CZ302309B6 - Odvalovací tekutinová turbína - Google Patents

Abstract

Rešení se týká odvalovací tekutinové turbíny sestávající ze statoru (1) opatreného vstupem (13) kapaliny a výstupem (14) kapaliny, kdy stator (1) je prostrednictvím víka (9) statoru (1) a pomocí úchytu (8) generátoru (7) pevne spojen s generátorem (7). Uvnitr statoru (1) je usporádán rotor (2), který je pevne spojen s jedním koncem hrídele (3) rotoru (2) a druhý konec hrídele (3) rotoru (2) je pevne spojen s hlavou kulového kloubu (4), který je usporádán na vnitrní strane víka (9) statoru (1). Hlava kulového kloubu (4) je opatrena podélným otvorem (12) pro uchycení jednoho konce pružné hrídele (5) a hrídel (6) generátoru (7) je opatrena podélným otvorem (11) pro uchycení druhého konce pružné hrídele (5). Otácení hlavy kulového kloubu (4) vede pomocí pružné hrídele (5) k otácení hrídele (6) generátoru (7).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká odvalovacích tekutinových turbín, které se skládají z válcového nebo kónického statoru, ve kterém je uložen na hřídeli rotor osově symetrického tvaru, který může po vnitřní stěně statoru obíhat.

Dosavadní stav techniky

Jsou všeobecně známy tekutinové turbíny odvalovacího principu, které sestávají ze statoru, který má obyčejně podobu konfuzoru, a rotorem je těleso osově symetrického tvaru, velmi často podoby polokoule nebo kónického kuželu. Například dle českého patentu č. 284 483 o názvu Odvalovací tekutinový stroj a dle Evropského patentu EP 1 015 760 BI o názvu Rolling Fluid Machine, je známa vodní turbína, která se skládá ze zásobníku tekutiny opatřeného přítokem a nejméně jednou výstupní tryskou, přičemž v oblasti výstupní trysky je na přidržovacím zařízení uložen odvalovací rotor osově symetrického tvaru. Tento stroj může fungovat jako vodní turbína, když voda, která obtéká rotor, tento rotor vychýlí k vnitřní stěně výstupní trysky a začne ho ve výstupní trysce - ve statoru - odvalovat. Rovněž řešení odvalovacího fluidního motoru v provedení podle českého UV 7606 o názvu Hydromotor a Evropského patentu EP 1 082 538 BI o názvu Hydraulic Motor může být využito k výrobě energie. Rovněž tak řešení podle českého patentu č. 294 708 o názvu Odvalovací kapalinová turbína představuje vodní motor odvalovacího typu, který má navíc v místech vzájemného dotyku rotoru a statoru uspořádány hydraulické kanály, které zároveň plní funkci ozubeného převodu a tím zamezují prokluzování rotoru uvnitř statoru.

Turbíny, které jsou stručně zmíněny v předchozím, a u kterých nastává procesní pohyb hřídele a rotoru, mají rotor uspořádán ve výstupní trysce - ve statoru - pomocí přidržovacího zařízení, které umožňuje otáčení a současně úhlové vychylování hřídele i rotoru. Pridržovací zařízení přitom sestává z hřídele otočně uložené v rámu a přidržující rotor vose výstupní trysky, přičemž hřídel je alespoň v určitém úseku ohebná, nebo sestává z opěrné plochy umístěné uvnitř výstupní trysky za rotorem nebo ze závěsného kloubu v horním víku zásobníku tekutiny nebo z osazení, které je uspořádáno na hřídeli mezi rotorem a horním víkem zásobníku tekutiny - výstupní stěnou statoru. Základní nevýhodu všech těchto přidržovacích zařízení je skutečnost, že neumožňují dostatečně přesný precesní pohyb hřídele a rotoru. Osazení navíc vyvolává při úhlovém vychýlení hřídele její axiální posun a zároveň vyvolává v závislosti na svém průměru zmenšení úhlového vychýlení. Rovněž velikost otvoru ve výstupní stěně statoru musí být kvůli precesnímu pohybu hHdele rotoru dostatečně předimenzována, což v určitých režimech chodu odvalovacích turbín vyvolává nežádoucí rozkmitání hřídele rotoru a tím nepravidelné odvalování rotoru uvnitř statoru.

Turbíny, které jsou opatřeny převodem, který přenáší mechanický výkon turbíny na generátor elektrické energie, mají základní nevýhodu vtom, že v převodu mechanického výkonu z hřídele turbíny na hřídel generátoru vznikají ztráty. Nejsou-li opatřeny převodem a je-li generátor uložen v rotoru turbíny, vznikají ztráty na kroutícím momentu v těsnicích kroužcích, které zabraňují průniku tekutiny dovnitř rotoru. Při řešení obtékaného generátoru uloženého na volně otočné zalomené hřídeli je nevýhodou uspořádáni zalomené hřídele, kdy tato musí být velmi přesně dimenzována, aby odvalování rotoru probíhalo po povrchu statoru s určitým přítlakem a rotor se od povrchu statoru nevzdaloval nebo neúměrně do statoru netlačil. Další nevýhodou všech řešení, kdy hřídel je instalována volně otočným způsobem, je to, že hřídel musí být opatřena určitým počtem ložisek, aby byly zadržovány axiální i radiální síly, které na ni působí při protékání kapaliny turbínou.

-1 CZ 302309 B6

Cílem navrhovaného technického řešení je taková úprava odvalovací turbíny, aby precesní pohyb hřídele a rotoru byl při každém odvalu rotoru stejný a aby vychylování hřídele za výstupní stěnou - víkem - statoru bylo co nej menší a aby prídržovací zařízení umožňovalo jednoduchý způsob přenosu kroutícího momentu na generátor elektrické energie. Byl co nejednodušší a zároveň dostatečně efektivní, a aby transformace získané mechanické energie na elektrický výkon probíhala bez převodových mechanismů nebo ztrát v těsnicích kroužcích, a aby axiální i radiální síly působící na hřídeli nebyly tlumeny ložiskem nebo soustavou ložisek a byly jednoduchým způsobem zadržovány ve víku statoru.

Podstata vynálezu

Stanoveného cíle se dosahuje odvalovací tekutinovou turbínou, sestávající ze statoru, který je opatřen alespoň jedním vstupním otvorem a nejméně jedním výstupním otvorem, kdy stator je t5 prostřednictvím víka statoru a pomocí úchytů generátoru pevně spojen s generátorem, přičemž uvnitř statoru je uspořádán odvalovací rotor, kterýje pevně spojen s jedním koncem hřídele rotoru a druhý konec hřídele rotoru je, podle vynálezu, pevně spojen s hlavou kulového kloubu, který je uspořádán na vnitřní straně víka statoru. Kulový kloub je svým pouzdrem spojen s víkem statoru pevně, přičemž pouzdro kulového kloubu je ve směru podélné osy hřídele rotoru, která je spojena s hlavou kulového kloubu, opatřeno otvorem pro průchod pružné hřídele, která je svým jedním koncem ukotvena v podélné válcové dutině nacházející se v podélné ose hlavy kulového kloubu a svým druhým koncem je ukotvena v podélné válcové dutině nacházející se v podélné ose hřídele generátoru.

Ukotvení může být provedeno zalepením, zavařením, zatavením, apod. Podélná válcová dutina nacházející se v podélné ose hlavy kulového kloubu začíná na povrchu hlavy kulového kloubu a její délka je 0,2 až 0,9 průměru hlavy kulového kloubu a podélná válcová dutina nacházející se v podélné ose hřídele generátoru začíná na jejím vnějším konci. Generátor je umístěn pomocí úchytů generátoru na víku statoru a podélná osa hřídele generátoru leží v podélné ose turbíny.

Otáčení hřídele rotoru okolo její podélné osy cestou obíhání rotoru po vnitřní stěně statoru znamená otáčení hlavy kulového kloubu a tím otáčení pružné hřídele, která otáčí hřídelí generátoru, čímž je mechanická energie turbíny transformována na elektrický výkon.

Řešení podle vynálezu má výhodu v tom, že uspořádání přidržovacího zařízení formou kulového kloubu a z jeho hlavy vyvedené pružné hřídele nevyvolává žádné axiální posuny hřídele rotoru a vychýlení pružné hřídele je v absolutních hodnotách, především v závislosti na průměru hlavy kulového kloubu, velmi malé. Praktickými pokusy bylo zjištěno, že pro průměr rotoru 126 mm, za podmínky poměru průměru rotoru k průměru statoru v intervalu 0,926 až 0,927 a při celkové délce hřídele rotoru včetně výšky rotoru 497 mm, je vychýlení hřídele rotoru pouze cca 0° 30'.

Pružná hřídel, která prochází hlavou kulového kloubu v ose hřídele rotoru, absorbuje vně povrchu hlavy kulového kloubu precesní pohyb hřídele rotoru i odvalovacího rotoru, který vzniká v důsledku obíhání odvalovacího rotoru po vnitřní stěně statoru, a který se přenáší do pružné hřídele. Otáčení pružné hřídele je přitom provázeno její deformací v podobě dvou na sebe navazujících zakřivení na určitém úseku její délky mezi hlavou kulového kloubu a hřídelí generátoru.

První zakřivení, navazující na hlavu kulového kloubu je výsledkem úhlového naklonění hlavy kulového kloubu z důvodu precesní ho pohybu hřídele rotoru a druhé zakřivení, navazující na hřídel generátoru je výsledkem setrvalé podélné polohy hřídele generátoru v podélné ose turbíny.

Ve výhodném provedení je pružná hřídel z plastického materiálu, který je dostatečně pružný v ohybu, částečně pružný v tahu a zároveň vhodný pro přenos kroutícího momentu. Tento plastický materiál má podobu válce o průměru 0,1 až 0,7 průměru hřídele a otvor v pouzdru kulového kloubu pro průchod pružné hřídele má průměr 0,15 až 0,75 průměru hřídele.

Podle jiného výhodného provedení může mít pružná hřídel podobu ocelového lana, které přenáší kroutící moment po směru, kterým jsou jeho jednotlivé prameny zapleteny.

Podle dalšího výhodného provedení může být podélná válcová dutina uvnitř hlavy kulového kloubu prodloužena axiálním směrem až do hřídele rotoru a po určité délce pod určitým úhlem nasměrována ven z hřídele rotoru a její celková délka může být 0,2 až 0,5 délky hřídele rotoru.

Rovněž podélná válcová dutina v hřídeli generátoru, jejíž začátek je na vnějším konci hřídele generátoru, může být po určité délce pod určitým úhlem nasměrována ven z hřídele generátoru a její celková délka může být 0,2 až 0,9 délky hřídele generátoru, která se nachází vně generátoru. Při tomto řešení pak může být každý konec pružné hřídele upraven tak, aby nebyl pružný a nedovoloval otáčení pružné hřídele uvnitř podélné dutiny v hlavě kulového kloubu a hřídele rotoru ani io v podélné dutině hřídele generátoru. Rovněž tak může být pružná hřídel, jejíž konce vystupují do volného prostoru z hřídele rotoru a hřídele generátoru, na každém tomto konci opatřena neznázorněnými pomocnými mechanismy, které zabraňují jejímu otáčení uvnitř podélných válcových dutin a tím i jejímu podélnému posunutí a vtažení do podélné dutiny hřídele rotoru nebo podélné dutiny hřídele generátoru.

5

Přehled obrázků na výkresech

Odvalovací tekutinová turbína podle tohoto vynálezu bude blíže popsána na konkrétních príkla2o dech provedení s pomocí výkresů, kde na obr. I je schématicky v částečném řezu v bočním pohledu znázorněn první příklad provedení turbíny s kulovým kloubem podle vynálezu. Na obr. 2 je schématicky v částečném řezu v bočním pohledu znázorněn druhý příklad provedení turbíny s kulovým kloubem podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Příkladná odvalovací tekutinová turbína znázorněná na obr. 1 sestává ze statoru I opatřeného vstupním otvorem 13 kapaliny a výstupními otvory 14 kapaliny. Dále sestává z odvalovacího rotoru 2 uspořádaného ve střední části uvnitř statoru 1, který má směrem od vstupního otvoru 13 kapaliny k výstupním otvorům J_4 kapaliny podobu konfuzoru, a který je prostřednictvím víka 9 statoru I a pomocí úchytů 8 generátoru 7 pevně spojen s generátorem 7. Odvalovací rotor 2 je pevně spojen s jedním koncem hřídele 3 rotoru 2, a druhý konec hřídele 3 rotoru 2 je pevně spojen s hlavou kulového kloubu 4, který je uspořádán na vnitřní straně víka 9 statoru i. Kulový kloub 4 je s víkem 9 statoru I spojen pevně a víko 9 statoru I a pouzdro kulového kloubu 4 jsou opatřeny kónickým otvorem 10 pro průchod pružné hřídele 5. Kulový kloub 4 je uspořádán tak, že ve své hlavě obsahuje podélný otvor 12 a hřídel 6 generátoru 7 je uspořádána tak, že v sobě obsahuje podélný otvor 11. Kónický otvor 10 má v pouzdru kulového kloubu 4 nej menší průměr 0,6 průměru hřídele 3 rotoru 2 a největší průměr 0,7 průměru hřídele 3 rotoru 2 a ve víku 9 stato40 ru 1 má nej menší průměr 0,7 průměru hřídele 3 rotoru 2 a největší průměr 0,9 průměru hřídele 3 rotoru 2. Pružná hřídel 5 je tvořena vhodně pružným plastovým válcem o průměru 0,4 průměru hřídele 3 rotoru 2 a jedním koncem je zalepena v podélném otvoru 12 v hlavě kulového kloubu 4 a druhým svým koncem je zalepena v podélném otvoru J_L v hřídeli 6 generátoru 7. Podélný otvor 12 v hlavě kulového kloubu 4 i podélný otvor 11 v hřídeli 6 generátoru 7 mají stejný prů45 měr, který činí 0,55 průměru hřídele 3 rotoru 2. Délka pružné hřídele 5 je dimenzována tak, že při vychýlení odvalovacího rotoru 2 k vnitřní stěně rotoru 1 vytváří pružná hřídel 5 na úseku mezi okrajem podélného otvoru 12 v hlavě kulového kloubu 4 a okrajem podélného otvoru 11 v hřídeli 6 generátoru 7 dva na sebe navazující mírné oblouky, jejichž prostřednictvím pružná hřídel 5 absorbuje precesní vychylování rotoru 2, hřídele 3 rotoru 2 i hlavy kulového kloubu 4. Obíhání odvalovacího rotoru 2 po vnitřní stěně statoru 1 v důsledku protékání kapaliny statorem i vede k otáčení odvalovacího rotoru 2 a tím k otáčení hřídele 3 rotoru 2 okolo její podélné osy a tím i k otáčení hlavy kulového kloubu 4, což má za následek otáčení pružné hřídele 5, což vede k otáčení hřídele 6 generátoru 7 a výrobě elektrické energie.

-3CZ 302309 B6

V dalším příkladu provedení, které je znázorněno na obr. 2, je odvalovací tekutinová turbína podle vynálezu, na rozdíl od provedení na obr. 1, opatřena podélným otvorem 18 procházejícím celou hlavou kulového kloubu 4 i částí hřídele 3 rotoru 2, který je vyvedený z hřídele 3 rotoru 2 ven. Dále je opatřena podélným otvorem Γ7 procházejícím hřídelí 6 generátoru 7, který je vyvedený z hřídele 6 generátoru 7 ven. Podélný otvor 18 vyúsťuje z hřídele 3 rotoru 2 pod úhlem 45 stupňů ve vzdálenosti odpovídající průměru hlavy kulového kloubu 4 a podélný otvor 17 vyúsťuje z hřídele 6 generátoru 7 pod úhlem 45 stupňů ve vzdálenosti odpovídající průměru hřídele 6 generátoru 7. Podélný otvor 18 i podélný otvor 17 mají stejný průměr. Pružná hřídel 5 je z vhodně pružného plastického materiálu tvaru válce a její průměr je 0,75 průměru podélného otvoru J_8 i podélného otvoru J_7. Jedna třetina pružné hřídele 5, která se nachází uvnitř podélného otvoru 18, směrem od konce pružné hřídele 16, který vyčnívá z hřídele 3 rotoru 2 ven a jedna třetina pružné hřídele 5, která se nachází uvnitř podélného otvoru 17, směrem od konce pružné hřídele J_5, který vyčnívá z hřídele 6 generátoru 7 ven, je nepružná. Zbývající třetina pružné hřídele plní funkci přenosu kroutícího momentu a zároveň eliminování precesního vychylování rotoru 2, hřídele 3 rotoru 2 i hlavy kulového kloubu 4, jako u předešlého řešení podle obr. 1. Obě krajní třetiny pružné hřídele 5, které nejsou pružné, plní funkci fixačního prvku, který neumožňuje otáčení pružné hřídele podél svojí podélné osy uvnitř podélného otvoru 18 ani uvnitř podélného otvoru Γ7. Začne-li statorem 1 protékat kapalina, začne se odvalovací rotor 2 od val ovát po vnitřní stěně statoru 1, čímž je roztáčena hřídel 3 rotoru 2, hlava kulového kloubu 4, pružná hřídel 5 a následně hřídel 6 generátoru 7 a dochází k výrobě elektrické energie.

Při praktických pokusech bylo ověřeno, že odvalovací tekutinová turbína podle vynálezu o průměru rotoru 58 mm, při průtoku 0,38 až 1,2 litrů za sekundu a při tlaku vody 0,4 až 2,4 baru dosahovala elektrický výkon v závislosti na účinnosti použitého elektrogenerátoru 3,2 až 58,6 W.

Průmyslová využitelnost

Odvalovací tekutinová turbína s kulovým kloubem podle vynálezu je využitelná především při výrobě elektrické energie z velmi malých průtoků vody při tlaku vody od několika desetin baru až do několika barů, kdy kroutící moment může být přenášen vhodně zvolenou pružnou hřídelí. Jednoduchost konstrukce umožňuje snadnou instalaci a operativní nasazení v místech vhodného vodního zdroje.

Claims (5)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Odvalovací tekutinová turbína sestávající ze statoru (1), opatřeného vstupem kapaliny (13) a výstupem kapaliny (14), kde ve statoru (1) je připojen k jednomu konci hřídele rotoru (3) odvalovací rotor (2), vyznačující se tím, že hřídel rotoru (3) je na svém druhém konci pevně spojena s hlavou kulového kloubu (4) a pouzdro kulového kloubu (4) je pevně spojeno s víkem statoru (9), přičemž v pouzdru kulového kloubu (4) a ve víku statoru (9) je vytvořen kónický otvor (10) a hlava kulového kloubu (4) je opatřena podélným otvorem (12) pro ukotvení jednoho konce pružné hřídele (5) a hřídel (6) generátoru (7) je opatřena otvorem (11) pro ukotvení druhého konce pružné hřídele (5).

2. Odvalovací tekutinová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že pružná hřídel (5) má velikost průměru 0,1 až 0,5 průměru hřídele (3) rotoru (2) a kónický otvor (10) v pouzdru kulového kloubu (4) pro průchod pružné hřídele (5) má průměr 0,15 až 0,75 průměru hřídele rotoru (3).

-4CZ 302309 B6

3. Odvalovací tekutinová turbína podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že v hlavě kulového kloubu (4) je vytvořen podélný otvor (18), který je prodloužen axiálním směrem až do hřídele (3) rotoru (2) a v ní je pod úhlem 5 až 85 stupňů vyveden mimo hřídel (3) rotoru (2).

4. Odvalovací tekutinová turbína podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že v hřídeli (6) generátoru (7) je uspořádán podélný otvor (17), který je v ní vyveden pod úhlem 5 až 85 stupňů mimo hřídel (6) generátoru (7).

i o

5. Odvalovací tekutinová turbína podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pružná hřídel (5) je tvořena ocelovým lanem, plastem, kompozitním materiálem.