MODELING OF DESIGN PARAMETERS OF A SCREW TURBINE FOR A MICROHYDRO POWER PLANT

Паст босимли сув оқимларида ишловчи винт турбинали микрогидроэлектр станциялар кичик гидроэнергетиканинг янги шаклидир. Мақоладапаст босимли сув оқимларида ишловчи иккита параллел винт турбинали микрогидроэлектр станциянинг конструктив параметрларини моделлаштиришҳамда мақбул қийматлари аниқланади. Олиб борилган илмий-тадқиқотнингмақсади винтли турбина ташқи диаметр (ички диаметр (винтнинг умумийузунлиги, пичоқлар сони, винтнинг қиялик бурчаги), пичоқнинг бир мартаайланиш давр узунлиги), босим ҳосил қилувчи баландлик) параметрларимақбул вариантларини тўғри танлаш асосида айланишлар сони, куч моментива механик қувватга таъсири самарадорлигини оширишдан иборат

ВИНТ ТУРБИНАЛИ МИКРО ГИДРОЭЛЕКТР СТАНЦИЯНИНГ КОНСТРУКТИВ ПАРАМЕТРЛАРИНИ МОДЕЛЛАШТИРИШ

“ТИҚХММИ” Миллий тадқиқот Алишер ДАВИРОВ университети катта ўқитувчиси, PhD “ТИҚХММИ” Миллий тадқиқот Дилшод ҚОДИРОВ университети кафедра мудири, DSc

Аннотация: Паст босимли сув оқимларида ишловчи винт турбинали микро гидроэлектр станциялар кичик гидроэнергетиканинг янги шаклидир. Мақолада паст босимли сув оқимларида ишловчи иккита параллел винт турбинали микро гидроэлектр станциянинг конструктив параметрларини моделлаштириш ҳамда мақбул қийматлари аниқланади. Олиб борилган илмий-тадқиқотнинг мақсади винтли турбина ташқи диаметр (ички диаметр (винтнинг умумий узунлиги, пичоқлар сони, винтнинг қиялик бурчаги), пичоқнинг бир марта айланиш давр узунлиги), босим ҳосил қилувчи баландлик) параметрлари мақбул вариантларини тўғри танлаш асосида айланишлар сони, куч моменти ва механик қувватга таъсири самарадорлигини оширишдан иборат.

Калит сўзлар: Турбина, винт, генератор, гидравлик қувват, редуктор, самара­

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУК­ТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОГИДРОЭЛЕК­ ТРОСТАНЦИИ С ВИНТОВОЙ ТУРБИНОЙ Алишер ДАВИРОВ

Старший преподаватель Национального исследовательского университета «ТИИИМСХ», PhD

Дилшод КАДИРОВ Заведующий кафедрой Национального исследовательского университета «ТИИИМСХ», DSc Аннотация: Микрогидроэлектростанции с винтовыми турбинами, работающими на водотоках низкого давления, представляют собой новую форму малой гидроэнергетики. Определены структурные параметры микроГЭС с двумя параллельными винтовыми турбинами, работающими в потоках воды низкого давления, и оптимальные значения. Цель проведенных научных исследований – определение наружного диаметра винтовой турбины (Do), внутреннего диаметра (Do), общей длины винта (L), количества лопаток (N), угла наклона винта (β), длина одного оборота лопасти (S), высота (Н) генератора давления – для повышения эффективности воздействия на число оборотов, крутящий момент и механическую мощность на основе правильного выбора оптимальных параметров.

MODELING OF DESIGN PARAMETERS OF A SCREW TURBINE FOR A MICROHYDRO POWER PLANT Alisher DAVIROV Senior teacher of “TIIAME” National Research University, PhD Dilshod KODIROV Head of the Department of “TIIAME” National Research University, DSc Abstract: Microhydroelectric power plants with screw turbines operating on low-pressure watercourses represent a new form of small-scale hydropower. Modeling of the design parameters of a micro-hydroelectric power station with two parallel screw turbines operating in low-pressure water flows, and the optimal values were determined. The purpose of the conducted scientific research is the screw turbine outer diameter (Do), inner diameter (Di), total length of the screw (L), the number of blades (N), the angle of inclination of the screw (β), the length of one revolution of the blade (S), the height (H) of the pressure generator is to increase the efficiency of the impact on the number of revolutions, torque and mechanical power based on the correct selection of optimal options.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 64 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 6 | ISSUE 3 | 2024

Ключевые слова: Турбина, винт, гене­ Keywords: Turbine, screw, generator, ратор, гидравлическая мощность, редуктор, hydraulic capacity, gear, efficiency, screw КПД, лопасть винта. blade.

Кириш. Замонавий гидроэнергетика бошқа муқобил энергия ман­ ба­ларига нисбатан электр энергиясини ишлаб чиқаришнинг энг тежамкор ва экологик тоза усули ҳисобланади. Кичик гидроэнергетика бу йўналишда янада самаралироқ ва фойдали иш коэффициенти жиҳатдан ишончли манба ҳисобланади. Микро ва кичик гидроэлектр станциялари нафақат фойдаланиш босқичида, балки қурилиш жараёнида ҳам табиий ландшафтни, атроф-муҳитни сақлаб қолиш имконини беради. Микро ва кичик гидро электр станциялар катта тўғонли гидроэлектр станцияларидан фарқли ўлароқ атроф-муҳитга салбий таъсир кўрсатмайди [1, 2]. Қишлоқ хўжалиги, енгил саноат ва бошқа электр истеъмолчилари учун муқобил энергия манбалари ҳисобланадиган микро гидроэлектр станциялардан самарали фойдаланиш янги инновацион технологияларни жорий этиб ривожлантиришга ижобий ҳисса қўшмоқда. Винт турбинали микро гидро электрстанциялар электр истеъмолчилари учун электр таъминотида глобал ечим бўлмаслиги мумкин, лекин иқтисодий ва экологик афзалликларга эга қайта тикланадиган энергия манбасини таклиф қилади [1, 2]. Бу ўринда гидротурбиналарни ишлаб чиқиш, уни ривожлантириш бўйича қилинаётган амалий ишлардан Архимед винтли турбинасини такомиллаштириш бўйича олиб борилаётган тадқиқотлар соҳани янада ривожлантиришнинг муҳим масаласи ҳисобланади [1-5]. Винтли турбиналарнинг афзалликлари бошқа турдаги турбиналарга нисбатан техник хизмат кўрсатиш харажатларининг пастлиги, механик фойдаланиш қулайлиги ҳамда бошқа турдаги турбиналардан фойдаланиб бўлмайдиган жойлар учун яхши танлов эканлиги билан фарқ қилади [3, 4]. Архимед винтли гидротурбиналар суюқликни юқорига кўтариш учун эмас, балки улар суюқликни пастга қараб ўтказиши орқали ҳосил бўладиган момент натижасида қувват ишлаб чиқаради [1, 3, 6]. Паст босимли сув оқимларида ишловчи бу турбиналар самарадорлиги 60-80 % гача кўрсаткични ташкил қилади ҳамда сув сарфи 10 m3/s гача, сув оқим босими 10 m гача бўлган жойларда ўрнатиш тавсия этилади [1, 7]. Усуллар. Турбиналарни ҳисоблашда ва танлашда босим ҳосил қилувчи баландлик H, қуввати P ҳамда фойдали иш коэффициенти η асосий параметр ҳисобланади. Турбинанинг босим ҳосил қилувчи баландлиги қуйидаги формула билан ҳисобланади [8]:

бунда Hst= Z1 - Z2 – таъминловчи ва қабул қилувчи сув сиғимлари сатҳларининг айирмаси; v1, v2 – булар системага кирадиган ва чиқадиган оқим тезликлари; hq – сув келишидаги, турбина жойлаштирилган қувурлардаги ва ташқи қаршиликларда йўқотилган босим; g – эркин тушиш тезланиши.

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 6 | ISSUE 3 | 2024 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

Сув оқимининг қуввати эса қуйидаги формула ёрдамида ҳисобланади:

(2) бунда Q – сув сарфи; Hc – оқимнинг босими; γ – солиштирма оғирлик [8].

Турбина валида ҳосил бўладиган қувват қуйидаги формула ёрдамида ҳисобланади:

(4) бунда Hst= Z1- Z2 турбина ғилдирагининг тўлиқ фойдали иш коэффициенти [8].

Турбинанинг фойдали иш коэффициенти ηT сув сарфига Q боғлиқ. Агар фойдали босим H камаядиган бўлса турбинанинг фойдали иш коэффициенти сезиларсиз даражада ўзгаради [1, 3, 4, 9]. Сув сарфи Q минималдан пастроқ бўлса, турбина ишламайди. Сув сарфи Q ва фойдаланиладиган сув сарфи QA бўлганда

қуйидаги эмпирик тенгламалар орқали турбинанинг фойдали иш коэффициенти ηT қуйидаги қийматга тенг бўлади [9]:

Турбинанинг фойдали иш коэффициенти турбинага бериладиган механик қувват орқали ифодаланганда:

бунда Pmex турбинанинг механик қуввати; Pchiq – турбинанинг чиқувчи қуввати. Архимед винт турбинали микро гидроэлектр станциялардан паст босимли сув оқимларида ёки босим ҳосил қилувчи баландлик деярли ноль бўлган жойларда ҳам фойдаланилади. Винтли турбиналар суюқликнинг кинетик ва потенциал энергияларидан фойдаланади ҳамда бу энергия винтни айлантириш ва момент ҳосил қилиш жараёнида механик ишга айланади. Винтларга бириктирилган генератор ҳосил бўлган механик энергияни электр энергияга айлантиради. Винтли турбиналарда ташқи диаметр (Do), ички диаметр (Do), винтни умумий узунлиги (L), пичоқлар сони (N), винтнинг қиялик бурчаги (ηT ), пичоқнинг бир марта айланиш даврий узунлиги (S), босим ҳосил қилувчи баландлик (H) ва сув сарфи (Q) ушбу параметрлар мақбул вариантларини танлаш асосида самарадорлик ва механик қувватни ошишига эришилади [1, 3, 4, 10].

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 66 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 6 | ISSUE 3 | 2024

Турбинага уриладиган минимал сув сатҳи Zmin, максимал сув сатҳи, яъни парракларнинг тўлиқ сувга ботиши (сув тошиб кетмасдан) Zmax ва парракларни айлантириш учун керак бўладиган мақбул ҳақиқий сув сатҳи Zwl билан аниқланади (1-расм) ҳамда ўлчовсиз (нисбий) сув тўлдириш баландлиги (f) билан боғлиқлигини қуйидаги формулалардан кўриш мумкин:

(9) Тўлдириш фактори f ни нисбий сатҳ сифатида киритиш орқали ҳақиқий сув сатҳини қуйидагича аниқлаш мумкин:

Агар (2.20) формуладаги ҳақиқий сув сатҳини топишда ўлчовсиз (нисбий) сув тўлдириш баландлиги f=0 бўлса Zwl= Zmin, 1 бўлса Zwl= Zmax , f>1 бўлса, парракни сувга ботиш даражаси 100% дан ошиб кетади, бу эса сувни марказий цилиндрнинг юқори қисмидан тошиб кетиши, сувнинг исрофига ҳамда турбина айланиш тезлигининг пасайишига олиб келади.

1-расм. Сувнинг парракларга урилиш ҳолатлари. Парракларга уриладиган сув ҳажми (dV) паррак юқори ва қуйи текисликларнинг қўшни нуқталарини боғлайдиган «w» ўқига параллел равишда аниқланиши мумкин. Бунда θ – бурчак жойлашуви 0 дан 2π оралиғида ҳамда r – радиал жойлашуви эса Di /2 дан D0 /2 оралиғида қабул қилинади [1, 10] ва парракка тўлиқ уриладиган сувнинг умумий ҳажмини қуйидагича аниқлаш мумкин:

Винт парракларига уриладиган сув ҳажмини аниқлаб олгач, винтнинг спиралсимон текисликларига сув босимининг урилиши натижасида ҳосил бўладиган куч моментини топиб оламиз. Винт паррагининг

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 6 | ISSUE 3 | 2024 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

текислик юзасидаги пастки (Z1) ва юқори (Z2) сув кириш сатҳларининг статик шароитларни ҳисобга олган ҳолда текислик юзаларининг исталган нуқтасидаги гидростатик босим (p) қуйидаги ифода орқали аниқланади:

(14) Винт текислик юзаларидаги аниқ босим парракнинг юқори ва қуйи оқим юзаларидаги босимлар ўртасидаги фарқдир. Шунинг учун, агар p1 ва p2 текислик юзасининг ҳар бир томонидаги босим сифатида қабул қилинса, винт текислик юзасининг ҳар бир элемент майдонидаги аниқ моментни (dT) ва битта парракдаги умумий моментни (Т) барча сув остидаги юзалар бўйлаб умумий моментни ҳисоблаш мумкин:

Винтнинг тўлиқ узунлиги учун гидростатик босим натижасида ҳосил бўлган момент пичоқларининг умумий сонига боғлиқ ва уни қуйидагича ҳисоблаш мумкин [1, 3, 10]:

(17) бунда N — пичоқлар сони; L — винт умумий узунлиги; S — пичоқнинг бир марта айланиш даврий узунлиги; Т — битта парракдаги момент. Натижалар. Ҳисоб-китоблар бугунги кунга қадар амалга оширилган адабиётларни ўрганиш асосида амалга оширилди. Бу ҳисоб-китоблар гидравлик машина устида бир неча мақолалар, журнал ва китобларда келтирилган маълумотлар [1, 2, 4-6, 9-10] асосида ишлаб чиқилган математик модел асосида параллел винтли гидротурбинанинг кичик модели ишлаб чиқилди.

2-расм. Иккита параллел винт турбинали микро гидроэлектр станциянинг кичик модели. 1-қурилма асоси, 2-турбина латоги, 3-генератор, 4-турбина ва шкив боғланган қисмини тўғирловчи вал, 5-винт.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 68 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 6 | ISSUE 3 | 2024

Паст босимли сув оқимларида ишловчи винт турбинали микро гидроэлектр станциянинг кичик модели, самарадорлиги юқори бўлишида асосий ўрин тутадиган параметрларини таққослаш орқали ишлаб чиқилди. Дастлабки таққослаш натижалари турбина валига спиралсимон пайвандланган пичоқларнинг сони бўйича олиб борилди, босим ҳосил қилувчи баландлиги H=0,1 дан 1 м гача қийматларда момент ва қувватнинг ўзгаришига таъсир қилувчи параметрлар таққосланди.

3-расм. Пичоқлар сони ўзгарганда куч моментининг ўзгариш графиги.

Пичоқлар сонини қиялик бурчакларига нисбатан текширилганда винт узунлигини 1 m, 2 m ва 2,5 m узунликларда ва винтнинг пичоқлари сонини N=1, N=3 , N=5 қўйиб кўрилганда қиялик бурчаги 30 градусгача бўлганда 1 пичоқли винтли турбинанинг фойдали иш коэффициенти юқори чиққанини кўришимиз мумкин (3-расмда).

4-расм. Пичоқлар сони ва қиялик бурчаги ўзгариши остида фойдали иш коэффициентининг ўзгариши.

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 6 | ISSUE 3 | 2024 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

Хулосалар. Ушбу ишда винтли турбинанинг самарадорлигини ортишига таъсир қилувчи конструктив параметрлари модели ўрганилди. Винт паррагининг текислик юзасидаги пастки (Z1) ва юқори (Z2) сув кириш сатҳларининг статик шароитларни ҳисобга олган ҳолда текислик юзаларининг исталган нуқтасидаги гидростатик босим (p) таъсири тадқиқ қилинди. Турли параметрли Архимед винтли турбиналар ўрганилди ва винтли турбинанинг самарадорлигини оширувчи конструктив параметрларини таққослаш орқали мақбул қийматлари қабул қилинди. Натижада механик қувватни ошириш мақсадида иккита параллел турбинанинг битта генераторга узатма орқали уланган кичик модели ишлаб чиқилди.

Фойдаланилган манбалар: 1. Yoosef Doost A. and Lubitz W.D. “Archimedes screw turbines: A sustainable development solution for green and renewable energy generation-a review of potential and design procedures,” Sustain., vol. 12, no. 18, p. 7352, Sep. 2020, doi: 10.3390/SU12187352. 2. Davirov A., Kodirov D., Tukhtaeva R., Ibragimov I., Urokova N., Development and testing of a laboratory model of a two-turbine small hydroelectric power plan, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 1142, 012018 (2023). 3. Shahverdi K., Reyhaneh Loni, Ghobadian B., Monem M.J., Gohari S., Marofi S., Najafi G. (2019). Energy harvesting using solar ORC system and Archimedes Screw Turbine (AST) combination with different refrigerant working fluids. Energy Conversion and Management 187 (2019) 205–220. 4. Davirov A., Kodirov D., Mamadiyev X. Study on screw turbine of the micro hydroelectric power plant working in low pressure water flows, E3S Web of Conferences 434, 01011 (2023). 5. Rosly Z., Azahari N.S., Mu’tasim M.A.N., Oumer A.N., Rao N.T., Parametric study on efficiency of archimedes screw turbine, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 11, 10904-10908 (2016). 6. Senior J.A. “Hydrostatic Pressure Converters for the Exploitation of very Low Head Hydropower Potential,” University of Southampton, Southampton, K, 2009. Accessed: May 12, 2020. 7. Rorres C., Archimedes in the 21st Century: Proceedings of a World Conference at the Courant Institute of Mathematical Sciences. Cham: Springer Basel AG, 2017. doi: 10.1007/978-3-319-58059-3. 8. Латипов Қ., Эргашев С. Гидравлика ва гидромашиналар. Ўқув қўлланма. – Тошкент, 1986. 9. Фолькер Куашнинг. Системы возобновляемых источников энергии. Технология-Расчеты-Моделирование Учебник. – Астана, – 2013. – 318 с. 10. Shahverdi K., Loni R., Ghobadian B., Bellos E., Gohari S., Marofi S. Numerical Optimization Study of Archimedes Screw Turbine (AST): A Case Study.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 70 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 6 | ISSUE 3 | 2024