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La présente invention concerne une machine hydraulique rotative et en particulier une machine hydraulique ou électro-hydraulique rotative pour engendrer de la puissance électrique
Bien que l'on connaisse, pour engendrer de la puissance electrique, diverses machines hydrauliques rotatives, telles que les turbines, ces machines exigent typiquement une masse relativement grande de fluide hydraulique, spécifiquement de l'eau, qui s'écoulera sous pression en contact avec des aubes de turbine généralement radiales, en sorte que les forces de réaction de celles-ci tendent A faire tourner le rotor de la turbine qui porte les aubes.
Ainsi, l'energie cinétique du fluide hydraulique est progressivement puisée tandis qu'il s'écoule à travers la turbine d'une région à haute pression ä une région à basse pression d celle-ci, avec des pertes correspondantes associées à un écoulement turbulent et au contact à frottement et avec viscosité entre le fluide hydrau- 11que et la surface de la turbine, Dans d'autres constructions connues, telles qu'une turbine à roue à augets, des pales en forte de coquilles reçoivent le choc d'un ou plusieurs jets de fluide hydraulique sous pression, à partir d'un ajutage fixe.
Le presente invention concerne une machine hy- Jraulique rotative utilisant un jet de fluide hydraulaque sous pression sortant d'un ajutage, et avec les pffcts hydrodynamiques avantageux qui y sont associes.
Suivant l'invention, une machine hydraulique rotative comprend un rotor comportant une multiplicité ce bras dJ rotor, d'amenée de fluide hydraulique, d'allure générale radiale, garnis ä leurs extrémités éloignées opposees d'ajutages dirigés transversalement, les bras du rotor étant montés pour tourner pres d'un c'rculateur de fluide hydraulique comprenant un
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déflecteur pour recueillir le fluide hydraulique lorsqu'il vient le franper après que le fluide soit sorti sous pression des ajutages, et plusieurs plaques de guidage pour diriger le fluide hydraulique qui a produit le choc, dans une auge collectrice proehe de l'axe du rotor et alimentant les bras du rotor à leurs extrémités intérieures adjacentes ;
la production de jets et la recirculation continues du fluide hydraulique étant arranges de façon que de l'energie résiduelle libérée en conséquence de l'action centri-
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fuge associée la rotaticn des ajutages soit impartie au fluide hydraulique venant frapper le déflecteur et qu'on ait une composBrc de force de reaction soute- nant la rotation du rotor.
Dans une construction préférée, le circulateur d'eau comprend un élément d'entonnoir de façon générale annulaire, décalé en direction axiale par rapport au rotor et comprenant une plaque déflectrice conique sur laquelle est montée une série, repartie sur une circonférence, de plaques déflectrices ou de plaques de guidage d'allure generale radiale, disposées pour diriger du fluide hydraulique vers l'intérieur vers une auge collectrice annulaire dans le rotor.
Dans une telle construction, il est désirable que le rot r comprenne une paire de conduits radiaux d'amende de fluide s'étendant convenablement le long d'un diamètre commun, et mis en communication pour le fluide avec ladite auge collectrice centrale qui est montée dans l'axe du rotor.
Le rotor est avantageusement accouple à un générateur électrique rotatif et un moteur de démarrage aligné axialement avec lui et autant que possible sur le même arbre ; l'ensemble entjer etant monte
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dans une pnveloppe commune.
L'auge collectrice de fluide du rotor peut
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comprendre un element d'entonnoir comportant en lui ur ajutage de venturi avec une bouche n'ouvrant dans une chambre qui communique avec les voies de passage du fluide hydraulique dans les bras du rotor.
On procédera cri-après à une description d'une forme de réalisation particuliere de l'invention, ä titre d'exemple seulement, en se référant aux dessins schématiques joints au présent mémoire, sur lesquels : - la figure 1 montre une vue verticale en partie en coupe et en partie avec arrachement d'une machine hydraulique rotative pour la production de pujssance électrique ; - la figure 2 montre une vue en plan du rotor employé dans la machine montrée ä la figure 1 ; - la figure 3 montre un diagramme vectoriel relatif au fonctionnement de la machine montrée aux figures 1 et 2 ;
- la figure 4 montre en coupe verticale une variante de construction de rotor et de circulateur de fluide hydraulique ä utiliser dans la machine hydraulique montrée à la figure 1 ; "la figure 5 montre une vue en perspective d'une partie d'un circulateur de fluide employé dans la machine hydraulique rotative montrée aux figures 1 et 2.
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En se refera !. aux dessins, on y voit une ma- chine hydraulique rotative pour engendrer de la puis- sance electrique, qui comprend un ensemble de rotor 26 monte sur un arbre 16 porté par des paliers d'extré- malté 3 et 17 et arrangé, en coopération, dans une Position décalée axialement par rapport à un ensemble 5 circulateur de fluide hydraulique (par exemple de ]'eau). Un moteur de démarrage 14 et un générateur electrique 12 qui peuvent être de construction classi-que, sont egalement reliés pour entralnement à l'arbre
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16 et mutés sur des plaques supports 13 et 15 faisant re@ tivement partie intégrante d'un carter d'ensemble de machine 1 qui loge l'ensemble de rotor 26 et l'ensemble circulat nr de fluide hydraulique 5.
Les paliers d'extrémité 4 et 17 sont montes sur les plaques supports 5,2 et 15 respectivement, donc faisant corps avec le carter 1.
Des connexions d'alimentation électriques pour le générateur 12 et le moteur de demarrage 14 sont réalisées par un ensemble 4 de bagues pour balais, lo.- gé dans un carter étanche au fluide.
La rotation-le l'arbre 16, initialement, sous l'action du moteur de démarrage 14, produit la rotaticn de l'ensemble de rotor 26, qui comprend un disque support 10 portant une paire de bras de rotor diamétraux ou radialement opposes comprenant des passages de fluide hydraulique et, a leurs extrémités éloignées, des ensembles 9 de valves d'ajutages ajustable ou de re- glage de debit 25 pour envoyer un jet commande de fluide hydraulique vers l'extérieur, à partir des passages d'amenée de fluide hydraulique dans les bras de rotor 8. Spécifiquement, l'ecoulement du fluide hydraulique si partir de l'ajutage 25 est réglable au moyen de la valve de reglage de débit 9.
Les extrémités intérieures ci s bras de rotor 8 communiquent avec un ensemble d'auge collectrice 24 disposé axialemant près de l'ensemble circulateur de fluide hydraulique 5 qui comprend un écran annulaire enveloppant partiellement l'ensemble de rotor 26 et se poursuivant par un entonnoir tronconique sur lequel est montée une serie de plaques déflectrices ou de guidage 29 d'allure générale radiale et qui est surmonté par un é, ran déflecteur 30 attaché ä l'ensemble circu'teu :- de fluide 5 par des boulons de serrage et d'espacement 6.
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L'arrangement coopératif de l'ensemble de rotor 26 et de l'ensemble circulateur de fluide 5 est tel que le fluide hydraulique sortant des ajutages 9 est cHpté ou emprisonné par la bordure annulaire de l'écran déflecteur 30 et la bride en forme de lévre do l'écran déflecteur 30 et aspiré vers le haut dans le bol ou Ventonnoir formé entre l'écran déflecteur 30 et la pastie en cisque conique du circulateur 5 et de la dans lauge collectrice 24 de L'ensemble de rotor 26.
Gemme on peut le comprendre facilement d'après les figures 2 et 3, le mouvement imparti au fluide hydraulique par la rotation du rotor 26'produit des compcsantes de vitesse et de force qui sont uti- listes pour soutenir la rotation. En particulier, du fluide hydraulique sort des ajutages 25 dans une direction de vecteur vitesse ou de la flèche 20, ceci représentant la ligne centrale ou l'axe de l'ajutage 25, et cette ligne centrale est legerement decalee sul- vant un angle aigu 21 par rapport a la tangente 27 autour de l'axp de rotation de l'arbre 16, et ainsi à 1'ensemble de rotor 26 au point d'extrémité de l'ajutage, 28.
On comprendra que, iorsque l'ajutage 25 est forme, le fluide à l'extrémité d 'ajutage,28,a une vitesse instantanée dans une direction tangentielle de la flèche 27, mais lorsque l'ajutage est ouvert, les forces dynamiques de rotation sont telles que le fluide sort suivant la direction de l'ajutage 20 ;
cette composante de vitesse changeante est représentée par un vecteur complémentaire 23 sur la figure 3, formant le troisieire c6t d'un triangle de vitensse, dont les deux autres cotes scnt le vecteur de l'ajutage 20, representant la direction de l'écoulement du fluide hydraulique avec l'ajutage 25 ouvert, et le vccteur tangentiel 22 representant le direction de 1'6cois-
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lement du fluide lorsque l'ajutage eat ferme.
L'énergie cinétique associée à la composante de vitesse 23 du fluide hydraulique change donc entre la position d'ouverture et la position de fermeture de l'ajutage lorsque l'ajutage tourne et c'est ce changement d'énergie qui produit une force de reaction associée qui est utilisée pour soutenir la rotation du rotor après que la rotation ait été amorcée par le moteur de demarrage 14. La rotation entretenue de l'ensemble de rotor 26 est transmise au générateur 12.
La grandeur de la composante de vitesse 23 peut être calculée en se référant à la vitesse du fluide sortant de l'ajutage 25 et celle-ci à son tour peut etre calculée à partir de 1a vitesse de rotation de l'ensemble de rotor 26, et en multipliant cette composante dans l'axe de l'ajutage par la fonction trigonométrique sinus du petit angle aigu compris entre les vecteurs 20 et 22.
En pratique, on trouve quv la composante de vitesse en question est limitée environ 10 mètres par seconde et l'angle inclus 21 correspondant est limite à environ 120 pour des vitesses de jet de l'ordre de 30 à 16 mètres par seconde.
Une variante de construction de l'ensemble circulateur de fluide hydraulique 5 est représenté ä la figure 4. Dans cette construction, l'ensemble de rotor a une auge collectrice en forme de venturi 24'en communication a son extrémité intérieure avec des passages de fluide dans les bras de rotor 8'. Le circulateur d'eau 5 a la forme d'une simple assiette.
La pression centrifuge P associde à la charge centrifuge H dans l'ajutage 25, l'accélération .'ra- vifique G avec l'angle 21 dont il a été question plus
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haut pris égal zéro, peuvent toutes être liées entre eiles par les equations suivantes (négligeant les
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pertes mécaniques): Pression interne du fluide à l'ajutage p = p = V2/
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20, 66 G
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v2 2G P e H/10, 33 avec v = 0 (c'est-à-dire qu'i. ne sort
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pas de ! luide de l'ajutage).
L'energie assocjée à la pression centrifuge P est engendrée automatiquement et avec un minimum de perte d'energie.
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Lorsque la valve à pointeau 9 est ouverte pour pernettre à du fluide hydraulique de sortir de l'ajutage 25, l'energie associée il la pression centrifuge P et emmagasinée dans le fluide hydraulique est changée en énergie cinétique associée au mouvement du fluide hydraulique venant de l'ajutage 25, le comportement étant défini par les équations suivantes : p + V2/20, 66 G = P = V2/20, 66, et p-p = v/ ; 0, 66 G
On comprendra que la pression centrifuge P n'est pas elle-meme associee ä l'ouverture ou à la fermeture de la valve ä pointeau, mais est présente S tous moment, puisqu'elle provient simplement de la rotation de l'ensemble de rotor 26.
Le débit Q du fluide hydraulique venant d'un ajutage 25 ; la masse specifique Z ; la force de réaction F agissant sur un ajutage 25 dans le sens opposé à celui du vecteur vitesse 22 du fluide ; l'ener- gie d'entrée El et l'energie de sortie E2 par ajutage peuvent être lies par les equations suivantes :
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F = ZQV E1 = ZQV2/2 2 E2 = F. V = ZQV.
L'énergie cinétique du jet de fluide produite par la pression centrifuge P = ZQV2/2.
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La force de réaction F disponible pour meintenir la rotation de l'ensemble de rotor 26 est F- E1/V# ZQV/2 et ainsi E2 - E1 = ZQV2/2 représentant une libération effective d'énergie pour un rendement amé- flore.
Loraque la valve ä pointeau 9 est actionne pour fermer un ajutage 25, E1 et E2 reviennent à zéro et la pression intérieure p revient automatiquement à la pression centrifuge P virtuellement instantanément.
Dans une experience d'essai, on a obtenu les
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val, urs suivantes :
Avec un rayon de l'ajutage tournant de 0, 49 m, une vitesse de rotation de 1200 tours par minute, une vitesse de rotation de l'ajutage de 62 metres par seconde a été obtenue, et ainsi le vecteur vitesse 20 était de 60 mètres par seconde ; l'angle 21 était de 100 ; le débit du fluide a chaque ajutage était d'en- viron 0,00123 mètre @@@ par seconde et la pulssance de sortie par ajute ait d'environ 203 bilogramme-mètres par seconde, avec n diametre du jet de fluide de 0, 0051 metre.
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The present invention relates to a rotary hydraulic machine and in particular a rotary hydraulic or electro-hydraulic machine for generating electrical power.
Although various rotary hydraulic machines, such as turbines, are known to generate electrical power, these machines typically require a relatively large mass of hydraulic fluid, specifically water, which will flow under pressure in contact with generally radial turbine blades, so that the reaction forces thereof tend to rotate the rotor of the turbine which carries the blades.
Thus, the kinetic energy of the hydraulic fluid is gradually drawn as it flows through the turbine from a high pressure region to a low pressure region thereof, with corresponding losses associated with turbulent flow. and in frictional and viscous contact between the hydraulic fluid and the surface of the turbine, In other known constructions, such as a bucket wheel turbine, blades made of strong shells receive the shock of a or several jets of hydraulic fluid under pressure, from a fixed nozzle.
The present invention relates to a rotary hydraulic machine using a jet of hydraulic fluid under pressure leaving a nozzle, and with the advantageous hydrodynamic effects which are associated therewith.
According to the invention, a rotary hydraulic machine comprises a rotor comprising a multiplicity of this rotor arm, of hydraulic fluid supply, generally radial in appearance, furnished at their remote ends opposite nozzles directed transversely, the arms of the rotor being mounted to rotate near a hydraulic fluid circulator comprising a
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deflector to collect the hydraulic fluid when it comes to frank it after the fluid has left under pressure from the nozzles, and several guide plates for directing the hydraulic fluid which produced the shock, in a collecting trough near the axis of the rotor and feeding the rotor arms at their adjacent interior ends;
the continuous production of jets and recirculation of the hydraulic fluid being arranged so that residual energy released as a result of the centric action
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associated fuge the rotation of the nozzles is imparted to the hydraulic fluid striking the deflector and that there is a reaction force component supporting the rotation of the rotor.
In a preferred construction, the water circulator comprises a generally annular funnel element, offset in an axial direction relative to the rotor and comprising a conical deflector plate on which is mounted a series, distributed over a circumference, of deflector plates or guide plates of general radial appearance, arranged to direct hydraulic fluid inwards towards an annular collecting trough in the rotor.
In such a construction, it is desirable that the rot r comprises a pair of radial fluid fine conduits extending suitably along a common diameter, and put in communication for the fluid with said central collecting trough which is mounted in the axis of the rotor.
The rotor is advantageously coupled to a rotary electric generator and a starting motor axially aligned with it and as much as possible on the same shaft; the whole being mounted
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in a common envelope.
The rotor fluid collecting gauge can
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comprise a funnel element comprising in it a venturi nozzle with a mouth opening into a chamber which communicates with the passageways of the hydraulic fluid in the arms of the rotor.
A description will be given below of a particular embodiment of the invention, by way of example only, with reference to the schematic drawings attached to this specification, in which: - Figure 1 shows a vertical view in partly in section and partly with cutaway of a rotary hydraulic machine for the production of electrical power; - Figure 2 shows a plan view of the rotor used in the machine shown in Figure 1; - Figure 3 shows a vector diagram relating to the operation of the machine shown in Figures 1 and 2;
- Figure 4 shows in vertical section an alternative construction of rotor and hydraulic fluid circulator to be used in the hydraulic machine shown in Figure 1; "Figure 5 shows a perspective view of part of a fluid circulator used in the rotary hydraulic machine shown in Figures 1 and 2.
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Will do it again! in the drawings, there is shown a rotary hydraulic machine for generating electrical power, which comprises a rotor assembly 26 mounted on a shaft 16 carried by end bearings 3 and 17 and arranged, in cooperation , in a position offset axially with respect to an assembly 5 for circulating hydraulic fluid (for example water). A starter motor 14 and an electric generator 12 which may be of conventional construction, are also connected for entrainment to the shaft.
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16 and transferred to support plates 13 and 15 forming an integral part of a machine assembly casing 1 which houses the rotor assembly 26 and the circulating assembly nr of hydraulic fluid 5.
The end bearings 4 and 17 are mounted on the support plates 5,2 and 15 respectively, thus forming an integral part of the casing 1.
Electrical supply connections for the generator 12 and the starter motor 14 are produced by a set 4 of brush rings, housed in a fluid-tight casing.
The rotation-the shaft 16, initially, under the action of the starting motor 14, produces the rotation of the rotor assembly 26, which comprises a support disc 10 carrying a pair of diametrically or radially opposed rotor arms comprising hydraulic fluid passages and, at their remote ends, assemblies 9 of adjustable nozzle or flow control valves 25 for sending a control jet of hydraulic fluid to the outside, from the supply passages hydraulic fluid in the rotor arms 8. Specifically, the flow of hydraulic fluid if from the nozzle 25 is adjustable by means of the flow control valve 9.
The inner ends of the rotor arms 8 communicate with a collection trough assembly 24 disposed axially near the hydraulic fluid circulator assembly 5 which comprises an annular screen partially enveloping the rotor assembly 26 and continuing with a frustoconical funnel on which is mounted a series of deflector or guide plates 29 of generally radial appearance and which is surmounted by a é, ran deflector 30 attached to the circu'teu assembly: - of fluid 5 by clamping bolts and spacing 6.
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The cooperative arrangement of the rotor assembly 26 and the fluid circulator assembly 5 is such that the hydraulic fluid leaving the nozzles 9 is captured or trapped by the annular edge of the deflector screen 30 and the flange in the form of lip do the deflector screen 30 and sucked upwards into the bowl or Ventonnoir formed between the deflector screen 30 and the conical conical surface of the circulator 5 and of the in the collecting sledge 24 of the rotor assembly 26.
As can be easily understood from FIGS. 2 and 3, the movement imparted to the hydraulic fluid by the rotation of the rotor 26 ′ produces components of speed and force which are used to support the rotation. In particular, hydraulic fluid comes out of the nozzles 25 in a direction of the speed vector or of the arrow 20, this representing the central line or the axis of the nozzle 25, and this central line is slightly offset under an acute angle 21 with respect to the tangent 27 around the axis of rotation of the shaft 16, and thus to the rotor assembly 26 at the end point of the nozzle, 28.
It will be understood that, when the nozzle 25 is formed, the fluid at the nozzle end, 28, has an instantaneous speed in a tangential direction of the arrow 27, but when the nozzle is open, the dynamic forces of rotation are such that the fluid leaves in the direction of the nozzle 20;
this changing speed component is represented by a complementary vector 23 in FIG. 3, forming the third side of a speed triangle, the other two dimensions of which are the nozzle vector 20, representing the direction of flow of the hydraulic fluid with the nozzle 25 open, and the tangential vector 22 representing the direction of the shell
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fluid when the nozzle is closed.
The kinetic energy associated with the speed component 23 of the hydraulic fluid therefore changes between the open position and the closed position of the nozzle when the nozzle rotates and it is this change of energy which produces a force of associated reaction which is used to support the rotation of the rotor after the rotation has been started by the starting motor 14. The maintained rotation of the rotor assembly 26 is transmitted to the generator 12.
The magnitude of the speed component 23 can be calculated by referring to the speed of the fluid leaving the nozzle 25 and this in turn can be calculated from the speed of rotation of the rotor assembly 26, and by multiplying this component in the axis of the nozzle by the trigonometric sinus function of the small acute angle comprised between the vectors 20 and 22.
In practice, it is found that the speed component in question is limited about 10 meters per second and the corresponding included angle 21 is limited to about 120 for jet speeds of the order of 30 to 16 meters per second.
An alternative construction of the hydraulic fluid circulator assembly 5 is shown in Figure 4. In this construction, the rotor assembly has a venturi-shaped collecting trough 24 'in communication at its inner end with fluid passages in the rotor arms 8 '. The water circulator 5 has the shape of a simple plate.
The centrifugal pressure P associated with the centrifugal load H in the nozzle 25, the accelerating direction G with the angle 21 which has been discussed more
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high taken equal to zero, can all be linked between them by the following equations (neglecting the
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mechanical losses): Internal pressure of the fluid at the nozzle p = p = V2 /
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20.66 G
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v2 2G P e H / 10, 33 with v = 0 (i.e. i. does not come out
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no ! luide of the nozzle).
The energy associated with the centrifugal pressure P is generated automatically and with a minimum loss of energy.
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When the needle valve 9 is open to allow hydraulic fluid to exit from the nozzle 25, the energy associated therewith the centrifugal pressure P and stored in the hydraulic fluid is changed into kinetic energy associated with the movement of the hydraulic fluid coming from the nozzle 25, the behavior being defined by the following equations: p + V2 / 20, 66 G = P = V2 / 20, 66, and pp = v /; 0.66 G
It will be understood that the centrifugal pressure P is not itself associated with the opening or closing of the needle valve, but is present at all times, since it comes simply from the rotation of the rotor assembly 26.
The flow rate Q of the hydraulic fluid coming from a nozzle 25; the specific mass Z; the reaction force F acting on a nozzle 25 in the opposite direction to that of the speed vector 22 of the fluid; the input energy El and the output energy E2 by nozzle can be linked by the following equations:
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F = ZQV E1 = ZQV2 / 2 2 E2 = F. V = ZQV.
The kinetic energy of the fluid jet produced by the centrifugal pressure P = ZQV2 / 2.
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The reaction force F available to keep the rotation of the rotor assembly 26 is F- E1 / V # ZQV / 2 and thus E2 - E1 = ZQV2 / 2 representing an effective release of energy for an ampera yield.
When the needle valve 9 is actuated to close a nozzle 25, E1 and E2 return to zero and the internal pressure p automatically returns to the centrifugal pressure P virtually instantaneously.
In a test experiment, we obtained the
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val, following urs:
With a radius of the rotating nozzle of 0.49 m, a rotation speed of 1200 revolutions per minute, a rotation speed of the nozzle of 62 meters per second was obtained, and thus the speed vector 20 was 60 meters per second; angle 21 was 100; the fluid flow rate at each nozzle was approximately 0.00123 meters per second and the output pulse per nozzle was approximately 203 bilogram-meters per second, with n diameter of the fluid jet of 0, 0051 meter.