Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují

Transkript

1 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 ing.jan Šritr 2 1

2 Lopatkové stroje Pracovní lopatkové stroje Lopatkové motory Čerpadla Ventilátory Dmychadla Kompresory Vodní turbíny Parní turbíny Plynové turbíny Radiální Radiální Radiální Radiální Přetlaková Přetlaková Spalovací Axiální Axiální Axiální Rovnotlaká Rovnotlaká Rovnotlaká Diagonální 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 ing.jan Šritr 4 2

3 Rozdělení lopatkových strojů podle dalších kritérií 1) 2) 3) 4) Dle polohy hřídele a) vertikální stroje b) horizontální stroje Dle průtoku média a) radiální b) axiální c) diagonální (šikmé) Dle počtu oběžných kol a) jednostupňové b) vícestupňové Dle průběhu, rychlosti a tlaku protékajícího média a) rovnotlaké (Peltonova turbína) b) přetlakové (Francisova turbína) 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. ing.jan Šritr 6 3

4 ing.jan Šritr 7 ing.jan Šritr 8 4

5 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. ing.jan Šritr 9 - RADIÁLNÍ - nejpoužívanější - kapalina vstupuje ve směru axiálním, vystupuje ve směru radiálním Pomaloběžné Normální Rychloběžné malé průtoky střední průtoky velké průtoky velké tlaky střední tlaky malé tlaky - jednostupňová - pro menší tlaky - dvoustupňová - pro vyšší tlaky- dopravovaná výška je dvojnásobná než u 1stupňového se stejným oběžným kolem - vícestupňová - pro velké dopravní výšky - max stupňů - 1 stupeň je schopen vytlačit kapalinu do 10 m ing.jan Šritr 10 5

6 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 ing.jan Šritr 11 ing.jan Šritr 12 6

7 Hydrodynamická čerpadla NCU-HC Standardní čerpadlo PN 10 Oblast průtoků od 2 do 15 l.s -1 Rozsah dopravní výšky od 8 do 83 m Provozní otáčky 1450 a min -1 Maximální provozní tlak 1,0 MPa (10 bar) Provozní teplota od 0 C do +90 C DN sacího hrdla 65 mm DN výtlačného hrdla 50 mm ing.jan Šritr 13 ing.jan Šritr 14 7

8 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 ing.jan Šritr 15 ing.jan Šritr 16 8

9 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 ing.jan Šritr 18 9

10 ing.jan Šritr 19 ing.jan Šritr 20 10

11 ing.jan Šritr 21 ing.jan Šritr 22 11

12 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 ing.jan Šritr 23 Vyjadřuje zákon zachování mechanické energie pro ustálené proudění ideální kapaliny. ing.jan Šritr 24 12

13 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. 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. ing.jan Šritr 26 13

14 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. ing.jan Šritr 28 14

15 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. ing.jan Šritr 29 ing.jan Šritr 30 15

16 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. ing.jan Šritr 31 AXIÁLNÍ ROVNOTLAKÉ ARK Ventilátory axiální rovnotlaké ARK a ARM o Ř = 710 až 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 Pa teplota dopravované vzdušiny až do C Ř = 710 až mm ing.jan Šritr 32 16

17 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. 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). ing.jan Šritr 34 17

18 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. 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 η c, která je definována jako poměr mezi výkonem a příkonem ventilátoru. Ohřátí vzduchu ve ventilátoru Δ t (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 ing.jan Šritr 36 18

19 Závislost ohřátí vzduchu na celkovém dopravním tlaku a) ohřátí vzduchu při průchodu ventilátorem b) ohřátí vzduchu v potrubní sítí s ventilátorem ing.jan Šritr 37 ing.jan Šritr 38 19

20 Axiální turbodmychadlo Rotor radiálního turbodmychadla ing.jan Šritr 39 ing.jan Šritr 40 20

21 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 c 02. Relatívnu rýchlosť w 1 na vstupe do medzilopatkových kanálov rotora dostaneme vektorovým odčítaním obvodovej rýchlosti u 1 od c 02. Tvar rotorových i statorových lopatiek je navrhnutý tak, že medzilopatkové kanály tvoria difúzory. Na výstupe z rotora bude relatívna rýchlosť w 2 < w 1, zmenšenie relatívnej rýchlosti má za následok zvýšenie tlaku, teda p 2 > p 1. Absolútna rýchlosť c 2 prúdu v medzere medzi rotorovými a statorovými lopatkami je daná vektorovými súčtom rýchlostí w 2 a u 2. Z rýchlostného trojuholníka na obr.4.3 Je zrejmé, že c 2 > c 1 = c 02, t.j. kinetická energia prúdu sa pri jeho prechode rotorom zvýšila. V medzilopatkových kanáloch statora sa kinetická energia prúdu mení na tlak, t.j. c 3 < c 2, p 3 > p 2. Zvýšenie tlaku p, teploty T a absolútnej rýchlosti c v axiálnom stupni kompresora je znázornené na obr.4.3. ing.jan Šritr 41 ing.jan Šritr 42 21

22 ing.jan Šritr 43 RADIÁLNÍ DMYCHADLO ing.jan Šritr 44 22

23 ing.jan Šritr 45 ing.jan Šritr 46 23

24 ŠROUBOVÁ DMYCHADLA ing.jan Šritr 47 ROOTSOVO DMYCHADLO CAD MODEL ing.jan Šritr 48 24

25 ROOTSOVO DMYCHADLO SKUTEČNÉ, CHYBÍ NĚKTERÉ SOUČÁSTI ing.jan Šritr 49 TK m3/h ing.jan Šritr 50 25

26 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. ing.jan Šritr 51 ing.jan Šritr 52 26

27 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.. ing.jan Šritr 53 ing.jan Šritr 54 27

28 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, min -1, Vstupní parametry 36,6 bar, 437 o C, 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). 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: ing.jan Šritr 56 28

29 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. ing.jan Šritr 57 ing.jan Šritr 58 29

30 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). 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. ing.jan Šritr 60 30

31 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. ing.jan Šritr 61 31