CZ18890U1

CZ18890U1 - Odvalovací tekutinová turbína

Info

Publication number: CZ18890U1
Application number: CZ200820052U
Authority: CZ
Inventors: Sedlácek@Miroslav
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2008-09-15

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká odvalovacích tekutinových turbín, které se skládají z válcového nebo kónického statoru, ve kterém je uložen na hřídeli rotor osově symetrického tvaru, který’ múze po vnitrní stěně statoru obíhat.

Dosavadní stav techniky

Jsou všeobecně známy tekutinové turbíny odvalovacího principu, které sestávají ze statoru, který· má obyčejně podobu konťuzoru, a rotorem je těleso osové symetrického tvaru, velmi často podoby polokoule nebo kónického kuželu. Například dle českého patentu č. 284483 o názvu Odvaloio vací 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 přidržovaeím zařízení uložen odvalovací rotor osově symetrického tvaru. Tento stroj muže fungovat jako vodní turbína, když voda, která obtéká rotor, tento rotor vychýlí k vnitřní stěně výstupní trysky a začne ho ve výstup15 ni trysce - ve statoru - odvalovat. Rovněž řešení odvalovacího fluidního motoru v provedení podle českého užitného vzoru 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 turbína představuje vodní motor odvalovacího typu, který' má navíc v místech vzájemného dotyku rotoru a statoru uspořádány hydraulické zo kanály, které zároveň plní funkci ozubeného převodu a tím zamezují prokluzování rotoru uvnitř statoru. Rovněž podle české přihlášky vynálezu PV 2007-520 s názvem Tekutinová turbína a podle českého užitného vzoru 17908 s názvem Tekutinová turbína existuje řešení odvalovací turbíny, kdy hřídel, na jejímž jednom konci je uspořádán rotor, je instalována neotoeným způsobem s možností úhlového vvchylování všemi směry. Generátor je pak uložen v rotoru a roztáčen tak, že s rotorem je spojen buď rotor generátoru nebo stator generátoru.

Turbíny, které jsou stručně zmíněny v předchozím, a které jsou opatřeny převodem, který přenáší mechanický výkon turbíny na generátor elektrické energie, mají základní nevýhodu v tom, že v převodu mechanického výkonu z hřídele turbíny na hřídel generátoru vznikají ztráty. Nejsou-li opatřeny převodem a je-li generátor uložen v rotoru turbíny, vznikají ztráty na kroutícím moto mentu v těsnicích kroužcích, které zabraňují průniku tekutiny dovnitř rotoru. Pří řešení obtékaného generátoru uloženého na volné otočné zalomené hřídeli je nevýhodou uspořádání zalomené hřídele, kdy tato musí být velmi přesně dimenzována, aby odvalování rotoru probíhalo po povrchu statoru s určitým přítlakem a rotor se od povrchu statoru nevzdaloval nebo neúměrně do statoru netlačil. Další nevýhodou všech řešení, kdy hřídel je instalována volné otočným způsoV5 bem, je to. že hřídel musí být opatřena určitým počtem ložisek, aby byly zadržovány axiatní i radiální síly, které na ni působí při protékání kapaliny turbínou.

Cílem navrhovaného technického řešení je taková úprava odvalovací turbiny, aby způsob přenosu kroutícího momentu na generátor elektrické energie byl co nejjednodušší a zároveň dostatečně efektivní, a aby transformace získané mechanické energie na elektricky výkon probíhala bez to převodových mechanismu nebo ztrát v těsnicích kroužcích, a aby axiální i radiální síly působící na hřídeli nebyly tlumeny ložiskem nebo soustavou ložisek a byly jednoduchým způsobem zadržovány ve víku statoru.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle se dosahuje odvalovací tekutinovou turbínou, sestávající ze statoru, který je

-15 opatřen alespoň jedním vstupním otvorem a nejméně jedním výstupním otvorem. Stator je prostřednictvím víka statoru a pomoci úchytu generátoru pevné spojen s generátorem, přičemž uvnitř statoru je uspořádán rotor, který-je pevné spojen s jedním koncem hřídele rotoru a druhý

- 1 í í. 1OO7U V l konec hřídele rotoru je, podle tohoto technického řešení, pevně spojen s hlavou kulového kloubu, který je uspořádán na vnitřní strané víka statoru. Kulový kloub je svým pouzdrem spojen s víkem statoru pevné, přičemž pouzdro kulového kloubu je ve sméru podélné osy hřídele rotoru, která je spojena s hlavou kulového kloubu, opatřeno otvorem pro průchod pružné hřídele, která je svým jedním koncem ukotvena v podélné válcové dutině nacházející se v podélné ose hlavy kulového kloubu a svým druhým koncem je ukotvena v podélné válcové dutině nacházející se v podélné ose hřídele generátoru.

Ukotvení muže být provedeno zalepením, zavařením, zatavením, apod. Podélná válcová dutina nacházející se v podélné ose hlavy kulového kloubu začíná na povrchu hlavy kulového kloubu a ío její délka je 0,2 až 0,9 průměru hlavy kulového kloubu a podélná válcová dutina nacházející se v podélné ose hřídele generátoru začíná na jejím vnějším konci a její délka je 0,2 až 0,9 délky hřídele generátoru, která se nachází vně generátoru. Generátor je umístěn pomocí úchytů generátoru na víku statoru a podélná osa hřídele generátoru leží v podélné ose turbíny. Otáčeni hřídele rotoru okolo její podélné osy cestou obíhání rotoru po vnitřní stěně statoru znamená otáčení hlavy kulového kloubu a tím otáčení pružné hřídele, která otáčí hřídelí generátoru, čímž je mechanická energie turbíny transformována na elektrický výkon.

Navrhované technické řešení má výhodu v tom, že generátor elektrické energie je roztáčen bez převodového mechanismu, protože pružná hřídel, která je ukotvena jak v hlavě kulového kloubu, tak v hřídeli generátoru, přenáší kroutící moment mezi hlavou kulového kloubu a hřídelí generá20 toru bez větších ztrát. Pružná hřídel zároveň absorbuje precesní pohyb hlavy kulového kloubu, hřídele rotoru i rotoru, který vzniká v důsledku obíhání rotoru po vnitřní stěně statoru, a který se přenáší do pružné hřídele, přičemž je v ní významně utlumen. Otáčení pružné hřídele je přitom provázeno její deformací v podobě dvou na sebe navazujících oblouků na určitém úseku její délky mezi hlavou kulového kloubu a hřídelí generátoru. První oblouk, navazující na hlavu kulo25 vého kloubu je výsledkem úhlového naklonění hlavy kulového kloubu z důvodu procesního pohybu hřídele rotoru a druhý oblouk, navazující na hřídel generátoru je výsledkem setrvalé podélné polohy hřídele generátoru v podélné ose turbíny.

Ve výhodném provedení je pružná hřídel z plastického materiálu, který je dostatečné pružný v ohybu, částečně pružný v tahu a zároveň vhodný pro přenos kroutícího momentu. Tento plastický '0 materiál má podobu válce o průměrů 0.1 až 0,7 průměru hřídele rotoru a otvor v pouzdru kulového kloubu pro průchod pružné hřídele má průměr 0,15 až 0,75 průměru hřídele rotoru.

Podle jiného výhodného provedení může mít pružná hřídel podobu ocelového lana, které přenáší kroutící moment po sméru, kterým jsou jeho jednotlivé prameny zapleteny.

Podle dalšího výhodného provedení může být podélná válcová dutina uvnitř hlavy kulového j? kloubu prodloužena axiálním směrem až do hřídele rotoru a po určité délce pod určitým úhlem nasměrována ven z hřídele rotoru a její celková délka muže být 0,2 až 0.5 délky hřídele rotoru.

Rovněž podélná válcová dutina v hřídelí generátoru, jejíž začátek je na vnějším konci hřídele generátoru, může být po určité délce pod určitým úhlem nasměrována ven z hřídele generátoru a její celková délka může být 0,2 až 0,9 délky hřídele generátoru, která se nachází vně generátoru.

Při tomto řešení pak muže být každý konec pružné hřídele upraven tak, aby nebyl pružný a nedovoloval otáčení pružné hřídele uvnitř podélné dutiny v hlavě kulového kloubu a hřídele rotoru ani v podélné dutině hřídele generátoru. Rovněž tak může být pružná hřídel, jejíž konce vystupují do volného prostoru z hřídele rotoru a hřídele generátoru, na každém tomto konci opatřena neznázorněnými pomocnými mechanismy, které zabraňují jejímu otáčení uvnitř podélných vál45 covych dutin a tím i jejímu podélnému posunutí a vlaženi do podélné dutiny hřídele rotoru nebo podélné dutiny hřídele generátoru.

Přehled obrázků na výkresech

Odvalovací tekutinová turbína podle tohoto technického řešení bude blíže popsána na konkrétních příkladech provedení s pomocí výkresů, kde na obr. 1 je schematicky v éásteénem řezu v i

CL· l»řmi Ul bočním pohledu znázorněn první příklad provedení turbíny s kulovým kloubem. Na obr. 2 je schematicky v částečném řezu v bočním pohledu znázorněn druhý příklad provedení turbíny s kulovým kloubem.

Příklady provedení technického řešení

Příkladná odvalovací tekutinová turbína znázorněná na obr. 1 sestává ze statoru i opatřeného vstupním otvorem ]3 kapalíny a výstupními otvory 14 kapaliny. Dále sestává z rotoru 2 uspořádaného ve střední části uvnitř statoru 1, který má směrem od vstupního otvoru 1_3 kapaliny k výstupním otvorům 14 kapaliny podobu konhizoru, a který je prostřednictvím víka 9 statoru i a pomocí úchytů 8 generátoru 2 pevně spojen s generátorem 7. Rotor 2 je pevně spojen s jedním koncem hřídele 3 rotoru 2 a druhý konec hřídele 3 rotoru 2 je pevně spojen s hlavou kulového kloubu 4, který'je uspořádán na vnitrní straně víka 9 statoru 1.. Kulový kloub 4 je s víkem 9 statoru I spojen pevné a víko 9 statoru i a pouzdro kulového kloubu 4 jsou opatřeny kónickým otvorem jO pro průchod pružné hřídele 5. Kulový kloub 4 je uspořádán tak, že ve své hlavě obsahuje podélný otvor 12 a hřídel 6 generátoru 7 je uspořádána tak, že v sobě obsahuje podélný otvor Π. Kónický otvor 10 má v pouzdru kulového kloubu 4 nejmenší průměr 0,6 průměru hřídele 3 rotoru 2 a největší průměr 0,7 průměru hřídele 3 rotoru 2 a ve víku 9 statoru 1 má nejmenší průměr 0,7 průměrů hřídele 3 rotoru 2 a největší průměr 0,9 průměru hřídele 3 rotoru 2. Pružná hřídel 5 je tvořena vhodně pružným plastovým válcem o průměru 0,4 průměru hřídele 3 rotoru 2 a jedním koncem je zalepena v podélném otvoru [2 v hlavě kulového kloubu 4 a druhým svým koncem je zalepena v podélném otvoru 11 v hřídeli 6 generátoru 7. Podélný otvor 12 v hlavě kulového kloubu 4 i podélný otvor H v hřídeli 6 generátoru 7 mají stejný průměr, který činí 0,45 průměru hřídele 3 rotoru 2. Délka pružné hřídele 5 je dimenzována tak. že při vychýlení rotoru 2 k vnitřní stěně statoru 1 vytváří pružná hřídel 5 na úseku mezi okrajem podélného otvoru 12 v hlavě kulového kloubu 4 a okrajem podélného otvoru H v hřídeli 6 generátoru 7 dva na sebe navazující mírné oblouky, jejichž prostřednictvím pružná hřídel 5 absorbuje precesní vychylování rotoru 2, hřídele 3 rotoru 2 i hlavy kulového kloubu 4. Obíhání rotoru 2 po vnitřní stěně statoru 1 v důsledku protékání kapaliny statorem i, vede k otáčení rotoru 2 a tím k otáčení hřídele 3 rotoru 2 okolo její podélné osy a tím i k otáčení hlavy kulového kloubu 4, což má za následek otáčení pružné hřídele 5, což vede k otáčení hřídele 6 generátoru 2 a výrobě elektrické energie.

V dalším příkladu provedení, které je znázorněno na obr. 2, je odvalovací tekutinová turbína podle technického řešení, na rozdíl od provedení na obr. 1, opatřena podélným otvorem 18 procházejícím celou hlavou kulového kloubu 4 i částí hřídele 3 rotoru 2, který je vyvedený z hřídele 3 rotoru 2 ven. Dále je opatřena podélným otvorem Γ7 procházejícím hřídelí 6 generátoru 7, který je vyvedený z hřídele 6 generátoru 7 ven, Podélný otvor 1_8 vyúsťuje z hřídele 3 rotoru 2 pod úhlem 45 stupňů ve vzdálenosti odpovídající průměrů hlavy kulového kloubu 4 a podélný otvor 12 vyúsťuje z hřídele 6 generátoru 7 pod úhlem 45 stupňů ve vzdálenosti odpovídající průměrů hřídele 6 generátoru 7. Podélný otvor 1_8 i podélný otvor l_7 mají stejný průměr. Pružná hřídel 5 je z vhodně pružného plastického materiálu tvaru válce a její průměr je 0,75 průměrů podélného otvoru J8. i podélného otvoru J_7. Jedna třetina pružné hřídele 5, která se z části nachází uvnitř podélného otvoru J_8, směrem od konce 16 pružné hřídele 5, který vyčnívá z hřídele 2 rotoru 2 ven a jedna třetina pružné hřídele 5, která se z části nachází uvnitř podélného otvoru 17, směrem od konce 15 pružné hřídele 5, který vyčnívá z hřídele 6 generátoru 2 ven, je nepružná. Zbývající třetina pružné hřídele plní funkci přenosu kroutícího momentu a zároveň eliminování precesního vychylování rotoru 2, hřídele 3 rotoru 2 i hlavy kulového kloubu 4, jako u předešlého řešení podle obr. 1. Obé krajní třetiny pružné hřídele 5, které nejsou pružné, plní funkci fixačního prvku, který neumožňuje otáčení pružné hřídele podél svojí podélné osy uvnitř podélného otvoru 18 ani uvnitř podélného otvoru 12- Začne-li statorem 1 protékat kapalina, začne se rotor 2 odvalovat po vnitrní stěně statoru ri čímž je roztáčena hřídel 3 rotoru 2, hlava kulového kloubu 4, pružná hřídel 5 a následné hřídel 6 generátoru 7 a dochází k výrobě elektrické energie.

Při praktických pokusech bylo ověřeno, že odvalovací tekutinová turbína podle technického řešení o průměru rotoru 58 mm. při průtoku 0.38 až 1.2 litru za sekundu a při tlaku vody 0,4 až 2,4

l/. iííhvu ut baru dosahovala elektricky výkon v závislosti na účinnosti použitého elektrogcnerátoru 3,2 W až 58,6 W.

Průmyslová využitelnost

Odvalovací tekutinová turbína s kulovým kloubem podle tohoto technického řešení je využitelná 5 především při výrobě elektrické energie z velmi malých průtoků vody při tlaku vody od několika desetin baru až do několika baru. kdy kroutící moment muže být přenášen vhodně zvolenou pružnou hřídelí. Jednoduchost konstrukce umožňuje snadnou instalaci a operativní nasazení v místech vhodného vodního zdroje.

Claims

io 1. Odvalovací tekutinová turbína sestávající ze statoru (1), opatřeného vstupem (13) kapaliny a výstupem (14) kapaliny, kde ve statoru (1) je připojen k jednomu konci hřídele (3) rotoru rotor (2), vyznačující se tím. že hřídel (3) rotoru (2) je na svém druhém konci pevně spojena s hlavou kulového kloubu (4) a pouzdro kulového kloubu (4) je pevně spojeno s v íkem (9) statoru (1), přičemž v pouzdru kulového kloubu (4) a ve víku (9) statoru (1) je vytvořen kónický

15 otvor (10).
2. Odvalovací tekutinová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlava kulového kloubu (4) je opatřena podélným otvorem (12) pro ukotvení jednoho konce pružné hřídele (5) a hřídel (6) generátoru (7) je opatřena podélným otvorem (11) pro ukotvení druhého konce pružné hřídele (5).

30
3. Odvalovací tekutinová turbína podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím. že pružná hřídel (5) má velikost průměru 0,1 až 0,5 průměru hřídele (3) rotoru (2) a kónický' otvor (10) v pouzdru kulového kloubu (4) pro průchod pružné hřídele (5) má průměr 0,15 až 0,75 průměru hřídele (3) rotoru (2).
4. Odvalovací tekutinová turbína podle nároku 1,2 nebo 3, vyznačující se t í m , že

25 v hlavě kulového kloubu (4) je vytvořen podélný otvor (18), který je prodloužen axiálním směrem až do hřídele (3) rotoru (2) a v ní je pod úhlem 5 až 85 stupňů vyveden mimo hřídel (3) rotoru (2).
5. Odvalovací tekutinová turbína podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že v hřídeli (6) generátoru (7) je uspořádán podélný otvor (17), který je v ní vyveden jo pod úhlem 5 až 85 stupňů mimo hřídel (ó) generátoru (7).
6. Odvalovací tekutinová turbina podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pružná hřídel (5)je tvořena ocelovým lanem a/nebo plastem a/nebo kompozitním materiálem.