CZ17908U1 - Tekutinová turbína - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká tekutinových turbín v podobě odvalovacích tekutinových strojů, které se skládají z válcového nebo kónického statoru, ve kterém je uložen na hřídeli rotor osově symetrického tvaru. Rotor se dotýká statoru a může po jeho vnitřní stěně obíhat.

Dosavadní stav techniky

Jsou všeobecně známy tekutinové turbíny odvalovacího principu, které sestávají ze statoru, který má obyčejně podobu konfuzoru, a rotorem je těleso osově symetrického tvaru, velmi často podoby polokoule nebo kónického kuželu. Například dle českého patentu č. 284483 o názvu Odvalovací tekutinový stroj a dle Evropského patentu EP 1015760 Bl o názvu Rolling Fluid Machine, je známa vodní turbína, která se skládá ze zásobníku tekutiny opatřeného přítokem a nejméně jednou výstupní tryskou, přičemž v oblasti výstupní trysky je na přidržovacím zařízení uložen odvalovací rotor osově symetrického tvaru. Tento stroj pak může fungovat jako vodní turbína, když voda, která obtéká rotor, tento rotor vychýlí k vnitřní stěně výstupní trysky a začne ho ve výstupní trysce - statoru - odvalovat. Také řešení odvalovacího fluidního motoru v provedení podle českého UV č. 7606 o názvu Hydromotor a Evropského patentu EP 1082538 Bl o názvu Hydraulic Motor může být využito k výrobě energie. Rovněž tak řešení podle českého patentu č. 294708 o názvu Odvalovací kapalinová turbina představuje vodní motor odvalovacího typu, který má navíc v místech vzájemného dotyku rotoru a statoru uspořádány hydraulické kanály, které zároveň plní funkci ozubeného převodu a tím zamezují prokluzování rotoru uvnitř statoru.

Turbíny, které jsou stručně zmíněny v předchozím, mají základní nevýhodu v tom, že musí být opatřeny převodem, který přenáší mechanický výkon turbíny na generátor elektrické energie. Nejsou-li opatřeny převodem a tvoří-li rotor a stator odvalovací turbíny protékaný generátor, výroba elektrické energie se děje s nízkou účinností.

Cílem navrhovaného technického řešení je úprava odvalovací turbíny tak, aby její funkce byla efektivnější, tj. aby transformace získané mechanické energie na elektrický výkon probíhala bez převodových mechanismů.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle se dosahuje odvalovací kapalinovou turbínou, sestávající ze statoru, který je opatřen alespoň jedním vstupním otvorem a nejméně jedním výstupním otvorem, kde ve statoru je pomocí hřídele a upínacího mechanismu uspořádán odvalovací rotor, tvořený tělesem rotačního tvaru, podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že uvnitř rotoru je instalován generátor elektrické energie, přičemž hřídel, na jejímž jednom konci je rotor uspořádán, je svým druhým koncem uložena v úchytu upínacího mechanismu neotočně pomocí upínacího mechanismu. Upínací mechanismus zabezpečuje, že hřídel se může podélně úhlově vychýlit všemi směry a vykonávat precesní pohyb, avšak nemůže se otáčet okolo svojí podélné osy. Odvalovací rotor je na hřídeli uspořádán volně otočným způsobem a s hřídelí tvoří volně otočnou dvojici. Mezi odvalovacím rotorem a hřídelí je instalováno těsnění proti pronikání vody dovnitř odvalovacího rotoru.

Řešení podle tohoto technického řešení má výhodu v tom, že generátor elektrické energie je roztáčen bez převodového mechanismu tím způsobem, že generátor je uložen uvnitř odvalovacího rotoru tak, že stator generátoru je pevně spojen s odvalovacím rotorem a rotor generátoru je pevně spojen s hřídelí odvalovacího rotoru a tvoří s ní vůči odvalovacímu rotoru a statoru generátoru volně otočnou dvojici. Při uplatnění synchronního generátoru s cívkami uspořádanými na rotoru jsou permanentní magnety osazeny na statoru. Vyrobený elektrický proud je odváděn vodiči elektřiny. Tyto vodiče jsou uspořádány uvnitř dutiny, která je ve hřídeli odvalovacího rotoru.

-1 CZ 17908 Ul

Ve výhodném provedení je rotor generátoru pevně spojen s odvalovacím rotorem a hřídel odvalovacího rotoru tvoří se statorem generátoru jeden celek a rotor generátoru s odvalovacím rotorem tvoří vůči hřídeli se statorem generátoru volně otočnou dvojici. Takto uspořádaný odvalovací rotor může obsahovat asynchronní generátor a vodiče elektřiny jsou umístěny uvnitř dutiny, která je ve hřídeli.

Praxe potvrdila, že při rozdílu průměrů odvalovacího rotoru a statoru alespoň 1 cm, může být použitá voda znečištěna měkkými biologickými materiály o velikosti několika centimetrů, jakými jsou zbytky trávy, listí, shluky vodních řas apod. Funkci turbíny tyto nečistoty neohrožují a prochází přes ní částečně rozdrceny ven.

ío Lze předpokládat, že uplatnění kapalinové turbíny podle tohoto technického řešení pro průtoky okolo 10 litrů za sekundu na spádech do 15 metrů bude znamenat zvýšení využívání těchto parametrů k energetickým účelům. Výkony lze předpokládat obdobné, jaké dosahují na uvedených veličinách průtoku a spádu současné odvalovací turbíny, které jsou osazeny generátory elektrické energie pomocí různých převodových mechanismů. Jejich denní výkony představují podle kon15 krétních parametrů instalace cca 2 až 5 kWh elektřiny. Také využití okrajových hodnot průtoku a spádu, jaké zvládají současné odvalovací turbíny k výrobě energie, a které se pohybují okolo průtoku 5 litrů za sekundu na spádu 3 metry, bude možné kapalinovou turbínou podle tohoto technického řešení provádět. Je prokázáno, že i tyto okrajové potenciální energie mají praktický význam. Například při použití synchronního generátoru 12 V / 120 W může být z uvedeného spádu 3 m a průtoku 5 1/sec. stabilně vyráběno zajeden den alespoň 0,8 kWh elektrické energie, která je po nezbytném usměrnění a akumulaci následně využívána prostřednictvím měniče 230 V, 50 Hz pro běžné domácí elektrospotřebiče.

Průmyslová využitelnost předkládaného řešení spočívá z ekonomického hlediska především v konkrétních podobách výroby a využívání vyrobené elektrické energie. Velmi malé obnovitelné zdroje vodní energie mohou mít v reálné ekonomice velký význam, protože četnost mikrozdrojů vody je v určitých regionech velmi vysoká. Jejich využívání je však prozatím zcela nedostatečné a neefektivní. Mezi mikrozdroje je třeba z hlediska předkládaného řešení zařadit rovněž veškerá přečerpávací zařízení v průmyslovém provozu, veřejných zařízeních, bytových objektech, v nichž dochází k proudění tekutin. V případě uzavřeného okruhu nakládání s elektrickou energií, kdy vyrobená elektřina je spotřebována v místě své výroby, může navrhované technické řešení přinášet nemalé ekonomické výnosy. Ty budou po odečtení nákladů na údržbu stroje odpovídat uspořeným platbám za dodávky elektřiny z veřejné rozvodné sítě. Vyrobená elektrická energie je nejdříve akumulována a následně podle potřeby využívána. Není poskytována za úplatu jiným subjektům, ale slouží výhradně pro spotřebu v místě, kde vznikla. Mezi průmyslové využití patří aplikace pro telemetrická zařízení průmyslových systémů s vazbou například na bezpečnostní, evidenční, poruchové stavy a další funkce pro aplikace, v nichž napojení na elektrický síťový rozvod je nákladné nebo nevyhovuje funkčním potřebám. Mikrozdroj může plnit funkci záložního zdroje pro krátkodobé potřeby. Mikrozdroj je aktivovatelný během velmi krátké doby.

Průmyslová využitelnost předkládaného řešení se proto jeví i na úseku udržitelného rozvoje a ekonomických a ekologických souvislostí, které jej determinují. Jak vyplývá z předešlého, žádné oblasti výroby energie není možné z udržitelného rozvoje předem vyloučit. Je proto nezbytné počítat také s využíváním mikroveličin potenciálních energií obnovitelných zdrojů vody a ostatních kapalin. Kapalinová turbína podle tohoto technického řešení se může z důvodu jednoduchosti konstrukce a ekonomické efektivnosti provozu a návratnosti vložených investic stát dalším nástrojem pro jej ich konkrétní exploataci.

Přehled obrázků na výkresech

Tekutinová turbína bude blíže popsána pomocí výkresů, na kterých jednotlivé obrázky schematicky znázorňují:

-2CZ 17908 Ul obr. 1 - první příklad provedení tekutinové turbíny podle technického řešení v částečném řezu v bočním pohledu, kdy v odvalovacím rotoru je uspořádán synchronní generátor s permanentními magnety uloženými po obvodu statoru generátoru, kdy s odvalovacím rotorem je pevně spojen stator generátoru;

obr. 2 - druhý příklad provedení tekutinové turbíny podle technického řešení v částečném řezu v bočním pohledu, kdy v odvalovacím rotoru je uspořádán asynchronní generátor, představovaný asynchronním elektromotorem, kdy s odvalovacím rotorem je pevně spojena hřídel rotoru elektromotoru.

Příklady provedení technického řešení ío Jedno z konkrétních provedení tekutinové turbiny podle tohoto technického řešení je schematicky znázorněno na obr. 1.

Tekutinová turbína sestává ze statoru i, který je tvořen ve směru přívodu tekutiny konfuzorem o délce 122 mm, na který navazuje difuzor o délce 62 mm, který je uzavřen úchytem 9 upínacího mechanismu 10, Největší vnitřní průměr konfuzoru je 160 mm a nejmenší 109 mm. Nejmenší vnitřní průměr difuzoru je 109 mm a největší 138 mm. Část statoru I, která má tvar konfuzoru, má na straně největšího průměru konfuzoru hydraulické kanály 3, které jsou orientovány podélně podélné osy statoru 1 a jejich délka je 43 mm. Pomocí hřídele 5 je uvnitř statoru I v prostoru konfuzoru umístěn odvalovací rotor 2, který má podobu komolého kužele, a jeho největší průměr je 144 mm a nejmenší 85 mm a jeho délka je 95 mm. Na straně největšího průměru je odvalovací rotor 2 opatřen hydraulickými kanály 4, které jsou orientovány podélně podélné osy odvalovacího rotoru 2 a jejich délka je 43 mm. Na stator 1 na straně konfuzoru, na jeho největší průměr, navazuje rozvaděč 7, jehož výška je 65 mm, který vytváří na svém zúženém konci vstup 6 o průměru 48 mm pro přívod tekutiny do turbíny, na který navazuje přívodní potrubí T7 o průměru 48 mm. Stator I je v části difuzoru, v polovině jeho délky, opatřen čtyřmi výstupními otvory 8 o průměru 21 mm pro odvod tekutiny z turbíny.

Hřídel 5 má svůj spodní konec opatřen upínacím mechanismem JO, který má podobu uzpůsobeného kulového pouzdra, které je uspořádáno v úchytu 9 upínacího mechanismu _10 neotočně. Toto neotočné uspořádání umožňuje úhlové vychýlení hřídele 5 všemi směry a neumožňuje otáčení hřídele 5 okolo svojí podélné osy. Na druhém konci hřídele 5 je uzpůsoben synchronní ge30 nerátor, přičemž jeho stator 12 je pevně spojen pomocí úchytů 13 statoru 12 generátoru s odvalovacím rotorem 2 a jeho rotor Uje pevně spojen s hřídelí 5. Pevné spojení rotoru 11 generátoru s hřídelí 5 tvoří vůči pevnému spojení statoru 12 generátoru s odvalovacím rotorem 2 volně otočnou dvojici. Zabezpečení shody podélné osy odvalovacího rotoru 2 a hřídele 5 odvalovacího rotoru 2 je dosaženo pomocí dolního ložiska 14 generátoru a horního ložiska J5. generátoru. Těs35 ničí kroužek 16 je pevně spojen s odvalovacím rotorem 2 a volně otočným způsobem s hřídelí 5 a zamezuje vstupu tekutiny do vnitřního prostoru odvalovacího rotoru 2.

Tekutina, která je přivedena přívodním potrubím 17, odvaluje odvalovací rotor 2 prostřednictvím hydraulických kanálů 4 na odvalovacím rotoru 2 po hydraulických kanálech 3 na statoru i a tím dochází k roztáčení statoru 12 generátoru vůči rotoru 11 generátoru a tím k výrobě elektrické energie, která je odváděna vodiči přes dutinu 18 ve hřídeli 5 k využití.

Podle výhodného provedení, které je na obr. 2, je v odvalovacím rotoru 2 instalován asynchronní elektromotor, který funguje jako generátor elektrické energie.

Oproti uspořádání podle obr. 1 se toto konkrétní provedení liší v tom, že stator J_2 generátoru je pevně spojen s hřídelí 5 odvalovacího rotoru 2 a hřídel J_9 generátoru je pevně spojena pomocí úchytu 20 hřídele 19 generátoru s odvalovacím rotorem 2.

Tekutina, která je přivedena přívodním potrubím 17, odvaluje odvalovací rotor 2 prostřednictvím hydraulických kanálů 4 na odvalovacím rotoru 2 po hydraulických kanálech 3 na statoru I a tím dochází k roztáčení hřídele 19 generátoru a tím k roztáčení rotoru 11 generátoru vůči statoru 12

-3 CZ 17908 Ul generátoru a tím k výrobě elektrické energie, která je odváděna vodiči přes dutinu 18 ve hřídeli 5 k využití.

Praktickými zkouškami bylo zjištěno, že tekutinová turbína s generátorem podle navrhovaného technického řešení, která měla průměr rotoru 144 mm a průměr statoru 160 mm, dosahovala ma5 ximální elektrický výkon 68 W. Uvnitř rotoru byl instalován synchronní generátor s permanentními magnety umístěnými na statoru, který byl pevně spojen s odvalovacím rotorem. Použitý spád byl 4,8 m a průtok činil 6,9 litru vody za sekundu a otáčky generátoru - odvalovacího rotoru byly 267 za minutu. Rovněž bylo ověřeno, že odvalovací rotor s průměrem 65 mm, ve kterém je uspořádán elektrogenerátor, může v praxi dosahovat na spádu 8 až 10 metrů pracovní otáčky v ío rozmezí 630 až 790 za minutu.

Průmyslová využitelnost

Tekutinová turbína podle tohoto technického řešení je využitelná především při výrobě elektrické energie z velmi malých průtoků vody. Může být použita na spádu od jednoho až do několika desítek metrů v závislosti na absolutní velikosti odvalovacího rotoru a statoru a na rozdílu jejich průměrů.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Tekutinová turbína sestávající ze statoru (1), opatřeného vstupem (6) kapaliny a výstupem (8) kapaliny, a odvalovacího rotoru (2) umístěného uvnitř konfiizorovité části statoru (1) na jednom konci hřídele (5), jejíž druhý konec je uložen v úchytu (9) upínacího mechanismu (10) na

   20 statoru (1), vyznačující se tím, že hřídel (5) odvalovacího rotou (2) je v úchytu (9) upínacího mechanismu (10) uložena neotočně s možností úhlového vychýlení všemi směry, přičemž je k ní připojen generátor.
2. 2. Tekutinová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, žek hřídeli (5) odvalovacího rotoru (2) je pevně připojen rotor (11) generátoru a k vnitřní části odvalovacího rotoru (2)

   25 je pomocí úchytu (13) pevně připojen stator (12) generátoru.
3. 3. Tekutinová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, žek hřídeli (5) odvalovacího rotoru (2) je pevně připojen stator (12) generátoru a k vnitřní části odvalovacího rotoru (2) je pomocí úchytu (20) pevně připojena hřídel (19) generátoru.