АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВОБОДНОПОТОЧНОЙ ГИДРОТУРБИНЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
В связи с истощением запасов углеводородного топлива во всём мире активизируются исследования в вопросах эффективного использования энергоресурсов, увеличении доли возобновляемых экологически чистых источников энергии, в частности гидроэнергии.
В материалах [1,2,3] были опубликованы результаты испытаний гидравлической свободно-поточной турбины оригинальной конструкции и анализ специфического гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости. При замере мощности этого устройства выяснилось, что энергии оно даёт больше, чем по традиционным расчётам - даже несколько больше, чем полная кинетическая энергия потока [1]. Кроме того, испытания показали, что на выходе этой установки глубина потока уменьшается и несколько увеличивается скорость потока. Впоследствии выяснилось, что, благодаря особому гидродинамическому эффекту, это устройство, в отличие от традиционных свободно-поточных турбин, не замедляет выходящий поток, отнимая у него кинетическую энергию, а ускоряет его, извлекая потенциальную [2].
Математический анализ, проведённый в [2] и [3], показал, что за турбиной скорость и глубина потока соответствуют критическим параметрам и вследствие этого, в результате эффекта эжекции на выходе устройства возникает гидравлический прыжок [4,с.280]. Также в проанализированных материалах показано, что описанный эффект проявляется лишь при определённых условиях.
Приведём обоснование этого эффекта и выведем формулы для предварительного расчёта мощности таких турбин, основываясь на базовых законах гидродинамики - уравнении Бернулли (законе сохранения энергии) и уравнении неразрывности потока (законе сохранения массы).
Представим один из наиболее наглядных вариантов модели турбины, использующей этот эффект (рис.1). Другой вариант приведён в статье [1].
МикроГЭС с использованием такой турбины представляет собой два нижнебойных водяных колеса, соединённых обратной связью, которой в данном случае является цепная или ременная передача. Обратная связь обеспечивает вращение второго колеса несколько быстрее первого, за счёт чего и происходит ускорение выходящего потока воды. Принцип работы установки следующий: рабочие органы входного потока (левое колесо на рис.1) получают часть кинетической энергии потока и передают её при помощи обратной связи (цепи или ремня) рабочим элементам выходного потока (правое колесо на рис.1), дополнительно ускоряющим выходной поток. Поскольку расход воды, входящий в установку, равен выходящему и скорость вытекающего потока выше, чем входящего, то площадь сечения выходящего потока будет меньше, чем входящего и, следовательно, его глубина H2 будет меньше, чем глубина входящего потока H1. Возникшая вследствие этого разница уровней бьефов входящего и выходящего потоков высвобождает потенциальную энергию, которую и забирает турбина.
Учитывая, что турбина, расположенная в потоке воды, извлекает из этого потока некоторую энергию, то согласно уравнению Бернулли для двух сечений свободного безнапорного потока - первого (до входа в установку) и второго (на выходе установки), энергия, выделяемая на турбине равна
Полная же энергия живого сечения потока равна удельной энергии потока, умноженной на массу воды, проходящей через живое сечение в единицу времени или на удельный расход, то есть V1H1.
Учитывая (4) и (6), формулу (1) можно переписать следующим образом.
Из формулы (8) видно, что зависимость выходной мощности от входной глубины потока достаточно сложная. По первому члену многочлена формулы она увеличивается квадратично, по второму - линейно, по третьему - уменьшается в степени 5/3.
Обратимся ещё раз к рис. 1. На нём также изображён баланс энергии на входе и выходе турбины. Здесь: H, H2 - глубина (потенциальный напор) входного и
выходного потоков соответственно; V2 /2 g, V22/2 g - скоростной напор входного и
выходного потоков соответственно; AE - разница удельной энергии входного и выходного потоков;
Из рисунка видно, что в зоне гидравлического прыжка имеется недостаток удельной энергии потока по отношению к начальному и установившемуся (за прыжком) режиму потока. Видно, что эта энергия (AE’) значительно (в несколько раз) превышает полную кинетическую энергию входящего потока (V2 /2 g). Именно эта часть энергии и забирается турбиной
Рассчитаем выходную мощность турбины в ваттах по формуле (8) для различной скорости и эффективной глубины входного потока (на один погонный метр поперёк потока).
Из таблицы 1 можно видеть, что при скорости 1.8 м/с и глубине потока равной 0.3 м, режим потока становится критическим, в чём можно легко убедиться, подставив эти данные в формулу критической глубины потока [4]. Дополнительная мощность турбины при этом режиме потока, как видно из таблицы, стремится к нулю. Также из таблицы видно, что при увеличении глубины мощность турбины увеличивается нелинейно. Подведя итог вышеизложенному, можно сделать вывод, что микроГЭС на базе гидравлических турбин специальной конструкции с обратной связью между входящим и выходящим потоками, могут создавать искусственный перепад уровней (бьефов) и извлекают из безнапорного, равномерного потока часть потенциальной энергии, которая значительно превышает кинетическую энергию потока. При конструировании микроГЭС, использующих этот эффект [5], следует учитывать несколько важных рекомендаций:
Во-первых. Этот эффект имеет достаточно узкий диапазон, т.е. должен быть жёстко выполнен ряд условий истечения потока, а именно соотношение входящей скорости потока и его глубины. При незначительном отклонении этих параметров от оптимальных эффект либо сильно “смазывается”, либо пропадает вовсе и его уже очень трудно обнаружить и очень легко спутать с погрешностями измерений.
Во-вторых. Следует отметить, что при увеличении скорости входного потока и, следовательно, его кинетической энергии, то есть при приближении его к критическому или бурному состоянию, эффект исчезает. Наиболее оптимальной является скорость входного потока порядка 1 - 1,5 м/с.
В-третьих. Очень критична к проявлению этого эффекта входная глубина потока. При глубине не более одного метра этот эффект малозаметен и “расплывается” в гидравлическом и механическом КПД турбины.
Следует отметить, что технологии подобных свободно-поточных турбин могут быть востребованы во всём мире. В частности в тех районах, где существуют равнинные реки со скоростью потока до 1-2 м/с, поверхностные морские или океанские течения, такие как Гольфстрим, Кюросио и др. Также эта технология может быть востребована на трансграничных реках, где существует ограничение на строительство дамб и плотин для нужд традиционной напорной гидроэнергетики.