CZ2008382A3

CZ2008382A3 - Odvalovací tekutinová turbína

Info

Publication number: CZ2008382A3
Application number: CZ20080382A
Authority: CZ
Inventors: Sedlácek@Miroslav
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta stavební
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2009-12-30
Also published as: CZ302309B6; WO2009152785A2; WO2009152785A3

Abstract

Vynález se týká odvalovací tekutinové turbíny sestávající ze statoru (1) opatreného vstupem (13) kapaliny a výstupem (14) kapaliny, kdy stator (1) je prostrednictvím víka (9) statoru (1) a pomocí úchytu (8) generátoru (7) pevne spojen s generátorem (7). Uvnitr statoru (1) je usporádán rotor (2), který je pevne spojen s jedním koncem hrídele (3) rotoru (2) a druhý konec hrídele (3) rotoru (2) je pevne spojen s hlavou kulového kloubu (4), který je usporádán na vnitrní strane víka (9) statoru (1). Hlava kulového kloubu (4) je opatrena podélným otvorem (12) pro uchycení jednoho konce pružné hrídele (5) a hrídel (6) generátoru (7) je opatrena podélným otvorem (11) pro uchycení druhého konce pružné hrídele (5). Otácení hlavy kulového kloubu (4) vede pomocí pružné hrídele (5) k otácení hrídele (6) generátoru (7).

Description

Odvalovací tekutinová turbína.

Oblast techniky

Vynález se týká odvalovacích tekutinových turbín, které se skládají z válcového nebo kónického statoru, ve kterém je uložen na hřídeli rotor osově symetrického tvaru, který může po vnitřní stěně statoru 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 EP1015760 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 může fungovat jako vodní turbína, když voda, která obtéká rotor, tento rotor vychýlí k vnitřní stěně výstupní trysky a začne ho ve výstupní trysce - ve statoru - odvalovat. Rovněž řešení odvalovacího fluidního motoru v provedení podle českého užitného vzoru č. 7606 o názvu Hydromotor a Evropského patentu EP1082538 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 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

-217908 s názvem Tekutinová turbina existuje řešení odvalovací turbiny, kdy hřídel, na jejímž jednom konci je uspořádán rotor, je instalována neotočným způsobem s možností úhlového vychylování 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 momentu v těsnících kroužcích, které zabraňují průniku tekutiny dovnitř rotoru. Při řešeni obtékaného generátoru uloženého na volně 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 volně otočným způsobem, je to, že hřídel musí být opatřena určitým počtem ložisek, aby byly zadržovány axiální i radiální síly, které na ni působí při protékání kapaliny turbínou.

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

-- * : ’··· ·: : ·./*·· .:. .· ·*

-3Podstata vynálezu

Stanoveného cíle se dosahuje odvalovací tekutinovou turbinou, sestávající ze statoru, který je opatřen alespoň jedním vstupním otvorem a nejméně jedním výstupním otvorem. Stator je prostřednictvím víka statoru a pomocí úchytů generátoru pevně spojen s generátorem, přičemž uvnitř statoru je uspořádán rotor, který je pevně spojen s jedním koncem hřídele rotoru a druhý konec hřídele rotoru je, podle vynálezu, pevně spojen s hlavou kulového kloubu, který je uspořádán na vnitřní straně víka statoru. Kulový kloub je svým pouzdrem spojen s víkem statoru pevně, přičemž pouzdro kulového kloubu je ve směru 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.

Ukotveni může být provedeno zalepením, zavařením, zatavením, apod. Podélná válcová dutina nacházející se v podélné ose hlavy kulového kloubu začíná na povrchu hlavy kulového kloubu a 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. Otáčení 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.

• ··

-4Řešeni podle vynálezu 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 hřídeli generátoru 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 kulového kloubu je výsledkem úhlového naklonění hlavy kulového kloubu z důvodu precesního 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 dostatečně pružný v ohybu, částečně pružný v tahu a zároveň vhodný pro přenos kroutícího momentu. Tento plastický materiál má podobu válce o průměru 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 směru, kterým jsou jeho jednotlivé prameny zapleteny.

Podle dalšího výhodného provedení může být podélná válcová dutina uvnitř hlavy kulového kloubu prodloužena axiálním směrem až do hřídele rotoru a po určité délce pod určitým úhlem nasměrována ven z hřídele rotoru a její celková délka může být 0,2 až 0,5 délky hřídele rotoru. Rovněž podélná válcová dutina • * ··

-5v hřídeli 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 může 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 zabraňuji jejímu otáčení uvnitř podélných válcových dutin a tím i jejímu podélnému posunutí a vtažení do podélné dutiny hřídele rotoru nebo podélné dutiny hřídele generátoru.

Přehled obrázků na výkresech

Odvalovací tekutinová turbína podle tohoto vynálezu bude blíže popsána na konkrétních příkladech provedení s pomoci výkresů, kde na obr. 1 je schématicky v částečném řezu v bočním pohledu znázorněn první příklad provedení turbíny s kulovým kloubem podle vynálezu. Na obr. 2 je schématicky v částečném řezu v bočním pohledu znázorněn druhý přiklad provedení turbíny s kulovým kloubem podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Příkladná odvalovací tekutinová turbína znázorněná na obr. 1 sestává ze statoru 1 opatřeného vstupním otvorem 13 kapaliny a výstupními otvory 14 kapaliny. Dále sestává z rotoru 2 uspořádaného ve střední části uvnitř statoru 1, který má směrem od vstupního otvoru 13 kapaliny k výstupním otvorům 14 kapaliny podobu konfuzoru, a který je prostřednictvím víka 9 statoru 1 a pomoci úchytů 8 generátoru 7 pevně spojen s generátorem 7. Rotor *

• *

-62 je pevně spojen s jedním koncem hřídele 2 rotoru 2 a druhý konec hřídele 3 rotoru 2 je pevně spojen s hlavou kulového kloubu £, který je uspořádán na vnitřní straně víka 9 statoru 1. Kulový kloub 4 je s víkem 9 statoru 1 spojen pevně a víko 9 statoru 1 a pouzdro kulového kloubu 4 jsou opatřeny kónickým otvorem 10 pro průchod pružné hřídele 2· 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 11. 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 průměru hřídele 3 rotoru 2 a největší průměr 0,9 průměru hřídele 2 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 12 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 11 v hřídeli 2 generátoru 7 mají stejný průměr, který činí 0,45 průměru hřídele 2 rotoru 2. Délka pružné hřídele 5 je dimenzována tak, že při vychýlení rotoru 2 k vnitřní stěně statoru 2 vytváří pružná hřídel 5 na úseku mezi okrajem podélného otvoru 12 v hlavě kulového kloubu 4 a okrajem podélného otvoru 11 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 2, vede k otáčení rotoru 2 a tím k otáčeni 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 7 a výrobě elektrické energie.

V dalším přikladu provedeni, které je znázorněno na obr. 2, je odvalovací tekutinová turbína podle vynálezu, na rozdíl od provedení na obr. 1, opatřena podélným otvorem 18 procházejícím celou hlavou kulového kloubu 4 i části hřídele 3 rotoru 2, který je vyvedený z hřídele 3 rotoru 2 ven. Dále je opatřena podélným otvorem 17 procházejícím hřídelí 6_ generátoru Ί_, který je vyvedený z hřídele 6 generátoru 7 ven. Podélný otvor 18 vyúsťuje z hřídele 3 rotoru 2 pod úhlem 45 stupňů ve vzdálenosti odpovídající průměru hlavy kulového kloubu 4 a podélný otvor 17 vyúsťuje z hřídele 6 generátoru 7 pod úhlem 4 5 stupňů ve vzdálenosti odpovídající průměru hřídele 6 generátoru 7. Podélný otvor 18 i podélný otvor 17 mají stejný průměr. Pružná hřídel 5 je z vhodně pružného plastického materiálu tvaru válce a její průměr je 0,75 průměru podélného otvoru 18 i podélného otvoru 17. Jedna třetina pružné hřídele 5, která se z části nachází uvnitř podélného otvoru 18, směrem od konce 16 pružné hřídele 5, který vyčnívá z hřídele 3 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 7 ven, je nepružná. Zbývající třetina pružné hřídele plni 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. Obě 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 17. ZaČne-li statorem 1 protékat kapalina, začne se rotor 2 odvalovat po vnitřní stěně statoru 1, čímž je roztáčena hřídel 3 rotoru 2, hlava kulového kloubu 4, pružná hřídel 5 a následně hřídel 6 generátoru 7 a dochází k výrobě elektrické energie.

Při praktických pokusech bylo ověřeno, že odvalovací tekutinová turbína podle vynálezu o průměru rotoru 58 mm, při • · • * »· ♦·

-8··· průtoku 0,38 - 1,2 litru za sekundu a při tlaku vody 0,4 až 2,4 baru dosahovala elektrický výkon v závislosti na účinnosti použitého elektrogenerátoru 3,2 W až 58,6 W.

Průmyslová využitelnost

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

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

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 víkem (9) statoru (1), přičemž v pouzdru kulového kloubu (4) a ve víku (9) statoru (1) je vytvořen kónický 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) .
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 tím, že 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)

-10generátoru (7) je uspořádán podélný otvor (17), který je v ní vyveden pod úhlem 5 až 85 stupňů mimo hřídel (6) generátoru (7) .
6. Odvalovací tekutinová turbína podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pružná hřídel (5) je tvořena ocelovým lanem a/nebo plastem a/nebo kompozitním materiálem.