ÓE BGKHő- és áramlástechnika II.

Örvénygépek

2013.02.09.

Laguel Endre

Témakörök

• Áramlástechnikai gépek• Euler-elv• Sebességi háromszögek• A vezetőkerék (Stator / Nozzle)• Stabilitás• Munkapont, normálpont• Kagylódiagram• Csővezeték hálózat jelleggörbéi

A vízgép• Vízgépnek nevezünk minden olyan gépet, amely valamely folytonos

közegen végez energiaátalakítást, Az energiavándorlás iránya dönti el, milyen gépről van szó

• Munkagép: Meghajtómotor → mechanikai munka → közeg kinetikai munka– Szivattyú– Keverő– Kompresszor– Ventilátor

• Erőgép: Közeg kinetikai munka → mechanikai munka → generátoron energia– Vízturbina– Szélturbina– Gőzturbina

• Hajtómű: Meghajtómotor → mechanikai munka → közeg kinetikai munka → mechanikai munka → közeg kinetikai munka (vagy generátoron energia)– Gázturbina– Sugárhajtómű

SzivattyúkAxiális

SzivattyúkFélaxiális

SzivattyúkRadiális

VízturbinákAxiális

VízturbinákFélaxiális

VízturbinákRadiális

SzélturbinákAxiális

SzélturbinákRadiális

Gőzturbinák

GázturbinákAxiális egymagos

GázturbinákAxiális többmagos

GázturbinákAxiális kétáramú (bypass)

GázturbinákRadiális egyszeres

GázturbinákRadiális kettős (fordítós)

GázturbinákTeljes radiális

Alapfogalmak 1.• Szivattyúk:

– Manometrikus szállítómagasság (Hm): a beömlő és a kiömlő csonk közötti folyadék-munkavégző képesség

– Statikus szállítómagasság (Hst): a két vízszint magasságkülönbsége

– Terhelőmagasság (H): a csővezeték-hálózat összes vesztesége, amit a szivattyúnak a legkisebb vízszállítás mellett is le kell győznie

– Hidraulikai hatásfok (ηh): a járókerék elméleti és a gép szállítómagasságának hányadosa

– Volumetrikus hatásfok (ηv): a járókerék töltési foka és a járókeréken átáramló folyadékmennyiség hányadosa

Alapfogalmak 2.

• Turbinák:– Hasznos esés (H): munkavégző képesség-különbség

a járókerék előtt és után

– Statikus/geodetikus esés (Hst): hasznos esés + minden veszteség, ami nem a turbinából fakad

Az Euler-elv

• A munkavégző képességet forgó mozgással növeljük meg

• A forgó mozgás energiáját a járókerék adja át a folyadéknak, vagy a gáznak

• A munkavégző képesség megnövekedése perdület formájában jelentkezik

• A perdület egy részét diffúzorral nyomássá alakítjuk, a megmaradó perdület sebességi energiaként jelentkezik

• Ebből következőleg többszörös energiaátalakulásról beszélhetünk

• Ha a sorrendet megfordítjuk, akkor turbinát kapunk

Sebességi háromszögek

• A járókeréken belüli és körüli közegáramlást hivatottak modellezni

• Csak örvénygépeknél léteznek

• ξ áttételi szám jelentősége

• Beömlés, kiömlés, átömlés

• A perdület és a cirkuláció

Egy tipikus sebességi háromszög

A háromszögek fogalmai

• u: a járókerék kerületi (meridián-) sebessége

• w: a folyadék relatív sebessége

• c: a folyadék valóságos (abszolút) sebessége

• 1: belépéskor vett vektorok

• 2: kilépéskor vett vektorok

• Később vegyesen is előfordulnak

Euler-féle turbinaegyenlet

k

lelke

uu

uue

cp

cp

pce

eu

u

u

uue

p

c

pce

zQb

Mzgg

H

VÉGES

rcrc

gg

ucucH

HH

HH

HHH

g

uH

u

c

rcK

rcK

KKgg

ucucH

g

ww

g

uu

g

ppH

g

ccH

HHH

222

:

22

221

10

0;2

22

2

1122

1122

22

2

2

111

222

121122

22

21

21

2212

21

22

Γ - cirkuláció

ξ – áttételi szám

Euler-turbinaegyenlet érvénye

0.3

0.2

0.1

z

A vezetőkerék

• Szerepe, hogy a járókerékből kilépő folyadék kinetikai energiáját túlnyomórészt nyomás-magassággá (nyomásenergiává) alakítsa át.

• Többlépcsős gépeken található, ill. nagyfordulatú egylépcsős gépeken általában.

Előnyök/hátrányok

+ Hatásfokjavító

0 Többlépcsős axiálgépekénél nélkülözhetetlen

- Torlópontjának pontossága kritikus

- Többletköltség

- A második lépcsőtől kérdéses a perdületmentes belépés, ami hatásfokrontó (visszavezetés)

Radiális vezetőkerék (Stator)

Axiális vezetőkerék (Nozzle)

CFD elemzés

Stabilitás

• Fordulatszám függő

• Labilis ágon veszélyes lengések alakulhatnak ki

• Labilis szivattyú is működhet jól

Munkapont, normálpont

• Normálpont: Q(H) görbén ηmax értékhez tartozó üzemi pont

• Munkapont: Q(H) görbe és a csővezeték jelleggörbe metszéspontja

• Szinte kizárt, hogy a munkapont egyben a normálpont is legyen (irracionálisan precíz méretezés)

N (normálpont)

m (munkapont)

Q

H

η

Q

Kagylódiagram

• Legfontosabb üzemi jellemzők

• Állandó fordulatszámok

• Q(H,η) kétváltozós függvény, alapeset

• P és geometriai főméreteket nem tartalmaz

• Üzemi optimum keresés csak ezen valósulhat meg

29501/min

88%

85%80%

75%

70%16751/min1015

1/min

7301/min600

1/minQ

H

HN

QN

ηmax=88,25%

Kagylódiagram

Csővezeték hálózat jelleggörbéi

• Colebrook-White alapegyenletek

• Veszteségmagasság-számítás

• Hosszmenti veszteségek

• Helyi veszteségek

• A rendszer terhelőmagassága ezek algebrai összege

Hosszmenti ellenállás

Qbe Qell (m)

h 2 (

m)

h 1 (

m)

mhhΔhh' 21

Hosszmenti ellenállás

• Hossza és átmérője• Felületének relatív vagy abszolút érdessége• Közeg sebessége, és turbulenciafoka• λ katalógusadat tartalmazza az összes

áramlástani összefüggést (MÉRÉS!)

g2

v

d

lλh'

2

hossz

Helyi ellenállás

• Összefogó geometriai kifejezés• Sebesség befolyásolja• Vízóra, szelepek, könyökök, keresztmetszet

válozás, stb.

g2

vξh'

2

lokális

Rendszer terhelőmagassága

• Egy példán keresztül

terhelőstatikus

szelepkönyök

2

2szelep

2könyök

2

Hh'H

ξξd

lλ

g2

vh'

g2

vξ

g2

vξ

g2

v

d

lλh'

Egy rendszer teljes hatásfoka

• Szivattyúk hidraulikus hatásfoka adott munkapontban (kagylódiagram)

• Rendszer terhelőmagasságából számított rendszerhatásfok

• Hatásfokok szorzata

h'H

Hη

statikus

statikusrendszer

Köszönöm a figyelmet!