Parní elektrárna Soustředění mladých fyziků a matematiků Nekoř, 13. – 27. července 2013 Vedoucí projektu: Martin Hájek Konstruktéři: Jan Šetina, Michael Němý, Adam Tywoniak
Vypracováno jako projekt Soustředění mladých fyziků a matematiků pořádaného MFF UK v Nekoři roku 2013.
1) Úvod/Anotace Za cíl našeho projektu jsme si dali sestrojit parní turbíny a generátoru, tak jak jsou používány v tepelných elektrárnách. Naší vizí bylo, vytvořit model, který bude poháněn párou a bude generovat takový proud, který by stačil na rozsvícení alespoň jedné led diody. Nejprve jsme zvažovali možnost sestrojit i vlastní parogenerátor; ale tento nápad jsme po nějaké době zavrhli. To z důvodu nedostatku času a technické náročnosti daného úkonu. Po sestavení modelu a ověření jeho funkčnosti jsme změřili některé jeho výstupní charakteristiky jako zdroje elektrické energie.
2) Popis konstrukce Nejdříve ze všeho jsme z počítačového chladiče vypreparovali samotné rotory. U každého z nich jsme měřili napětí; u velkého rotoru jsme naměřili až 8 voltů. Poté jsme samotné rotory umístili na kovovou osu. Dále jsme zjistili, že jsou rotory moc těžké a způsobují excentricitu osy. Museli jsme z nich proto vyndat magnetické pásky, které v nich byly umístěny. Po umístění na osu bylo zjištěno, že dva z dodaných rotorů jsou opačně orientované, a tak jsme zredukovali počet rotorů z původně zamýšlených šesti na čtyři.
obr 1: Zkoušení PC chladičů
Poté jsme z komínové trubky uřízli část dlouhou cca 15 cm k zhotovení těla turbíny. Museli jsme však zmenšit její průměr; a tak jsme ji rozřízli podélně, překryli nově vytvořené „strany“ přes sebe a sešroubovali je. Poté jsme je pomocí pájky a kapesního plynového hořáku připájeli k sobě. Podobným způsobem jsme připevnili i vstupní kryt kuželového tvaru.
obr 2: Výroba krytu turbíny Po provizorním namontování hřídele do roury, jsme začali s další zkouškou. Během zkoušky jsme zjistili, že páru je lepší vhánět přímo na lopatky, než přímo doprostřed rotoru; tak jak je to zkonstruováno v klasických elektrárnách. Při další zkoušce bylo zjištěno, že závitová tyč je z ložisek šroubována ven, a tudíž se netočí tak, jak by měla. (Zkoušeli jsme proto hřídel roztočit pomocí akumulačního šroubováku; hodnota zkratového proudu byla 196 mA.) Tak jsme se rozhodli, že na místě, kde byla tyč umístěna v ložiscích, tyč obrousíme. Museli jsme proto tyč zkrátit na nejmenší možnou délku.
3) Popis modelu Celý model je umístěn na dřevotřískové desce o rozměrech 36x33cm. Na desku jsou samořeznými vruty uchyceny dva kovové úhelníky a na každý je šrouby připevněno kovové kolo ze stavebnice Merkur. Jedním z vedlejších otvorů v každém kole je vedena osa celého soustrojí, kterou tvoří závitová tyč o průměru 4mm a délce 30cm. V místech, kde osa prochází otvorem v kovovém kole, je zbavena závitů, aby se při otáčení
obr 3: Detail rotoru turbíny
neposouvala. Na ose jsou uchyceny celkem 4 rotory z ventilátorů používaných k chlazení počítačů. Jako první ve směru chodu přiváděné páry je umístěn rotor o průměru 7cm, po 2cm cm jsou na ose uchyceny další 3 rotory o průměru 11cm. Toto uspořádání odpovídá podobě turbíny ve skutečné elektrárně, kde je pára nejprve přiváděna na kolo o malém průměru, tzv. vysokotlaký díl, a postupně je vedena na kola o zvětšujícím se průměru, tzv. středo- a nízkotlaký díl, který lépe využívá už nižšího tlaku v „tunelu“. -Celé soustrojí turbín je umístěno v kovovém plášti kuželového tvaru, který je šroubem připevněn k základové desce. Plášť se skládá z válcového dílu, uříznutého z komínové trubky a z kuželové části, zakrývající malé kolo turbíny. Kuželová část je vystřižena a vytvarována z hliníkového plechu a připevněna k válcovému dílu. Směrem za výstupem páry z pláště je na konci osy pevně uchyceno další kolo ze stavebnice Merkur, které tvoří rotor generátoru. Na kole jsou umístěny dva permanentní neodymové magnety. Za nimi, na nejmenší možnou vzdálenost, je umístěn generátor, který je tvořen ze třech ručně vyrobených cívek o zhruba 1300 závitech, připevněných k svislé desce. Měděný drát na cívky byl získán z demagnetizačních cívek vyřazeného televizoru. Pro rychlejší navíjení cívek byl použit akušroubovák.
obr 4: Schéma elektrárny
4) Teorie Model naší elektrárny se sestává ze dvou částí – turbíny a generátoru. Tyto komponenty jsou velmi blízce provázány. Pára získávaná z parního čističe vstupuje do turbíny, kde tlakem působí na listy rotoru. Ty jsou nuceny vykonávat rotační pohyb kolem hřídele, na kterou jsou připevněny. Vodní pára vstupuje nejdříve na menší listy(„vysokotlaká část“), dále pak na listy o větší poloměru(nízkotlaká část). Společnou hřídelí je točivý moment přenášen do generátoru- třífázového alternátoru. Zde roztáčí rotor – dva neodymové magnety. Stator je tvořen třemi cívkami vlastní výroby cca. 1300z). Ty jsou umístěny na kružnici 120° od sebe. Pomocí elektromagnetické indukce dochází k vzniku napětí na koncích cívek. Na cívkách je indukován třífázový proud. Rotor postupně indukuje napětí na jednotlivých cívkách. Fázový rozdíl jednotlivých napětí je pak shodný s úhlovou vzdáleností jednotlivých cívek - 120°. Cívky jsou zapojeny do hvězdy; jeden konec každé cívky je veden do společného uzlu – země. Toto spojení funguje díky fázovému rozdílu, neb se hodnoty indukovaného napětí odečte na nulu. Na zbylých třech koncích získáme zapojením proti zemi požadované tři fáze. Ty poté usměrňujeme přes tři diody a vedeme společným vodičem k šesti paralelně zapojeným LED-diodám. Těm je předřazen ochranný rezistor o odporu 22 Ω. Viz obr 5.
obr 5: Schéma zapojení
5)Naměřené hodnoty naší soustavy Pomocí zařízení Vernier LabQuest a sondy Photogate jsme změřili frekvenci otáčení rotoru naší elektrárny. To jsme učinili tak, že jsme na rotor umístili referenční papírek, sonda poté počítala kolikrát se kolem ní otočil za jednotku času. Frekvence našeho zařízení byla 12Hz. Dále jsme také měřili hodnoty výstupního napětí a proudu. Ty činily 85mA a 3V.
6) Problémy a jejich řešení Excentricita osy Řešeno zkrácením osy na nejmenší možnou délku. Nedostatečně pevné uchycení pláště turbíny na základovou desku Řešeno aplikací lepidla tavnou pistolí do místa spoje šroubu s dřevěným kvádrem na desce. Později připevněním pomocí drátku k pracovní desce. Nepevný spoj válcové a kuželové části pláště Kuželová část pláště turbíny je z hliníku, nelze tedy na ní pájet (jak jsme se ostatně přesvědčili). Spoj je tedy vyztužen pomocí tavné pistole. Ztráta energie třením osy v úchytu Řešeno přesunutím osy do jiného než středního otvoru v kole, odstraněním závitů z příslušného úseku osy a aplikací mazacího tuku na bicykly do místa uchycení. Nízký tlak páry Řešeno přesunutím přívodu páry co nejblíže k lopatkám malého rotoru → změna oproti původnímu plánu, kdy jsme počítali s přidáním přívodního dílu z novodurové trubky před plášť turbíny. Nízké výstupní napětí Původně proud usměrňován pomocí Graetzova zapojení pro třífázový proud s kondenzátorem. Kvůli nízkému výstupnímu napětí odstraněn kondenzátor, později celé Graetzovo zapojení s šesti diodami nahrazeno jednodušším tří diodovým usměrňovačem. Ztráta energie působením magnetu rotoru na turbínu Řešeno přidáním hliníkového stínění na zadní stranu rotoru.
obr 6: Konečná verze generátoru
7)Závěr Během deseti dní jsme nejen vyrobili funkční model parní elektrárny, na kterém jsme si mohli v praxi ověřit znalosti získané středoškolským studiem, ale i jsme se přiučili mnohým novým znalostem.
8)Zdroje [online]. [cit. 2013-07-23]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_turbine JAROSLAV, Reichl. Generátor střídavého proudu. [online]. [cit. 2013-07-23]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/324-generator-stridaveho-proudu [online]. [cit. 2013-07-23]. Dostupné z: http://img.ehowcdn.com/article-new/ehow/images/a05/4s/fi/types-steam-turbines800x800.jpg [online]. [cit. 2013-07-23]. Dostupné z: http://www.co2crc.com.au/images/imagelibrary/cap_diag/steam-turbine_media.jp g
