NVE seminar 18. mars 2014
Småkraftdagene
Turbiner Virkningsgrader og slukeevne
Torbjørn K. Nielsen
Vannkraftlaboratoriet, NTNU
• Vannkraftlaboratoriet
• Hydrauliske maskiner og systemer
Vannkraftlaboratoriet totalrenovert 2004
• Nye pumper og rør
• Kalibreringssystemer
• Oppfyller IEC normene
Laboratoriet brukes flittig av Master-studenter og PhD-stipendiater
Turbiner er noe gamle greier
Historikk – moderne tid
1750 J.A. Segner
1750 Leonard Euler
1827 Fourneyron
1840 Henschel/Jonval
Jonval
1849 Francis
1849 Fink
1890 Pelton
1913 Kaplan
Reaksjonsturbinen
Turbin teori
Radialturbin, 30-40 Hp, D=0.5 m
Aksialturbin
Sugerør
Francis turbin
Ledeapparat for lastregulering
Impulsturbinen Pelton
Propellerturbin Kaplan
Pelton turbin
Francis turbin
Kaplan turbine
Source: Canadian Hydro Components Ltd.
Turbintype
Bestemmes av fartstallet:


2 gH e
Q
2 gH e
Fallhøyde [m]
Pelton
Francis
He - effektiv fallhøyde [m]
Q - vannføring
[m3/s]
g - gravitasjons aks. [m/s2]
 – vinkelfrekvens, dvs turtall
2 n

60
Kaplan
n er turtall
Fartstallet bestemmer turbinens aksielle geometri
*0.1
*
0.2
*
0.4
*
1.0
For mye tap
Velger
Pelton
KAPLAN:
FRANCIS:
PELTON:
*
 1.5 - 2.5
*  0.2 - 1.2
*  0.05 - 0.15
*
2.5
Eksempel
He = 50m
Q = 15 m3/s
n= 750 o/min
P= 6,7 MW
2 750
 rad 

 78.6 
60
 sek 

78.6
2 g 50
18
 1.73
2 g 50
Kaplan
Endrer turtallet til 375 o/min
2 375
 rad 

 44.88 
60
 sek 

44.88
2 g 50
18
 0.87
2 g 50
Francis
Virkningsgrader
Effekt ut
Effekt inn
Effekt ut Effekt inn-Tap


Effekt inn
Effekt inn
Hydraulisk energi
Tilgjengelig fra naturen
P = rgQH
H
3m
kg
m
m
[
]
3
2
m s s
H = fallhøyde
Q – vannføring
r – tetthet
g – gravitasjons aks.
Nm ]
[
= [W ]
=
s
Effekt transformering
Hydraulisk effekt

Mekanisk roterende effekt

Elektrisk effekt
Turbin
Vannvei
Generator
r gQH B  r gQH e  M   UI
(Vannføring x Brutto fallhøyde)
(Moment x Turtall)
(Vannføring x Effektiv fallhøyde)
(Spenning x Strøm)
Virkningsgrader
Vannvei:
Effekt ut
  1-
Falltap
H Brutto
Effekt inn
Turbin:
t 
Effekt ut

Effekt inn
P
M
 turbin
r gQH e r gQH e
Generator:
t 
Pgen
Pturbin
Totalvirkningsgrad

Vannvei
Generator
Turbin
total  turbin generator vannvei
Qopt system
Qopt turbin
Q
Måling av turbinvirkningsgrad
Pgenerator
 gen
Pturbin
t 

r gQH e r gQH e
Målinger:
Generatoreffekt
Fallhøyde
Vannføring
Generatoreffekt
Energi = Effekt x Tid
[Kwh]
Lese av kWh-måleren over et tidsintervall
Pgen
kWh  3600

Tid i sekunder
Pturbin 
Pgen
 gen
 kW 
 kW 
gen er gitt av
generatorleverandør
Fallhøyde
Falltap
Effektiv fallhøyde:
H e  Hbrutto - Falltap
He
Turbinen skal ikke ha skylda
for falltapet
Turbin
Måle effektiv fallhøyde er relativt enkelt
Måling av vannføring
Dette er problemet!
Metoder:
Winther – Kennedy
Ultralyd
Flygel
Gibson
Overfall
Ved fallhøyder over 100 m kan
mfl
virkningsgraden måles direkte med
termodynamisk metode
Temperatur og trykk foran og bak turbinen
måles.
Temperaturforskjellen skyldes tapet
Winter-Kennedy
Relativ måling
k
*
Q
h
hvor
*
Q
Pgen /  gen
r gH e
*
Antatt toppvirkningsgrad
for turbinen

h
*Q
25
Q
Q  k h
Ultralyd
a = lydhastighet
c
Acoustic paths
Receiver
Transmitter
c  f (tmedstrøms , tmotstrøms , L)
Q   ci  dAi
A
Flygel
• Måler hastighet i et punkt
• Vannføring må beregnes ved å integrerer
over arealet:
Q   ci  dAi
A
Gibson (Pressure-time)
Apenstock
c
Areal
Closing time tl
gA
Q
 Areal
L
Overfall
H
Q  CH 3/2 B
Hvor:
C er en geometriavhengig konstant:
C = 1.71 – 1.84
B er kanalens bredde
Må kalibreres
29
29
Termodynamisk måling
Usikkerhet i temperaturmålingene
• Spesifik varmekapasitet for vann,
Cp = 4200 J/kg K
• Med 10% tap ved fallhøyde 100 m:
T = 0.02oC
E  Cp  T  g  H n

g  Hn
T 
Cp
Ved fallhøyder under 100 m mulig, men ikke anbefalt
31
Slukevne
Hvor stor vannføring man kan få gjennom turbinen
Funksjon av: Åpningsgrad og fallhøyde
En turbin er en nesten perfekt strupning,
dvs den struper hele fallhøyden og
omdanner hydraulisk effekt til roterende
effekt
H
c
Toricellis teorem: Hastighet
Vannføring:
c  2 gH
Q  Ac  A 2 gH
Åpningsgrad
Pr. deff

Q
2 gH
Qdesign
2 gH design
Ved design fallhøyde
Q 

Høyere fallhøyde
Laver
fallhøyde
=1
Q=Qdesign
Qdesign
H design
H
Konsekvens
Kun ved merkefallhøyden får man den
virkningsgradskurven og vannføring som er
oppgitt av turbinleverandør
Ved laver fallhøyde oppnås ikke full vannføring og
det blir betydelig mindre effekt
Effekt Vannføring x Fallhøyde
Ved høyere fallhøyde får man mer enn full effekt
• Overbelastning av generator
• Konsesjon?
Takk for oppmerksomheten
35