Съдържание
Библиографска информация
Уели Майер, Маркус Айзенринк и Алекс Артер. „Турбината Segner: евтино решение за използване на водна енергия в много малък мащаб.“ (Швейцарски център за подходящи технологии) март 1983 г.
Върнете се към AT Sourcebook .
Този материал е отворен.
ЗАБЕЛЕЖКА: Датата на първоначалното публикуване на този документ е март 1983 г. Като такава, част от информацията, като финансови цифри, може вече да не е напълно точна.
Въведение
Непал има дълга традиция в използването на водна енергия в малки мелници. Традиционно дървените водни колела с вертикална ос (Ghattas) се използват, за да осигурят движеща сила за множество малки зърнени мелници. Въпреки че хиляди от този тип водни мелници все още се използват днес, обхватът на бъдещето на тези устройства е ограничен поради нарастващия недостиг на таймери и ограничената изходна мощност на тези мелници.
Инициативи, предприети от няколко местни фирми и лица, доведоха до разработването на малки водни турбини през последните няколко години. Такива турбини – предимно от тип Cross-Flow – се използват в мелници за преработка на селскостопански продукти с изходна мощност, варираща приблизително от 7 kW до 15 kW. Съвсем наскоро, понастоящем и в бъдеще, тези местно произведени турбини също се инсталират за производство на електроенергия с мощност до 40 kW на единица. Към днешна дата повече от 130 турбинни агрегата работят, осигурявайки така необходимата мощност за смилане и други цели и заменяйки много от работещите с дизелов двигател мелници, които стават все по-неикономични. По този начин е очевидно, че водните турбини са привлекателен източник на енергия.
Balaju Yantra Shala (BYS), местна инженерна фирма и механична работилница в Непал, се занимава с разработването и производството на водни турбини в ролята на пионер. Чрез контакти с многобройни потенциални клиенти и последващи проучвания на място стана очевидно, че освен многото обекти за турбинни инсталации от 7 kW и по-висока мощност, има и много обекти, които биха имали по-нисък производствен потенциал. За тях инсталирането на турбина от съществуващия тип често се оказва скъпо. В резултат на това бяха разгледани възможностите за разработване на устройство за събиране на водна енергия в диапазона от 2 kW до максимум 10 kW. Резултатът е описаната тук турбина Segner. Използването на този принцип на турбина се оказа особено подходящо за работа на мелница, като същевременно предлага значителни възможности за намаляване на разходите.
Кратка история на турбината Segner
Прилагайки принципа на реакцията на водна струя към въртящ се цилиндър, JA von SEGNER изобретява Segner Wheel през 1750 г. Той трябва да е бил вдъхновен от Д. БЕРНУЛИ, който през 1738 г. е извел теоретично и експериментално потвърди ефекта на реакцията на водна струя. Колелото на Segner е от много автори първата изобретена турбина, въпреки че терминът влиза в употреба едва през 1825 г. Тя работи само на принципа на реакцията и така стои точно срещу модерната турбина на Pelton, която е турбина с чисто действие.
Твърди се, че някои мелници са били експлоатирани от Segner Turbines в Германия малко след изобретяването им, а по-късно ограничен брой са били използвани в Съединените американски щати под името мелница BARKERS. След това устройството беше изпреварено от други разработки и беше до голяма степен забравено. Днес турбината Segner се прилага за доста различни цели: пръскачки за трева и, с използване на сгъстен въздух, за задвижване на витлото на хеликоптери.
Основен дизайн и функция
Турбината Segner се състои от входен канал (1) (вижте фиг. 1) с цилиндрична фуния, през която водата навлиза във вертикална тръба (2). В долната част на тази тръба две (или повече) радиални тръби (3) са снабдени с извивки, към които са фиксирани дюзи (4). Това разположение е направено по такъв начин, че водната струя през тези дюзи да има точно тангенциална посока. Вертикалната тръба се държи на място от вал (5) със спици (6), който се поддържа от горен и долен лагер (7), така че вертикалната тръба с радиалните рамена в долната част може свободно да се върти около оста си. Ролка (8) служи като задвижващ елемент.
Консумацията на вода (Q) на Segner Turbine зависи от напора (H), под който работи уредът, общата площ на напречното сечение на дюзата и периферната скорост на дюзите. За определено работно състояние по този начин се осигурява изтичане през дюзите. След това притокът се регулира с помощта на обикновен плъзгащ се шибър (9) във входящия канал по такъв начин, че вертикалната тръба да остане напълно запълнена. Операторът може лесно да установи това, като наблюдава горната част на входната фуния: оптимално фунията трябва да прелива съвсем леко и за да се постигне това, плъзгащата се врата се регулира съответно. Производителят може да определи подходящата скорост на въртене на машината, като избере диаметъра на стъпката на дюзата (D). Тъй като машината обикновено се прилага за глави, вариращи от 3 до 5 метра, в Непал BYS стандартизираха диаметъра на стъпката на дюзата на 1,5 метра. Работната скорост (N), произтичаща от това, е около 100 RPM (при напор от около 3 метра) и 150 RPM (при напор от 5 метра.) Необходимата работна скорост на машината се постига чрез избор на макари с подходящи диаметри.
Диаметърът на дюзата (d) определя скоростта на потока (Q) и се прави по-малък или по-голям, за да съответства на действителния поток, наличен на входа. Машината работи еднакво добре само с една водоструйка. За обемен поток от 50% от проектния дебит, една дюза може просто да бъде затворена, факт, което прави отлична производителност в сухия сезон, когато наличният поток често е драстично намален. По този начин турбината Segner може да работи с ефективност при частично натоварване, което е равно на ефективността при пълно натоварване. Това, между другото, не е възможно с други турбини. Освен това, както ще бъде показано, машината има и добри саморегулиращи се характеристики. Това е желана добродетел за работа с фрезови машини.
Експлоатационни характеристики
Изследването на диаграмата (фиг. 2) показва всички съответни характеристики на турбината Segner в експлоатация. За по-добро разбиране, действителната ситуация на мелницата е обяснена с точна прогноза за това какво се случва по време на промените в натоварването в процеса на смилане. Характеристиките на производителност при пълен проектен поток и при намален поток могат лесно да бъдат намерени за оптимално натоварване в точката на най-висока ефективност, максимална изходна мощност, претоварване на машината и условия на движение без товар. Намерените работни точки за всички тези ситуации потвърждават, че турбината на Segner наистина дава отлична производителност в мелнично приложение.
Диаграмите са валидни за машина с максимална мощност (P) от 8 KW при напор от 4 метра, с дебит (Q) от 300 l/s.
Пълните технически данни са: Нетна глава: Hn = 4m Диаметър на стъпката на дюзата: D = 1,5m Диаметър на дюзата: d = 0,113m Коефициент на дюза: φ=0,96 Брой дюзи: z=2 (диаграма a), z=1 (диаграма b ) Наличен дебит: Q = 300 l/s (диаграма a), Q = 150 l/s (диаграма b)
За всяко от двете работни условия, Q = 300 l/s и Q = 150 l/s, са показани две диаграми, като горната представлява изходна мощност като функция на скоростта, а долната показва дебита и ефективността като функция на скоростта. Линиите i, ii и i+ii представляват консумацията на енергия на инсталираната мелнична машина: i: Машина за белене на ориз, консумираща 3KW при оптимална скорост на турбината ii: Мелница за брашно, консумираща 4 KW при оптимална скорост на турбината i+ii: И двете машини работят 7 KW при оптимална скорост на турбината
Диаграма a): Дебитът (крива Q) възлиза на 170 l/s при спряла турбина, с максималния наличен въртящ момент в тази точка. Както показва кривата, дебитът след това се увеличава със скоростта (крива P) достига своя максимум. Тъй като притокът е ограничен, Q не се увеличава допълнително, а остава постоянен. Въпреки това, разтоварването на дюзата под пълния напор се увеличава поради центробежните сили, ако скоростта се увеличи допълнително, което води до спад на нивото на водата (напора) във вертикалната тръба, докато входящият поток и разтоварването, свързано с напора, отново са в равновесие, при точка на максимална (беглаща) скорост (191 RPM). Този спад на напора води до рязък спад на изходната мощност (P) между максималната изходна скорост и скоростта на движение. Както ще видим, тази специфична характеристика е много полезна за различни условия на натоварване на мелницата, без необходимост от регулиране на входния поток.
Ефективността (крива η) на турбината е най-висока при скорост от 128 RPM. Тази точка е избрана от съображения за дизайн по очевидни причини. На диаграмата това е представено от вертикалната линия на η max. С по-нататъшно увеличаване на скоростта ефективността отначало постепенно намалява до точката на максимална изходна мощност, а след това пада рязко, за да достигне нула при бърза скорост.
Ако сега се постави натоварването на двете обработващи машини i и ii, работната скорост няма да бъде при скорост с максимална ефективност, а в пресечната точка на линия i+ii с крива P, тъй като работните характеристики са избрани за всички възникващи условия на натоварване . Следователно всяко конкретно условие за натоварване е компромис. В случай на машините i+ii, работещи едновременно, работната скорост ще бъде 143 RPM и консумацията на енергия ще възлиза на 7,7 KW. Така наличната мощност се използва ефективно, докато ефективността на турбината все още е над 70%.
В случай на необходимост от работа на машина i или ii поотделно, производителността на обработката ще се увеличи спрямо номиналната стойност, тъй като скоростта ще бъде по-висока от номиналната, т.е. съответно 181 RPM и 176 RPM. Ефективността ще спадне драстично в тези работни точки до между 48 и 37%, но това е без значение, тъй като тук генериращият потенциал не се използва напълно. Увеличаването на скоростта в случай на падане на товара е ограничено: коефициент 1,05 при работа само с машина i, до максимален фактор 1,46 при работа с машини i+ii. Това е значително по-ниско от типичния коефициент от 2 или дори повече при конвенционалните водни турбини. По този начин безопасността при работа и животът на лагерите се увеличават.
Диаграма b): Тук турбината е адаптирана към приток от 505 пълен поток и изпускането на дюзата се намалява наполовина просто чрез поставяне на капачка на една от дюзите. Имайте предвид, че това не причинява дисбаланс, тъй като радиалното рамо с капачка остава пълно с вода. Освен това кривата на ефективността (η) остава същата като при пълен поток. Също така оптималната скорост и скоростта на движение, докато кривите на потока и мощността достигат точно 50% като величина в сравнение с работата с две дюзи. Работните точки за обработващите машини са различни: по-възможно е машините I и ii да работят едновременно, тъй като няма достатъчно мощност (4 KW). Машина I (пресечна точка на линия I с кривата на мощността) ще работи при 167 RPM и ще консумира 3,9 KW от теоретично наличните 4 KW. За работата на машина ii ще има недостатъчна мощност в точката на максимална ефективност. Турбината ще се адаптира към това състояние на натоварване, като намали скоростта си до 101 RPM (пресечната точка на линия ii с кривата на мощността). В този момент консумацията на енергия ще бъде намалена до 3,1 KW и следователно машината ще има малко по-ниска от номиналната мощност. Увеличаването на въртящия момент към по-ниска скорост ще гарантира безпроблемна работа и в този момент, докато от друга страна коефициентът за скоростта на бягане достига до 1,9, относително казано.
Компоненти на инсталация
Основните компоненти са входящият канал (1), турбината на Segner (2), тръбопроводен вал (3) с няколко шайби с подходящ диаметър и фрезови машини (4), свързани към тръбопроводния вал посредством плоски ремъци . Линейният вал от своя страна е свързан към турбината с друг плосък ремък. Обикновен плъзгащ се шибър (5) се използва за регулиране на притока на вода и излишната вода се изхвърля от преливника (6) над шибъра, докато водата, изпусната от турбината, излиза през опашния канал (7). Комплектът входен канал-турбина се поддържа и държи на място от стоманена ъглова рамка (8). Долният лагер на турбината (9) е подходящ за поемане на аксиално натоварване и се държи от лагерен блок със защита от пръски вода, завинтен към основата. Thrashrack (10) завършва инсталацията.
Детайли на дизайна
По принцип турбината Segner е направена от ламарина с дебелина около 1,5 mm. Квадратният входен канал е сгънат, заварен и подсилен с ъглови железни скоби. Вертикалната тръба на турбината е навита и заварена надлъжно. Радиалните тръби първоначално се изработваха от стандартни поцинковани тръбни колена, заварени към вертикалната тръба, а второто коляно се свързваше с първото със стандартни резбови муфи. В наскоро стандартизираната машина тези завои са заменени от произведени тръбни сегменти, като в същото време броят на радиалните рамена с дюзи е намален само до две, в сравнение с един от първите модели с пет рамена. Въпреки че в момента има място за допълнителни подобрения, турбината Segner на BYS вече е стандартизирана, което намалява разходите на единицата. Напорът, под който реално се монтира стандартизираната машина, варира от 1,5 до 5 метра, а максимално допустимият дебит е 300 литра в секунда. По този начин е възможно да се запазят идентични компоненти за всички инсталации, с изключение на задвижваната шайба, част от вертикалната тръба и дюзите. Някои допълнителни подробности си струва да се споменат:
Фигура 5: Монтаж на дюзи
Фигура 6: Изпускане с различни комбинации от дюзи
Фигура 7: Диаграма на приложението
- Вертикалната тръба с входна фуния и дъното с радиалните рамена са изработени в 3 секции, снабдени с фланци. Горната и долната част остават непроменени за всички приложения, докато дължината на средната част се променя, за да състави общата дължина, която е равна на главата, която трябва да се използва.
- Валът се състои от две части, като горната част е заварена към горната фуния със спици, а долният край е фиксиран по същия начин към долната част на турбината. В сравнение с вал, който минава през дължината на цялата тръба, този дизайн спестява значителен материал.
- Накрайниците се монтират на радиалните тръби посредством фланци с болтове и гайки, както е показано на фиг. 5. Площта на напречното сечение на дюзата, нейният диаметър, зависи от дебита на водния поток, наличен на място. Следователно дюзите се произвеждат в променливи размери, за да отговарят на скоростта на потока. Машината се доставя на клиента с комплект дюзи за проектирано изпразване и с допълнителен комплект по-малки дюзи, за да се позволи намален дебит през сухия сезон. Както беше посочено по-рано, една от дюзите може да бъде заменена със сляп фланец, който блокира водата през едната дюза.
Ако размерът на по-малките (резервни) дюзи е избран да съставлява 60% от площта на напречното сечение на по-големите дюзи, стават възможни редица конфигурации, позволяващи лесно адаптиране на машината към модели на потока, които могат да се променят навсякъде годината. Трябва да се отбележи, че за всички потоци, регулирани с комбинация от голяма дюза/малка дюза/сляп фланец, ефективността на турбината остава както при условия на пълен поток. Таблицата на фиг. 9 показва какви условия на потока могат да бъдат изпълнени с описаните дюзи. Освен това диаграмите на приложение (фиг. 10) показват наличната мощност на вала с 2 комплекта дефинирани диаметри на дюзите.
Фигура 6: Изпускане с различни комбинации от дюзи
Фигура 7: Диаграма на приложението
Фигура 8: Горен лагер
Фигура 9: Долен опорен лагер
- Лагерите, използвани в турбината Segner, са два вида. В горната част се използва радиален сачмен лагер от тип фланец (както е показано на фиг. 8), докато в долната част се използва обикновен конусен ролков лагер (фиг. 9) със специален корпус, защитен от вода. Цялото тегло на машината се поема от този аксиален лагер. Като алтернатива се разглежда и конусен втулков лагер. Експлоатационният опит ще трябва да покаже кой тип е за предпочитане.
Габаритните основни размери на машината са следните за мощност от 3 kW (при проектен поток) до 10 kW.
Разходи и икономическа жизнеспособност
При цени от началото на 1983 г. пълна турбина Segner, произведена от BYS в Непал, ще струва не повече от 8'000 рупии – (приблизително 670 щатски долара) франко завода. Тази цена може да не е от значение за други страни, но може да послужи тук, за да се достигне до оценка на икономическата жизнеспособност при специфични непалски условия.
Други разходи за напълно оборудвана мелница Segner са силно специфични за обекта. Следователно изглежда най-реалистично да се използва средната стойност на разходите за действително съществуващи турбинни мелници и да се вземат предвид разликите в инсталирането на турбинни мелници и Segner Turbine мелници. Следните са очевидните разлики между вече съществуващите турбинни мелници и мелниците, оборудвани с Segner турбини:
- Инсталацията на турбина на Segner не изисква тръбопровод на тръбопровод и преден басейн.
- Това елиминира напълно една разходна позиция (тръбопровод) и драстично намалява друга позиция (за цимент).
- Поради по-малката изходна мощност се инсталират по-малки и/или по-малко обработващи машини, което също намалява разходите за пренос на енергия.
- Разработването на по-малки водни енергийни потенциали обикновено струва по-малко за проучване, проектиране и инсталиране, отколкото по-големи потенциали, обикновено могат да се използват съществуващи напоителни канали.
Таблицата на фиг. 11 показва доста представително изчисление на разходите за инсталация на Segner Turbine спрямо средните разходи на съществуващи турбинни мелници.
Доклад на Азиатската банка за развитие * показва, че средно инвестиционните разходи за турбинни мелници са около Rs. 8'000.- за kW действително налична мощност. Турбинните мелници с тази цена са се доказали повече от 100 пъти като икономически жизнеспособни в Непал. Това показва, че инсталация на Segner Turbine с не по-малко от 4 kW налична мощност през цялата година също ще бъде икономически жизнеспособна. Разглеждането на инвестиционните разходи по отношение на разходите за единица налична мощност позволява лесно сравнение на различни устройства и за да се илюстрира това, ще бъде показано какви биха били приемливите инвестиционни разходи за традиционна мелница за същите икономии и в дадена ситуация, т.е. нетен напор от 4 метра и пълен дебит от 200 литра в секунда през осемте месеца от годината и намален дебит от 80 литра в секунда през останалата част от годината:
- Инсталация на турбина Segner: мощност при условия на пълен поток = 5 kW и при условия на намален поток = 2,2 kW, което води до претеглена средна стойност от над 4 kW налична мощност. Приемливи инвестиционни разходи = Rs. 32'000.—(както е показано).
- Традиционна водна мелница: Ефективността на колело с вертикална ос и отворен канал е над 3 пъти по-ниска от тази на Segner турбина. Следователно резултатната мощност за мокър и сух сезон е съответно 1,6 kW и 0,7 kW. Следователно среднопретеглената налична мощност ще бъде 1,3 kW.
Такива разходи за традиционна мелница вероятно са малко по-високи от действителните. Следователно трябва да се разбере, че в диапазона на изходна мощност от около 1 kW, прилаган само за мелене на зърно, местната „Ghatta“ остава правилното решение. От друга страна, където има търсене на други употреби на енергия, като например за извличане на масло и за лющене на ориз, традиционната технология няма да свърши работа. Там, само с трикратната инвестиция в сравнение с разходите за традиционна мелница, сега за първи път е възможно икономично решение чрез използване на Segner Turbine.
Изводи
Така се доказва, че турбината Segner е подходящо устройство за ограничен обхват на приложение. Той нито замества по-мощните турбинни инсталации, нито традиционните водни мелници с по-ниска производителност, но ясно запълва празнината между тези две. От това също следва, че в рамките на обхвата на приложение както на съществуващите турбини, така и на традиционните водни мелници, би било погрешно да се инвестира в турбина Segner. По-конкретни причини за това са следните:
- Местният „Ghatta“ е устройство с ниска мощност, което е технически адаптирано към околната среда за дълъг период от време и което е икономически оптимално в преобладаващата ситуация. Намаляването на турбина Segner – или друго произведено устройство – вероятно няма да постигне такива икономии.
- От друга страна, увеличаването на турбина Segner в обхвата на мощността на местно произведените турбини има не икономически, а по-скоро технически ограничения: доставянето на относително голям поток вода във вертикалната тръба на турбината Segner води до загуба на напор, което може вече да не е за пренебрегване. Трябва също така да се има предвид, че пълното тегло на вертикалната тръба, включително водното й съдържание, трябва да се поеме от долния опорен лагер, като по този начин се ограничава техническата осъществимост за увеличаване на работния напор. И последна точка: за разлика от конвенционалните турбини, турбината Segner изисква вертикален спад в топографията, за да използва водния напор. Очевидно е, че възможностите за развитие на главата са ограничени в зависимост от ситуацията на конкретното място.
Warning: Display title "" overrides earlier display title "AT Sourcebook / Турбината Segner: евтино решение за използване на водна енергия в много малък мащаб".