Hydromechanické procesy Lopatkové stroje - turbíny - čerpadla

Transkript

1 Hydromechanické procesy Lopatkové stroje - turbíny - čerpadla M. Jahoda

2 Lopatkové stroje - rozdělení 2 a) Dle způsobu práce generátory turbíny potenciální, kinetická energie mechanická energie na hřídeli motory čerpadla, kompresory mechanická energie na hřídeli kinetická, tlaková energie b) Dle geometrie průtočných částí axiální radiální diagonální

3 Lopatkové stroje - rozdělení 3 Rozdělení turbín rovnotlaké přetlakové Peltonova, Bánkiho, Turgo Kaplanova, Francisova Rozdělení čerpadel hydrostatická zubové, vřetenové, lamelové, pístové hydrodynamická odstředivé (radiální), axiální proudová ejektor, mamutka

4 Vodní díla - rozdělení 4 - využití energie vody a její přeměna na mechanickou práci Vodní dílo ležící přímo na hlavním toku vodní dílo potoční vodní dílo jezové přehrady Vodní dílo ležící mimo hlavní tok nízkotlaké spády do 20 m středotlaké spády do 100 m vysokotlaké spády nad 100 m kombinované

5 Potoční dílo 5 0,6-1m/s Korečník na horní vodu účinnost 65 80% od starověku spád 2,5-10 m průtok do 500 l/s zdroj: mve.energetika.cz/

6 Potoční dílo 6 Ponceletovo vodní kolo účinnost 60 65% od r.1826 spád do 2 m průtok do 5000 l/s Střikový hřebenáč účinnost 30 35% od středověku spád do 0,9 m průtok do 5000 l/s zdroj: mve.energetika.cz/

7 Jezové dílo 7 šikmý betonový jez kolmý betonový jez vakový jez zdroj: mve.energetika.cz/

8 Vodní dílo nízkotlaké 8 max 2 m (dřevo) ~ 0,40 m 0,40 1 m zdroj: mve.energetika.cz/

9 Vodní dílo nízkotlaké - s tlakovým přivaděčem 9 zdroj: mve.energetika.cz/

10 Vodní dílo vysokotlaké 10 Přehrada Pařížov (Doubrava) zdroj: mve.energetika.cz/

11 Vodní dílo vysokotlaké 11 r x Banki turbína výkon 11 kw Přehrada Harcov, Liberec (Lužická Nisa)

12 Rovnotlaké turbíny 12 Bánkiho turbína Bánkiho turbína účinnost 78 84% od r.1918 spád 1,5-200 m průtok do 9000 l/s výkon do 1 MW zdroj: mve.energetika.cz/

13 Rovnotlaké turbíny 13 Peltonova turbína Peltonova turbína účinnost 80 95% od r.1878 (patent od 1889) spád m, min 1 m, max 1770 m průtok 1, l/s výkon do 200 MW Lester Allan Pelton ( ) - americký vynálezce zdroj: mve.energetika.cz/

14 Rovnotlaké turbíny 14 Peltonova turbína zdroj: mve.energetika.cz/

15 Rovnotlaké turbíny 15 turbína Turgo turbína Turgo účinnost 80 90% od r.1919 (modifikace Peltonovy turbíny) spád m, min 1 m průtok 1, l/s výkon do 8 MW Gilbert Gilkes - anglický výrobce čerpadel a turrbín zdroj: mve.energetika.cz/

16 Přetlakové turbíny 16 Francisova turbína - vertikální Francisova turbína účinnost ~ 90% od r.1848 spád malé od 1,5-5 m, velké m průtok malé od 100 l/s, velké > l/s výkon ~ MW zdroj: mve.energetika.cz/

17 Přetlakové turbíny 17 Francisova turbína - vertikální Instalace Francisovy turbíny v přehradě Grand Coulee (750 MW), Columbia River, state Washington, průtok m 3 /s, výkon celkový 6809 MW

18 Přetlakové turbíny 18 Francisova turbína - vertikální Grand Coulee - spirála

19 Přetlakové turbíny 19 Francisova turbína horizontální James Bicheno Francis ( ) - britsko-americký inženýr - narodil se v Anglii emigroval do USA zdroj: mve.energetika.cz/

20 Přetlakové turbíny 20 Kaplanova turbína vertikální Kaplanova turbína účinnost ~ 90% od r.1912 (1920 patent) spád malé od 1 70 m průtok od 250, max Gabčíkovo l/s zdroj: mve.energetika.cz/

21 Přetlakové turbíny 21 Viktor Kaplan ( ) rakouský inženýr : vídeňská Vysoká škola technická stavba strojů a Dieslových motorů : strojírny Genz a Co., Leobersdorf u Vídně spalovací motory 1903: Německá vysoká škola technická v Brně konstruktér nauky u strojích, kinematice a strojnictví 1912: vynález vodní turbíny 1913: vedoucí katedry teorie a stavby vodních motorů, od 1918 profesor 1926 čestný doktorát na Vysoké škole technické v Praze

22 Přetlakové turbíny 22 Kaplanova turbína vertikální hydraul. potrubí el. generator axiální ložisko rozváděcí kolo oběžné kolo savka

23 Přetlakové turbíny 23 Kaplanova turbína horizontální

24 Turbíny - užití 24

25 Turbíny - savka 25 - zužitkování energie vody - přeměna kinetické energie na tlakovou (Bernoulliova rovnice) - podtlak pod lopatkami turbíny Zvýšení parametrů turbín modifikací savky (usměrňovač proudu) Kamýk 4x10 MW Střekov 3x6,5 MW Vltava Labe Skoták A., Obrovský J., Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX, Konference ANSYS 2007, , Průhonice

26 Turbíny - savka 26 Zvýšení parametrů turbín modifikací savky (usměrňovač proudu) Skoták A., Obrovský J., Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX, Konference ANSYS 2007, , Průhonice

27 Turbíny - savka 27 Zvýšení parametrů turbín modifikací savky (usměrňovač proudu) 500K, skewness = 0,99 510K, skewness = 0,82 630K, skewness = 0,82 270K, skewness = 0,99 Skoták A., Obrovský J., Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX, Konference ANSYS 2007, , Průhonice

28 Turbíny - savka 28 Zvýšení parametrů turbín modifikací savky (usměrňovač proudu) Skoták A., Obrovský J., Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX, Konference ANSYS 2007, , Průhonice

29 Hydrostatická (objemová) čerpadla 29 Charakteristika - zprostředkovávají přímou přeměnu mechanické energie v hydraulickou - mechanickým tlakem pohyblivého členu na kapalinu se zvyšuje její tlaková energie přímo - menší počet otáček větší hmotnost a cena - složitější regulace průtoku (nelze užít regulace škrcením na výtlaku) - pro vyšší tlaky (řádově do 50 MPa) a malé průtoky zubové vřetenové lamelové pístové

30 Hydrostatická (objemová) čerpadla 30

31 Hydrodynamická (odstředivá) čerpadla 31 Charakteristika - přeměna mechanické energie na energii tlakovou probíhá zprostředkovaně přes změnu kinetické energie - hnacím motorem je dodávána mechanická práce energie oběžnému kolu, kde se přemění na hydraulickou energii kinetickou, která se ve spirále nebo v rozváděcím kole dále přemění na hydraulickou energii tlakovou - dvojí přeměna má za následek nižší účinnost ve srovnání s HS čerpadly - tekutina protéká spojitě v nepřetržitém proudu radiální diagonální axiální

32 Hydrodynamická čerpadla 32 Radiální (odstředivá)

33 Hydrodynamická čerpadla 33 Radiální (odstředivá) absolutní rychlost do směru unášivé rychlosti, m/s unášivá rychlost ve vzdálenosti r, m/s výkon hmot. tok, kg/s úhlová rychlost, rad frekvence otáčení

34 Hydrodynamická čerpadla 34 Účinnost a příkon čerpadla celková účinnost čerpadla - ztráty: hydraulické objemové mechanické Hydraulické ztráty - ztráty třením, změnou průřezu a směru proudu, turbulencí a vířením kapaliny v kanálech čerpadla Objemové ztráty - zpětné unikání čerpané kapaliny z výtlaku do sání zpětný průtok, 5 až 10 % průtoku Mechanické ztráty - třením hřídele v ucpávkách a ložiskách, ve spojkách a také třením diskovým, tj. třením bočních stěn čerpadla a oběžného kola o kapalinu v tělese čerpadla - 0,8 až 0,94 dle kvality provedení a velikosti čerpadla

35 Řazení čerpadel 35 Sériové řazení Paralelní řazení Sériové řazení odstředivého a objemového čerpadla - v případě, kdy objemové čerpadlo má špatnou sací schopnost, např. v důsledku vysokých otáček - odstředivé čerpadlo slouží jako podávací

36 Kavitace 36 - vznik dutin v kapalině při lokálním poklesu tlaku, následovaný jejich implozí Fázový diagram (voda) p LED VODA Kavitace PÁRA Var Tlak nasycených par T t / C p /Pa

37 Kavitace 37

38 Kavitace 38

39 Kavitace 39

40 Kavitace 40 Kolaps na stěně

41 Kavitace 41 Kavitační poškození

42 Kavitace 42 Kavitační odolnost

43 Kavitace sací výška 43 Maximální (teoretická) sací výška Thomův kavitační součinitel Redukovaná sací výška

44 Kavitace 44 Superkavitace

45 Kavitace 45 Superkavitace Torpédo Škval (Vichřice) Rusko - od r rychlost 100 m/s, dostřel 7 km - plynová kapsa díky exotermické reakci peroxidu vodíku a manganistanu vápenatého - potopilo ponorku Kursk? K-141 Kursk ušetří 25% paliva

46