PL235475B1

PL235475B1 - Sealing of movable cylindrical surfaces, preferably in the pumped-storage water system and the seal for that sealing

Info

Publication number: PL235475B1
Application number: PL419204A
Authority: PL
Inventors: Ernest TREYWASZ; Ernest Treywasz
Original assignee: Ernest Treywasz
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2020-08-24
Also published as: PL419204A1; WO2018074939A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest uszczelnienie ruchomych powierzchni cylindrycznych zwłaszcza instalacji szczytowo-pompowej oraz uszczelka do tego uszczelnienia.The subject of the invention is the sealing of movable cylindrical surfaces, especially in pump-storage installations, and a seal for this sealing.

Znane są instalacje szczytowo-pompowe z dwoma zbiornikami, dolnym i górnym w których energia elektryczna zamieniana jest w energię potencjalną przepompowywanej. ze zbiornika dolnego do górnego masy wody, a następnie, w odwrotnym procesie energia potencjalna zamieniana jest na energię kinetyczną wody spuszczanej ze zbiornika górnego, i ostatecznie ulega zamianie na energię elektryczną za pomocą turbiny wodnej i prądnicy, przy czym sprawność tego procesu dochodzi do. 80%.There are well-known pumped-storage systems with two tanks, lower and upper, in which electric energy is converted into potential energy being pumped. from the bottom reservoir to the top water mass, and then, in the reverse process, the potential energy is converted into kinetic energy of the water drained from the top reservoir, and finally converted into electricity by means of a water turbine and generator, the efficiency of this process comes to an. 80%.

Zaletą typowej instalacja, szczytowo-pompowej jest prostota konstrukcji i wynikająca z niej niezawodność oraz długowieczność.The advantage of a typical pumped-storage installation is the simplicity of construction and the resulting reliability and longevity.

Zasadniczym ograniczeniem w budowie takich instalacji jest konieczność lokowania ich w pobliżu dwóch zbiorników wodnych lub też jednego zbiornika sąsiadującego, ze wzgórzem nadającym się do budowy sztucznego zbiornika na jego szczycie, przy czym różnica wysokości pomiędzy lustrami wody obu zbiorników powinna być znaczna, z reguły przekraczająca 100 m.The main limitation in the construction of such installations is the need to locate them in the vicinity of two water reservoirs or one adjacent reservoir, with a hill suitable for the construction of an artificial reservoir on its top, the height difference between the water mirrors of both reservoirs should be significant, usually exceeding 100 m.

Znane są w technice zbiorniki ciśnieniowe zwane hydroforami, w których ciśnienie cieczy, zwykle wody, uzyskiwane jest wskutek oddziaływania gazu, zazwyczaj powietrza, znajdującego się w górnej części zbiornika lub w specjalnym gumowym worku. Ich główną zaletą jest zwarta konstrukcja, umożliwiająca miniaturyzację instalacji, dzięki której znajduje ona szerokie zastosowanie w budynkach jednorodzinnych. Zasadniczym ograniczeniem jest relatywnie mała pojemność, limitowana wytrzymałością ścian zbiornika, na które oddziałuje ciśnienie, co powoduje wykładniczy wzrost kosztu zbiornika w funkcji pojemności, wynikający z konieczności pogrubiania jego ścianek wraz ze wzrostem, rozmiarów. Dodatkowo w hydroforach występują straty energii, wynikające z ucieczki ciepła wytworzonego wskutek podgrzania gazu w trakcie sprężania, której zapobiec może jedynie dobra izolacja cieplna całego zbiornika, co znów wpływa na zwiększenie kosztów.There are known in the art pressure vessels known as hydrophores in which the pressure of a liquid, usually water, is obtained by the action of a gas, usually air, located at the top of the tank or in a special rubber bag. Their main advantage is their compact structure, which enables miniaturization of the installation, thanks to which it is widely used in single-family houses. The main limitation is the relatively small capacity, limited by the strength of the walls of the tank subjected to pressure, which causes an exponential increase in the cost of the tank as a function of capacity, resulting from the need to thicken its walls with increasing size. Additionally, in hydrophores there are energy losses resulting from the loss of heat generated as a result of gas heating during compression, which can only be prevented by good thermal insulation of the entire tank, which again increases costs.

Dodatkowym mankamentem są duże różnice ciśnień roboczych, wynikające ze zmian pojemności części hydroforu zawierającej sprężone powietrze, wraz ze zmianą stopnia jego wypełnienia. Dlatego: zarówno hydrofory, jak i wieże ciśnień, w których źródłem, ciśnienia hydrostatyczneg o jest podobnie jak w przypadku instalacji szczytowo-pompowych różnica wysokości, i nie nadają się do pełnienia roli akumulatora energii o dużej pojemności a jedynie jako stale uzupełniane źródło wody pod ciśnieniem.An additional drawback is the large differences in operating pressures, resulting from changes in the capacity of the part of the hydrophore containing compressed air, along with the change of its filling degree. Therefore: both hydrophores and pressure towers, in which the source of hydrostatic pressure is, like in the case of pump-storage systems, the difference in height, and are not suitable as a high-capacity energy accumulator, but only as a constantly replenished source of water under pressure .

Rozwiązaniem pośrednim między hydroforem/wieżą ciśnień z jednej strony, a typową instalacją szczytowo-pompową z dwoma otwartymi zbiornikami z drugiej strony, wydaje się być znany w technice zbiornik ciśnieniowy z tłokiem grawitacyjnym, w którym zasadniczym źródłem ciśnienia hydrostatycznego jest silnie obciążony ruchomy tłok, napierający na wypełniającą cylindryczny zbiornik wodę.An intermediate solution between a hydrophore / pressure tower on the one hand, and a typical pump-storage system with two open tanks on the other hand, seems to be a pressure vessel with a gravity piston known in the art, in which the main source of hydrostatic pressure is a strongly loaded moving piston pushing on the water that fills the cylindrical tank.

Główną zaletą takiej instalacji jest, podobnie jak typowej instalacji szczytowo-pompowej, względnie wyrównane ciśnienie we wszystkich fazach napełnienia zbiornika, w których różnice pomiędzy jego skrajnymi stanami nie przekraczają kilkunastu procent wartości średnich, podczas gdy dla hydroforów wynoszą kilkaset procent.The main advantage of such an installation is, similarly to a typical pumped-storage system, relatively even pressure in all phases of filling the tank, where the differences between its extreme states do not exceed several percent of the average values, while for hydrophores it is several hundred percent.

W odróżnieniu od wieży ciśnień lub hydroforu zbiornik, taki, może mieć bardzo znaczne rozmiary i pojemność, których wieża ciśnień ani hydrofor z powodu niekorzystnej relacji kosztów jej budowy w stosunku do pojemności nie jest w stanie osiągnąć.Unlike a water tower or a hydrophore, such a tank can have very large dimensions and capacity, which a water tower or a hydrophore cannot achieve due to the unfavorable relation of its construction costs to its capacity.

Do tej pory zasadniczym elementem ograniczającym stosowalność tego rodzaju instalacji w roli akumulatora energii były stosunkowo duże straty energii wynikające z tarcia pomiędzy uszczelką, która jest niezbędnym w tej instalacji elementem, a ścianami zbiornika. Im większe bowiem ciśnienie robocze instalacji, tym ściślejsza, większa i sztywniejsza musi być uszczelka, co wpływa znacząco na opory ruchu tłoka.Until now, the basic element limiting the applicability of this type of installation as an energy accumulator was the relatively high energy losses resulting from friction between the seal, which is an essential element in this installation, and the tank walls. The greater the operating pressure of the installation, the tighter, larger and more rigid the seal must be, which significantly affects the resistance to movement of the piston.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji uszczelnienia oraz uszczelki dla ruchomych powierzchni cylindrycznych zwłaszcza instalacji szczytowo-pompowej, pozwalające na znaczne zmniejszenie sił tarcia pomiędzy uszczelką a ścianami zbiornika ciśnieniowego.The aim of the invention is to develop a structure of a seal and a gasket for movable cylindrical surfaces, in particular for pump-storage installations, allowing a significant reduction of the friction forces between the gasket and the walls of the pressure vessel.

Uszczelnienie ruchomych powierzchni cylindrycznych zwłaszcza instalacji szczytowo-pompowej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pomiędzy ścianą cylindrycznego zbiornika a ścianą tłoka osadzona jest uszczelka o kształcie toroidu wykonanego z giętkiego materiału, którego wnętrze wypełnione jest cieczą, która to uszczelka podlega spłaszczeniu pomiędzy ścianami cylindrycznego zbiornika i tłoka oraz wraz z ruchem tłoka obraca się wokół swojej górnej i dolnej osi przemieszczającThe sealing of the movable cylindrical surfaces, especially in the pump-storage installation, according to the invention is characterized by the fact that between the wall of the cylindrical tank and the piston wall there is a toroid-shaped gasket made of flexible material, the interior of which is filled with liquid, which gasket flattens between the walls of the cylindrical tank and the piston and with the movement of the piston it rotates around its upper and lower axes, displacing

PL 235 475 B1 się pomiędzy ścianą tłoka i cylindrycznego zbiornika, przy czym na dolną powierzchnię uszczelki wywierane jest ciśnienie przez wodę znajdującą się pod tłokiem, i przez ten tłok sprężaną.It is located between the wall of the piston and the cylindrical reservoir, the lower surface of the seal being pressurized by the water underneath the piston and compressed by the piston.

Korzystnie uszczelka na zewnętrznej powierzchni ma bieżnik w formie wzdłużnych wybrzuszeń, które zazębiają się z odpowiednio ukształtowanymi zagłębieniami wykonanymi na powierzchni tłoka oraz cylindrycznego zbiornika.Preferably, the seal on its outer surface has a tread in the form of longitudinal bulges which mesh with suitably shaped depressions made on the surface of the piston and the cylindrical reservoir.

Korzystnie uszczelka usytuowana jest, tak, że w położeniu dolnym tłoka, znajduje się w połowie wysokości cylindrycznego zbiornika.Preferably, the seal is positioned such that in the lower position of the piston it is halfway up the cylindrical reservoir.

Uszczelka do uszczelnienia ruchomych powierzchni cylindrycznych zwłaszcza instalacji szczytowo-pompowej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma kształt toroidu wykonanego z giętkiego materiału, którego wnętrze wypełnione jest cieczą.The gasket for sealing moving cylindrical surfaces, especially in pump-storage installations, according to the invention is characterized by the fact that it has the shape of a toroid made of a flexible material, the interior of which is filled with a liquid.

Korzystnie, uszczelka składa się z segmentów, których końce szczelnie połączone są ze sobą tak, że, koniec segmentu o zwężającym się przekroju jest usytuowany wewnątrz końca kolejnego segmentu, przy czym łączone końce połączone są śrubami usytuowanymi: prostopadle względem powierzchni uszczelki.Preferably, the gasket consists of segments the ends of which are tightly connected to each other so that the end of the segment with a tapered cross-section is located inside the end of the next segment, the joined ends being connected by screws situated perpendicular to the surface of the gasket.

Korzystnie, uszczelka na zewnętrznej powierzchni posiada wyprofilowany bieżnik w formie wzdłużnych wybrzuszeń.Preferably, the gasket on the outer surface has a profiled tread in the form of longitudinal bulges.

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia stabilny ruch ziem no żelbetowego tłoka o średnicy rzędu kilometra i więcej, skoku od kilkudziesięciu do stu kilkudziesięciu metrów i masie od kilkudziesięciu do stu kilkudziesięciu milionów ton, przy względnie niskich o porach.The solution according to the invention provides a stable movement of earth to a reinforced concrete piston with a diameter of a kilometer and more, a pitch of several dozen to a hundred and several dozen meters and a mass of several dozen to one hundred and several dozen million tons, with relatively low pores.

Konstrukcja uszczelki umożliwi tworzenie wielkoskalowych instalacji szczytowo-pompowych w pobliżu większości wielkich aglomeracji, gdzie brak jest naturalnych warunków do budowy typowych instalacji szczytowo-pompowych wymagających dwóch otwartych zbiorników ze znacznym przewyższeniem jednego z nich. Budowa Instalacji szczytowo-pompowych, w których zastosowano wynalazek może znacząco poprawić ekonomikę OZE, zwłaszcza wszędzie tam gdzie występuje ich duża koncentracja na przykład fermy wiatrowe, przy czym można je będzie umiejscowić również na dnie przybrzeżnego szelfu oceanicznego. Dzięki takiemu akumulatorowi OZE będą mogły pracować zawsze z największą efektywnością na jaką pozwalają warunki naturalne, a wytworzona przez nie energia będzie mogła być używana wtedy, kiedy jest najbardziej potrzebna.The design of the gasket will enable the creation of large-scale pumped storage installations in the vicinity of most large agglomerations, where there are no natural conditions for the construction of typical pumped storage installations requiring two open tanks with a significant surplus of one of them. The construction of pumped storage installations in which the invention has been applied can significantly improve the economics of renewable energy sources, especially wherever their concentration is high, e.g. wind farms, and they can also be located at the bottom of the coastal ocean shelf. Thanks to such a battery, RES will always be able to work with the greatest efficiency allowed by natural conditions, and the energy produced by them will be able to be used when it is most needed.

Akumulowanie energii w formie ciśnienia hydrostatycznego wody umożliwi, zmianę konstrukcji turbin wiatrowych, które zamiast prądnic można będzie wyposażyć w dużo prostsze i tańsze a nie mniej sprawne energetycznie pompy.The accumulation of energy in the form of hydrostatic pressure of water will make it possible to change the structure of wind turbines, which, instead of generators, can be equipped with much simpler and cheaper, not less energy-efficient pumps.

Wynalazek został przedstawiony przykładowo na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia tłok otoczony uszczelką z widocznym przekrojem poprzecznym, umieszczony wewnątrz cylindrycznego zbiornika, widzianego w przekroju poprzecznym; fig. 2 przedstawia powiększenie poprzecznego przekroju uszczelki leżącej na powierzchni tłoka; fig. 3 przedstawia fragment poprzecznego przekroju uszczelki z widocznym bieżnikiem powierzchni uszczelki, tłoka i cylindra; fig. 4 przedstawia przekrój uszczelki, tłoka i cylindra w większej skali; fig. 5 pojedynczy fragment uszczelki 6 oraz dwa połączone fragmenty; fig. 6 przedstawia przekrój powierzchni dwóch fragmentów uszczelki połączonych ze sobą śrubami.The invention has been illustrated by way of example in the drawing, in which Fig. 1 shows a piston surrounded by a seal with a cross-sectional view, placed inside a cylindrical reservoir, viewed in cross-section; Fig. 2 shows an enlarged cross-section of the seal lying on the surface of the piston; Figure 3 shows a fragment of a cross-sectional view of the seal with a visible tread of the seal, piston and cylinder surfaces; Fig. 4 shows a larger-scale section of the seal, piston and cylinder; 5 shows a single piece of gasket 6 and two joined pieces; Figure 6 shows a cross-section of the surfaces of two parts of the gasket joined together by bolts.

Jak pokazano na rysunku, pomiędzy ścianą cylindrycznego zbiornika 1 a ścianą tłoka 2 instalacji szczytowo-pompowej osadzona jest uszczelka 3 o kształcie toroidu wykonanego z giętkiego materiału, na przykład gumy zbrojonej stalowymi lub kewlarowymi cięgnami o konstrukcji podobnej do używanej w oponach samochodowych, którego wnętrze wypełnione jest wodą. Uszczelka 3 podlega spłaszczeniu pomiędzy ścianami cylindrycznego zbiornika 1 i tłoka 2 oraz wraz z ruchem tłoka 2 obraca się wokół swojej górnej i dolnej osi przemieszczając się pomiędzy ścianą tłoka 2 i cylindrycznego zbiornika 1, przy czym na dolną powierzchnię uszczelki wywierane jest ciśnienie przez wodę znajdującą się pod tłokiem, i przez ten tłok sprężaną.As shown in the drawing, between the wall of the cylindrical reservoir 1 and the wall of the piston 2 of the pumped-storage installation is a gasket 3 in the shape of a toroid made of flexible material, for example rubber reinforced with steel or Kevlar ties with a structure similar to that used in car tires, the interior of which is filled with is water. The seal 3 is flattened between the walls of the cylindrical reservoir 1 and the piston 2 and, with the movement of the piston 2, it rotates around its upper and lower axes, moving between the wall of the piston 2 and the cylindrical reservoir 1, pressure being exerted on the lower surface of the seal by the water present under the piston and compressed by this piston.

W celu zwiększenia przyczepności uszczelki, 3 do ścian tłoka 2 i ciśnieniowego zbiornika 1, oraz zapobieżeniu nierównomiernemu obracaniu się jej w trakcie ruchu, tłoka 2, uszczelka 3 na zewnętrznej powierzchni ma bieżnik w formie wzdłużnych wybrzuszeń 4 o trapezoidalnym przekroju, które, zazębiają się z odpowiednio ukształtowanymi zagłębieniami 5 wykonanymi na powierzchni tłoka 2 oraz cylindrycznego zbiornika 1. W położeniu dolnym tłoka 2, uszczelka 3 znajduje się w połowie wysokości cylindrycznego zbiornika 1.In order to increase the adhesion of the seal 3 to the walls of the piston 2 and the pressure reservoir 1, and to prevent uneven rotation of the piston 2 during its movement, the seal 3 has a tread on its outer surface in the form of longitudinal bulges 4 with a trapezoidal cross-section, which mesh with suitably shaped recesses 5 made on the surface of the piston 2 and the cylindrical reservoir 1. In the lower position of the piston 2, the seal 3 is halfway up the cylindrical reservoir 1.

Uszczelka 3 składa się z segmentów 6, których końce 6a 6b szczelnie połączone są ze sobą tak, że koniec segmentu o zwężającym się przekroju jest usytuowany wewnątrz końca kolejnego segmentu i jest dociskany, a przez to uszczelniany, do ścian kolejnego segmentu, przy czym łąThe seal 3 consists of segments 6, the ends 6a 6b of which are sealed to each other so that the end of the segment with a tapered section is located inside the end of the next segment and is pressed, and thus sealed, against the walls of the next segment.

PL 235 475 B1 czone końce 6a 6b połączone są śrubami 7 usytuowanymi prostopadle względem powierzchni uszczelki 3, dociskającymi końce obu fragmentów uszczelki do siebie i uniemożliwiające ich wzajemne rozsunięcie.The joined ends 6a 6b are connected by screws 7 perpendicular to the surface of the gasket 3, pressing the ends of both parts of the gasket together and preventing them from sliding apart.

Woda naciskając na elastyczną dolną powierzchnię uszczelki 3 spręża znajdującą się w niej ciecz roboczą na przykład wodę, która z kolei równomiernie dociska uszczelkę 3 do ściany cylindrycznego zbiornika 1 z jednej strony i ruchomego tłoka 2 z drugiej, zapewniając ich szczelność.Pressing the water on the flexible bottom surface of the seal 3 compresses the working fluid contained therein, for example water, which in turn presses the seal 3 evenly against the wall of the cylindrical tank 1 on one side and the movable piston 2 on the other, ensuring their tightness.

Uszczelka 3 wypełniana jest wodą przy ciśnieniu zewnętrznym i sprężenie wypełniającej jej cieczy (wody) odbywa się pod wpływem opisanego wyżej procesu. W trakcie ruchu tłoka 2, i wywołanego nim obrotu toroidalnej powierzchni uszczelki 3, jej strona wewnętrzna ulega skróceniu i sprężeniu, zaś zewnętrzna rozprężeniu i wydłużeniu. Jest to możliwe ponieważ materiał z którego uszczelka jest wykonana oraz jej wzmocnienia są wzorowane na tych stosowanych w oponach samochodowych, choć odpowiednio grubszych, wprost proporcjonalnie do zwiększonych rozmiarów i wyższego ciśnienia roboczego. Odkształcenia te wymuszają bardzo dużą różnicę pomiędzy średnicą tłoka 2 a grubością szczeliny pomiędzy tłokiem 2 a cylindrycznym zbiornikiem 1, w której porusza się uszczelka 3, tak by różnica długości, pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną, częścią uszczelki i wynikające z niej naprężenia były jak najmniejsze. W instalacjach wielkoskalowych stosunek wielkości pomiędzy średnicą tłoka 2 a grubością szczeliny, w której porusza się uszczelka powinien zawierać się w przedziale pomiędzy 1:500 a 1:1000.The seal 3 is filled with water at external pressure and the compression of the liquid (water) filling it takes place under the influence of the above-described process. During the movement of the piston 2 and the resulting rotation of the toroidal surface of the seal 3, its inner side shortens and compresses, and the outer side expands and elongates. It is possible because the material from which the gasket is made and its reinforcements are modeled on those used in car tires, although they are suitably thicker, in direct proportion to the increased dimensions and higher operating pressure. These deformations force a very large difference between the diameter of the piston 2 and the thickness of the gap between the piston 2 and the cylindrical reservoir 1 in which the seal 3 moves, so that the difference in length between the outer and inner parts of the seal and the resulting stresses are as small as possible. In large-scale installations, the ratio of the size between the diameter of the piston 2 and the thickness of the gap in which the seal moves should be in the range between 1: 500 and 1: 1000.

W położeniu, dolnym tłoka 2, przy całkowitym opróżnieniu cylindrycznego zbiornika 1 ze znajdującej się pod nim wody, ciśnienie zanika a uszczelka znajduje się w połowie wysokości cylindrycznego zbiornika 1. W tym położeniu możliwa jest wymiana jej segmentów lub całości.In the lower position of the piston 2, when the water underneath is completely emptied, the pressure is released and the seal is halfway up the cylindrical tank 1. In this position, its segments or the whole can be replaced.

Claims

Sealing of movable cylindrical surfaces, especially pump-storage installations, characterized in that between the wall of the cylindrical tank (1) and the wall of the piston (2) there is a toroid-shaped gasket (3) made of flexible material, the interior of which is filled with a liquid which the seal (3) is flattened between the walls of the cylindrical reservoir (1) and the piston (2), and with the movement of the piston (2) it rotates around its upper and lower axes, moving between the wall of the piston (2) and the cylindrical reservoir (1), wherein pressure is exerted on the lower surface of the seal (3) by the water beneath the piston (2) and compressed by the piston (2).

2. A seal according to claim 3. The method of claim 1, characterized in that the seal (3) has a tread in the form of longitudinal bulges (4) on the outer surface, which engage with suitably shaped recesses (5) made on the surface of the piston (2) and the cylindrical reservoir (1).

3. A seal according to claim A device according to claim 1, characterized in that in the lower position of the piston (2), the seal (3) is halfway up the cylindrical reservoir (1).

4. A gasket for sealing moving cylindrical surfaces, especially in pump-storage installations, characterized in that it has the shape of a toroid made of a flexible material, the interior of which is filled with a liquid.

5. A seal according to claim 4. A method according to claim 4, characterized in that it consists of segments whose ends (6a, 6b) are sealed to each other.

6. A seal according to claim 5. The machine as claimed in claim 5, characterized in that the end (6a) of the tapered section is located inside the end (6b) of the next segment, the joined ends (6a, 6b) being connected by screws (7) perpendicular to the surface of the gasket (3).

7. A seal according to claim 4. The tire as claimed in claim 4, characterized in that it has a profiled tread in the form of longitudinal bulges (4) on its outer surface.