Pokrok v oblasti vývoje generátorů s permanentními magnety (PMG – Permanent Magnet Generator) a v oblasti frekvenčních měničů umožňuje nové koncepce nízko spádových axiálních vodních turbín s proměnnými provozními otáčkami a pevnými lopatkami oběžného kola. S využitím silných prostředků numerického modelování CFD (Computational Fluid Dynamics) ve spojení s efektivními optimalizačními nástroji lze překonat klasický koncept Kaplanovy turbíny s radiálním rozváděčem a získat mnoho provozních výhod.
Evropská energetika prochází výraznou proměnou vlivem dlouhodobého akcentu na využití obnovitelných zdrojů. Malé vodní elektrárny (MVE) a mikroelektrárny jsou důležitým článkem v celé této oblasti. Zároveň se významně podílejí na snížení distribučních ztrát při přenosu elektrické energie. Velká část malých vodních elektráren v ČR má zastaralou technologii, nezřídka to představují cca sto let staré Francisovy vodní turbíny, které vyžadují náročnou repasi. Stávající technická řešení s nutností nákladných stavebních úprav znemožňují jejich efektivní rekonstrukci.
Původní Francisova turbína – pohled do strojovny
Původní Francisova turbína – pohled do kašny
Nové typy PMG umožňují vynechat problematický převod mezi generátorem a turbínou, čímž jsou výrazně sníženy vibrace a hluk. PMG generátor s vysokým krouticím momentem při nízkých otáčkách je v porovnání s běžnými asynchronními generátory podstatně menší, má vyšší účinnost a ztráty na převodu zcela odpadají. Provozní otáčky turbíny jsou regulovány pomocí čtyř-kvadrantního frekvenčního měniče s rekuperační jednotkou a výstupním EMC filtrem. V návrhu je dále zahrnuto využití zbytkového tepla vodou chlazeného generátoru (případně i frekvenčního měniče) pro temperování strojovny MVE a přilehlého objektu. Dalším zásadním zjednodušením strojní části je oběžné kolo s pevnými lopatkami – tím odpadá hydraulické ovládání servomotoru, které je rizikové i z hlediska možné kontaminace vody hydraulickým olejem.
Nová Kaplanova turbína – pohled do elektrického rozvaděče s frekvenčním měničem a rekuperační jednotkou
Nová Kaplanova turbína – pohled na soustrojí v kašně
V rámci projektu byla navržena a nainstalována kompletní sestava prototypu. Turbínové soustrojí má regulovatelný radiální rozvaděč, který nahrazuje provozní uzávěr. PMG je přímo napojený na hřídel turbíny a frekvenční měnič umožňuje nastavení požadovaných provozních otáček v závislosti na aktuálním spádu a otevření rozváděče.
Nejdůležitější částí je poloautomatický MOGA (Multi-Objectives Genetic Algorithm) optimalizační „engine“ parametricky zadaného tvaru lopatek oběžného kola, který umožňuje efektivně navrhnout optimální řešení podle zadaných kritérií. Těmito jsou v praxi zpravidla vážená účinnost ve vazbě na regulační rozsah a dále kavitační odolnost. S využitím PARETO grafů je pro vybrané tvarové kandidáty následně provedeno detailní měření turbíny na virtuální zkušebně pomocí CFD metod a výsledky jsou v prostředí Matlab automaticky zpracovány do modelových charakteristik s následným přepočtem na charakteristiky provozní.
Celkové pohled na novou Kaplanovu turbínu v dispozici stávající budovy MVE
Prezentace různých variant parametrického modelu hydraulického profilu turbíny
Výsledný tvar oběžného kola Kaplanovy turbíny s pevnými lopatkami
Výsledný návrh axiální turbíny splňuje požadavek širokého regulačního rozsahu i při silně kolísajícím spádu se zohledněním kavitační odolnosti. Postup umožňuje efektivní „tailor made“ návrh tvaru lopatek pro požadovaný rozsah provozních parametrů. Turbína má v porovnání s klasickou Kaplanovou turbínou nižší specifické (a zároveň i provozní) otáčky, delší lopatky oběžného kola a tím je šetrná pro povodní migraci ryb. Do okolí vyzařuje nižší hluk a vibrace, a proto je vhodná i pro urbanizované oblasti. Koncept soustrojí je zacílen pro instalaci na MVE s rozsahem spádu 1,5–15m, průtoků 0,5–10 m3/s, při výkonu cca 10–400 kW.
Dalšími příklady použití metody numerického modelování CFD (Computational Fluid Dynamics) jsou následující aplikace viz následující obrázky. Metody slouží například ke kvantifikaci ztrát, tlakových a rychlostních poměrů, identifikaci poruch prouděn a možných změn geometrie.
Vizualizace proudění metody CFD v S-savce Kaplanovy turbíny
Vizualizace proudění metody CFD ve ventilu
Projekt TH04010140 „Inovativní návrh kompaktního soustrojí Kaplanovy mikro-turbíny“ je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci programu EPSILON.
Kolektiv autorů:
Fakulty strojního inženýrství UJEP: Ing. Martin Kantor, Ph.D.
Fakulty stavební ČVUT: Dr. Ing. Petr Nowak, Ing. Eva Bílková, Ing. Jiří Souček
Elzaco s.r.o.: Ing. Roman Kubíček
Fakulta stavební ČVUT v Praze: https://www.fsv.cvut.cz
Fakulta strojního inženýrství Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem: https://fsi.ujep.cz
Elzaco: https://www.elzaco.cz
Technologická agentura ČR: https://www.tacr.cz