD Blansko (Češka).
Pomen za razvoj znanosti
V današnjem hitrem razvoju svetu velja, da moramo na nivoju družbe za trajnostno skrb za okolje skrbeti za med drugim tudi zadostno količino čiste energije. Vodna energija je med vsemi čistimi viri energije najpomembnejša, vendar je večina vodnih virov v razvitem svetu že izkoriščenih, s pomembno izjemo večine rek z nizkim razpoložljivim padcem. Le te v Sloveniji in Evropi še vedno niso izkoriščane za proizvodnjo energije zaradi visokih stroškov izdgradnje elektrarn. Visok izkoristek teh elektrarn ob znižani potrebni potopitvi omogoča izkoriščanje dodatnih vodnih virov, podobno velja za elektrarne, ki delujejo na principu plimovanja morja. V okviru projekta je bila razvita metodologija za dizajn vodnih turbin, ki bodo obratovale z nizkim padcem in nizko potopitvijo. Z modernimi eksperimentalnimi in numeričnimi metodami smo pokazali, da je možno izboljšati dizajn vodnih tubin za obratovanje pri nizkih padcih in nizkih potopitvah. Za to smo izvedli numerične in eksperimentalne študije kavitacije. Kavitacija je eden redkih še nerešenih, pri čemer je še posebej relativno glede na druge tehniške vede slabo raziskano področje kavitacijske erozije. S področja kavitacijske erozije smo objavili več odmevnih znanstvenih prispevkov.
Pomen za razvoj Slovenije
Področje razvoja vodnih turbin je eno najstarejših področij v tehniki. V Sloveniji, ki je z vodno energijo bogata država, velike vodne turbine obratujejo že približno 100 let. Ob tem je v Sloveniji močno prisotno znanje o razvoju in izdelavi velikih vodnih turbin. Z razvojem turbin in njihovo izdelavo se v Sloveniji ukvarja veliko število podjetih, od katerih je veliko podjetje Litostroj Power d.d. prisotno v več kot 50 državah po svetu in je izdelalo in kupcem dobavilo več kot 450 turbinskih agregatov z več kot 17 GW moči. Z uspešnim nastopanjem na trgu Slovenija poleg ekonomskih koristi pridobiva tudi na prepoznavnosti. Večina držav, mednje sodijo tudi tehnološko zelo razvite države, nima zmožnosti proizvodnje velikih vodnih turbin. Pri tem se Slovenija postavlja ob bok redkim državam, ki so sporobne proizvodnje velikih vodnih turbin, kot so ZDA, Japonska, Nemčija, Avstrija, Francija, Rusija in Kitajska. Naša naloga je, da ohranjamo tako prepoznavnost Slovenije, k čemur so pripomogli tudi rezultati tega projekta. Za uspešno nastopanje na trgu se mora proizvajalec velikih vodnih turbin spopasti s svetovno konkurenco, kar pa je možno samo z odličnim znanjem in dobro organiziranostjo podjetja. Od tega zavisi veliko število delovnih mest v proizvodnji, servisu in drugih spremljevalnih dejavnostih, povezanimi s proizvodnim programom vodnih turbin. Hkrati gre za področje tehnike, kjer je zaradi velike količine v izdelek vloženega znanja dodana vrednost za produkt zelo velika. Znanje, ki smo ga v okviru projekta osvojili, je na voljo uporabniku podjetju Litostroj Power d.d., hkrati pa je na volju tudi Fakulteti za strojništvo. Za Litostroj Power d.d. rezultati projekta omogočajo ugodnejši položaj na globalnem svetovnem trgu. Ob tem bomo uporabljene numerične in ekeperimentalne metode na Fakulteti za strojništvo uporabili za prihodnje projekte s področja razvoja velikih vodnih turbin ali pa za razvoj na sorodnih tehničnih področjih turbinskih strojev, kjer deluje v Sloveniji veliko število proizvodnih podjetij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
