VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE STUDIE TURBÍNY S VÍŘIVÝM OBĚŽNÝM KOLEM STUDY OF TURBINE WITH SIDE CHANNEL RUNNER DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. PAVEL JANDOUREK prof. Ing. FRANTIŠEK POCHYLÝ, CSc. BRNO 2012
ABSTRAKT Cílem této práce je navrhnout konstrukční řešení turbíny s vířivým oběžným kolem. Základem pro návrh je ztrátová charakteristika ventilu. Záměrem je nahrazení klasických hydraulických uzávěrů turbínou s vířivým oběžným kolem. Hydraulické ztráty při škrcení průtoku jsou naopak nahrazeny výrobou elektrické energie při srovnatelných charakteristikách ventilu a turbíny. ABSTRACT This thesis deals with proposal of constructional solving turbine with side channel. Basis for the design is lossy characteristics of the valve. The intention is to replace hydraulic closures by turbine with side channel runner. Hydraulic losses in the flow restriction in turn replaced by the electricity generation in the comparable characteristics of valve and turbine. KLÍČOVÁ SLOVA Vodní turbína, oběžné kolo, vodní energie, turbína s vířivým oběžným kolem, vířivá turbína, čerpadlo s vířivým oběžným kolem, vířivé čerpadlo KEYWORDS Water turbine, impeller, water energy, turbine with side channel runner, vortex turbine, pump with side channel runner, vortex pump
JANDOUREK, Pavel. Studie turbíny s vířivým oběžným kolem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 72 s. Vedoucí diplomové práce prof. Ing. František Pochylý, CSc.
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Studie turbíny s vířivým oběžným kolem vypracoval samostatně a použil pouze uvedené informační zdroje, které tvoří přílohu této práce. V Brně dne 25. května 2012 podpis.
Děkuji vedoucímu této práce, panu prof. Ing. Františku Pochylému, CSc. za čas, který mi věnoval a za podnětné rady. Moc si toho vážím. V Brně dne 25. května 2012 podpis.
OBSAH ÚVOD... 9 1 TEORIE VÍŘIVÝCH STROJŮ... 10 1.1 STROJE S VÍŘIVÝM OBĚŽNÝM KOLEM... 10 7
ÚVOD Diplomová práce navazuje na stejnojmennou bakalářskou práci Studie turbíny s vířivým oběžným kolem. Zabývá se návrhem speciální pomaluběžné vířivé turbíny, která pracuje v oblasti středních spádů a malých průtoků. Tato turbína by měla nahradit redukční ventily, které jsou zdrojem ztrát. Návrh vychází z odporové charakteristiky ventilu. Tím by se mohlo dosáhnout 50% rekuperace dodané energie. Jedná se sice o malé zdroje energie, ale v budoucnosti mohou být hojně využívány pro výrobu elektrické energie v procesech, kde dochází k maření energie vlivem škrcení. Pro měření byl přizpůsoben měřící okruh laboratoře fluidního inženýrství. 8
1 TEORIE VÍŘIVÝCH STROJŮ 1.1 Stroje s vířivým oběžným kolem Stroje s vířivým oběžným kolem se používají jako samonasávací čerpadla. Jsou založena na následujícím principu (Obr. 1.1). Otevřené oběžné kolo rotuje mezi dvěmi postranními deskami. Sací otvor je umístěn blízko středu na přívodní straně. Výtokový otvor je na protější desce. Odděleně od těchto otvorů je jeden nebo dva symetrické okrajové kanály nebo drážky, které svírají úhel přibližně 330. Čerpadlo před prvním spuštěním musíme naplnit kapalinou. Při dalších spuštěních to není potřebné, pokud jsou sací a výtoková větev nasměrovány nahoru. Zbytek kapaliny tak zůstává v čerpadle. [1] Obr. 1.1 Samonasávací čerpadlo s bočním kanálem Uvažujme jeden cyklus oběhu oběžného kola, začínající na začátku kanálu, když sací potrubí je ještě plné vzduchu. Oběžné kolo se otáčí, kapalina je vržena do kanálů a okolo středu je vzduch, který byl nasát ze sacího potrubí. Jak se oběžné kolo otáčí, boční kanály se zužují, až mizejí a kapalina se vrací do prostoru mezi lopatkami a vyhání vzduch přes výtokový otvor. Tato sekvence se opakuje s každým oběhem oběžného kola. Kapalina se otáčí s oběžným kolem a vytváří těsnění mezi sacím a výtokovým prostorem. Poté co byl všechen vzduch vytlačen ze sacího potrubí a sací komory, pumpa nasaje kapalinu a vytlačuje ji výtokovou větví. Proudění v prostorech oběžného kola nastane, když je úhlová rychlost všech částic kapaliny přibližně stejná, zatímco proudění v bočním kanálu závisí na principu zachování momentů hybnosti. To způsobuje rozdíl mezi tlakem v bočních kanálech a na koncích lopatek a to způsobí silnou sekundární cirkulaci kapaliny (Obr. 1.2). Tento pohyb je zvětšený obvodovým pohybem vytvořeným tlačením lopatek na kapalinu, která zrychluje v celé radiální šířce kanálu. Pohyb na obvodu oběžného kola má za následek souvislý přesun rozdílu energie z části kapaliny odcházející z oběžného kola na část kapaliny v bočních kanálech. Tento efekt je zvětšen vlivem bezrázového vstupu kapaliny do bočních kanálů. Celkový přírůstek energie proudění kapaliny čerpadlem, je vytvářen výměnou impulzů mezi kapalinou v prostoru oběžného kola a kapalinou v bočních kanálech. [1] 9
Obr. 1.2 Cirkulace kapaliny oběžným kolem a bočním kanálem Vířivé čerpadla pracují s malými průtoky a relativně velkými dopravními výškami. Pracovní oblast je v rozmezí specifických otáček n s = 4 40 1/min. Hlavní nevýhodou je malá účinnost, která se běžně pohybuje od 25 do 50 %. Prostor pro jejich využití vzniká, díky tomu, že odstředivá čerpadla pracují při ideálních specifických otáčkách n s = 180 1/min a hydraulické účinnosti η h > 85%. Dosažení specifických otáček n s < 40 1/min odstředivými čerpadly je značně problematické. Při takových parametrech se začne projevovat protiběžný vír v kanálech mezi lopatkami, diskové a objemové ztráty. To způsobuje pokles účinnosti, která se tak může dostat i pod hodnotu 40%. V takových situacích může být výhodné použít vířivá čerpadla, protože mají vyšší účinnost než pomaluběžná odstředivá čerpadla. Vzhledem ke své malé účinnosti se nehodí pro větší výkony. Jsou vhodné spíše tam, kde je brán zřetel na spolehlivost a pohotovost, než na spotřebu energie. Mohou plnit i funkci vývěvy a být použity pro vyčerpávání vzduchu při spouštění čerpadla ze sacího potrubí u prvního stupně vícestupňových odstředivých čerpadel. 10
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] JANDOUREK, Pavel. Studie turbíny s vířivým oběžným kolem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 38 s. Vedoucí bakalářské práce prof. Ing. František Pochylý, CSc. 11