lopatkové stroje turbíny...
TRANSCRIPT
Lopatkové stroje- turbíny- čerpadla
M. Jahoda
Hydromechanické procesy
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
Lopatkové stroje - rozdělení 3
Rozdělení turbín
• rovnotlaké Peltonova, Bánkiho, Turgo
• přetlakové
Rozdělení čerpadel
• hydrostatická
• hydrodynamická
• proudová
Kaplanova, Francisova
zubové, vřetenové, lamelové, pístové
odstředivé (radiální), axiální
ejektor, mamutka
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
Potoční dílo 5
0,6-1m/s
zdroj: mve.energetika.cz/
Korečník na horní vodu
• účinnost 65 – 80%
• od starověku
• spád 2,5 - 10 m
• průtok do 500 l/s
Potoční dílo 6
zdroj: mve.energetika.cz/
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
Jezové dílo 7
vakový jez
šikmý betonový jez
kolmý betonový jez
zdroj: mve.energetika.cz/
Vodní dílo nízkotlaké 8
0,40 – 1 m
~ 0,40 mmax 2 m
(dřevo)
zdroj: mve.energetika.cz/
9
- s tlakovým přivaděčem
zdroj: mve.energetika.cz/
Vodní dílo nízkotlaké
Vodní dílo vysokotlaké 10
zdroj: mve.energetika.cz/ | www.pla.czPřehrada Pařížov (Doubrava)
Vodní dílo vysokotlaké 11
Přehrada Harcov, Liberec (Lužická Nisa)
1x Banki turbína výkon 11 kW
r. 1904
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/
Rovnotlaké turbíny 13
zdroj: mve.energetika.cz/
Peltonova turbína
Peltonova turbína
• účinnost 80 – 95%
• od r.1878 (patent od 1889)
• spád 30 - 200 m, min 1 m, max 1770 m
• průtok 1,5 – 34 000 l/s
• výkon do 200 MW
Lester Allan Pelton (1829 – 1908)
- americký vynálezce
Rovnotlaké turbíny 14
zdroj: mve.energetika.cz/
Peltonova turbína
Rovnotlaké turbíny 15
turbína Turgo
turbína Turgo
• účinnost 80 – 90%
• od r.1919 (modifikace Peltonovy turbíny)
• spád 10 - 300 m, min 1 m
• průtok 1,5 – 3 200 l/s
• výkon do 8 MW
zdroj: mve.energetika.cz/
Gilbert Gilkes
- anglický výrobce čerpadel a turrbín
Přetlakové turbíny 16
Francisova turbína - vertikální
Francisova turbína
• účinnost ~ 90%
• od r.1848
• spád malé od 1,5 - 5 m, velké 30 - 400 m
• průtok malé od 100 l/s, velké >10 000 l/s
• výkon ~10 - 100 MWzdroj: mve.energetika.cz/
Přetlakové turbíny 17
Francisova turbína - vertikální
Instalace Francisovy turbíny v přehradě Grand Coulee (750 MW),
Columbia River, state Washington, průtok 3 100 m3/s, výkon celkový 6809 MW
Přetlakové turbíny 18
Francisova turbína - vertikální
Grand Coulee - spirála
Přetlakové turbíny 19
Francisova turbína – horizontální
zdroj: mve.energetika.cz/
James Bicheno Francis
(1815 – 1892)
- britsko-americký inženýr
- narodil se v Anglii
- 1833 emigroval do USA
Přetlakové turbíny 20
Kaplanova turbína – vertikální
zdroj: mve.energetika.cz/
Kaplanova turbína
• účinnost ~ 90%
• od r.1912 (1920 patent)
• spád malé od 1 – 70 m
• průtok od 250, max Gabčíkovo 636 000 l/s
Přetlakové turbíny 21
Viktor Kaplan (1876 – 1934)
• rakouský inženýr
• 1895 -1900: vídeňská Vysoká škola technická
• stavba strojů a Dieslových motorů
• 1901-1903: 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
Přetlakové turbíny 22
Kaplanova turbína – vertikální
el. generator
axiální ložisko
oběžné kolo
savka
rozváděcí kolo
hydraul. potrubí
Přetlakové turbíny 23
Kaplanova turbína – horizontální
Turbíny - užití 24
Turbíny - savka 25
- zužitkování energie vody
- přeměna kinetické energie na tlakovou (Bernoulliova rovnice)
- podtlak pod lopatkami turbíny
Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)
Skoták A., Obrovský J., 2007. Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX,
Konference ANSYS 2007, 13.-.15.6.2007, Průhonice
Kamýk Střekov
3x6,5 MW4x10 MW
Vltava Labe
Turbíny - savka 26
Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)
Skoták A., Obrovský J., 2007. Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX,
Konference ANSYS 2007, 13.-.15.6.2007, Průhonice
Turbíny - savka 27
Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)
Skoták A., Obrovský J., 2007. Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX,
Konference ANSYS 2007, 13.-.15.6.2007, Průhonice
500K, skewness = 0,99 510K, skewness = 0,82
630K, skewness = 0,82 270K, skewness = 0,99
Turbíny - savka 28
Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)
Skoták A., Obrovský J., 2007. Simulace proudění v savce vodní turbíny pomocí programů Fluent a CFX,
Konference ANSYS 2007, 13.-.15.6.2007, Průhonice
29
zubové
vřetenové
lamelové
pístové
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
Hydrostatická (objemová) čerpadla
30Hydrostatická (objemová) čerpadla
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
Hydrodynamická čerpadla 32
Radiální (odstředivá)
Hydrodynamická čerpadla 33
Radiální (odstředivá)
hmot. tok, kg/s
úhlová rychlost, rad
unášivá rychlost ve vzdálenosti r, m/sabsolutní rychlost
do směru unášivé rychlosti, m/s
výkon
frekvence otáčení
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
Řazení čerpadel 35
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
Sériové řazení
Paralelní řazení
Kavitace 36
Fázový diagram (voda)
T
p
Kavitace
Var
LED
VODA
PÁRA
Tlak nasycených par
t / °C 10 20 50 80 100
p° /Pa 1 200 2 300 12 330 47 370 101 315
- vznik dutin v kapalině při lokálním poklesu tlaku, následovaný jejich implozí
Kavitace 37
Kavitace 38
Kavitace 39
Kavitace 40
Kolaps na stěně
Kavitace 41
Kavitační poškození
Kavitace 42
Kavitační odolnost
Kavitace – sací výška 43
Maximální (teoretická) sací výška
Thomův kavitační součinitel
Redukovaná sací výška
Kavitace 44
Superkavitace
Kavitace 45
Torpédo „Škval“ (Vichřice) – Rusko
- od r. 1990
- rychlost 100 m/s, dostřel 7 km
- plynová kapsa díky exotermické reakci
peroxidu vodíku a manganistanu vápenatého
- potopilo 12.8.2000 ponorku Kursk ?
K-141 Kursk
Superkavitace
ušetří 25% paliva