Podstawy obliczeń turbin wiatrowych i wodnych

W książce zaprezentowano podstawy obliczeń związanych z projektowaniem i eksploatacją współczesnych turbin wiatrowych i wodnych. Każdy z rozdziałów zawiera syntetyczny opis zagadnienia, podstawowe równania, wynikające np. z bilansu masy, pędu, momentu pędu i energii, a także praktyczne przykłady obliczeniowe. Całość poparta jest licznymi schematami, wykresami oraz tablicami. W wydaniu 2. rozszerzonym autorzy opisują m.in.: • sposoby szacowania zasobów energii w poruszającym się powietrzu oraz obliczania mocy turbin wiatrowych; • sposoby określania wielkości energii elektrycznej generowanej przez współczesne turbiny wiatrowe; • zasady modelowania turbin wodnych, z uwzględnieniem wyróżnika szybkobieżności i specyficznej prędkości obrotowej; • zasady wymiarowania najważniejszych elementów budowy turbin Peltona, Francisa i Kapla na oraz sposoby regulacji ich wydajności; Przytoczyli także opis stosowanych w praktyce rodzajów rur odpływowych (ciągnących) dla turbin reakcyjnych (Francisa i Kaplana). Książka jest przeznaczona przede wszystkim dla studentów, będzie również przydatna pracownikom instytucji naukowych oraz technicznych, zajmującym się projektowaniem i eksploatacją omawianych turbin.

Spis treści

Od autorów 9 Wykaz ważniejszych oznaczeń 11 1. Turbiny wiatrowe 13 1.1. Wstęp 13 1.2. Wiatr jako zjawisko fizyczne 15 1.3. Statystyczny opis prędkości wiatru 16 1.4. Oszacowanie prędkości wiatru 21 Przykład_1.1. 23 Przykład_1.2. 25 Przykład_1.3. 29 1.5. Zasoby energetyczne wiatru w Polsce 31 1.6. Omówienie istniejących turbin wiatrowych 32 1.6.1. Siłownie klasyczne o poziomej osi wirnika 33 1.6.2. Charakterystyczne parametry siłowni wiatrowych 36 1.6.3. Modelowanie turbiny wiatrowej o osi poziomej 38 1.6.3.1. Wyznaczenie reakcji aerodynamicznej działającej na konstrukcję turbiny 38 1.6.3.2. Moc turbiny wiatrowej 40 1.6.3.3. Maksymalna sprawność turbiny wiatrowej 42 1.6.3.4. Sprawność turbiny wiatrowej 43 Przykład_1.4. 45 Przykład_1.5. 46 1.6.4. Oszacowanie przebiegu zmian ciśnienia w obszarze wirnika turbiny 48 1.6.5. Współczynnik mocy C_p i siły wzdłużnej C_x 51 1.6.6. Fundamentowanie siłowni wiatrowych o poziomej osi wirnika 55 1.7. Siłownie wiatrowe o pionowej osi wirnika 57 1.7.1. Opis istniejących siłowni wiatrowych o pionowej osi wirnika 57 1.7.2. Moc turbiny wiatrowej z wirnikiem o osi pionowej 61 1.8. Synchronizacja prądu generowanego 65 1.8.1. Opis wstępny 65 1.8.2. Synchronizowanie generatorów siłowni wiatrowych 70 1.8.2.1. Prądnice asynchroniczne 70 1.8.2.2. Prądnice synchroniczne 73 2. Turbiny wodne 75 2.1. Wstęp 75 2.2. Równanie Eulera jako podstawowe równanie wirowych maszyn przepływowych 75 2.3. Interpretacja fizyczna równania Eulera 81 2.4. Stopień reakcyjności turbin hydraulicznych 82 2.5. Spad wodny 83 2.6. Sprawność turbin hydraulicznych 84 2.7. Wyróżnik szybkobieżności turbin hydraulicznych 86 Przykład_2.1. 90 Przykład_2.2. 90 Przykład_2.3. 91 2.8. Bezwymiarowe współczynniki podobieństwa 91 2.9. Testy modelowe 95 2.10. Sprawność modelu i prototypu 97 Przykład_2.4. 97 Przykład_2.5. 99 Przykład_2.6. 99 Przykład_2.7. 100 2.11. Wielkości jednostkowe 102 Przykład_2.8. 107 2.12. Charakterystyki muszlowe turbin hydraulicznych 107 3. Turbina Peltona 112 3.1. Opis turbiny Peltona 112 3.2. Moc turbiny Peltona 117 3.3. Sprawność turbiny Peltona 118 3.4. Wskazówki przy projektowaniu turbiny Peltona 121 3.5. Regulacja wydajności turbiny Peltona 124 Przykład_3.1. 126 Przykład_3.2. 129 Przykład_3.3. 131 Przykład_3.4. 133 Przykład_3.5. 135 Przykład_3.6. 136 Przykład_3.7. 137 Przykład_3.8. 139 Przykład_3.9. 141 Przykład_3.10. 143 Przykład_3.11. 144 Przykład_3.12. 146 Przykład_3.13. 149 Przykład_3.14. 151 Przykład_3.15. 153 4. Turbina Francisa 157 4.1. Opis turbiny Francisa 157 4.2. Zasada działania i budowa 159 4.3. Trójkąty wektorów prędkości charakterystyczne dla turbiny Francisa 160 4.4. Charakterystyczne parametry turbiny Francisa 164 4.5. Regulacja wydajności turbiny Francisa 166 Przykład_4.1. 168 Przykład_4.2. 170 Przykład_4.3. 171 Przykład_4.4. 174 Przykład_4.5. 177 Przykład_4.6. 179 Przykład_4.7. 180 Przykład_4.8. 183 Przykład_4.9. 185 Przykład_4.10. 187 Przykład_4.11. 188 Przykład_4.12. 193 Przykład_4.13. 198 5. Turbiny osiowe 202 5.1. Wstęp 202 5.2. Opis turbin śmigłowych 202 5.3. Analiza trójkątów wektorów prędkości dla turbiny śmigłowej 203 5.4. Turbiny Kaplana 207 5.5. Wskazówki dotyczące wymiarów turbin osiowych 210 5.6. Regulacja wydajności turbiny Kaplana 212 Przykład_5.1. 214 Przykład_5.2. 215 Przykład_5.3. 217 Przykład_5.4. 220 Przykład_5.5. 221 Przykład_5.6. 223 Przykład_5.7. 227 Przykład_5.8. 230 6. Rura odpływowa (ciągnąca) 233 6.1. Opis rury odpływowej 233 Przykład_6.1. 235 6.2. Kawitacja w obszarze rury odpływowej 237 Przykład_6.2. 241 Przykład_6.3. 242 Przykład_6.4. 244 Przykład_6.5. 248 Przykład_6.6. 251 Przykład_6.7. 254 7. Turbiny przepływowe 259 8. Odwracalne turbiny pompowe 261 9. Wykorzystanie zjawiska osmozy w energetyce odnawialnej 263 9.1. Wstęp 263 9.2. Zasada działania silnika osmotycznego 265 9.3. Analiza możliwości zastosowania silnika solankowego dla wody Bałtyku 265 Przykład_9.1. 268 Bibliografia 269