CZ20444U1

CZ20444U1 - Precesní kapalinová turbína

Info

Publication number: CZ20444U1
Application number: CZ200922055U
Authority: CZ
Inventors: Sedlácek@Miroslav; Maršík@František; Hostin@Stanislav
Original assignee: Ústav termomechaniky AV CR, v.v.i.
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2010-01-18

Description

Precesní kapalinová turbína

Oblast techniky

Technické řešení se týká precesní kapalinové turbíny, zahrnující stator se vstupním otvorem kapaliny a s výstupním otvorem kapaliny, přičemž ve statoru je na pridržovacím zařízení uložen odvalovací rotor, tvořený tělesem rotačního tvaru, a přidržovací zařízení je upraveno pro umožnění krouživého odválo vád rotoru po vnitřní stěně statoru.

Dosavadní stav techniky

Jsou známy tekutinové stroje, které mají stator se vstupním otvorem kapaliny a s výstupním otvorem kapaliny a ve statoru je na přidržovacím zařízení uložen bezlopatkový odvalovací rotor, tvo10 řený tělesem rotačního tvaru. Přidržovací zařízení je upraveno pro umožnění krouživého odvalování rotoru po vnitřní stěně statoru. Po přivedení tekutiny do statoru proudící tekutina způsobí, že se rotor dotkne vnitřní stěny statoru a začne se po vnitřní stěně statoru krouživě odvalovat. Alespoň část hřídele rotoru tedy koná precesní pohyb. Takové stroje se proto také někdy nazývají precesní stroje.

u Z českého patentu Č. 284483 a z Evropského patentu EP 1015760 Bl je znám odvalovací tekutinový stroj, sestávající ze zásobníku tekutiny, opatřeného přítokem a nejméně jednou výstupní tryskou, přičemž v oblasti výstupní trysky je na přidržovacím zařízení uložen nejméně jeden odvalovací rotor, tvořený tělesem rotačního tvaru. Odvalovací rotor je uložen tak, že se může volně odvalovat podél vnitřní stěny výstupní trysky.

Na stejném principu pracují i tekutinové stroje podle českého užitného vzoru Č. 7606 a Evropského patentu EP 1082538 Bl, podle českého patentu č. 294708, podle českého užitného vzoru 17908 a českého užitného vzoru číslo 18890.

Společnou nevýhodou všech známých odvalovacích, resp. precesních strojů/turbín je, že hmotnost rotoru je odlišná od hmotnosti kapaliny vytlačené rotorem, který je v kapalině zčásti nebo úplně ponořen. Proto dochází ke ztrátám na kroutícím momentu otáčejícího se a precesně se pohybujícího rotoru. Cílem řešení je zabezpečit odpovídající hmotnost rotoru pro různé výšky spádu a tím minimalizovat ztráty vznikající v důsledku odstředivých sil rotujícího a precesně se pohybujícího rotoru.

Podstata technického řešení

Uvedený problém řeší precesní kapalinová turbína, zahrnující stator se vstupním otvorem kapaliny a s výstupním otvorem kapaliny, přičemž ve statoru je na přidržovacím zařízení uložen odvalovací rotor, tvořený tělesem rotačního tvaru, a přidržovací zařízení je upraveno pro umožnění krouživého odvalování rotoru po vnitřní stěně statoru, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že v odvalovacím rotoru je uspořádána alespoň jedna komora s alespoň jedním uzavíratelným plnicím otvorem a s alespoň jedním uzavíratelným vypouštěcím otvorem.

Výhodou precesní kapalinové turbíny podle technického řešení je, že hmotnost jejího rotoru lze snadno přizpůsobit momentální výšce spádu kapaliny v daném místě a tím minimalizovat ztráty vznikající v důsledku odstředivých sil rotujícího a precesně se pohybujícího rotoru.

Podle výhodného provedení je v odvalovacím rotoru nad sebou uspořádáno několik komor a každá je opatřena plnicím otvorem a vypouštěcím otvorem.

Podle dalšího výhodného provedení je v odvalovacím rotoru prostor mimo komory dutý a utěsněný.

Podle jiného výhodného provedení je v odvalovacím rotoru prostor mimo komory vyplněný tlumicí hmotou.

Podle dalšího výhodného provedení přidržovací zařízení zahrnuje kardan.

-1 CZ 20444 Ul

Podle ještě dalšího výhodného provedení z rotoru vyčnívá na obě strany hřídel, přičemž hřídel je svým jedním koncem uložena v přidržovacím zařízení a svým opačným koncem je uložena v klikovém mechanismu.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je schematicky zobrazena precesní kapalinová turbína podle technického řešení, která sloužila k testování účinnosti. Na obr. 2 a 3 jsou různá provedení rotoru. Na obr. 4 je další provedení precesní kapalinové turbíny podle technického řešení a na obr. 5 jiné provedení rotoru k této turbíně. Na obr. 6. jsou schématicky znázorněny silové poměry při proudění kapaliny statorem a při obtékání rotoru. Na obr. 7 je zobrazen graf porovnání kvalitativní teorie.

i o Příklady provedeni

Precesní kapalinová turbína podle obr. 1 sloužila k testování účinnosti zařízení a má stator 1 ve tvaru komolého kužele, který je na čelní straně opatřen vstupním otvorem 3 kapaliny o poloměru T?2 = 67.2mm. Spád vody při testování byl H = 3.6 m.

Stator 1 má v plášti několik výstupních otvorů 4 kapaliny. Před vstupním otvorem 3 kapaliny je uspořádán rozvaděč 13, který slouží k usměrňování přiváděné kapaliny.

Ve statoru 1 je na hřídeli 8 a přidržovacím zařízeni 6 uložen odvalovací rotor 2 ve tvaru koule o poloměru /?, = 62.4 mm. Odvalovací rotor 2 může mít jakýkoliv rotační tvar. Přidržovací zařízení 6 může být tvořeno libovolným známým mechanizmem, který umožní krouživé odvalování rotoru 2 po vnitřní stěně statoru i. U provedení z obr. 1 je přidržovací zařízení 6 tvořeno karda20 nem 7, na kterém je pomocí hřídele 8 zavěšen rotor 2.

Nad statorem 1 je uspořádán generátor 14, na jehož vstupní hřídel 12 je přes kardan 7 přenášen kroutící moment od rotoru 2.

V rotoru 2 je uspořádána komora 9 s plnicím otvorem 10 a vypouštěcím otvorem JJ.. Oba otvory 10, U jsou opatřeny schematicky znázorněným uzávěrem, který může být ovládán jak manuálně, tak i dálkově, například elektromagneticky.

Na obr. 2 je další provedení odvalovacího rotoru 2, který má sice rotační ale nekulový tvar a komora 9 s plnicím otvorem 10 a vypouštěcím otvorem JI tvoří pouze Část vnitřního objemu rotoru

2. Prostory J_5 mimo komoru 9 jsou duté a utěsněné. Rotor 2 má hřídel 8.

Na obr. 3 je další provedení odvalovacího rotoru 2, podobné provedení z obr. 2. Liší se tím, že 30 komory 9 s plnicím otvorem JO a vypouštěcím otvorem JJ. jsou dvě a jsou uspořádány nad sebou a prostory JJ mimo komoru 9 jsou vyplněný tlumicí hmotou 12, která je lehčí než pracovní kapalina turbíny.

Na obr. 4 je příklad provedení precesní kapalinové turbíny, u které kapalina proudí opačným směrem než u provedení z obr. 1. Vstupní otvor 3 kapaliny je tedy na homí straně statoru I a výstupní otvory 4 jsou na spodní straně statoru L Odvalovací rotor 2 je uložen na přidržovacím zařízení 6 a je pouze částečně zanořen v pracovní kapalině. Rotor 2 má tvar koule. Přidržovací zařízení 6 je u tohoto provedení tvořeno jednoduchým kloubem s možností úhlového vychýlení hřídele 8 všemi směry. Hřídel 8 je přes klikový mechanizmus 16 spojena se vstupní hřídelí 17 generátoru 14. Klikový mechanizmus JJ je upraven tak, aby umožňoval precesní pohyb hřídele

8.

Komora 9 s plnicím otvorem 10 a vypouštěcím otvorem JJ, je ve spodní části rotoru 2 a prostor 15 mimo komoru 9 je vyplněný tlumicí hmotou 12, která je lehčí než pracovní kapalina turbíny. Toto provedení je vhodné pro málo zanořené rotoiy 2, někdy také označované jako „plovoucí“ rotory 2.

Na obr. 5 je příklad provedení podobný provedení z obr. 4. Liší se pouze provedením rotoru 2. Provedení podle obr. 5 je vhodné pro rotory 2, které jsou více zanořené do pracovní kapaliny, než rotory 2 u provedení z obr. 4. Odvalovací rotor 2 je uložen na neznázorněném přidržovacím zařízeni a má oválný rotační tvar. Komora 9 s plnicím otvorem 10 a vypouštěcím otvorem 1_1 je tentokrát uspořádána v horní části rotoru 2 a prostor 15 mimo komoru 9 je dutý a utěsněný.

Všechny výše popsané precesní turbíny fungují stejným způsobem. Vstupním otvorem 3 se při5 vádí do statoru 1 kapalina, která ze statoru 1 odtéká výstupními otvory 4. Na obr. 1, 2, 3 a 5 je rotor 2 ve středové poloze, kterou zaujímá, neproudí-li statorem 1 žádná kapalina. Po přivedení kapaliny do statoru i se nejdříve hřídel 8 s rotorem 2 nakloní do strany tak, že se rotor 2 dotkne vnitřní stěny statoru i a následně se začne rotor 2 po vnitřní stěně statoru 1 krouživě odvalovat. Hřídel 8 rotoru 2 tedy koná precesní pohyb. Na obr. 4 je znázorněna situace, kdy rotor 2 i s hříío dělí 8 jsou nakloněny do strany z důvodu uložení hřídele 8 v klikovém mechanismu 16 a rotor 2 se dotýká vnitřní stěny statoru i, i když statorem 1 neproudí žádná kapalina. Optimální hmotnost rotoru 2 se před uvedením precesní iurbíny do provozu nastaví tak, že se otevře plnicí otvor 10 a do komory 9 se napustí potřebné množství kapaliny. Poté se plnící otvor 10 uzavře. Pro jednoduchost se samozřejmě používá provozní kapalina, která pohání turbínu, avšak lze použít jakékoliv tekuté či sypké médium. K případnému vypouštění média z komory 9 slouží vypouštěcí otvor JT.

Silové poměry při proudění kapaliny statorem 1 a při obtékání rotoru 2 jsou schematicky znázorněny na obr, 6. Konkrétní tvar pláště rotoru 2 v interakci se statorem 1 precesní tekutinové turbíny (může samozřejmě pracovat i v tlakovém spádu plynů) vychází z teoretických východisek proudění vazkých tekutin. Zvlášť výhodná se jeví alternativní formulace bilance hybnosti ve vazké tekutině formulovaná pomocí tzv. Croccovy věty. Tato věta explicitně vyjadřuje nezastupitelnou roli vířivosti w = rot v proudového pole pro generaci silové interakce mezi tekutinou a obtékaným tělesem. Silové účinky na každý element tekutiny jsou ve směru úhlové (angular) souřadnice φ, (viz obr. 1) dány vztahem dh ds d²v _{ ,

-^c---T--v-7= VXW =-vw = í rdcp rd<p (0r)^{2 V r z}

N_ kg (1) kde _Ac=M+£₊r₊

P 2 kg je celková energie nějakého materiálového bodu tekutiny. Tekutina pak přes povrchové síly (statický tlak a tření) působí na obtékané těleso. Vnitřní energie u(T, p) = konst, protože jak teplota T tak i hustota p se v případě proudění kapalin (vody) nemění. Dochází k přeměně pouze mechanických energií, tj. energie potenciální ^ = g£ na energii tlakovou píp a energii kinetickou v² / 2. Je zřejmé, že síla na těleso tak vzniká jen následkem disipativních procesů v mezních (obecně smykových) vrstvách, rovnice (1), které jsou důsledkem velikého gradientu rychlosti σνφ /<3r u stěny obtékaného tělesa (vnitřní kužel, viz obr. 6), Mezní vrstvy existují na tělese jen v důsledku kinematické viskozity v [m²/s] a jejich důsledkem je generace vířivosti wz, jejíž největší složka má směr podélné osy válce (viz obr. 6).

Pro vyvolání vířivosti musí mezikruží tvořit difuzor ve kterém se následkem existence radiální rychlosti v_r stává poloha vnitřního válce nestabilní. Vychýlením válce z osy dochází k nesymetrickému obtékám kuželového válce a ke vzniku vířivosti w_z, která působí na každý element tekutiny uvnitř mezikruží objemovou silou f₉ [N/kg], viz rovnice (1). Velikost objemové síly f = —v_rw. je určena rychlostním polem v prostoru mezi válet. Ve zjednodušené geometrii, viz obr. 1, jsou rozhodujícími parametry: úhel difitzoru arctgy, sevřený vnitřním povrchem statoru a

-3CZ 20444 Ul povrchem rotoru, poměrem poloměrů rotoru a statoru η = — a velikostí rychlosti V_;ů vstupující tekutiny. Hodnota rychlosti v,₀ je určena tlakovým či výškovým spádem tekutiny. Tekutina v mezikruží pak rotuje takovou rychlostí, která odpovídá rotaci vnitřního kuželového válce úhlovou rychlostí Ω,, kterou stanovíme podle vzorce rad (^1-¾) pro %

Jř,(O) &

(2)

Neznámou vstupní rychlost v_l0 můžeme nahradit dobře měřitelným množstvím protékající tekutiny (vody) ze vztahu

Q = /V (tf² - Á,² (0)) = (l -z/²) = ρν_ζαπ (^² - Λ² (z))

Následkem dotyku s vnitřní stěnou vnějšího válce (o poloměru Áj) dojde k odvalování vnitřního io válce odvalovací rychlostí

W= ₍₃₎

1- h₀

Vnitřní objemová síla f [N/kg] působící na tekutiny je kompenzována vnějšími povrchovými silami působícími jak na vnitřní stěnu vnějšího válce tak i na vnější stěnu vnitřního kuželového válce. Právě síla působící na vnitřní pohyblivý válec bude konat práci a bude tak převádět poten15 ciální energii na mechanickou energii rotačního pohybu. Přibližný vztah pro výkon turbiny, jejíž geometrie je uvedena na obr.l, za předpokladu, že zanedbáváme ztráty vířením vody (v důsledku turbulence a kavítace) má tvar ³

Pro ověření navržené teorie byl použit prototyp odvalovací turbíny podle obr. 1, která má kuželo20 vý stator i, který je na čelní straně opatřen vstupním otvorem 3 kapaliny o poloměru Áj = 67.2 mm. Polovina rotoru 2 ze statoru 1 do rozvaděče 5 (viz obr. 1). Tudíž hodnota geometrického parametru byla η^-RJ R₂= 0.93. Vzhledem k tomu, že teoretické úvahy byly prováděny pro zjednodušenou geometrii válcového statoru a kuželového rotoru, viz obr.6, není možno vycházet z geometrické velikosti úhlu artg y, ale je třeba jeho velikost stanovit podle jakéhosi efektivního úhlu difuzoru artg y^ podle vztahu (2), a to z naměřených otáček Ω, =12.9 rad/s a průtočného množství Q = 6.2 kg/s, Tudíž ^,^7,(1-¾¹)² _ 3.14-10³-12.9(0·0672)^]·0.93·(|-0.93^;/ ^ ⁷ Q 6.2 což odpovídá úhlu 2.1° viz obr. 1. Toto je střední úhel pod kterým obtéká kapalina kulový rotor 2.

Pro kulový tvar rotoru 2 nelze vztah (4) pro výpočet výkonu použít přímo (obtékání kouleje pro vysoká Reynoldsova čísla Re matematicky velmi komplikovaný problém) a je třeba vztah upravit a zjednodušit, i za cenu, že má pak více kvalitativní charakter

_./X^(⁴-7o)D|g ,.0.033 7-0.0672² -0.93⁶ -(4 - 0,93²)-12.9² -6.2

2(l-_7fl ²)⁴ 2-(1-0.93²)^{4 Π} (6)

V přímém kontaktu s tekutinou je jen část kulové plochy, především proto, že při vyšších číslech Re dochází k nestacionárnímu odtržení proudící tekutiny, a to v případě obtékání koule již v rozmezí úhlů 93° až 130°. Z tohoto důvodu je zaveden empirický koeficient £, který ie roven 1 v případě laminámího (Stokesova) obtékání. Předpokládáme-li, že je obtékáno jen asi 25 % poloío koule vnořené do statoru I ( což přibližně odpovídá velikosti oblasti přimknutého proudění) lze volit s ohledem na provedený experiment ξ = 0.23. Za těchto předpokladů lze výkon zkušební turbiny s ohledem na obecnější výraz (6) stanovit podle konkrétního vzorce = 1.167-10 ³-n²-g [w], (7)

Poznámka: např, pro «, =123 ot/mín W = 1.167-10”³ (123)²-6.2 = 109 kde n_ř je počet otáček rotoru za minutu. Po zohlednění účinnosti elektrické měřicí sestavy byl naměřený mechanický výkon testovací turbíny při průtoku 5.8 - 7.6 1/s v rozmezí 100 až 120 W, přičemž ztráty na potenciální energii způsobené ztrátami v přívodním potrubí nebyly započítány. Porovnání uvedené kvalitativní teorie je ukázáno na obr. 7.

Ideální mechanický výkon proudící vody o průtoku 6,2 1/sec na spádu 77 = 3.6m je 20 = gg77 = 6.2-9.81-3.6 = 219W.

Rozdíl mezi naměřeným výkonem a výkonem teoretickým, viz (6), popř. výkonem ideálním je způsoben jednak zjednodušením geometrickým a zjednodušením pří řešení proudových polí (anulámí proudění s kuželovým vnitřním válcem) a jednak ztrátami v proudovém poli vlivem odtržení proudu a kavitace a reálnými hydraulickými ztrátami v přívodním potrubí.

Claims

25 NÁROKY NA OCHRANU

1. Precesní kapalinová turbína, zahrnující stator (1) se vstupním otvorem (3) kapaliny a s výstupním otvorem (4) kapaliny, přičemž ve statoru (1) je na přidržovacím zařízení (6) uložen odvalovací rotor (2), tvořený tělesem rotačního tvaru, a přidržovací zařízení (6) je upraveno pro umožnění krouživého odválo vání rotoru (2) po vnitřní stěně statoru (1), vyznačující se

30 tím, že v odvalovacím rotoru (2) je uspořádána alespoň jedna komora (9) s alespoň jedním uzavíratelným plnicím otvorem (10) a s alespoň jedním uzavíratelným vypouštěcím otvorem (11).
2. Precesní kapalinová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že v odvalovacím rotoru (2) je nad sebou uspořádáno několik komor (9), každá s plnicím otvorem (10) a vy35 pouštěcím otvorem (11).
3. Precesní kapalinová turbína podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že v odvalovacím rotoru (2) je prostor (15) mimo komory (9) dutý a utěsněný,

-5CZ 20444 Ul
4. Precesní kapalinová turbína podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, 2ev odvalovacím rotoru (2) je prostor (15) mimo komory (9) vyplněný tlumicí hmotou (12), která je lehčí než pracovní kapalina turbíny.
5. Precesní kapalinová turbína podle kteréhokoliv z nároků laž4, vyznačující se 5 t í m, že přidržovací zařízení (6) zahrnuje kardan (7).
6. Precesní kapalinová turbína podle kteréhokoliv z nároků laž4, vyznačující se tím, že z rotoru (2) vyčnívá na obě strany hřídel (8), přičemž hřídel (8) je svým jedním koncem uložena v přidržovacím zařízení (6) a svým opačným koncem je uložena v klikovém mechanismu (16).