INTEGRALNE MERITVE DELOVNIH KARAKTERISTIK TURBINSKIH STROJEV NA ODPRTIH PRESKUŠEVALIŠČIH

Transcript

1 INTEGRALNE MERITVE DELOVNIH KARAKTERISTIK TURBINSKIH STROJEV NA ODPRTIH PRESKUŠEVALIŠČIH

2 Eksperimentalno modeliranje vsebuje oblikovanje funkcijskih odvisnosti med spremenljivkami poljubnih procesov v strojih in napravah. Spremenljivke so največkrat dobljene z meritvami ali z numeričnimi simulacijami na različnih krajevnih in časovnih skalah Integralski pristop INTEGRALNE MERITVE Diferencialni pristop LOKALNE ČASOVNO SPREMENLJIVE VELIČINE -delavne karakteristike strojev -meritve funkcionalnih spremenljivk na strojih in napravah -meritve spremenljivk procesov meritve časovno in prostorsko variabilnih spremenljivk: -hitrosti tekočin, -tlaka, -temperature, -koncentracij, -vibracije.

3 TESTIRANJE DELOVNIH KARAKTERISTIK TURBINSKIH STROJEV NA ODPRTIH PRESKUŠEVALIŠČIH Najpogosteje se uporabljajo ODPRTE eksperimentalne postaje za merjenje delovnih karakteristik ventilatorjev. Stanje na mejah opazovanega delovnega stroja določa lastnosti in sposobnost stroja. Meje delovnega stroja so določene z: geometrijskimi, snovnimi in energijskimi parametri. Postopki merjenja so standardizirani in primerljivi med seboj.

4 Načini vgradnje ventilatorja: A-vgradnja ventilatorja v steni, B-prosta vstopna ravnina ventilatorja in izstop v tlačni cevovod C-priključena sesalna cev in prosta izstopna ravnina, D-vgradnja ventilatorja v cev B C D A

5 Merjenje in vrednotenje Merjenje absolutnega atmosferskega tlaka Merjenje temperature (suhi, mokri termometer) Merjenje statičnega tlaka Izračun gostote zraka Izračun volumskega - masnega pretoka fluida Merjenje ali izračun totalnega tlaka Algoritmi izračuna karakteristike ventilatorja Določanje normiranih karakteristik ventilatorja

6 Spremenljivke mernega sistema: -Ax presek kanala na poljubni lokaciji testne sekcije -A1 vstopni presek ventilatorja -A2 izstopni presek ventilatorja -t temperatura fluida -absolutna temperatura fluida -td temperatura suhega termometra -tw temperatura vlažnega termometra -pa atmosferski tlak -px statični tlak -specifična gostota medija na lokaciji x -volumski pretok na lokaciji x θ = t p ρ = q x x Vx = + 273,15 p px R θ = a w ± Δp x q m ρ x s

7 Spremenljivke mernega sistema: -dinamični tlak na lokaciji x -diferenca totalnega tlaka -srednja gostota fluida -specifična energija toka -faktor razporeditve kinetične energije = = x m x mv x dx A q v p ρ ρ t 2 t1 t p p p = Δ 2 ρ 1 ρ 2 ρ + = m m A m A m v v p p y α α ρ + = 2 2 mx m Ax x Ax v q da v = ρ α

8 Spremenljivke mernega sistema: -aerodinamska moč ventilatorja P u = q m y -n vrtilna frekvenca rotorja ventilatorja -aerodinamski izkoristek ventilatorja -Re na lokaciji x -brezdimenzijska števila η = P P u r v D mx x Re Dx = = ν x 4qm πμd x Φ = qm ρ D m 2 r u Ψ = Δp ρ u m t 2 λ = ΦΨ η

9 Zaznavala: Tlačna zaznavala: Umerjanje tlačnih zaznaval se izvaja z etalonskimi tlačnimi zaznavali z merilno negotovostjo +- 0,25% odnosno manjše 0,5 Pa. L 1 Pozicija manometra: L 2 L 1 =L 2 =L 3 =L 4 L 3 L 4

10 Konstrukcija tlačnih priključkov: 1,5 <a < 5 mm < 0,1 D Oblika tlačnega priključka in izvrtine v steno cevovoda signifikantno vpliva na izmerjeno vrednost. Srednjo vrednost statičnega tlaka po merjenem preseku lahko izvedemo z simetrično povezavo tlačnih priključkov.

11 Temperaturna zaznavala: Merilna negotovost temperaturnih zaznaval je cca ±0,5 ºC po izvedbi kalibracije zaznavala. Če je zaznavalo vstavljeno v zračni tok, vpliva na meritev hitrost gibanja fluida. Vrednost izmerjene temperature se nahaja blizu totalne temperature, ki upošteva tudi kinetični del energije Če je hitrost toka cca 25 m/s se temperatura poveča za cca 0,31 o C Merjenje temperatur se izvaja z: Hg termometri, polprevodniškimi termometri in termočleni. Termometri so normalno postavljeni neposredno v zračni tok na 1/3 premera cevovoda. Temperaturi suhega in vlažnega termometra sta izmerjeni na vstopu v zračni kanal. Mokri termo meter mora biti izpostavljen gibanju zraka (minimalna hitrost cca 3m/s)

12 Meritve moči: Meritve moči na ventilatorjih so izvedene preko več parcialnih meritev. Skupna dovoljena merilna negotovost znaša ±2% -meritve moči z merjenjem sile reakcije na ohišju el.motorja Merilna negotovost sila ±0,2%, dolžina ročice ±0,2%, -merilnik torzijskega momenta merilna negotovost manjša od ±0,2%, Potrebna je kontrola momenta pred in po izvedbi posameznih meritev. -Meritev moči na osnovi merjenja električnih veličin el. motorja (napetost, tok, vrtilna frekvenca in podatkov na el.motorju v nominalni obratovalni točki (cos φ, izkoristek el.motorja) Merilna negotovost (napetost ±6%, frekvenca ±1%) Priporočena je izvedba z umerjanjem el.motorja!

13 Meritve geometrijskih karakteristik: Za določevanje aerodinamskih karakteristik so izrednega pomena izmere geometrijskih parametrov kot so (premeri cevi in oblike) -Merilna negotovost pretočne površine naj ne presega vrednosti ±1%. Pri izmeri prečnih presekov se izbere več ekvidistančnih meridianskih ravnin, kjer se izvede meritev pripadajočih premerov. Če je prisotno odstopanje večje od ±2%, se število merilnih ravnin podvoji.

14 Izračun gostote zraka: Obstajajo različni empirični algoritmi izračuna gostote: ρ a = 3, ( p a 0,378 p v ) ( t ) kjer je uparjalni tlak podan z: p v = p nas p a ( t ) At a w a Pri temperaturah nižje od 23 o C lahko uporabimo poenostavljeno obliko katere negotovost ne presega ±0,5% ρ a = 3, p a ( t ) a

15 Izračun viskoznosti zraka: Za določevanje Re števila je potrebno poznati viskoznost plina. Vpliv viskoznosti je signifikanten v mejni plasti in vpliva na točnost merjenja volumskega pretoka. Viskoznost zraka je značilno odvisna od temperature. V področju -20 o C do 100 o C se uporablja formula: 6 μ ( 17,1 + 0,048t ) 10 = x

16 Izračun volumskega toka fluida: Obstaja več možnih merilnih postopkov za merjenje masnega odnosno volumskega pretoka zraka. Med najpogostejše spadajo metode na principu zastojnega tlaka. -merjenje z zaslonko, -venturijevimi šobami ali cevmi Pogoste so izvedbe z več paralelno vgrajenimi elementi, ki omogočajo meritve v širokem merilnem področju ob Zagotavljanju majhne merilne negotovosti. Obstajajo vgradnje v cevovodih, na začetku cevovoda in na izstopu iz cevovoda. Izbor, konstrukcija in izdelava opreme na tem področju temelji Na standardu ISO

17 Izračun volumskega toka fluida: Pri prehodu tekočine skozi zožitev se hitrost poveča, statični tlak pa se zmanjša v skladu z gibalno - Bernulievo enačbo. Ta fenomen se uporablja za določevanje volumskega ali masnega pretoka za ne stisljive in stisljive tekočine. Slabost teh metod so tlačne izgube, ki so posledica ovire v pretočnem polju. Velikost izgub je pri enaki tlačni diferenci na merilniku odvisna predvsem od tipa merilnika. Tlačna izguba vpliva preko produkta z volumskim pretokom na energetske izgube, ki nastanejo pri tem. Tlak na steni cevi Tlak v osi cevi Tlačne izgube P = Δp izg izg o V

18 Izračun volumskega toka fluida: Splošni izraz za izračun masnega pretoka diferencialnega tlačnega Merilnika je podan z izrazom: q m 2 αεπd = 2ρuΔp 4 Q m d ρ u Δp masni pretok fluida premer merilnika na mestu zožitve gostota zraka pred vstopom v merilnik pretoka diferenca statičnega tlaka na priključkih merilnika pretoka α koeficient pretoka α = f (m, Re) ε ekspanzijski koeficient ε = Δp p 1

19 Izračun volumskega toka fluida: m=kons q m 2 αεπd = 2ρuΔp 4 Pretočni - kontrakcijski koeficijent α je odvisen od razmerja vstopnega preseka in preseka na mestu zožitve merilnika pretoka m, ter Re števila, Izračunanega na vstopnem preseku merilnika A0 m =, Re = A 1 wd ν Pri dovolj velikih Re številih je α konstantna za izbrano razmerje m

20 Izračun volumskega toka fluida: V področjih z manjšimi Re števili je odstopanje α večje. Standard predvideva korekcijo koeficienta α α = α o k Re A0 m =, Re = A 1 wd ν k Re

21 Volumski pretok - konstrukcija zaslonk Izračun izvedba in montaža zaslonk se izvaja v skladu z različnimi standardi in priporočili kot so: AGA, ASME, ASA, DIN, GOST. Pri preračunu zaslonke moramo upoštevati: (snovne lastnosti fluida, homogenost medija, Re število, agresivnost medija, temperatura, tlak,.) Tok fluida mora biti brez vrtinčenja, osno simetričen in stacionaren. Izrednega pomena so izvedba in lokacija priključkov. Pri zaslonki je pomembna oblika grla in hrapavost površine.

22 Volumski pretok-konstrukcija zaslonk Standardna zaslonka je koncentrična ostroroba zaslonka. Najpogostejša izvedba zaslonke po standardu DIN Premer grla d je najpomembnejša mera, ki je kontrolirana z mikrometrom v več ravninah. Srednja vrednost predstavlja nominalni premer grla zaslonke. Vstopni rob zaslonke mora biti oster - ne raziglen.

23 Volumski pretok-konstrukcija šob Šobe se uporabljajo za merjenje pretokov na cevovodnih sistemih premera D>50 mm in 0,05<m<0,65. Tlačne izgube na šobah so manjše kot na zaslonkah, kar predstavlja eno od osnovnih prednosti. Pri abrazivnih tekočinah so šobe manj občutljive na spremembo oblike zaradi erozije.

24 Volumski pretok-konstrukcija šob Predstavljena je šoba izdelana po ASME priporočilih, kjer je kontura grla oblikovana po elipsi različnih goriščnih razdalji. Profil šobe se kontrolira pr izdelavi (CNC ali šablona) Položaj merjenja je mogoč v vseh legah. Točnost meritev je enaka pri zaslonki kot pri šobi!!

25 Volumski pretok-konstrukcija šob Po priporočilih ISO/TK 30 pod nazivom normalna Venturijeva cev spada predstavljeni merilnik pretoka, sestavljen iz: vstopnega konusa in izstopnega difuzorja pod kotom φ =5 do 15 o. Vstopni konus in cilindrična cev morata biti soosna. Prednost Venturijeve cevi je v tem, da za izstopnim difuzorjem ni potrebna signifikantna razdalja ravnega cevovoda.

26 Volumski pretok-konstrukcija šob Venturijeva šoba je merilnik pretoka, kjer je sprednji vstopni del oblikovan kot šoba, izstopni del pa kot venturijeva cev - difuzor, ki zagotavlja rekuperacijo tlaka in zmanjšuje izgube v cevovodnem sistemu. Poznamo kratke in dolge izvedbe.

27 Tlačne diference in izgube tlakov na različnih izvedbah merilnikov 1- konično odnosno zaobljeno ustje grla šobe 2- zaslonka 3-venturije cev z vstopnim in izstopnim konusom Δp p izg din1 d/d

28 Načini vgradnje pretokomerilcev Vgradnja v cevovod D ± 0, 1D 0,5D ± 0, 02D 0,5D ± 0, 02D

29 Načini vgradnje pretokomerilcev Vgradnja na izstopu iz cevovoda

30 Načini vgradnje pretokomerilcev Vgradnja na vstopu v cevovod

31 Integralne karakteristike ventilatorja Karakteristike ventilatorje so običajno podane pri konstantnih robnih pogojih: -izbrani vrtilni frekvenci rotorja ventilatorja n o in -izbrani nominalni gostoti fluida ( pri zraku je to največkrat ρ o =1,2 kg/m 3 Karakteristika se lahko poda v obliki: Diference totalnih tlakov ali pa diference statičnega tlaka na ventilatorju v odvisnosti od volumskega pretoka fluida -Δp t diferenca totalnega tlaka -Δp s diferenca statičnega tlaka -q v1 volumski pretok preračunan na vstopne pogoje -P moč na gredi ventilatorja -η t totalni izkoristek -η s statični izkoristek -1 Delovno področje stroja Δp o V ψ ( ) ϕ

32 Karakteristike z vodilnikom reguliranega aksialneg ventilatorja Karakteristika ventilatorja z regulacijskim vstopnim vodilnikom. S spremenjeno vstopno vrtinčnostjo ki je dosežena s spreminjanjem vstopnega - natočnega kota na rotor ventilatorja, vpliva na energijske pretvorbe v ventilatorju. Vsaka od delnih karakteristik pripada izbranemu kotu vodilnih lopatic. Karakteristike so preračunane na nominalne vrtljaje rotorja ventilatorja n o in nominalno gostoto ρ o.. Izkoristek je podan z izolinijami konstantnega izkoristka. q vstopni volumski pretok Δp t diferenca totalnega tlaka P g -moč na gredi ventilatorja 1- potek moči na grdi ventilatorja 2-potek diference totalnega tlaka 3-potek totalnega izkoristka ventilatorja 4-dinamični tlak na izstopu iz ventilatorja Δ o p V ψ = α = kons ( ϕ) α kons

33 Verifikacija nominalne obratovalne točke ventilatorja Nominalna točka običajno leži v področju največjega izkoristka. Nominalne obratovalne točke (Q, Δp t, n) so običajno tudi podane v prospektnih gradivih V področju nominalne delovne točke se izvaja test delovne karakteristike, kot je prikazano na diagramu. 1. nominalna delovna točka 2 karakteristika ventilatorja 3 sistemska uporovna karakteristika

34 (1) Merilna postaja po standardu ISO 5801:2006 (2) Odmevnica (3) Mesto vgradnje aksialnega ventilatorja (4) Umirjevalne mreže (5) Šobe za merjenje volumskega pretoka (6) Zaznavala za merjenje temperature in relativne vlažnosti (7) Zaznavalo za barometrski tlak (8) Dušilniki hrupa (9) Zračni filter (10) Regulacija pretoka (11) Pomožni ventilator (12) Dušilniki hrupa (13) Smer zračnega toka EKSPERIMENTALNA ANALIZA INTEGRALNE KARAKTERISTIKE

35 Elementi eksperimentalnih postaj za merjenje integralnih karakteristik Kinetična energija izstopnega vrtinca na izstopni strani ventilatorja se delno rekuperira v tlačno energijo v dolgi ravni cevi, kjer je L>100 D cevi. Kinetična energija vrtinca pa se na steni cevovoda odraža kot dodatni statični tlak, ki je posledica centrifugalne sile vrtinčnega toka. Ta pojav je potrebno odpraviti, da bi dosegli pravilno vrednost statičnega tlaka v cevovodu. V cevovod se vgrajujejo usmerniki toka Celični tip usmernika Zvezdasti tip usmernika

36 Priključitev testiranega ventilatorja na tlačni cevovod Da bi lahko izmerili karakteristiko ventilatorja je potrebna priključitev ventilatorja na cevovod (na tlačni ali sesalni strani ventilatorja), kar omogoča nastavitev tlačne diference in meritev volumskega pretoka zraka. V primeru priključitve ventilatorja na tlačni strani je potrebna vgradnja usmernika. 1- merjeni ventilator 2- priključek ventilatorja na cevovod 2-4 tlačni cevovod šrafirano področje med ventilatorjem in mer. priključkom 4- tlačni priključek

37 Priključitev testiranega ventilatorja na sesalni cevovod V primeru vgradnje merjenega ventilatorja na sesalni cevovod se usmernik ne vgrajuje. V obeh primerih pa je pri izračunu karakteristike potrebno določiti tlačne izgube v delu cevovoda (šrafirano polje) med merilnim mestom in priključno ravnino ventilatorja 1 vstopno ustje ventilatorja priključek ventilatorja 2 izstopno ustje ventilatorja 3- tlačni priključek 4- merjeni ventilator

38 Ocena tlačnih izgub v cevovodu med tlačnim priključkom in priključno ravnino ventilatorja. Ta se določi na osnovi empiričnih relacij, ki so določene s standardi. V tem primeru je potrebno upoštevati vse zahteve standarda Tlačne izgube v prostem ravnem cevovodu: λl 2 Δp = ρv D 4 + Re D ( ) 0, 3, λ = 0,005 0,42 D4 Tlačne izgube v usmerniku: Δp = ξρ 2 v D 4, ξ = 0,95 Re 0, 12 ( ) D4 Za celični usmernik V primeru, da so prisotne geometrijske omejitve in ni mogoče izpolnjevati zahteve standarda, je potrebno izvesti umerjanje priključnih elementov.

39 Vgradnja merjenih ventilatorjev v steno Vgradnja je mogoča v preskusne postaje okroglega ali pravokotnega prečnega preseka ob spoštovanju minimalnih razmerji med premerom postaje in premerom ventilatorja Dx

40 Vgradnja merjenih ventilatorjev v steno

41 Eksperimentalna postaja s paralelno vgrajenimi šobami Rešitev omogoča širok razpon merilnega območja pretoka. Z različnimi kombinacijami aktivnih merilnih šob (lahko tudi zaslon) je dosežena zvezno merjenje pretoka z najmanjšo merilno negotovostjo -Šobe morajo biti v merilni ravnimi razporejene simetrično -Spoštovana mora biti minimalna razdalja med njimi. Ta je določena s Standardi.