VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NÁVRH SPALOVACÍ TURBINY PRO OSOBNÍ AUTOMOBIL DESIGN OF GASTURBINE FOR CAR

Transkript

1 VYSOÉ UČENÍ EHNIÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSIY OF EHNOLOGY FAULA SROJNÍHO INŽENÝRSVÍ ENERGEIÝ ÚSAV FAULY OF MEHANIAL ENGINEERING ENERGY INSIUE NÁVRH SPALOVAÍ URBINY PRO OSOBNÍ AUOMOBIL DESIGN OF GASURBINE FOR AR DIPLOMOVÁ PRÁE MASER S HESIS AUOR PRÁE AUHOR VEDOUÍ PRÁE SUPERVISOR Bc. AMILA ŠÍBLOVÁ Ing. JIŘÍ ŠORPÍ, Ph.D. BRNO 0

2

3

4

5 ABSRA ato dilomová ráce ojednává o salovací turbině, jejím návrhu, zracování a využití. Dilomovou ráci je možné omyslně rozdělit do tří částí. První část je zaměřena na teoreticky získané oznatky z oboru salovacích turbin a jejich využití. Druhá část řeší návrh salovací turbiny a její nedílné součásti. Ve třetí části je uvedena ředokládaná charakteristika salovací turbiny. Součástí ráce je také říloha, ve které je zařazena technická dokumentace. LÍČOVÁ SLOVA Salovací turbina, turbina, salovací komora, komresor, výměník tela, automobil ABSRA his diloma thesis deals about the combustion turbine, design, rocessing and utilation. his work can be divided into three arts. he first art focuses on the theoretical knowledge gained in the field of gas turbines and their alications. he second art addresses the design of combustion turbine and its integral art. he third section describes the exected characteristics of combustion turbines. he work also includes the annex, which includes the technical documentation. EY WORDS Gas turbine, turbine, combustion chamber, comressor, heat exchanger, car

6

7 ŠÍBLOVÁ,. Návrh salovací turbiny ro osobní automobil. Brno: Vysoké učení technické v Brně,, 0. XY s. Vedoucí dilomové ráce Ing. Jiří Škorík, Ph.D..

8

9 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem dilomovou ráci na téma Návrh salovací turbiny ro osobní automobil vyracovala samostatně s oužitím odborné literatury a ramenů uvedených na seznamu, který tvoří řílohu této ráce a od odborným dohledem Ing. Jiřího Škoríka, Ph.D.. V Brně dne: amila Šíblová

10

11 PODĚOVÁNÍ htěla bych tímto oděkovat Ing. Jiřímu Škoríkovi, Ph. D. za odborné vedení a řiomínky, které mi omohly ři vyracování této dilomové ráce.

12

13 OBSAH Úvod... Salovací turbina...5. Historie...5. Rozdělení salovacích turbin...6. Princi činnosti Vliv tlakových ztrát Zvýšení účinnosti Regenerace tela Mezichlazení stlačeného vzduchu Dodatečné salování....6 Využití salovacích turbin V lokomotivách ohonu lodí V letadlech V automobilech...7 Návrh salovací turbiny...9. Ideální oběh...9. Návrh komresoru Vstuní část Oběžné kolo Bezloatkový difuzor (BLD) Výstuní soustava...5. Energetická bilance salovací komory Návrh turbiny Oběžné kolo Bezloatkový rozváděč Vstuní část Výměník - rekuerátor...67 Mazací systém Předokládaná charakteristika turbiny Výkonová charakteristika turbiny Metoda van Millingerova harakteristika turbiny Závěr Literatura Seznam symbolů Seznam říloh Přílohy...9

14

15 Úvod ílem ráce s názvem Návrh salovací turbiny ro osobní automobil je odání uceleného řehledu o historickém vývoji těchto turbin a jejich reálném uvedení do raxe. Nedílnou součástí této ráce je samotný návrh včetně technické dokumentace. V rvní části je řešen ideální Braytnův oběh bezeztrát. Následně je očítáno s říadem, kdy komresor nasává větší množství vzduchu, což zůsobí snížení sotřeby aliva a snížení teloty salin za salovací komorou. ento říad je zvolen z důvodu lešího chlazení loatek salovací turbiny. Následně jsou uvažovány konkrétní údaje týkající se termodynamických výočtů. Při výočtech jsou uvažovány loatky, ro něž je maximální telota v rovozu 60. ato telota byla stanovena vzhledem ke konstrukci loatek. Další část je věnována návrhu celé soustavy. Pro návrh soustavy je uvažováno s komresorem, salovací komorou a turbinou. Pro komresor je očítáno s komresním oměrem 4. U salovací komory jsou očítány hrubé rozměry dle literatury. Hodnoty turbiny jsou závislé na výočtech výše zmíněných komonentů, řičemž je uvažováno s výfukem salin do okolní atmosféry. Aby bylo možno zvýšit účinnost turbiny, je řešen rekuerátor, který slouží k regeneraci tela. Následující částí ráce je mazací systém. Zde jsou oznatky brány z oboru leteckého růmyslu. Jako nejvhodnější se jeví umístit mazací systém vně celého soustrojí. V nesolední řadě ráce řeší technickou dokumentaci a charakteristiku samotné turbiny. Salovací turbina funguje na rinciu stlačení vzduchu v komresoru a následném zažehnutí ve salovací komoře omocí vstřiku aliva. Vzduch do komresoru je nasáván z okolního rostředí. Jako alivo bývá zravidla oužíván zemní lyn, nafta oříadě benzin. Pro tento návrh je uvažováno běžně dostuné alivo Natural 95.

16 4

17 Salovací turbina Salovací turbina, která je častěji označována jako lynová turbina, ředstavuje teelný stroj. ento teelný stroj mění teelnou energii roudících lynů a mechanickou energii na mechanickou ráci. Mechanická ráce osléze roztáčí hřídel. Pracovní látkou takovéhoto teelného stroje jsou saliny, které vzniknou salováním aliva ve salovací komoře. Pracovní médium, tedy alivo, se saluje díky vzduchu. Samotný nasávaný vzduch je řed tím stlačen v komresoru. Po sálení směsi vzduchu a aliva vzniklé saliny ředávají svoji kinetickou energii loatkám turbiny. Samotná salovací turbina je řazena mezi salovací (reaktivní motory) s tzv. vnitřním salováním. Vnitřním salováním rozumíme salovací komoru, která je součástí salovací turbíny.. Historie Porvé byla salovací turbina atentována atrně roku 79 a to jistým Angličanem Johnem Barberem. ento muž byl známým vynálezcem, který se narodil v Nottinghamshire v Anglii. Patentoval několik vynálezů z nichž nejznámější byla zmiňovaná salovací turbina. Barberova turbina měla sálit lyn získávaný z uhlí, oleje, dřeva či jiných látek, které byly ohřívány. Vzduch solečně s lynem byl ak stlačen do různých válců a umován do výbušníku (salovací komory). V komoře docházelo k exlozi této směsi a horký lyn byl ak hnán na loatky umístěné na kole. Do výbušné směsi se vstřikovala voda, která sloužila jako chlazení ústí komory. Obr...: Náčrt atentu Barbera [] Praktického využití se salovací turbina dočkala až o mnoho let ozději. Dr. Sanford Moss ve Sojených státech Amerických roku 90 zavedl do rovozu ro ístový motor rvní lnící dmychadlo, jenž bylo oháněno lynovou turbinou. Úlně rvotní salovací 5

18 turbina byla zkonstruována ařížskou firmou Société anonyme des urbomoteurs roku 905. urbina fungovala v rovnotlakém salování tzn. turbina, jak ji nejčastěji známe v současné době, ovšem s účinností ouhá % s alivem ve formě etroleje. onstruktérem byl Armangeu a Lemal. Firma své zkušenosti dále rozvíjela a využívala je ro toréda, kde ro jejich ohon konstruovala malé turbiny. Dalším milníkem se stal rok 909, kdy inženýr Holzwarth sestavil salovací turbinu, která salovala za konstantního objemu. Vycházel ze skutečnosti, že výbušné tedy eriodické salování má oroti rovnotlakému salování vyšší teelnou účinnost. onečná účinnost jeho soustrojí dosáhla okolo 4%, ale kvůli technickým komlikacím se oužívala a oužívá ouze ojediněle. Později byly turbiny oháněny výfukovými lyny leteckého motoru ro ohon turbokomresoru. Nejznámější firmou na výrobu těchto turbin byla francouzská Rateau, která ůsobila na trhu koncem rvní světové války. Salovací turbiny si našly ulatnění i v jiných odvětvích jako nař. stavba lodí. V tomto odvětví se nejdříve oužívaly arní a ozději lynové turbiny. Dále byla salovací turbina využívána ro lokomotivy. Mezi další ulatnění sem atří výroba lokomotiv. Velice říznivé ulatnění salovacích turbin bylo nalezeno v energetice. Počátky jsou atrné od roku 9, kdy se díky zkušenostem ana Holzwartha s turbinami švýcarská firma Brown Boweri & ie rozhodla sestavit jednotku ro salování kychtového (vysokoecního) lynu. vedlejším výsledkům ak atřila konstrukce arního generátoru Velox. Salovací turbinové soustrojí vedlo ke zbudování elektráren ro šičkové odběry. Jednou z rvních se stala šičková elektrárna ve švýcarském Neuchatelu. Byla zbudována firmou Brown Boweri & ie v rozmezí let a její výkon byl 4 000kW. Obrovským zklamáním se ukázala turbina, jenž měla salovat rozdrcené uhlí na rášek. urbiny tohoto tyu by teoreticky mohly mít díky své snadné dostunosti, lacinému alivu a bezečnosti obrovský význam ve všech oborech. Ovšem rakticky bylo zjištěno, že dosud neexistuje materiál, který by bezrostředně odolával vysokým telotám a intenzivnímu otěru oílkem ve salinách. Salovací turbiny, jakožto hnací stroje, získaly svůj ohlas ve všech oblastech, ve kterých našly ulatnění. Mezi výhody atří malá hmotnost vůči výkonu či vysoká účinnost sjatá s růstem telot a tlaků. Hlavní nevýhodou je malý kroutící moment, díky čemuž není možné dosáhnout otřebného rozběhu.. Rozdělení salovacích turbin Základní rozdělní je z hlediska řívodu racovního lynu: - obarické (rovnotlaké) racovní lyn vstuuje do turbiny ři konstantním tlaku - ochorické (objemové) racovní lyn vstuuje do turbiny v nárazových dávkách tzn. v imulsech Další možné rozdělení je z hlediska směru roudění lynu v turbině: - axiální lyny roudí ve směru rovnoběžném s osou otáčení turbiny 6

19 Obr...: Axiální - radiální lyny roudí ve směru kolmém na osu otáčení turbiny Obr...: Radiální V neoslední řadě je možné turbiny rozdělit odle využití výstuní áry: - kondenzační na výstuu turbiny nalezneme kondenzátor, umístěný buď za turbinou, od ní a nebo nař. u vzduchových kondenzátorů ve vzdálenějším místě - turbina - kondenzátor Obr...: ondenzační turbina - rotitlaká na výstuu turbiny nalezneme arovod nebo kondenzátor, jehož tlak kondenzace je vyšší než 0, MPa 7

20 arovod Obr...4: Protitlaká turbina - odběrová část áry o exanzi se odebírá za stuněm jiným, než je oslední stueň turbiny, odběrů může být více a mohou být regulované i neregulované a Obr...5: Odběrová turbina (a regulovaný odběr, b neregulovaný odběr) b. Princi činnosti Salovací turbina se skládá z komresoru, který slouží ke stlačení nasávaného vzduchu. Dalším rvkem je salovací komora, kde hoří stlačený vzduch z komresoru solečně s alivem a vznikají saliny. Poslední částí je turbina, jejíž loatky jsou oháněny vzniklými salinami. alivo S komresor S salovací komora - turbina 4 Obr...: Schéma salovací turbiny Nejrve se komresorem, jenž je obvykle řešen jako loatkový turbokomresor, nasaje vzduch z atmosféry. V komresoru je vzduch stlačen na vyšší tlak což dorovází i vzestu teloty. akto stlačený vzduch se řivádí do salovací komory, do níž je růběžně vstřikováno alivo. Palivem může být lyn či kaalina. Ve salovací komoře dochází k hoření 8

21 této směsi stlačeného vzduchu s alivem a vznikají saliny. Díky hoření dochází k odstatnému zvýšení teloty salin. yto saliny se osléze vedou na loatky turbiny, kterou ohání. Energie vzniklá sálením aliva je z velké části teelnou energií salin, kterou dolňuje kinetická energie salin. Část získané energie ze salin je řeměněna na loatkách turbiny na mechanickou energii, která roztáčí rotor turbiny. Část této mechanické energie je odvedena hřídelí a další část je oužita na ohon komresoru. Neatrná zbývající část zůstává jako teelná a kinetická energie salin. Velmi dobře nám tento děj oisuje tzv. Braytnův cyklus. [MPa] q q řivedené telo q o odvedené telo 4 q o v [m kg - ] Obr...: Braytnův cyklus Salovací turbiny se v běžných konstrukcích objevují ve dvouhřídelovém a vícehřídelovém rovedení. Často se také zaojují jako vícetělesové turbiny. edy více turbin se zaojí za sebou, řičemž jeden stueň tvoří jedno oběžné kolo. U těchto říadů má ale každý stueň jiné charakteristiky loatek, díky jiným arametrům vstuujících lynů..4 Vliv tlakových ztrát lakové ztráty jsou zůsobeny malými růtočnými růřezy, které vedou k vysokým rychlostem a tedy i velkým tlakovým ztrátám. [] Obr..4.:Vliv tlakových ztrát s [kj kg - - ] 9

22 .5 Zvýšení účinnosti V nynější době se ke zvýšení účinnosti salovací turbiny využívají tři rvky: - Regenerace tela - Mezichlazení stlačeného vzduchu - Dodatečné salování.5. Regenerace tela výfuk výměník b a [] S alivo 4 a b 4 Účinnost sání Obr..5..: Salovací turbina s rekueračním výměníkem s [kj kg - - ] a η reg (.5..) 4 Při tomto zvýšení teelné účinnosti se využívá ohřátí racovního lynu. Odváděné telo výfukem využívá rekuerační výměník ke zvýšení teloty vzduchu vstuujícího do salovací komory. Zvýší se teloty lynu a naoak se sníží otřebné množství tela na ohřev lynu řed turbinou. Díky výměníku tela se teelná účinnost turbiny zvýší o 5 až 6%. Mezi nevýhody atří vysoké rovozní náklady teelných výměníků. Výměníky totiž musejí odvádět teloty 500 až 000. aké zástavbový rostor ro rekuerační výměník je jistou nevýhodou. ohoto systému je využíváno nař. u amerického tanku Abrams M. 0

23 Obr..5..: ank Abrams M [].5. Mezichlazení stlačeného vzduchu Jedná se o další metodu, která vede ke zvýšení teelné účinnosti turbiny. ato metoda sočívá ve snížení odběru výkonu komresorem. omresor se rozdělí na dva stuně a mezi ně se zařadí chladič vzduchu. Samotná turbina ohánějící komresory je také rozdělena na dva stuně. Stlačený vzduch lze chladit nař. náorem okolního vzduchu. Pro vodní lavidla je častěji ro chlazení volena voda. vzduch / voda [] a chladič b c S alivo výfuk 4 sání c b a s [kj kg - - ] Obr..5..: Salovací turbina s mezichlazení stlačeného vzduchu Mezichlazení obvykle bývá oužito s dalšími rvky, většinou s regenerací. Jsou zde tlakové ztráty a zvýšený výkon v alivu, což vede k větší salovací komoře.

24 .5. Dodatečné salování Jednou z osledních využívaných možností ke zvýšení účinnosti v dnešní době je zvýšení salovací teloty na co nejvyšší možnou telotu. Při exandování salin na turbině dochází k oklesu teloty salin. Pokud salovací turbina racuje s řebytkem vzduchu, naskýtá se možnost dohřívat exandované lyny dodatečnou dávkou aliva. vůli technické náročnosti se kontinuální dohřívání neoužívá. V raxi se častěji oužívá rozdělení turbiny na dvě části a zařazení řídavné salovací komory. V řídavné salovací komoře jsou saliny, jdoucí z jedné části do druhé, oět ohřívány. Díky tomuto zůsobu dochází k navýšení účinnosti turbiny o až %. S a S b [] výfuk alivo alivo c b a 4 c sání Obr.5..: Salovací turbina s dodatečným salováním s [kj kg - - ] Salovací komora musí řisávat velké množství kyslíku. Mezi nevýhody atří tlakové ztráty, emise a ztráty únikem tela do okolí..6 Využití salovacích turbin.6. V lokomotivách Porvé byla lynová turbina u lokomotivy oužita ve 0. létech minulého stolení u německých výrobců lokomotiv. Lokomotiva však měla náročnější údržbu, tudíž se řešení neujalo. dalšímu rozvoji dochází ve 40. létech 0. století, kdy bylo možné ostavit lynovou turbinu s vhodnými arametry. Výše zmíněné skutečnosti vedly ke vzniku turbinové hnací jednotky, která obsahuje lynovou turbinu solečně se zdrojem lynů, jež slouží k jejímu ohonu. Salovací turbinou je ozději označováno soustrojí tvořené lynovou turbinou, která neslouží ouze jako ohon lokomotivy, ale ohání i axiální komresor. Jako alivo se hojně oužíval těžký toný olej. V 50. létech byl levný, jelikož se jednalo o zbytkový rodukt ze zracování roy. Několik rototyů lokomotiv v USA bylo konstruováno na ráškové uhlí. Zavedení systému se salovací turbinou tvořilo náhradu za arní lokomotivy. V Evroě se do konce roku 960 ostavilo až 8 rototyů lokomotiv se salovací turbinou, řičemž jisté modely se daly využít i v rovozu. Lokomotivu se salovací turbinou vyrobila jako rvní v České Reublice lzeňská firma Škoda. V době výroby měla firma název Závody Vladimíra Iljiče Lenina. urbina měla dvouhřídelové rovedení, řičemž byla rozdělena na dvě části. Jednou byla hnací část turbiny neboli ohon lokomotivy a druhá část byla regenerační, která sloužila k ohonu axiálního

25 komresoru. Obě části turbiny byly umístěny na jediném tělese. Hnací hřídel měla vhodný růběh kroutícího momentu a umožňovala i mechanické řenosy výkonu díky oklesu otáček hnací turbiny. Vývoj začal v roce 954 a lokomotiva měla být ředstavena až v Bruselu na výstavě v roce 958. ato lokomotiva byla rvní odvozkovou skříňovou lokomotivou své vlastní koncece. Obr..6..: Lokomotiva vyrobené firmou Škoda Plzeň [7].6. ohonu lodí Loď je druh lavidla, které slouží jako doravní rostředek. Většinou slouží ro ohyb na vodní hladině, ale může v různých zvláštních říadech sloužit i od hladinou. Nejdříve byla využívána k ohonu lodí arní turbina. Postuem času se řešlo na výhodnější lynovou turbinu. Plynová turbina má menší hmotnost a rozměry oroti turbině arní. Z tohoto důvodu se lynová turbina stala více využívanou. Plynová turbina vynikala i z ohledu mobility. Parní turbina dokáže loď dostat na svoji maximální rychlost během čtyř hodin, kdežto lynové turbině se to odaří za řibližně tři minuty. Plynová turbina oroti salovacím motorům nemá tak vysoké nároky na kvalitu salovaného aliva. Měla jednoduchou údržbu a okud nastala orucha, bylo možné celou turbinu vyměnit během krátké doby. Mezi nevýhody lynových turbin v lodní doravě atřila její malá účinnost otažmo velká sotřeba aliva. ato skutečnost byla dána nízkými telotními sády. Mezi další nevýhody atřila velká hlučnost a vysoké otáčky. Z těchto důvodů se dnes na lodích oužívají řevodovky, které mají velký řevodový oměr. Nejdříve se lynová turbina oužívala solečně se vznětovým motorem. Jejím úkolem bylo řelňovat vznětový motor, což vedlo ke zvýšení výkonu sestavy. V dnešní době se turbina oužívá samostatně. Neslouží ouze k roztáčení lodního šroubu, ale i k výrobě elektrické energie. V lodích se využívají dva tyy okruhů a to uzavřený a otevřený. V uzavřeném je okruh s racovním lynem oddělen od okruhu salovacího, tudíž salovací komora funguje jako výměník. Otevřený okruh atří u lodí k oužívanějším. Salovací komora nezaujímá funkci výměníku, nýbrž horké výfukové lyny jsou vedeny římo na turbinu. Nenalezneme zde tedy dva okruhy, ale ouze jeden.

26 Lodě se salovací turbinou se vyskytují hlavně na malých vojenských lavidlech a také u kontejnerových velkých lodí s hmotností tun. Je tedy zřejmé, že salovací turbina se volí k ohonu lodí, u kterých je zaotřebí rychlá řiravenost k vylutí. V ohledu na ostatní lodě, se oužívá jen zřídka, což je dáno velkou sotřebou turbiny. Obr..6..: Queen Mary II [4].6. V letadlech Plynové turbiny, roudové stroje a další si našly zalíbení i v rozvoji letectví. Jako rvní uveřejnil své myšlenky ohledně salovacích turbin anglický inženýr Frank Whittle roku 90. éhož roku si je nechal také atentovat. Ovšem k raktickému úsěchu došlo až o ár let ozději, roku 97. ohoto roku byla orvé testována rvní salovací turbina oužitelná v letectví. V Americe fungovaly ve druhé olovině 0. let dvě firmy, které se soustředily na arní a lynové turbiny. V dnešní době se lynové turbiny běžně oužívají v letadlech různých tyů: - turbokomresorové (jednoroudové) - jedná se o nejjednodušší rovedení turbinového motoru; složení odovídá generátoru lynů a trysky; generátor lynů obsahuje komresor, salovací komoru a turbínu. Obr..6..: urbokomresorový motor [9] - rvní ocházejí ze 0. let; byly oužity i v bojích ve druhé světové válce. - ři nízkých rychlostech letu racují s malou účinností 4

27 - turbovrtulové - vznikly ro malé letouny - ři rychlostech km h jsou efektivnější než turbokomresorové, ovšem efektivnost klesá s rychlostí od 550km h - obsahuje generátor lynů, navíc obsahuje reduktor otáček solečně s vrtulí; vrtule je oháněna stávající či vlastní turbinou; z čehož je atrná snaha o využití veškeré energii salin - k rozšíření došlo v rvní olovině 50. let na bombardovacích a transortních letadlech; během několika desítek let došlo k většímu zařazení i v civilních letadlech; není zde rioritou vysoká rychlost, nýbrž ekonomická úsornost rovozu letadla Obr..6..: urbovrtulový motor [9] - turbohřídelové - jedná se o obdobu ředcházejícího turbovrtulového motoru, ovšem není zde římé naojení vrtule; vystuuje z řevodovky ouze hřídel na niž se řiojí hnací ústrojí ro danou sestavu - k rozvoji došlo koncem 50. let s rozmachem moderních vrtulníků Obr..6..: urbohřídelový motor [9] - turbodmychadlové (dvouroudové) - kombinace ekonomických turbovrtulových motorů ři nízkých rychlostech a efektivních turbokomresorových motorů ři vyšších rychlostech - generátor lynů zůstává zachován, ale řídavkem je turbina a nízkotlaký komresor - nízkotlaký komresor je umístěn řed generátorem lynů - turbiny jsou umístěny za sebou, kdy druhá turbina ohání nízkotlaký komresor s využitím části zbylé energie lynů; vzduch z nízkotlakého komresoru částečně roudí do středu motoru, zbytek roudí kolem středu; ve výstuní trysce je urychlen, díky čemuž dojde k tahu; často se tyto motory konstruují s řídavným salováním - nízkotlaký komresor je označován jako dmychadlo 5

28 - mají mnoho výhod oroti turbokomresorovým motorům nař.: omalejší výstuní lyny, více rotékajícího vzduchu, okles sotřeby aliva, okles teloty výstuních lynů, okles hlučnosti - začalo se uvažovat s novým arametrem nazvaným jako obtokový oměr; jedná se o oměr mezi vnějším a vnitřním roudem vzduchu - na letadlech se objevily v olovině 60. let, většího rozvoje dosáhly v 70. letech - od 80. let se tyto motory staly standardem u letadel a doosud jsou nejvýhodnější ro letadla dosahující rychlostí km h - rozatím se mezi novinky v této konceci řadí nízkotlaký komresor s rotiběžným dmychadlem; jde o římé sojení hřídele s rotory turbin - je tedy zřejmé, že se nejedná římo o dvouroudový motor, ale i řes to dosáhne rychlosti až 800km h a efektivnost naroste o 5 0% oroti turbodmychadlovým s vysokým obtokovým arametrem Obr..6..4: Motor s rotiběžným dmychadlem [9] - rofan - jde o složeninu ze slov ro vrtule a fan dmychadlo - je to další varianta turbovrtulového a dvouroudového motoru - nejvyšší efektivnosti dosahuje ři rychlosti 900km h, řičemž se jedná o mezní rychlost; díky tomu snadno nahrazují ředchozí tyy motorů - mají velmi široké listy, ouze jednu turbinu a vrtule se točí roti sobě, což zůsobuje reverzor Obr..6..5: Profan s rotiběžnými vrtulemi [9] 6

29 .6.4 V automobilech V automobilovém růmyslu se salovací turbina začala objevovat v 5. létech 0. století. Jako rvní s náadem salovací turbiny v automobilu řišli Robert afka solečně s Robertem Engersteinem. ito dva inženýři dosěli ouze k rojektu v aírové odobě. Rover Mezi rvní konstruktéry atřil Angličan F. R. Bell se svým rvním osobním automobilem v britské automobilce Rover. Vůz měl název Jet a byl oháněn salovací turbinou. Automobil byl vyroben roku 950, byl dvoumístný a turbina byla umístěna římo za sedačkami. Vzduch do turbiny byl nasáván z bočních stran auta a výfuk byl situován do vrchní části na zádi auta. Maximální otáčky byly 50000ot min a maximální možná dosažitelná rychlost byla 40km h. Jako alivo bylo možné využít naftu, etrolej, oříadě benzin. Ovšem automobil nebyl nikdy sériově vyráběn, kvůli své vysoké sotřebě aliva. Proto byl nakonec vystaven jako exonát v londýnském Science muzeu. Fiat Obr..6.4.: Automobil Jet [] Mezi další velikány, kteří vyráběli tyto druhy automobilů atřila firma Fiat. V roce 954 ředstavila na autosaloně v uríně studii sortovních vozů, které byly oháněny salovací turbinou nazvanou urbine. Vývoj tohoto stroje začal již v roce 948, ale orvé byl vyzkoušen v roce 954 na zkušebním oválu dráhy Lingotto. Jednalo se o motor, který měl dva turbinové komresorové stuně solu s hnací turbinou o výkonu kw ři otáčkách 000ot min. Přímo na zadní kola byl řiváděn výkon motoru a to řes redukční řevodovku. Automobil dosahoval rychlosti až 50km h, což bylo zůsobeno jeho skvělou aerodynamikou. oncet toho sortovního automobilu byl odvozen od jiného sortovního rototyu značky Fiat 8 V. urbine měla nezávisle zavěšená kola a trubkový rám. Stejně jako u ředchozího tyu skončil tento automobil v automobilovém muzeu a to v uríně. Důvodem byla velká sotřeba aliva, ale nejen kvůli tomuto jednomu roblému. ím hlavním byly roblémy s řehříváním vozu. 7

30 Obr..6.4.: Automobil urbine [] General Motors Sojené státy americké nebyly zemí, která by zůstala v ozadí a objevily se tedy firmy General Motors a hrysler. Firma General Motors řichází mezi léty 95 až 959 s automobilem označeným názvem Firebird. Automobily s tímto označením byly vyvinuty tři řady a to Firebird I, Firebird II a Firebird III. Automobilka General Motors se nechala k tomuto rojektu insirovat roudovými letouny. Hlavním cílem nebylo dosahování nejvyšších rychlostí či vynikajících výkonů. Zaměřili se na možnost využití vozidel s tímto druhem ohonu v běžně oužívaných vozidlech. Firebird I oncem roku 95 navrhl tým vývojářů jednosedadlový Firebird XP-. S ostuem času došlo ke změně označení vozidla na Firebird I. Vůz byl ředstaven o rok ozději na výstavě Motorama v New Yorku. Na této výstavě se stal bezkonkurenční hvězdou, díky svým neobvyklým tvarům. Návrhář se nechal v designu vozu insirovat roudovými letouny. Insiraci získal u letounu tyu Douglas Skytat F4D. Proto se u Firebirdu často o výlň ozadí starají hlavně americké tryskáče. 8

31 Obr..6.4.: Automobil Firebird I [4] Příď automobilu byla situována do kužele, ve kterém byla umístěna alivová nádrž. Palivem byl letecký kerosen. Na bocích se nacházely vzduchové vstuy, od kterých se deltovitě roztahovala křídla dozadu a tvořila kryty kol. Mezi rysy tohoto vozu atřila i ocasní svislá locha, jenž zajišťovala směrovou stabilitu ři možných vysokých rychlostech. Nad sedadlem řidiče se tyčil bublinový kryt. Nasedání do úzkých rostor za volantem umožňovalo boční vykloení střední části. Model vozu a jeho aerodynamika byly vyzkoušeny v alifornském institutu. Pohon automobilu zajišťovala turbina Whirlfire urbo Power, která byla vyrobena ze dvou mechanicky nezávislých částí. První částí bylo zlyňovací zařízení a druhou samotná turbina. Zlyňovací zařízení tvořilo zdroj horkého stlačeného lynu ro turbinu. Přes dvoustuňovou řevodovku se ak výkon řenesl na zadní kola. Maximální možný dosažený výkon činil 7 kw. Brzdy byly oužity bubnové, umístěné na vnější straně kol. oto umístění bylo zvoleno z důvodu lešího chlazení. elý brzdný systém byl navíc odorován brzdícími klakami umístěnými vzadu na vodorovném křídle. onstruktéři se také snažili o dosažení nejvyšší možné rychlosti. Problém nastal ři rychlostech vyšších než 6km h, kdy kola ztrácela římý styk s vozovkou. Z těchto důvodů se od testů o několika haváriích uustilo. Firebird II ento ty je charakteristický svými raktickými tvary. U tohoto vozu se již jedná o čtyřmístný model. abina je seshora rosklená a v mnohem širším rovedení než u ředchozího tyu. Vzduch je nasáván v řídi a to ve dvou vstuech. Jako materiál konstruktéři uvolili titan. Stále se drží svého tyického designu, což je zadní svislá ocasní locha. urbinový motor G-04 ovšem změnil olohu zezadu doředu. Pracovní telota lynu byla díky výměníku snížena o 500 a snížila se i raidně sotřeba aliva. Výkon se oněkud snížil a to na 47 kw, což však bylo vykomenzováno oužitím v běžném rovozu. Všechna kola měla nezávislá zavěšení a orvé byly oužity kotoučové brzy na rozdíl od ředchůdce. 9

32 Obr : Automobil Firebird II [4] Firebird III Poslední z rototyů Firebird III byl vyroben v roce 958 a ředstaven o rok ozději 959 na výstavě Motorama. Automobil byl řes 6 metrů dlouhý a měl velmi nízko usazenou říď, která byla zakončena úzkou štěrbinou robíhající celou šířkou vozu. Jednalo se o dvoumístný model, kde solujezdec i řidič měli svůj vlastní kokit ve tvaru kaky. Záď už neměla ouze tyickou jednu svislou směrovku, ale objevila se další čtyři vodorovná křidélka a dvě zešikmená. Důvod jejich zařazení a umístění vznikl ze zkoušek rováděných ve větrném tunelu. Pohon tvořila lynová turbina Whirlfire G-05 solečně se dvěma regeneračními výměníky tela. Výměníky zajistily snížení sotřeby aliva až o neuvěřitelnou oroti tyu Firebird I. urbina měla výkon 65 kw. čemu byl navíc řidán malý desetikilový benzinový dvouválec. en zabezečoval chod veškerého říslušenství vozu. Už se objevují navíc i další rvky jako nař. temomat, klimatace, ultrazvukové dálkové otevírání dveří, systém sloužící k zabránění blokování brzd či systém zabraňující koli s jiným vozidlem. Mezi netradiční atřila konzola s joystickem umístěná mezi řidičem a solujezdcem. ato sestava umožňovala řidiči nebo solujezdci řídit vůz, jeho akceleraci a brzdění ouhou jednou rukou. Síše než jako klasický automobil se tedy tenhle ty dal řídit jako letadlo. Byla zde i možnost řídit vozidlo automaticky řes alubní očítač. 0

33 Obr : Automobil Firebird III [5] General Motors se vrací zět s lynovou turbinou oužitou v automobilu v roce 99. Použita byla v hybridním voze EV-. Jednalo se o automobil s výkonem 40 kw a dosahoval maximální rychlosti 8km h. Plynová turbina byla zdrojem energie ro alternátor a ten oháněl baterie elektrického ohonu. urbina byla jednohřídelová s APU (omocnou hnací jednotkou) umístěná v zavazadlovém rostoru. Mohla salovat různé tyy vysokooktanových aliv. Pokud kaacita baterií klesla od 40% automaticky se souštěla APU. Vůz také obsahoval rekuerátor. Palivové nádrže měly objem 4,6l a sotřeba činila,4l 00km až,9l 00km. Sotřeba se odvíjela od oužitého aliva. Zrychlení z 0km h na 00km h automobil dosáhl za 9 s. ento vůz však nebyl schoen komerčního využití. Obr : EV- Hybrid [0] O ár let ozději v roce 006 řichází Generela Motors ve soluráci s Jay Leno s koncetem EcoJet. Vůz s lynovou turbinou oužíval jako alivo bionaftu. urbinu LS0 zkonstruovala firma Honeywell a běžně bývá oužívána v helikotérách. Výkon turbiny byl 478,074kW. Na rozdíl od ostatních koncetů, tento vůz nesloužil ouze k výstavním účelům,

34 ale také k jízdě o komunikacích. Vůz je dvousedadlové kué se dvěmi oddělenými nádržemi. Jedna nádrž obsahovala bionaftu ze sojového oleje a druhá běžné alivo tryskových motorů. Palivo oužívané u tryskového motoru bylo v tomto říadě určeno ke souštění motoru a na konci jízdy k vyčištění motoru od bionafty. Bionafta má tendenci zasleovat turbinu, jestliže od ní není vyčištěna. Auto je oháněno rafinovaným olejem oužívaným na vaření. ato skutečnost je zřejmá z aroma výfukových lynů. Dalo by se řirovnat k obyčejným smaženým hranolkům. Vůz je lně vybaven omocí Agentek P se systémem Microsoft Windows Vista, dvěmi LD obrazovkami na řístrojové desce. Jedna má na sobě digitální budíky ve stylu jaké oužívají letadla a druhý je ro média, navigaci atd. Automobil nemá zětná zrcátka, jejich funkci je nahrazena dalšími dvěmi LD disleji. elý vůz je zasazen do uravené karoserie vozu orvette Z06. Má hliníkový rám s komonenty z hliníkových oříadě hořčíkových struktur a odvozek auta je z uhlíkových vláken a kevlaru. hrysler Obr : GM EcoJet [] Automobilka hrysler datuje motory se salovací turbinou již na dobu řed druhou světovou válkou. V té době byly vedeny různé inženýrské růzkumy, které ukázaly, že lynová turbina má velké možnosti. Ovšem ani materiál a ani technika v té době nerokázaly svoje orávnění k využívání tohoto koncetu. Na začátku roku 950 byly lynové turbiny oužívány jako zkušební v dynamometrech a automobilech. Aktivní součástky vývoje byly oužívány ke zdokonalení komresorů, regenerátorů, turbin, ozubených kol atd. V tomto okamžiku se automobilka začala otýkat s jistými roblémy. Především se sotřebou aliva, s rozměry součástek a jejich účinností, s hlukem a další. Navzdory všem nedostatkům si vývojový inženýři mysleli, že lynová turbina v automobilovém růmyslu má svoje oodstatnění a lnohodnotný vývoj. Dosěli i k reálným výhodám lynové turbiny oroti běžnému motoru. Mezi tyto výhody atří nař. delší

35 životnost motoru, snížení očtu dílů, telo je možné využít okamžitě i v říadě zimního období, snížení hmotnosti motoru, snížení údržby, čistoty a chladu výfukových lynů. A to je jen zlomek ze všech možných výhod. První výroba automobilu byla rovedena včetně silničních zkoušek v roce 954. Jednalo se o sortovní kué s názvem Plymouth. Výkon motoru byl odhadnut na 00 koňských sil, což je řibližně 74,57kW. Bohužel se neobešel bez roblémů týkajících se vysoké sotřeby aliva a horkých výfukových lynů. yto nedostatky odstranil v té době revoluční výměník tela nebo regenerátor. Pomocí jednoho z těchto zařízení se část tela z horkých výfukových lynů zavedla do řiváděného vzduchu. Regenerátor řisěl ke snížení teloty salin z cca 650 na skoro oloviční hodnotu. Bohužel automobil Plymouth nikdy nebyl zařazen do výroby ro veřejnost. Prototy byl určen ouze k otřebným zkouškám. V roce 956 roběhla transkontinentální testovací jízda. Vůz byl obdobného názvu a to 956 Plymouth, ale nyní už se jednalo o čtyřdveřový sedan. estovací trasa měla řibližně 4860 km a jejím úkolem bylo otestovat turbinu, její životnost, zrychlení, sotřebu aliva a její ráci ři náhlých změnách terénu a ráci v různých klimatických odmínkách. Všechny sledované arametry měly usokojivé výsledky. Bylo docíleno zlešení salovacího systému, což mělo za následek další rozvoj motoru. Postuem času docházelo ke zlešení jak materiálu turbiny, tak i ke zvětšení jejího výkonu. Dalším milníkem se stal rok 96, kdy inženýři automobilky hrysler řicházejí s modelem zvaným urboflite. Nejen, že díky návrhu došlo ke zlešení motoru, ale také k designován úravám jako jsou výsuvné světlomety, zomalovací vzduchová klaka či automatická vysouvací střecha. yto změny řilákaly širokou veřejnost a automobil byl uveden na trh v mnoha městech jako je nař. New York, Paříž a další. Obr : urboflite [4] Mezi lety 96 až 964 hrysler ublikoval studii a zrealoval výrobu automobilu s názvem urbine. Části ro tento ty byly vyrobeny firmou Ghia v uríně v Itálii. elkem bylo vyrobeno 55 kusů. Z tohoto očtu se zachovalo ouze devět vozů, které jsou vystaveny v muzeích nebo odrodány do soukromých sbírek. Prototy tohoto vozu byl rvní a jediný, který byl odroben sotřebitelským zkouškám. urbinový motor běžel na 44500ot min a jako alivo bylo možné oužít naftu, etrolej, bezolovnatý benzín říadně rostlinný olej.

36 Pokud by byl tento ty motoru srovnán s běžným salovacím motorem, měl by o 5 méně součástek. Z důvodu zajištění klidného chodu se turbina otáčela na jednoduchých kluzných ložiskách. Motor měl 79 kw a točivý moment 576N m. Rychlosti z 0 na 00 km h dosáhl za s ři telotě okolí asi 0. Pokud by byl vzduch chladnější a hustější, dosahoval by těchto hodnot za menší časový interval. Údržba nebyla tak náročná jako u běžných motorů, nevyskytovala se rodukce oxidu uhelnatého, nesáleného uhlíku či uhlovodíky síry. Nevýhodou však bylo, že se objevovaly oxidy dusíku, které řetrvávaly v růběhu celého vývoje. elý koncet obsahoval dva rekuerátory, jenž řiváděly odadní telo na řívod vzduchu čímž snižovaly sotřebu aliva. Natáčivé statorové loatky zabraňovali nadměrným horním hranicím rychlosti a naomáhaly ři brždění. hrysler částečně zmírnil zmiňované nedostatky. Nebyl však schoen vyřešit roblém s vysokou sotřebou aliva. Jako jeden z mála vozů měl tento ty nerezový výfukový systém. urbine měla jak rovozní tak i estetické nedostatky. Vůz atřil ke hlučnějším strojům. Pokud se automobil nacházel ve vyšších nadmořských výškách, roblémy zůsoboval startér solečně s generátorem. Pokud by se vůz startoval stejně jako benzínový, tedy stlačil by se lynový edál až na odlahu, mohlo by docházet k oačnému účinku. Místo, aby se motor zahříval, tak by řebytek aliva naoak turbinu zomalil. Díky tomu by nedošlo k oškození motoru. Motory oroti salovacím byly odolné, i když křehké. Obr : urbine [6] hrysler výrobu těchto tyů vozidel ukončil v roce 977, řesto došlo v růběhu výroby k velkému zdokonalení v oblasti raktického využití. oyota Automobilka oyota vynalezla také tyy vozů s lynovou turbinou, ovšem nikdy se neujaly do běžného rovozu. Prvním kusem se stal G45, vyrobený jako koncet v roce 975. Byl oatřen lynovou turbinou solečně s elektromotorem. Motor byl řiojen na generátor a ten na 0 kusů -ti voltových baterií. Baterie ak řídily dva elektrické motory, 4

37 které sloužily k řízení ředních kol. Automobil jako alivo oužíval etrolej a dosahoval maximální rychlosti 60km h. Pokud byly k ohonu oužiti ouze baterie, vůz dosahoval rychlosti 0km h. dalším tyům atří Sorts 800 Gas urbine Hybrid uveden roku 979. Jednalo se o koncet vycházející z automobilu oyota Sort 800. Motor měl výkon kw a byl řiojen řes generátor na dvoustuňovou řevodovku. Obr : he Sorts 800 Gas urbine Hybrid [7] Posledním tyem vozu byl GV, který byl ředstaven na autosalónu v okiu v roce 987 automobilkou oyota. Jednalo se o kué s dobře roracovaným koncetem. Automobilka uvažovala výrobu ouze několika kusů. V automobilu je oužita automatická řevodovka V, která je v současné době využívána ro oyotu Prius. Automobil měl dvouhřídelové rovedení a oužíval dvě samostatné turbiny. Jedna sloužila ro ohon komresoru a druhá byla římo řiojena na hnací hřídel. Oroti hrysleru je oužit dvoustuňový výměník, jenž odděluje turbinu a snižuje telotu salin. Regenerátorem se odadní telo řivedlo do řisávaného vzduchu, díky čemuž se zvýšila efektivnost. Motor dodával výkon 0 kw a maximální točivý moment N m. 5

38 Volvo Obr..6.4.: oyota GV [8] oyota vyvinula jako oslední v řadě motor G4, který již do automobilu neusadila. Další okus vznikl v roce 99 v automobilce Volvo. oncet vozu s názvem Volvo E (Environmental oncet ar) byl zkonstruován z recyklovatelného materiálu a oháněn lynovou turbinou solečně s hybridním ohonem. Jednalo se o ty ostavený na latformě Volva 850. Oroti běžným hybridům s benzinovým salovacím motorem dosahoval lešího zrychlení, uložení energie v bateriích a leší účinnosti. Jeho výhodou byla nízká rodukce emisí NO a řidič vozu si mohl sám na alubní desce zvolit, zda chce jet na hybridní ohon X či naoak na ohon elektrický. Vůz dosahoval maximální rychlosti 80km h, v říadě ohonu ouze na baterie dosahoval rychlosti 40km h. V této době neslňoval ožadavky nulových emisí vozidla. 6

39 Obr..6.4.: Volvo E [9] Jaguar Automobilka Jaguar uvedla na trh roku 00 vůz tyu suersort -X75. Název automobilu vznikl na očest 75. výročí automobilky. Jednalo se o hybridní elektrický dvoumístný vůz. Výkon vozu činil 57,8kW a každé kolo bylo samostatně oháněno elektromotory umístěnými římo v kolech. očivý moment byl 600N m, zrychlení z 0 na 00km h dosáhnul v růběhu,4s a maximální rychlost byla vyšší než 00km h. Velkou nevýhodou vozu byl jeho malý dojezd, který byl ouze 00 km. Proto byl vůz vybaven dvěmi mikroturbinami z Bladon Jets s výkonem 70kW. Díky jejich využití se dojezd zdvojnásobil. urbiny mohly využít snad jakékoliv alivo nař.: zemní stlačený lyn, naftu, bioalivo, zkaalněný roný lyn a další. Motor také obsahoval lithium-iontové baterie, které turbina dobíjela dle otřeby. Průměrné emise oxidu uhličitého byly odhadovány na 8g km, ale ve skutečnosti ři rovozu byla naměřena hodnota 50g km. Z důvodu zlešení výkonnosti vozu se Jaguar zaměřil na jeho aerodynamiku. Bylo zaotřebí řisávat velké množství vzduchu, tudíž lochy vozu musely být řesně navrženy, čímž došlo k otimálnímu obtékání vzduchem. elá karoserie byla lánována z hliníku. Jelikož se automobilka snažila snížit hmotnost vozu a zlešit jeho udržitelnost, navrhla jako materiál ro odvozek hliník. V olovině roku 0 Jaguar oznámil lány na konstrukci omezeného očtu vozidel. Soluráce měla robíhat s Formula One eam Wiliams F. Model má být ostaven mezi léty 0 a 05, ale rozatím nebylo rozhodnuto, kde výroba bude robíhat. V rosinci roku 0 byl koncet s turbinou stažen díky globální hosodářské kri. urbina byla nahrazena řelňovaným zážehovým motorem. 7

40 I řes dočasné řerušení výroby by se mělo ět lně funkčních tyů s turbinou vyrobit. Dva z nich mají být umístěny ve firemním muzeu Jaguar a tři zbylé vozy budou vydraženy na aukci. Obr..6.4.: Jaguar suersort -X75 [] 8

41 Návrh salovací turbiny Návrh salovací turbiny bude zrealován ro automobil značky Renault Megane Scenic.6/6. Automobil byl vyroben roku 000. Jeho maximální výkon činí 79 kw a otáčky jsou 5750 min. Palivem toho tyu automobilu je benzin Natural 95 s oktanovým číslem 95 a výhřevností 46,4MJ kg. Oktanové číslo udává jak moc je alivo odolné roti Q r i samozáalu salovacího motoru ři komresi ve válci motoru. Uvádí se jako běžná součást označení aliva a to nař. u benzinových um na benzinových stojanech. Oktanovým číslem 95 je myšleno zastouení 95% oktanem a 5% hetanem. Pro jednoduchost salování bylo zvoleno 00% oktanu. Jedná se o 8-mi uhlíkatý alkan, lée řečeno, je to uhlovodík, který má jednoduché vazby. Oktan má několik struktur, tudíž jsem zvolila zastouení trimethylentanem. hemické složení trimethylentanu se skládá z (uhlíku) a H (vodíku), jeho vzorec je H Ideální oběh Východiskem je složení salovací turbiny. a se skládá z komresoru, salovací komory S a turbiny salovací. omresor má za úkol stlačit nasávaný vzduch z atmosféry na ožadovanou hodnotu a o té jej dodat do salovací komory. Ve salovací komoře dochází ke smísení stlačeného vzduchu z komresoru solečně s alivem. Po smísení a sálení stlačeného vzduchu s alivem ve salovací komoře, jdou saliny ze salovací komory na turbinu. Palivo je zde salováno oxidačním rocesem. Výkon ožadovaný na hřídeli je uvažován 79kW oloviční než je výkon automobilu, tedy 9,5kW. Účinnost oběhu je brána odle zjištěných hodnot malých turbin oužitých v automobilech či jiných zařízeních o hodnotě 0 %. alivo S 4 Obr...: Schéma salovací turbiny 9

42 [MPa] q [] q o v [m kg - ] Obr...: -v a -s diagramy salovací turbiny s [kj kg - - ] omresor nasává vzduch z okolní atmosféry, tudíž telota a tlak v bodě jsou uvažovány o těchto arametrech: Bod t : 5 05Pa Entalie v tomto bodě je zjištěna interolací odle tabulky entalií vzduchu a jeho složek v říloze : i 88, 80kJ kg Mezi body a se jedná o adiabatickou komresi. Pro zjištění arametrů v bodě je brán z literatury ro malé turbiny tyu astone komresní oměr o hodnotě ε 4. Po té jsou získány arametry: Bod : κ ε 4..,4 κ,4 t + 7,5 (5 7,5) 4 7,5 55.., ε Pa.. i, i, i, c, ) +,0045 ( i..4 49,074kJ kg [(7,5 + 55) (7,5 + 5) ] + 88,80 0

43 Hodnota c je střední měrná teelná kaacita získána z [0, str. 5]: c c + c, ,00075,0045kJ kg,55,5..5 Mezi body a, kde se nachází salovací komora, se jedná o obarický řívod tela, tudíž konst.. e zjištění teloty v bodě je nutné rovést několik zásadních kroků z nichž rvní sočívá ve stechiometrii. Ve salovací komoře se mísí stlačený vzduch z komresoru solečně s alivem, v tomto říadě benzinem. vyčíslení teloty je zaotřebí v rvé řadě vědět, jaké množství vzduchu je otřebné nasát do komresoru vzduchu ro sálení kg aliva, tedy benzinu. Posléze rovést energetickou bilanci ve salovací komoře a ze získané entalie salin vyvodit hledané teloty. Vše vychází ze stechiometrické rovnice salování vzduchu solečně s benzinem: H +,5O 8O + H O Množství suchého vzduchu, které je otřebné nasát ke sálení kg benzinu: - k tomuto úkonu je zaotřebí vědět složení a rocentuelní zastouení vzduchu zastouení N O Ar O H O ob % 78,09 0,95 0,9 0,0 0,0 hm % 75,5,6,8 0,0 0 ab...: Objemové a hmotnostní složení vzduchu,5 m VZ & 5, 97kg..7 0,6 romě množství nasávaného vzduchu je důležité zjistit také jeho měrnou teelnou kaacitu a entalii: [ ] vzduch c [kj kg - - ],0,04,07,,5 ab...: Měrná teelná kaacita vzduchu [0] - interolací je získána měrná teelná kaacita vzduchu ro 55 c VZ,, kj kg..8

44 - entalie vzduchu ivz c, VZ VZ,00775 (55 + 7,5) 4, 5kJ kg..9 Množství salin: m m + m 5, , kg..0 s VZ al 97 Energetická bilance ve salovací komoře: m al m vz salovací komora m s Obr...: Energetická bilance Q + Q Q..0 VZ al s m VZ i VZ + m al i al m s i s Z výše zmíněného vztahu vylývá: i i s s m VZ i VZ + m m s al i 67,786kJ kg al 5,97 4, ,97 i al Q r i 46400kJ kg Z této získané entalie salin bude zjištěna omocí interolace hledaná telota. e zjištění bude využito tabulky v říloze. Nejrve odle hmotnostního zastouení složek ve vzduchu je otřebné zjistit ro dané teloty entalie. i s O io 0 + ϖ N in,0 + ϖ Ar iar,0 + ϖ O io,0 + H O ih O, 0 ϖ.., ϖ i s i s 0,6 47,76 + 0,755 8, + 0,084,76 + 0,0009,08 + 0,000050,80 7,858 kj kg

45 t [ ] i [kj kg - ] 0 7,858 50, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,50 ab...: Entalie salin - interolací ro entalii salin i s 67,786kJ kg je telotu t : t 98, 4 Shrnutí: Bod : t i 98, Pa 67,786kJ kg

46 V dalším kroku bude zjištěn bod 4. Mezi body a 4 robíhá adiabatická exanze. t t 4, 4, 4 57,6 κ κ Bod 4 : 05Pa ,5 (7,5 + 98,4) i4, 87, 468 kj kg,, 7,5.. - entalie i4, 87, 468kJ kg byla zjištěna interolací Shrnutí arametrů daných bodů: Práce komresoru oentroická: Ideální oběh bezeztrát - bez řebytku vzduchu bod bod bod bod 4 t [ ] 5,0 55,0 98,4 57,6 [MPa] i [kj kg - ] 88,80 49,074 67,786 87,468 ab...4: Ideální oběh bez řebytku vzduchu a i kj kg.., i 49,074 88,80 40, 6 Práce komresoru skutečná: a a 40,6 87,5kJ kg η 0,75..4 Izoentroická účinnost komresoru byla odhadnuta dle znalostí na hodnotu Práce turbiny oentroická: η 75% a i kj kg..5 i4, 67,786 87,468 96, 7 Práce turbiny skutečná: 4

47 a η 96,7 0,8 7,0kJ..6 a kg Izoentroická účinnost turbiny byla odhadnuta dle znalostí na hodnotu Přivedené telo do oběhu: η 80% qp i kj kg..7 i, 67,786 49,074 88, 70 Odvedené telo z oběhu: qo i kj kg..8 4, i 87,468 88,80 58, 96 Užitečná ráce oběhu teoretická: a EOR a a 96,7 40,6 55,74kJ kg..9 Užitečná ráce oběhu skutečná: a S a a 7,00 87,5 9,58kJ kg..0 Shrnutí: a [kj kg - ] 96,7 a [kj kg - ] 7,0 a [kj kg - ] 40,6 a [kj kg - ] 87,5 q [kj kg - ] 88,70 a EOR [kj kg - ] 55,74 q o [kj kg - ] 58,96 a S [kj kg - ] 9,58 ab...5: Práce a tela v oběhu bez řebytku vzduchu Jelikož se jedná o malou turbinu, její loatky by bohužel telotu t nevydržely. Proto ro loatky turbiny bude oužit secifický materiál, který je schoen odolat telotám 60. Z toho vylývá, že budu nutné loatky více chladit. hlazení se rovádí řisáváním většího množství vzduchu do komresoru, tj. řisávání s řebytkem vzduchu. udíž bude nutné arametry řeočítat a zjistit jaký řebytek vzduchu bude otřebný nasávat. Přebytek vzduchu se zjistí zětným směrem a to tedy z teloty saliny t 60 bude zjištěna entalie salin. ato entalie salin bude získána interolací ro t 60 : 5

48 i s 95,70kJ kg Jelikož se změnila telota v bodě, musí se řeočítat veškeré arametry v bodech a 4. Parametry v bodech a zůstávají stejné. Přeočet bude roveden stejným ostuem jako v ředchozím říadě, tedy: Bod t i 60 : 40500Pa 95,70kJ kg V dalším kroku bude roveden řeočet arametrů bodu 4. Mezi body a 4 robíhá adiabatická exanze: t t 4, 4, 4 60, κ κ Bod 4 : 05 7,5 (7,5 + 60) i 4 4, 05Pa 64,074kJ kg,, 7,5..0 Hodnota entalie i 4, byla zjištěna interolací. Shrnutí arametrů daných bodů: Ideální oběh bezeztrát - s řebytkem vzduchu bod bod bod bod 4 t [ ] 5 55, , [MPa] i [kj kg - ] 88,80 49,074 95,70 64,074 ab...6: Ideální oběh s řebytkem vzduchu Bude nutné řeočítat tedy i veškeré ráce a tela v oběhu. Práce komresoru oentorická: a i kj kg.., i 49,074 88,80 40, 6 6

49 Práce komresoru skutečná: a a 40,6 87,5kJ kg η 0,75.. Izoentroická účinnost komresoru byla odhadnuta dle znalostí na hodnotu: η 75% Práce turbiny oentorická: a i kj kg.. i4, 95,70 64,074 8, 0 Práce turbiny skutečná: a η 8,0 0,8 6,56kJ..4 a kg Izoentroická účinnost turbiny byla odhadnuta dle znalostí na hodnotu: Přivedené telo do oběhu: η 80% qp i i, 95,70 49, , 5kJ kg..5 Odvedené telo z oběhu: qo i kj kg..6 4, i 64,074 88,80 5, 69 Užitečná ráce oběhu teoretická: a EOR a a 8,0 40,6 4,56kJ kg..7 Užitečná ráce oběhu skutečná: a S a a 6,56 87,5 9,04kJ kg..8 7

50 Shrnutí: a [kj kg - ] 8,0 a [kj kg - ] 6,56 a [kj kg - ] 40,6 a [kj kg - ] 87,5 q [kj kg - ] 496,5 a EOR [kj kg - ] 4,56 q o [kj kg - ] 5,69 a S [kj kg - ] 9,04 ab...7: Práce a tela v oběhu s řebytkem vzduchu Přebytek vzduchu, který je otřebný nasávat k ochlazení loatek, se zjistí z užitečné ráce oběhu a ožadovaného výkonu na hřídeli. Požadovaný výkon na hřídeli je oloviční, než-li výkon motoru automobilu, tedy P 9, 5kW. Množství vzduchu se tedy zjistí ze vztahu: P m P a 9,5 4,56 EOR EOR EOR s & a m& 0,8kg EOR..9 Skutečné množství řisávaného vzduchu se ak zjistí ze skutečné užitečné ráce oběhu a výkonu: P m P a 9,5 9,04 S S S s & a m&,0kg S..0 Množství vstřikovaného aliva lze zjistit ze vztahu: P P η m& ,008kg s r al r m& Q η Q 0, al i i.. Účinnost oběhu lze zjistit ze vztahu: S a 9,04 η 00 7,87%.. q 496,5 P 8

51 . Návrh komresoru omresor byl zvolen jako jednostuňový radiálně axiální bez krycího kotouče. Důvodem k tomuto zvolení byly malé růtoky komresorem, velké stlačení komresoru a bezečnost. Pokud by došlo ke zvyšování otáček hrozí roztržení disku. 4 u u 0 ød W β c W α c ød o ød ød m ød i Obr...: Schéma radiálně axiálního komresoru s rychlostním trojúhelníkem omresor se skládá z několika částí. Mezi body 0 se jedná o vstuní část, mezi body se nachází oběžné kolo radiálního komresoru. Na tohle navazuje stator sestávající z bezloatkového difuzoru mezi body. V oslední části mezi body 4 se jedná o výstuní část. 4 i S 4 c 4 c i S c i [kj kg - ] 0 0 s [kj kg - - ] Obr...: Průběh komrese v i-s diagramu c i R 9

52 Při návrhu je zaotřebí znát vstuní arametry. Návrh bude roveden ro řebytek vzduchu. Některé arametry budou ro otřeby výočtu odhadovány a následně kontrolovány, jestli se od výočtových hodnot říliš neliší. Parametry: - hmotnostní růtok komresorem: m& VZ - odhadovaná účinnost komresoru: η 75%,0kg s - vstuní tlak atmosférický tlak: i 05Pa - výstuní tlak: e 40500Pa - vstuní telota: i 88, 5 - stlačení komresoru: Π 4 - otáčky komresoru: Fyzikální vlastnosti vzduchu odečteno z tabulek v [0] ro 0 c i : - Poissonova konstanta: κ, 4 - měrná teelná kaacita: Dále z těchto arametrů vylývá individuální lynová konstanta: n min c,004 kj kg κ r c κ r 86,69J kg,4 00,4,4 (..).. Vstuní část V říadě jednostuňového komresoru ve vstuní části dochází k urychlení, oříadě k usměrnění vstuního roudu... Oběžné kolo ento návrh je ředevším k určení růměru rotoru na vstuu i na výstuu. loušťka loatek je volena s ohledem na evnost. Odhadnuté arametry dle literatury a dooručení: - hustota na vstuu do oběžného kola: ρ,4 kg - odhadnuto odle [7, str. 5] z rozmezí 0,8 0, 9 - součinitel ventilačních ztrát: α 0, 08 - odhadnuto odle [7, str. 49] z rozmezí 0,0 0, 08 - růtokový součinitel: ϕ 0, - odhadnuto odle [7, str. 60] z rozmezí 0,5 0, 5 - rychlostní součinitel: ψ 0, 8 - m 40

53 - odhadnuto odle [6, str. 5] z rozmezí 0,8 0, 9 - oměr teel, které unikají do sirální skříně a do oběžného kola: δ 0 - dooručil školitel očet loatek: z L 0 - odhadnuto odle [7, str 60] z rozmezí 6 0 Výočet růměru d na výstuu z oběžného kola d d u 45,7 π n π 60 7,7mm 0,77 m (...) Určení obvodového rozměru d o závisí na Machově čísle Maw o, které by v těchto místech nemělo dosahovat rychlosti zvuku. Podle [6, str. 59] by se Machovo číslo na tomto obvodu mělo nacházet v rozmezí Ma 0,75 0, 95. Dooručuje se tedy ři odhadu vycházet wo z rozmezí d o ( 0,45 0,65) d dle [6, str. 59]. d d o o 0,55 d 94,8mm 0,55 0,77 0,0948m (...) Obvodová rychlost na výstuu z kola je získána z efektivní účinnosti dle [9, zl. 57], jenž je výše odhadnuta a následně řekontrolována: i i η ef (...) l i + δ a u S c r de i je získána z [0, zl 450]: i i c i 40,55kJ kg e i κ κ ,4 88,5 05,4,4 (...4) Součinitel skluzu lze vyočítat využitím Stodolova vztahu dle [6, str. 80]. π sin( β L ) µ (...5) z ( ϕ cot g( β )) r L 4

54 π β L 90 π Po dosazení se Stodolův vztah zjednoduší, jelikož sin π a cot g 0. π π µ 0,84 z 0 (...6) Z i-s diagramu dle [9, zl. 57] ro c 0, β 90 : u L i S c [ + ( δ ) α ] 45,7 [ 0,84 ( 0) 0,08] 87, kj kg u µ 5 (...7) Po dosazení do rovnice ro efektivní účinnost a její úravě odtud i ηef (...8) u ( µ + α ) u u η ef i 45,7 m s ( µ + α ) 0,75 ( 0,84 + 0,08) 4055 Z rovnice kontinuity a axiální rychlosti lyne vztah mezi vnitřními růměry Z výše zmíněného vztahu vylývá: ( d d ) d i a d o : o i π m& VZ c a ρ (...9) 4 d d i i d o 4 m& VZ π c ρ a 0,04m 4,mm 0,0948 4,0 π 44,4,4 Jelikož se jedná o axiální vstu bez rozváděcích loatek, ak latí c a cr c z [6, str. 54]. Na výstuu se radiální složka absolutní rychlosti odhaduje z růtokového součinitele odle [, zl. 4]: : 4

55 c r ϕ (...0) u c c r r ϕ u 44,4m s 0, 45,7 ontrola jestli na vnějším oloměru na vstuu nebude zvuková oříadě nadzvuková rychlost: w o Maw o (...) a o u o d n 48, 0m s 60 π o π 0,0948 (...) w 5 o c a + u o 44,4 + 48,0 87, m s (...) Po dosazení: Ma w o 87,5 o w o κ r,4 86,69 77,76 0,86 (...4) c 44,4 o i 88,5 77, 76 (...5) c 00,4 elková telota na vstuu do oběžného kola ak je: c 44,4 77,76 88, c 00, (...6) Machovo číslo se nachází v dooručeném rozsahu 0,75 0, 95. Lze tedy okračovat ve výočtu. V říadě, že Machovo číslo nebude v daném rozsahu, je třeba změnit odhady a celý výočet otimalovat. ontrola efektivní účinnosti, která na začátku byla odhadnuta. i η ef (...7) l u Obvodová ráce je dána vztahem: l l a 7,66 6,9 87,95kJ kg u E r (...8) 4

56 Práce vykonaná tekutinou: le u c u u cu, c 0 (...9) u l E u kj kg cu 45,7 80,9 7, 66 Práce na okrytí ventilačních ztrát odle [6, str. 77]: Po dosazení do vztahu...7: a r α u 0,08 45,7 6, kj kg (...0) 9 η ef i l u 40,55 87,95 0,7476 Je atrné, že rvotní odhad se od nynějšího liší o 0,%. Jedná se o relativně řesný odhad. Šířka loatky na vstuu: b d0 d i 0,0948 0,04 0,005mm 0,5mm (...) V dalším kroku následuje výočet šířky výstuní loatky. Vychází se z rovnice: Z výše zmíněného vztahu vylývá: VZ ( b π d b tl z L ) c ρ r m& (...) b b m& ( π d t z ) c ρ ( π 0,77 0,00 0) L VZ r 0,00596m 5,96mm L,0 44,4,55 Poměrná locha loatek na výstuu: zl tl 0 0,00 σ L 0,96 (...) π d π 0,77 loušťka loatek z odstředivých sil. t t mm byla odhadnuta na základě evnostního výočtu L L 44

57 Izoentroický sád na rotoru je dán dle vztahu: ( ) a z 8,4 ( 0) 6,9 5,86 95,958kJ kg R R i i δ r R (...4) Skutečný sád na rotoru dán vztahem dle [6, str. 77]: i i i R R R [( w w ) + ( u u )] + ( δ ) 8,4 kj kg [( 5,89 44,4 ) + ( 45,7 86,5 )] + ( 0) a r 690 (...5) lak na výstuu z oběžného kola zjistíme dle [0, zl 450]: κ κ κ i R r κ (...6) R i + κ r 5569,58 Pa ( κ ) κ (,4 ) κ 90777,57 +,4 86,69 77,76,4,4 Hustota na výstuu z oběžného kola je dána z rovnice kontinuity: 5569,58, 55kg r 86,69 95,47 m ρ (...7) lak na vstuu do oběžného kola dle rovnice kontinuity: r ρ 86,69 77,76, ,57Pa (...8) Relativní rychlost lze zjistit ze vztahu: w w w m c a 5,89m s + u m 44,4 + 86,5 (...9) 45

58 Obvodová rychlost lze zjistit ze vztahu: u u u m π d m 86,5m s n π 0, (...0) Střední růměr rotoru d m je definován dle [6, str. 7]: d d m m d i + d o 0,04 0,074m 7,4mm + 0,0948 (...) Profilová ztráta v rotoru z R je dána dle [, zl. 7]: w z R ( ψ ) (...) de ψ se jedná o rychlostní součinitel odhadnut již na začátku na hodnotu 0,8 dán dle vztahu: w ψ (...) w Po dosazení do vztah...: z z R R w 5,86kJ kg 44,4 ψ, 0,8 w cr 44, 4 m s elotu lze zjistit z rovnice olytroy: 95,47 n n R R 77, , ,58,5,5 (...4) elková telota na výstuu z oběžného kola: c 406,87 95,47 477, c 00, (...5) 46

59 Výstuní rychlost z oběžného kola lze ak získat ze vztahu: c c c u + c r 80,9m s 80,9 + 44,4 (...6) Podle [0, zl 450]: i R κ r κ nr n R (...7) n n R R ln,5 ln R i ln + κ r 5569,58 ln 90777,57 ln ln ,57,4 86,69 77,76 ( κ ) 5569,58 84 (,4 ) V dalším kroku je zaotřebí zkontrolovat součinitel tření disku, který byl z očátku odhadnut na α 0, 08. ontrola bude rovedena dle [7, str. 49]: 75 β α 6 b c π 0 d u r (...8) de β z exerimentálních výsledků vychází 6 až 8 ro oběžná kola bez krycího kotouče. Je tedy zaotřebí vyočítat součinitel tření disku ro β 6, tedy α min a ro β 8, tedy α max. Součinitel tření disku by se měl nacházet v tomto rozmezí, okud ne, je zaotřebí rovést jiný odhad a výočet zoakovat. α α min max 0,69 0,69 Jak je atrné, součinitel tření se neohybuje v daném rozětí, což je zůsobeno velkou ventilační ztrátou na disku. Úhel relativní rychlosti na vstuu: u 86,5 β arctg arctg 5, 5 (...9) c 44,4 a 47

60 Úhel absolutní rychlosti na výstuu: cu 80,9 α arctg arctg 69, (...40) c 44,4 r Šířku oběžného kola lze zjistit z výkonu motoru automobilu. Použitým materiálem na výrobu oběžného kola bude dural ČSN a ro hřídel ČSN 5.0. Odhadnuté arametry dle literatury a dooručení: - výkon: P 9, 5kW - měrný tlak: m 00MPa - odhadnuto odle [] - naětí v krutu: τ 50MPa - odhadnuto odle [] Z výkonu a otáček byl zjištěn kroutící moment hřídele: M P , N m π n π (...4) 60 Z kroutícího momentu a naětí v krutu byl zjištěn růměr hřídele: τ M 0, d d M 7,54 0,00607m 6 0, τ 0, ,mm (...4) Ze zjištěného růměru hřídele byla vyočtena síla ůsobící na hřídel M d F (...4) F M d 7,54 0, ,59N Ze zjištěného růměru hřídele bylo odhadnuto dle [] těsné ero: Odhady: - šířka era: b mm 48

61 - výška era: H mm b H d L Obr....: Hřídel s těsným erem Z měrného tlaku ůsobícího na hřídel byla zjištěna délka těsného era, tedy šířka oběžného kola: H m F H L (...44) L F H m 89,59 6 0, ,09m,9mm Bezečnost byla odhadnuta číslem, tedy šířka oběžného kola ak je L S L 0,09 0,478m 47, 8mm (...45).. Bezloatkový difuzor (BLD) Bezloatkový difuzor je umístěn mezi oběžným kolem a výstuní částí. Slouží k řeměně kinematické energie roudícího vzduchu na energii tlakovou. Odhadnuté arametry dle literatury a dooručení: ρ - oměr hustot: 0, 95 ρ - růměr na výstuu do BLD: d, 5 d - odhadnuto odle [] z rozmezí,05, 5 49

62 Obvodovou složku rychlosti lze zjistit odle [6, str. 9]. Platí zde zákon zachování momentu hybnosti, ak tedy: r c u r c u r c u (...) Pro r r ak latí c 9 u cu 80, m s. Radiální složka absolutní rychlosti na vstuu do BLD lze získat z rovnice kontinuity dle [6, str. 9]: VZ π σ L d cr ρ b π d c r ρ b m& (...) c m s r σ L cr 0,96 44,4 9, 07 Přičemž šířka BLD a šířka rotoru jsou shodné. Vstuní úhel absolutní rychlosti do BLD: Rozměry BLD jsou: c u 80,9 α arctg arctg 69, 9 (...) c 9,07 r d d,5 d,5 0,77 0,98m 98,mm (...4) Pro výočet je vhodné bezloatkový difuzor nahradit tzv. ekvivalentním římým difuzorem. Výočet tohoto ekvivalentního difuzoru, jeho rozměrů, bude roveden dle [6, str. 9]. Ekvivalentní locha na vstuu římého difuzoru: S EV d cos b π 0,77 cos(69,9) 0, , 004m π α (...5) Průměr na vstuu ekvivalentního římého difuzoru: S EV 0,004 d EV 0,0544m 5, 44mm π π (...6) Ekvivalentní locha na výstuu římého difuzoru: S EV d cos b π 0,98 cos(69,9) 0, , 00579m π α (...7) 50

63 Průměr na vstuu ekvivalentního římého difuzoru: SEV 0,00579 d EV 0,0570m 57, 0mm π π (...8) Pak délka trajektorie ekvivalentního římého difuzoru: l l l EV EV EV d d cos α 0,98 0,77 0,0859m 8,59mm cos(69,9) (...9) Je dobré určit tzv. úhel rozšíření ekvivalentního římého difuzoru ro růběh komrese: ω dev d EV 0,0570 0,0544 arctg arctg 5, 94 l 0,0859 EV (...0) Radiální složka absolutní rychlosti na výstuu z BLD je získána z [6, str. 9]. Oět zde latí rovnice kontinuity: m& π d ρ (...) VZ cr ρ b π d cr b c ρ d 0,77 c 9,07 0,95 m s r r 4, 89 ρ d 0,98 Obvodová složka absolutní rychlosti dle [6, str. 9] je získána ze zákona zachování momentu hybnosti: d 0,77 c u c 80,9 m s (...) u 0, 77 d 0,98 Absolutní rychlost na výstuu z BLD: c c 5 s u + cr 0,77 + 4,89 50, m (...) elota na výstuu z BLD: c 50,5 477,97 46, c 00,4 87, 477, 97 (...4) 5

64 lak na výstuu z BLD: κ 46,87 κ 5569, , 9Pa 95,47,4,4 (...5) Hustota na výstuu z BLD: 0747,9 578 r 86,69 46,87 ρ, kg m (...6) ontrola Machova čísla: Ma c 50,5 κ r,4 86,69 46,87 0,86 (...7) Machovo číslo se nachází v rozmezí 0,75 0, 95, tudíž vyhovuje. Úhel rychlosti na výstuu z BLD: c u 0,77 α arctg arctg 70, 85 (...8) c 4,89 r..4 Výstuní soustava Pro výočet byla zvolena výstuní absolutní rychlost c 4 50m s a ztrátový součinitel výstuní soustavy ξ 0,. Pak ztráta entalie ve výstuní soustavě je: výs h c 50,5 Zvýs ξ v 0, 674,4J kg (..4.) ýs Izoentroická telota za soustavou výstuní, řičemž 4 477, 97 : c h 4 Zvýs , ,97 470, (..4.) c c 00,4 00, elota za soustavou výstuní: c ,00 476, c 00, (..4.) 5

65 lak za soustavou výstuní: κ,4,4 470,00 4 κ ,9 46, ,7Pa (..4.4) elkový tlak za soustavou výstuní: κ 477,97 4 κ ,7 4788, 6Pa 4 476,7,4,4 (..4.5) Hustota za soustavou výstuní: , r 86,69 476,7 4 ρ, kg m (..4.6) 4 elková hustota za soustavou výstuní: 4788,6 4 ρ 4, 4460kg r 4 86,69 477,97 m (..4.7) Entalie za soustavou výstuní: Stlačení komresoru: i4 c 477,97, , 5907kJ kg 4 P (..4.8) Π ,6 4,66 05 (..4.9) Vůči ředokládanému stlačení se liší o 6,5%. Průtočná locha soustavy výstuní: S m& VZ c ρ 4 4,0 0,0059m 50,46 (..4.0) Průměr soustavy výstuní: 4 S 4 0,0059 d 0,08675m 86, 75mm π π (..4.) 5

66 Měrná ráce komresoru: a i kj kg 4 i0 479, ,80 9, 077 (..4.). Energetická bilance salovací komory m& al m& VZ S m& SP Obr...: Salovací komora Salovací komora bude brána ro jednoduchost trubková s konstantním růřezem. Vstuní arametry salovací komory: - odhadnutá vstuní absolutní rychlost: c VS 0m s - dle [7, str. 70] - telota řed salovací komorou: VS 4 477, 97 - tlak řed salovací komorou: VS , 6Pa - množství řisávaného vzduchu: &,0kg s Odhad: - tlaková ztráta ve salovací komoře dle [7, str. 7] 0,0 VS 0,0 4788,6 944, 76Pa (..) m VZ Do salovací komory se vstřikuje alivo ve množství saliny jsou: m& al 0,0ks s a ak tedy výstuní & m& + m& SP VZ al,0 + 0,0,0ks s (..) m Parametry za salovací komorou: - telota za salovací komorou - tlak za salovací komorou VÝS ,5 89, 5 (..) 4788,6 944, , Pa (..4) VÝS VS 40 - entalie salin i SP 95,70kJ kg 54

67 - Poissonova konstanta ro víceatomové lyny dle [0]: - měrná teelná kaacita κ, i 9570 SP c,06kj kg (..5) 89,5 VÝS - měrná lynová konstanta κ r κ,, c 06 57,04J kg (..6) - hustota 46744,40,056kg m VÝS ρ VÝS (..7) r 57,04 89,5 VÝS Objemové zatížení lamence dle [7, str. 70]: q& V S, red 00MW m MPa (..8) Objem lamence: m& al q al η V S q& S, red (..9) V VS V m& al VS q al q& η S V S, red 6 0,0 46,4 0 0,96 0,0007m 4788,6 00 Výhřevnost aliva je q al 46, 4MJ. Protože salovací komora nebude říliš velká a bude v ní docházet ke šatnému směšování, je účinnost salovací komory odhadnuta dle [7. str. 70] na hodnotu η 0, 96. S Vstuní, otažmo výstuní, locha bude získána z rovnice kontinuity: S c VS m& VZ ρ VS,0 0,0958m 0,4460 (..0) 55

68 Průměr salovací komory: 4 S 4 0,0958 d 0,94 m 9, 4mm π π (..) Délku salovací komory lze získat z objemu lamence: 4 V 4 0,0007 L 0,47,67m 47, 67mm π d π 0,9,4 (..) Výstuní rychlost ze salovací komory ak z rovnice kontinuity je: c VÝS m& SP 7,8m S ρ 0,0958,056 s VÝS,0 (..) 56

69 .4 Návrh turbiny urbina je odhadována obdobně jako komresor. edy radiálně axiální bez krycího kotouče v rovedení centrietálním. Důvody jsou obdobné jako u komresoru. 0 d 0 d α α c w w c u u d o d i d m Obr..4.: Schéma radiálně axiální turbiny s rychlostním trojúhelníkem urbina je složena ze statoru mezi body 0 a rotoru mezi body. Stator se nazývá bezloatkový rozváděč nebo též konfuzor. Rotor zastuuje oběžné kolo turbiny. V turbině exandují saliny z vysokého tlaku na tlak atmosférický a ohánějí generátor motoru automobilu a komresor. 0 c 0 0 c i S i S i S i S i R i R c i [kj kg - ] z z S +z R s [kj kg - - ] Obr..4.: Průběh exanze v i-s diagramu 57

70 Při návrhu turbiny je zaotřebí znát vstuní arametry. Některé arametry turbiny budou ro otřeby výočtu odhadovány. Parametry: - hmotnostní růtok turbinou: m& SP,0kg s - vstuní tlak: 46744, 40Pa 0 - vstuní telota: 89, vstuní entalie: i0 95, 70kJ kg - výstuní tlak atmosférický tlak: 05Pa,, 6, - výstuní oetnroická telota: 0 - výstuní oentroická entalie: i, 64, 074 kj kg - otáčky turbiny: n min - Poissonova konstanta: κ, - dle [0] ro viceatomové lyny Odhadnuté arametry dle literatury a dooručení: - stueň reakce: ρ 0, 49 - rychlostní oměr: u c 0, 7 - odhadnuto dle [7, str. ] z rozmezí 0,69 0, 75 - růtokový součinitel: ϕ 0, 9 - odhadnuto dle [6, str. 5] z rozmezí 0,4, 5 - součinitel ztrát rotoru: ψ 0, 9 - odhadnuto dle řednášek eelné turbiny II. - vstuní úhel roudu: α 5 - odhadnuto dle [6, str. 5] z rozmezí 0, - výstuní úhel loatky: β 5 - odhadnuto dle [6, str. 5] z rozmezí 0,4, 5 - oměr meridiálního růměru a vstuního růměru: 0, 5 d - odhadnuto dle [6, str. 5] z rozmezí 0,5 0, 67 - vnitřní růměr: d i 0,04599m 45, 99mm 0, d m - očet loatek: z L 6 - tloušťka loatek: t L tl 0, 00m - růměr bezloatkového rozváděče: d 0, d 58

71 Výočet měrné teelné kaacity salin: i0 95,70 c,060kj kg P (.4.) 89,5 0 Výočet měrné lynové konstanty: κ r κ,, c 06,0 57,04J kg P (.4.) Hustota na vstuu: 46744,40 0 ρ 0, 056kg r 0 57,04 89,5 m (.4.).4. Oběžné kolo elkový oentalický sád: i i kj kg (.4..) 0 i, 95,70 64,0744 8, 0 Exanzní oměr: Rychlost ři ideální exanzi a oentalickém sádu: 0597,8 e 0,0 (.4..) 46744,40 0 c0 i , 59m s, (.4..) Obvodová rychlost na vstuu do oběžného kola: u u m s c0, 0,7 75,59 56, 8 c0, (.4..4) Vstuní růměr oběžného kola: d u 56,8 0,0m 0,mm π n (.4..5) π 60 59

72 Ideální rychlost na vstuu do oběžného kola: c i ( ) 800 ( 0,49) 57, 46m s, ρ (.4..6) Skutečná rychlost na vstuu do oběžného kola: c c, ϕ 57,46 0,9 494, 46m s (.4..7) Stavové veličiny na vstuu do oběžného kola: 0 89, 5 (.4..8) c, 57, ,5 75, (.4..9) c 06,0 7, P c 494,46 89,5 775, c 06,0 5 0 (.4..0) P κ, 75,7,, κ, ,40 496, ,5 Pa (.4..) 496,96 79 r 57,04 775,5 ρ, kg m (.4..) Složka absolutní rychlosti v meridiálním směru: Složka absolutní rychlosti v unášivém směru: c m c sinα 494,46 sin5 7, 98m s (.4..) Radiální složka absolutní rychlosti: c u c cosα 494,46 cos5 477, 6m s (.4..4) c 98 r c c u 494,46 477,6 7, m s (.4..5) Relativní rychlost: w c s m + ( c u u) 7,98 + (477,6 56,8) 7, m (.4..6) 60

73 Vstuní úhel loatky: c u 477,6 56,8 β arccos u arccos, 0 (.4..7) w 7, Machova čísla na vstuu do oběžného kola: Ma Ma w c 494,46 κ r w, 57,04 775,5 7, κ r, 57,04 775,5 0,96 0,7 (.4..8) (.4..9) Machova čísla vyhovují odmínce Ma <. Z rovnice kontinuity lze vyočítat šířku loatky na vstuu oběžného kola: m& ( ρ (.4..0) SP b π d b tl z L ) c r b b m& ( π d t z ) c ρ ( π 0,0 0,006) L SP r 0,006m,06mm L,0 7,98,79 Střední růměr lze vyočítat z odhadu d m : d d m,5 d 0,5 0,0 0,0665m 06, 55mm (.4..) 0 Unášivá rychlost na středním růměru na výstuu z oběžného kola: u d n 0, , m s 60 Relativní rychlost na výstuu z oběžného kola: π m π (.4..) w w w ψ 0,9 ρ 79,95m s i + w + u u 0, , + 79, 56,8 (.4..) 6

74 Izoentroická relativní rychlost na výstuu z oběžného kola: w 79,95 0,9 w,, 06m s (.4..4) ψ Složka relativní rychlosti v meridiálním směru: w m w sin β 79,95 sin 5 8, m s (.4..5) Složka relativní rychlosti v unášivém směru: w u w cos β 79,95 cos 5 5, 7m s (.4..6) Absolutní rychlost na výstuu z oběžného kola: m + ( u wu ) 8, + (79, 5,7), m (.4..7) c w 0 s Statorové ztráty: z S c, 57,46 ( ϕ ) ( 0,9) 84J kg,84kj kg (.4..8) Rotorové ztráty: z R w,,06 ( ψ ) ( 0,9 ) 99J kg 9,9 kj kg (.4..9) Stavové veličiny na výstuu z oběžného kola: S R z z 84 99, + + 6, , 49 (.4..0) c c 06,0 06,0 P P r 57,04 66,49 ρ 0, kg m (.4..) c,0 66,49 670, c 06, (.4..) P κ κ, 670,56, , 8Pa 66,49 (.4..) 6

75 059,8 ρ 0, 58894kg r 57,04 670,56 m (.4..4) Machova čísla na výstuu z oběžného kola: Ma Ma w c,0 κ r w, 57,04 66,49 79,95 κ r, 57,04 66,49 0,5 0,59 (.4..5) (.4..6) Machova čísla vyhovují odmínce Ma <. Výstuní úhel roudu: Ztráty výstuní rychlostí: u wu 79, 5,7 α arccos arccos 77, 84 (.4..7) c,0 c,0 z VÝS 74J kg 7,4kJ kg (.4..8) Z rovnice kontinuity lze doočíst výstuní lochu oběžného kola: SP S wm ρ m& (.4..9) m& SP,0 S 0, 0455 m w ρ 8, 0,594 m Z výstuní lochy oběžného kola lze vyočítat obvodový rozměr: S ( d d ) 0 i π (.4..40) 4 4 S 4 0,04455 d 0 + d i + 0, ,465m 4, 65mm π π Šířka loatky na výstuu oběžného kola: d 0 d i 0,465 0,04599 b 0,0488m 48,mm (.4..4) 6

76 Entalie v bodě, : i,, cp 75,7,06 780, 84kJ kg (.4..4) Entalie v bodě : i cp 775,5,06 80, 0kJ kg (.4..4) Entalie v bodě : i cp 66,49,06 687, 5kJ kg (.4..44) Entalie v bodě : Izoentalický sád rotoru: i c 670,56,06 694, 67kJ kg P (.4..45) R i i, i, 780,84 64,074 8, 77kJ kg (.4..46) Izoentalický sád stuně: i S i ρ R,77 8 8,0kJ kg 0,49 (.4..47) Izoentalický sád statoru: Entalický sád rotoru: S ( ) i ( 0,49) 8,0 44,4kJ kg S i ρ (.4..48) Entalický sád stuně: i R i i 90,0 687,5 5, 68kJ kg (.4..49) Entalický sád statoru: i S i ρ R,68 5 6,07kJ kg 0,49 (.4..50) i S S ( ) i ( 0,49) 6,07 0,40kJ kg ρ (.4..5) 64

77 elkový entalický sád stuně: Měrná ráce turbiny: i i0 i 95,70 694,67 0, 60kJ kg S (.4..5) a i kj kg i0 694,67 95,70 0, 5979 (.4..5).4. Bezloatkový rozváděč Entalie v bodě 0 : i i i i 0 95,70 S S R [ i + ( i i ) i i ] [ 0,60 + ( 694,67 687,5) 0,40 5,68] 9,4kJ kg (.4..) Stavové veličiny v bodě 0, tedy na vstuu do bezloatkového rozváděče: i0 9,4 89,7 (.4..) c,060 0 P κ 88,9, 0 κ 46744, , Pa ,7, 0 (.4..) 45909, r 57,04 89,7 0 ρ, kg m (.4..4) 0 Šířka bezloatkového rozváděče je stejná jako šířka loatky na vstuu do oběžného kola, tedy b b 0,006m, 06mm. Průměr bezloatkového rozváděče je dán odhadem: 0 d, d, 0,0 0,660m 6, 60mm (.4..5) 0 Pak růtočná locha na vstuu do bezloatkového rozváděče je: S 0 d b π 0,660 0,006 0, 00909m π 0 0 (.4..6) Vstuní absolutní rychlost do bezloatkového rozváděče lze sočítat z rovnice kontinuity: m& SP c 56, m 0 S ρ 0,00909,005 s 0 0,0 (.4..7) 65

78 Ztráta vstuní rychlostí: c 56, Vnitřní termodynamická účinnost turbiny: 0 z VS 575J kg,575kj kg (.4..8) η η Di Di i 0,86 z VS z R i z S z VÝS 8,0,575 9,9,84 7,4 8,0 (.4..9).4. Vstuní část Bude uvažována tangenciální sirální skříň stejně jako u komresoru. Odhady: - rychlost na vstuu: - hustota salin: c vst ρ 60m s,056kg m vst ρ SP Pak z rovnice kontinuity lze vyočítat růtočnou lochu na vstuu do sirální skříně: S m& SP c ρ,0 60,056 vst vst vst 0,008455m (.4..) Vstuní růměr sirální skříně: 4 Svst 4 0, d vst 0,075m 0, 75mm π π (.4..) 66

79 .5 Výměník - rekuerátor Výměníky se oužívají k řívodu části tela na vstu do salovací komory. Díky tomu jde do salovací komory telejší vzduch a sotřeba aliva klesá. Výměníkem lze docílit nižší teloty salin a leší účinnosti. Rekuerátor bude uvažován rotiroudý, deskový. [] 4 S alivo sání s [kj kg - - ] Obr..5.: Salovací turbina s rekuerátorem 4 4 S reg Obr..5.: Průběh telot na rekuerátoru Parametry: - hmotnostní růtok vzduchu komresorem: m& VZ,0kg s - měrná teelná kaacita vzduchu c P, VZ Poissonova konstanta ro vzduch: κ, 4 - měrná ráce komresoru: - měrná ráce turbiny: a a, kj kg 9,077 kj kg 0,5979kJ kg 67

80 Oběh - s řebytku vzduchu bod bod bod bod 4 t [] 88,5 477,97 89,5 670,56 [MPa] 05, , ,40 059,8 ab..5.: Parametry oběhu Odhadnuté arametry dle literatury a dooručení: - účinnost regenerace: η 80% - součinitel řestuu tela: k,8j kg - získáno výočtem dle turbiny G z [7, str. 40] eloty v bodě a 4 lze získat ze vztahu ro výočet účinnosti regenerace η reg : reg η reg ( ) + 0,8 ( 670,56 477,97) + 477,97 6, η reg 04 (.5.) 4 ( ) 670,56 0,8 ( 670,56 477,97) 56, η reg 48 (.5.) elotní rozdíly a : 56,48 477,97 8, 5 (.5.) 4 670,56 6,04 8, 5 (.5.4) 4 elotní rozdíly jsou stejné, je možné tedy oužít vztah ro výočet tela ve tvaru: Q & m& VZ cp, VZ,0 00,4 8,5 9099,85J 90, 9985kJ (.5.5) Pak tedy locha rekuerátoru lze vyočítat: Q & k S reg (.5.6) Q& 9099,85 S reg 0,9m k,8 8,5 68

81 Měrné řivedené telo: q q, S, S c P, VZ ( ) 00,4 ( 89,5 6,0) 6,99897 kj kg 6998,97J kg (.5.7) ermická účinnost je ak: a a 0,5979 9,077 η t 0,50 5,0% (.5.8) q 6,99897, S η reg [%] η t [%] 5,0 5,6 6, ab..5.: Výočet η t ro různé hodnoty η reg η t [%] 6,40 Závislost η reg na η t 6,0 6,00 5,80 5,60 5,40 5,0 5,00 4,80 4,60 4, η reg [%] Graf... Závislost η t na η reg 69

82 70

83 Mazací systém Mazací systém slouží k mazání ložisek solečného hřídele komresoru a turbiny, ložisek generátoru a řevodovky. Bude umístěn mimo soustrojí a bude oužívat syntetický olej. elotní namáhání tohoto tyu oleje je mnohem nižší než u běžných ístových motorů, roto bude ro tuto alikaci vyhovovat. Úkolem maziva je zajistit bezoruchový a rovnoměrný chod celého soustrojí, zejména minimalaci tření a odvodu tela z ložisek. Na samotný mazací olej je kladeno několik různých ožadavků nař.: viskozita, obsah vody, odolnost roti korozi a další. elé olejové hosodářství bude rovedeno jako komaktní s olejovou nádrží, omocným čeradlem a chladičem. Filtrace oleje je omocí lnorůtokového filtru s aírovou filtrační vložkou shodnou s automobilovým motorem. Bude oužito kombinované mazací zařízení, kde v říadě výadku hlavního čeradla (naájeného římo od turbosoustrojí na omaluběžné straně) bude jeho funkce nahrazena omocným čeradlem. Pomocné čeradlo bude moci hlavní čeradlo nahradit na ár minut jeho nečinnosti, ale nebude jej zastuovat o celou dobu běhu soustrojí. Pomocné čeradlo roto musí mít nezávislý zdroj energie, v tomto říadě jím bude elektromotor naájený autobaterií alubního systému vozidla. Olej v mazacím systému je zaotřebí chladit. hlazení bude rovedeno výměníkem tela. hladivem výměníku bude voda. Jedná se o nejlevnější a nejjednodušší oužívané zařízení v dnešní době. Oleje ro lynové turbiny jsou využívány obdobné jako ro turbiny arní. Důvodem jsou odobné rovozní odmínky. Olej ovšem neřichází do kontaktu s kondenzovanou vodou jako je tomu u arních turbin. uto výhodu komenzuje nevýhoda ve formě vyšší výstuní teloty lynu než u áry. elota se ohybuje v rozsahu Plynové turbiny mají i vyšší otáčky než arní turbiny. Olej u lynových turbin musí zajistit mazání všech ložisek, řevodů, odvádět řiváděné telo hřídelem, těsnit lyn a také bránit korozi a usazeninám. Olej by měl v tomto soustrojí vydržet minimálně rovozních hodin. Do oleje bude řidán silikonový olej z důvodu otlačení možné ěnivosti oleje. Olejová nálň bude oužita malá s velkým oběhovým číslem (očet obrátek nálně v nádrži za hodinu). Musí být tedy řítomno více inhibitoru, oříadě se bude olej častěji měnit. Ložiska budou uvažována valivá ro letecký růmysl, z důvodu vhodných obvodových rychlostí valivých ložisek. Pro oužití kluzných ložisek jsou roblematické starty a doběhy soustrojí, jelikož motor je malý a dokáže na lný výkon naběhnout během několika sekund stejně jako letecké motory. Letecké motory této velikosti oužívají výhradně valivá ložiska. zv. vzduchová ložiska jsou určena ro jiné oměry otáček a hmotnosti rotorové soustavy. ento důvod je i známkou k výběru syntetického oleje ro mazání. 7

84 7

85 4 Předokládaná charakteristika turbiny 4. Výkonová charakteristika turbiny Jmenovitý výkon turbiny: P a 0,5979 5,78kW (4..) m &,0 SP Výkon narázdno a tomu odovídající množství salin turbinou: P 0, P 0, 5,78 7,89kW (4..) 0 m P 5,78 0, SP, 0 0, 5kg s (4..) a P [kw] 47,6 7,89 5,78 m SP [kg s - ] 0,0 0,5,0 ab. 4..: Závislost množství salin m SP na výkonu turbiny P m& SP [ kg s ] Výkonová charakteristika turbiny,0,00 0,80 0,60 0,40 0,0 0,00 47,6 7,89 5,78 P [kw ] Graf 4..: Výkonová charakteristika turbiny 7

86 urbinová charakteristika se často zjednodušuje na závislost: m& SP f ( ε ) této charakteristice se často řidává dolňující arametr charakteristiku turbiny se oužívá vztah, jež odvodil Stodol: n (4..4). Pro růtokovou m& m & ( β ) ( β β ) ( β ) ( β β ) SP,0 & (4..5) msp, 0,0 0 4 β (4..6) β je kritický tlakový oměr. Při tomto tlaku se dosáhne v jednom stuni kritické rychlosti. Symboly s indexem 0 označují dané veličiny v tzv. návrhovém bodu. V říadě, že β 0 < β a β < β se ak odmocnina uvažuje rovna hodnotě. ento vztah nebyl tolik oužíván díky své obtížnosti, a roto otljar odvodil závislost β na β 0 a na z red (redukovaný očet zubů) z red z ρ (4..7), stř Pro říad, že z je β 0 a tedy Stodolův zákon ro elisy je: red m & SP m& SP,0,0,0 β β 0 (4..8) ento vztah se síše uvádí v jednodušším tvaru: m& SP 4 4 (4..9) je konstanta, kterou lze snadno zjistit z návrhových arametrů turbiny. Častěji se uvažuje oměrná hodnota růtokového arametru, která se vztahuje ke kritické (maximální) hodnotě: 74

87 m& SP m& m& SP SP,max,0,0 (4..0) Pokud je ale změna režimu turbiny souvislá se změnou rychlostního oměru x, je nutné uvažovat také vliv změny otáček turbiny. Poměrný růtok turbiny lze ak vyjádřit jako součet dílčích oměrných růtoků: m & SP m& β m& m& (4..) n z m& β zohledňuje vliv arametrů za a řed turbinou, m& n zohledňuje růtok stuněm turbiny vlivem změny otáček a m& z zohledňuje vliv výstuní rychlosti ze stuně na růtoku. Otáčky resektive jejich vliv na růtok stuněm závisí také na β. ato závislost je dána graficky. Změna účinnosti turbiny lze odvodit dle: x stř u u (4..) 4 c0, i Hltnost turbiny dooručuje otljar brát odle grafické závislosti: & [7] Obr. 4..: Závislost m n f ( x, β ) 75

88 Pro očet stuňů z lze vyočítat m& z dle vztahu m & & m f x ) a lze ji odečíst z grafu. z ( red 4. Metoda van Millingerova ( z ) + & (4..) z z m z Jedná se o graficko-analytickou metodu ro vícestuňovou turbinu. Průtoková charakteristika stuně lze vyjádřit buď omocí vstuních nebo také omocí výstuních arametrů dány vztahem: η ( κ ) ol 4 S κ m& ( ε ) 4 m & (4..) Bezrozměrné arametry růtoku jsou brány ři jmenovitých stavech na vstuu k maximálnímu růtoku. harakteristika je vynášena v logaritmických souřadnicích: Obr. 4..: harakteristika turbiny řešená metodou van Millingerovou [7] Parametry na výstuu jsou brány jako arametry na vstuu do dalšího stuně, ak latí:, m+ m 4+ (4..) m+ m 4+ 76