Podstawy obliczeń turbin wiatrowych i wodnych

Opis

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 / 10
Wykaz ważniejszych oznaczeń / 12

1. Turbiny wiatrowe / 14
1.1. Wstęp / 14
1.2. Wiatr jako zjawisko fizyczne / 16
1.3. Statystyczny opis prędkości wiatru / 17
1.4. Oszacowanie prędkości wiatru / 22
Przykład_1.1 / 24
Przykład_1.2 / 26
Przykład_1.3 / 30
1.5. Zasoby energetyczne wiatru w Polsce / 32
1.6. Omówienie istniejących turbin wiatrowych / 33
1.6.1. Siłownie klasyczne o poziomej osi wirnika / 34
1.6.2. Charakterystyczne parametry siłowni wiatrowych / 37
1.6.3. Modelowanie turbiny wiatrowej o osi poziomej / 39
1.6.3.1. Wyznaczenie reakcji aerodynamicznej działającej na konstrukcję turbiny / 39
1.6.3.2. Moc turbiny wiatrowej / 41
1.6.3.3. Maksymalna sprawność turbiny wiatrowej / 43
1.6.3.4. Sprawność turbiny wiatrowej / 44
Przykład_1.4 / 46
Przykład_1.5 / 47
1.6.4. Oszacowanie przebiegu zmian ciśnienia w obszarze wirnika turbiny / 49
1.6.5. Współczynnik mocy Cp i siły wzdłużnej Cx / 52
1.6.6. Fundamentowanie siłowni wiatrowych o poziomej osi wirnika / 56
1.7. Siłownie wiatrowe o pionowej osi wirnika / 58
1.7.1. Opis istniejących siłowni wiatrowych o pionowej osi wirnika / 58
1.7.2. Moc turbiny wiatrowej z wirnikiem o osi pionowej / 62
1.8. Synchronizacja prądu generowanego / 66
1.8.1. Opis wstępny / 66
1.8.2. Synchronizowanie generatorów siłowni wiatrowych / 71
1.8.2.1. Prądnice asynchroniczne / 71
1.8.2.2. Prądnice synchroniczne / 74

2. Turbiny wodne / 76
2.1. Wstęp / 76
2.2. Równanie Eulera jako podstawowe równanie wirowych maszyn przepływowych / 76
2.3. Interpretacja fizyczna równania Eulera / 82
2.4. Stopień reakcyjności turbin hydraulicznych / 83
2.5. Spad wodny / 84
2.6. Sprawność turbin hydraulicznych / 85
2.7. Wyróżnik szybkobieżności turbin hydraulicznych / 87
Przykład_2.1 / 91
Przykład_2.2 / 91
2.8. Bezwymiarowe współczynniki podobieństwa / 92
Przykład_2.3 / 92
2.9. Testy modelowe / 96
2.10. Sprawność modelu i prototypu / 98
Przykład_2.4 / 98
Przykład_2.5 / 100
Przykład_2.6 / 100
Przykład_2.7 / 101
2.11. Wielkości jednostkowe / 103
2.12. Charakterystyki muszlowe turbin hydraulicznych / 108
Przykład_2.8 / 108

3. Turbina Peltona / 113
3.1. Opis turbiny Peltona / 113
3.2. Moc turbiny Peltona / 118
3.3. Sprawność turbiny Peltona / 119
3.4. Wskazówki przy projektowaniu turbiny Peltona / 122
3.5. Regulacja wydajności turbiny Peltona / 125
Przykład_3.1 / 127
Przykład_3.2 / 130
Przykład_3.3 / 132
Przykład_3.4 / 134
Przykład_3.5 / 136
Przykład_3.6 / 137
Przykład_3.7 / 138
Przykład_3.8 / 140
Przykład_3.9 / 142
Przykład_3.10 / 144
Przykład_3.11 / 145
Przykład_3.12 / 147
Przykład_3.13 / 150
Przykład_3.14 / 152
Przykład_3.15 / 154

4. Turbina Francisa / 158
4.1. Opis turbiny Francisa / 158
4.2. Zasada działania i budowa / 160
4.3. Trójkąty wektorów prędkości charakterystyczne dla turbiny Francisa / 161
4.4. Charakterystyczne parametry turbiny Francisa / 165
4.5. Regulacja wydajności turbiny Francisa / 167
Przykład_4.1 / 169
Przykład_4.2 / 171
Przykład_4.3 / 172
Przykład_4.4 / 175
Przykład_4.5 / 178
Przykład_4.6 / 180
Przykład_4.7 / 181
Przykład_4.8 / 184
Przykład_4.9 / 186
Przykład_4.10 / 188
Przykład_4.11 / 189
Przykład_4.12 / 194
Przykład_4.13 / 199

5. Turbiny osiowe / 203
5.1. Wstęp / 203
5.2. Opis turbin śmigłowych / 203
5.3. Analiza trójkątów wektorów prędkości dla turbiny śmigłowej / 204
5.4. Turbiny Kaplana / 208
5.5. Wskazówki dotyczące wymiarów turbin osiowych / 211
5.6. Regulacja wydajności turbiny Kaplana / 213
Przykład_5.1 / 215
Przykład_5.2 / 216
Przykład_5.3 / 218
Przykład_5.4 / 221
Przykład_5.5 / 222
Przykład_5.6 / 224
Przykład_5.7 / 228
Przykład_5.8 / 231

6. Rura odpływowa (ciągnąca) / 234
6.1. Opis rury odpływowej / 234
Przykład_6.1 / 236
6.2. Kawitacja w obszarze rury odpływowej / 238
Przykład_6.2 / 242
Przykład_6.3 / 243
Przykład_6.4 / 245
Przykład_6.5 / 249
Przykład_6.6 / 252
Przykład_6.7 / 255

7. Turbiny przepływowe / 260

8. Odwracalne turbiny pompowe / 262

9. Wykorzystanie zjawiska osmozy w energetyce odnawialnej / 264
9.1. Wstęp / 264
9.2. Zasada działania silnika osmotycznego / 266
9.3. Analiza możliwości zastosowania silnika solankowego dla wody Bałtyku / 266
Przykład_9.1 / 269

Bibliografia / 270