Eksperimentalno modeliranje v EPS

Transcription

1 Študijsko gradivo Vaje Avtorja: Marko Hočevar Brane Širok Ljubljana, februar

2 2

3 Uvod: Študijski red Pri predmetu so tedensko tri ure vaj, od tega ena ura vaj v razredu in dve uri vaj v laboratoriju. Študijski red pri vajah v učilnici Udeležba pri vajah v učilnici je obvezna. Prisotnost na vajah preverja asistent. Vaje so računske ali z računalnikom v programu Microsoft Excel. Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Laboratorija za vodne in turbinske stroje Predloge za vaje se redno dopolnjujejo. Študijski red pri vajah v laboratoriju Laboratorij LVTS je v stari stavbi, vhod iz dvorišča skozi zelena kovinska vrata, v nadstropju. Študentje se razdelijo v tri skupine, vaje pa potekajo v treh ločenih skupinah zaporedno. Vaje se lahko razlikujejo glede na prejšnjo leto, zato si morajo študentje pred vsakokratno izvedbo vaje priskrbeti aktualno predlogo za vaje. Pri vsaki vaji v vsaki skupini asistent določi skupino študentov, ki so zadolženi za uspešno izvedbo vaje. Študenti, zadolženi za izvedbo vaje, pred začetkom vaje ostalim sodelujočim študentom predstavijo vsebino vaje in določijo naloge posameznih študentov. Pri tem skrbijo za to, da se izmerijo oz. določijo vse spremenljivke, potrebne za analizo. Laboratorijske vaje potekajo na industrijskih merilnih postajah in z industrijskimi merilniki. Zato študente prosimo, da skrbijo za varnost pri delu: pri priključitvi električnih naprav, da ne posegajo v vrteče dele naprav, da opozorijo asistenta na možno nevarnost npr. zaradi pomankljivo izvedene električne napeljave, vpetja vrtečih naprav itd. Prav tako morajo študentje pri izvedbi vaje upoštevati, da delo poteka v omejenem prostoru laboratorija LVTS in da pazijo, da pri delu po pomoti ne odrinejo ostalih študentov v smeri vrtečih strojev. Vsako nevarnost oziroma nepravilnost morajo študentje javiti asistentu. Udeležba pri vajah v laboratoriju je obvezna. Prisotnost na vajah preverja asistent. Študent mora vsako morebitno odsotnost zaradi zdravstvenih težav javiti asistentu po elektronski pošti. Študent v primeru odsotnosti pri vajah zaradi zdravstvenih težav po potrebi v dogovoru z asistentom opravi drugo aktivnost, povezano s predmetom. Pri vajah izven Fakultete za strojništvo vaje potekajo v dogovoru z zunanjo inštitucijo. Študentje morajo upoštevati delovni red, ki velja na zunanji inštituciji in upoštevati navodila skrbnika in asistenta. 3

4 Študijske obveznosti Študent mora za uspešno opravljene vaje iz predmeta Eksperimentalno modeluranje v EPS sodelovati pri vseh laboratorijskih vajah in uspešno predstaviti in zagovarjati izbrane vaje. Pri izdelavi poročila o laboratorijski vaji mora skupina študentov, zadolžena za izvedbo posamezne vaje, predstaviti merilni postopek, rezultate meritev in rezultate analize. Predstavitev poteka ob koncu semestra. Termini laboratorijskih vaj izven FS Predvidene so tri vaje na terenu (termini bodo javljeni kasneje) - Turboinštitut, - Hidria inštitut Godovič, - Geoplin. 4

5 Vaja 1. Uporovna karakteristika kavitacijskega kanala eksperiment in izdelava modela do Uvod V nalogi je potrebno izdelati model uporovne karakteristike kavitacijskega kanala za različne pretoke. Kavitacijski kanal je del pretočnega trakta, kjer je presek zmanjšan z vstavljeno tristrano prizmo. Pri nizkih pretokih je pretok v kavitacijekm kanalu brez kavitacije, pri povečevanju pretoka pa se pojavi kavitacija. Kavitacija lahko zapre pretočni kanal, pri čemer se pretok pri nastanku kavitacije značilno ali celo nezvezno spremeni. Dodatno na pojav kavitacije vpliva absolutni tlak v sistemu. Kavitacija se pojavi prej, če je absolutni tlak v sistemu nizek. Črpalke Črpalke dobavljajo pretok in tlak (specifično delo, dobavna višina itd.) porabnikom v skladu s karakteristiko. Na spodnji sliki je primer delovne karakteristike, izkoristka in NPSH karakteristike za črpalko. Predstavljena je tudi uporovna karakteristika sistema, ter NPSHs sistema Y [J/kg] izkoristek [%], NPSH [J/kg] Ykc izkoristek NPSHč 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Q [m 3 /s] Y NPSHs Slika. Primer delovne in NPSH karakteristike črpalke, izkoristka črpalke in NPSHs sistema. Y - specifično delo črpalke, Ykc - karakteristika pretočnega trakta - uporvna karakteristika

6 Kavitacija Za kavitacijo v črpalkah ali turbinah, kjer je kavitacija običajno največji problem, lahko zapišemo naslednjo zvezo za obratovanje brez kavitacije NPSH s > NPSH č obratovanje brez kavitacije (NPSH č =NPSH r ) Sistem (razmere v cevovodu) mora zagotoviti dovolj specifične energije, da pogojev za kavitacijo ne bo (dovolj visok tlak). NPSH č in NPSH r se spreminjata s pretokom črpalke. H s = H H NPSH H mejni primer, pogoj za kavitacijo v črpalki at izg č pt H s je najmanjša višina vode na vstopu, ki je potrebna, da črpalka ne kavitira NPSH s = p at p ρ pt gh s gh izg kjer je H s sesalna višina, da črpalka ne kavitira, H pt višina, ki ustreza parnemu tlaku uparjanja vode, NPSH (net positive suction head) neto pozitivna sesalna višina, tudi kavitacijska rezerva črpalke, NPSH č označuje črpalko, NPSH r je tuj zapis, pomeni potreben (required), NPSH s označuje sistem, H izg je višina, ki ustreza izgubam. Indeks at označuje atmosferski tlak oziroma tlak v sesalnem rezervoarju, če je le-ta zaprt. Kavitacija v kavitacijskem kanalu nima direktne povezave z enačbami za kavitacijo, ki so navedene zgoraj. Merilna postaja Merilna postaja je predstavljena na skici in na sliki. Glavni sestavni deli merilne postaje so črpalka z elektromotrojem, frekvenčni pretvornik, sesalni rezervoar, tlačni rezervoar, merilnik pretoka, preizkušanec, v našem primeru je to kavitacijski kanal, ventila 1 in 2 za zmanjševanje pretoka ali menjavo merjenca in odjemi tlaka. V kavitacijski postaji je mogoče zagotoviti nadtlake do 6 bar in z vakuumsko črpalko podtlake do skoraj -1 bar glede na atmosferski tlak. Tlačni pretvorniki so nameščeni na merilno postajo. Na voljo je en absolutni tlačni pretvornik in en diferencialni tlačni pretvornik. Pri delu pazi, da ne odpreš napačnega ventila, sicer se iz postaje lahko izlije voda. Napajanje senzorjev je iz električne omarice, ki je vgrajena na postajo. Električno omarico priključi na omrežje s kablom z modrim konektorjem, tega poveži z bližnjo električno omarico na steni laboratorija. Diferencialni tlačni pretvornik se napaja iz napajalnika, ki je nameščen ob postaji. Nadtlak v postaji lahko dosežeš tako, da postajo povežeš z omrežjem stisnjenega zraka, ki je na voljo v laboratoriju. 6

7 Slika. Shema merilne postaje. 1 črpalka, 2 sesalni rezervoar, 3 tlačni rezervoar, 4 merilnik pretoka, 5 preizkušanec/merjenec, 6 ventil 1, 7 ventil 2, 8 odjem tlaka 1, 9 odjem tlaka 2. Slika. Merilna postaja. 7

8 Merilna oprema Na voljo bo naslednja merilna oprema: - merilnik pretoka ABB, - merilnik diferencialnega tlaka ABB, - merilnik statičnega absolutnega tlaka ABB, - merilnik električne moči elektromotorja Norma Za regulacijo pretoka uporabljaj frekvenčni pretvornik ustrezne moči, v laboratoriju LVTS je to frekvenčni pretvornik FUJI Frenic FRV E9S, ki je pritrjen na steno levo od merilne postaje. Pretok lahko spreminjaš tudi z enim od obeh ventilov, ki sta nameščena na postaji. Vse parametre meritve zapisuj v excelovo datoteko na računalnik. Pogon elektromotorja Elektromotor priključi na frekvenčni pretvornik. Frekvenčni pretvornik je naprava, ki omogoča spreminjanje vrtilne frekvence trifaznih asinhronih elektromotorjev preko spreminjanja frekvence mreže, ustrezno vrtilni frekvenci pa se spremenijo tudi napetosti in tokovi na posameznih fazah elektromotorja. Za merjenje uporabljaj ščitene kable za napetosti do 1000 V. Slika. Priključitev merilnika električne moči za trifazni asinhroni elektromotor pogonske črpalke. Dostop do posameznih je preko ustrezne električne omarice. 8

9 Slika. Električna omarica za priklop merilnika električne moči. Levo: sprednja stran, desno: zadnja stran. Za meritev brez tokovnikov na zadnji strani električne omarice priklopi kable na merilnik električne moči Norma Naloga 1. Naredi skico meritve in komentiraj izbiro merilnih mest. 2. Izmeri tlačni padec v kavitacijskem kanalu v odvisnosti od pretoka. Meritev opravi pri izbranem absolutnem tlaku v sistemu. Označi nekaj značilnih točk točk kavitacije, predvsem glede na pojavljanje kavitacije. Meritev izvedi pri različnih tlakih v sistemu: skupina 1: atmosferski tlak skupina 2: nadtlak 0.25 bar skupina 3: nadtlak 0.5 bar skupina 4: nadtlak 0.75 bar 3. Izmeri električno moč, ki je potrebna za doseganje posamezne delovne točke. 4. Izdelaj parametrični model tlačnega padca v odvisnosti od pretoka. Razdelitev nalog - nadzor eksperimenta - meritev pretoka in tlaka - meritev električne moči črpalke - nastavljanje delovne točke s frekvenčnim pretvornikom - zapisovanje merilnih rezultatov 9

10 Laboratorijska vaja 2. Meritev karakteristike radialnega turbinskega stroja in izdelava karakteristike družine ventilatorjev eksperiment in izdelava modela do Uvod V nalogi je potrebno izmeriti karakteristično krivuljo in izkoristek radialnega turbinskega stroja za celotno območje pretokov. To pomeni, da je potrebno meritev izvesti s pomožnim turbinskim strojem. Merili bomo radialni ventilator Rotomatika PX Ventilatorji tega tipa so namenjeni uporabi v plinskih pečeh. Imajo možnost regulacije vrtilne frekvence preko nastavitve PWM regulatorja, pri obratovanju pa se jim močno spremina vrtilna frekvenca glede na delovno točko. Potrebna predznanja: - merjenje pretokov z merilniki na principu zastojnega tlaka, - merjenje statičnih tlakov, - merjenje vrtilne frekvence, - merjenje okoljskih parametrov, Teorija podobnosti turbinskih strojev Pri teoriji podobnosti pridobimo razumevanje delovanja turbinskih strojev v največji meri. To je formalna procedura, kjer skupino spremenljivk, ki opisujejo izbran fizikalni pojav, zmanjšamo ali spremenimo na manjše število brezdimenzijskih skupin spremenljivk. Dimenzionalna analiza ima več pomembnih področij uporabe : (1) napoved delovanja prototipa stroja iz poizkusov, izvedenih na pomanjšanem stroju - podobnost, in (2) določanje najprimernejšega tipa stroja na podlagi največjega izkoristka, tlaka, pretoka in vrtilne frekvence, (3) napoved delovanja stojev pri spremenjenem številu vrtljajev ali gostoti. Obstaja več metod določanja brezdimenzijskih spremenljivk. Na osnovi logičnega premisleka in z uporabo Bernoullijeve enačbe lahko določimo eksponente spremenljivk n, d in ρ za pretok, tlak in aerodinamsko oz. hidravlično moč (tabela). Q Q φ =, φ = pretočno število 3 2 nd π 3 n D

11 H Hg Hg ψ =, ψ =, ψ = tlačno število n d n d π 2 n D 2 60 sledi: - pretok je sorazmeren z vrtilno frekvenco - tlak je sorazmeren s kvadratom vrtilne frekvence - moč je sorazmerna s tretjo potenco vrtilne frekvence Tabela.: Eksponenti spremenljivk n, d in ρ za pretok, tlak in aerodinamsko oz. hidravlično moč. spremenljivka pretok tlak aerodinamska, hidravlična moč n n n 2 n 3 d d 3 d 2 d 5 ρ 1 ρ ρ Podobna turbinska stoja imata enaki tlačni in pretočni števili. Merilna postaja Izberi merilno postajo (mesto vgradnje ventilatorja, mesto dušenja, mesto vgradnje pomožnega ventilatorja). Mesto dušenja naj čim bolj oddaljeno od mesta meritve pretoka ali mesta vgradnje merjenega ventilatorja. Kot pomožni ventilator uporabi ventilator Klima Celje 124 CVX160/4 (stara oznaka, oznaka na motorju) oziroma 104 CVX160/4 (nova oznaka, oznaka v katalogu). Ventilator pri vgradnji v plinsko peč deluje tako, da sesa zrak iz prostora in ga tlači v zgorevalno komoro. Testni ventilator naj bo zato v merilno postajo vgrajen na vstopu. Meritev pretoka in statičnega tlaka Za meritev pretoka uporabi meritev padca tlaka na zaslonki. Izberi mesta meritve pretoka, vstavi zaslonko in izmeri pretok preko meritve tlaka. Če boš meril z zaslonko s premerom Φ=60,2 mm v cevi Φ=155 mm (pred in za zaslonko), znaša konstanta zaslonke 88,0054, vrednosti tlaka vnašaj v [mbar], pretok pa v [m 3 /h]. Zagotovi, da bo med merjenim ventilatorjem in merilnikom pretoka povezava plinotesna. Meritev statičnega in totalnega tlaka testnega ventilatorja izvedi z električnimi tlačnimi pretvorniki Endress Hauser z obsegom 0-10 mbar ali mbar. Tlačne pretvornike priključi na merilno postajo s plastičnimi cevkami. Električna priključitev 11

12 Priključi testni ventilator na električno napajanje 230V in izmeri električno moč testnega ventilatorja. Uporabi isto opremo kot pri prvi vaji. Testni ventilator se regulira preko PWM vmesnika, PWM vmesnik pa se napaja iz omrežja 230 V. Meritev vrtilne frekvence Izmeri vrtilno frekvenco testnega ventilatorja, za meritev uporabi inštrument Agilent 34970A, na kanalu 1 nastavi meritev frekvence (tipka measure, nato izbiraj z vrtenjem okroglega gumba, večkrat potrdi izbiro s tipko measure), uporabi izhod iz dajalnika pulzov, ki je že vgrajen v elektromotor ventilatorja. Meritev okoljskih parametrov Izmeri temperaturo in gostoto zraka ter preračunaj izmerjene aerodinamske karakteristike in izkoristek na gostoto zraka ρ=1,2 kg/m 3 in na temperaturo 20 C. Temperaturo zraka izmeri z ročnim merilnikom temperature, z interneta ( preberi barometrski tlak, ter za izračun gostote zraka uporabi enačbo, ki vključuje barometrski tlak in temperaturo. Naloga 1. Naredi skico meritve in komentiraj izbiro merilne postaje. 2. Izmeri delovno karakteristiko in izkoristek pri nastavitvi regulatorja 100%. 3. Za prikaz izmerjenih vrednosti uporabi standardne diagrame p(v & ), za totalni tlak in statični tlak. Prikaži izmerjene vrednosti glede na dejansko doseženo vrtilno frekvenco. 4. Prikaži izmerjene vrednosti, preračunane na konstantno vrtilno frekvenco. 5. Izračunaj in prikaži moč stroja pri enaki vrtilni frekvenci, če bi se npr. temperatura toka povišala na 90 C. 6. Navedi in komentiraj algoritme za preračun, ki si jih uporabil v nalogi. 7. Izdelaj diagram karakteristik, kakršen je kot primer za drugo družino strojev naveden na sliki. Slika. Ventilator Rotomatika PX6 130 (levo) in PWM regulator (desno). 12

13 Slika. Primer karakteristik in moči družine ventilatorjev iz kataloga Izoteh ( Pri analizi z Matlabom izdelaj podoben diagram za merjeni radialni ventilator Rotomatika PX

14 Vaja 3. Analiza delovanja kondenzatorja sušilnika perila Datum: eksperiment in model od do Uvod Kondenzacijski sušilnik perila je namenjen sušenju perila v prostorih, ki nimajo možnosti izpusta vlažnega zraka v okolico. Voda iz perila se kondenzira v kondenzatorju, črpalka pa jo črpa v posodo na vrhu stroja. Kondenzacijski sušilnik perila sestavljajo iz naslednji najpomembnejši deli: - boben - kondenzator - elektromotor - ventilator primarnega toka zraka - grelnik - ventilator sekundarnega toka zraka Primarni tok zraka poteka od ventilatorja primarnega toka skozi grelnik, boben, filter in kondenzator ponovno v ventilator (zaprt tok). Sekundarni tok zraka poteka od ventilatorja sekundarnega toka zraka skozi kondenzator v okolico in je odprtega tipa. Kondenzacijski sušilnik perila Kondenzacijski sušilnik perila je eden izmed največjih porabnikov energije v gospodinjstvih. Namenjen je sušenju perila, pri čemer vlago iz perila kondenzira in transportira v zbirno posodo na vrhu stroja. Kondenzacijski sušilni stroj mora z inženirskega vidika opravljati naslednje najpomembnejše funkcije: - transport zraka v primarnem tokokrogu, ki poteka skozi boben, - gretje primarnega zraka pred vstopom v boben, - vrtenje bobna v obe smeri, - transport zraka v sekundarnem tokokrogu za kondenzacijo v kondenzatorju, - prilagajanje parametrov sušenja stanju in količini perila v bobnu, izklop grelnika, merjenje preostale vlage itd., - transport kondenzata v zbirno posodo na vrhu stroja. 14

15 Slika. Kondenzacijski sušilnik perila Gorenje z zaprtim notranjim primarnim krogom zraka in vstopom zraka v sekundarni kanal kondenzatorja s sprednje strani (merjeni stroj je brez) s 6 kg bobnom in z zaslonom na dotik. Pri načrtovanju strojev želimo doseči čim nižjo porabo energije in nizke proizvodne stroške. Zaradi nizkih proizvodnih stroškov je sušilni stroj Gorenje zasnovan tako, da uporablja samo en elektromotor. Ta zato poganja boben in oba ventilatorja za primarni in sekundarni tokokrog. Boben se mora vrteti v obe smeri, sicer se perilo v stroju zavozla, kar onemogoči učinkovito sušenje. To pomeni, da se oba ventilatorja vrtita v različnih smereh glede na program sušenja. Na začetku sešenja se približno 20 minut perilo v bobnu segreva na delovno temperaturo, ki znaša med 50 C in 60 C. V tem času se vrti boben, delujeta pa tudi primarni in sekundarni ventilator. Pri tem sekundarni ventilator hladi zrak v primarnem tokokrogu, kar energijsko ni ugodno. Ko perilo doseže delovno temperaturo, grelnik deluje intermitentno in vzdržuje temperaturo v željenem intervalu. Primarni ventilator je narejen iz kovine, ker je blizu grelnika. Zahteva po kovinskem ventilatorju izvira iz varnostnih razlogov. Zaradi tehnologije izdelave ima ravne lopatice, zato vrtenje levo/desno ne predstavlja velike ovire. Spirala primarnega ventilatorja je optimirana tako, da favorizira vrtenje v eno smer, v to smer se tudi večino časa vrti boben. Sekundarni ventilator je iz plastike, zato ima zakrivljene lopatice in spiralo, ki sta optimirana za vrtenje v eno smer. Ventilator ima veliko število lopatic zaradi zmanjšanja hrupa. Sekundarni tokokrog je odprt in zaradi tega se hrup sekundarnega ventilatorja sliši v okolici stroja. Stroj ima na bobnu tesnilo, ki je približno tako veliko, kot so velika vrata stroja. Vrata stroja so na modernih strojih velika zaradi prodajnih razlogov. Na tem tesnilu je potrebno zagotoviti, da je uhajanje vlažnega zraka v okolico čim manjša, s čimer se poveča stopnja 15

16 kondenzacije. Uhajanje je zmanjšano tudi zaradi podpornih koles, ki zmanjšujejo obremenitve na tesnilo. To je možno zagotoviti samo tako, da se stroj dizajnira tako, da je na tem mestu razlika tlakov med notranjostjo in zunanjostjo kanala čim manjše. To je možno napraviti tako, da se ustrezno razporedi generator tlaka - ventilator in upore v primarnem tokokrogu. Upori v primarnem tokokrogu se med ciklom sušenja spreminjajo, saj se perilo suši in zavzema čedalje večji volumen v bobnu, filter pa se maši. Filter preprečuje, da bi vlakna iz perila prišla z zračnim tokom na grelnik, kjer bi se zažgala, perilo pa bi zaradi tega smrdelo. Flow direction into the plane of the figure Flow direction out of the plane of the figure Secondary air-flow Primary air-flow Secondary air-flow exit Clothes drum Primary air-flow fan Door Heat Exchanger Electric motor Secondary air-flow fan Filter Inlet cone Secondary air-flow inlet - basic version Slika. Shema delovanja sušilnik perila. 16

17 Slika. Sušilnik perila z odstranjema stranskima stranicama, pogled z leve (detajl elektromotorja in sekundarnega ventilatorja, levo), pogled z desne strani (izstop sekundarnega toka iz kondenzatorja, desno). Slika. Sušilnik perila z odstranjenim pokrovom grelnika, pogled z zadnje strani. Viden je primarni ventilator in grelnik z bimetalnimi stikali. 17

18 Opozorilo V stroju so napetosti do 230 V, pazi na nevarnost električnega udara. Kabli v notranjosti stroja nimajo zaščitenih priključkov. Merilna oprema Za izvedbo meritev je na voljo naslednja merilna oprema: - uporovni merilniki temperature Pt 100, štirižilni, - merilnik napetosti do 230 V, - data acquisition enota za počasno posnemanje podatkov Agilent 34970A, - tehtnica za tehtanje perila in kondenzata, - merilnik električne moči, trikanalni s tokovniki, - ročni merilnik vlažnosti, - tlačni pretvorniki, priključki in povezovalne cevke. Naloga 1. Izdelaj idejno zasnovo eksperimenta. 2. Določi merilna mesta in sestavi merilno verigo. 2. Izvedi analizo kondenzatorja sušilnega stroja in ovrednoti rezultate. Natančno določi merilne pogoje in nariši shemo meritve. 18

19 Vaja 4. Hitrost toka v Francisovi turbini eksperiment datum in model datum Uvod V nalogi je potrebno izmeriti in izdelati model hitrosti toka v odvisnosti od delovne točke Francisove turbine. Pri eksperimentu želimo izmeriti izstopne trikotnike hitrosti v različnih presekih Francisove turbine. Francisova turbina je raziskovalna turbina za Indijskega naročnika BHEL. Potrebna predznanja: - merjenje hitrosti toka s Pitotovo cevjo, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje statičnega tlaka, - osnove posnemanja meritev in A/D pretvorb. Turboinštitut Turboinštitut je sodobno opremljen inštitut za raziskave hidravličnih strojev in je kot eden od dveh neodvisnih inštitutov na svetu opremljen za preizkušanje modelov turbin in črpalk v skladu z mednarodnimi IEC predpisi. Razpolaga s štirimi preizkuševališči za preizkušanje modelov vodnih turbin, tremi preizkuševališči za preizkušanje črpalk in zelo zmogljivim super računalnikom za zahtevne preračune toka v hidravličnih strojih. Obvladuje tehnologijo preizkušanja izvedb po različnih mednarodno priznanih metodah. Ima proizvodne zmogljivosti za izdelavo modelov in izdelkov, razpolaga s sodobnimi CNC stroji za izdelavo delov za male turbine do maksimalnega premera 4000 mm in maksimalno težo do kg, klasičnimi stroji in sodobnim merilnim orodjem za kontrolo najzahtevnejših hidravličnih oblik. Turboinštitut razvija najsodobnejšo tehnologijo izdelave gonilnikov malih turbin in rotorjev črpalk, ki jih izdeluje za svoje proizvode in ostale naročnike. Turboinštitut d.d. je bil ustanovljen leta Reference razvoja modelov vseh tipov vodnih turbin in centrifugalnih črpalk uvrščajo inštitut v svetovni vrh tovrstnih raziskovalnih organizacij. Reference projektirane, izdelane in montirane opreme malih hidroelektrarn od 0,5 do 10 MW moči agregata Turboinštitut uvrščajo med najbolj aktivne dobavitelje opreme in inženiring organizacije na področju malih hidroelektrarn. Osnovne dejavnosti družbe so: Raziskave in razvoj vodnih turbin Razvoj in preizkusi modelov turbin Neodvisni preizkusi modelov drugih proizvajalcev Preizkusi opreme na hidroelektrarnah Simulacije toka 19

20 Numerične simulacije toka z uporabo močnih računalnikov in sodobnih programov Eksperimentalna dinamika fluidov Izobraževanje na podiplomskem nivoju Male hidroelektrarne Razvoj in izdelava turbin Projektiranje opreme malih hidroelektrarn in inženiring celotnih elektrarn Izgradnja malih hidroelektrarn na osnovi koncesij. Razvoj in obnova črpalk Razvoj modelov centrifugalnih črpalk Obnova obstoječih črpalk zaradi boljšega delovanja in prihranka porabe energije Merilna postaja Na postaji zaprtega tipa se merijo integralne delovne lastnosti Francisovih in Kaplanovih turbin. Standard, ki predpisuje postopke merjenja, je IEC Na postajah zaprtega tipa preizkušamo in merimo: - energijske karakteristike v štirih kvadrantih za izbrani pretočno in tlačno število, - kavitacijske karakteristike po standardiziranih metodah preskušanja, - oscilacije radialnih in aksialnih sil na gonilniku in vodilniku, - pulzacije tlaka v pretočnem traktu, - oscilacije momenta na gredi turbostroja, - profile hitrosti toka v izbranih ravninah v pretočnem traktu. Motor-generator Modelna turbina Tlačni kotel Sesalni kotel Merilnik pretoka Pogonska črpalka Regulacijska loputa Slika. Shema merilne postaje za preizkušanje Francisovih turbin, Turboinštitut Ljubljana.. 20

21 Petluknjična Pitojeva sonda Petluknjična sonda omogoča merjenje vektorja hitrosti toka fluida. Temelji na princupu merjenja tlačne razlike na petih luknjicah v merilnem volumnu. Slika : petluknjična sonda - senzorski del, kjer so luknjice za meritev komponent hitrosti toka. Petluknjično sondo vrtimo okrog osi za kot α, dokler ni natok toka vode pravokoten na sondo. Kot δ preberemo iz umeritvene krivulje. Pri meritvi vrtimo sondo, dokler sonda ne kaže v smeri vrtenja proti vektorju hitrosti. Takrat je p 2 =p 3 in preberemo kot α (yaw) s pozicionirne mize. Kot δ (pitch) preberemo z umeritvene krivulje petluknjične sonde. Za določitev vseh parametrov potrebujemo štiri tlačne pretvornike, p A do p D. Meritve tlakov p A =p 1 -p atm p B =p 1 -p 2 p C =p 2 -p 3 =>0 p D =p 4 -p 5 p 1, p 2, p 3 in p 4 so priključki na petluknjični sondi. p A, p B, p C in p D so tlačni pretvorniki, s katerimi merimo. 21

22 Slika : Petluknična sonda, razporeditev petih luknjic. Postopek meritve V nadaljevanju si oglejmo postopek meritve : 1. določimo α, ko je p 2 = p 3 iz nastavitve na pozicionirni mizi 2. izmerimo p 4 p 5 p 1 p 2 3. Izračunamo δ po umeritveni krivulji za δ = p4 p δ f = f ( ) = 11,089x - 9,0751x - 28,787x - 7,3545x +12,659x + 54,829x + 3,6579 p1 p x 2 4. izračunamo po spodnji umeritveni krivulji pt ps = 1, δ + 2, δ - 3, δ - 2, δ + p p 1 2 3, δ δ +1, izračunamo absolutno hitrost in komponente hitrosti (aksialna, tangencialna, radialna) 2( pt ps ) C = C x = C cosα cosδ C y = C sinα cosδ C z = C sinδ ρ 22

23 delta ( ) ,8-0,6-0,4-0, ,2 0,4 0,6 0, (p4-p5)/(p1-p23) (-) 1,6 1,4 1,2 (pt-ps)/(p1-p23) 1 0,8 0,6 0,4 0, delta ( ) Slika: Umeritvena diagrama. Umeritev je opravil proizvajalec z zrakom pri hitrosti zraka 30 m/s. 23

24 Merilni pretvorniki in pozicioniranje Uporabili bomo tri diferencialne merilne pretvornike (p A, p B in p D ) za tlak ABB z obsegom 0-3 mbar in tlačni pretvornik Endress Hauser z obsegom -100 do 100 mbar (p C ), vse z merilno negotovostjo boljšo od 0.1%. Merilni pretvorniki imajo tokovni izhod 4-20 ma, povezava z računalnikom za zajemanje podatkov je preko dvožilne priključitev na A/D pretvornik. Natančnost nastavljanja lege je omejena z nastavitvijo začetne točke. Za vrtenje imaš na voljo rotacijski pozicionirni element, medtem ko za pozicioniranje po globini uporabi tračni meter. Zajemanje podatkov s programsko opremo Labview 1. Nastavimo delovno točko. Izberemo željeni pretok, vpišemo tlak. 2. Premaknemo petluknjično sondo v pravilno lego, vpišemo v ustrezno okence. 3. Merimo p A, p B, p C in p D. 4. Iz nastavitve na pozicionirni mizi določimo α, ko je p 2 = p 3, vpišemo v okence kot α 5. Vklopimo tipko za posnemanje na disk, počakamo čas povprečenja. Slika: Programska oprema Labview za posnemanje podatkov, izmerjenih s petluknjično Pitojevo cevjo. 24

25 Merilna mesta Pri vaji ne bomo mogli izbirati merilnega mesta. Meritev vektorjev hitrosti bo potekala neodvisno od vaj pri predmetu, z vajami se bomo zgolj pridružili meritvam. Na spodnjih slikah so predstavljena merilna mesta, kjer bodo lahko potekale meritve. Ta merilna mesta so: - vstopna cev, - med predvodilnikom in vodilnikom, - med vodilnikom in gonilnikom, - za gonilnikom približno za izstopnim robom, - v sesalni cevi. Na vsakem merilnem mestu je več izvrtin, skozi katere lahko vsatvimo petluknično Pitotovo cev. Nekatere izvrtine služijo temu, da je isti prerez dostopen iz zgornje in spodnje strani, druge pa omogočajo meritve pri različnih kotih, npr. merilno mesto med vodilnikom in gonilnikom je izvedeno pri več kotih. Slika. Izbira merilnih mest na Francisovi turbini BHEL. Pri meritvi bo posamezna skupina merila zgolj na enem merilnem mestu. 25

26 Naloga 1. Naredi skico meritve in komentiraj izbiro merilnih mest. 2. Izmeri trikotnike hitrosti v posamezni merilni ravnini Francisove turbine. Zaradi tega, ker bodo meritve v Turboištitutu tekle neodvisno od vaj, bo vsaka posamezna skupina merili na mestu, kjer bo v tistem trenutku potekala meritev. 3. Izdelaj parametrični model hitrosti toka v odvisnosti od delovne točke turbine za izbrani presek. 4. Komentiraj postopek umerjanja, če veš, da je bilo umerjanje petluknjične Pitojeve cevi izveden z zrakom pri hitrosti toka 30 m/s. Razdelitev nalog - nadzor eksperimenta, - meritev tlaka, - nastavljanje lege petluknjične pitojeve cevi, - preračun hitrosti in kotov iz izmerjenih vrednosti, - zapisovanje merilnih rezultatov. 26