CZ15756U1

CZ15756U1 - Tekutinový stroj

Info

Publication number: CZ15756U1
Application number: CZ200516773U
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Ing. Štěrba
Original assignee: Miroslav Ing. Štěrba
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2005-08-29
Also published as: WO2007000122A1

Description

Tekutinový stroj

Oblast techniky

Technické řešení se týká tekutinového stroje, zahrnujícího stator, ve kterém je otočně uložen podlouhlý rotor rotačně symetrického tvaru a mezi statorem a rotorem je vytvořen koaxiální kanál, který má alespoň na části své délky tvar difuzoru, a stator je opatřen alespoň jedním tangenciálně zaústěným vstupem tekutiny a alespoň jedním výstupem tekutiny, přičemž výstup tekutiny je vzdálen ve směru osy rotoru od vstupu tekutiny.

Dosavadní stav techniky

Ze stavu techniky jsou běžně známé tekutinové stroje, sestávají ze statoru, ve kterém je otočně uložen rotor s lopatkami. Poháněcím médiem může být jak plyn, tak i kapalina, případně jejich směs. Poháněči médium protéká statorem a roztáčí rotor působením na lopatky rotoru. Pro optimální využití energie poháněcího média je snahou konstruktérů minimalizovat mezeru mezi špičkami lopatek rotoru a vnitřní stěnou statoru. Pokud je mezera mezi špičkami lopatek rotoru a vnitřní stěnou statoru příliš velká nedochází k optimálnímu využití energie pracovního média.

Dále jsou známé bezlopatkové tekutinové stroje. Například z autorského osvědčení č. 941 665 bývalého SSSR je znám hydromotor, který sestává z usměrňovacího kanálu, ve kterém je vytvořen konfuzor. V ose konfuzoru je na hřídeli uložen kulový rotor. Rotor je napojen na spouštěcí motor.

Při uvedení do chodu se nejprve pomocí spouštěcího motoru, roztočí hřídel a tudíž i kulový rotor. Proud kapaliny, který v konfuzoru obtéká ze všech stran kouli, se tak uvede do rotace. Proud kapaliny, rotující v konfuzoru potom udržuje otáčení kulového rotoru vlivem tření mezi kapalinou a povrchem kulového rotoru.

Nevýhodou tohoto provedení však je, že hydromotor nelze uvést do chodu bez pomocného spouštěcího motoru.

Z dalšího autorského osvědčení č. 1701971 bývalého SSSR je znám obdobný hydromotor, u kterého je spouštěcí motor nahrazen šroubovými lopatkami, uloženými v konfuzoru.

Také u tohoto provedení nelze hydromotor uvést do chodu bez pomocného spouštěcího zařízení, tvořeného v tomto případě šroubovými lopatkami.

Z českého patentu č. 295 305 o názvu Bezlopatkový tekutinový stroj a z mezinárodní přihlášky

PCT/CZ2005/000029, jejichž obsah je do této přihlášky začleněn tímto odkazem, je znám tekutinový stroj, zahrnující stator, ve kterém je otočně uložen bezlopatkový rotor rotačně symetrického tvaru a mezi statorem a rotorem je vytvořen koaxiální kanál. Stator je opatřen alespoň jedním vstupem tekutiny a alespoň jedním výstupem tekutiny, přičemž výstup tekutiny je vzdálen ve směru osy bezlopatkového rotoru od vstupu tekutiny. Vstup tekutiny je do statoru zaústěn tan35 genciálně a koaxiální kanál má alespoň na části své délky tvar difuzoru.

Takto upravený tekutinový stroj nepotřebuje žádný pomocný roztáčecí pohon a přesto může mít jednoduché uložení rotoru. Měření však ukázala, že v některých režimech může dojít k odtržení laminámího proudění na povrchu rotoru a tedy i k odtržení mezní vrstvy, ve které dochází k přenosu kinetické energie z pracovního média na rotor, což má za následek snížení výkonu tekuti40 nového stroje.

Cílem technického řešení je konstrukčně upravit tekutinový stroj podle českého patentu č. 295 305 a podle mezinárodní přihlášky PCT/CZ2005/000029 tak, aby nedocházelo k odtrhávání mezní vrstvy na povrchu rotoru.

-1 CZ 15756 Ul

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle se dosahuje tekutinovým strojem, zahrnujícím stator, ve kterém je otočně uložen podlouhlý rotor rotačně symetrického tvaru a mezi statorem a rotorem je vytvořen koaxiální kanál, který má alespoň na části své délky tvar difuzoru, a stator je opatřen alespoň jedním tan5 genciálně zaústěným vstupem tekutiny a alespoň jedním výstupem tekutiny, přičemž výstup tekutiny je vzdálen ve směru osy rotoru od vstupu tekutiny, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že ve statoru jsou uspořádány vířivé plochy.

Výhodou tekutinového stroje podle technického řešení je, že aplikované vířivé oddalují odtrhávání mezní vrstvy a zlepšují tedy přenos energie mezi tekutinou a rotorem. Vířivé plochy tak stabilizují prodění v koaxiálním kanálu ve tvaru difuzoru, což má pozitivní vliv na účinnost stroje. Hladká část rotoru současně plní funkci rozvaděče tekutiny.

Pro nalezení optimální polohy rotoru ve statoru ve všech pracovních režimech je výhodné, když je rotor ve statoru uložen axiálně přestavitelně.

Podle výhodného provedení jsou vířivé plochy tvořeny výstupky, uspořádanými po obvodu rotoru s odstupy za sebou.

Výstupky mohou být orientovány jak napříč k hřídeli rotoru, tak i v podstatě rovnoběžně s hřídelí rotoru.

Podle jiného výhodného provedení jsou vířivé plochy tvořeny šroubovicí, uspořádanou na povrchu rotoru.

Vířivé plochy také mohou být tvořeny lopatovým kolem, uspořádaným na povrchu rotoru a/nebo samostatným lopatovým kolem, uspořádaným za rotorem.

Samostatné lopatové kolo může být s výhodou uloženo axiálně přestavitelně na společné hřídeli s rotorem.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresů, které schematicky zobrazují tekutinový stroj podle technického řešení s příklady provedení vířivých ploch. Na obr. 1 a 2 jsou vířivé plochy tvořeny výstupky, orientovanými napříč k ose rotoru. Na obr. 3 jsou výstupky orientovány v podstatě rovnoběžně s osou rotoru. Na obr. 4 jsou zobrazeny vířivé plochy ve formě šroubovice, zatímco na obr. 5 mají vířivé plochy tvar výstupků na čele rotoru. Obr. 6, 7 a 8 zobrazují vířivé plochy ve formě různých provedení lopatkových kol.

Příklady provedení

U příkladů provedení podle obr. 1 až 8 mají tekutinové stroje stejnou základní konstrukci a liší se pouze provedením vířivých ploch 10. Všechna zobrazená provedení mají stator I, jehož vnitřní průměr se ve směru průtoku tekutiny zužuje. Ve statoru i je na tuhé hřídeli 3 uložen podlouhlý rotor 2 rotačně symetrického tvaru. S výjimkou níže popsaných vířivých ploch 10 je povrch rotoru 2 hladký. Mezi statorem I a rotorem 2 je vytvořen koaxiální kanál 7 pro volný průtok tekutiny. Hřídel 3 je na obou koncích uložena ve statoru 1 v posouvacích zařízeních 9, umožňujících nastavit polohu rotoru 2 ve statoru J. Posouvací zařízení 9 současně plní funkci ložiskového otočného uložení hřídele 3. Jako posouvací zařízení 9 lze použít libovolný známý mechanizmus, jehož konstrukce není předmětem ochrany a nebude proto blíže popisována.

Rotor 2 samozřejmě nemusí mít pouze tvar komolého kuželu, jak je zobrazeno u příkladů provedení podle obr. 1 až 8. Jedinou podmínkou je, aby byl tvar rotoru 2 rotačně symetrický.

Pod pojmem rotor rotačně symetrického tvaru se pro potřeby tohoto technického řešení rozumí podlouhlé těleso, jehož osa rotace je současně i jeho osou symetrie, tzn. že ve všech rovinách,

-2CZ 15756 Ul vedených osou symetrie, má rotor stejný tvar řezu. Samozřejmě tvořící křivka, jejíž rotací je určen tvar vnějšího povrchu rotoru, může mít v podstatě libovolný tvar.

Sestava stator i - rotor 2 však musí být vždy tvarována tak, aby koaxiální kanál 7 tvořil alespoň na části své délky difuzor.

Stator 1 je na jednom konci opatřen tangenciálně zaústěným vstupem 8 tekutiny a na opačném konci výstupem 5 tekutiny. Je jasné, že jak vstupů 8 tekutiny, tak i výstupů 5 tekutiny může být několik. U základního provedení podle obr. 1 až 8 je vstup 8 tekutiny jeden a je tvořen neznázorněnou tangenciálně zaústěnou tryskou, zatímco výstupů 5 tekutiny je několik.

Rotor 2 ve tvaru komolého kuželu je ve statoru 1 uložen tak, že největší průměr rotoru 2 je uspoío řádán na straně vstupu 8 tekutiny a nejmenší průměr rotoru 2 je uspořádán na straně výstup 5 tekutiny.

U příkladu provedení podle obr. 1 jsou po obvodu rotoru 2 v odstupech za sebou uspořádány vířivé plochy 10 ve formě výstupků 11, orientovaných napříč k ose hřídele 3 rotoru 2. Vířivé plochy 10 jsou uspořádány pouze v jednom místě jinak hladkého povrchu podlouhlého rotoru 2.

Výstupky JJ. mají v tomto provedení konstantní tloušťku, avšak podle provedení z obr. 2 mohou mít výstupky JJ. i jiný tvar, například zobrazený klínovitý tvar, rozšiřující se, nebo zužující se ve směru spirálního proudění ve statoru 2.

U příkladu provedení podle obr. 3 mají vířivé plochy 10 také tvar výstupků 11, uspořádaných v odstupech za sebou po obvodu rotoru 2, avšak jak je z obr. 3 zřejmé, výstupky JJ. jsou oriento20 vány v podstatě rovnoběžně s hřídelí 3 rotoru 2.

U provedení podle obr. 4 vířivé plochy JO tvoří souvislou šroubovici J2 s proměnným stoupáním, kde na straně většího průměru rotoru 2 jsou vzdálenosti mezi vrcholy šroubovice 12 největší a na opačné straně nejmenší.

Na obr. 5 je příklad provedení tekutinového stroje, jehož vířivé plochy 10 mají tvar podlouhlých výstupků JJ. s konstantní tloušťkou, které jsou paprskovitě umístěny na čelní ploše rotoru 2.

Vířivé plochy 10 u provedení podle obr. 6 jsou tvořeny lopatovým kolem 4, uspořádaným na jednom místě jinak hladkého povrchu rotoru 2.

Vířivé plochy 10 u provedení podle obr. 7 jsou tvořeny samostatným lopatovým kolem 6, uspořádaným z hlediska průtoku tekutiny statorem 1 za rotorem 2. Samostatné lopatové kolo 6 může být stejně jako rotor 2 opatřeno posouvacím zařízením 9 pro změnu polohy samostatného lopatkového kola 6 na hřídeli 3. Samostatné lopatové kolo 6 může být otočné nezávisle na rotaci rotoru 2.

Na obr. 8 je kombinace provedení tekutinového stroje podle obr. 6 a 7. Vířivé plochy 10 jsou totiž tvořeny jak lopatovým kolem 4, uspořádaným na jednom místě jinak hladkého povrchu rotoru 2, tak i samostatným lopatovým kolem 6, uspořádaným za rotorem 2.

Funkce všech provedení podle obr. 1 až 8 je analogická. Tlaková tekutina, přiváděná vstupem 8 tekutiny do statoru i, opisuje tangenciální dráhu podél vnitřní stěny statoru i, přičemž postupně vstupuje do koaxiálního kanálu 7 mezi statorem 1 a rotorem 2, roztáčí rotor 2 a následně vystupuje ze statoru 1 výstupy 5. V koaxiálnímu kanálu 7 ve tvaru difuzoru se vytváří mezní vrstvy, které roztáčí rotor 2.

Proudění tekutiny mezi pláštěm rotoru 2 a vnitřní stěnou statoru i matematicky modeluje systém rovnic pro vazké stlačitelné proudění, který se skládá z rovnice kontinuity, Navier-Stokesových rovnic, a z rovnice energie. Tyto rovnice vyplývají ze zákonů zachování kontinuity, hybnosti a energie.

Pro třídimensionální proudění lze tento systém popsat následovně:

-3 CZ 15756 Ul |,₊A_Z(í)+A_g(?)+A_A(í).±₍A_r(í)+A_í(í)+|_4(í))=o

Pro symetrické třídimensionální proudění můžeme tento systém popsat následovně:

d _fí .

_g + _/(g) ₊ —g(_g)·

3/ ox oy

4-(4^)+4^))=-:^)+4^⁰^)

Re 3x dy y Re y

CD (2)

Vířivé plochy 10 podle technického řešení stabilizují laminámí proudění na povrchu rotoru 2 a brání tak odtržení mezní vrstvy, což vede ke zvýšení výkonu. K tomu přispívá i kombinace vířivých ploch 10 s hladkou částí povrchu rotoru 2, která plní funkci rozvaděče.

Při praktických zkouškách byla porovnávána účinnost tekutinového stroje s vířivými plochami 10 podle obr. 1 a stejného tekutinového stroje bez vířivých ploch na rotoru.

ío Stator 1. měl největší vnitřní průměr 50 mm a nejmenší vnitřní průměr 31 mm. Rotor 2 ve tvaru komolého kuželu měl největší průměr 48 mm, nejmenší průměr 20 mm a délku 84 mm. Přiváděnou tekutinou byl tlakový vzduch z tlakové nádoby, ve které byl udržován tlak v rozmezí 230 až 290 kPa. U rotoru 2 bez vířivých ploch 10 bylo s využitím neznázoměné regulace průtoku tekutiny dosaženo otáček rotoru 2 v rozmezí 3870 až 4960 ot/min a výkonu v rozmezí 115 až 185 W.

Po instalaci rotoru 2 o stejných rozměrech, ale s vířivými plochami 10 podle obr. 1 došlo ke zvýšení výkonu o 8,5 %.

Při měření byl jako pohonná tekutina použit vzduch, avšak obecně lze použít v podstatě jakoukoliv tekutinu.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

20 1. Tekutinový stroj, zahrnující stator (1), ve kterém je otočně uložen podlouhlý rotor (2) rotačně symetrického tvaru a mezi statorem (1) a rotorem (2) je vytvořen koaxiální kanál (7), který má alespoň na části své délky tvar difuzoru, a stator (1) je opatřen alespoň jedním tangenciálně zaústěným vstupem (8) tekutiny a alespoň jedním výstupem (5) tekutiny, přičemž výstup (5) tekutiny je vzdálen ve směru osy rotoru (2) od vstupu (8) tekutiny, vyznačující se

25 tím, že ve statoru (1) jsou uspořádány vířivé plochy (10).
2. Tekutinový stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že rotor (2) je ve statoru (1) uložen axiálně přestavitelné.
3. Tekutinový stroj podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vířivé plochy (10) jsou tvořeny výstupky (11), uspořádanými po obvodu rotoru (2) s odstupy za sebou.

30
4. Tekutinový stroj podle nároku 3, vyznačující se tím, že výstupky (11) jsou orientovány napříč k hřídeli (3) rotoru (2).

5. Tekutinový stroj podle nároku 3, vyznačující se tím, že výstupky (11) jsou orientovány v podstatě rovnoběžně s hřídelí (3) rotoru (2).

6. Tekutinový stroj podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vířivé plochy

35 (10) jsou tvořeny šroubovicí (12), uspořádanou na povrchu rotoru (2).

-4CZ 15756 Ul

7. Tekutinový stroj podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vířivé plochy (10) jsou tvořeny lopatovým kolem (4), uspořádaným na povrchu rotoru (2).

8. Tekutinový stroj podle nároků 1, 2 nebo 7, vyznačující se t í m , že vířivé plochy (10) jsou tvořeny samostatným lopatovým kolem (6), uspořádaným za rotorem (2).
5 9. Tekutinový stroj podle nároku 8, vyznačující se tím, že samostatné lopatové kolo (6) je uloženo axiálně přestavitelně na společné hřídeli (3) s rotorem (2).