Univeza v Ljubljani Fakulteta za gadbeništvo in geodezijo HIDRLIK Študijsko gadivo Ljubljana, novembe 009
. RZRSTITE TURBOSTROJE IN OSNOE MEHNIKE TEKOČIN RZRSTITE TURBOSTROJE IN OSNOE MEHNIKE TEKOČIN oda Kiogene kapljevine (O,H,F,NH3,itd. Ogljikovodiki - goiva Dvofazne mešanice kapljevina/tdna snov Kalij Živo sebo 3 KPLJEIN TEKOČIN PLIKCIJE: Letalska vozila Podočja upoabe: statično entalpijo, kinetično enegijo, statični tlak. letalski motoji, hidavlične, plinske in pane tubine, pocesna tehnika, tanspotni sistemi. PLIKCIJE: Letalska vozila TURBO ENTILTORSKI MOTOR PROPELERSKO-ENTILTORSKI MOTOR PLIKCIJE: Čpalke ISOKOTLČN ČRPLK NIZKOTLČN ČRPLK TURBO ENTILTORSKI MOTOR 5 TURBO PROPELERSKI MOTOR Gonilnik speminja tekočini: 4 PRIMERI UPORBLJENIH PLIN IN PR Zak gon Neon Helij Feon Paa Ogljikovodiki - plini Penos enegije iz tekočine na oto ali obatno RZRSTITE TURBOSTROJE IN PRIMERI UPORBLJENIH TEKOČIN UOD IN RZRSTITE TURBOSTROJE: Odpti in zapti tubostoji. Razdelitev tubostojev temelji na: smei poti delovne tekočine. (SPCE SHUTTLE 6 -
. RZRSTITE TURBOSTROJE IN OSNOE MEHNIKE TEKOČIN OZIL: moska, kopenska ENERGETSKI STROJI: vodne tubine LDIJSKI IJK TOMOBILSK PLINSK TURBIN 7 GONILNIK FRNCISOE TURBINE 8 ENERGETSKI STROJI: plinske in pane tubine DRUGE PLIKCIJE 9 0 OSNOE DINMIKE TEKOČIN H Tokovno polje v tubostoju je kompleksno. Tok je lahko: stisljiv ali nestisljiv, podzvočni ali nadzvočni, stacionaen ali nestacionaen, enofazen ali dvofazen. Tok je lahko v laminanem, pehodnem ali tubulentnem podočju. Naava toka v aksialnem kompesoju med gonilnimi lopatami -
. RZRSTITE TURBOSTROJE IN OSNOE MEHNIKE TEKOČIN Način povezovanja znanj z azličnih podočij azvoja tubostojev NUMERIČN NLIZ UPORBN MTEMTIK ČIST MTEMTIK PROIZODNO STROJNIŠTO KONTROLNI SISTEM ELEKTRO STROK Raziskave Razvoj Oblikovanje Poizvodnja zdževanje MEHNIK FLUIDO Teoija potencialnega toka Teoija viskoznega toka Tubulenca Dinamika plinov Dvofazni tok Numeične metode (CFD TERMODINMIK IN PRENOS TOPLOTE MEHNIK TRDNIH TELES TEORIJ IBRCIJ NLIZ TOK TEKOČIN H Tije osnovni pistopi: Integalske enačbe za kontolni volumen Difeencialne enačbe Ekspeiment ali podobnostna analiza Osnovni zakoni mehanike veljajo za masni sistem s konstantno maso tekočine. Zakoni o ohanitvi: - mase - gibalne ali vtilne količine KUSTIK GRDI 3 - enegije 4 INTEGRLSKI PRISTOP PRINCIP KONTROLNEG OLUMN v INTEGRLSKI PRISTOP SPLOŠN ENČB SPREMEMBE LSTNOSTI Osnovo popisa dogajanja v postavljenem kontolnem volumnu nam pedstavlja splošna enačba speminjanja lastnosti, zapisana v integalni obliki: dn n v d + n d dt I II III I... časovna spememba lastnosti N v opazovanem kontolnem volumnu, II... tok lastnosti N skozi povšino opazovanega volumna, III... spememba lastnosti N znotaj opazovanega kontolnega volumna. v 5 N lastnost opazovanega fenomena, n lastnost N na enoto mase specifična lastnost 6 INTEGRLSKI PRISTOP KONTINUITETN ENČB N n ; M masa kot lastnost snovi (N M Zakon o ohanitvi mase: 0 v d + d v 7 INTEGRLSKI PRISTOP GIBLN ENČB Gibalna enačba F d + Bd n v v ( v d + v ( d F nomalne in tangencialne povšinske sile, nomiane na enoto povšine, ki delujejo na povšino opazovanega kontolnega volumna Nomiana lastnost B sila telesa (gavitacijska sila, sile elekto-magnetnega polja, nomiana na enoto mase, ki deluje znotaj opazovanega kontolnega volumna 8-3
. RZRSTITE TURBOSTROJE IN OSNOE MEHNIKE TEKOČIN INTEGRLSKI PRISTOP GIBLN ENČB vtilna količina Fd+ B d n v ( v ( v d + ( v vekto oddaljenosti opazovane točke od izhodišča koodinatnega sistema opazovanega kontolnega volumna Pi obavnavanju otiajočih tokov v tubostojih se sečujemo s silami na otiajočih lopatah. Zaadi tega nam gibalna enačba, izažena z vtilno količino, zagotavlja lažji popis kot pedhodno pedstavljena gibalna enačba (z gibalno količino. d 9 INTEGRLSKI PRISTOP ENERGIJSK ENČB Izhajamo iz pvega glavnega zakona temodinamike: Q W E E n e o e o... enegija (e o e + e k dq dw dt dt Bv d e v d + o q... toplota, penešena v opazovani kontolni volumen 0 W... opavljeno delo peko kontolne povšine e d o INTEGRLSKI PRISTOP ENERGIJSK ENČB Delo na enoto časa (moč sistema na okolico: Moč tlačnih sil: W& p pv d Zastojna entalpija: v h o e + + W & W& t + W& p + W& t dq dwt dwt p Bv d eo + v d+ eo d dt dt dt p INTEGRLSKI PRISTOP ENERGIJSK ENČB Končna oblika zakona o ohanitvi enegije: dq dwt dwt Bv d ho v d + eo d dt dt dt v Delo penešeno peko otiajoče gedi izaženo z močjo: Opavljanje dela peko nomalnih napetosti: h e + 0 0 T g ω Delo penešeno s tangencialnimi napetostmi je elativno majhno in ga izazimo kot moč stižnih sil P st Stacionani obatovalni ežim( 0: KONTINUITETN ENČB GIBLN ENČB v d 0 Fd + p ( B d ( v ( v d Skupni moment, povezan z nomalnimi in tangencialnimi silami, ki delujejo na kontolno povšino, je majhen. Zaadi tega lahkočlen zamenjamo s T g, ki pedstavlja vtilni moment gedi. Fd + T g ( B d ( v ( v d v ENERGIJSK ENČB q& P g + P st + Bv d + 0 h v d 3 4-4
. RZRSTITE TURBOSTROJE IN OSNOE MEHNIKE TEKOČIN ENODIMENZIJSKI PRISTOP K NLIZI Pistop temelji na povezovanju zmogljivosti stoja s povpečnimi lastnostmi tekočine na vstopu in izstopu stoja te z geometijskimi značilnostmi stoja. Pedpostavke: Upoabljen je pincip kontolnega volumna za povezovanje obatovalne sposobnosti tubostoja z lastnostmi toka daleč ped in za lopaticami otoja. Tok tekočine je elativno na steno lopatice neviskozen in stacionaen, tok ped in za lopaticami je unifomen (enakomeen po celotnem peezu. Penos enegije in vtilnega momenta v tubostojih Penos iz gedi na tekočino Kontoni volumen zajema lopato gonilnika in je osnosimetičen. Penos lastnosti skozi bočne povšine ni upoštevan. Dovedena moč na gedi se penaša na tekočino peko momenta F θ X R, kje je F θ tangencialna sila. Penos iz tekočine na ged Tok je osnosimetičen lastnosti toka so unifomne po celotnem petočnem taktu na vstopu in izstopu iz stoja 5 Posledica je povečana vtilna količina θ. 6 pimeu kompesoja delovnega stoja se vnos vtilnega momenta odazi s povečanjem hitosti (obatno pi tubinah: > in θ > θ Skozi čelne mejne povšine - stene ne pehaja enegija, masa in gibalna količina. Peko lopatice pehaja samo mehanska moč na gedi. KONTINUITETN ENČB GIBLN ENČB koloba d d GH koloba JK ( θ ( d ( θ ( d Fθ dv Moment vseh sil na lopatah koloba JK koloba GH tilna količina na izstopu tilna količina na vstopu Povšinske - viskozne sile v tangencialni smei so zanemajene!! 7 Če je debelina tokovne cevi zelo majhna, lahko pedpostavimo, da je pacialni volumski petok konstanten po višini kontol. vol.: F θ d d ( θ θ Moment vseh sil na lopatah gonilnika je enak momentu na gedi: dt d ( θ θ Dovedeno moč popišemo z vtilnim momentom T in vtilno fekvenco Ω : d Ω ( d ( θ θ Z integacijo sledi Eulejeva splošna tubinska enačba: Ω *Ω ( θ θ 8 Z KSILNE TURBOSTROJE lahko pedpostavimo: U ( θ θ Z CENTRIFUGLNE TURBOSTROJE ima gibalna enačba obliko: ( U U θ θ Moč na gedi tubostoja je tu določena z notanjimi spemenljivkami kot so: obodna hitost, pojekcija absolutne hitosti toka na obodno hitost in masni petok fluida skozi petočni takt stoja ENERGIJSK ENČB za pedstavljeni kontolni volumen podana z: ( q& Pg + Pt + h 0 h 0 Toplota moč na gedi + moč tenja + spememba entalpije, ki jo nosi tok tekočine skozi petočni takt. Stagnacijska entalpija pa je podana z : h e + p/ e notanja enegija h p v 0 e + + Če zanemaimo stižne sile na kontolnih povšinah in pedpostavimo DIBTNO petvobo lahko zapišemo: Podana je notanja kaakteizacija stoja kot posledica kinematike toka v petočnem taktu tubostoja 9 h 0 h 0 30-5
. RZRSTITE TURBOSTROJE IN OSNOE MEHNIKE TEKOČIN h 0 h 0 Podana je kaakteizacija tubinskega stoja z zunanjim stanjem na izstopu in vstopu v tubinskega stoja, kot posledica notanjih kinematskih azme. h h 0 0 3 zočna povezanost zunanjih in notanjih spemenljivk U h m & h U 0 0 θ θ h 0 h 0 U Za tubostoje, v kateih se petaka kapljevina, sledi: h p: θ θ p U p ( H 0 0 g H 3 Tubinska enačba za delovne stoje kot so čpalke, ventilatoji in kompesoji je podana z: g m & ( H H ( U U θ θ pimeu toka skozi TURBINO se enačba peoblikuje v ( h h ( U U 0 0 θ θ Poast ali padec stagnacijske entalpije ali tlaka je soazmeen spemembi tangencialnih hitosti toka in hitosti lopatice 33 DIFERENCILNI PRISTOP Izhajamo iz splošne enačbe spemembe lastnosti: dn n v d + n d γ d dt γ...učinki oz. vplivi na kontolni volumen Spememba povšinskega integala v volumskega (Gaussov teoem: ( n + ( n + ( n v γ d 0 (Difeencialna enačba ohanitve N na enoto volumna ( n v γ 0 34 n + DIFERENCILNI PRISTOP n ( v + + ( v n γ 0 0 (zakon o ohanitvi mase 0 v d + d Snovska oblika zakona ohanitve spemenljivke n: n + ( v n γ 0 Dn γ Dt γ 0...lokalno konzevativna spemenljivka n; γ < 0...lokalni pono n; 35 γ > 0...lokalni izvo n. DIFERENCILNI PRISTOP GIBLN ENČB n v Dv γ γ + γ Dt olumske sile (gavitacija γ f Zakon ohanitve gibalne količine: ztajnostna sila Dv f p + τ Dt Težnostna sila Povšinske sile napetostni tenzo (vsota statičnega tlaka p in viskoznih napetosti τ Tlačna sila iskozna sila 36-6
. OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE Za natančno analizo je potebno poznati fizikalno sliko pocesa, ki se odvija med lopaticami tubostoja. petočnem taktu kanalu tubostoja se vši penos enegije, ki je omejen z geometijo, gostoto enegijskega toka in količino petečene snovi. OSNONE ZNČILNOSTI CENTRIFUGLNIH TURBOSTROJE Centifugalni kompeso in tlačna slika Mehansko delo gedi se peko otoskih lopatic petvoi v stagnacijski poast tlaka, poast vtilne količine in povečanje entalpije. Stagnacijska ali statična entalpija in tlak naaščajo pi pehodu skozi oto. Difuzo zmanjša kinetično enegijo in dodatno poveča statični tlak. Spiala zajema tekočino iz difuzoja in jo usmeja v cevovod. OSNONE ZNČILNOSTI CENTRIFUGLNIH TURBOSTROJE Tlačni poast je posledica: - centifugalne sile in - Coiolisove sile Sili sta posledici vtenja in spemembe adialnega položaja. Peostali del tlaka je posledica peusmeitve toka tekočine, kje se oblika enegije spemeni peko tangencialnega pospeška. Celotna sila se ezultia kot eakcijski moment na gedi stoja. Speminjanje p o in T o je podobno h o, speminjanje p in T pa h. 3 4 OSNONE ZNČILNOSTI CENTRIFUGLNIH TURBOSTROJE Centifugalni tubostoji se upoabljajo v pimeu majhnih petokov in visokih tlačnih azmeij. Upoabljajo se pi: tubinskih potisnikih in tuboeaktivnih motojih. Pav tako pokivajo veliko podočje v poizvodni pocesni industiji, avtomobilski industiji, aketnih čpalkah.. Dosežena so tlačna azmeja (p /p 4 in visoke vtilne fekvence 00.000 min -. Tok v centifugalnih kompesojih je zaadi omenjenih vplivov podvžen močnemu povečanju mejne plasti, delitvi (sepaaciji toka in pojavu sekundanega toka. Zaadi naštetih pojmov imajo centifugalni kompesoji nižji izkoistek od aksialnih. Za azliko od čpalk je potebno pi obavnavanju tokovnih azme v tubokompesojih upoštevati kompesibilnost fluida (plina in posledično temodinamske efekte, ki so vezani na enegijske petvobe v stoju. CENTRIFUGLNI Povsem aksialni tok je peko vstopnega usmenika peusmejen v adialno sme. Pisotnost usmenika vpliva na gladko usmejanje toka in s tem bistveno zmanjšuje jakost hupa in zmanjša padec izkoistka zaadi vpadnih azme in delitve toka, ki se pojavi na vstopnem obu otoskih lopat kompesoja. Tok zapušča oto skozi adialni difuzo in vstopa v spialni okov stoja. stopni usmenik oto difuzo spiala 5 6 -
. OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE CENTRIFUGLNI CENTRIFUGLNI Mehansko delo gedi se peko otoskih lopatic petvoi v stagnacijski poast tlaka, poast vtilne količine in povečanje entalpije. Stagnacijska entalpija in tlak naaščajo pi pehodu skozi oto. ROTOR RDILNI LOPTIČNI DIFUZOR - ROTOR - Roto Fancisove tubine - ROTOR - m & ( h h ( U U 0 0 θ θ 7 8 CENTRIFUGLNI -- CENTRIFUGLNI Tok z visoko hitostjo zapušča oto in ekspandia (difuzoski efekt v statoju lopatičnem ali bezlopatičnem difuzoju. Zaadi vplivov stisljivosti se višina lopate zvezno zmanjšuje od vstopnega poti izstopnem obu. Tok nato vstopa v spialo ali pa v naslednjo kompesosko stopnjo peko medstopenjskega kanala. Osnovna naloga difuzojev je petvoba kinetične enegije v tlačno enegijo fluida. Glede na konstukcijo in glede na delovno kaakteistiko ločimo ti osnovne tipe difuzojev: -difuzo z lopaticami, -difuzo bez lopatic in -difuzo spialne oblike. - DIFUZOR - - SPIRLNO OHIŠJE - Tekočina zapusti oto z bistveno višjo absolutno hitostjo, kot je hitost v odvodni cevi. Izstopni sistem moa močno zmanjšati hitost toka in povečati izstopni tlak. Spiala, ki obkoža oto, ima vlogo difuzoja. Začenja se z minimalnim pesekom, ki pedstavlja začetek difuzoja in se šii vse do izstopne cevi. Razmejilni jeziček pedstavlja najbližji del ohišja spiale do otoja in gleda poti smei toka, ki zapušča oto. Pesek v ohišju se povečuje v skladu s povečanim tokom, ki zapušča oto. PROSTOR MED ROTORJEM IN SPIRLO petok 9 0 CENTRIFUGLNI CENTRIFUGLNI Če pedpostavimo idealni tok in upoštevamo zakon o ohanitvi vtilne količine Γ (podukt masnega vztajn. momenta in kotne hitosti, bo delec toka zapustil oto po kivulji, ki ima obliko logaitemske spiale. Pi mnogih izvedbah ohišij so pečni peseki kožne oblike, zunanja stena pa sledi obliki himedove spiale. S pomočjo integacije masnih difeencialov, ki so označeni na sliki, je mogoče določiti spemembe peseka in določiti pavilne oblike pečnih pesekov spiale. Γ Jω J dm - SPIRLNO OHIŠJE - - SPIRLNO OHIŠJE - Tokovnice sledijo spialni kivulji, ki izhaja iz otoja v točki do izhoda v ohišje točka 3; vmesno podočje je difuzo spialnega ohišja. S pomočjo zakona o ohanitvi mase in konstantne vtilne količine med točkama in 3, pi čeme zanemaimo izgube, lahko izačunamo povečanje tlaka z izazom: 3 p difuzo p3 p -
. OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE Tok tekočine z visokim tlakom in tempeatuo piteče na niz statoskih lopatic oz. šob. Temu sledi ekspanzija toka na statoskih lopaticah. Pi tem pide do padca statične entalpije odnosno tlaka in tempeatue. - KSILN TURBIN - Enegija toka tekočine se peko vtenja otojev petvaja v mehansko enegijo. Tok fluida skozi aksialni tubostoj je vzpoeden z osjo tubostoja. Penos enegije se izvede s peusmeitvijo toka v koaksialni spialni smei v eni ali več stopnjah stoja. eodinamske (tokovne kaakteistike aksialnih tubostojev so boljše od adialnih. zok temu so večji vplivi ealnih lastnosti tekočin, kot je tenje v adialnih tubostojih, zaadi česa imajo ti nižji izkoistek. Kontaktne povšine so pi aksialnih stojih znatno manjše! ečstopenjske izvedbe centifugalnih kompesojev ustvajajo mnogo večje aeodinamske ali hidodinamske izgube, zato so za visoke vednosti azmenikov tlaka p o / p o in večje masne tokove bolj pimeni aksialni kompesoji isok izkoistek petvobe je odvisen od gladkega pehoda toka tekočine skozi petočni takt. 3 4 OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE ksialni tubostoj je sestavljen iz enega ali več zapoednih paov: vodilniških lopatic na statoju in otoskih lopatic na otoju. Namen vodilniških lopatic je gladko vodenje toka na otoske lopatice optimalni natočni koti. Usmeitev absolutne hitosti na izstopu iz statoske kaskade je določena z usmeitvijo vodilniških lopatic, ekto elativne hitosti na vstopu v otosko kaskado je pogojen z obliko in vstopnim kotom otoskih lopatic, Izstopna elativna hitost pa je pogojena z usmejenostjo izstopnega dela otoske lopatice Obliko vstopnega dela stat.lopatice pogojuje usmeitev absolutne izstopne hitosti iz otoja 5 6 OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE Rotoske lopatice dodajo začnemu toku enegijo s povišanjem stagnacijskega - totalnega tlaka, tempeatue in kinetične enegije. otoju se povečuje tako totalni kot statični del enegije. statoju pa se vši petvoba kinetične enegije v tlačno. Tok piteka pod določenim vstopnim kotom na statoske lopatice, kje se mu statični tlak poveča vsled difuzoske oblike petočnega kanala, ki ga tvoi pa lopatic. Stagnacijski-totalni tlak se skozi difuzo ohanja, medtem ko statični tlak in tempeatua naasteta, kinetična enegija pa se zmanjša. naslednji stopnji se poces v celoti ponovi. 7 8-3
. OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE Rotoske lopatice speminjajo elativno hitost in toku dodajo vtilni moment, s tem pa mu povečajo absolutno komponento obodne hitosti. Za kompeso velja, da je izstopna absolutna hitost toka večja od vstopne in da je elativna hitost manjša na izstopu: W W - ROTOR - Če so v aksialnem stoju tokovnice soosne z gedjo, velja po Eulejevi enačbi: h h U ( Wθ Wθ + 9 0 OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE ( ( U Wθ + ( z ( U Wθ + ( z h h U Wθ Wθ + ( W ( W h + h 0 R konst + ( h. Če so v aksialnem stoju tokovnice soosne z gedjo, se stagnacijska entalpija elativnega toka ohanja. Za nestisljive tokove: h ( W ( W + p + p R p0r p ( W p ( W + + C ( p 0 0, R Potencial C ( se speminja z odmikom od osi vtenja in se z adijem povečuje. OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE Lopatice tubostojev v podzvočnih tokovih so v glavnem oblikovane z enostavnimi kožnimi in paaboličnimi loki ali pa z njihovo medsebojno kombinacijo. Povšine lopatic so naejene tako, da zagotavljajo čim bolj gladko obtekanje toka na vstopu in izstopu, pi tem pa naj bi pihajalo do čim večjih enegijskih spememb in čim manjših aeodinamskih izgub. l L - TEORIJ KRIL - P/po L/l Na sesalni stani-zgonji stani kila se toku hitost najpej poveča nato pa pade. Na tlačni spodnji stani kila pa je hitost manjša, nato pa enakomeno naašča tako, da je na izstopnem obu enaka vednosti na sesalni stani. Spodnja povšina tlačna stan - TEORIJ KRIL - ZGORNJ PORŠIN SPODNJ PORŠIN 3 4-4
. OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE - TEORIJ KRIL - Izenačevanje tlakov na koncu kila (s tlačne stani na sesalno 5 - TEORIJ KRIL - Pemik tokovnice Pečni pemik spememba smei toka fluida se odaža kot spememba gibalne količine, ki geneia impulz sile na lopatični kaskadi. Pečni pemik tokovnic ima za posledico spemembo gibalne količine in eakcijsko vzgonsko silo, ki pedstavlja osnovni mehanizem kila te penosa enegije iz toka na stoj odnosno obatno. Pemik tokovnega polja je posledica asimetije geometijske stuktue ovie (kila v toku fluida. 6 OSNONE ZNČILNOSTI KSILNIH TURBOSTROJE KSILNI - TEORIJ KRIL - Določevanje koeficientov vzgona in upoa L CL Wm D CD Wm C L... vzgonski koeficient α... vpadni kot - KSKD - Kaskada niz lopat blizu duga dugi pliv ene lopate na dugo Koeficienti določeni ekspeimentalno 7 C L... vzgonski koeficient α... vpadni kot 8 KSILNI PELTONO TURBIN Kaplanova tubina Pime tangencialnega tubostoja Enakotlačna tubina 9 30-5
. OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE IZKORISTEK HIDRLIČNIH STROJE IZKORISTEK HIDRLIČNIH STROJE S pimejavo z idealnimi petvobami dobimo izkoistke ali učinkovitost tubostoja. h p v 0 e + + Čpalke, ventilatoji, kompesoji: h0 h 0 h 0 h 0 Tubine (vodne, plinske, pane, vetne: h 0 h 0 h 0 h 0 h 0 h 0 η η moč moč delovnega medija na gedi delovnega stoja moč na gedi tubine moč delovnega medija h 0 h 0 Pg - moto h 0 h 0 Pg - tubina o m o m 3 Pi čpakah pimejamo poast tlaka v odnosu na vloženo delo: ( H H g Q ( H H g η č vložena moč na enoto mase Hidavlični - Eulejev izkoistek: - IZKORISTEK ČRPLKE - P dejanski poast enegije delovnega medija ηh idealni poast enegije delovnega medija g ( H H ( U U θ θ hidavlični izkoistek je enak skupnemu izkoistku, če med pocesom ne pihaja do izgub pi penosu lastnosti (mehanski penosi - tenje in puščanje tekočine. η H η SKUPNI 3 IZKORISTEK HIDRLIČNIH STROJE DEJNSKE DELONE KRKTERISTIKE TURBOSTROJE - IZKORISTEK TURBINE - Pi tekočinskih - vodnih tubinah je izkoistek definian s petočnimi in tlačnimi veličinami. dejanska izstopna moč P ηt vstopna moč delovnega medija g Q ( H H Do sedaj izpeljane enčbe so opisovale tokovne azmee v idealnem otoju tubostoja. Realna tokovna azmeja odstopajo od navedenega, ka se odaža tudi v delovnih enegijskih kaakteistikah tubostoja. - končno število lopatic; - tenje; - udane izgube. p (Pa IZKORISTEK IDELN KRKTERISTIK DEJNSK KRKTERISTIK 33 Q(m3/s 34 DEJNSKE DELONE KRKTERISTIKE TURBOSTROJE DEJNSKE DELONE KRKTERISTIKE TURBOSTROJE Do sedaj izpeljane enačbe so se nanašale na idealen oto, to je oto, kje so tokovnice določene z obliko lopatice otoja, ka je ponazojeno s hipotezo o neskončnem številu lopatic in tokom bez tenja. Za tak tok je značilno, da je izstopni kot vektoja hitosti določen s kotom lopatice na izstopu iz otoja. pimeu ealnega toka je tok neuejen in izstopni kot toka fluida odstopa od geometijskega kota lopatice. Posledica tega je manjša dosežena specifična enegija oz. dosežen tlak na tubostoju: pt ε p t - KONČNO ŠTEILO LOPTIC - f (Q pt So v pvem pibližku popocionalne kvadatu povpečne vstopne hitosti fluida. Ke je elativna hitost v neposedni koelaciji s petočno količino Q se lahko izgube zaadi tenja ocenjujejo s kvadatno odvisnostjo od petoka. * p ξq - IZGUBE ROTORJU ZRDI TRENJ - pt Q 35 Q 36-6
. OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE DEJNSKE DELONE KRKTERISTIKE TURBOSTROJE OBRTONJE TURBOSTROJE So posledica odstopanja natočnega kota toka fluida od idealnega natočnega kota pi optimalnem volumskem petoku Q n. pimeu, da se dejanski petok azlikuje od nominalnega petoka, je dejanski natočni kot fluida na lopatico nepavilen, ka ima za posledico hidodinamske izgube, ki so popocionalne kvadatu azmeja petokov: ** p ς - UDRNE IZGUBE ROTORJU - Q u Q n pt tlak NESTBILNO PULZIRJOČE PODROČJE - POTUJOČI RTINEC - petok STBILNO PODROČJE Q 37 38 OBRTONJE TURBOSTROJE OBRTONJE TURBOSTROJE - POTUJOČI RTINEC - Pi povečani obemenitvi aksialnega tubostoja se pojavi naspotna tlačna azlika na sesalnih povšinah lopat, ki povzoči poast mejne plasti in njeno cepitev, ka pivede do nastanka vtinca na lopatah. Posledica pojava vtinca je znižanje tlačne azlike in izkoistka delovanja stoja. Povečanje tlaka na izstopu ozioma celo zaptje izstopnega kanala ne povzoči pojava vtinca na vseh lopatah istočasno. Ta se lahko pojavi na eni ali večih lopatah istočasno, nato pa potuje od lopate do lopate s fekvenco, enako 50 70 % vtilne fekvence otoja. Pojav imenujemo potujoči vtinec. povečan α velik α zmanjšan α - POTUJOČI RTINEC - Zaadi nenadnega poasta tlaka na vstopu med tetjo in četto lopato (3-4 se pojavi vtinec. Ta s svojo pisotnostjo blokia del petočnega peeza, ka povzoči znižanje tlaka na petočnem peezu med četto in peto lopato (4-5 in s tem pepeči nastanek vtinca na tem mestu. Sočasno pide do povečanja tlaka na vstopu med dugo in tetjo lopato (-3, ka ima za posledico pojav vtinca v tem podočju. tinčno podočje se giblje v naspotni smei vtenja otoja. sme vtenja 39 Delni vtinec se ponavadi pojavi v pvih stopnjah kompesoja, kje obstaja visoko azmeje vstopnega in izstopnega pemea lopate in nizka hitost. Do njegovega nastanka pide pi zagonu, saj je pi tem masni tok delovnega medija majhen, 40 vstopni pogoji pa so zelo visoki (velika željena tlačna azlika. OBRTONJE TURBOSTROJE OBRTONJE TURBOSTROJE - ODLEPLJNJE MEJNE PLSTI - pliv ecikulacije toka na ekupeacijo kinetične enegije v tlačno v difuzojih centifugalnih stojev Kavitacija je pojav, pi kateem tekoča faza pehaja v plinasto in nazaj v okolju spva homogene tekočine. Osnovni vzok za nastanek kavitacije je lokalno zmanjšanje tlaka ob pibližno konstantni tempeatui. Zaključna faza kavitacijskega dogajanja je faza implozije ali kolapsa mehučka. Pide lahko do silovitega tčenja in nastanka udanega vala, ki se azšii na vse stani. - KITCIJ - 4 4-7
. OSNONI PRINCIPI NLIZE IN OBRTONJE TURBOSTROJE OBRTONJE TURBOSTROJE - KITCIJ - hidavličnih stojih Pi vbizgavanju naavi OBRTONJE TURBOSTROJE - KITCIJ - Potujoči mehučki Pitjena tinčna 43 Kavitacijski vtinec Kavitacijski oblak Supe kavitacija 44 OBRTONJE TURBOSTROJE - KITCIJ - S pojmom kavitacija označujemo pojav pehodov iz tekočine v plinasto fazo in nazaj v homogeno kapljevino. Osnovni vzok za nastanek kavitacije je lokalno zmanjšanja tlaka ob pibližno konstantni tempeatui. Sooden pojav je venje vode, kje pa za azliko od kavitacije upajanje nastopi zaadi povišanja tempeatue tekočine ob pibližno konstantnem tlaku. obeh pimeih nastanejo v tekočini mehučki napolnjeni s pao in dugimi plini, ki se nahajajo v fluidu. OBRTONJE TURBOSTROJE - KITCIJ - Zaključna faza kavitacijskega dogajanja je faza implozije ali kolapsa, ki nastopi ob pogoju povečanja tlaka. tem pimeu nastali pazni posto (mehuček v tenutku napolni kapljevina iz okolice. Pide lahko do silovitega tčejna in nastanka udanega vala, ki se v naslednjem tenutku šii od mesta kolapsa na vse stani. Poleg udanega vala se pojavijo še dugi spemljevalni efekti, ki lahko destuktivno vplivajo na okolico, posebno na bližnje tdne stene. 45 46 OBRTONJE TURBOSTROJE - KITCIJ - ejetno najbolj pogost poblem, ki izvia iz kavitacije, je poškodba mateiala povzočena pi imploziji kavitacijskih mehučkov v bližini tdne povšine. Kolaps kavitacijskega mehučka je silovit poces, ki geneia zelo lokaliziane motnje in šoke z visokimi amplitudami v točki kolapsa. Če se ti kolapsi zgodijo blizu tdne povšine, povzočijo tenutne lokalne obemenitve povšine. Ponavljanje te obemenitve, zaadi množine mehučkov ki implodiajo, lahko povzoči utujanje mateiala povšine in odcepitev delčkov mateiala. Za azliko od eozije zaadi tdnih delcev v toku, pi katei obabljena povšina izgleda enakomeno obabljena in opaskana zaadi večjih delcev, ima kavitacijska eozijska poškodba kistalen in nazobčan videz 47-8