MODELSKA ISPITIVANJA TURBINA PRILIKOM REKONSTRUKCIJE, A U CILJU MODERNIZACIJE I POVEĆANJA SNAGE HIDROELEKTRANE

prof. dr Miroslav Benišek*

Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu*

Apstract: Nakon višedecenijskog rada većih srpskih hidroelektrana sprovedeni su ili se sprovode značajni zahvati rekonstrukcija. U sklopu obimnih poslova koji treba da dovedu do očekivanog ishoda rekonstrukcija hidroelektrana u cilju modernizacija i povećanja snaga, važno mesto zauzimaju i modelska ispitivanja projektovanog tipa turbine od strane renomiranog i na tenderu izabranog proizvođača. Ispitivanja turbina se vrše na visoko sofisticiranim opitnim instalacijama u neutralnim laboratorijama, koja treba da obezbede visoku tačnost merenja. Dobijene univerzalne karakteristike modela se preračunavaju na eksploatacione karakteristike prototipa velike turbine, na osnovu kojih se utvrđuje valjanost turbine. U radu će biti prikazani postupci koji se primenjuju: izrada modela turbine, priprema i izgled opitnih instalacija, metodologija ispitivanja, dobijanje univerzalnih karakteristika, postupci preračunavanja sa modela na prototip. Sva razmatranja biće prikazana na primerima modelskih ispitivanja koja su sprovedena u cilju rekonstrukcija HE Đerdap 1, HE Đerdap 2 i HE Bajina Bašta.

Ključne reči: hidroelektrana, rekonstrukcija, model turbine, opitna instalacija, univerzalne karakteristike.

THE TURBINES MODEL TEST DURING RECONSTRUCTION PLANT, FOR PURPOSE OF HYDROPOWER STATION MODERNIZATION AND

UPGRADING

prof. dr Miroslav Benišek*

Mechanical Faculty University of Belgrade*

Abstract: After lasting several decennium of Serbians hydropower station operation the significance reconstructions were performed or the significance reconstructions will be performed. In the assemble of voluminous works, which have to lead to expected reconstructions results, the model tests take the important place. The turbine model on the quality test bed, also using the best quality of instrumentation which provide the high accuracy, in the preferable independent laboratory is performed. The obtained universal model hill charts can be recalculate on the prototype hill chart which confirm the desired turbines characteristics. In this paper the next applied procedures will be presented: production of model preparation and test bed constructions, measurements methods universal hill chart, scale up calculation from model to prototype. All procedure by model tests whose were carried out on HPS Djerdap 1, HPS Djerdap 2 and HPS Bajina Bašta are presented.

Key words: hydroplant, reconstruction, model turbine, test bed, universal characteristics.

1. UVOD

Hidrauličke turbine, mehanički sistemi u kojima se vrši razmena energije sa vodom, konstruišu se kao jedinstveni geometrijski protočni prostori zavisno od zahtevanih strujnih delova. Da bi se hidraulička energija transformisala u mehaničku, neophodno je obezbediti neposrednu interakciju vode i mehaničkog sstema, pri čemu se delovi tog sistema - obrtno kolo mora da stavi u obrtno

kretanje. Istovremeno, u obrtnom kolu treba ostvariti skretanje vode u kome se vrši neposredno pretvaranje hidrauličke energije u mehaničku. Ostali delovi turbine, koji su takođe neophodni, imaju zadatak stvaranja uslova da se u obrtnom kolu obavi što kvalitetnija razmena energije, a da pritom i gubici energije u njima budu minimalni, odnosno da stepen korisnosti bude najveći.

Težeći, da se udovolji prethodnim zahtevima kao i zahtevnim strujnim uslovima došlo se do saznanja da je nemoguće sa jednim geometrijskim oblikom - tipom turbine doćo do visokog stepena korisnosti i ispunjenja zahtevanih strujnih uslova. Tako su razvijeni različiti tipovi turbina: Peltonove, Fransisove, Dijagonalne, Kaplanove, Cevne kao i čitav niz modifikovanih tipova turbina. Uzimajući u obzir zahtevane strujne uslove i izborom tipa turbine u zavisnosti od specifične brzine obrtanja i specifičnog prečnika turbine, a koristeći statističke podatke već stečenih iskustava, određuju se globalni parametri turbine. Posebna pažnja posvećuje se oblikovanju obrtnog kola, uvodnih organa i organa za odvođenje vode. Postupak dobijanja geometrije protočnih prostora i obrtnog kola se naziva indirektnim zadatkom. Prilikom rekonstrukcije i povećanja snage turbina jedne već izgrađene hidroelektrane promena geometrije protočnih prostora uglavnom je usresređena na obrtno kolo, jer uvodni (spirale) i odvodni (sifoni) organi ostaju neizmenjeni ili delimično izmenjeni, jer zbog već njihove izgrađenosti u betonu i teško se mogu menjati bez značajnih zahvata i ogromnih materijalnih troškova. Nakon sveobuhvatnih razmatranja postojećeg stanja i mogućnosti izmene obrtnog kola obično se rešenje svodi na povećanje (ili zadržavanje) prečnika obrtnog kola i izmene oblika lopatica u težnji povećanja brzohodosti i stepena korisnosti obrtnog kola uz zadovoljavajuće kavitacijske koeficijente. Proces osvajanja geometrijskog oblika turbine se verifikuje ispitivanjima na modelu turbine koji ispunjava uslov geometrijske sličnosti sa prototipom.

Ciljevi modelskih ispitivanja turbina su: - Dobijanje pouzdanih energetskih, kavitacijskih i drugih karakteristika modela hidrauličke

turbine (nedovoljna tačnost postojećih matematičkih modela za projektovanje hidrauličkih turbina i dobijanje integralnih karakteristika) u cilju izgradnje novih i revitalizacije postojećih hidroelektrana;

- Razvoj hidrauličkih turbina željenih karakteristika; - Mogućnost upoređenja karakteristika dve hidrauličke turbine iste hidroelektrane radi podele

potencijala reke; - Usavršavanje matematičkih modela proračuna hidraulike i strujanja kroz hidroturbine; - Određivanje energetskih i kavitacijskih performansi prototipa turbina preračunavanjem

izmerenih karakteristika modela na prototip. U narednim poglavljima će se opisati u glavnim crtama postupci ispitivanja modela.

2. OD MODELA DO ENERGETSKIH KARAKTERISTIKA PROTOTIPA

Univerzalne karakteristike modela turbina određuju se na opitnom postrojenju na osnovu normi IEC 60193/1999-11 (International Electrotechnical Commission) [1]. Norme IEC za modelska ispitivanja sadrže: opšte preporuke, terminologiju modelskih ispitivanja, suštinu i obim tehničkih garancija, uslove potrebne za sprovođenje ispitivanja, redosled sprovođenja ispitivanja, redosled obrade razultata ispitivanja, oblik i sadržaj Izveštaja ispitivanja. Takođe se opisuje postupak merenja veličina kao što su protok, pad, snaga, moment, stepen korisnosti... Osnovni cilj normi je definisanja metoda sprovođenja ispitivanja i posebno postupke ocene dobijenih rezulata. Postupak izrade i ispitivanja od modela do energetskih karakteristika prototipa najbolje je prikazati na jednom „flow“ dijagramu, koji je prikazan na slici 2.1.

Slika 2.1. Algoritam dobijanja energetskih i kavitacijskih performansi prototipa turbine

Na „flow“ dijagramu prikazani su glavne faze, označene od A do J, na putu od izrade modela,

merenja na modelu, dobijanja univerzalne karakteristike modela, preračunavanja na prototip, do određivanja eksploatacionih dijagrama prototipa turbine, kao i dobijanja kavitacijskih i karakteristika pobega.

Faza A: Model - izrada i geometrijske provere. Model turbine mora ispuniti, prema normama IEC 60193/1999-11 – Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines – Model acceptance tests, sledeće uslove: - Geometrijsku sličnost sa prototipom, pri čemu su definisana maksimalna dozvoljena odstupanja

odgovarajućih dimenzija od referentnih vrednosti sličnosti; - Definisane su minimalne dimenzije modela turbine i minimalne vrednosti Re – Rejnoldsovih

brojeva pri ispitivanju zavisno od tipa turbine; - Propisani su konstruktivni zahtevi prilikom izrade modela (izbor materijala, uležištenja,

hrapavost protočnog trakta, mogućnost osmatranja kavitacionih pojava, laka demontaža, podešavanje pozicije lopatica obrtnog kola - OK i sprovodnog aparata - SA);

- Propisana je hrapavost i talasastost površina lopatica SA i OK. Na slikama 2.2a i 2.2b prikazani su obrtno kolo modela Kaplanove turbine prečnika

D1M=308mm i sprovodni aparat HE Đerdap 1.

Slika 2.2. a) Obrtno kolo i b) sprovodni aparat modela Kaplanove turbine HE Đerdap 1 Na slici 2.3a i 2.3b prikazana je koordinatna mašina za kontrolu dimenzija modela turbine i

uređaj za proveru hrapavosti obrađenih površina lopatica.

Slika 2.3. a) Koordinatna mašina b) uređaj za proveru hrapavosti Faza B: Merenja na modelu za ReM i σ bezkavitaciono. Nakon izrade modela turbine u

određenoj razmeri, geomertijski sličnog prototipa od ulaza do izlaza iz turbine, isti se ugrađuje u opitno postrojenje. Opitna postrojenja za ispitivanje karakteristika modela turbina mogu biti otvorenog ili zatvorenog tipa. Opitna postrojenja otvorenog tipa služe za energetska ispitivanja dok se na opitnim postrojenjima zatvorenog tipa pored energetskih vrše se i kavitacijska ispitivanja. Moderna postrojenja zbog svoje univerzalnosti ispitivanja uglavnom su zatvorenog tipa. Na slici 2.4 prikazana je principska šema jednog opitnog postrojenja zatvorenog tipa.

Slika 2.4. Opitno postrojenje zatvorenog tipa

Osnovna karakteristika opitnog postrojenja zatvorenog tipa je postojanje kružnog toka vode,

bez slobodnih površina prema atmosferi, u kojim se može menjati pritisak vode na željenim mestima. Opitno postrojenje sastoji se iz zatvorenog potisnog rezervoara 1 i zatvorenog sifonskog rezervoara 2 sa povšinom vode iznad koje je vazdušni prostor u kome se pritisak može menjati. Između ova dva rezervoara postavlja se model turbine 3. Cevovodom 4 voda se dovodi do pumpne jedinice 5 koja se sastoji od dve pumpe koje mogu raditi pojedinačno, redno ili paralelno. Način rada bira se zavisno od zahtevanog protoka i pada modela turbine, a koji se postiže pomoću ventila V1, V2 i V3. Zatim voda protiče kroz hladnjak 6 pomoću koga se odvodi višak toplote nastale usled gubitka energije u sistemu. Temperatura vode se održava konstantnom. U rezervoaru 7 odvaja se vazduh iz vode kako bi se procenat vazduha u vodi podesio prema stvarnom procentu vazduha koji vlada u vodi koja protice kroz prototip. Povećanje procenta vazduha u instalaciji moze se ostvariti pomocu kompresora 8. Višak vazduha iz rezervoara 7 odvodi se cevovodom 9. U protokomer 10 voda se dovodi cevovodom 11, a zatim se voda vraća u potisni rezervoar l. Promena pritiska u zatvorenom sistemu se ostvaruje vakum pumpom 12 (podpritisak) i kompresorom 8 (nadpritisak). Promenom pritiska u rezervoaru 2 postizu se različita kavitaciona stanja. Savremena opitna postrojenja imaju mogućnosti za baždarenje (kalibraciju) mernih instrumenata. Najdelikatnije baždarenje je određivanje koeficijenta protoka protokometa. Tako se uz osnovni deo opitnog postrojenja nadograđuju i postrojenja za baždarenje protoka. Zatvaračima Zl, Z2 i Z3 podešava se način rada, merenje karakteristika ili baždarenje protokomera. Zatvaranjem zatvarača Zl, a otvaranjem zatvarača Z2 i Z3 omogućuje se kalibracija protokomera 10. Pumpama 13 i prelivom 14 održava se konstantni nivo vode u rezervoaru 15 iz koga se cevovodima 16 i 4, pomoću pumpne jedinice 5, voda pumpa kroz protokomer 10, a zatim zatvorenim krugom kroz 1, 3, 2 i cevovodom 17 dovodi do uređaja 18 za merenje protoka zapreminskom odnosno težinskom metodom. Ovaj uređaj sastoji se od otvorenog mernog rezevoara 19, skretača toka 20 i levka 21, automatskog hronometra 22 i vage 23. Voda pomoću skretača toka 20 i levka 21 može se preusmeriti u merni rezervoar 19 ili u sabirni rezervoar 24. Zatvaranjem zatvarača Z2 i Z3, a otvaranjem zatvarača Zl opitno postrojenje za merenje karakteristika turbine se dovodi ponovo u radno stanje. Savremena zatvorena opitna postrojenja mogu ostvariti padove i do 80m, protoke do 2,5m3/s i snage do 2MW. Merenje veličina u otvorenim i zatvorenim opitnim postrojenjima ostaruje se preko elektronskih davača sto omogućava i primenu računara - akvizicijskog sistema. Primenom pogodnih softvera dobijaju se nakon merenja gotove grafičke i analitičke karakteristike modela turbina.

Opitno postrojenje za ispitivanje modela turbina u Laboratoriji LMH u Lozani - Švajcarska, prikazano je na slici 2.5.

Slika 2.5. Opitno postrojenje za ispitivanje modela turbina u Laboratoriji LMH

Postupak koji prethodi dobijanju energetske karakteristike modela se sastoji u poznavanju

fizičkih konstanti, podacima o geometrijskim veličinama modela, fizičkim osobonama vode zavisnih od temperature vode i mernim veličinama na modelu turbine ugrađenim u opitno postrojenje: pamb (kPa) – atmosferski pritisak u laboratoriji; αSAM (o) – otvor lopatica sprovodnog aparata modela (SA); βOK (o) – otvor lopatica obrtnog kola modela (OK); p12 (Pa) – razlika pritisaka između ulaznog i izlaznog mernog preseka turbine; p12V (Pa) – oscilacije pritiska p12; p2 (Pa) – pritisak u izlaznom preseku referisan na kotu obrtnog kola; p2V (Pa) – oscilacije pritiska p2; pa (Pa) – pad pritiska na venturimetru; paV (Pa) – oscilacije pritiska pa; FM (N) – sila na kraju poluge za merenje momenta; nM (min-1) – brzina obrtanja modela turbine; tV (oC) – temperatura vode.

Na osnovu izmerenih veličina određuju se sledeće veličine: MM (N/m) – momenat na izlaznom vratilu modela turbine, MM=FMl; Rev (-) – referentni Rejnoldsov broj venturimetra, Rev=(dV/νM)(2.pa/ρM)0,5; K (-) – baždarni (kalibracioni) koeeficijent venturimetra, bira se iz kalibracione krive K=f(Rev); QM (m3/s) – protok, QM=K.(d2π/4).(2.pa/ρM)0,5; v1M (m/s) – srednja brzina u ulaznom preseku A1M modela turbine, v1M=QM/A1M; v2M (m/s) – srednja brzina u izlaznom preseku A2M modela turbine, v2M=QM/A2M; EM (J/kg) - jedinična (specifična) energija modela turbine,

2- )z - (z

2-- e-e E

22

2112

2M1M

22

21212M1MM MM

MM

MM

M

MM vvpgvvpp+=++==

ρρ;

HM (m) – neto pad turbine, HM=EM/gM; fM (sec-1) – frekvencija obrtaja obrtnog kola modela turbine, fM=nM /60; ωM (sec-1) – kružna frekvencija obrtaja obrtnog kola modela turbine, ωM=2πf; uM (m/s) – obimska brzina obrtnog kola modela turbine, u1M= (nM

.DM.π)/60=DM

.ωM/2=DMπf; PM (W) – snaga na vratilu turbine, PM=MM

.ωM; PhM (W) – hidraulička snaga modela turbine, PhM=ρM.QM

.EM; ηhM (%) – hidraulički stepen korisnosti modela turbine, ηhM=PM/PhM; NPSEM (J/kg) – kavitacijska rezerva modela turbine,

M

MM

M

M

VMaM

M

M

VMBMM g

NPSENPSHvpppgvppNPSE =++

=+= ,2

-z - 2

- 222

SM

22

ρρ

σM (-) – kavitacioni koeficijent modela turbine σM = NPSEM /EM = NPSHM /HM; n11M (min-1); Q11M (m3/s) – jedinična brzina obrtanja i jedinični protok modela turbine,

MM

M

M

MM

HDQ

HDn

211M11M Q;n ==

ψM (-) i ϕM (-) – značica pada (napora) i protoka modela turbine,

22

4;2

MM

MM

M

MM uD

QuE

πϕψ ==

KUM (-) i KCmM (-) – koeficijenti obimske i meridijanske brzine,

MM

M

M

M

EDQ

Eu

24K;

2K

2CmMUM π== .

Koristeći zakone mehaničke sličnosti (uslove geometrijske, kinematske i dinamičke sličnosti) dobijaju se veze iz jednakosti Eu - Ojlerovog i Sh - Struhalovog broja, parametara modela sa bilo kojom geoemtrijski sličnom turbinom. Na primer između modela (M) i prototipa (P):

PM EuEu = ; PM ShSh =

M

P

hM

hP

hPPP

QP

hMMM

QM

gg

HDQgHE

EDED

ηη

η

η

η

η

===

=

11M

11P2

111

21

P2

1

M

QQ→Q;

;QQ

M

P

hM

hP

hPPP

QP

hMMM

QM

gg

HDQgHE

EDED

ηη

η

η

η

η

===

=

11M

11P2

111

21

P2

1

1M

QQ→Q;

;QD

Sva merenja na modelu se preračunavanju na veličine referentnog Reref - broja. Faza C: Preračunavanje "M" (ReM) na "M*" (Reref=7⋅106). Prilikom merenja je često

nemoguće održavati ReM – Rejnoldsov broj, ReM=uMDM/νM, uM=(nMDMπ)/60, konstantnim (i ako se teži tome), zato a i prema preporukama IEC 60193 vrši se preračunavanje merenih veličina na referentni Rejnoldsov broj Reref=7.106.

Preračunavanje stepena korisnosti ηhM (IEC 60193) na ηhM* za referentni Reref=7.106 0 16 0 16

-. .

ref refhM* hM hM hM ref

M M*

Re ReRe Re

η η Δη η δ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥= + = + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

gde je M* - referentni model, pa je ReM*=Reref =7.106

ref

ref

optM

ref

optMhref

VV−

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=

1ReRe

116.0

ηδ

Vrednost optimalnog hidrauličkog stepena korisnosti modela ηhoptM određuje se posebnim postupkom eksperimentalnog određivanja.

Vrednost koeficijenta raspodele Vref gubitaka u turbini se određuje prema tipu turbine: Vref=0,7 (Fransis, Propelerne); 0,8 (Kaplan, Cevna, Dijagonalna sa kombinatorskom vezom).

Jedinične značice se takođe preračunavaju na osnovu sledećih izraza

hM

hM

M

M

M

M

QQ

nn

ηη∗∗∗

==11

11

11

11

pri čemu je αSAM = αSAM* i βOKM = βOKM*. Do univerzalnih karakteristika modela se dolazi merenjem propelernih karakteristika datih u

fazi D. Faza D: Univerzalna karakteristika modela za Reref=7⋅106 i σ bezkavitaciono. Propelerne

karakteristike modela dobijene merenjem ηhM=f(αSAM ,Q11M) za različite vrednosti βOKM=const pri n11M=const se preračunavaju na propelerne krive ηhM*=f(αSAM ,Q11M) koje se crtaju na istom dijagramu. Povlačenjem obvojnice dobijaju se kombinatorske krive ηhM*com=f(Q11M*), αSAMcom =f(Q11M*), i βOKMcom=f(Q11M*).

Slika 2.6. Propelerne i kombinatorske karakteristike za konstantni pad H=27,94m za rekonstruisanu Kaplanovu turbinu HE Đerdap 1

Na osnovu krivih ηhM*com=f(Q11M*), αSAMcom=f(Q11M*), i βOKMcom=f(Q11M*) moguće je

konstruisati univerzalnu karakteristiku modela turbine za Reref =7.106.

Slika 2.7. Univerzalna karakteristika rekonstruisane Kaplanove turbine HE Đerdap 1

Propelerne karakteristike modela turbine pri Reref =7.106 se konstruišu za svaku definisanu vrednost otvora obrtnog kola βOKM=const, koristeći preračunate karakteristike modela: ηhM*com=f(αSAM, Q11M*) za različite vrednosti n11M*.

Slika 2.8. Propelerna karakteristika rekonstruisane Kaplanove turbine HE Đerdap 1 za otvor lopatica

βOK=10° Preračunavanje univerzalnih karakterisitka modela na prototip je dato u fazama E' i E. Faza E': Proračun sa modela "M" na prototip "P" (ReM → ReP) Faza E: Proračun sa modela "M*" na prototip "P" (ReM* → ReP) Preračunavanje karakteristika modela na prototip može se izvršiti na dva načina:

- direktno sa merenih karakteristika ReM → ReP (Faza E') - indirektno sa preračunatih karakteristika ReM → ReM* → ReP (Faza E)

(ReP=uPDP/νP, uP=(nPDPπ)/60) Koristeći kombinatorske krive modela ηhM*com=f(Q11M*), αSAMcom=f(Q11M*) i βOKMcom=f(Q11M*)

moguće je dati propelerne krive prototipa koristeći izraze koji su dobijeni na osnovu jednakosti odgovarajućih značica modela i prototipa tj.: - Protok prototipa

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

1

*

221

21

* )()()()(hoptM

hoptP

M

P

M

P

M

PMp D

DHH

ggQQ

ηη

- Pad prototipa

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= )()()( H H *2

**MP

hoptP

hoptM

M

P

M

P

P

M

DD

nn

gg

ηη

- Snaga na vratilu prototipa

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

1

*

223

23

*MP )()()()()()( P PhoptM

hoptP

M

hP

M

P

M

P

M

P

M

P

DD

HH

gg

ηη

ηη

ρρ

- Stepen korisnosti prototipa se određuje na osnovu formule (IEC 60193)

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

16.016.0

* ReRe

-ReRe

P

ref

M

refrefhMhP δηη

Na analogan način se dobijaju istovetne vrednosti pri direktnom preračunavanju izmerenih vrednosti modela turbine na prototip (ReM → ReP).

Koristeći relacije date u E i E dobijaju se eksploatacione karakteristike prototipa. Faza F: Eksploataciona karakteristika prototipa za snagu PP. Povlačenjem obvojnice

dobijenih propelernih krivih prototipa: ηhP=f(αSAP, QP) za βOKP=const pri HP=const dobijaju se krive ηhPcom=f(QP) na osnovu koje se određuju krive αSAPcom =f(QP) i βOKPcom =f( QP) .

Slika 2.9. Propelerne i kombinatorske karakteristike prototipa rekonstruisane Kaplanove turbine HE Đerdap 1 za pad H=27,94m

Na osnovu krivih ηhPcom=f(QP), αSAPcom=f(QP) i βOKPcom=f(QP) dobija se eksploataciona

karakteristika prototipa.

Slika 2.10. Ekspoatacioni dijagram rekonstruisane Kaplanove turbine HE Đerdap 1

Kavitacijske karakteristike se ispituju na zatvorenim opitnim postrojenjima pri čemu se

upored određuju energetske i kavitacijske karakteristike. Prikaz određivanja samo kavitacijskih karakterisitka dat je u fazi G.

Zavisnost kavitacijskog koeficijenta od strujnih uslova u protočnom traktu turbine izvedena je u [1], pri čemu je dobijena vrednost kavitacijskog koeficijenta modela.

Faza G: Kavitacijske karakteristike modela. Nakon energetskih ispitivanja modela turbine pristupa se određivanju kavitacijskih karakteristika. Kavitacijske karakteristike modela turbine predstavljaju vezu između kritičnih kavitacijskih koeficijenata σMKR i radnih tačaka (Q11M,n11M) pri čemu se mere i energetske karakteristike modela.

22-12 S - zamb V

M MM

p p v( g )E

σρ

= + ; MM

M

M

MM

HDQ

HDn

211M11M Q;n ==

Kavitacijska ispitivanja se obavljaju na zatvorenim opitnim postrojenjima tako što se za svaku izabranu pogonsku tačku (Q11M,n11M) (podešavanjem pritiska pB u rezervoaru na izlazu iz sifona) stvaraju različita kavitacijska stanja definisana kavitacijskim koeficijentom σM od bezkavitacionog stanja preko inicijalne kavitacije do superkavitacije, uz stalno vizuelno stroboskopsko osmatranje kroz providni oklop radnog kola. Pri kavitacionim ispitivanjima meri se i sadržaj vazduha αm.

Pri kavitacijskim ispitivanjima vrše i merenja energetskih veličina zbog određivanja vrednosti n11M, Q11M i σM. Pri tom se formiraju krive zavisnosti ηhM=f(σM), n11M=f(σM), Q11=f(σM ) i P11=f(σM), što je prikazano na slici 2.11.

Slika 2.11. Promena ηhM, n11M, Q11 i P11 u zavisnosti od σM

Napomena: σMi -inicijalna (početna kavitacija), σMo -minimum kav. koeficijenta σM do koga je

ηhM=const, σMkr -kritična vrednost kavitacijska koeficijenta σM (pad stepena korisnosti za ΔηhM=1% ili ΔηhM=0,5%).

Sistematska merenja u pogonskim oblastima modela turbine moguće je odrediti zavisnosti σMKR=f(Q11M) za različite vrednosti n11M=const (slika 2.12.).

za turbine jedinačne regulacije za turbine dvojne regulacije

Slika 2.12. Zavisnost kritičnog kavitacijskog koeficijenta σKR kod modela turbina jedinične i dvojne regulacije

Prenošenjem vrednosti σMKR=f(Q11M) u polje univerzalne karakteristike dobijaju se kompletne

univerzalne karakteristike modela turbine (slika 2.13).

za turbine jedinačne regulacije za turbine dvojne regulacije

Slika 2.13. Izgled univerzalnih karakteristika modela turbina jedinične i dvojne regulacije Faza H: Preračunavanje kavitacijskih karakteristika sa modela na prototip. Za prototip

turbine značajne su karakteristike kavitacijske rezerve NPSEP

9 9 mPP P P Mkr P

P m

NPSE g NPSH , EH H

αασ⎡ ⎤⎛ ⎞

= ⋅ = + − ⋅⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

gde su: NPSEP [J/kg], NPSHP [m] - kavitacijska rezerva prototipa, NPSE=σ·E, NPSH=σ·H; αM i αp - sadržaji vazduha u vodi modela i prototipa; ZSP - dubina potapanja,

( )10 33900

TSP V Pkr P P

zZ , H Hσ Δσ= − − − + ⋅ ; ZT - kota turbine; Hd=pd/ρPgP - visina stuba vode koja

odgavara zasićenju vodene pare; σPKp = NPSEP/EP - kritični kavitaciski koeficijent prototipa; ΔσP - kavitacijska rezerva kavitacijskog koeficijenta radi obezbeđenja (smanjenja) od kavitacijske erozije.

Faza I: Karakteristike pobega modela za bezkavitacijske uslove rada. Obuhvata: - Brzine obrtanja pobega nRM modela turbine su maksimalne brzine obrtanja koje model turbine

postiže pri potpunom rasterećenju, - Pre ispitivanja modela jedinačne regulacije na pobeg mere se, pri različitim položajima

regulacijskog organa (sprovodnog aparata ili lopatica obrtnog kola), sledeće veličine: ERM=gMHRM, QRM, nRM, i određuju se krive pobega n11RM=f(αSA), Q11RM=f(αSA),

- Pobeg modela turbine dvojne regulacije se određuje tako što se za konstantne vrednosti položaja lopatica obrtnog kola β=const menjaju otvori sprovodnog aparata αSA pri potpuno rasterećenoj mašini i pri tome se mere vrednosti HRM, QRM i nRM i određuju zavisnosti n11RM=f(Q11RM, αSA za β=const).

Brzina obrtanja nRP i protok QRP pobega može se odrediti na osnovu sledećih formula: 5.0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

M

P

P

MRMRP H

HDDnn ;

5.02

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

M

P

P

MRMRP H

HDDQQ .

Primer karakteristike pobega prototipa postojeće turbine HE Đerdap 2, za sve moguće radne režime: propelerne i kombinatorne za bezkavitacijski pogon.

Slika 2.14. Karakteristika pobega prototipa postojeće turbine HE Đerdap 2

3. ZAKLJUČAK Na osnovu materijala prikazanog u ovom radu može se zaključiti sledeće: - Eksperimentalna ispitivanja modela turbina, i u tom smislu osvajanje odgovarajuće geometrije

rekonstruisane i modernizovane turbine povećane snage željenih energetskih i kavitacijskih karakteristika, imaju neprocenjivu važnost u razvoju i usavršavanju novih tipova turbina.

- Poseban značaj modelskih ispitivanja sastoji se u utvrđivanju energetskih i kavitacionih karakteristika ispitivanog modela turbine.

- Preračunavanjem rezultata modelskih ispitivanja utvrđuju se energetske i kavitacione performanse turbina koje se upoređuju sa garantovanim.

- Ispitivanja se obavljaju u specifičnim opitnim postrojenjima snabdevenim davačima mernih veličina koji se moraju kalibrisati pre i posle merenja, a takođe, po potrebi, i u toku merenja. Merna oprema mora biti visoke tačnosti, tako da se mora obezbediti maksimalna ukupna posredna greška merenja stepena korisnosti u domenu ±fη = ±0,25 ÷ 0,27%.

REFERENCE [1] Benišek, M., Hidraulične turbine, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd, 1998 [2] IEC 60193/1999-11 Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines model acceptance

tests [3] IEC 995 1991: Determination of prototype performance from model acceptance tests of

hydraulic machines with consideration of scale effects [4] Đelić V., Kercan V., Vujanič V., Efficiency Scale-up in Refurbished Low Head Kaplan

Turbines, Proceedings, International Conference Classics and Fashion in Fluid Machinery, Belgrade, Serbia, October 18-20, 2002, pp. 53-65

[5] Official Model Test Report – HPP Djerdap 1, test No. 535, Revised and completed version of Final Report, 2011, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Laboratory for Hydraulic Machines, Lausanne, Switzerland

[6] Model Testing Report, HPP Djerdap 1, No. 2931, Turboinstitut, 2008, Ljubljana, Slovenia