Transcript 08_Hidromotorok, vízturbinák, szélturbinák

Hidromotorok, vízturbinák, szélturbinák
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
1
Hidrosztatikus motorok
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
2
Hidromotorok


Író Béla
Elvileg bármely volumetrikus szivattyú működhet
hidromotorként.
A leggyakrabban axiál dugattyús vagy lamellás
rendszerűek mert kiválóan szabályozható a
fordulatszámuk.
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
3
Hidromotor – volumetrikus szivattyú
összehasonlítás



Író Béla
Térfogatáram helyett folyadéknyelés.
Szállító magasság helyett nyomáskülönbség.
A geometriai méretekből számítható folyadékszállítás/nyelés
a szivattyúknál kisebb, mint a tényleges érték, hidromotornál
viszont nagyobb.
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
4
Hidrosztatikus energiaátvitel
Phsziv
  sz
Pösziv
f
m
sz
f
Phmot
 m
Phsziv
Phmot
  sziv mot
Pösziv
Volumetrikus szivattyúval és hidromotorral létrehozott rendszer
sz – szivattyú
Phm
Phsz
Pösz
m – motor
f – fojtás (térfogatáram, ill. nyomás szabályozása)
Pvsz
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
Pvm
5
Hidromotor –szivattyú
jelleggörbe
Δp
szivattyú
nm
nsz=áll.
Δp
nm,névleges
motor
M
A rendszer nyomása,
melyet felülről a
„biztonsági szelep”
határol
A motor fordulatszáma a
motor folyadéknyelésétől
függ
VM
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
V
6
Hidrosztatikus energiaátvitel
Phmot  Vmot  Δp  ηmot W 
nmot
M mot 
Phmot
mot
Vmot  vmot
 f 

 60 

Vl
 min 
Vmot  Δpmot  ηmot
Vl  Δpmot  mot Vl  Δpmot  mmot




2    vmot
2 

2    Vmot  vmot
 
 60 
60 
Vl

mN 
A hidromotor nyomatéka állandó geometriai paraméterek esetén csak a
nyomáskülönbségtől, állandó nyomáskülönbség esetén csak a geometriai paraméterektől
függ, a fordulatszámtól nem. A hidrosztatikus motor tehát a teljes fordulatszámtartományában állandó nyomatékkal bír, azaz erőtartó gép.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
7
Változtatható térfogatáramú axiál dugattyús
szivattyú/motor szerkezeti rajza
szívóvezeték
csatlakozás
Vezérlő
tárcsa
A dugattyúkat magába
foglaló forgó rész
A kényszerpályán csúszó
dugattyúk kenését a
dugattyúk belső furatán
át a szállított folyadék
biztosítja
A ház üzem közben
feltöltődik a szállított
folyadékkal és így
minden mozgó rész
kenése biztosított.
nyomóvezeték
csatlakozás
Író Béla
Az álló kényszerpálya ferdeségének állításával állandó fordulatszámnál is
zérus és maximum között tetszés szerint változtatható a térfogatáram.
A szállítás iránya megfordítható!
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
8
Változtatható térfogatáramú axiál dugattyús
szivattyú/motor szerkezeti rajza
szívóvezeték
csatlakozás
Vezérlő
tárcsa
A dugattyúkat magába
foglaló forgó rész
A kényszerpályán csúszó
dugattyúk kenését a
dugattyúk belső furatán
át a szállított folyadék
biztosítja
A ház üzem közben
feltöltődik a szállított
folyadékkal és így
minden mozgó rész
kenése biztosított.
nyomóvezeték
csatlakozás
Író Béla
Az álló kényszerpálya ferdeségének állításával állandó fordulatszámnál is
zérus és maximum között tetszés szerint változtatható a térfogatáram.
A szállítás iránya megfordítható!
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
9
Változtatható térfogatáramú axiál dugattyús
szivattyú/motor szerkezeti rajza
A vezérlő tárcsa
Vezérlő
tárcsa
Forgásirány
Szívó
rés
Író Béla
Nyomó
rés
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
10
Állandó térfogatáramú axiál dugattyús
szivattyú/motor szerkezeti rajza
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
11
Állandó térfogatáramú axiál dugattyús
szivattyú/motor
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
12
Állandó térfogatáramú axiál dugattyús
szivattyú/motor
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
13
Hidromotorral hajtott munkagép-tengelyek
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
14
Hidrodinamikus motorok
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
15
Vízturbina – áramlástani szivattyú
összehasonlítás


Térfogatáram helyett folyadéknyelés
Szállító magasság helyett esés




geometriai vagy geodetikus esés (Hg)
diszponibilis vagy hasznosítható esés (Hd)
Hd 
Hg
1  
l
d
A járókeréken áthaladó folyadék energiája a szivattyúknál nő, a
turbináknál viszont csökken
c1u  u1  c2u  u2 c1u  u1
H e 

g
g
Az esés akkor használható ki maximálisan, ha a kilépés perdület
mentes (a kilépő sebességi háromszög derékszögű azaz c2u=0)
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
16
Vízturbina beépítése
Alvíz szint
Hg ≈ Hd
Felvíz szint
A turbina
szívócsöve
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
17
Vízturbinák
 Akciós turbinák (szabadsugár turbinák)
 A turbina be és kilépő oldala között nincs nyomáskülönbség, a turbinán
kizárólag mozgási energia hasznosítása történik
 Reakciós turbinák (réstúlnyomásos turbinák)
 A turbina lapátjai között kialakított ún. lapátcsatornákat a folyadék teljesen
kitölti és így a turbina belépő és kilépő oldala között nyomáskülönbség van
(pbe > pki), a turbinán részben mozgási energia részben pedig a
nyomáskülönbségből származó energia hasznosítása történik.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
18
A jellemző fordulatszám
Szivattyúk esetében
1
2
nq  n V  H

3
4
Vízturbinák esetében a meghatározó paraméterek az esés és a teljesítmény,
célszerű tehát a térfogatáramot ez utóbbival helyettesíteni
V 
P
H    g t
1
2
ns  1,166 n  P  H
5

4
Nem dimenziótlan jellemző! A fordulatszám percenkénti értéke mellett a
teljesítmény kW-ban, az esés méterben helyettesítendő!
A konstans a teljesítmény korábbi mértékegységét (LE) veszi figyelembe!
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
19
A vízturbinák alkalmazhatósága
1000
Pelton
Francis
100
Esés (m)
Kaplan
Bánki
10
1
1
Író Béla
10 Víznyelés (m3/s)
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
100
1000
20
Akciós turbinák
• A folyadék nem tölti ki teljesen a lapátcsatornákat, azaz
nincs nyomáskülönbség a járókerék belépő és a kilépő
palástja között.
• Kis jellemző fordulatszám.
• Nagy esés és mérsékelt térfogatáram feldolgozására.
• A fordulatszám a hálózati frekvenciához igazodik.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
21
A Bánki turbina
Michell vagy Ossberger turbina
• Kétszeres átömlés
• Kis jellemző fordulatszám
• Jó elméleti hatásfok
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
22
A Bánki turbina
 o  1  16o
Dk
6
Db 2

Dk 3
bmax 
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
23
A Bánki turbina sebességi háromszögei
A be és a kilépő relatív sebesség egyenlő kell
legyen, ha nincs túlnyomás a járókerékben!
Belépő sebességi
háromszög
c1
30o
16o
u1=u2
c2
w1
30o
w2
 c2 
c c
t 
 1   
2
c1
 c1 
2
1
2
2
2
Kilépő sebességi
háromszög
(a második kilépésnél!)
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
24
A Bánki turbina
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
25
A Bánki turbina
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
26
A Pelton turbina
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
27
A Pelton turbina
A β1 szög kis értéke miatt
c1≈co≈c1u
c1u  u1 co  u1
co2
H

 2
h  g h  g   2  g
 c   2 g  H
u  h 2o  h
2 
2  2
Belépő sebességi
háromszög
u1=u2=u
c2
Kilépő sebességi
háromszög
Író Béla
A turbina teljesítménye
akkor a maximális, ha
u=co/2
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
28
A Pelton turbina
kerületi sebessége és átmérője az esés függvényében
co2
c1u  u1 co  u
H 2


  2  g h  g h  g
h  co h  2  g  H h  2  g
u


 H
2
2
2
2 
2 
2 
h  2  g  H
h  2  g  H
h  2  g H
u
2  2
D  60
 60
 60
 60

2
2
 n
 n
2     n
2   
n
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
29
A Pelton turbina
hasznos és összes teljesítménye
co  u
co2
H

h  g 2 h  g
  co2
co2
m
H V    g
V    g
Pö 



m v
2 h  g m v
2 h m v
  co
co 
co m

   co    2  
Ph  co    A  co  u  1  sin   u  m
2
2
2

2
A járókerékre alkalmazott
impulzus-tételből
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
30
Reakciós turbinák
 A folyadék teljesen kitölti a lapátcsatornákat, azaz
nyomáskülönbség van a járókerék belépő és a kilépő
palástja között.
 Elvileg bármely áramlástani szivattyú működhet
vízturbinaként.
 A fordulatszám a hálózati frekvenciához igazodik.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
31
A Francis turbina
•
•
A vezetőkerék a folyadéknyelés szabályozására
és az ütközésmentes belépés biztosítására
szolgál.
A szívócső a járókerék kilépési vesztesége egy
részének visszanyerésére szolgál. A kilépési
veszteség nagyságát rendszerint az esésre
vetítve adják meg, mint kilépési veszteség
tényezőt
2
Kilépési veszteség
tényező gyakorlatban
elfogadott értéke
c2
s 
2 g  H
•
Mivel az esés a jellemző fordulatszám 5/4
hatványával fordítottan arányos, a jellemző
fordulatszám növekedésével egyre nagyobb a
kilépési veszteség aránya. Törekednek arra, hogy ez
10%-nál kisebb legyen, de olykor 15% is lehet!
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
32
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g

pg
g
l sz
l sz
X
hd
c32
2 g
hd
po
g
pg 

p0
c22
l sz 
 X   sz 


g
2 g   g 

Író Béla
ηsz  75  80%
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
 c32
 sz   d  1  2
 c2



33
A reakciós turbina szívócsöve
A szívócsövet elhagyó
folyadék dinamikai
magassága (m)
l sz
po
X
c3
c32
2 g
Író Béla
po
g
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
34
A reakciós turbina szívócsöve
Veszteségmagasság
A szívócsövet
elhagyó
a szívócsőben
folyadék
dinamikai (m)
magassága (m)
l sz
X
c3
hd
c32
2 g
Író Béla
po
g
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
35
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g
A szívócsövet elhagyó
folyadék dinamikai
magassága (m)
c2
l sz
X
c3
hd
c32
2 g
Író Béla
po
g
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
A járókerékből kilépő
folyadék dinamikai
magassága (m)
X
36
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g
A diffúzoros szívócsőben
hidrosztatikai nyomássá
átalakított mozgási
energiával egyenértékű
magasság (m)
c2
l sz
X
c3
hd
c32
2 g
Író Béla
hd
po
g
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
A járókerékből kilépő
folyadék dinamikai
magassága (m)
X
37
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g
c2
l sz
A diffúzoros szívócsőben
hidrosztatikai nyomássá
átalakított mozgási
energiával egyenértékű
magasság (m)
l sz
X
c3
hd
hd
p
c32
A szívócső hosszávalo
2 g
g
egyenlő hidrosztatikai
magasság (m)
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
38
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g

A folyadék hőmérsékletének
megfelelő telítési
gőznyomással egyenértékű
hidrosztatikai magasság (m)
pg
g
l sz
c2
l sz
X
c3
hd
hd
p
c32
A szívócső hosszávalo
2 g
g
egyenlő hidrosztatikai
magasság (m)
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
39
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g

A folyadék hőmérsékletének
megfelelő telítési
gőznyomással egyenértékű
hidrosztatikai magasság (m)
pg
g
l sz
c2
l sz
X
c3
hd
c32
2 g
hd
po
g
X
pg
c32
po
c22

Az ábra alapján:

 lsz  hd 

X
2 g   g
2 g   g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
40
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g

pg
g
l sz
ηsz a szívócső hatásfoka, mely az itt leírt
módon függ össze a diffúzor hatásfokkal
(ηd) és annál mindig kisebb, hiszen c3<c2
c2
l sz
X
c3
hd
c32
2 g
hd
po
g
X
Az egyenlet
átalakítása és
ppg 0

cc3222
ppog 
c22

átrendezése
után:
Az ábra alapján:
lszX hd 

 X
l sz
sz 
2

g


g
2  g  g g
2

g


g


Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
41
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g

pg
g
l sz
ηsz a szívócső hatásfoka, mely az itt leírt
módon függ össze a diffúzor hatásfokkal
(ηd) és annál mindig kisebb, hiszen c3<c2
c2
l sz
X
c3
Felhasználva a
Az egyenlet
kilépési
veszteség
átalakítása
tényező
és azésesés
átrendezése
után:
közötti
kapcsolatot:
Író Béla
hd
c32
2 g
hd
po
g
X
c22
 s  Hd
2 g
p g pg 
  c22
p0 po
l sz lsz   X 
X szsz  s H d   
  g  g
  2  g   g g 
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
42
A reakciós turbina szívócsöve
c 22
2 g

pg
g
l sz
c2
l sz
X
c3
hd
hd
po
c32
Nagy esések hasznosításakor a
X
2 g
g
Felhasználva
a lehet,
szívócsőhossz
negatív
kilépési
veszteség
ami azt
jelenti,
hogy – a
tényező
és az esés
kavitáció
elkerülése
érdekében
pg 

po
közötti kapcsolatot:
 X   sz  s  H d 
– a járókerék
kilépése az alvíz lsz 



g


g


szint alatt kell legyen!
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
c22
 s  Hd
2 g
43
A Francis turbina
Lassú járású
Francis turbina
Közepes járású
Francis turbina
Gyors járású
Francis turbina
A jellemző fordulatszám növekedésével a lapátra történő belépés a radiális irányról
egyre jobban el kell tolódjon az axiális irány felé és a lapátcsatornák hossza
szükségképpen egyre csökken.
1
2
ns  1,166 n  P  H
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)

5
4
44
A Francis turbina
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
45
A Francis turbina
A kavitáció a járókerék belépő élének közelében a lapát hátoldaláról indul ki!
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
46
A propeller- és a Kaplan-turbina
 Szárnylapátos vízgépek.
 A propeller turbina lapátjai rögzítettek.
 Csak állandó esés és víznyelés esetén ad jó hatásfokot
 A Kaplan-turbina lapátjai állíthatók
 Az állítási lehetőséggel biztosítható, hogy a belépésnél a víznyelés
széles tartományában legyen ütközésmentes
 A kilépési veszteség 40%-ig is nőhet!
 Különösen fontos a szívócső.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
47
A Kaplan-turbina
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
48
A Kaplan-turbina
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
49
A Kaplan-turbina
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
50
A Kaplan-turbina
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
51
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
52
Hidrodinamikus hajtóművek
 Áramlástani szivattyú és turbina egysége
 Tengelykapcsoló
 ha M sz  M t  0
 Nyomatékváltó
 ha M sz  M t  M v  0
Turbina
Vezető
kerék
Szivattyú
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
53
Hidrodinamikus hajtómű
1
2
3
4
5
6
7
8
motor tengely (behajtó tengely)
folyadéktér a hajtómű reteszeléshez
reteszelő dugattyú
folyadéktér
szabadon futó
fogaskerék-szivattyú
turbina tengely
reteszelhető tengely (motor)
SZ
T
V
szivattyú
turbina
vezető kerék
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
54
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
55
A szélturbina elmélete
2
2'
1'
áramcső
1
A1
Aszk
A2
v1
2
22
,
2
c12 p1 cszk
p1, c12 ccszk
p
c
p2
2
2
2
F p Aszk  Aszk c1  A1  c2 A2 cszk Aszk

2 
2 
2

22
v2
c1  c2
cszk2 
2
c1    A
2 1  c2    A2  F
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
56
A szélturbina hatásfoka
A szélkerék által a mozgó levegő energiájából hasznosított energiamennyiség az összes
energiamennyiséghez képest
p 
c1=
cszk=
c2 =
Író Béla
cszk  F
2
1
c
   Aszk  cszk
2
 c2 
c c
 2  1   
c1
 c1 
2
1
2
2
2
a szélsebesség
a szélkeréknél érvényes elméleti sebesség
a szélkerék mögött nagy távolságban, az elképzelt áramcsőben érvényes
sebesség
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
57
A Betz-limit
A hasznos teljesítmény összefüggését
Phszk
  c 2 


Aszk
c1  c2
c12  c22
c
 cszk  F 
 Aszk 
 
   c13  1  2   1   2  
2
2
4
 c1    c1  
megvizsgálva megállapítható, hogy annak maximuma van, mégpedig ott, ahol
c2 1

c1 3
A szélkeréknek tehát olyannak kell lennie, hogy a szél sebességét elméletileg
éppen harmadára csökkentse.
Ekkor a hasznos teljesítmény
Ph max
16 c13

    Aszk
27 2
W 
A légcsavarkörnek megfelelő területen időegység alatt átáramló levegő összes
energiájának legfeljebb 16/27-ed része, azaz 59,3%-a hasznosítható. Ez a Betzlimit.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
58
Szélturbinák
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
59