CZ19413U1 - Oběžné kolo hydraulických strojů - Google Patents

Description

Oběžné kolo hydraulických strojů Oblast techniky

Technické řešení se týká úpravy konstrukce lopatek oběžného kola hydraulických strojů, například odstředivých čerpadel a vodních turbín.

Dosavadní stav techniky

V současné době se obvykle oběžná kola hydraulických strojů konstruují s pravidelnou lopatkovou mříží, tj. lopatky mají stejnou rozteč na vstupních i výstupních hranách, když všechny lopatky mají stejný tvar. Důsledkem tohoto konstrukčního uspořádání je příliš strmá charakteristika účinnosti η, vyjadřující závislost vodního sloupce H na průtoku Q vodním strojem, takže vodní ío stoje mají optimální účinnost η pouze při daných otáčkách oběžného kola, tedy pro jeden průtok, tj. jeden pracovní bod. Při menším nebo větším průtoku hydraulického média hodnota hydraulické účinnosti prudce klesá a navíc vznikají značné tlakové a průtokové pulsace kapaliny a dochází k odtržení mezní vrstvy kapaliny.

Potlačování tlakových i průtokových pulsací čerpané tekutiny a vibrací vlastní konstrukce jak v hydraulických strojích tak v plynových turbínách či ventilátorech se řeší různými způsoby, jedním z nichž je nepravidelné uspořádání lopatek oběžného kola. Nerovnoměrné uspořádání lopatek axiálních strojů dopravujících plynná média je známo např. ze spisů US 3883264, US 4253800, US 4474534, US 7029227, JP 6248902 nebo FR 2617914, v nichž je vesměs řešena problematika snížení vibrací zařízení. Nerovnoměrné uspořádání lopatek statorové mříže hyd20 raulických čerpacích zařízení je pak popsáno např. ve spisech CN 2440115, GB 2420157 nebo EP 1956247, které rovněž řeší snížení akustického tlaku přenášeného do okolí. Dalším známým řešením je konstrukce oběžného kola s vloženými mezilopatkami, jak je popsáno např. ve spisech US 6508626 nebo CZ 17672 Ul, kde lopatky i mezilopatky jsou rovnoměrně rozmístěny po obvodu oběžného kola a úhel jejich výstupní hrany je po celém obvode konstantní.

Vzhledem k současným požadavkům na dynamiku hydraulických soustav se nyní u hydraulických strojů neklade důraz jen na jejich maximální účinnost, aleje snahou u nich dosáhnout širokého provozního pásma s vysokou účinností. Úkolem předkládaného řešení je upravit konstrukci oběžného kola tak, aby byla dosažena plochá charakteristika Q - H v co nej širším provozním pásmu, tedy při různých průtocích hydraulického média daným systémem.

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je oběžné kolo hydraulických strojů tvořené nosným diskem opatřeným lopatkami vytvářejícími průtočné kanály, jehož podstata spočívá v tom, že lopatky jsou v obvodovém směru na nosném disku uspořádány nepravidelně a jsou vytvořeny tak, že minimálně jeden z průtočných kanálů má jiný tvar a/nebo jiný průtočný průřez.

Další podstatou technického řešení je, že jednotlivé lopatky nerovnoměrné lopatkové mříže jsou vytvořeny tak, že pro jejích základní parametry vstupní úhel (βι), výstupní úhel (β₂) a úhel opásání (γ) platí vztahy:

βι™-βι±20^ο β2™=β2±20°

Ymax = Y ± 2Q° .

Také je podstatou technického řešení, že pro velikost vstupních roztečí (t) na vstupních hranách a výstupních roztečí (T) na výstupních hranách lopatek platí vztahy:

t_:mx = t±20%t

-1 CZ 19413 Ul

Τ^ = Τ±20%Τ.

Konečně je podstatou řešení, že vstupní hrana alespoň jedné lopatky leží na jiném než vstupním průměru (d) oběžného kola a že výstupní hrana alespoň jedné lopatky leží na jiném než výstupním průměru (D) oběžného kola.

Nová konstrukce oběžného kola je charakteristická nestejnou velikostí průtočných kanálů mezi jednotlivými lopatkami, kde každý průtočný kanál má jiné provozní optimum, tedy jeho tvar je výpočtově naladěn na jiné parametry. Touto úpravou se výrazně snížila citlivost stroje na změnu průtoku a rozšířilo se jeho provozní pásmo tak, že má plochou charakteristiku pri zachování poměrně vysoké účinnosti.

Přehled obrázků na výkresech

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

obr. 1 znázorňuje příčný řez pětilopatkovým oběžným kolem v půdorysném pohledu, a obr. 2 znázorňuje příčný řez alternativním provedením šestilopatkového oběžného kola v půdoi5 rysném pohledu.

Příklady provedení technického řešení

Oběžné kolo hydraulického stroje je tvořeno nosným diskem 1, na jehož homí ploše jsou uspořádány lopatky 2 vytvářející průtočné kanály 3. Jednotlivé lopatky 2 jsou v souladu s požadovanými parametry činnosti stroje uspořádány na nosném disku 1 nepravidelně a tvoří tzv. chaotic20 kou mříž. Lopatky 2 jsou individuálně konstruovány a na nosném disku 1 ustaveny tak, že buď každý průtočný kanál 3 nebo některé z průtočných kanálů 3 mají jiný tvar, tedy jsou naladěny na jiné optimální parametry. Tvar průtočných kanálů 3 je závislý na úhlu lopatky 2, který lze měnit po celé délce L lopatky 2 od vstupního úhlu na vstupní hraně 21. lopatek 2 po výstupní úhel J^> na výstupní hraně 22 lopatek 2, což má za následek změnu úhlu opásání γ mezi vstupní hranou

21 a výstupní hranou 22 lopatky 2. Různý tvar průtočných kanálů 3 lze dosáhnout i změnou vstupních roztečí t mezi vstupními hranami 21 lopatek 2 a výstupních roztečí T mezi výstupními hranami 22 lopatek 2. Základními podmínkami pro konstrukci chaotické mříže lopatek 2 jsou maximální hodnoty jejich základních parametrů, pro něž platí proti rovnoměrnému rozdělení lopatkové mříže vztahy:

Phnax = βΐ ± 20° p2max ⁼ β2 ± 20°

Ytnax = 7 ± 20° tmax = t ± 20 %t T_lnax ” T ± 20 %T .

Oběžné kolo na přiloženém obr. 1 je příkladem pětilopatkové chaotické mříže, kde dvojice lopatek 2A a 2B uložených střídavě jsou stejného tvaru a pátá lopatka 2C je konstrukčně odlišná, konkrétně je značně kratší a vytváří průtočné kanály 3 s daleko větší výstupní roztečí T.

Popsané provedení není jediným možným řešením chaotické mříže lopatek 2 oběžného kola, ale obecně mohou být lopatky 2 konstruovány a umístěny na nosném disku 1 tak, že jejich vstupní hrany 21 neleží u všech lopatek 2 na jednom vstupním průměru d ve stejnolehlých bodech oběžného kola a případně jejich výstupní hrany 22 neleží u všech lopatek 2 na jednom výstupním průměru D oběžného kola ve stejnolehlých bodech. Rovněž počet lopatek 2 oběžného kola může být různý a pohybovat se v rozmezí od tri do osmnácti. Příklad šestilopatkového oběžného kola je pak uveden na obr. 2.

-2CZ 19413 Ul i

Výše uvedené řešení se týká jak oběžných kol s nosným i krycím diskem s aplikacemi ve vod- 1 nich turbínách a u klasických čerpadel, tak turbín a čerpadel pouze s nosným diskem, tak i spéci- I álních odstředivých čerpadel například se zkráceným či jinak upraveným diskem.

Průmyslová využitelnost

Oběžné kolo s chaotickou mříží lopatek podle technického řešení lze použít pro hydraulická od- * středivá čerpadla a vodní turbíny. í

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Oběžné kolo hydraulických strojů tvořené nosným diskem (1) opatřeným lopatkami (2) vytvářejícími průtočné kanály (3), vyznačující se tím, že lopatky (2) jsou v obvodo10 vém směru na nosném disku (1) uspořádány nepravidelně a jsou vytvořeny tak, že minimálně jeden z průtočných kanálů (3) má jiný tvar a/nebo jiný průtočný průřez,
2. 2. Oběžné kolo podle nároku 1, vyznačující se tím, že jednotlivé lopatky (2) nerovnoměrné lopatkové mříže jsou vytvořeny tak, že pro jejich základní parametry vstupní úhel (βθ, výstupní úhel (β₂) a úhel opásání (γ) platí vztahy:

   15 βι™χ = βι±20°;

   β2π,χ = β₂±20°; a Ynax = γ ± 20°.
3. 3. Oběžné kolo podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pro velikost vstupních roztečí (t) na vstupních hranách (21) a výstupních roztečí (T) na výstupních hranách (22)

   20 lopatek (2) platí vztahy:

   t_irax = t ± 20 %t: a T_max = T±20%.
4. 4. Oběžné kolo podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že vstupní hrana (21) alespoň jedné lopatky (2) leží na jiném než vstupním průměru (d) oběžného kola.

   25 5. Oběžné kolo podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že výstupní hrana (22) alespoň jedné lopatky (2) leží na jiném než výstupním průměru (D) oběžného kola.