CZ2012727A3

CZ2012727A3 - Hnací tryska

Info

Publication number: CZ2012727A3
Application number: CZ2012-727A
Authority: CZ
Inventors: Ferdinand Madry; Pavel Žák
Original assignee: Gwrd S.R.O.
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-05-07

Abstract

Hnací tryska obsahuje vstupní kanál (2), zaústěný do podtlakové komory (3), z níž je vyveden výstupní kanál (4). Vstupní kanál (2) je uzpůsoben pro napojení na zdroj (11) pracovní tekutiny, zatímco výstupní kanál (4) je vyveden do okolního prostředí. Pracovní tekutina protéká nejprve vstupním kanálem (2), z něhož se dostává přes podtlakovou komoru (3) do výstupního kanálu (4). Průchodem podtlakovou komorou (3) v ní samočinně vznikne vakuum, které je příznivým stimulátorem tlakových a rychlostních poměrů jak ve vstupním kanálu (2), tak u druhého zakončení (42) výstupního kanálu (4). Jako důsledek tlakových a rychlostních poměrů vznikne ve vstupním kanálu (2) primární reaktivní pohybová síla a ve výstupním kanálu (4) sekundární reaktivní pohybová síla o shodném směru s primární reaktivní pohybovou silou. Součtem obou složek je výsledná reaktivní pohybová síla.

Description

Hnací tryska

Oblast techniky

Vynález se týká hnací trysky pro přeměnu termodynamické energie v podobě tlaku a teploty pracovní tekutiny na reaktivní pohybovou sílu.

Dosavadní stav techniky

Je známo, že pro pohon některých strojů a mechanismů je využívána reaktivní pohybová síla, která vzniká v reakční trysce napojené na zdroj pracovní tekutiny. Pracovní tekutinou může být stlačený plyn, pára nebo tlaková voda. Při činnosti pracovní tekutina vstupuje do reakční trysky, v níž v důsledku rozšiřujícího se průřezu dochází k expanzi, a tím ke zvyšování rychlosti proudící pracovní tekutiny. To má za následek vznik reaktivní pohybové síly. Nejjednodušší aplikací reakční trysky pro účel pohybu je případ Segnerova kola, které obsahuje po obvodu tečně uložené reakční trysky. Po přivedení pracovní tekutiny do reakčních trysek se kolo roztočí ve směru proti směru výtokové rychlosti. Výkon, kterým Segnerovo kolo disponuje, resp. reaktivní pohybová síla reakčních trysek je závislá na termodynamických parametrech pracovní tekutiny při vstupu do reakční trysky, na geometrických parametrech reakční trysky, na termodynamických parametrech prostředí, do něhož je zaústěn výtok z reakční trysky a na množství dodávané pracovní tekutiny. Reakční tryska pro přeměnu termodynamické energie, tj. tlaku a teploty pracovní tekutiny na reaktivní pohybovou sílu má jen relativně malou účinnost, kterou lze volbou geometrických parametrů změnit jen v úzkých mezích. To je největší nevýhoda známé reakční trysky, používané jako jedno ze známých zařízení pro přeměnu termodynamické energie pracovní tekutiny na reaktivní pohybovou sílu.

Podstata vynálezu

Uvedená nevýhoda je zmenšena hnací tryskou pro přeměnu termodynamické energie pracovní tekutiny na reaktivní pohybovou sílu podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že hnací tryska obsahuje vstupní kanál, jehož první ukončení je uzpůsobeno pro napojení na zdroj pracovní tekutiny a jehož druhé ukončení je neprodyšně zaústěno do podtlakové komory. Z podtlakové komory je vyústěn výstupní kanál, jehož první zakončení je neprodyšně napojeno na podtlakovou komoru a jehož druhé zakončení je vyvedeno do okolního prostředí. Světlost prvního ukončení je menší, než světlost druhého ukončení a světlost prvního zakončení je nanejvýš tak velká, jako světlost druhého zakončení. Současně světlost podtlakové komory je větší, než světlost druhého ukončení i prvního zakončení.

Při tomto uspořádání pracovní tekutina protéká nejprve vstupním kanálem, a pak se dostává přes podtlakovou komoru do výstupního kanálu. Podtlaková komora je zkonstruovaná tak, že průchodem pracovní tekutiny podtlakovou komorou v ní samočinně vznikne vakuum, které je příznivým stimulátorem tlakových a rychlostních poměrů jak ve vstupním kanálu, tak na výstupu, tj. u druhého zakončení výstupního kanálu. Tím je dosaženo jednak vyšší primární reaktivní pohybové síly ve vstupním kanálu oproti známé reakční trysce a jednak na konci výstupního kanálu vznikne sekundární reaktivní pohybová síla o shodném směru s primární reaktivní pohybovou silou. Výsledkem superpozice obou reaktivních pohybových sil je, že při stejných parametrech pracovní tekutiny je účinnost hnací trysky podle vynálezu vyšší, než jakou vykazuje dosud známá reakční tryska.

Výhodné řešení z hlediska průtoku pracovní tekutiny spočívá v tom, že vstupní kanál i výstupní kanál mají podobu rotačních těles, která jsou uspořádána koncentricky okolo společné osy.

Rovněž podtlaková komora má s výhodou tvar válce, uspořádaného okolo osy totožné s osou vstupního kanálu i výstupního kanálu.

Vstupní kanál může mít dva zvláště vhodné tvary. V rámci jedné tvarové alternativy má tvar komolého kužele se světlostí zvětšující se od prvního ukončení k druhému ukončení, což je tvar identický s tvarem známé reakční trysky.

V rámci druhé tvarové alternativy vstupní kanál obsahuje přední úsek a zadní úsek, kde má přední úsek tvar komolého kužele zužujícího se od prvního ukončení k rozhraní a zadní úsek tvar komolého kužele rozšiřujícího se od rozhraní k druhému ukončení. Vstupní kanál má tak tvar obdobný jako Lavalova dýza.

Výstupní kanál se ve směru od podtlakové komory může buď v podstatě rozšiřovat, nebo může mít konstantní průřez. V případě v podstatě se rozšiřujícího kanálu světlost jeho prvního zakončení je menší, než světlost jeho druhého zakončení.

Dutina výstupního kanálu v případě jeho rozšiřování může mít různou podobu. Jedno výhodné provedení spočívá v tom, že výstupní kanál má tvar komolého kužele se světlostí zvětšující se od prvního zakončení k druhému zakončení.

Jiné provedení, vhodné zejména pro pracovní tekutinu pohybující se rychlostí srovnatelnou srychlostí zvuku, spočívá vtom, že výstupní kanál obsahuje přední sekci a zadní sekci, z nichž má přední sekce tvar komolého kužele zužujícího se od prvního zakončení k přechodové hraně a zadní sekce tvar komolého kužele rozšiřujícího se od přechodové hrany k druhému zakončení. I zde se jedná o aplikaci Lavalovy dýzy.

Má-li výstupní kanál konstantní průřez, pak světlost jeho prvního zakončení je shodná se světlostí druhého zakončení a výstupní kanál má tvar válce.

Bez ohledu na tvar vstupního kanálu a výstupního kanálu ke zvýšení účinnosti hnací trysky přispívá úprava, v jejímž rámci světlost prvního zakončení výstupního kanálu je větší, než světlost druhého ukončení vstupního kanálu.

Seznam vyobrazení

Na připojeném výkrese jsou schematicky znázorněny příklady provedení hnací trysky pro přeměnu termodynamické energie pracovní tekutiny na reaktivní pohybovou sílu podle vynálezu, kde znázorňuje obr. 1 řez hnací tryskou, jejíž vstupní kanál má tvar známé reakční trysky a výstupní kanál je složen ze dvou tvarově rozdílných úseků, obr. 2 hydraulické schéma reakční trysky, jejíž výstupní kanál má tvar Lavalovy dýzy, obr. 3 hydraulické schéma reakční trysky se vstupním kanálem ve tvaru Lavalovy dýzy a s výstupním kanálem ve tvaru komolého kužele, obr. 4 hydraulické schéma hnací trysky opatřené vstupním i výstupním kanálem ve tvaru komolého kužele, obr. 5 hydraulické schéma hnací trysky, jejíž výstupní kanál je válcový.

Příklad provedení vynálezu

Hnací tryska pro přeměnu termodynamické energie pracovní tekutiny na reaktivní pohybovou sílu je tvořena tělesem 1, v němž je vytvořen vstupní kanál 2, podtlaková komora 3 a výstupní kanál 4. Všechny tyto tři hlavní prvky mohou mít rozličný průřez, např. čtyřúhelníkový. Nejvýhodnější však je, jestliže vstupní kanál 2 i výstupní kanál 4 mají podobu rotačních těles, která jsou uspořádána koncentricky okolo společné osy 12. I podtlaková komora 3 má s výhodou tvar válce, uspořádaného okolo osy 12 totožné s osou 12 vstupního kanálu 2 a výstupního kanálu 4.

První ukončení 21 vstupního kanálu 2 je uzpůsobeno pro napojení na zdroj 11 pracovní tekutiny, čemuž je přizpůsobeno těleso 11 tak, že na jeho vstupním hrdle 23 je vytvořena např. připojovací příruba, Sroubení apod. Druhé ukončení 22 vstupního kanálu 2 je neprodyšně zaústěno do podtlakové komory 3. Světlost prvního ukončení 21 je menší, než světlost druhého ukončení 22. Při dodržení této podmínky dutina vstupního kanálu 2 může mít dva výhodné tvary. V rámci jedné alternativy vstupní kanál 2 má tvar komolého kužele se světlostí zvětšující se od prvního ukončení 21 k druhému ukončení 22 (obr. 1, 2, 4, 5). Jedná se vlastně o známou reakční trysku, v níž se postupně zmenšuje tlak a zvětšuje průtoková rychlost Vi proudící pracovní tekutiny. V jiném případě (obr. 3) vstupní kanál 2 obsahuje přední úsek 24 a zadní úsek 25, kde má přední úsek 24 tvar komolého kužele zužujícího se od prvního ukončení 21 k rozhraní 26 a zadní úsek 25 tvar komolého kužele rozšiřujícího se od rozhraní 26 k druhému ukončení 22.

Z podtlakové komory 3 je vyústěn výstupní kanál 4, jehož první zakončení 41 je neprodyšně napojeno na podtlakovou komoru 3 a jehož druhé zakončení 42 je vyvedeno do okolního prostředí. Světlost prvního zakončení 41 je nanejvýš tak velká jako světlost druhého zakončení 42. Znamená to, že světlost prvního zakončení 41 výstupního kanálu 4 je v jednom provedení menší, než světlost druhého zakončení 42 výstupního kanálu 4. Naopak v rámci jiného provedení světlost prvního zakončení 41 výstupního kanálu 4 je shodná se světlostí druhého zakončení 42 výstupního kanálu 4. V tomto posledním případě výstupní kanál 4 má tvar válce (obr. 5). U alternativy s různými světlostmi prvního zakončení 41 a druhého zakončení 42 výstupní kanál 4 může mít tvar komolého kužele se světlostí zvětšující se od prvního zakončení 41 k druhému zakončení 42 (obr. 3 a 4). Styk na pomezí podtlakové komory 3 a výstupního kanálu 4 má účinek ejektoru, kterým se vytváří vakuum, resp. podtlak v podtlakové komoře 3. Následující rozšiřující se dutina působí jako difuzor s účinkem zmenšování průchodové rychlosti V2. Velmi účinné je provedení podle obr. 1, kde výstupní kanál 4 obsahuje přední sekci 44 a zadní sekci 45, kde má přední sekce 44 tvar komolého kužele zužujícího se od prvního zakončení 41 k přechodové hraně 46 a zadní sekce 45 tvar komolého kužele rozšiřujícího se od přechodové hrany 46 k druhému zakončení 42. Druhé zakončení 42 výstupního kanálu 4 se kryje s výstupním hrdlem 43 tělesa 1. První zakončení 41 výstupního kanálu 4 je v rámci řešení podle obr. 1 předsazeno do podtlakové komory 3, přičemž přední sekce 44 plní úlohu ejektoru. Zadní sekce 45 při činnosti pracuje jako difuzor. Upravená verze výstupního kanálu 4 s přední sekcí 44 a zadní sekcí 45, kde přechodová hrana 46 má zaoblenou podobu (obr. 2), je obdobou Lavalovy dýzy.

Ať už vstupní kanál 2 a výstupní kanál 4 mají jakoukoliv podobu, k efektivní činnosti hnací trysky přispívá úprava, v jejímž rámci světlost prvního zakončení 41 výstupního kanálu 4 je větší, než světlost druhého ukončení 22 vstupního kanálu 2.

Při všech tvarových alternativách a kombinacích vstupního kanálu 2 i výstupního kanálu 4 však světlost podtlakové komory 3 je větší, než světlost druhého ukončení 22 vstupního kanálu 2 i než světlost prvního zakončení 41 výstupního kanálu 4.

Při činnosti proudí pracovní tekutina ze zdroje 11 do vstupního kanálu 2, v němž se tlak pi zdroje 11 zmenšuje ve prospěch průtokové rychlosti vi, která se zvětšuje. Průtoková rychlost Vi dosáhne svého maxima v druhém ukončení 22 vstupního kanálu 2, tj. v místě zaústění do podtlakové komory 3. Velikost průtokové rychlosti v_b a tudíž i její maximální hodnota je závislá na geometrických parametrech vstupního kanálu 2, na tlaku pi zdroje 11 a na protitlaku p₂ u druhého ukončení 22 vstupního kanálu 2. Čím větší je rozdíl mezi protitlakem p₂ a tlakem pi zdroje 11, tím větší je průtoková rychlost Vi.

Na začátku činnosti, kdy podtlaková komora 3 je přes výstupní kanál 4 spojena s atmosférou, je prvotní hodnota průtokové rychlosti vi ve vstupním kanálu 2 menší, než ve stavu ustáleného chodu. Důvodem je, že pracovní tekutina po opuštění vstupního kanálu 2 projde podtlakovou komorou 3 a zamíří přes výstupní kanál 4 a jeho druhé zakončení 42 ven z výstupního hrdla 43, přičemž při průchodu podtlakovou komorou 3 z ní vysaje vzduch, čímž tlak v podtlakové komoře 3, vlastně protitlak p₂, klesne pod hodnotu atmosférického tlaku.

Byl proveden experiment, v němž pracovní tekutinou byl vzduch o tlaku pi zdroje 11 o velikosti 5 bar a teplotě 300 K. Počáteční protitlak p₂ měl velikosti 1 bar. Prvotní hodnota průtokové rychlosti Vi u druhého ukončení 22 vstupního kanálu 2 měla velikost 480 m/sec. Lze spočítat i změřit, že při průtoku pracovní tekutiny v množství 1 kg/sec. je k dispozici primární reaktivní pohybová síla o velikosti 480 N. Naproti tomu při ustáleném chodu, kdy v podtlakové komoře 3 je v důsledku ejekčního účinku protitlak p₂ o velikosti 0,1 bar, má průtoková rychlost V| u druhého ukončení 22 vstupního kanálu 2 velikost 630 m/sec. Zvýšené průtokové rychlosti vi odpovídá zvýšená primární reaktivní pohybová síla ve velikosti 630 N.

Po opuštění podtlakové komory 3 má pracovní tekutina u prvního zakončení 41 výše uvedený protitlak p₂ a průchodovou rychlost v₂ odpovídající zvýšené průtokové rychlosti v_bVe výstupním kanálu 4, který pracuje jako difuzor, dojde v důsledku tlakového spádu mezi protitlakem p₂ a tlakem p₃ okolního prostředí, do něhož je zaústěno výstupní hrdlo 43, k poklesu průchodové rychlosti v₂. Její nejmenší velikost je u druhého zakončení 42, resp. u výstupního hrdla 43. Současně zde dojde k nárůstu teploty a interního tlaku p4. Při zmenšování průchodové rychlosti v₂ ve výstupním kanálu 4 vzniká sekundární reaktivní pohybová síla, která má shodný směr jako primární reaktivní pohybová síla. Výsledná reaktivní pohybová síla, kterou hnací tryska produkuje, je dána součtem obou těchto složek.

Při experimentu, jehož dílčí výsledky jsou uvedeny výše, se v dobré shodě s výpočty ukázalo, že při atmosférickém tlaku p₃ okolního prostředí měla průchodová rychlost v₂u druhého zakončení 42 velikost 150 m/sec. Tomu odpovídala sekundární reaktivní pohybová síla o velikosti 480 N. Hnací tryska tak vykázala celkovou reaktivní pohybovou sílu o velikosti cca 1100 N. Při shodných parametrech zdroje 11 pracovní tekutiny se oproti známé reakční trysce jedná o nárůst více než dvojnásobný.

Okolním prostředím, do něhož je zaústěno druhé zakončení 42 výstupního kanálu 4, resp. výstupní hrdlo 43 hnací trysky, nemusí být jen atmosféra. Může se jednat např. o vnitřní prostor turbíny, kde tlak p₃ okolního prostředí se liší od tlaku atmosférického. Tlakové a rychlostní parametry a v důsledku toho i parametry silové jsou v tomto případě odlišné od parametrů při výtoku do atmosféry.

Popis tlakových a rychlostních parametrů se v podstatě týká všech provedení znázorněných na obr. 1 až 5; zejména přesně platí při podzvukové průtokové lychlosti Vi pro provedení podle obr. 1 a 4. Provedení podle obr. 2 a 3 jsou vhodná pro případy, kdy průtoková rychlost Vi nebo průchodová rychlost v₂ jsou blízké k rychlosti zvuku a kdy lze očekávat vznik rázové vlny. Rovněž provedení s válcovým výstupním kanálem 4 (obr. 5) lze využít při nadkritické průchodové rychlosti v₂ k zachycení rázové vlny a využití její energie.

Průmyslová využitelnost

Hnací tryska podle vynálezu nalezne uplatnění zejména v energetice, kde může být základním prvkem turbín napájených různými druhy pracovních tekutin. Konkrétní rozměrové provedení hnací trysky závisí na parametrech stroje, který má být hnací tryskou poháněn. V závislosti na těchto parametrech se zejména výstupní kanál 4 navrhne buď s upřednostněním průchodové rychlosti v₂, nebo interního tlaku p₄. Neupřednostněná veličina, stejně jako teplota se pak sama nastaví v závislosti na fyzikálních zákonech o proudem tekutin a stavových veličinách.

Claims

Patentové nároky

1. Hnací tryska pro přeměnu termodynamické energie pracovní tekutiny na reaktivní pohybovou sílu, vyznačující se tím, že obsahuje vstupní kanál (2), jehož první ukončení (21) je uzpůsobeno pro napojení na zdroj (11) pracovní tekutiny a jehož druhé ukončení (22) je neprodyšně zaústěno do podtlakové komory (3), z níž je vyústěn výstupní kanál (4), jehož první zakončení (41) je neprodyšně napojeno na podtlakovou komoru (3) a jehož druhé zakončení (42) je vyvedeno do okolního prostředí, přičemž světlost prvního ukončení (21) je menší, než světlost druhého ukončení (22), světlost prvního zakončení (41) je nanejvýš tak velká jako světlost druhého zakončení (42) a světlost podtlakové komory (3) je větší, než světlost druhého ukončení (22) i prvního zakončení (41).
2. Hnací tryska podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupní kanál (2) i výstupní kanál (4) mají podobu rotačních těles, která jsou uspořádána koncentricky okolo společné osy (12).
3. Hnací tryska podle nároku 2, vyznačující se tím, že podtlaková komora (3) má tvar válce, uspořádaného okolo osy (12) totožné sosou (12) vstupního kanálu (2) i výstupního kanálu (4).
4. Hnací tryska podle jednoho z nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že vstupní kanál (2) má tvar komolého kužele se světlostí zvětšující se od prvního ukončení (21) k druhému ukončení (22).
5. Hnací tryska podle jednoho z nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že vstupní kanál (2) obsahuje přední úsek (24) a zadní úsek (25), kde má přední úsek (24) tvar komolého kužele zužujícího se od prvního ukončení (21) k rozhraní (26) a zadní úsek (25) tvar komolého kužele rozšiřujícího se od rozhraní (26) k druhému ukončení (22).
6. Hnací tryska podle jednoho z nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že světlost prvního zakončení (41) výstupního kanálu (4) je menší než světlost druhého zakončení (42) výstupního kanálu (4).
7. Hnací tryska podle nároku 6, vyznačující se tím, že výstupní kanál (4) má tvar komolého kužele se světlostí zvětšující se od prvního zakončení (41) k druhému zakončení (42).
8. Hnací tryska podle nároku 6, vyznačující se tím, že výstupní kanál (4) obsahuje přední sekci (44) a zadní sekci (45), z nichž má přední sekce (44) tvar komolého kužele zužujícího se od prvního zakončení (41) k přechodové hraně (46) a zadní sekce (45) tvar komolého kužele rozšiřujícího se od přechodové hrany (46) k druhému zakončení (42).
9. Hnací tryska podle jednoho z nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že světlost prvního zakončení (41) výstupního kanálu (4) je shodná se světlostí druhého zakončení (42) výstupního kanálu (4).
10. Hnací tryska podle nároku 9, vyznačující se tím, že výstupní kanál (4) má tvar válce.
11. Hnací tryska podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že světlost prvního zakončení (41) výstupního kanálu (4) je větší, než světlost druhého ukončení (22) vstupního kanálu (2).