CZ18205U1 - Hydraulická vírová turbína - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká úpravy funkčních ploch hydraulické vírové turbíny vybavené alespoň jedním prstencovým motorem.

Dosavadní stav techniky

U běžných konstrukcí vírových turbín vtéká kapalina kolem tělesa turbíny, obtéká výztužné lopatky a vtéká bez rotační složky do oběžného kola, kde se urychluje a získává rotační složku tak, že za oběžným kolem rotuje proti směru jeho otáčení a vstupuje do savky. V savce má kapalina jistou rotační složku, která se zmenšuje účinkem třecích sil. Tato rotační složka způsobuje v pro10 storu osy rotace snížení tlaku, takže je zde nebezpečí vzniku copu, a to buď copu vyplněného vzduchovými bublinami nebo kavitujícího copu. Vznik copu v savce turbíny snižuje její účinnost a vyvolává v systému nízkofrekvenční tlakové pulsace, které zvyšují hluk a způsobují rozkmitání systému. Proto je možno tyto turbíny využívat pouze pro nízké spády, kde je rotační složka v savce turbíny přijatelná.

Tento nedostatek je řešen známou dvoustupňovou turbínou s tzv. kaskádovou mříží, popsanou například ve spise CZ 1993-2928 AI. Podle tohoto řešení má turbína dvě oběžná kola, která jsou umístěna na samostatných hřídelích spojených s generátory. Kapalina vytékající z prvního oběžného kola rotuje za tímto oběžným kolem proti směru jeho rotace a vstupuje s touto rotační složkou do druhého oběžného kola, čímž způsobuje jeho rotaci proti smyslu otáčení prvního kola. Z druhého oběžného kola již vystupuje kapalina bez rotační složky, takže lze pro konstrukci použít klasickou savku. Tímto dvoustupňovým prouděním se zabrání vzniku kavitujícího copu v savce turbíny, avšak za cenu složitější konstrukce.

Z hlediska konstrukčního bývá turbína, popsaná například v CZ 10767 Ul, opatřena převodovkou, za kterou je napojen generátor, nebo je opatřena prstencovým motorem, dle konstrukce po25 psané ve spise WO 03023223, popřípadě pro kaskádové turbíny ve spise WO 2007/017629. Prstencový motor je v podstatě složen z rotoru, který je tvořen přímo oběžným kolem turbíny opatřeným obvodovým kroužkem. Stator rotoru tvoří prstenec, opatřený vinutím. Nevýhodou tohoto prstencového motoru jsou velké třecí síly, vznikající prouděním kapaliny v tenké mezeře mezi rotorem a statorem. Důsledkem působení těchto třecích sil jsou hydraulické ztráty, které mají za následek snížení hydraulické účinnosti turbíny někdy o více než 10 %.

Tento nepříznivý stav je v některých případech řešen umístěním prstencového motoru uvnitř tělesa turbíny, kam je zabráněno přístupu kapaliny ucpávkou, jak je patrné například ze spisu CA 2172179. Odstranění třecích sil mezi statorem a prstencem rotoru je konstrukčně složité a k přenosu kroutícího momentu je při relativně nízkých otáčkách turbíny potřeba co největšího průměru rotoru motoru. To je spojeno se zvyšováním stavebních rozměrů tělesa turbíny, a tedy se zvýšením její hmotnosti, stavebních rozměrů a výrobních nákladů.

Úkolem předkládaného řešení je představit takovou úpravu funkčních ploch hydraulické vírové turbíny, která by snížila přenos kroutícího momentu z rotoru na stator, a tím zajistila snížení hydraulických ztrát a zvýšení hydraulické účinnosti.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je hydraulická vírová turbína sestávající ze statoru, v komoře jehož tělesa je uchycen rotor s oběžným kolem uloženým na hřídeli, kde koncová část lopatek je opatřena kroužkem, vytvářejícím rotorovou část prstencového motoru, jehož statorová je tvořena prstencovým vinutím uloženým ve statoru protilehle koncovým částem lopatek, přičemž lopatky jsou zapuštěny do obvodového profilu komory a mezi obvodovým kroužkem a prstencovým vinutím vytvářejí štěrbinu. Podstata řešení spočívá v tom, že přilehlé

- 1 CZ 18205 Ul plochy obvodového kroužku a prstencového vinutí v oblasti štěrbiny jsou opatřeny hydrofobním povrchem.

Další podstatou technického řešení je, že hydrofobní povrch je tvořen oxidy titanu nebo teflonem, popřípadě jejich kombinacemi, nanesených s využitím nanotechnologií, neboje tvořen plasmo5 vým nástřikem či nízkosmáčivým nátěrem.

Touto úpravou je dosaženo snížení smáčivosti povrchu statoru i rotoru čerpanou kapalinou, a tedy je dosaženo zvýšení hydraulické účinnosti bez složitých konstrukčních úprav umísťování prstencového motoru uvnitř tělesa turbíny.

Popis obrázků na připojených výkresech io Konkrétní příklad provedení technického řešení je schematicky znázorněn na připojených výkresech, kde:

obr. 1 je vertikální řez jednostupňovou vírovou turbínou, obr. 2 je detail A konstrukčního uzlu z obr. 1, tvořeného prstencem statoru a obvodovým kroužkem oběžného kola.

Příklady provedení technického řešení

Vírová turbína v základním provedení podle obr. 1 je tvořena statorem i, v jehož nosném tělese lije vytvořena tvarovaná komora 12 pro uložení rotoru 2, která je ukončena savkou 13. Rotor 2 je tvořen nábojovým tělesem 21, které je v komoře 12 uchyceno pomocí výztužných lopatek 3, a oběžným kolem 22, uloženým na neznázoměné hřídeli. Oběžné kolo 22 sestává ze středového náboje 221, na němž jsou vytvořeny lopatky 222, jejichž koncová část je opatřena kroužkem 223, vytvářejícím rotorovou část prstencového motoru. Statorová část prstencového motoru je tvořena prstencovým vinutím 14 uloženým ve statoru J protilehle koncovým částem lopatek 222 oběžného kola 22. Celkově je konstrukce prstencového motoru řešena tak, že lopatky 222 jsou zapuštěny do obvodového profilu komory 12 a mezi obvodovým kroužkem 223 a prstencovým vinutím

14 vytvářejí štěrbinu 5. Přilehlé plochy obvodového kroužku 223 a prstencového vinutí 14 jsou pak opatřeny hydrofobním povrchem 6, tvořeným například oxidy titanu či vhodným druhem teflonu, popřípadě jejich kombinacemi, nanesených s využitím nanotechnologií, a nebo nízkosmáčivým nátěrem nebo plasmovým nástřikem.

Popsaný příklad provedení není jediným možným řešením podle technického řešení, když hydro30 fobním povrchem 6 mohou být opatřeny i další rotační plochy turbíny, například středový náboj 41 nebo celé povrchy lopatek 42 oběžného kola 4. Hydrofobní povrch 6 může být uplatněn rovněž pro vírové turbíny s dvěma a více oběžnými koly 4.

Průmyslová využitelnost

Úpravu podle technického řešení je možno uplatnit u všech vírových turbín s jedním či více prs35 tencovými motory, kde je nutno zajistit zvýšení jejich hydraulické účinnosti.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (4)

1. Hydraulická vírová turbína sestávající ze statoru (1), v komoře (12) jehož tělesa (11) je uchycen rotor (2) s oběžným kolem (4) uloženým na hřídeli, kde koncová část lopatek (42) je opatřena kroužkem (421), vytvářejícím rotorovou část prstencového motoru, jehož statorová část

40 je tvořena prstencovým vinutím (14) uloženým ve statoru (1) protilehle koncovým částem lopatek (42), přičemž lopatky (42) jsou zapuštěny do obvodového profilu komory (12) a mezi obvodovým kroužkem (421) a prstencovým vinutím (14) vytvářejí štěrbinu (5), vyznačující . ? CZ 18205 Ul se tím, že přilehlé plochy obvodového kroužku (421) a prstencového vinutí (14) v oblasti štěrbiny (5) jsou opatřeny hydrofobním povrchem (6).

2. Hydraulická vírová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že hydrofobní povrch (6) je tvořen oxidy titanu nebo teflonem, popřípadě jejich kombinacemi, nanesených s

5 využitím nanotechnologií.

3. Hydraulická vírová turbína podle nároku 1, vyznačující se t í m , že hydrofobní povrch (6) je tvořen plasmovým nástřikem.

4. Hydraulická vírová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že hydrofobní povrch (6) je tvořen nízkosmáčivým nátěrem.

1 výkres