Optimalizácia lopatiek Kaplanovej turbíny
Zvýšenie účinnosti premeny kinetickej energie vodného toku na mechanický pohyb v podmienkach nízkeho spádu.
Zadanie
Navrhnúť geometriu lopatiek obežného kola Kaplanovej turbíny pre malú vodnú elektráreň s prietokom 3,2 m³/s a spádom 4,5 m. Cieľom bolo dosiahnuť účinnosť nad 88 % v celom prevádzkovom rozsahu a minimalizovať kavitačné javy.
Prístup
Použili sme metódu konečných objemov (CFD) na simuláciu prúdenia v kanáli turbíny. Analyzovali sme rozloženie rýchlostí a tlakov na profile lopatky pri rôznych uhlových nastaveniach. Na základe výsledkov sme upravili uhol nábehu a zakrivenie profilu.
Realizácia
Prototyp lopatiek bol vyrobený z nehrdzavejúcej ocele technológiou 5-osého CNC frézovania. Následne prebehlo testovanie na hydraulickom okruhu v laboratóriu, kde sme overili CFD predikcie a doladili regulačný mechanizmus natáčania lopatiek.
Výsledok
Dosiahli sme priemernú účinnosť 89,2 % v rozsahu prietokov 2,0–3,8 m³/s. Kavitačný index klesol pod kritickú hodnotu o 34 %. Ročná výroba elektriny vzrástla o 12 % oproti pôvodnému návrhu.
Obr. 1: Prototyp turbíny počas laboratórneho testovania
Obr. 2: CFD simulácia – rozloženie rýchlostí na profile lopatky
Kľúčové parametre
- Prietok: 3,2 m³/s (nominálny)
- Spád: 4,5 m
- Účinnosť: 89,2 %
- Materiál lopatiek: Nerezová oceľ 1.4404
- Počet lopatiek: 4 (nastaviteľné)