Hydromechanické procesy Lopatkové stroje - turbíny - čerpadla

Hydromechanické procesy

Lopatkové stroje - turbíny - čerpadla

M. Jahoda

Lopatkové stroje - rozdělení

2

a) Dle způsobu práce

• generátory  turbíny potenciální, kinetická energie

mechanická energie na hřídeli

• motory  čerpadla, kompresory mechanická energie na hřídeli

b) Dle geometrie průtočných částí

• axiální • radiální

• diagonální

kinetická, tlaková energie

Lopatkové stroje - rozdělení Rozdělení turbín • rovnotlaké

Peltonova, Bánkiho, Turgo

• přetlakové

Kaplanova, Francisova

Rozdělení čerpadel • hydrostatická

zubové, vřetenové, lamelové, pístové

• hydrodynamická • proudová

odstředivé (radiální), axiální

ejektor, mamutka

3

Vodní díla - rozdělení - využití energie vody a její přeměna na mechanickou práci

Vodní dílo ležící přímo na hlavním toku

• vodní dílo potoční • vodní dílo jezové

• přehrady Vodní dílo ležící mimo hlavní tok • nízkotlaké – spády do 20 m • středotlaké – spády do 100 m • vysokotlaké – spády nad 100 m • kombinované

4

Potoční dílo

5 0,6-1m/s

Korečník na horní vodu • účinnost 65 – 80% • od starověku • spád 2,5 - 10 m • průtok do 500 l/s

zdroj: mve.energetika.cz/

Potoční dílo

Ponceletovo vodní kolo • účinnost 60 – 65% • od r.1826 • spád do 2 m • průtok do 5000 l/s

6

Střikový hřebenáč • účinnost 30 – 35% • od středověku • spád do 0,9 m • průtok do 5000 l/s


Jezové dílo

7

šikmý betonový jez

kolmý betonový jez

vakový jez zdroj: mve.energetika.cz/

Vodní dílo nízkotlaké

8

~ 0,40 m

max 2 m (dřevo)

0,40 – 1 m


Vodní dílo nízkotlaké

9

- s tlakovým přivaděčem


Vodní dílo vysokotlaké

Přehrada Pařížov (Doubrava)

10

zdroj: mve.energetika.cz/ | www.pla.cz

Vodní dílo vysokotlaké

11

1x Banki turbína výkon 11 kW r. 1904

Přehrada Harcov, Liberec (Lužická Nisa)

Rovnotlaké turbíny

12

Bánkiho turbína

Bánkiho turbína • účinnost 78 – 84% • od r.1918 • spád 1,5 - 200 m • průtok do 9000 l/s • výkon do 1 MW



13

Peltonova turbína

Peltonova turbína • účinnost 80 – 95% • od r.1878 (patent od 1889) • spád 30 - 200 m, min 1 m, max 1770 m • průtok 1,5 – 34 000 l/s • výkon do 200 MW Lester Allan Pelton (1829 – 1908) - americký vynálezce zdroj: mve.energetika.cz/


14

Peltonova turbína



15

turbína Turgo

turbína Turgo • účinnost 80 – 90% • od r.1919 (modifikace Peltonovy turbíny) • spád 10 - 300 m, min 1 m • průtok 1,5 – 3 200 l/s • výkon do 8 MW

Gilbert Gilkes - anglický výrobce čerpadel a turrbín


Přetlakové turbíny

16

Francisova turbína - vertikální

Francisova turbína • účinnost ~ 90% • od r.1848 • spád malé od 1,5 - 5 m, velké 30 - 400 m • průtok malé od 100 l/s, velké >10 000 l/s • výkon ~10 - 100 MW zdroj: mve.energetika.cz/

Přetlakové turbíny Francisova turbína - vertikální

Instalace Francisovy turbíny v přehradě Grand Coulee (750 MW), Columbia River, state Washington, průtok 3 100 m3/s, výkon celkový 6809 MW

17


18

Francisova turbína - vertikální

Grand Coulee - spirála


19

Francisova turbína – horizontální

James Bicheno Francis (1815 – 1892) - britsko-americký inženýr - narodil se v Anglii - 1833 emigroval do USA



20

Kaplanova turbína – vertikální

Kaplanova turbína • účinnost ~ 90% • od r.1912 (1920 patent) • spád malé od 1 – 70 m • průtok od 250, max Gabčíkovo 636 000 l/s



21

Viktor Kaplan (1876 – 1934) • rakouský inženýr • 1895 -1900: vídeňská Vysoká škola technická • stavba strojů a Dieslových motorů • 1901-1903: strojírny Genz a Co., Leobersdorf u Vídně • spalovací motory • 1903: Německá vysoká škola technická v Brně • konstruktér nauky u strojích, kinematice a strojnictví • 1912: vynález vodní turbíny • 1913: vedoucí katedry teorie a stavby vodních motorů, od 1918 profesor • 1926 čestný doktorát na Vysoké škole technické v Praze

Přetlakové turbíny Kaplanova turbína – vertikální

22

hydraul. potrubí

el. generator axiální ložisko

rozváděcí kolo oběžné kolo savka

Přetlakové turbíny Kaplanova turbína – horizontální

23

Turbíny - užití

24

Turbíny - savka

25

- zužitkování energie vody - přeměna kinetické energie na tlakovou (Bernoulliova rovnice) - podtlak pod lopatkami turbíny

Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)

Kamýk

Střekov 3x6,5 MW

4x10 MW

Vltava

Labe

Skoták A., Obrovský J., 2007. Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX, Konference ANSYS 2007, 13.-.15.6.2007, Průhonice

Turbíny - savka Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)


26

Turbíny - savka

27

Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)

500K, skewness = 0,99





Turbíny - savka Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)


28

Hydrostatická (objemová) čerpadla

29

Charakteristika - zprostředkovávají přímou přeměnu mechanické energie v hydraulickou - mechanickým tlakem pohyblivého členu na kapalinu se zvyšuje její tlaková energie přímo - menší počet otáček  větší hmotnost a cena - složitější regulace průtoku (nelze užít regulace škrcením na výtlaku) - pro vyšší tlaky (řádově do 50 MPa) a malé průtoky

zubové vřetenové lamelové pístové

Hydrostatická (objemová) čerpadla

30

Hydrodynamická (odstředivá) čerpadla

31

Charakteristika - přeměna mechanické energie na energii tlakovou probíhá zprostředkovaně přes změnu kinetické energie - hnacím motorem je dodávána mechanická práce – energie oběžnému kolu, kde se přemění na hydraulickou energii kinetickou, která se ve spirále nebo v rozváděcím kole dále přemění na hydraulickou energii tlakovou - dvojí přeměna má za následek nižší účinnost ve srovnání s HS čerpadly - tekutina protéká spojitě v nepřetržitém proudu

radiální

diagonální

axiální

Hydrodynamická čerpadla Radiální (odstředivá)

32

Hydrodynamická čerpadla

33

Radiální (odstředivá)

absolutní rychlost do směru unášivé rychlosti, m/s

unášivá rychlost ve vzdálenosti r, m/s

frekvence otáčení

hmot. tok, kg/s výkon

úhlová rychlost, rad

Hydrodynamická čerpadla Účinnost a příkon čerpadla celková účinnost čerpadla - ztráty: hydraulické objemové mechanické Hydraulické ztráty - ztráty třením, změnou průřezu a směru proudu, turbulencí a vířením kapaliny v kanálech čerpadla Objemové ztráty - zpětné unikání čerpané kapaliny z výtlaku do sání

zpětný průtok, 5 až 10 % průtoku Mechanické ztráty - třením hřídele v ucpávkách a ložiskách, ve spojkách a také třením diskovým, tj. třením bočních stěn čerpadla a oběžného kola o kapalinu v tělese čerpadla - 0,8 až 0,94 dle kvality provedení a velikosti čerpadla

34

Řazení čerpadel

Paralelní řazení

Sériové řazení

Sériové řazení odstředivého a objemového čerpadla - v případě , kdy objemové čerpadlo má špatnou sací schopnost, např. v důsledku vysokých otáček - odstředivé čerpadlo slouží jako podávací

35

Kavitace

36

- vznik dutin v kapalině při lokálním poklesu tlaku, následovaný jejich implozí

Fázový diagram (voda) VODA

p

Var LED

PÁRA Kavitace T

Tlak nasycených par t / °C

10

20

50

80

100

p° /Pa

1 200

2 300

12 330

47 370

101 315

Kavitace

37

Kavitace

38

Kavitace

39

Kavitace Kolaps na stěně

40

Kavitace Kavitační poškození

41

Kavitace Kavitační odolnost

42

Kavitace – sací výška Maximální (teoretická) sací výška

Thomův kavitační součinitel

Redukovaná sací výška

43

Kavitace Superkavitace

44

Kavitace Superkavitace

45

Torpédo „Škval“ (Vichřice) – Rusko - od r. 1990 - rychlost 100 m/s, dostřel 7 km - plynová kapsa díky exotermické reakci peroxidu vodíku a manganistanu vápenatého - potopilo 12.8.2000 ponorku Kursk ?

K-141 Kursk

ušetří 25% paliva

Hydromechanické procesy Lopatkové stroje - turbíny - čerpadla

Recommend Documents