ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΤΩΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΣΕ ΘΑΛΑΜΟΥΣ ΕΔΡΑΣΗΣ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΤΩΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΣΕ ΘΑΛΑΜΟΥΣ ΕΔΡΑΣΗΣ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΧΑΝΤΖΑΡΑΣ Α.Ε.Μ: 4919 Υπεύθυνος καθηγητής: Ανέστης Ι. Κάλφας Επιβλέπων εργασίας: Δρ. Ιωάννης Αϊδαρίνης Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2014

2 ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΝΟΨΗ Η ανάπτυξη σύγχρονων αεροπορικών κινητήρων απαιτεί και μια σταδιακή αύξηση της αποτελεσματικότητας. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τους θαλάμους έδρασης όπου εμφανίζεται πολύπλοκη διφασική ροή, η οποία δημιουργείται από την αλληλεπίδραση του λιπαντικού μέσου με την ροή του αέρα στεγανοποίησης των συστημάτων λίπανσης. Είναι σημαντικό να αυξηθεί το επίπεδο κατανόησης του ροϊκού πεδίου μέσα στο θάλαμο εδράνων και να αναπτυχθούν υπολογιστικά εργαλεία με στόχο τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού και των επιδόσεων των κινητήρων. Για την κατανόηση του ροϊκού πεδίου πρέπει να διερευνηθεί η συμπεριφορά της πίεσης εντός του θαλάμου. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της πτώσης πίεσης σε θάλαμο έδρασης αεροπορικού κινητήρα. Για την εκτέλεση του πειράματος κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών και Στροβιλομηχανών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου της Θεσσαλονίκης ένα εργαστηριακό αντίγραφο ενός τέτοιου θαλάμου. Τόσο το εμπρόσθιο όσο και το οπίσθιο μέρος του θαλάμου συνδέθηκαν με ένα μανόμετρο και έτσι μετρήθηκε η πίεση στα δύο τμήματα και προσδιορίστηκε η πτώση πίεσης για διάφορα σημεία λειτουργίας μεταβάλλοντας τέσσερις παραμέτρους λειτουργίας. Αυτές οι παράμετροι λειτουργίας είναι η ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου, η παροχή όγκου του λιπαντικού μέσου, η παροχή μάζας του αέρα στεγανοποίησης και ο αριθμός των οπών παράκαμψης της ροής. Τα αποτελέσματα οδήγησαν στο συμπέρασμα πως η ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου έχει αμελητέα επίδραση στην πτώση της πίεσης. Έτσι η πτώση πίεσης είναι συνάρτηση τριών παραμέτρων (παροχή όγκου του λιπαντικού μέσου, παροχή μάζας του αέρα στεγανοποίησης, αριθμός οπών παράκαμψης της ροής), οπότε ισχύει: ης οποίας ο μαθηματικός τύπος προσδιορίστηκε. Τέλος γίνεται στατιστική ανάλυση και ανάλυση αβεβαιότητας των δεδομένων.

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΘΑΛΑΜΟΙ ΕΔΡΑΣΗΣ ΑΞΟΝΩΝ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΛΙΠΑΝΣΗ ΘΑΛΑΜΩΝ ΕΔΡΑΣΗΣ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΠΙΕΣΗ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΠΙΕΣΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ - ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΡΟΗ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΕΛΑΙΟΥ ΡΟΗ ΑΕΡΑ ΔΙΦΑΣΙΚΗ ΡΟΗ ΣΤΑΓΟΝΙΔΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΤΜΗΜΑ ΘΑΛΑΜΟΥ ΕΔΡΑΣΗΣ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΟΥ ΛΑΔΙΟΥ Ο ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΚΑΙ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ, ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ ΠΑΡΟΧΗ ΑΕΡΑ ΣΤΕΓΑΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΕΡΑ ΣΤΕΓΑΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ ΤΟΥ ΑΞΟΝΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ ΠΑΡΟΧΗ ΟΓΚΟΥ ΛΙΠΑΝΤΙΚΟΥ ΜΕΣΟΥ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΟΠΩΝ ΔΙΑΦΥΓΗΣ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΕΛΑΙΟΥ ΛΙΠΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟ ΤΗΝ ΠΑΡΟΧΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΤΕΓΑΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΩΝ ΑΡΙΘΜΩΝ ΟΠΩΝ ΔΙΑΦΥΓΗΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟ ΤΗΝ ΠΑΡΟΧΗ ΑΕΡΑ ΣΤΕΓΑΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΤΩΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΟΣΟΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΒΕΒΑΙΟΤΗΤΑΣ... 81

4 7.2 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΠΟΣΟΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΒΕΒΑΙΟΤΗΤΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΙΕΣΗΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΒΕΒΑΙΟΤΗΤΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΠΙΕΣΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ... 99

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ 1. ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στον πατέρα μου. Μετά από 8 μήνες κοπιαστικής δουλειάς εντός του εργαστηρίου αντιμετωπίζοντας τις προκλήσεις ενός πειράματος, νοιώθω ιδιαίτερα ικανοποιημένος για την επιλογή του συγκεκριμένου εργαστηρίου και θέματος. Σ αυτούς τους 7 μήνες με βοήθησαν πολλοί άνθρωποι τους οποίους και θέλω να ευχαριστήσω. Αρχικά, θέλω να ευχαριστήσω τον υπεύθυνο καθηγητή μου κ. Ανέστη Ι. Κάλφα για την δυνατότητα που μου έδωσε να ασχοληθώ με το πιο ενδιαφέρον κομμάτι της επιστήμης, το πείραμα. Στην συνέχεια θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας μου Δρ. Ιωάννη Αϊδαρίνη, υπεύθυνο και δημιουργό του πειραματικού δοκιμαστηρίου, για την στενή και άψογη συνεργασία μας. Επίσης, θέλω να ευχαριστήσω τον υποψήφιο Δρ. Παναγιώτη Τσιρίκογλου για την βοήθεια, την στήριξη και τις συμβουλές του καθ όλη την διάρκεια της εργασίας μου στο εργαστήριο. Επιπλέον, δεν θα μπορούσα να μην ευχαριστήσω τους συναδέλφους και συμφοιτητές μου Στέλιο Ρίγα, Γιώργο Στεφόπουλο, Νικόλαο Δόγκα, Αλέξανδρο Χάσογλου και Ελισσάβετ Μπουφίδη με τους οποίους αναπτύχτηκε μια φιλία μέσα από την πολύμηνη αυτή συνεργασία μέσα στο εργαστήριο και θέλω να τους ευχηθώ κάθε επιτυχία στην επαγγελματική τους σταδιοδρομία. Ακόμα, οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ στο Δρ. Δημήτρη Μισηρλή για τις σημαντικές συμβουλές σε θέματα μέτρησης πίεσης και στον τεχνικό του εργαστηρίου «Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασμού» Γεώργιο Τάνιο για τις συμβουλές σε κατασκευαστικά θέματα. Τέλος, δεν θα μπορούσα να παραλείψω την οικογένεια μου, την Μητέρα μου, τον αδερφό μου και την γιαγιά μου για την στήριξη καθ όλη την διάρκεια των σπουδών μου. ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΧΑΝΤΖΑΡΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ,

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια, αναμφισβήτητα, υπάρχει μια μεγάλη εξέλιξη στον σχεδιασμό και την κατασκευή αεροπορικών κινητήρων. Οι σύγχρονοι κινητήρες θα πρέπει να εμφανίζουν μεγάλη αξιοπιστία παρέχοντας την μέγιστη ασφάλεια ακόμα και στις πιο ακραίες συνθήκες λειτουργίας. Προκειμένου να επιτευχθεί η μεγαλύτερη αξιοπιστία απαιτείτε η πλήρης γνώση των ρευστομηχανικών φαινομένων σε όλα τα τμήματα του αεροπορικού κινητήρα. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από πειράματα μπορούν να συμβάλουν στην εξέλιξη των αεροπορικών κινητήρων. Ένα από αυτά τα τμήματα είναι ο θάλαμος έδρασης του άξονα ενός αεροπορικού κινητήρα. Ένα από τα κύρια εξαρτήματα ενός αεροπορικού κινητήρα είναι οι άξονες που ενώνουν τους στρόβιλους με τους συμπιεστές και τον ανεμιστήρα. Η χρήση του άξονα είναι να μεταφέρει στον συμπιεστή και στον ανεμιστήρα την παραγόμενη στον στρόβιλο ροπή. Πέρα από την λεπτομερή σχεδίαση του άξονα απαιτείται και λεπτομερής σχεδίαση του τρόπου έδρασης καθώς και του συστήματος λίπανσης και ψύξης της έδρασης. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της πτώσης πίεσης που λαμβάνει χώρα σε έναν θάλαμο έδρασης ενός αεροπορικού κινητήρα. Για την μελέτη των ρευστομηχανικών φαινομένων και την πραγματοποίηση πειραμάτων κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών και Στροβιλομηχανών, ένα μοντέλο προσομοίωσης που αποτελείται από πολλές επιμέρους διατάξεις. Για την καλύτερη κατανόηση της παρούσας εργασίας, αυτή έχει χωριστεί σε έντεκα κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο είναι ο πρόλογος. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια γενική εισαγωγή στην διπλωματική εργασία. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενέστερη θεωρητική αναφορά της λειτουργίας των θαλάμων έδρασης αεροπορικών κινητήρων. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται λεπτομερώς η πειραματική διάταξη στην οποία πραγματοποιήθηκε το πείραμα. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται επεξήγηση της διαδικασίας λήψης, μεταφοράς και της επεξεργασίας των δεδομένων. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και γίνεται ένας σχολιασμός για τα συμπεράσματα που προκύπτουν από αυτά. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η στατιστική ανάλυση των δεδομένων και στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και τέλος στα κεφάλαια εννιά, δέκα και έντεκα υπάρχουν αντίστοιχα τα ευρετήρια των σχημάτων, εικόνων και πινάκων που εμφανίζονται στην διπλωματική εργασία. 2

7 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 3. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Τα κύρια τμήματα ενός αεροπορικού κινητήρα είναι: Το τμήμα των συμπιεστών Το τμήμα των καυστήρων Το τμήμα των στροβίλων Εικόνα 3.1: Κύρια τμήματα ενός αεροπορικού κινητήρα. Το τμήμα των συμπιεστών, που είναι το πρώτο τμήμα το οποίο συναντάει ο εισερχόμενος αέρας εντός του αεροπορικού κινητήρα, έχει σαν σκοπό την αύξηση της πίεσης του. Αυτή η αύξηση της πίεσης επιτυγχάνεται μέσω της περιστροφικής κίνησης του συμπιεστή. Στην συνέχεια ο ρέων αέρας στον χώρο των καυστήρων όπου πραγματοποιείτε η καύση. Μετά την καύση, τα υψηλά σε θερμική ενέργεια ρευστά καυσαέρια διέρχονται από το τμήμα των στροβίλων όπου η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε ροπή. Ένα μέρος αυτής της ροπής μεταφέρεται με την βοήθεια αξόνων στους συμπιεστές για την κίνηση τους. 3

8 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 3.1. ΘΑΛΑΜΟΙ ΕΔΡΑΣΗΣ ΑΞΟΝΩΝ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Η στήριξη των αξόνων γίνεται με την βοήθεια εδράνων κύλισης τα οποία είναι τοποθετημένα μέσα σε ειδικά σχεδιασμένους θαλάμους. Ο αριθμός των εδράνων και η θέση τους ποικίλει ανάλογα με τον κατασκευαστή και το μοντέλο του κινητήρα. Ορισμένα εξ αυτών των εδράνων είναι απλά ένσφαιρα έδρανα τριών σημείων επαφής και είναι ειδικών προδιαγραφών και κατασκευής, ενδείκνυνται για την μεταφορά των αξονικών δυνάμεων των στροβιλοκινητήρων καθώς αυτές είναι μεγαλύτερες από τις ακτινικές δυνάμεις που προκαλούνται από τις φυγόκεντρες δυνάμεις των κινούμενων σφαιρών. Οι θάλαμοι εδράνων αεροπορικών κινητήρων μπορούν να καταταχθούν σε 3 βασικές κατηγορίες σε σχέση με την θέση τους στον αεροπορικό κινητήρα. Οι 3 κατηγορίες είναι οι εξής: Εμπρόσθιος θάλαμος ο οποίος είναι τοποθετημένος εντός του συμπιεστή χαμηλής πίεσης (LPC) και φέρει το κύριο ένσφαιρο έδρανο και ένα κυλινδρικό έδρανο που εδράζουν την κύρια άτρακτο του κινητήρα. Εντός του εμπρόσθιου θαλάμου παράγονται μεγάλες ποσότητες θερμότητας Μεσαίοι θάλαμοι οι οποίοι είναι τοποθετημένοι πλησίον του συμπιεστή υψηλής πίεσης (HPC) ή μέση πίεσης (IPC) όταν υπάρχει και του καυστήρα, δηλαδή σε περιοχές υψηλής θερμοκρασίας. Φέρουν κυλινδρικά ή ένσφαιρα έδρανα και ανάλογα με τον κινητήρα εδράζουν τον δευτερεύον άξονα ή τους 2 ομόκεντρους άξονες. Ο αριθμός των ενδιάμεσων θαλάμων εξαρτάται από τον σχεδιασμό, το μέγεθος και τον αριθμό των ατράκτων του κινητήρα. Οπίσθιος θάλαμος ο οποίος είναι τοποθετημένος στον στρόβιλο χαμηλής πίεσης (LPT) δηλαδή σε περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών και εδράζει τον κύριο άξονα του κινητήρα. Εικόνα 3.2: Θέσεις εδράνων σύγχρονου αεροπορικού κινητήρα PW

9 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Το έδρανο του εμπρόσθιου θαλάμου όπως αναφέρθηκε καλείται να μεταφέρει όλη την παραγόμενη πρόωση, συνεπώς είναι αυτό το οποίο δέχεται την μεγαλύτερη καταπόνηση. Χαρακτηριστικό αυτών των θαλάμων είναι πως, λόγω γεωμετρικών περιορισμών φέρουν οπές απομάκρυνσης αέρα και ελαίου στο πίσω μέρος του θαλάμου μετά το κύριο έδρανο. Στο Σχήμα 3.1 απεικονίζεται η τομή ενός πειραματικού μοντέλου θαλάμου που είναι ένα ακριβές αντίγραφο ενός πραγματικού θαλάμου. Διακρίνεται το διαχωριστικό τοίχωμα συγκράτησης του εδράνου που φέρει περιφερειακά διατεταγμένες οπές (οπές παράκαμψης) για την διέλευση του αέρα στεγανοποίησης και του ελαίου λίπανσης από την ανάντη στην κατάντη πλευρά του θαλάμου. Σχήμα 3.1: Εγκάρσια τομή εργαστηριακού ομοιώματος εμπρόσθιου θαλάμου εδράνου αεροπορικού κινητήρα. Δεδομένου ότι αυτά τα έδρανα δέχονται μεγάλες αξονικές φορτίσεις καθώς και φυγοκεντρικές δυνάμεις, παράγονται μεγάλα ποσά θερμότητας στις περιοχές επαφής. Πέρα από τα σημεία επαφής, θερμότητα παράγεται και από την ανάδευση (churning) και την εξώθηση (windage) των ρευστών που έχει ως συνέπεια την σκέδαση του έργου Euler. Η παραγόμενη θερμότητα επηρεάζεται σημαντικά από την αποδοτικότητα του συστήματος αποστράγγισης, το χρόνο παραμονής του ελαίου στο θάλαμο και την ποσότητα των παραγόμενων σταγονιδίων από την περιστροφική κίνηση του εδράνου κύλισης. 5

10 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Οι σύγχρονοι αεροπορικοί κινητήρες λειτουργούν με μεγάλες ταχύτητες περιστροφής προκειμένου να επιτευχθεί υψηλός βαθμός απόδοσης. Οι μεγάλες αυτές περιστροφικές ταχύτητες έχουν σαν αποτέλεσμα να αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες και τριβές στα έδρανα, έτσι απαιτείται η ψύξη και λίπανση των εδράνων. Η λίπανση και η ψύξη των εδράνων γίνεται με την έγχυση ελαίου στους θαλάμους εδράνων. Αύξηση των απαιτήσεων ψύξης μπορεί να οδηγήσει σε απαιτήσεις για μεγαλύτερες αντλίες, φίλτρα και εναλλάκτες θερμότητας, και συνεπώς μεγαλύτερες απαιτήσεις ισχύος, καθώς επίσης και πρόσθετο βάρος. Έτσι γίνεται αντιληπτό πως μια επακριβής εκτίμηση της συμπεριφοράς εντός του θαλάμου έδρασης είναι ουσιώδης για τον προσδιορισμό της απόδοσης των αεροπορικών κινητήρων ΛΙΠΑΝΣΗ ΘΑΛΑΜΩΝ ΕΔΡΑΣΗΣ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Όπως αναφέρθηκε η ψύξη καθώς και η λίπανση του θαλάμου έδρασης γίνεται με έγχυση ελαίου εντός του θαλάμου. Προκειμένου να γίνει αυτή η διαδικασία απαιτούνται διάφορα εξαρτήματα τα οποία συγκροτούν το σύστημα ελαίου, όπως η αντλία λαδιού, τα φίλτρα λαδιού οι εναλλάκτες θερμότητας και άλλα. Μια εποπτική εικόνα των εξαρτημάτων του κυκλώματος λαδιού απεικονίζεται στο Σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2: Σχηματική παράσταση συστήματος ελαίου αεροπορικού κινητήρα. Το σύστημα του ελαίου είναι εγκατεστημένο εντός και στην περιφέρεια του κινητήρα. Στο Σχήμα 3.3 απεικονίζεται η ισομετρική σχεδιαστική παράσταση του συστήματος ελαίου 6

11 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ενός σύγχρονου αεροπορικού κινητήρα με όλα τα επιμέρους υποσυστήματα και παρελκόμενα του. Θα πρέπει να τονιστεί πως το σύστημα ελαίου εκτός από την ψύξη και λίπανση των εδράνων και των θαλάμων έδρασης έχει και άλλες λειτουργίες όπως την ψύξη της ηλεκτρογεννήτριας του αεροσκάφους, την απορρόφηση κραδασμών μέσω της σύνθλιψης στρωμάτων ελαίου, την προθέρμανση του καυσίμου και άλλα. Σχήμα 3.3: Ισομετρική σχεδιαστική παράσταση συστήματος ελαίου σύγχρονου αεροπορικού κινητήρα Rolls Royce. Το έλαιο λίπανσης παρέχεται συνήθως στα ένσφαιρα και κυλινδρικά έδρανα με μία από τις παρακάτω μεθόδους που απεικονίζονται στο Σχήμα 3.4. Στα μεγάλα έδρανα εφαρμόζεται κυρίως η 3η μέθοδος. Η στεγανοποίηση των θαλάμων εδράνων γίνεται συνήθως με τη στεγανοποίηση τύπου λαβυρίνθου. Η πίεση του αέρα που παρέχεται στον λαβύρινθο θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την πίεση εντός του θαλάμου προκειμένου για να υπάρχει στεγανοποίηση του θαλάμου. Ο αέρας στεγανοποίησης προέρχεται από τους συμπιεστές. 7

12 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Σχήμα 3.4: Μέθοδοι τροφοδοσίας λιπαντικού ελαίου σε έδρανα. Σχήμα 3.5: Σχηματική παράσταση λειτουργίας θαλάμου έδρασης εμπρόσθιου εδράνου αεροπορικού κινητήρα. Ο αέρας στεγανοποίησης εξέρχεται από το θάλαμο μέσω του αγωγού εξαερισμού που είναι τοποθετημένος στο επάνω τοίχωμα του θαλάμου, ενώ το έλαιο εξέρχεται από το θάλαμο μέσω της οπής αποστράγγισης. Τόσο ο αέρας όσο και το έλαιο που εξέρχονται δεν είναι μονοφασικές ροές αλλά μίγματα αέρα/ελαίου. Αυτό συμβαίνει καθώς στον θάλαμο γίνεται η διεπαφή μεταξύ της μονοφασικής ροής ελαίου και της ροής αέρα στεγανοποίησης και λόγω της εμφάνισης σταγονιδίων ελαίου από την περιστροφική κίνηση των εδράνων. Έτσι εμφανίζεται το περίπλοκο φαινόμενο την διφασικής ροής ελαίου/αέρα που είναι και η κύρια ροή ενός θαλάμου έδρασης. 8

13 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο προσδιορισμός της πτώσης πίεσης διαμέσου του εδράνου μεταβάλλοντας τις παραμέτρους της διφασικής ροής, τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα καθώς και κατασκευαστικές παραμέτρους του θαλάμου έδρασης ΠΙΕΣΗ Η κατάσταση του ρευστού σε κάθε σημείο, εκφράζεται από ορισμένες ιδιότητες που έχουν σχέση είτε με τις συνθήκες κάτω από τις οποίες βρίσκεται το ρευστό, είτε από την φύση του. Μια ιδιότητα του ρευστού είναι η πίεση. Ανάμεσα στα μόρια που υπάρχουν σ ένα ρευστό, ασκούνται δυνάμεις που κρατούν τα μόρια στη θέση τους. Τέτοιες δυνάμεις ασκούνται και πάνω στα στερεά τοιχώματα του δοχείου που το περιέχει. Αν θεωρηθεί λοιπόν, ότι ένα μέρος του ρευστού χωρίζεται από το υπόλοιπο με ένα φανταστικό επίπεδο, τότε για να μείνει το ρευστό στη θέση του θα πρέπει οι μοριακές δυνάμεις που εξασκούνται στο ρευστό στη θέση του φανταστικού αυτού επιπέδου, να αναπληρωθούν από μια δύναμη. Ως πίεση ορίζεται ο λόγος της δύναμης προς το εμβαδόν της επιφάνειας, όπου ασκείται αυτή. Συνήθως, η πίεση μετριέται σε σύγκριση με κάποια πίεση αναφοράς. Η πίεση αναφοράς μπορεί να είναι η ατμοσφαιρική πίεση οπότε η μετρούμενη πίεση λέγεται σχετική πίεση, ή το απόλυτο κενό, οπότε έχουμε την απόλυτη πίεση. Η ατμοσφαιρική πίεση θεωρείται σταθερή. Στην πραγματικότητα όμως μεταβάλλεται με τις καιρικές συνθήκες, αν και η μεταβολή της είναι μικρή, της τάξεως του 5%. Η πίεση είναι βαθμωτό μέγεθος και ορίζεται σαν Δ ναμη Π εση Επιφ νεια Είναι δε ιδιότητα του ρευστού που χαρακτηρίζει κάθε σημείο. Από την παραπάνω σχέση φαίνεται ότι η δύναμη που ασκείται από την πίεση, σε μια επιφάνεια, είναι κάθετη σ αυτήν. Ο νόμος του Pascal που αναφέρεται στην πίεση λέει ότι: «η πίεση που ασκείται σ ένα σημείο ενός ρευστού είναι ανεξάρτητη από την κατεύθυνση της επιφάνειας που την ορίζουμε ή την μετράμε». Μια σημαντική ιδιότητα της πίεσης είναι πως η πίεση που δημιουργεί ένα εξωτερικό αίτιο σε κάποιο σημείο του υγρού μεταφέρεται αναλλοίωτη και ακαριαία σε όλα τα σημεία του υγρού ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΠΙΕΣΗΣ Η κινητήρια δύναμη ώστε ένα ρευστό να κινείται είναι η διαφορά πίεσης. Ο νόμος του Poiseuille μας δίνει την ογκομετρική παροχή για ένα αγωγό συναρτήσει της διαφοράς πίεσης. Η σχέση είναι: 9

14 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ όπου: ΔP: είναι η διαφορά πίεσης r: είναι η ακτίνα του αγωγού και η: είναι το ιξώδες του ρευστού Κατά την κίνηση του ρευστού όμως εμφανίζονται απώλειες πίεσης οι οποίες οφείλονται στην τριβή μεταξύ του ρευστού και των τοιχωμάτων, σε εσωτερική τριβή του ρευστού, σε αντίσταση της ροής από σώματα μέσα στην ροή, από την γεωμετρία του χώρου της ροής και άλλα. Έτσι, όποτε έχουμε ροή και δεν έχουμε κάποιο στοιχείο που να προκαλεί αύξηση της πίεσης της ροής, τότε η ροή έχει απώλειες πίεσης. Σχήμα 3.6: Σχηματική παράσταση μέτρησης της πτώσης πίεσης σε ευθύγραμμο αγωγό. Ο προσδιορισμός της πτώσης πίεσης δεν είναι εύκολο να γίνει υπολογιστικά. Ειδικά στην περίπτωση της πτώσης πίεσης στον μελετώμενο θάλαμο έδρασης είναι μια πολύπλοκη διαδικασία καθώς εμφανίζονται πολύπλοκες ροές και γεωμετρίες. Έτσι ο προσδιορισμός θα πρέπει να γίνει πειραματικά ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ - ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαπενταετίας πραγματοποιήθηκαν από την επιστημονική κοινότητα πολλές ολοκληρωμένες μελέτες προκειμένου να κατανοηθούν και να προσδιορισθούν με συσχετίσεις και μοντελοποιήσεις τα φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με την ροή αέρα ελαίου και την παραγωγή και απαγωγή θερμότητας εντός και από τους θαλάμους εδράνων και τα στοιχεία που τους αποτελούν. Οι εργασίες αυτές κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες ενότητες, αν και πολλές από αυτές υπερβαίνουν την παρούσα κατηγοριοποίηση: 1) την παραγωγή και μεταφορά θερμότητας 2) την ροή του λεπτού στρώματος ελαίου εντός του θαλάμου εδράνων 3) την ροή του αέρα, της διφασική ροής και τη συμπεριφορά των σταγονιδίων που παράγονται εντός του θαλάμου. 10

15 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Ο Wittig et al. (1994) και ο Glahn et al. (1997) προσδιόρισαν πειραματικά τους τοπικούς και μέσους συντελεστές μετάδοσης θερμότητας των τοιχωμάτων για ένα ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας του θαλάμου. Τα πειραματικά στοιχεία χρησιμοποιήθηκαν για να αναπτυχθεί ένα αναλυτικό μοντέλο που περιγράφει τη μεταφορά θερμότητας μέσω στρωμάτων ελαίου στο θάλαμο εδράνου από τους Glahn and Wittig (1999). Οι αποκλίσεις του προτύπου και των πειραμάτων που υπήρξαν θα μπορούσαν να εξηγηθούν από τις απλοποιήσεις στη μοντελοποίηση λόγω της παράληψης της αλληλεπίδρασης μεταξύ του στρώματος ελαίου και των προσκρουόντων σταγονιδίων. Ο Busam et al. (2000) επεξέτεινε την πειραματική έρευνα του Glahn et al. (1997) και προσδιόρισε τοπικούς και μέσους συντελεστές μετάδοσης θερμότητας στο θάλαμο εδράνου για ένα ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας καθώς επίσης και για διαφορετικές γεωμετρίες θαλάμων. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα ανέπτυξε συσχετίσεις για να προβλέψει τη μεταφορά θερμότητας ανάλογα με τις διαφορετικές λειτουργίες και γεωμετρικές παραμέτρους. Ο Willenborg et al. (2002) εξέτασε ολοκληρωμένα τα χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας στους θαλάμους εδράνων με εστίαση σε αναφλέξεις και εξανθράκωση του ελαίου λίπανσης και προβλήματα καταστροφής κινητήρων. Διάφορες πηγές θερμότητας επηρεάζουν το χρόνο ζωής των εδράνων. Λόγω της ολίσθησης, της αντίστασης κύλισης και της αντίστασης του λιπαντικού λόγω ανάδευσης, παράγεται μέσα στα έδρανα θερμότητα, όπως δείχνουν ο Shoda et al. (1997) και ο Flouros (2005). Ο Flouros (2005) διερεύνησε την επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων όπως η ροή ελαίου και αέρα στεγανοποίησης, η θερμοκρασία τους, η πίεση του θαλάμου, το αξονικό φορτίο και η ταχύτητα του στροφέα, στην κατανάλωση ισχύος σε ένα θάλαμο ένσφαιρου εδράνου που είναι ακριβές αντίγραφο αυτού του κινητήρα RB199. Συμπέρανε ότι η κατανάλωση ισχύος επηρεάζεται σημαντικά από όλες αυτές τις παραμέτρους. Ωστόσο, επειδή η τάση στους σύγχρονους αεροπορικούς κινητήρες είναι προς υψηλότερες ταχύτητες στροφέων πρότεινε κατευθύνσεις μείωσης της κατανάλωσης ισχύος στη λειτουργία των θαλάμων που μπορεί να επιτευχθεί εάν οι συνθήκες λειτουργίας επιλεγούν κατάλληλα. Η ροή αέρα στεγανοποίησης θα μπορούσε να μειωθεί, με τη χρησιμοποίηση στεγανοποιήσεων επαφής τύπου άνθρακα. Αυτό θα μπορούσε πρόσθετα να οδηγήσει σε θαλάμους χωρίς εξαερισμό. Η ροή ελαίου θα μπορούσε να μειωθεί με το διαχωρισμό της στη ροή ελαίου ψύξης και λίπανσης. Εν κατακλείδι η πίεση του θαλάμου θα μπορούσε να διατηρηθεί χαμηλά με κατάλληλη επιλογή της πηγής παροχής του αέρα. Η βελτιστοποίηση 11

16 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ του θαλάμου εδράνου θα οδηγούσε στην καλύτερη απόδοση των κινητήρων δεδομένου ότι οι απώλειες μπορούν να μειωθούν αρκετά, οδηγώντας σε μειωμένες μηχανικές απαιτήσεις για αντλίες, συστήματα ψύξης και σωληνώσεις του συστήματος λίπανσης, καθώς και σε μείωση του κόστους όλων αυτών. Ο Flouros (2006-1) διερεύνησε την επίδραση της προσθήκης ασπίδων πορώδους διαμόρφωσης κοντά στο ένσφαιρο έδρανο, στην κατανάλωση ισχύος σε ένα θάλαμο εδράνου που είναι ακριβές αντίγραφο αυτού του κινητήρα RB199. Συμπέρανε ότι η κατανάλωση ισχύος μπορεί να μειωθεί και από την μείωση του χρόνου παραμονής του μίγματος αέρα / ελαίου στο θάλαμο. Με την τοποθέτηση διάτρητων ασπίδων σε απόσταση 10mm από το έδρανο, μειώθηκε η κατανάλωση ισχύος ραγδαία με την αύξηση της ταχύτητας του στροφέα. Η απεικόνιση του εδράνου με υψηλής ταχύτητας εικονοσκόπιο έδειξε μείωση της παραγωγής σταγονιδίων με την χρήση των ασπίδων. Η απεικόνιση επίσης έδειξε ότι, για αυτό τι συγκεκριμένο έδρανο, το έλαιο εξέρχεται από το διάκενο μεταξύ του κλωβού και του εξωτερικού δακτυλίου. Δεδομένου του ότι οι διάτρητες ασπίδες αυξάνουν την αντίσταση του εδράνου στη ροή, ο ρυθμός της διαμπερούς ροής του αέρα και συνεπώς το ποσό των παραγόμενων σταγονιδίων μειώνεται. Μετρήσεις της ποσότητας του ελαίου στην έξοδο εξαερισμού έδειξαν ότι με τη χρήση διάτρητων ασπίδων, λιγότερο έλαιο εγκαταλείπει το θάλαμο ως μίγμα αέρα / ελαίου μέσω της εξόδου εξαερισμού. Όλα αυτά συνδυαζόμενα δείχνουν ότι ο χρόνος παραμονής του μίγματος αέρα / ελαίου στην αίθουσα εξαρτάται από τη σύνθεση του μίγματος και μειώνεται με την μείωση της παραγωγής σταγονιδίων με συνέπεια τη μικρότερη κατανάλωση ισχύος. Ο Flouros (2006-2) επεξεργάστηκε την βάση δεδομένων ενός πολύ μεγάλου πλήθους πειραματικών μετρήσεων που πραγματοποίησε και διατύπωσε συσχετίσεις για την πρόβλεψη της θερμότητας που απομακρύνει το έλαιο και της θερμοκρασίας του εξωτερικού δακτυλίου στην έμφορτη πλευρά του εδράνου. Αυτές οι συσχετίσεις έδειξαν πολύ καλή ακρίβεια σε σχέση με τα αποτελέσματα των πειραμάτων και ήταν οι πρώτες αυτού του είδους που έλαβαν υπόψη την κατεύθυνση της τροφοδοσίας ελαίου σε σχέση με την κατεύθυνση του αξονικού φορτίου. Η ισχύς των συσχετίσεων αποδείχθηκε επίσης όταν επεκτάθηκε η εφαρμογή τους σε έδρανα με διαμέτρους ατράκτου που κυμαίνονται μεταξύ 40 και 120 mm. Κύρια διαπίστωση της εργασίας αυτής είναι ότι η ελάχιστη παραγωγή θερμότητας επιτυγχάνεται όταν παρέχεται περίπου 25% του λιπαντικού στο έδρανο από την εκφορτισμένη πλευρά του εσωτερικού δακτυλίου. Ο Gloeckner et al. (2010) διερεύνησε πειραματικά την απαγωγή θερμότητας με τη χρήση χωριστικού κυκλώματος ελαίου ψύξης που διατρέχει περιφερειακά τον ειδικά διαμορφωμένο εξωτερικό δακτύλιο ενός ένσφαιρου εδράνου. Έδειξε ότι μπορεί να επιτευχθεί σημαντική μείωση του παρεχόμενου ελαίου λίπανσης με τη μέθοδο under-race μέχρι 50%, ενώ παράλληλα έδειξε ότι οι απώλειες ισχύος εντός του θαλάμου μπορεί να 12

17 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ μειωθούν κατά 15%. Αυτή η μέθοδος της άμεσης ψύξης του εξωτερικού δακτυλίου προτείνεται ως αξιόλογη εναλλακτική λύση για την εξοικονόμηση ελαίου και απωλειών ισχύος σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας ένσφαιρων εδράνων υψηλής ταχύτητας ΡΟΗ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΕΛΑΙΟΥ Έχουν πραγματοποιηθεί πολλές ολοκληρωμένες μελέτες που διερεύνησαν πειραματικά και θεωρητικά τα στρώματα ελαίου που σχηματίζονται στα τοιχώματα των θαλάμων εδράνων. Συγκεκριμένα ο Wittig et al. (1994) προσδιόρισε για πρώτη φορά το πάχος των στρωμάτων για συνθήκες λειτουργίες κινητήρων, με ανάπτυξη μιας μεθόδου μέτρησης με υπερήχους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι δυνάμεις βαρύτητας καθώς επίσης και η περιστροφική ταχύτητα της ατράκτου ασκούν ισχυρή επίδραση στο ύψος του στρώματος. Οι Glahn and Wittig (1996) χρησιμοποίησαν τη τεχνική LDV για να καθοριστούν πειραματικά τα προφίλ ταχύτητας των στρωμάτων. Έδειξαν ότι η αύξηση της περιστροφικής ταχύτητας αύξησε τις δυνάμεις διάτμησης στην ελεύθερη επιφάνεια και αύξησε συνεπώς τις ταχύτητες των στρωμάτων. Το πάχος και η ταχύτητα του φιλμ ελαίου κατά μήκος του θαλάμου προσδιορίστηκε πειραματικά από αμφότερες τις παραπάνω εργασίες. Με αυτά τα πειραματικά στοιχεία οι Glahn and Wittig (1996,1999) ανέπτυξαν ένα αναλυτικό μοντέλο για να περιγράψουν τη ροή των στρωμάτων υγρού εντός του θαλάμου εδράνου. Η σύγκριση των πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων έδειξε ότι τι αναπτυχθέν μοντέλο περιγράφει τη ροή των στρωμάτων υγρού με ικανοποιητική ακρίβεια. Ωστόσο, η διάτμηση μεταξύ της ροής αέριας φάσης και του στρώματος υγρού ελαίου έπρεπε να εκτιμηθεί και αυτό αποτέλεσε ένα μειονέκτημα του μοντέλου για μηχανολογικές εφαρμογές. Άλλες προσπάθειες να προβλεφθεί θεωρητικά η ροή των στρωμάτων υγρού εντός του θαλάμου έγιναν από τους Chew et al.(1996) και Farrall et al.(2000). Ο Farrall et al.(2000) ανέπτυξε ένα τρισδιάστατο υπολογιστικό μοντέλο του θαλάμου εδράνου και επέλυσε την αέρια φάση προκειμένου να λάβει πληροφορίες για την διάτμηση στην διεπιφάνεια αέρα στρώματος ελαίου. Η θεωρητική πρόβλεψη της ροής του στρώματος υγρού επέδειξε ότι η διασπορά σταγονιδίων και επίσης η γνώση της αέριας φάσης είναι πολύ σημαντικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα για τη βελτίωση του μοντέλου. Χρησιμοποιώντας ένα τρισδιάστατο μοντέλο CFD o Farrall et al.(2003) ανέλυσε το πρόβλημα διφασικής ροής σε σχέση με το στρώμα του τοιχώματος, το δε υπολογιστικό σχήμα του έλαβε υπόψη την επίδραση των δυνάμεων της βαρύτητας, της διάτμησης στη διεπιφάνεια και της πρόσκρουσης των σταγονιδίων σε αυτή. Ο Gorse et al. (2006) εξέλιξε το μοντέλο των Glahn and Wittig (1996) για να εξάγει μια βελτιωμένη συσχέτιση των οδηγούμενων από τη διάτμηση και τη βαρύτητα στρωμάτων ελαίου. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής προσδιορίστηκε πειραματικά το ύψος του 13

18 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ στρώματος για διάφορες ταχύτητες περιστροφής, ρυθμούς ροής ελαίου λίπανσης και διαφορετικές γεωμετρίες θαλάμου. Ο Hashmi et al. (2011) μελέτησε την ροή του στρώματος ελαίου στην περιοχή της οπής αποστράγγισης ενός τυπικού θαλάμου εδράνου σε ένα ειδικά διαμορφωμένο για το σκοπό αυτό δοκιμαστήριο. Διέκρινε τις δύο περιοχές ομορροής και αντιρροής κοντά στην οπή και έδειξε ότι εμφανίζονται σημαντικά μεγαλύτερες απώλειες ορμής καθώς και πιθανότητα δημιουργίας σταγονιδίων από την επιφάνεια του στρώματος ελαίου στην περιοχή της αντιρροής με την αύξηση των στροφών ΡΟΗ ΑΕΡΑ ΔΙΦΑΣΙΚΗ ΡΟΗ ΣΤΑΓΟΝΙΔΙΑ Ο Glahn et al. (1996) ανέπτυξε ένα τρισδιάστατο, αριθμητικό μοντέλο του θαλάμου εδράνου προκειμένου να προβλέψει την διφασική ροή εντός του θαλάμου. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα επιτεύχθηκαν με μια συνδυασμένη Eulerian/Lagrangian μέθοδο για να επιλυθεί η αέρια και η υγρή φάση αντίστοιχα. Στην ίδια εργασία πραγματοποιήθηκε ένας πρώτος προσδιορισμός της ροής των σταγονιδίων με πειραματικές μετρήσεις χρησιμοποιώντας την τεχνική PDA. Τα έδρανα είναι μια πηγή σταγονιδίων όπου το έλαιο στεγανοποιείται από την κίνηση των κυλιόμενων στοιχείων και του κλωβού συγκράτησης και κατόπιν εκτινάσσεται προς το θάλαμο. Αυτά τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν ως οριακές συνθήκες για την υπολογιστική ανάλυση (CFD). Και στα δύο τρισδιάστατα μοντέλα CFD χρησιμοποιήθηκαν οι γνωστές αριθμητικές τεχνικές για να προβλεφθεί το ροϊκό πεδίο της διφασικής ροής. Αλλά το κύριο μειονέκτημα των προβλέψεων τους ήταν ότι δεν υπήρχαν διαθέσιμα επαρκή πειραματικά στοιχεία για να επιβεβαιωθούν τα μοντέλα αυτά. Αποδείχθηκε ακόμη ότι η διασκορπισμένη φάση του ελαίου επηρεάζει πολύ τη μορφή της ροής της φάσης του αέρα, πράγμα που έχει επίπτωση στη λίπανση και την ψύξη του θαλάμου εδράνου. Ο Wittig et al. (1994) διατύπωσε τη θέση ότι πέρα μιας ορισμένης περιστροφικής ταχύτητας παράγονται σταγονίδια και στην επιφάνεια του στρώματος ελαίου των τοιχωμάτων. Η κατανομή του μεγέθους των σταγονιδίων και η ενσωμάτωση σταγονιδίων από το στρώμα του ελαίου διερευνήθηκαν από τον Glahn et al. (2002). Στην ίδια εργασία αναφέρθηκε ότι η διασκορπισμένη φάση του αέρα, πράγμα που έχει επίπτωση στην λίπανση και την ψύξη του θαλάμου εδράνου. Ο Ebner et al. (2001) διερεύνησε πειραματικά την παράσυρση σταγονιδίων από τα οδηγούμενα, υπό την επίδραση της διάτμησης του αέρα, λεπτά στρώματα ελαίου των τοιχωμάτων υπό συνθήκες που χαρακτηρίζουν θαλάμους εδράνων. Δεδομένου ότι οι υπάρχουσες μέχρι τότε συσχετίσεις δεν ήταν επαρκείς, αναπτύχθηκαν νέες συσχετίσεις για την πρόβλεψη του ποσοστού παράσυρσης και του ύψους των στρωμάτων ελαίου. 14

19 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Ο Burger et al. (2002) αναφέρει, ότι οι σύγχρονες αριθμητικές τεχνικές πρόβλεψης διφασικών ροών προαπαιτούν αναλυτικές πληροφορίες για την μονοφασική ροή αέρα που δεν επηρεάζεται από την υγρή φάση. Ο Farrall et al. (2003,2004) χρησιμοποίησε τα στοιχεία του Glahn et al. (2002) ως αρχικές συνθήκες για να υπολογίσει αριθμητικά τις τροχιές των σταγονιδίων σε ολόκληρο τον θάλαμο εδράνων των αξόνων HP-IP (υψηλής ενδιάμεσης πίεσης). Η αριθμητική ανάλυση έδειξε ότι τα σταγονίδια παράγονται επίσης λόγω της πρόσπτωσης των σταγονιδίων στην επιφάνεια του στρώματος ελαίου. Ο Gorse et al. (2003) διερεύνησε πειραματικά την μονοφασική ροή αέρα σε μια απλουστευμένη γεωμετρία θαλάμου ενός χώρου και διαπίστωσε ότι εμφανίζονται στον θάλαμο διαφοροποιημένα τρισδιάστατα ροϊκά πεδία αέρα που εξαρτώνται από την σχέση μεταξύ της περιστροφικής ταχύτητας και της εισερχόμενης ροής αέρα στεγανοποίησης, Επιπλέον έδειξε ότι η αύξηση του ρυθμού ροής του αέρα στεγανοποίησης προκάλεσε μια μικρή μείωση της περιφερειακής συνιστώσας της ταχύτητας στον θάλαμο. Ο Jakoby et al. (1999) μελέτησε την ροή αέρα σε ένα απλοποιημένο θάλαμο που αποτελείτο από δύο ομοαξονικούς κυλίνδρους. Ο Wang et al. (2001) και ο Farral et al. (2000,2003) παρουσίασαν εργασίες μοντελοποίησης στοχεύοντας στην απεικόνιση της ροής εντός του θαλάμου εδράνων των αξόνων HP-IP (υψηλής ενδιάμεσης πίεσης), αλλά αυτά τα αποτελέσματα δεν τεκμηριώθηκαν λόγω έλλειψης πειραματικών δεδομένων. Ο Lee et al. (2005) διερεύνησε τη ροή του αέρα κάνοντας μετρήσεις με Particle Image Velocimetry (PIV) και παρουσίασε αποτελέσματα μοντελοποίησης CFD για ένα δοκιμαστήριο που προσομοιώνει το θάλαμο εδράνων των αξόνων HP-IP (υψηλής ενδιάμεσης πίεσης) που ήταν σε λογική συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα. Ο Gorse et al. (2008) πραγματοποίησε με τη μελέτη του μια λεπτομερή πειραματική ανάλυση της παραγωγής σταγονιδίων σε ένα κυλινδρικό έδρανο αεροπορικού κινητήρα για ένα ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας. Καταρχήν, τρία αποτελέσματα έδειξαν ότι τα σταγονίδια στην περιοχή του εδράνου δεν παράγονται απαραιτήτως και μόνο από τα κυλιόμενα τμήματα αυτού. Απεναντίας, οι συνθήκες λειτουργίας και ο σχεδιασμός του στοιχείου συγκράτησης του εδράνου είχαν μια ισχυρή επίδραση στην εμφάνιση σταγονιδίων. Η εργασία του αυτή έδειξε ότι υπάρχουν τουλάχιστον τρία πιθανά μέτρα για να μειωθεί η παραγωγή σταγονιδίων ακόμη και σε υψηλούς ρυθμούς αέρα και είναι: 1) Μείωση της ποσότητας σταγονιδίων λόγω της σχεδιασμένης ομαλής μετάβασης από τον εξωτερικό δακτύλιο του εδράνου προς το τοίχωμα που τον συγκρατεί. 2) Μείωση της ποσότητας σταγονιδίων λόγω των υψηλών περιστροφικών ταχυτήτων. 15

20 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 3) Μείωση της ποσότητας σταγονιδίων λόγω των υψηλών περιστροφικών ταχυτήτων. Τα δύο τελευταία συμπεράσματα έρχονται καταρχήν σε αντίθεση με την κρατούσα άποψη και κατανόηση της ροής στρωμάτων ελαίου. Τόσο η αυξανόμενη ροή του ελαίου όσο και η περιστροφική ταχύτητα, που αυξάνει την διάτμηση στην διεπιφάνεια αέρα στρώματος ελαίου, οδηγούν σε ασταθέστερο στρώμα ελαίου και ενωρίτερα έναρξη της παραγωγής σταγονιδίων. Αλλά υποθέτοντας ότι το διάκενο μεταξύ του κλωβού και του εξωτερικού δακτυλίου καλύπτεται πλήρων με έλαιο, για χαμηλή ή μηδενική διαφορά πίεσης στα άκρα του εδράνου στην εργασία αυτή διατυπώθηκε ο ακόλουθος μηχανισμός για την παραγωγή σταγονιδίων. Γενικά η προκαλούμενη λόγω της διαφοράς πίεσης ροή αέρα έχει δύο δυνατότητες να διασχίσει το έδρανο. Πρώτον μεταξύ του κλωβού και του εσωτερικού δακτυλίου και δεύτερον μέσω του διάκενου μεταξύ του κλωβού και του εξωτερικού δακτυλίου. Λόγω των διαστάσεων του εδράνου κυλίνδρων και την ανωτέρω εκτίμησης όλος ο αέρας διέσχισε το έδρανο από το εσωτερικό διάκενο με χαμηλές διαφορές πίεσης. Πέραν μιας ορισμένης διαφοράς πίεσης διαμορφώθηκε και στο εξωτερικό διάκενο ένα μίγμα αέρα/ελαίου. Λόγω αυτής της διφασικής ροής το στρώμα του ελαίου, που εγκατέλειπε το έδρανο, έγινε πιο κυματοειδές για μέτριους ρυθμούς διαμπερούς ροής. Όταν ξεπεράστηκε ένα ορισμένο όριο ροής, το στρώμα ελαίου τεμαχίσθηκε μερικώς στην ακμή του στοιχείου συγκράτησης του εδράνου. Αυτά τα αποτελέσματα της έρευνας του Gorse et al. (2008) οδήγησαν στην διατύπωση οδηγιών σχεδιασμού που μπορούν να εφαρμοστούν από τους μηχανικούς για να μειώσουν την παραγωγή σταγονιδίων. Το πλέον σημαντικό είναι ότι πρέπει η διαφορά πίεσης να περιορισθεί σε μια ελάχιστη τιμή. Μια ακόμη δυνατότητα είναι να αναθεωρηθεί ο σχεδιασμός των ακμών του θαλάμου εδράνου ειδικά εκείνων των οποίων οι επιφάνειες καλύπτονται από στρώματα ελαίου. Όσον αφορά τον θάλαμο του οπίσθιου εδράνου, ένα πρόσθετο φορτίο θερμότητας προκύπτει από τη θερμότητα που μεταφέρεται μέσω της δομής από τα καυσαέρια της κύριας όδευσης. Περαιτέρω θερμότητα μεταφέρεται στο έλαιο από τον θερμό αέρα που χρησιμοποιείται για να στεγανοποιήσει το διαμέρισμα του εδράνου. Επί του παρόντος, η μεταφορά θερμότητας από τους θαλάμους εδράνων μπορεί να προϋπολογισθεί από τους εμπειρικούς συσχετισμούς, οι οποίοι αναπτύχθηκαν από τον Busam et al. (2000) καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας και γεωμετρικών χαρακτηριστικών, όπως και από τον Flouros (2006-2). Η περαιτέρω βελτίωση μπορεί να επιτευχθεί μόνο με μια μοντελοποίηση των φαινομένων ροής πιο κοντά στη φυσική μέσα σε ένα θάλαμο εδράνου. Επομένως, είναι αναγκαίο να γίνουν κατανοητά τα σύνθετα διφασικά φαινόμενα ροής αέρα / ελαίου εντός των θαλάμων. 16

21 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Τα πλεονεκτήματα και οι δυνατότητες που συμπεριλαμβάνονται στη προσέγγιση CFD καθώς και τα επιτευχθέντα αποτελέσματα την καθιστούν ένα ισχυρό και ακριβές εργαλείο. Αλλά απαιτείται πολύς υπολογιστικός χρόνος για την μοντελοποίηση CFD της διφασικής ροής, οπότε οι αναλυτικές ή εμπειρικές μέθοδοι που απαιτούν λιγότερες υπολογιστικές προσπάθειες εξακολουθούν να αποτελούν εναλλακτικές λύσεις και να έχουν μεγάλο ενδιαφέρον για μια αποδοτική ανάπτυξη των θαλάμων επί του παρόντος. Σε όλες τις μελέτες που οι συντάκτες εφάρμοσαν αριθμητικές μεθόδους υπολογισμού της ροής του αέρα μόνο, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οποιαδήποτε επιτυχής αναλυτική ή υπολογιστική επίλυση των φαινομένων της διφασικής ροής σε θαλάμους εδράνων, προαπαιτεί μια λεπτομερή γνώση και κατανόηση της ροής των φάσεων αέρα και ελαίου. 17

22 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Προκειμένου να εκτελεστεί κάποιο πείραμα με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων απαιτείται κάποια πειραματική διάταξη. Με τον όρο πειραματική διάταξη εννοούμε όλα εκείνα τα επιμέρους στοιχεία, συσκευές και μετρητικά όργανα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την διεξαγωγή του πειράματος. Προκειμένου ο αναγνώστης να κατανοήσει το πείραμα που διαπραγματεύεται το παρόν σύγγραμμα θα πρέπει να κατανοήσει πλήρως την πειραματική διάταξη. Παρακάτω ακολουθεί μια πλήρης περιγραφή της διάταξης. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από τα εξής τμήματα: τμήμα θαλάμου έδρασης κύκλωμα του αέρα κύκλωμα του λαδιού τον ηλεκτροκινητήρα και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης σύστημα μέτρησης της πίεσης περιφερειακές συσκευές Στο Σχήμα 4.1 που ακολουθεί παρουσιάζεται η εποπτική εικόνα της χρησιμοποιηθείσας διάταξης. Σχήμα 4.1: Πειραματική διάταξη. 18

23 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ 1 Είσοδος αέρα 6 Περιστρεφόμενος άξονας 2 Βάνα ρύθμισης παροχής αέρα 7 Σύστημα μετάδοσης κίνησης 3 Ροτάμετρο αέρα 8 Ηλεκτροκινητήρας 4 Μανόμετρο αέρα 9 Κύκλωμα λαδιού 5 Βάσεις έδρασης του άξονα 10 Ροτάμετρο λαδιού 11 Βάνα ρύθμισης παροχής λαδιού 16 Όγκος ελέγχου 12 Μετρητής πίεσης λαδιού 17 Αγωγοί μέτρησης πίεσης 13 Σύστημα λίπανσης 18 Μικρομανόμετρο 14 Πίνακας ελέγχου Δείκτες θερμοκρασίας 19 Φίλτρο αέρα 15 Κύκλωμα ψύξης λαδιού 20 Έξοδος αέρα Πίνακας 4.1: Εξαρτήματα που συγκροτούν την πειραματική διάταξη ΤΜΗΜΑ ΘΑΛΑΜΟΥ ΕΔΡΑΣΗΣ Η σχεδίαση του θαλάμου έδρασης ενός αεροπορικού κινητήρα προσαρμόζεται στις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα και εξαρτάται από την εμπειρία και τις προθέσεις του κατασκευαστή. Οι λύσεις που προτείνονται στο σημείο αυτό ποικίλουν και έχουν ως βάση διαφοροποίησης το είδος της έδρασης, τη θέση τοποθέτησης των εδράνων και τον τρόπο λίπανσης και ψύξης τους. Για την κατανόηση του πειράματος, κρίνεται απαραίτητο να αποκτήσει κανείς μια γενική εικόνα για την γεωμετρία του θαλάμου έδρασης που αποτελεί και τον όγκο ελέγχου των μετρήσεων της παρούσας εργασίας. Στο Σχήμα 4.2 φαίνονται τα βασικά μέρη του θαλάμου έδρασης, όπως αυτός κατασκευάστηκε στο εργαστήριο με βάση σχεδιασμού τις λύσεις που εφαρμόζει η γαλλική αεροπορική βιομηχανία SNECMA και τα κυκλώματα ελαίου και αέρα. Στην εγκάρσια διαμήκη τομή του θαλάμου έδρασης διακρίνονται τα δύο ένσφαιρα έδρανα κύλισης στα οποία εδράζεται ο άξονας. Το δεξιό έδρανο κύλισης, το οποίο χαρακτηρίζεται ως οπίσθιο, είναι αυτολιπαινόμενο, ενώ το αριστερό, το οποίο χαρακτηρίζεται ως εμπρόσθιο και αποτελεί και το αντικείμενο μελέτης της εργασίας, Η λίπανση γίνεται είτε με απευθείας έγχυση λαδιού από ακροφύσιο είτε με χρήση περιφερειακά διατεταγμένων στον άξονα οπών. Τα δυο αυτά έδρανα κύλισης στηρίζονται σε δυο μεταλλικές βάσεις, μία βάση για κάθε έδρανο, οι οποίες με την σειρά τους συναρμολογούνται, με τέσσερις κοχλίες η καθεμία, στην στιβαρή μεταλλική κατασκευή. Μια τρίτη μεταλλική βάση είναι τοποθετημένη στο αριστερό άκρο του άξονα και αποτελεί το αριστερό καπάκι του θαλάμου έδρασης. Σε αυτήν την μεταλλική βάση έχει διαμορφωθεί ένα κυκλικό άνοιγμα. Μεταξύ αυτού του ανοίγματος και του περιστρεφόμενου άξονα υπάρχει ένα κυκλικό διάκενο που επιτρέπει την είσοδο του αέρα στον θάλαμο έδρασης. Ο αέρας εισέρχεται στο κυκλικό άνοιγμα, με την βοήθεια του 19

24 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ δικτύου αέρα που θα παρουσιαστεί στην συνέχεια, από τρεις κυκλικά διατεταγμένες οπές που σχηματίζουν ισόπλευρο τρίγωνο και βρίσκονται στο αριστερό καπάκι που είναι τοποθετημένο στην αριστερή βάση, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4.1. Σχήμα 4.2: Πρόσοψη και τομή θαλάμου έδρασης. Εικόνα 4.1: Αριστερή μεταλλική βάση με κυκλικό διάκενο και τρεις οπές για την εισαγωγή του αέρα στεγανοποίησης. Η μεσαία μεταλλική βάση όπως φαίνεται στην τομή Α-α στο Σχήμα 4.2, φέρει συνολικά 32 κυκλικά διατεταγμένες οπές, διαμέτρου 10mm. Οι οπές αυτές βελτιώνουν τις συνθήκες 20

25 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ λίπανσης για τους παρακάτω λόγους. Ο αέρας που εκ των πραγμάτων διέρχεται μέσα από το ρουλεμάν, με την πίεση που έχει, απομακρύνει το λάδι από τα σώματα κύλισης, δυσχεραίνοντας τη λίπανση. Η ύπαρξη οπών μειώνει την διερχόμενη από το ρουλεμάν παροχή αέρα, καθώς ένα μέρος της παροχής διέρχεται και από τις οπές. Υπάρχει η δυνατότητα αυτές οι οπές να κλείνουν προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση τους και η διαδικασία είναι σχετικά εύκολη. Εικόνα 4.2: Μεσαία μεταλλική βάση με τις 32 οπές παράκαμψης του αέρα. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 4.2 οι οπές δεν είναι διαμορφωμένες πάνω στην μεταλλική βάση αλλά πάνω σε 2 όμοιους αποσπώμενους δίσκους. Αυτοί οι 2 όμοιοι δίσκοι συνδέονται με έναν κοχλία ALLEN όπως φαίνεται και στην Εικόνα 4.2. Οι 2 δίσκοι δημιουργούν μεταξύ τους ένα διάκενο, όπου τοποθετείτε ένα O Ring για στεγανοποίηση και στην συνέχεια οι 2 συναρμολογούμενοι δίσκοι τοποθετούνται στην οπή που είναι διαμορφωμένη στον μεταλλικό δίσκο. Η συγκράτηση γίνεται με σύσφιξη τριβής. Αν ξεβιδωθεί ο κοχλίας, τότε οι 2 όμοιοι δίσκοι μπορούν να περιστρέφονται ομόκεντρα. Αυτό με την σειρά του έχει σαν αποτέλεσμα οι οπές να μην πέφτουν η μία πάνω στην άλλη και έτσι σφραγίζονται. 21

26 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Η δεξιά βάση αποτελεί το δεξί καπάκι του θαλάμου έδρασης και στηρίζει το αυτολιπαινόμενο έδρανο κύλισης. Φέρει δύο οπές, μία στο πάνω μέρος της και μία στο κάτω. Από την πρώτη οπή εξέρχεται ο αέρας και τα συμπαρασυρόμενα από αυτόν σταγονίδια λαδιού. Από την οπή που βρίσκεται στο κάτω μέρος της βάσης εξέρχεται το λάδι, το οποίο και οδηγείται πίσω στην αντλία. Εικόνα 4.3: Δεξιά μεταλλική βάση. Σχήμα 4.3: Μεσαίος δίσκος που φέρει τις οπές παράκαμψης. 22

27 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Οι τρεις μεταλλικές βάσεις όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.3 χωρίζουν τον θάλαμο έδρασης σε δύο μέρη. Το αριστερό μέρος του θαλάμου θα αποκαλείται στο εξής και πρόσθιος θάλαμος έδρασης ενώ το δεξί μέρος θα αποκαλείται οπίσθιος θάλαμος έδρασης. Στον πρόσθιο θάλαμο βρίσκεται η ανάντη πλευρά του στερεωμένου στην μεσαία μεταλλική βάση εδράνου και στον οπίσθιο θάλαμο βρίσκεται η κατάντη πλευρά αυτού. Η βασική διαφορά του θαλάμου έδρασης που χρησιμοποιήθηκε στο εργαστήριο από τον πραγματικό έγκειται στα τοιχώματά του. Αυτά είναι από διαφανές, ανθεκτικό πλαστικό υλικό (Perspex), ώστε να υπάρχει οπτική επαφή με το εσωτερικό του θαλάμου τόσο από την περιφέρεια όσο και από δύο μικρά παραθυράκια στην μπροστινή (αριστερή) και πίσω (δεξιά) βάση. Το Σχήμα 4.3 και η Εικόνα 4.3 είναι αντιπροσωπευτικές της κατασκευής. Σχήμα 4.4: Διαμήκης τομή του θαλάμου έδρασης Ο άξονας είναι εσωτερικά κενός. Στο δεξί του άκρο εφαρμόζεται, με ειδική διάταξη έδρασης, σωλήνας που συνδέεται με την έξοδο της αντλίας λαδιού. Με την λειτουργία της αντλίας, το εσωτερικό κοίλωμα του άξονα πλημμυρίζει από λάδι, καθώς ο άξονας δεν είναι πέρα ως πέρα διαμπερής. Στην θέση όπου εφαρμόζεται το έδρανο κύλισης, ο άξονας φέρει περιφερειακά διατεταγμένες 8 οπές. Οκτώ πανομοιότυπες οπές φέρει και το εσωτερικό δακτυλίδι του εδράνου, το οποίο και βρίσκεται σε επαφή με τον άξονα. Το λάδι λόγω πίεσης αναγκάζεται να διαφύγει από αυτές τις οπές. Η περιστροφή του άξονα δημιουργεί ομοιόμορφες συνθήκες λίπανσης. Το υψηλών προδιαγραφών ρουλεμάν που χρησιμοποιήθηκε ήταν ένα ειδικής κατασκευής αεροπορικό ρουλεμάν ( 125mm), της SNECMA. Τοποθετήθηκε στο ύψος της μεσαίας μεταλλικής βάσης. 23

28 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Σχήμα 4.5: Ο ημιδιαμπερής άξονας με τις οπές λίπανσης ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ Το κύκλωμα αέρα είναι σχεδιαστικά αυτό που φαίνεται στο Σχήμα 4.5. Σκοπός ύπαρξης του κυκλώματος αυτού είναι ο εφοδιασμός του θαλάμου έδρασης με την απαιτούμενη ποσότητα αέρα που είναι αναγκαία σε κάθε περίπτωση και ανάλογα με τις συγκεκριμένες μετρήσεις που λαμβάνονται κάθε φορά. Το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε ήταν ανοιχτό καθώς ο αέρας δεν ανακυκλωνόταν αλλά διέφευγε στο περιβάλλον. Η τροφοδοσία με αέρα γίνεται από ένα κεντρικό σύστημα από συμπιεστές και αφυγραντήρες, που βρίσκεται στο χώρο του κτιρίου των εργαστηρίων της πολυτεχνικής σχολής. Τα χαρακτηριστικά του αέρα στην είσοδο του κυκλώματος είναι σταθερή θερμοκρασία και ολική πίεση. Στην είσοδο του κυκλώματος πρέπει απαραίτητα να υπάρχει ένα φίλτρο το οποίο να καθαρίζει τον εισερχόμενο στη διάταξη αέρα από τυχόν ακαθαρσίες. 24

29 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Μετά το φίλτρο ακολουθεί το πρώτο από τα δύο μανόμετρα που χρησιμοποιούνται στο κύκλωμα με το οποίο καθορίζουμε την πίεση εισαγωγής του αέρα στην διάταξη. Το μανόμετρο αυτό πέρα από τον καθορισμό της επιθυμητής πίεσης εισαγωγής μας εξασφαλίζει και σταθερές τιμές πίεσης και από το οποίο διαβάζουμε την πίεση του αέρα στο δίκτυο. Σκοπός ύπαρξης του μανομέτρου αυτού είναι να υπολογίζει την πτώση πίεσης που εισάγει στη ροή του αέρα η βάνα που είναι τοποθετημένη αμέσως μετά από αυτό. Μια δευτερεύουσα λειτουργία του μανομέτρου είναι η άμεση αναγνώριση τυχόν ανωμαλιών στη λειτουργία των εξωτερικών συμπιεστών τροφοδοσίας και η εξάλειψη αυτών. Σχήμα 4.6: Το κύκλωμα του αέρα Η προαναφερθείσα βάνα που ακολουθεί χρησιμοποιείται στη ρύθμιση της παροχής του αέρα που κάθε φορά εμείς επιθυμούμε να εισέρχεται στο θάλαμο έδρασης. Η ανάγνωση αυτής της παροχής αέρα γίνεται με το ροτάμετρο που βρίσκεται αμέσως μετά τη βάνα. Τέλος η είσοδος του αέρα στο θάλαμο γίνεται με τη βοήθεια τριών εύκαμπτων σωλήνων διαμέτρου δέκα χιλιοστών (10mm), ενώ ταυτόχρονα μετράται ξανά η πίεση του αέρα με το δεύτερο μανόμετρο του κυκλώματος. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι το ροτάμετρο που χρησιμοποιήθηκε ήταν μοντέλο D D της εταιρίας FISCHER & PORTER με περιοχή λειτουργίας από και ακρίβεια της τάξεως του ±1%. Στο Σχήμα 4.6 φαίνεται η λειτουργία ενός ροταμέτρου. 25

30 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Σχήμα 4.7: Σχηματική παράσταση λειτουργίας ροτάμετρου Το ροτάμετρο αέρα είναι βαθμονομημένο για αέρα απόλυτης πίεσης 1.2 και θερμοκρασίας 20. Όταν ο αέρας εισάγεται στο ροτάμετρο στην παραπάνω πίεση και θερμοκρασία, τότε το 100% της κλίμακας του ροταμέτρου αντιστοιχεί σε παροχή αέρα 84 Ενδιάμεσες τιμές της παροχής λαμβάνονται με γραμμική παρεμβολή μεταξύ των τιμών του 100% και του 0% της κλίμακας, μιας και το ροόμετρο τύπου πλωτήρα για σταθερή πίεση και θερμοκρασία είναι γραμμικό. Το ροτάμετρο ήταν βαθμονομημένο για πίεση αέρα 1.2, ενώ η πίεση εισόδου του αέρα μέσα στο ροτάμετρο (πίεση μανομέτρου ΙΙ, καθώς θεωρείται αμελητέα η πτώση πίεσης μέσα στο ροτάμετρο) κυμαινόταν από 1.2 έως 2.5. Η θερμοκρασία του αέρα βρίσκεται πολύ κοντά στη θερμοκρασία βαθμονόμησης, για αυτό και αμελείται στους κάτωθι υπολογισμούς. Το ζητούμενο επομένως, είναι να ξέρει κανείς την αντιστοιχία μεταξύ της κλίμακας του ροταμέτρου και της πραγματικής παροχής, στις πραγματικές συνθήκες. Για το λόγο αυτό είναι αναγκαία η κατασκευή μιας καμπύλης βαθμονόμησης που θα συνδέει τα παραπάνω δύο μεγέθη. Για τα ροτάμετρα συμπιεστών ρευστών, όπως της περίπτωσής μας, η σχέση που συνδέει την πραγματική παροχή με την παροχή που διαβάζεται από το ροτάμετρο είναι η ακόλουθη: 26

31 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ όπου : Η διαδικασία που οδηγεί στην κατασκευή της καμπύλης βαθμονόμησης είναι η ακόλουθη: a) βηματική αύξηση της παροχής του αέρα μέσω της βάνας από το 0% της κλίμακας του ροταμέτρου έως το μέγιστο 100%, με ταυτόχρονη ανάγνωση της πραγματικής πίεσης [P2] του αέρα (από το ροτάμετρο ΙΙ). Η καταγραφή των μεγεθών αυτών γίνεται στα προκαθορισμένα σημεία 0, 40, 70, 85 και 100%. b) μετατροπή της ποσοστιαίας παροχής σε πρακτικές μονάδες μέτρησης μέσω της σχέσης: Για παράδειγμα η ένδειξη 70% αντιστοιχεί σε παροχή αέρα, πίεση 1.2 και θερμοκρασία 20 (όπου 1258 είναι η πυκνότητα του αέρα σε αυτές τις συνθήκες). Δημιουργούνται με αυτό τον τρόπο ζεύγη τιμών, παροχής που δείχνει το ροτάμετρο και την πίεση. c) αντικατάσταση των τιμών αυτών στην παραπάνω σχέση, ώστε να προκύψει η πραγματική τιμή της παροχής του αέρα (σε ). Το αποτέλεσμα της προαναφερθείσας διαδικασίας, είναι η απόκτηση ενός πίνακα που περιλαμβάνει τα ζεύγη τιμών της πραγματικής παροχής και της ποσοστιαίας παροχής του ροταμέτρου: Ποσοστιαία παροχή αέρα [%] Απόλυτη πίεση αέρα μέσα στο ροτάμετρο [bar] Πραγματική παροχή αέρα [g/s] Πίνακας 4.2: Δεδομένα βαθμονόμησης ροτάμετρου αέρα. 27

32 Πραγματική παροχή αέρα [g/s] ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Η γραφική απεικόνιση των παραπάνω τιμών, δίνει τελικά την επιθυμητή καμπύλη βαθμονόμησης του ροταμέτρου η οποία απεικονίζεται στο Σχήμα 4.7. Παρατηρείται μια εκθετική εξάρτηση της πραγματικής παροχής από την ποσοστιαία ένδειξη του ροταμέτρου, παρά το γεγονός ότι το συγκεκριμένο ροτάμετρο για σταθερές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας είναι γραμμικό. Ο αέρας τελικά, οδηγούμενος διαμέσου του θαλάμου έδρασης, διαφεύγει στο περιβάλλον αφού πρώτα διέλθει από ένα φίλτρο, που είναι τοποθετημένο στο τέλος του κυκλώματος για την συγκράτηση των σταγονιδίων λαδιού. Καμπύλη βαθμονόμησης ροτάμετρου αέρα y = 0,0026x 2 + 0,139x + 0, Ένδειξη ροτάμετρου [%] Σχήμα 4.8: Καμπύλη βαθμονόμησης ροτάμετρου αέρα. 28

33 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ 4.3. ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΟΥ ΛΑΔΙΟΥ Το κύκλωμα του λαδιού το οποίο χρησιμοποιήσαμε για να επιτύχουμε τη λίπανση και ταυτόχρονα ψύξη του εδράνου κυλίσεως περιγράφεται στο Σχήμα 4.8. Σχήμα 4.9: Το κύκλωμα του λαδιού. Όπως άλλωστε φαίνεται και από το παραπάνω σκαρίφημα τα κύρια μέρη του κυκλώματος του λαδιού είναι τα εξής : 1 Σύστημα λίπανσης 2 Έξοδος συστήματος λίπανσης 3 Βάνα ρύθμισης παροχής λαδιού 4 Ροτάμετρο λαδιού 5 Είσοδος συστήματος λίπανσης Πίνακας 4.3: Εξαρτήματα συστήματος λαδιού. Το σύστημα λίπανσης είναι μια πολύπλοκη συσκευή που κινεί, θερμαίνει και ταυτόχρονα ψύχει το λάδι. Η επιθυμητή θερμοκρασία στην οποία θερμαίνεται το λάδι είναι [οc] γιατί το ιξώδες σ αυτή την περιοχή θερμοκρασιών μειώνεται δραστικά με αποτέλεσμα την ευκολότερη προσαγωγή του λαδιού στο θάλαμο έδρασης και επομένως καλύτερη λίπανση του εδράνου. Για την διατήρηση της θερμοκρασίας αυτής μπορεί να υπάρξει και η ανάγκη ψύξης του λαδιού μετά την έξοδό του από το θάλαμο έδρασης. Αυτό απαιτείται εξαιτίας της υπερθέρμανσης του λαδιού κατά την απαγωγή θερμότητας από το περιστρεφόμενο έδρανο. Κατά την έξοδο του λαδιού από το σύστημα λίπανσης, αυτό διέρχεται αρχικά από μια βάνα ρύθμισης παροχής. Χρησιμοποιώντας αυτή τη βάνα καθορίζουμε την παροχή του λαδιού που εισέρχεται στο θάλαμο, την ενδεικτική τιμή της οποίας διαβάζουμε από το ροτάμετρο που ακολουθεί. Να σημειωθεί ότι το ροτάμετρο αυτό είναι μοντέλο D10 A 1197D της εταιρίας FISCHER & PORTER με ακρίβεια της τάξης του ±1%. Εν συνεχεία το λάδι εισέρχεται στο εσωτερικό του ημιδιαμπερή άξονα και εξέρχεται από αυτόν στο έδρανο 29