Progetto di una turbina Kaplan

IntroduzioneDimensionamento

Progetto di una turbina Kaplan

Bianconi LorenzoBocchinfuso Francesco

Bresciani Federico

Politecnico di Milano - 25 luglio 2016

Bianconi, Bocchinfuso, Bresciani Progetto di una turbina Kaplan


La diga di Colıder e situata sul fiume Teles Pires nello stato delMato Grosso, in Brasile.Iniziata nel 2011, fa parte di un progetto da sei centrali sullo stessofiume ed e nella fase finale di costruzione da parte della societaenergetica brasiliana COPEL.


COLÍDERBrazil

2

Turbine capacity

Rated head

Speed

Type of turbine

Rated voltage

Frequency

Runner diameter

Generator capacity

Data Sheet

3 x 103 MW

21.51 m

90 rpm

Kaplan

13.8 kV

60 Hz

7800 mm

3 x 111.11 MVA

COLÍDER

www.impsa.com

Hydropower Plant

Brazil

Name

Country

Customer

Scope of supply

Installed capacity

Mean annual production

Colíder

Brazil

COPEL

quipment

MW

1100 GWh

Turnkey e

309

2,000,000 BOE/year

700,000 households/year

100,000 t of CO /year 2

Highlights

Generating unit

Hydromechanical components and hoisting devices

Automation

Balance of plant

Supervision of assembly, erection and startup operations

Operation and maintenance

Substations and HVTL

Civil works

Turbine capacity

Rated head

Speed

Type of turbine

Rated voltage

Frequency

Runner diameter

Generator capacity

Scope of supply Data Sheet

3 x 103 MW

21.51 m

90 rpm

Kaplan

13.8 kV

60 Hz

7800 mm

3 x 111.11 MVA

Colíder is the first of 4 hydropower power plants to be built on the Teles Pires River within the framework of the Programa de Aceleração de Crescimentoof the federal government of Brazil.

During construction of the Colíder hydropower plant, 32 socio-environmental programs were implemented in order to prevent, mitigate and offset potential adverse effects on natural environments.


Dati di progetto

Portata nominale Q = 700 m3/s

Quota del pelo libero della diga: z0 = 28.6 m

Salto motore Hm = 21.51 m

Numero di paia poli p = 60 e frequenza f = 60 Hz

⇒ n = f ·60p = 60 rpm

ωs =ω√Q

(gH)0.75' 3.01

⇒ Ds,opt = 2 ⇒ D =Ds

√Q

(gH)0.25' 13.9 m



DistributoreRotoreDiffusore

Distributore

Grazie al predistributore:

{V1t = 1.9 m/s

V1r = 5 m/s

Angolo di calettamento γ = 31◦

Diametro di uscita D2D = 14.7 m

Dmozzo = 0.5D = 6.95 m

Numero di pale zD = 38

Corda LD = 1.7 m

b0 = 2.53 mV2t,teorica = 3.6 m/s

CL∞ = 0.443

CD∞ = 0.028

⇒

KD = 0.6

CL = KD CL∞ = 0.266

V2t = 2.9 m/s




Distributore

V2r = 5.6 m/s

α1 = 20.8◦

α2 = 27.2◦

α1

α2

D1D

D2D

V1

V2




Rotore

Dividendo in tubi di flusso, si calcolano le grandezze per hub, mide tip:

Vortice libero: V3t = D2DD3

V2t

U = ω D32

Vm =4Q

π(D2 − D2mozzo)

= 5.7 m/s costante lungo il raggio

Grado di reazione r=

0.86 all’hub

0.93 al mid

0.96 al tip

Numero di pale zR = 6, poiche nc ' 548




RotoreEntrata

V3t U W3t α3 β3HUB 5.85 22.85 -17 46.5 160.1

MID 3.88 34.48 -30.6 57.8 168.6

TIP 3.1 43.10 -40 63.3 171.2

HUB MID TIP

V

U

W α β




RotoreScelta dei profili

Inizialmente V4t = 0 per ottimizzare η

Passo ti = πDi/zR e corda Li = ci ti

GOE CL,∞ K CL CD β∞ i γ = β∞ + iHUB 301 0.79 1.9 1.5 0.01 72.8 7 79.8

MID 437 0.215 2 0.43 0.01 79.3 0 79.3

TIP 377 0.103 2.1 0.215 0.01 81.6 -2 79.6

m U (V3t −V4t) = ω r · 1

2ρW 2

∞

[CL sin (β∞)−CD cos (β∞)

]L b · zR




GOE 301 - HUB




RotoreUscita

V4t U W4t α4 β4HUB -2.18 22.85 -25.03 111.4 166.1

MID -1.56 34.48 -36.04 105 170.3

TIP -1.17 43.1 -44.24 101.1 172.1

βα

HUB MID TIP

VU

W


A-A ( 1 : 35 ) B-B ( 1 : 35 )C-C ( 1 : 35 )

A

A

B

BC

C

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

A A

B B

C C

D D

pala_rot

utente 23/07/2016

Progettato da Controllato da Approvato da Data

1 / 1Edizione Foglio

Data

5577,78

6326,82

7151,84



RotorePotenza estratta

leu = Ui (V3t,i − V4t,i ) =

183.62 J/kg

187.64 J/kg

184.21 J/kg

η = leu/gH = 0.878

P = ρQ leu = 129.6 MW

ηstatistico = 0.89

Pstimata = ρQ gH/ηstat = 131.5 MW




Diffusore

Perdite a monte della turbina: ξM = 3

Perdite a valle: ξV = 2.4

Velocita sul pelo libero della diga: V0 = 2 m/s

Quota della macchina: z4 = −5m

Quota di valle: z5 = 0m

Velocita del fiume all’uscita: V5 = 2 m/s

Sezione di uscita del diffusore: Sdiff = 150 m2

Scegliendo δ = 6◦, la lunghezza risulta 17.3 m




4

5z=0

z4

Sdiff

P4T , diff = Patm + ρ[V 2

5

2+ g (z5 − z4) + ξV

Q2

2 S2diff

]= 178 508 Pa

P4T , rot = Patm + ρ[V 2

0

2+ g (z0 − z4)− gH − ξM

V 21

2

]= 178 508 Pa




Cavitazione

Per Wislicenus NPSHR = 1g

(w√

Q4

) 43

= 14.7 m

Per Thoma NPSHR = H · σ = H · e1.67 log nc−10.74 = 17.4 m

Pvap + Pg = 6000 Pa

NPSHD =P4T ,rot−(Pvap+Pg )

ρg = 17.7 m > 17.4 m



Bibliografia

I IMPSA, www.impsa.com/en.

I AirFoil Tools, www.airfoiltools.com.

I ClareDot, www.claredot.net

I Copel, www.copel.com/uhecolider

I Coen, Turbine idrauliche.


www.impsa.com/en

www.airfoiltools.com

www.claredot.net

www.copel.com/uhecolider

Progetto di una turbina Kaplan

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