21.6.2011
Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují s finanční podporou v Operačním programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Královéhradeckého kraje
Modul 03 - TP
ing.Jan Šritr
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
2
1
21.6.2011
Lopatkové stroje
Pracovní lopatkové stroje
Čerpadla
Ventilátory
Radiální
Radiální
Axiální
Axiální
Lopatkové motory
Dmychadla
Radiální
Kompresory
Vodní turbíny
Parní turbíny
Plynové turbíny
Radiální
Přetlaková
Přetlaková
Spalovací
Axiální
Rovnotlaká
Rovnotlaká
Rovnotlaká
Diagonální
Lopatkové stroje
Kombinovaná
ing.Jan Šritr
3
Princip
•- u lopatkových strojů se mění mechanická energie (kroutící moment) v energii kinetickou a tlakovou (hydrodynamická čerpadla, ventilátory, turbokompresory), • nebo se tlaková energie proudící pracovní látky mění v energii pohybovou, která se odvádí jako mechanická energie(vodní turbíny, plynové, parní). Rozdělení: •1) Pracovní lopatkové stroje hydrodynamická čerpadla •2) -
Lopatkové motory vodní turbíny
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
4
2
21.6.2011
Rozdělení lopatkových strojů podle dalších kritérií •1)
Dle polohy hřídele •a) vertikální stroje •b) horizontální stroje
•2)
Dle průtoku média •a) radiální •b) axiální •c) diagonální (šikmé)
•3)
Dle počtu oběžných kol •a) jednostupňové •b) vícestupňové
•4)
Dle průběhu, rychlosti a tlaku protékajícího média •a) rovnotlaké (Peltonova turbína) •b) přetlakové (Francisova turbína) Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
5
Kavitace Bubliny, které vznikají na zadní straně oběžné lopatky se přesouvají na odtokovou hranu. Zde se nahromadí a pak se odtrhnou. Odtržení způsobuje ráz, hluk a poškození materiálu odtokové hrany. Probíhá oxidace kyslíkem, dochází k poruše vyvážení. Kavitaci zvyšuje u čerpadel větší obvodová rychlost, větší sklon lopatek, teplejší voda. U turbín kavitaci zvyšuje umístění oběžného kola nad spodní hladinou, vyšší obvodová rychlost, větší natočení lopatek. U rychloběžných turbín se proto oběžné kolo umísťuje pod úroveň dolní hladiny. Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
6
3
21.6.2011
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
7
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
8
4
21.6.2011
Oběžné kolo je částí rotoru některých strojů, především čerpadel a turbín. U hnaných strojů na něm dochází k transformaci mechanické energie rotoru na kinetickou energii proudícího média, u hnacích strojů naopak ke transformaci kinetické energie proudícího média na mechanickou energii rotoru. Oběžné kolo se obvykle skládá ze sady lopatek, zasazených do pevného prstence nebo se jedná o opracovaný odlitek. Rotor může mít i několik oběžných kol - to je typické například pro parní turbínu nebo turbokompresor.
Lopatkové stroje
- RADIÁLNÍ
ing.Jan Šritr
9
- nejpoužívanější - kapalina vstupuje ve směru axiálním, vystupuje ve směru radiálním
Pomaloběžné malé průtoky velké tlaky
Normální střední průtoky střední tlaky
Rychloběžné velké průtoky malé tlaky
- jednostupňová - pro menší tlaky - dvoustupňová - pro vyšší tlaky- dopravovaná výška je dvojnásobná než u 1stupňového se stejným oběžným kolem - vícestupňová
Lopatkové stroje
- pro velké dopravní výšky - max. 8 10 stupňů - 1 stupeň je schopen vytlačit kapalinu do 10 m ing.Jan Šritr
10
5
21.6.2011
DIAGONÁLNÍ - pro větší objemové průtoky a malé až střední dopravní výšky (max. 20 m) - oběžné kolo má několik lopatek ve tvaru šroubové plochy na kuželovém náboji - vertikální - horizontální
AXIÁLNÍ - používají se pro největší objemové průtoky a nejmenší dopravované výšky - oběžné kolo má pouze 2 4 lopatky, které jsou pevné nebo natáčivé - vertikální - horizontální
speciální čerpadla - kalová – čerpání kalů - ponorná – čerpání z velkých hloubek - samonasávací – oběžné kolo je ponořeno Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
11
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
12
6
21.6.2011
Hydrodynamická čerpadla NCU-HC Standardní čerpadlo PN 10
Oblast průtoků Rozsah dopravní výšky Provozní otáčky Maximální provozní tlak Provozní teplota DN sacího hrdla DN výtlačného hrdla
od 2 do 15 l.s-1 od 8 do 83 m 1450 a 2900 1.min-1 1,0 MPa (10 bar) od 0 °C do +90 °C 65 mm 50 mm
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
13
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
14
7
21.6.2011
1 – sací těleso 2 – výtlačné těleso 3 – vložka 4 – převaděč 5 – rozvaděč 6 – oběžné kolo 7 – pouzdro ucpávky 10 – pouzdro hřídele 16 – těleso ložiska 18 – převaděč 21 – hřídel 42 – ložisko
- čerpadlo musí být před spuštěním zavodněno - sací potrubí co nejkratší, bez ohybů a armatur, musí mít dostatečnou světlost - ve výtlačném potrubí se umisťuje zpětný ventil ( klapka) - regulace se provádí změnou otáček, zapínáním a vypínáním, pomocí škrtící klapky nebo ventilu ve výtlačném potrubí Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
15
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
16
8
21.6.2011
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
17
Čerpadlo AX pro montáž do potrubí
1)elektromotor 2)sací těleso 3)oběžné kolo s axiálními 4)lopatkami 5)statorové těleso s rozváděcími lopatkami 6)přechodové těleso 7)ložiskové těleso 8)mechanická ucpávka ložiska 9)připojovací příruba 10)dopravní potrubí Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
18
9
21.6.2011
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
19
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
20
10
21.6.2011
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
21
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
22
11
21.6.2011
Ventilátory slouží k dopravě plynů (většinou vzduchu) a k malému zvýšení tlaku plynu (takové zvýšení tlaku, že změna hustoty plynu je zanedbatelná a plyn lze považovat za nestlačitelný). Na obr. je typický radiální ventilátor. Je tvořen oběžným kolem, kde se zvyšuje rychlost plynu a ve spirální skříní dochází k jeho zpomalení ve prospěch zvýšení tlaku plynu. U ventilátorů lze uplatnit stejně jako u hydraulických strojů Bernoulliho rovnici a lze je za hydraulické stroje považovat. Stlačení ve ventilátorech bývá od 0 do 1 kPa (nízkotlaké) do 3 kPa (středotlaké) do 6 kPa (vysokotlaké). Ventilátory mají velmi široké uplatnění jak v průmyslu tak i v domácnostech
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
23
Vyjadřuje zákon zachování mechanické energie pro ustálené proudění ideální kapaliny.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
24
12
21.6.2011
Radiální ventilátory •Hlavními součástmi radiálního ventilátoru jsou oběžné kolo (1), sací hrdlo (2), výtlačné hrdlo (3), spirální skříň (4) a elektromotor (5). •Součástí oběžného kola jsou lopatkové kanály, které při otáčení zajišťují nasávání vzduchu v axiálním směru a výtlak ve směru kolmém na osu rotace (odtud radiální). •Úkolem spirální skříně je obdobně jako u difusoru, přeměna kinetické energie na energii tlakovou. •Použití pro malé objemové průtoky a pro vyšší přetlaky •Radiální ventilátory mají 8 - 16 oběžných lopatek bubnové až 60. Čím větší počet lopatek, tím je vzdušina v kanálech lépe vedena a usměrňována, ale tím jsou také větší ztráty třením.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
25
Radiální ventilátory jsou ventilátory kde vzduch vstupuje do ventilátoru v axiálním směru (vodorovně s osou) a opouští ventilátor radiálně (kolmo na rotující osu). Radiální ventilátory jsou dále členěny na dvě třídy – 1) Radiální ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami (1) 2) Radiální ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami (3) Toto členění lze dále rozdělit na jednostranně sající a oboustranně sající ventilátory.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
26
13
21.6.2011
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
27
Radiální ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami Radiální ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami jsou charakteristické velkým počtem lopatek zahnutých dopředu (vztaženo ke směru rotace ventilátoru). Vzduch opouští lopatky ve velké rychlosti a proto je zapotřebí přesně definované spirální skříně, která zajistí, aby energie proudícího vzduchu byla využita.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
28
14
21.6.2011
Radiální ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami - mají podstatně méně lopatek než radiální ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami. Lopatky jsou zahnuty dozadu, tedy po směru otáčení oběžného kola. Tyto ventilátory nepotřebují spirální skříň a můžou být tedy volně zabudovány. Pro zvýšení účinnosti ale může být spirální skříň použita.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
29
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
30
15
21.6.2011
Axiální ventilátory •Axiální ventilátor, jehož základní schéma je znázorněno na obrázku 2, se skládá zpravidla z rotoru (1) s oběžnými lopatkami (2), pláště (3), elektromotoru (4). •Potrubní provedení axiálních ventilátorů bývá opatřeno přírubami (5). •U axiálních ventilátorů proudí vzduch ve směru osy otáčení oběžného kola a používají se tam, kde je požadován velký průtok vzduchu bez vysokých nároků na dopravní tlak.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
AXIÁLNÍ ROVNOTLAKÉ ARK
Lopatkové stroje
31
Ventilátory axiální rovnotlaké ARK a ARM o Ř = 710 až 4 000 mm jsou určeny pro elektrárenské a průmyslové provozy. Používají se zejména u parních kotlů pro dmýchání vzduchu do spalovací komory a odsávání kouřových plynů. Lze je použít i v jiných provozech pro dopravu vzduchu nebo horkých plynů. • objemový průtok 2,5 až 600 m3.s-1 • celkový tlak 250 až 9 100 Pa • teplota dopravované vzdušiny až do + 250 °C • Ř = 710 až 4 000 mm
ing.Jan Šritr
32
16
21.6.2011
•Axiální ventilátory je možné dále rozdělit na přetlakové a rovnotlaké. •U přetlakových ventilátorů je statický tlak za oběžným kolem vyšší než před kolem. Objemové průtoky se pohybují v širokém pásmu hodnot a používají se nejčastěji pro větrací a klimatizační zařízení, ale i pro chladicí věže atd. Celková účinnost těchto ventilátorů se pohybuje kolem hodnoty 0,85. •Zejména v průmyslu se pak používají ventilátory rovnotlaké, u kterých je statický tlak za oběžným kolem stejný jako před kolem (v oběžném kole se proud vzduchu urychluje). Za oběžným kolem ventilátoru (průměr až 3 m) je umístěn difuzor, ve kterém při poklesu dynamického tlaku, roste tlak statický. •Objemový průtok vzduchu dosahuje opět značných hodnot (až 300 m3/h), celková účinnost je cca 0,8. Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
33
Diagonální ventilátory •Diagonální ventilátor připomíná konstrukcí oběžného kola spíše radiální ventilátor, ve skutečnosti se jedná o přechod mezi axiálním a radiálním ventilátorem. •Vzduch proudí do ventilátoru v axiálním směru, tedy ve směru osy rotace oběžného kola, avšak výtlak z ventilátoru je pod úhlem menším než 90°. •Schéma tohoto typu ventilátoru je na obrázku, kde jsou vyznačeny hlavní součásti: oběžné kolo (1), skříň ventilátoru (2), sací hrdlo (3), výtlačné hrdlo (4) a elektromotor (5).
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
34
17
21.6.2011
Diametrální ventilátory •Ventilátor nasává vzduch na vnějším obvodu oběžného kola (1) v sacím hrdle (2). Vzduch prochází příčně oběžným kolem a opět vystupuje na vnějším obvodu, odkud je dále vyfukován do výtlačného hrdla (3). Po obvodě oběžného kola jsou rozmístěny dopředu zahnuté lopatky. Šířka oběžného kola bývá 1 až 5-ti násobek vnějšího průměru oběžného kola. •Tyto ventilátory se používají tam, kde je nutné nasávat vzduch v širokém podélném rozměru. •Celková účinnost tohoto typu ventilátoru bývá 0,45 až 0,55.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
35
Výkon a příkon ventilátoru Výkon ventilátoru je dán součinem průtoku a celkového dopravního tlaku Příkon ventilátoru se stanoví z výkonu ventilátoru P a celkové účinnosti ηc, která je definována jako poměr mezi výkonem a příkonem ventilátoru.
Ohřátí vzduchu ve ventilátoru Δt (rozdíl teploty na sání a výtlaku ventilátoru) lze stanovit z bilance
V klimatizačních zařízeních je však potřeba počítat s energií, kterou ventilátor předává proudícímu vzduchu. V potrubní síti se přemění na teplo téměř celý příkon ventilátoru a ohřátí vzduchu (je-li v proudu vzduchu i elektromotor ventilátoru) pak bude
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
36
18
21.6.2011
Závislost ohřátí vzduchu na celkovém dopravním tlaku a) ohřátí vzduchu při průchodu ventilátorem b) ohřátí vzduchu v potrubní sítí s ventilátorem
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
37
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
38
19
21.6.2011
Axiální turbodmychadlo
Rotor radiálního turbodmychadla
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
39
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
40
20
21.6.2011
Na obr.4.3 je schematicky naznačený rez časťou viacstupňového axiálneho kompresora. Jeden rad rotorových lopatiek pevne uchytených na otáčajúcom sa rotore a jeden rad nepohybujúcich sa statorových lopatiek tvorí stupeň axiálneho kompresora. Z predchádzajúceho stupňa vystupuje prúd rýchlosťou c02. Relatívnu rýchlosť w1 na vstupe do medzilopatkových kanálov rotora dostaneme vektorovým odčítaním obvodovej rýchlosti u1 od c02. Tvar rotorových i statorových lopatiek je navrhnutý tak, že medzilopatkové kanály tvoria difúzory. Na výstupe z rotora bude relatívna rýchlosť w2 < w1, zmenšenie relatívnej rýchlosti má za následok zvýšenie tlaku, teda p2 > p1. Absolútna rýchlosť c2 prúdu v medzere medzi rotorovými a statorovými lopatkami je daná vektorovými súčtom rýchlostí w2 a u2. Z rýchlostného trojuholníka na obr.4.3 Je zrejmé, že c2 > c1 = c02, t.j. kinetická energia prúdu sa pri jeho prechode rotorom zvýšila. V medzilopatkových kanáloch statora sa kinetická energia prúdu mení na tlak, t.j. c3 < c2, p3 > p2. Zvýšenie tlaku p, teploty T a absolútnej rýchlosti c v axiálnom stupni kompresora je znázornené na obr.4.3. Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
41
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
42
21
21.6.2011
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
43
ing.Jan Šritr
44
RADIÁLNÍ DMYCHADLO
Lopatkové stroje
22
21.6.2011
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
45
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
46
23
21.6.2011
ŠROUBOVÁ DMYCHADLA
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
47
ing.Jan Šritr
48
ROOTSOVO DMYCHADLO – CAD MODEL
Lopatkové stroje
24
21.6.2011
ROOTSOVO DMYCHADLO – SKUTEČNÉ, CHYBÍ NĚKTERÉ SOUČÁSTI
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
49
TK 32 000 m3/h
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
50
25
21.6.2011
HeartMate II je vylepšenou verzí pumpy HeartMate. Pumpuje krev v levé srdeční komoře kontinuálně a nikoli v pulsech jako jiné pomocné pumpy. Kontinuální chod pumpy snižuje riziko hemolýzy. Výhodou nového typu je tišší chod a tenčí kabel, kterým je pumpa napojená na ovládací jednotku a zdroj energie. HeartMate je výrazně menší než starší HeartMate, což dovoluje jeho použití i u lidí s menší postavou, např. žen či teenagerů.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
51
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
52
26
21.6.2011
A) Pohyblivý rotor B) Patentovaná hydrodynamická ložiska, která jsou trvanlivá a minimalizují tvorbu sraženin. C) Tok krve je optimalizován tak, aby se minimalizovala hemolýza D) Vnitřní povrch je odzkoušený na předchozích modelech a je volen tak, aby se na něm neuchycovaly krevní destičky. E) Přívod proudu k externím bateriím je veden kabelem tenkým jen 9mm. Je z materiálu, který nedráždí a omezuje vstup infenkce. F) Flexibilní odvodná trubice, která zamezuje pnutí, protože se přizpůsobuje tvarem a délkou v závislosti na pohybech pacienta.. Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
53
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
54
27
21.6.2011
Řez několikastupňovou parní turbínou. Lopatky ukotvené ke skříni turbíny jsou statorové lopatky, rotorové lopatky jsou ukotveny k rotoru. Jedna řada lopatek statorových společně s jednou řadou rotorových nazýváme stupeň turbíny. Turbína 6 MW, 9 980 min-1, Vstupní parametry 36,6 bar, 437 oC, výstupní tlak páry 6,2 bar (pro další účely). s rovnotlakým regulačním stupněm, 9 stupňová přetlakové lopatkování, redukce otáček pomocí převodovky na 1500 min-1 (čtyřpólový generátor). Výrobce Alstom (strojírna bývalé PBS).
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
55
V Parní turbíně je pracovním médiem pára (nejčastěji vodní). Parní turbíny mají velice široké uplatnění nejen v parních elektrárnách (jak klasických tepelných, tak jaderných), ale i v průmyslu. Výkony parních turbín se pohybují od 100 kW až 1500 MW. Turbíny vysokých výkonů by byly velice rozměrné (velké průtočné množství a tedy velký rotor), proto se takto velké turbíny rozdělují na několik menších turbín a ty se řadí za sebe (vedle sebe) spojené spojkou (nemusí být vždy) v takovém případě mluvíme o vícetělesových parních turbínách:
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
56
28
21.6.2011
Plynové turbíny pracuji podobně jako turbíny parní, ale místo páry je pracovní tekutinou plyn. Nejčastěji se vyskytují plynové turbíny s otevřeným oběhem obr. 11, zl. 133 se spalovací komorou (proto se jim často říká spalovací turbíny). V tomto případě je součástí plynové turbíny i turbokompresor. Turbokompresor nejdříve stlačuje nasátý vzduch. Stlačený vzduch je přiváděn do spalovacích komor, kde se vzduch smíchá s hořlavým plynem nebo kapalinou. Hořením se podstatně zvýší teplota spalin a tyto spaliny se pouští na turbínu. Větší část výkonu turbíny spotřebuje kompresor, zbylý výkon buď pohání el, generátor nebo jiné zařízení. V případě leteckého motoru je výkon turbíny roven výkonu kompresoru a zbylá tepelná energie ve spalinách expanduje v dýze motoru a na reakčním principu pohání letoun. Za plynovou turbínu považujeme i turbodmychadlo. V takovém případě jsou horké spaliny přiváděny ze spalovacího motoru a plynová turbíny pohání kompresor, který komprimuje vzduch pro spalovací motor. Podobně jako parní turbíny jsou i plynové turbíny často vícestupňové. Výkony plynových turbín se pohybují od 30 kW (mikroturbíny) až po 100vky MW. Zařízení s plynovými turbínami se vyznačují jednoduchostí, protože palivem bývá zemní plyn a spaluje se přímo v turbíně, zároveň odpadá mnoho dalších zařízení, které jsou u technologií s parní turbínou nutností.
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
57
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
58
29
21.6.2011
Obr. 12. Schématický řez axiálním vícestupňovým turbokompresorem. Kompresory (lopatkovým kompresorům se také říká turbokompresory) jsou lopatkové stroje určené ke kompresi plynů. Na rozdíl od tepelných turbín nezačíná pracovní prostor kompresoru dýzou (statorem), ale rotorem, ve kterém se zvyšuje kinetická energie plynu (plyn se pomocí rotorových lopatek urychluje a částečně i stlačuje) a ve statoru se přeměňuje kinetická energie na energii tepelnou (zvýšení tlaku a teploty).
Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
59
Větrné turbíny transformují kinetickou energii větru na energii mechanickou. Výkony větrných turbín se pohybují od několika stovek Wattů (domácí větrné elektrárny) až po 4 až 5 MW (pobřežní větrné elektrárny). Průměr rotorů dosahují několika desítek metrů (dnes největší 142 m, výška sloupu 183 m). Jejich nasazení je vhodné v oblastech s průměrnou rychlostí větru 8 až 15 m/s (podle typu a velikosti turbíny). Změna měrné energie vzduchu při průchodu větrnou turbínou je kolem 100 J/kg.
Obr. 14. Pohled na rotor větrné elektrárny. Turbína větrné elektrárny Vestas V90, výška sloupu 105 m, průměr 90 m, instalovaný výkon 2 MW, umístění Drahany. Větrné turbíny patří mezi skupinu lopatkových strojů bez "skříně". Do této skupiny patří například i letecká vrtule nebo lodní šroub. Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
60
30
21.6.2011
Většina lopatkových strojů se skládá (z pohledu konstrukce) ze vstupní části (pracovní tekutina vstupuje do stroje), výstupní části (pracovní tekutina vystupuje ze stroje), lopatky (rotorové, statorové), hřídel rotoru, skříň lopatkového stroje, ložiska hřídele. Dále součástí lopatkových strojů bývá regulace kvality a kvantity pracovní tekutiny, olejové hospodářství apod podle typu lopatkového stroje. Kaplanova turbína: 1 vstup vody do turbíny přes spirální skříň, 2 statorové lopatkynatáčivé-regulace průtoku, 3 rotor-natáčivé lopatky, 4 savka-výstupní část, 5 radiální ložisko-zachytává síly kolmé na osu, 6 axiální ložisko-zachytává síly rovnoběžné s osou. Lopatkové stroje
ing.Jan Šritr
61
31
