Hidrodinamikus energiaátviteli rendszerek elemei

Hidrodinamikus energiaátvitel

A hidrodinamikus energiaátvitel során a hidraulikus szivattyú folyadéktömeget gyorsít fel nagy sebességre, amelyet egy turbina lapátkerekével ütköztetnek. Ennek következtében a lapátkerék forgásba jön, és a folyadék kinetikai energiája hasznosul. A kinetikai energia képlete:

$E_k=\frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2=\frac{1}{2}\cdot \rho \cdot V\cdot v^2$

Az átvitt teljesítmény:

$P_k = E_k \cdot \frac{1}{t} = \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot \frac{V}{t} \cdot v^2 = \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot Q \cdot v^2$

Ez azt jelenti, hogy az átvihető teljesítmény (P_k) lineárisan függ a folyadék sűrűségétől (ρ) és a folyadékáramtól (Q), valamint parabolikusan a folyadék sebességétől (v).

A hidrodinamikusan átvihető teljesítményt az energiaátalakító szerkezet műszaki és üzemeltetési jellemzőivel is kifejezhetjük. Az energiaátalakítást végző szerkezet térfogatát (V) a szerkezet jellemző méretének (D) harmadik hatványával arányosan számoljuk:

$V = k \cdot D^3$

A közeg sebessége pedig:

$v = D \cdot \pi \cdot n$

Ahol c = k \cdot π. Így a hidrodinamikusan átvihető teljesítmény:

$P_k=c\cdot \rho \cdot D^5\cdot n^3$

Ez azt jelenti, hogy a hidrodinamikusan átvihető teljesítmény arányos a folyadék sűrűségével, a szerkezet belső terét jellemző méret ötödik hatványával és a szerkezet fordulatszámának harmadik hatványával.

Hidrosztatikus vs. hidrodinamikus energiaátvitel

A hidrosztatikus teljesítményre a következő közelítő összefüggést kapjuk:

$P=Q\cdot p=p\cdot \frac{V}{t}=k\cdot p\cdot D^3\cdot n$

Az összehasonlítás alapján megállapítható, hogy azonos nagyságrendű energiaátalakítást végző szerkezetek esetében a hidrodinamikusan nagyobb teljesítmény vihető át, mivel a jellemző paraméterek magasabb hatványkitevőjűek. A hidrosztatikus rendszerrel átvihető teljesítmény határa 250 kW körüli.

Hidrodinamikus tengelykapcsoló

A hidrodinamikus tengelykapcsoló két fő részből áll: a szivattyúból (hajtórész) és a turbinából (hajtott rész). Ezek egy zárt, jól tömített házban helyezkednek el. A szivattyú hajtja a turbinát normál üzemmódban, de lassításkor a turbina hajtja a szivattyút, motorfék üzemmódban. Ez a tengelykapcsoló motorfék üzemmódban is dolgozhat, valamint hibrid gépkocsiknál energia visszatáplálást is végezhet.

A tengelykapcsoló működési elve, hogy a szivattyú a rajta keresztülhaladó munkafolyadékot felgyorsítja, amely a turbinába áramlik és ott az energiatartalmát leadva meghajtja a turbinát. A folyadék a turbinatengely középpontja felé áramlik, ahol kilép a turbinából és ismét a szivattyúba jut.

A nyomatékátvitel csak a kerületi és a meridián áramlás együttes jelenléte mellett lehetséges. A szivattyú és a turbina között nincs mechanikus kapcsolat, csak folyadékkapcsolat. A fordulatszám-különbség (szlip) 2-5% között van, ami szükséges az áramlás fenntartásához. A hatásfok elérheti a 95%-ot, de sohasem lehet 100%.

Hidrodinamikus nyomatékváltó

A hidrodinamikus nyomatékváltó hasonló a tengelykapcsolóhoz, de egy álló lapátkoszorúval (vezetőkerékkel) is rendelkezik, amely változtathatja a folyadékáram irányát és szögét. Ezáltal a turbinatengelyről levehető nyomaték nagysága változtatható.

A nyomatékváltó nyomatéki egyensúlyát a szivattyú, a turbina és a vezetőkerék reakciónyomatéka biztosítja:

$T_{sz}+T_t+T_v=0$

Összegzés

A hidrodinamikus energiaátviteli rendszerek hatékony és megbízható megoldásokat kínálnak a nagy teljesítményű energiaátvitelre. A hidrodinamikus tengelykapcsolók és nyomatékváltók lehetővé teszik a nyomaték és fordulatszám változtatását, miközben fenntartják a rendszer hatékonyságát. A megfelelő tervezéssel és karbantartással ezek a rendszerek hosszú távon biztosítják a gépek és berendezések optimális működését.