Способ определения оптимального режима работы микрогидротурбины
METHOD FOR DETERMINING THE OPTIMAL OPERATING MODE OF A MICROHYDROTURBINE

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к малым ГЭС, к микрогидроэлектротурбинам пропеллерного типа. Пропеллерная турбина, имеющая высокую быстроходность, позволяет при малых скоростях потока получать высокие обороты турбины, что в свою очередь приводит к использованию более быстроходных, а значит, более легких и дешевых электрогенераторов. Высокая удельная скорость делает возможным прямое соединение турбины с генератором, что существенно упрощает конструкцию гидротурбинного агрегата. На отдельно взятых территориях самая дешевая энергия может вырабатываться на малых ГЭС, которые неприхотливы и надежны в работе. Низкая стоимость и малое время установки малых ГЭС также делает их привлекательными для использования в отдаленных районах. В качестве источников энергии для малых гидроэлектростанций могут использоваться малые реки и ручьи, естественные изменения высоты на ирригационных системах, трубопроводах и промышленных водосбросах.
Известны различные конструкции микрогидротурбин, например, WO2018229120 (A1) - 2018-12-20, CN107084088 (A) - 2017-08-22, RO128407 (A2) - 2013-05-30RO125723 (A2) - 2010-09-30. Эти конструкции не исследованы на эффективность - то есть уровень достигаемого КПД.
Renewable and Sustainable Energy Reviews
35
Energy Conversion and Management
Experimental Thermal and Fluid Science
Одной из основных проблем использования микрогидротурбины пропеллерного типа является небольшой диапазон режимов работы, при которых обеспечивается ее приемлемая эффективность. Это требует точного определения характеристик микрогидротурбины в зависимости от изменения внешних режимных параметров. Поэтому оптимизация ее работы при конкретных полевых условиях для повышения КПД и расширения диапазона эффективной работы является актуальной научно-технической задачей. В сравнении с «большой» гидроэнергетикой, существует ограниченное количество теоретических и экспериментальных исследований для прогнозирования энергетических характеристик микрогидроэлектростанций, или микрогидротурбин [Kaunda C. S., Kimambo C. Z., Nielsen T. K. A technical discussion on microhydropower technology and its turbines. , 2014, vol. , p. 445-459]. При этом отклонения между результатами, предсказанными расчетными методами, и экспериментальными данными составляют около 20% или даже больше. Поэтому данные методы можно использовать только как оценочные. Увеличение эффективности микрогидроэлектростанций осуществляется через модернизацию элементов проточной части микрогидротурбины, упрощение конструкций, использование насосов в качестве турбины (pump as turbine, PAT). В том числе используются подходы, основанные на биомиметике, т.е. на исследовании природоподобных технологий. Пример использования таких технологий можно найти в работе [Дружинин А. А., Орлова Е. С., Волков А. В., Парыгин А. Г., Наумов А. В., Рыженков А. В., Вихлянцев А. А., Šoukal J., Sedlař M., Komárek M., Pochylý F., Rudolf P., Fialová S. Повышение эффективности малых и микрогидротурбин на основе применения природоподобных технологий для создания автономных источников энергии //Теплоэнергетика. - 2019. - №. 12. - С. 1-11], где показаны расчетные и экспериментальные исследования эффективности создания на деталях микрогидротурбины специальных “наростов”, подобных наростам на плавниках горбатого кита. “Наросты” позволяют снизить гидравлическое сопротивление, что обеспечивает повышение КПД. Вариантом модернизации конструкции, повышающим КПД микрогидротурбины, может быть добавление направляющих лопастей [Yassi Y. Improvement of the efficiency of the Agnew micro hydro turbine at part loads due to installing guide vanes mechanism. , 2010, vol. 51(10), p. 1970-1975], изменение геометрической формы вращающихся лопастей турбины [Singh P., Nestmann F. Experimental optimization of a free vortex propeller runner for micro hydro application. , 2009, vol. 33(6), p. 991-1002].
Procedia Engineering
International Journal of Engineering Research and General Science
2
Renewable energy
Renewable Energy
В [Sinagra M., Sammartano V., Aricò C., Collura A., Tucciarelli T. Cross-Flow turbine design for variable operating conditions. , 2014, vol. 70, p. 1539-1548] представлена конструкция микрогидротурбины с поперечным потоком, которая может работать при переменной скорости потока во времени. Регулирование расхода воды, поступающей в микрогидротурбину, является ключевым вопросом данного устройства. Максимальная эффективность микрогидротурбины была получена методами численного моделирования из соотношений скоростей на входе и выходе из нее. Методы численного моделирования позволяют выявить места конструкции микрогидротурбины, где идет снижение эффективности работы [Girma M., Dribssa, E. Flow simulation and performance prediction of Cross-flow turbine using CFD tool. , 2014, (6), p. 2091-2730; Acharya N., Kim C. G., Thapa B., Lee Y. H. Numerical analysis and performance enhancement of a cross-flow hydro turbine. , 2015, vol. 80, p. 819-826; Khan A. A., Shahzad A., Hayat I., Miah M. S. Recovery of flow conditions for optimum electricity generation through micro hydro turbines. , 2016, vol. 96, p. 940-948] и способы устранения этих проблем.
Renewable and Sustainable Energy Reviews
Эксплуатационные характеристики и экономический анализ микрогидротурбин с низким напором были рассмотрены в [Elbatran A. H., Yaakob O. B., Ahmed Y. M., Shabara H. M. Operation, performance and economic analysis of low head micro-hydropower turbines for rural and remote areas: A review. , 2015, vol. 43, p. 40-50]. Дан анализ эффективности различных типов устройств, указаны определяющие факторы, которые влияют на их работу и производительность, даны рекомендации по выбору наиболее подходящей конструкции микрогидротурбины для использования на малых реках. Оптимальным режимом работы микрогидротурбины называется такой режим, при котором не теряется устойчивость потока и минимальны потери энергии на образование вихрей в широком диапазоне регулирования нагрузки гидротурбинного аппарата, также достигается максимальный КПД.
Недостатком вышеперечисленных работ является то, что эти методы не позволяют определить точно оптимальный режим работы микрогидротурбины при заданных параметрах водного ресурса.
International Journal of Rotating Machinery
Наиболее близким аналогом является работа [Nishi Y., Kobayashi Y., Inagaki T., Kikuchi N. The design method of axial flow runners focusing on axial flow velocity uniformization and its application to an ultra-small axial flow hydraulic turbine. , 2016, vol. 2016]. В этой работе для повышения КПД турбины используется подход, основанный на изучении распределений скорости потока, измеренных с использованием полевого измерителя скорости. На основе полученных распределений скорости потока и математического моделирования на основе методов вычислительной гидродинамики затем оптимизируют геометрическую форму вращающихся элементов микрогидротурбины и, тем самым, повышают ее КПД. Данный подход является сложным, требующим значительного количества измерений с помощью дорогостоящего измерительного оборудования и затратного по времени численного моделирования на основе коммерческого расчетного кода.
Задачей данного изобретения являлось создание простого и точного способа определения оптимальных режимов работы микрогидротурбины при заданных параметрах водного ресурса.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения оптимального режима работы микрогидротурбины, при котором измеряют профили скорости, согласно изобретению, профили измеряют в одном сечении, при этом микрогидротурбину, состоящую из гидравлического тракта, рабочего колеса с носиком обтекания, вала, статического завихрителя, узла управления поворотом лопастей гидротурбины, конического выходного патрубка, помещают на измерительный стенд, с помощью лазерного доплеровского анемометра измеряют поле скорости в коническом выходном патрубке  на расстоянии 100 мм от носика обтекателя рабочего колеса, рассчитывают параметр крутки потока в этом сечении, при значении параметра крутки более 0,15 регулируют угол лопастей гидротурбины, скорость входящего потока и скорость вращения вала для уменьшения параметра крутки. Рабочее колесо приводят в движение через вал, соединенный с сервоприводом. Параметр крутки S определяют по формуле
U
W
r
R
где  и  - осевая и тангенциальная скорости, - радиальная координата,  - радиус части конуса, в которой измеряется скорость.
На основе анализа средних распределений скорости за рабочим колесом показано, что с помощью интегрального параметра крутки можно оперативно выявить наиболее эффективный режим работы микрогидротурбины. Этот этап позволит существенно сэкономить время на стадии проектирования оборудования на конкретные полевые условия водного ресурса.
На фиг. 1 представлена модель микрогидротурбины, где:
1 - сервопривод;
2 - вал;
3 - статический завихритель (направляющий аппарат);
4 - вращающийся завихритель;
5 - прозрачное стекло;
6 - выходной патрубок (отсасывающая труба);
7 - тело обтекания;
8 - конус.
с
c
c
c
На фиг. 2 показаны профили тангенциальной компоненты скорости в режимах с различными расходами. На фиг. 3 показаны профили  аксиальной компоненты скорости в режимах с различными расходами. Профили аксиальной и тангенциальной компонент скорости были получены для 24 различных режимов с разными расходами воздуха. Расход варьировался от 0,63Q до 1,85Q (Qc - расход в оптимальном режиме, численно Qc = 176.4 м3/ч), частота вращения завихрителя всегда оставалась постоянной и равной n (2273 об/мин). Распределение скоростей измерялось от дальней стенки конуса до его оси на расстоянии 100 мм от конца тела обтекания. Такие условия были выбраны из соображений удобства и допустимы, поскольку поле скоростей симметрично относительно оси конуса, выделенных направлений нет, а закрутка сохраняется внутри конуса вдоль всего потока [6]. При расходе 0,63Q имеем частичную загруженность турбины, возникает небольшая зона рециркуляции, при x/D меньшем 0,05 аксиальная скорость отрицательная. Осевой импульс намного слабее углового, и поток оттеснен к стенкам конуса, где аксиальная скорость достигает своего максимума. Тангенциальная скорость показывает наличие вихревого движения по объему конуса.
c
Для оптимального режима Q тангенциальная скорость дважды меняет знак. Относительно близко к оси конуса поток имеет направление вращения против часовой стрелки. По часовой стрелке поток вращается на периферии, т.е. направление вращения совпадает с направлением вращения завихрителя. В сравнении с двумя другими режимами, модуль тангенциальной скорости всюду близок к нулю, что говорит об очень слабой закрутке потока и отсутствии потерь энергии на образование вихрей.
c
D
В режиме перегрузки турбины при расходе 1,85Q из распределения тангенциальной скорости видно, что в потоке возникает осесимметричный вихрь, размер которого можно оценить как 0,15.
Аксиальная скорость при приближении к стенкам конуса снижается во всех трех случаях, а максимумы аксиальной скорости смещаются к центру при увеличении расхода.
На фиг. 4 показаны пульсации тангенциальной скорости. На фиг. 5  показаны пульсации  аксиальной скорости. На фигурах 4 и 5 показаны пульсации для тех же режимов, что анализировались ранее. При режимах недогрузки и перегрузки максимумы на распределениях пульсаций скорости возникают из-за присутствия нестационарного явления (прецессирующее вихревое ядро) в потоке. Эффект особенно заметен на распределении пульсаций тангенциальной скорости, поскольку вихревое явление дает максимум пульсаций в центре конуса. Естественно считать такие режимы неоптимальными с точки зрения выработки электроэнергии, так как развитие таких когерентных пульсаций потока, безусловно, снижает КПД рабочего колеса. В оптимальном режиме нет выделенных максимумов пульсаций компонент скорости, что подтверждает отсутствие вихревого движения в данном случае.
Анализ зависимости параметра крутки при различных расходах.
S
Для описания неустойчивости вихревых течений, распада вихрей и появления ПВЯ (прецессирующее вихревое ядро), определения оптимальных режимов работы микрогидротурбины использовался интегральный параметр крутки, определяемый как отношение потока момента количества движения в осевом направлении к потоку количества движения в осевом направлении [7]. На практике трудно точно измерить распределение давления, и статическое давление можно аппроксимировать по измеренным тангенциальным скоростям. Однако часто компоненты флуктуирующего импульса также отсутствуют, особенно для оценки параметра закрутки потока. Для практических целей, как правило, опускают как член давления, так и пульсации импульса, и параметр крутки определяется по формуле:
U
W
r
R
где  и  - осевая и тангенциальная скорости, - радиальная координата,  - радиус части конуса, в которой измеряется скорость.
S
c
На фиг. 6 показан график зависимости параметра крутки  от расхода воздуха Q, нормированного на расход Q. Показаны данные, полученные в эксперименте (точки черного цвета), и нанесена кривая (обозначена красным цветом), построенная по аналитической модели [8]. Для вычисления параметра крутки использовались распределения скоростей, полученные с помощью ЛДА. Наблюдается обратно пропорциональная зависимость параметра крутки от расхода. При малых расходах поток сильно закручен, затем при увеличении расхода степень закрутки потока снижается, а при дальнейшем увеличении расхода, закрутка потока меняет направление и параметр крутки также меняет свой знак. Начиная с некоторого момента, увеличение расхода не приводит к изменению параметра крутки, поскольку поток смещается к стенкам конуса. Аналитическая зависимость параметра крутки от расхода при условии малости параметра крутки была получена в работе [8] для другого типа турбины. Видно, что при параметрах крутки от (-0.2, 0.2) есть хорошая согласованность с моделью. При больших расходах происходит заметное отклонение от данной зависимости, поскольку более интенсивный поток в основном расположен на периферии, т.е. прижат к стенкам конуса и реальный параметр крутки выходит на уровень насыщения. Также модель в [8] получена для режимов с высоким КПД турбины, соответственно, при режимах недогрузки или перегрузки имеется расхождение экспериментальных данных с моделью.
c
c
Как видно из приведенного рисунка, расход для S=0 имеет несколько большее значение (1,1Q), чем расход Q, полученный при численном моделировании в [4]. На самом деле, присутствие небольшой закрутки в оптимальном режиме работы задается специально для лучшего обтекания конуса отсасывающей трубы [4]. В целом, для модели микрогидротурбины можно ориентироваться на нулевой уровень закрутки, как наиболее оптимальный с точки зрения ее работы в целом.
Способ осуществляется следующим образом.
Способ был реализован на прототипе микрогидротурбинного устройства - модели турбины пропеллерного типа [1, 2, 3]. Модель микрогидротурбины (фиг. 1) состоит из последовательно установленных статического завихрителя и вращающегося лопаточного завихрителя (рабочего колеса). Геометрическая форма лопаток завихрителей и порядок их расположения позволяет имитировать распределение скорости на выходе реальной гидротурбины [4] - в коническом выходном патрубке. Вращающийся завихритель (рабочее колесо) приводится в движение через вал, соединенный с сервоприводом. Для используемых лопаточных завихрителей численным моделированием было получено [4], что оптимальному режиму с наибольшим КПД (точка BEP) соответствует расход Qc = 174,6 м3/ч при частоте вращения завихрителя nc = 2273 об/мин. Все части модельного участка были изготовлены с использованием технологии быстрого прототипирования. Диаметр входной части конуса составлял 100 мм, выходной части - 120 мм. Длина конуса составляла 280 мм, угол раствора конуса был равен 4°. Часть стенки конуса была заменена прозрачной пленкой для возможности прохождения лазерных лучей внутрь конуса. Частота вращения завихрителя задавалась с погрешностью 0,5%. Расход воздуха задавался через частотный преобразователь, который управлял воздуходувкой, далее расход вычислялся из профилей аксиальной компоненты скорости. Усредненные распределения скорости потока были измерены с использованием лазерного доплеровского анемометра “ЛАД-06И”. В качестве частиц-трассеров для засева потока использовались частицы аэрозоля парафинового масла, произведенного атомайзером Ласкина, что позволяет получать капли с характерным размером 1-3 мкм [5]. Воздух в атомайзер подавался компрессором, давление на редукторе компрессора устанавливалось в пределах 2-3 атм., а расход воздуха - около 0,3 л/с. Эта величина выбрана таким образом, чтобы количество частиц парафинового масла, регистрируемых системой ЛДА, было достаточно для быстрого набора статистики. Система “ЛАД-06И” измеряет скорость отдельно взятой пролетающей частицы с точностью 0,2%, что следует из паспорта прибора. На каждую пространственную точку регистрировалось не менее 3000 достоверных вспышек, что позволяет определять скорость потока в данной точке с доверительным интервалом 99,7%.
Проведено экспериментальное исследование течения в осесимметричной воздушной модели микрогидротурбины в широком диапазоне рабочих параметров. С помощью ЛДА были измерены профили аксиальной и тангенциальной компонент скорости для 24 различных режимов работы. Была найдена зависимость интегрального параметра крутки от расходов в широком диапазоне режимов работы. При высоких параметрах крутки, в этих условиях поток смещается к периферии конуса, где высока аксиальная скорость, в то время как широкая центральная область занята застойным течением. Поэтому общий поток вынужден проходить через узкое кольцевое пространство вдоль стенки конуса. Выявленная сильная закрутка потока при неоптимальных условиях приводят к потерям энергии и снижению эффективности гидротурбины. Для изучения оптимального течения потока было построено поле скорости в режиме нулевой закрутки. Показано, что поток равномерный по аксиальной скорости, при этом происходит изменение направления закрутки потока в центральной области течения.
Таким образом, на основе анализа средних распределений скорости за рабочим колесом, было показано, что с помощью интегрального параметра крутки можно оперативно выявить наиболее эффективный режим работы микрогидротурбины. Этот этап позволит существенно сэкономить время на стадии проектирования оборудования на конкретные полевые условия водного ресурса.
Список используемой литературы
Renewable and Sustainable Energy Reviews
35
1. Kaunda C. S., Kimambo C. Z., Nielsen T. K. A technical discussion on microhydropower technology and its turbines. , 2014, vol. , p. 445-459.
Energy Conversion and Management
2. Yassi Y. Improvement of the efficiency of the Agnew micro hydro turbine at part loads due to installing guide vanes mechanism. , 2010, vol. 51(10), p. 1970-1975.
Energy conversion and management
3. Shojaeefard M. H., Mirzaei A., Babaei A. Shape optimization of draft tubes for Agnew microhydro turbines. , 2014, vol. 79, p. 681-689.
IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,
4. Sonin V., Ustimenko A., Kuibin P., Litvinov I., Shtork S. Study of the velocity distribution influence upon the pressure pulsations in draft tube model of hydro-turbine. In  2016, vol. 49, p. 82020.
Naval research lab Washington DC
5. Echols W. H., Young J. A. Studies of portable air-operated aerosol generators. , 1963, NRL-5929.
Experimental Thermal and Fluid Science
6. Litvinov I., Shtork S., Gorelikov E., Mitryakov A., Hanjalic K. Unsteady regimes and pressure pulsations in draft tube of a model hydro turbine in a range of off-design conditions. , 2018, vol. 91, p. 410-422.
7. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987.
Journal of Hydraulic Research
8. Favrel A., Gomes Pereira Junior J., Landry C., Müller A., Nicolet C., Avellan F. New insight in Francis turbine cavitation vortex rope: role of the runner outlet flow swirl number. , 2018, vol. 56(3), p. 367-379.