Bezlopatkové turbíny využívající energii vody ve vodovodním řádu (II)
Ve vodovodním řádu je skryta energie, kterou je vhodné využít jako doplněk současných záložních zdrojů, na které jsou při výpadku el. energie kladeny stále větší nároky. Druhý díl pojednává o výhodách a výsledcích z praktických zkoušek bezlopatkových turbín.
VÝHODY VYUŽITÍ BEZLOPATKOVÝCH TEKUTINOVÝCH STROJŮ S KYVNOU OSOU PROTI JINÝM TYPŮM TURBÍN
Pro záložní zdroje využívající vodovodní řád je možné využít i všechny známé lopatkové turbíny, které umožňují provoz za výše uvedených podmínek.
Bezlopatkové turbíny SETUR však přinášejí zásadní výhody:
- jednoduchost konstrukce a spolehlivost
- snadná instalace, u menších typů v libovolné poloze
- velmi dobrá účinnost vzhledem k velikosti a rozsahu pracovních tlaků
- možnost efektivně pracovat s průtoky a tlakovými spády jinak technicky nebo ekonomicky nevyužitelnými
- schopnost pracovat v širokém rozsahu vstupních tlaků (0,05 - 0,6 MPa) i při kolísaní hydrodynamického tlaku
- jednoduché uzpůsobení změněným provozním podmínkám, pokud je to nutné
- samoregulační schopnost bezlopatkových turbín. Turbína nedosáhne nebezpečných průběžných otáček po odlehčení - není nutná regulace a ochrany. Při zvýšení zatížení se zvedne průtok, turbína má snahu udržet provozní otáčky, při odlehčení se průtok sníží. Odpadá nutnost použít regulační ventil.
- malá změna otáček při změně vstupního tlaku (typicky např. pokud při tlaku 0,2 MPa mají otáčky hodnotu 200 ot/min, při tlaku 0,5 MPa mají hodnotu 300/min)
- samočistící schopnost - turbína je schopna provozu i po delší odstávce, kdy může dojít díky průsakům a úkapům k usazení nečistot na funkčních částech turbíny
- velká odolnost vůči malým nečistotám (kal, rez z potrubí), které projdou pracovní mezerou mezi rotorem a statorem
Neobvyklé vlastnosti:
- vlastní konstrukce a princip funkce
- dobrá účinnost turbíny (40 - 70 %). Účinnost závisí na velikosti turbíny a vstupních parametrech na vstupu do turbíny (tlak a průtok vody z vodovodního řádu).
- vibrace při chodu - jsou typickou vlastností při odvalování rotoru. Stejně jako precesní pohyb hřídele. Konstrukce je těmto jevům uzpůsobena.
Provozně nevhodné vlastnosti:
- směr otáčení - turbína se může roztočit libovolným směrem. Je nutno zvolit generátory, kterým tato vlastnost nevadí. V případě potřeby je možno konstrukční úpravou turbíny zajistit vždy stejný směr otáčení.
- obtížné spouštění větších soustrojí (200 až 250 W) s převodem do rychla mezi turbínou a generátorem. Je to problém řešitelný, pokud předpokládáme, že záložní zdroj napájí akumulátor malé UPS. Při rozběhu pak pracuje generátor v motorickém chodu, po roztočení přejde do generátorového chodu. Další možností je použití rozběhové spojky.
O bezlopatkových turbínách SETUR a patentovaném principu jejich funkce se psalo na stránkách AE vícekrát, viz. např. AE 3/2004, 6/2005. Blíže o principu se čtenáři dozvědí na www.setur.cz.
Na obr. 3. jsou zachyceny základní části bezlopatkové turbíny SETUR.
PRAKTICKÉ ZKOUŠKY ZÁLOŽNÍCH ZDROJŮ
Zkoušky neměly za cíl přesně proměřit parametry definitivních záložních zdrojů. Bylo by nutno pořídit hlavně vhodné generátory, které budou mít vyšší účinnost a vyhovující otáčky.
Cílem bylo ověřit základní provozní charakteristiky, zejména v oblasti malých výkonů provést srovnání s teoretickými - očekávanými hodnotami.
Pro zkoušky byly z důvodů snížení nákladů použity komponenty, které byly běžně dostupné a vyžádaly si jen malé úpravy.
Obr. 2
Místo kloubového hřídele mezi hřídelí rotoru a generátorem (převodovkou generátoru) byly použity pružné spojky z gumových a plastových trubek. Pokud bylo nutno použít převodovku, byly použity dostupné převodovky hlavně z modelářské techniky, případně generátory (motory) s převodovkou. Generátory byly realizovány stejnosměrnými motorky nejrůznějšího provedení a stejnosměrnými dynamy pro jízdní kola, viz. obr. 4.
Obr. 3
| Průměr rotoru (mm) | Otáčky (1/min) | Průtok (l/s) | Hydropotenciální energie (W) | Elektrický výkon (W) |
|---|---|---|---|---|
| 16 | 1200 | Max. 0,07 | Max. 13 | Max. 2,0 W |
| 40 | 150 až 300 | Max. 0,2 | Max. 40 | Max. 6,0 W |
| 60 | 100 až 150 | Max. 0,35 | Max. 70 | Max. 10,0 W |
Turbíny (viz. obr. 2) byly použity se třemi různými průměry rotoru - v tabulce jsou uvedeny vypočítané hodnoty:
V průběhu zkoušek byla pomocí axiálního posunu rotoru vůči statoru (změna počtu podložek) měněna mezera mezi rotorem a statorem. Tím bylo možno měnit průtok turbínou a otáčky hřídele.
VÝSLEDKY PRAKTICKÝCH ZKOUŠEK
Dostupné mosazné a plastové bezlopatkové turbíny a generátory umožnily měření jen do výkonu cca 10 W na svorkách generátoru. Ventil na přívodu byl ovládán ručně. Naměřené hodnoty splnily očekávání. Skutečně naměřené hodnoty elektrického výkonu dosahovaly 50 až 80 % předpokládaných hodnot. Vzhledem k jednoduchým až provizorním podmínkám měření a použitým součástkám to byly hodnoty příznivé. Rozdíly mezi naměřenými a předpokládanými hodnotami jdou na vrub ztrátám v převodovkách a zejména vlastnostem použitých generátorů.
Pokud by mělo dojít k praktickému využití záložních zdrojů s BTS, bude vhodné používat např. cize buzená dynama, synchronní alternátory s cizím buzením apod. Vhodné budou také stroje s permanentními magnety ze vzácných zemin. Podle velikosti turbíny a požadovaného výkonu, bude vhodné použít generátory pro uvažovaný rozsah otáček turbíny bez převodovky (2 až 10 W), případně instalovat mezi turbínu a generátor vhodnou převodovku (u větších výkonů).
Obr. 4 - Použité generátory (ss motory, dynama a převodovky)
Obr. 5. Malá vodní elektrárna DVE 120 AG s převodovkou a asynchronním generátorem
Velmi příjemným zjištěním je skutečnost, že všechny turbíny bez problémů pracovaly při vstupním provozním tlaku 0,1 až 0,6 MPa.
Rovněž zvětšení mezery mezi rotorem a statorem BTS cestou axiálního posuvu (např. změna počtu podložek mezi osazením hřídele a stěnou statoru, kterou hřídel vystupuje) se ukázalo jako bezproblémové. Rozšiřuje se tak oblast pracovních tlaků s přijatelným dopadem na účinnost.
Příprava sériové produkce předpokládá další výzkum, zaměřený zejména na výběr vhodných generátorů a spolehlivých elektroventilů u větších výkonů.
Záložní zdroje nejvyšších uvažovaných výkonů 35 až 200 W konstrukčně vychází z turbín, které jsou používány v malých vodních elektrárnách typů DVE 120 a DVE 160. U těchto jednotek může provozní (hydrodynamický) tlak klesnout na 0,05 MPa.
Jednotky DVE 120 a DVE 160 vyrábí firma Mechanika Králův Dvůr s. r. o. a jsou dostatečně prověřeny v dlouhodobém provozu. Např. MVE typu DVE 120 instalovaná ve Svatém Jánu pod Skalou byla v provozu 24 měsíců bez odstávky a bez servisního zásahu, viz. obr. 5.
ZÁVĚR
Teoretickým rozborem i praktickými zkouškami bylo prokázáno, že předpokládaných vlastností je možno dosáhnout a realizovat nové záložní zdroje menších výkonů, které vhodně doplní existující typy záložních zdrojů (akumulátorové a motorgenerátory).
Tyto zdroje jsou schopny zajistit napájení po dobu, která je dána jen provozuschopností vodovodního řádu na pitnou, nebo průmyslovou vodu a jsou schopny pokrýt oblast menších výkonů za ekonomicky přijatelných nákladů.
Výkonů od 2 do 50 W je možno dosáhnout bez větších technických problémů všude tam, kde je k dispozici vhodný vodovodní řád. Náklady na vlastní provoz jsou úměrné průtoku a ceně za vodné a stočné. Instalace větších výkonů je třeba vždy konzultovat s vodárenskou společností. Instalace jednotek s výkony do 10 (20) W je možné realizovat jako dočasné s napojením na sprchovou hadici, vodovodní ventil, či vývod pro pračku. Odtok je možné zavést do umyvadla nebo vany.
Větší výkony je vhodné instalovat co nejblíže hlavního přívodu za vodoměrem, aby se omezily tlakové ztráty.
Další vývoj je třeba zaměřit na řešení konkrétních požadavků potenciálních zákazníků. Zájem očekáváme zejména od firem zaměřených na zabezpečovací techniku.
