Lopatkové stroje

Hydromechanické procesy
Lopatkové stroje
- turbíny
- čerpadla
M. Jahoda
Lopatkové stroje - rozdělení
2
a) Dle způsobu práce
• generátory  turbíny
potenciální, kinetická energie
mechanická energie na hřídeli
• motory  čerpadla, kompresory
mechanická energie na hřídeli
b) Dle geometrie průtočných částí
• axiální
• radiální
• diagonální
kinetická, tlaková energie
Lopatkové stroje - rozdělení
Rozdělení turbín
• rovnotlaké
Peltonova, Bánkiho, Turgo
• přetlakové
Kaplanova, Francisova
Rozdělení čerpadel
• hydrostatická
zubové, vřetenové, lamelové, pístové
• hydrodynamická
• proudová
odstředivé (radiální), axiální
ejektor, mamutka
3
Vodní díla - rozdělení
- 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
4
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/
Potoční dílo
Ponceletovo vodní kolo
• účinnost 60 – 65%
• od r.1826
• spád do 2 m
• průtok do 5000 l/s
6
Střikový hřebenáč
• účinnost 30 – 35%
• od středověku
• spád do 0,9 m
• průtok do 5000 l/s
zdroj: mve.energetika.cz/
Jezové dílo
7
šikmý betonový jez
kolmý betonový jez
vakový jez
zdroj: mve.energetika.cz/
Vodní dílo nízkotlaké
8
~ 0,40 m
max 2 m
(dřevo)
0,40 – 1 m
zdroj: mve.energetika.cz/
Vodní dílo nízkotlaké
9
- s tlakovým přivaděčem
zdroj: mve.energetika.cz/
Vodní dílo vysokotlaké
Přehrada Pařížov (Doubrava)
10
zdroj: mve.energetika.cz/ | www.pla.cz
Vodní dílo vysokotlaké
11
1x Banki turbína výkon 11 kW
r. 1904
Přehrada Harcov, Liberec (Lužická Nisa)
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
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
zdroj: mve.energetika.cz/
Rovnotlaké turbíny
14
Peltonova turbína
zdroj: mve.energetika.cz/
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
Gilbert Gilkes
- anglický výrobce čerpadel a turrbín
zdroj: mve.energetika.cz/
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 MW
zdroj: mve.energetika.cz/
Přetlakové turbíny
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
17
Přetlakové turbíny
18
Francisova turbína - vertikální
Grand Coulee - spirála
Přetlakové turbíny
19
Francisova turbína – horizontální
James Bicheno Francis
(1815 – 1892)
- britsko-americký inženýr
- narodil se v Anglii
- 1833 emigroval do USA
zdroj: mve.energetika.cz/
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 636 000 l/s
zdroj: mve.energetika.cz/
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
Kaplanova turbína – vertikální
22
hydraul. potrubí
el. generator
axiální ložisko
rozváděcí kolo
oběžné kolo
savka
Přetlakové turbíny
Kaplanova turbína – horizontální
23
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)
Kamýk
Střekov
3x6,5 MW
4x10 MW
Vltava
Labe
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
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
26
Turbíny - savka
27
Zvýšení parametrů turbín – modifikací savky (usměrňovač proudu)
500K, skewness = 0,99
630K, skewness = 0,82
510K, skewness = 0,82
270K, skewness = 0,99
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
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
28
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
Hydrostatická (objemová) čerpadla
30
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
Radiální (odstředivá)
32
Hydrodynamická čerpadla
33
Radiální (odstředivá)
absolutní rychlost
do směru unášivé rychlosti, m/s
unášivá rychlost ve vzdálenosti r, m/s
frekvence otáčení
hmot. tok, kg/s
výkon
úhlová rychlost, rad
Hydrodynamická čerpadla
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
34
Řazení čerpadel
Paralelní řazení
Sériové 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
35
Kavitace
36
- vznik dutin v kapalině při lokálním poklesu tlaku, následovaný jejich implozí
Fázový diagram (voda)
VODA
p
Var
LED
PÁRA
Kavitace
T
Tlak nasycených par
t / °C
10
20
50
80
100
p° /Pa
1 200
2 300
12 330
47 370
101 315
Kavitace
37
Kavitace
38
Kavitace
39
Kavitace
Kolaps na stěně
40
Kavitace
Kavitační poškození
41
Kavitace
Kavitační odolnost
42
Kavitace – sací výška
Maximální (teoretická) sací výška
Thomův kavitační součinitel
Redukovaná sací výška
43
Kavitace
Superkavitace
44
Kavitace
Superkavitace
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
ušetří 25% paliva