Master's Thesis

Portable water pico turbine design, production and basic parameters verifying

Final Thesis 8.94 MB

Author of thesis: Ing. Ladislav Tománek

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Miloslav Haluza, CSc.

Abstract:

The aim of this diploma thesis is to design, manufacture and measure the characteristics of a mobile water pico turbine. More precisely, it is an experimental construction of a mill wheel. The first part of this document is describing the design and manufacture of the turbine. This part focuses mainly on the construction of water wheels with different sizes of buckets and on the nozzle supplying water to the turbine. There is also a CFD simulation of pressure loss of nozzle. The second part of the thesis is focused on the processing of data that were measured in the laboratory, including the determination of uncertainties. The measurements were performed for different turbine settings such as flow, speed, different wheel shapes and different positions of the nozzle distributing water to the wheel. For individual turbine settings are created characteristics, from which maximum powers and maximum efficiencies parameters are determined.

Keywords:

water wheel, pico turbine, low head turbine, mill wheel

Date of defence

14.07.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil komisi s obsahem své diplomové práce v časovém limitu přibližně 15 minut. Následovaly posudky vedoucího a oponenta. Součástí oponentského posudky byly položeny doplňující otázky, na které student odpověděl. Předseda poděkoval za prezentaci a otevřel rozpravu o diplomové práci pro všechny členy komise. Student v rozpravě správně reagoval na dílčí otázky členů komise. Po vyčerpání všech otázek byla obhajoba ukončena.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Fluid Engineering (M-FLI)

Composition of Committee

doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Miloslav Haluza, CSc. (místopředseda)
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Skoták, Ph.D. (člen)

Student pracoval na velice zajímavém tématu, které se týkalo využití vodních zdrojů s velmi malým hydroenergetickým potenciálem. Jednalo se o stroj, jehož konstrukce je založena na principu vodního kola s korečky. Cílem práce bylo provést měření parametrů tří kol s různými velikostmi korečků a vyhodnotit vliv velikosti korečků na účinnost vodního kola. Student se také zabýval návrhem trysky, která přivádí vodu na vodní kolo. Provedl poměrně rozsáhlé měření všech parametru vodních kol pro různou polohu trysky před kolem. K nemalému překvapení měly tyto mikroturbíny poměrně vysokou účinnost. Student se při měření musel vypořádat s problémem nastavování brzdného krouticího momentu. Následně student provedl kompletní zpracování a vyhodnocení naměřených hodnot.
Student pracoval samostatně a iniciativně. Je možné říct, že splnil zadání v celém rozsahu a prokázal, že je schopen plnit samostatně zadané úkoly a ze získaných dat vyvozovat závěry,  doporučuji proto tuto práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce Bc. Ladislava Tománka s názvem „Návrh konstrukce, výroba a ověření základních parametrů mobilní vodní piko turbíny“ je rozdělena do čtyř hlavních kapitol.
První kapitola se zabývá přehledem rovnotlakých vodních strojů na zpracování potenciální a kinetické měrné energie kapaliny (turbína Peltonova, Turgo, Archimedův šroub, turbína Setur, vodní kolo s dolním a horním nátokem).
Kapitola 2 se zabývá návrhem vlastní piko turbíny, která sestává ze specifických korečků z plastových trubek a z trysky přivádějící k této turbíně vodu.
Je zde stanoven cíl prozkoumání charakteristiky turbíny pro odlišné velikosti korečků (celkem tři varianty). Korečky jsou si geometricky podobné, jednotlivé turbíny se liší rozměrem korečků (vnější průměr 25,50 a 75 mm) a počtem korečků (35, 16 a 9) s možností jejich natočení. Toto natáčení však v diplomové práci nebylo využito. Návrh přiváděcí trysky vychází z předpokladu stejných ploch ( a tady i rychlostí) z kruhové hadice (průměr 19 mm)  na obdélníkový profil 60 x 4,73 mm s minimalizací ztrát (bez odtržení proudu). Rozměr 60 mm je logický vzhledem k šířce kuželů, která je právě 60 mm. V celé přechodové oblasti trysky byla dosažena stejná průřezová rychlost. Na proudění  v trysce byl využit program ANSYS Fluent 2019 R2. U výstupního paprsku  (obr. 23 – fotografie) je vidět silná boční kontrakce.
V závěru kapitoly 2 je popsán experimentální okruh.
Třetí kapitola je stěžejní částí diplomové práce. Jde o experimentální měření tří různých piko turbín lišící se velikostí korečků a vyhodnocení tohoto měření. Jedná se o poměrně dlohodobé měření, regulován byl průtok (armaturou) a otáčky (bržděním pákovou brzdou). U otáček i průtoku docházelo ke značnému kolísání, což je graficky zachyceno na obr. 30.
Vyhodnocení měření je věnována značná pozornost. Ze stanovení výkonu, měrné energie a průtoku je vyhodnocována účinnost turbínového bodu v grafech o souřadnicích Q11 a n11, běžných pro vyhodnocení účinnosti turbín.
Diplomová práce je zpracována pečlivě a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Kde se nachází nejvíce namáhaná část u Archimedova šroubu, na níž se musí dávat pozor při dimenzování ?
  2. V diplomové práci je uvedeno, že změna průřezu paprsku při výstupu z dýzy je způsobená povrchovým napětím vody. Je toto tvrzení správné ? V jakých jednotkách se povrchové napětí udává ?
  3. V práci postrádám výsledky proudění (proudové pole) v trysce, je uveden pouze graf tlakové ztráty v trysce v závislosti na hmotnostním průtoku. Je možné obraz proudění v trysce doplnit ?
  4. Pro zadané L (vzdálenost dýzy od osy kola), průtok Q a průtočnou plochu na výstupu dýzy S určete natočení korečku obšžného kola tak, aby vstup vody na něj byl bez vstupního rázu (v diplomové práci se korečky nenatáčejí). Aplikujte na odměřený příklad na obr. č.36 pro Q=0,264 l/s, L = 68,3 mm a S = 283,4 mm2.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová