ENERGETSKI STROJI Uvod Pregled teoretičnih osnov Volmetrični stroji Trbinski stroji Značilnosti Trikotniki hitrosti Elerjeva trbinska enačba Notranji izkoristek Energijska karakteristika Energetske naprave
PRETOČNI ALI TURBINSKI STROJI Delovni (gnani) stroji Vrste pretočnih sli volmenskih strojev Aerohidravlični stroji Toplotni stroji ČRPALKE PROPELERJI VENTILATORJI KOMPRESORJI, p Pogonski (gonilni) stroji Aerohidravlični stroji Toplotni stroji VODNE TURBINE VETRNICE PLINSKE TURBINE PARNE TURBINE
TURBINSKI STROJI DELOVNI STROJI POGONSKI STROJI BREZ OKROVA Z OKROVOM Z OKROVOM BREZ OKROVA PROPELER AKSIALNI KOMPRESOR ČRPALKA DIAGONALNI KOMPRESOR ČRPALKA RADIALNI KOMPRESOR ČRPALKA RADIALNA TURBINA DIAGONALNA TURBINA AKSIALNA TURBINA VETRNICA
Osnovne značilnosti kolo z lopatiami transport energije med flidom in lopatiami (gonilnikom) delovna snov plin ali kapljevina SMER TOKA delovni stroj (npr. kompresor) pogonski stroj (npr. parna in plinska trbina) VODILNIK GONILNIK gonilnik + vodilnik (difzor) stopnja možnost nanizanja zaprednih stopenj
Osnovne smeri toka delovne snovi radialna tangenialna diagonalna aksialna prečna
Način pretvorbe energije pri trbinskih strojih Delovni stroji entalpija difzor kinetična + tlačna energija gonilnik mehansko delo
Način pretvorbe energije pri trbinskih strojih Pogonski stroji entalpija vodilnik kinetična + tlačna energija gonilnik mehansko delo
Enakotlačni stroj Nadtlačni stroj Nadtlačni stroj brez vodilnika vodilnik gonilnik m. Δp ρ m. Δh m. Δ W m. ΔΔ hh m. 0 W kin W meh W kin W meh m. Δ m. Δ m. Δp ρ gred pogonski stroj pogonski stroj pogonski stroj delovni stroj delovni stroj delovni stroj
Stopnja reaktivnosti 0 0 entalpija ΔhV ΔHSt entalpija ΔhV ΔhG ΔHSt ΔhG ρ ΔhG Δh + Δh V entropija G Δh ΔH G St ρ Δh 0 V ρ ρ 0,5 Δh Δh 0 Δh ΔH V V entropija St G nadtlačna stopnja nadtlačna stopnja enakotlačna stopnja
Trikotniki hitrosti v v v + w relativna hitrost absoltna hitrost obodna hitrost
Trikotniki hitrosti v v v + w w w w w β α w m β α w a relativna trajektorija smer vrtenja RADIALNI STROJI AKSIALNI STROJI
Tok v gonilnik radialnega stroja TURBINA KOMPRESOR pot toka r vstop r izstop pot toka relativna pot toka 0 α 0 α 0 β w w α vodilnik absoltna pot toka relativna pot toka α β w w β α 3 vodilnik 3 absoltna pot toka w β izstop vstop w
Tok v gonilnik aksialnega gonilnika TURBINA KOMPRESOR vstop a izstop a pot toka vodilnik 0 gonilnik w β α 0 β w izstop α absoltna pot toka α 3 β α w vstop w β absoltna pot toka vodilnik 3 gonilnik
Hitrostne razmere v gonilnik a r r r r a
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Speifično delo gonilnika d y m W m P & w + w + ( ) ( ) ( ) w w y + sprememba tlačne energije zaradi entrifgalne sile sprememba kinetične energije sprememba tlačne energije spremembe relativne hitrosti
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Zakrivljenost lopati r r w w w β β β ω A B C B α β w A α β w C α β w
Zakrivljenost lopati Trbinski stroji β < 90 β 90 β > 90 Črpalke β 0-40 ρ 0,5 - Vodne trbine β < 90 ρ aksialne (Kaplan) β 90 ρ > 0,5 radialne, diag. (Franis) β 73-75 ρ 0 tangenialne (Pelton) Kompresorji β 0-40 ρ 0,5 aksialni, radialni Plinske trbine β < 90 ρ 0,3 0,8 aksialne Parne trbine β 90 ρ 0,5 aksialne β 55-60 ρ 0 aksialne
Idealna energijska karakteristika trbinskega stroja Predpostavke: staionarno stanje poenostavitve za obratovanje v optimalni točki: ni predrotaije prevladjoč vpliv razmer na znanjem premer tok v kanal med lopatiami je reglaren brez izgb Energijska karakteristika y Primer: radialni delovni stroj (črpalka) y y(v &) ( ) w w β w w m m ω
Idealna energijska karakteristika trbinskega stroja y / (m / s ) K β > 90 β 90 y / (m / s ) K β > 90 β 90 β < 90 β < 90. V / (m 3/s). V / (m 3/s)
Dejanska karakteristika trbinskega stroja tok ni kongrenten α > α β < β hidravlične izgbe y / (m / s ). ΔV I β < 90 odlepljanje mejne plasti volmetrične izgbe. V opt. V / (m 3 / s)
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Podobni stroji n d n d n d y π π π Pretok skozi trbinski stroj n d d B n d d d d B B d V 3 π π π π & Speifično delo 3 5 4 3 n d d B n d n d d B V P π ρ π π ρ ρ & Moč
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Zakoni podobnosti 3 M I M I M I d d n n V V & & M I M I M I M I d d n n H H y y 5 M I 3 M I M I M I d d n n P P ρ ρ
Značilna vrtilna frekvena Z energijskim in pretočnim številom tvorimo nov brezdimenzijski parameter * n q ϕ ψ 3 4 nv& 3 4 4 ( π ) y n q nv& H 3 4 ima enoto, vrtilne frekvene Spe. vrtilna frekvena pove, kolikšno vrtilno frekveno bi imel trbinski stroj v točki optimalnega izkoristka pri pretok m3/s in bi imel dobavno višino m.
Pretočno število
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Cordierjev diagram δ σ ( ) 4 3 4 4 3 y V n & π ψ ϕ σ Značilna vrtilna frekvena 4 4 4 8 V y d & π ϕ ψ δ Značilni premer
Cordierjev diagram Značilna vrtilna frekvena ϕ σ π 3 4 ψ Značilni premer ψ δ ϕ 4 4 V ( ) 3 4 4 n & y π d y 8 V& 4 σ 0 8 6 5 4 3,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0, Delovni stroji Pogonski stroji 0, 0,8 3 4 5 6 7 8 9 0 δ
.. 4. Cordierjev diagram Primer porabe: Pri projektiranj novih strojev Poznamo:, y in n V & 4 V ( ) 3 4 σ π δ δ ( σ ) d n & y 4 π V& 8 δ y Cordierjev diagram 3. Hidravlična oblika rotorja 4 σ 0 8 6 5 4 3,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, 0,8 3 4 5 6 7 8 9 0 δ
.. 4. Cordierjev diagram Primer porabe: Pri projektiranj novih strojev Poznamo: D, y in σ σ ( δ ) 4 V & d y δ π 8 V& 4 Cordierjev diagram 3. Hidravlična oblika rotorja n 3 4 4 y ( π ) σ V& σ 0 8 6 5 4 3,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, 0,8 3 4 5 6 7 8 9 0 δ
Cordierjev diagram Primer porabe: Poznamo vse veličine:, D, y in n V & Izračnamo par: σ,δ Kontrola konstrkije in obratovanja σ 0 8 6 5 4 3,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0, Pravilna konstrkija/obratovanje Nepravilna konstrkija/obratovanje 0, 0,8 3 4 5 6 7 8 9 0 δ
Kavitaija Kavitaijsko število p p'( T) Ka ρ v
Črpalke Razdelitev in poraba Delo, moč in izkoristek Energijska karakteristika Reglaija
Razdelitev in poraba
Delo, moč in izkoristek Izentropa se jema z izohoro: ρ konst. p p Δp Č W V tč ( p p) m m mgδh Dobavna višina Č ρ ρ p p v v W W mgδ H tč + + ( H H ) + ΔH ρ g g α ω α ω tc C α ω I W m η W g Δ H tč e eč Č W η eč e P eč m& Δp V& Δp m& gδh η ρ η η e e e
Energijska karakteristika n q 33 n q 00 n q 00 ψ, λ, η ψ λ η opt ψ λ η opt ψ λ η opt η η η ϕ ϕ ϕ
Reglaija z dšenjem C z obvodom C C3 C kavitaijska DHS C s spreminjanjem vrtilne frekvene M C podvojitev črpalk
Kompresorji Razdelitev in poraba Delo, moč in izkoristek Energijske karakteristike Reglaija
Razdelitev in poraba 0 3 Vakmske črpalke: < patm 0 Batni kompresorji Ventilatorji: Phala: Kompresorji: patm < p <,, < p < 3 bar p > 3 bar bar p / bar 0 0 0 0 - Rotaijski kompresorji Batne in rotaijske vakmske črpalke 0 0 0 3 0 4 0 5 0 6 V / (m 3/h) Trbinski kompresorji Trbinske vakmske črpalke
Razdelitev in poraba 0 8 6 5 4 3 σ,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, 0,8 3 4 5 6 7 8 9 0 δ
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Delo, moč in izkoristek Tehnično delo pri izotermni kompresiji t ln ln p p T R m p p V p W Škodljivega volmna ni! Tehnično delo pri izentropni kompresiji t κ κ κ κ κ κ κ κ p p T R m p p V p W e t e η W W ( ) Δ + Δ + + I I t H g h h m H g p g p g g g m W α ω α α ω ω α ω ρ ρ e e e e ek η ρ η η ρ η H g V H g m p V p m P Δ Δ Δ Δ & & & & i p p p p α ω Optimalno tlačno razmerje pri večstopenjski kompresiji
Energijske karakteristike n q 35 n q 85 n q 50 ψ ψ, η η opt η opt ψ ψ η opt nestabilno stabilno η η η m ϕ & p RT d ϕ ϕ ϕ ψ p p
TURBOKOMPRESORJI Gonilnik radialnega kompresorja
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO TURBOKOMPRESORJI Aksialna kompresorska stopnja nestaionarno tlačno polje
Večstopenjski TURBOKOMPRESORJI
TURBOKOMPRESORJI Večstopenjski aksialni kompresor (pri plinskem postroj)
Karakteristika in reglaija RADIALNI AKSIALNI tlačno razmerje AKSIALNI notranji izkoristek RADIALNI volmenski tok volmenski tok zaporedna namestitev stopenj: povečje se tlačno razmerje vzporedna namestitev stopenj: povečje se pretok
Propeler Delovni stroj za zagotavljanje aksialne potisne sile Stopnja reaktivnosti: (nadtlačna stopnja) Gostota se ne spreminja: ρ konst. Število lopat: -6 Značilna vrtilna frekvena: (300 000) min - Omejitve pri obratovanj: zrak: zvočna hitrost voda: kavitaija
potek hitrosti in tlakov v v 0 0 0 v A A v 0 v A 0 Δv Δv 0 v p v 0 v Δp p 0 v
ΔI& F I& & & & Potisna sila Sprememba gibalne količine na mejah kontrolnega volmna ( v v ) ρ A v ( v ) F 0 I F + I FV m 0 0 v Potisna sila Δ I& F F ( ) ρ ( ) F m& v v A v v v P 0 0 P
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Teoretična moč propelerja Določitev moči na dva načina: potisna sila ( ) 0 0 P v v m v v v m v F P & & sprememba energijskih tokov
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Dejanska (potisna) moč propelerja in izkoristek ( ) 0 0 0 P e v v v m v F P & ( ) 0 0 0 0 0 e P v v v v m v v v m P P Δ + & & η
VODNE TURBINE Pogonski stroji: potenialna energija v mehansko delo delovna snov voda (razmeroma velika gostota) izkoriščanje obnovljivih virov energije visok skpni izkoristek pretvorbe enostavna zgradba, enostopenjska konstrkija draga gradnja dolga življenjska doba velika zanesljivost obratovanja enostavna reglaija (pretočna, spreminjanje kotov lopati) nevarnost kavitaije
VODNE TURBINE 000 400 000 A e 000 000 A 6 šob H / m 700 500 300 00 40 00 50 0 0 00 kw 00 kw 50 kw 500 kw B 0 MW 0 MW 5 MW MW MW šoba šobi 4 šobe 00 MW 00 MW 50 MW 6 šob Č D E 000 MW 500 MW P 000 MW C H / m 500 00 00 50 0 0 5 4 šobe B C Č D 5 0,5 5 0 0 50 00 00 500 000. V / m 3/s E 0 0 50 00 50 00 50 300 350 400 450 n q / min -
Peltonova trbina w w
Franisova trbina
Kaplanova trbina
Bankijeva trbina
Hidrodinamični prenosniki moči. Q T Č T Č T V T Č P Č n Č P T P Č n T n Č n T 0 P Č n Č P T n T A B C
Hidrodinamični prenosniki moči
Hidrodinamični prenosniki moči M η P M T η max η ~ P T n T 0 n T n T,opt n T n T,max M V M Č n Č konst. nt,opt n T