Dinamika tekočin v turbinskih strojih

Študijsko gradivo

Dinamika tekočin v turbinskih strojih

Vaje Avtorja: Marko Hočevar Brane Širok Ljubljana, september 2009

LVTS Dinamika tekočin v turbinskih strojih

Uvod: Študijski red Pri predmetu Dinamika tekočin v turbinskih strojih sta tedensko dve uri vaj, od tega ena ura vaj v razredu in ena ura vaj v laboratoriju. Študijski red pri vajah v učilnici Udeležba pri vajah v učilnici je obvezna. Prisotnost na vajah preverja asistent. Vaje so računske in z računalnikom v programu Microsoft Excel. Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Laboratorija za vodne in turbinske stroje www.fs-uni-lj.si/lvts. Predloge za vaje se občasno 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. Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Laboratorija za vodne in turbinske stroje www.fs-uni-lj.si/lvts. 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 ne 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.

2


Študijske obveznosti Študent mora za uspešno opravljene vaje iz predmeta Dinamika tekočin v turbinskih strojih uspešno opraviti kolokvij, sodelovati pri vseh laboratorijskih vajah in uspešno predstaviti in zagovarjati izbrane vaje. Pri kolokviju se preverja znanje iz računskih vaj. Zadnji teden v semestru poteka kolokvij v terminu vaj v učilnici. 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.

3


Kavitacija in NPSH črpalke, obratovanje črpalk V turbinah in črpalkah se pojavljata na dva tipa kavitacije. Prvi tip kavitacije nastane na sesalnih površinah rotorja turbine ali črpalke, kjer povzroča erozijo, drugi tip kavitacije pa je kavitacijski vrtinec, ki se pojavi v sesalni cevi turbine, ki obratuje izven optimalnega področja. Do kavitacije pride na mestih, kjer je statični tlak manjši kot tlak uparjanja, to pa je na mestih, kjer je tlak v sistemu nizek, hitrost velika in višina nad spodnjo vodo velika.

Slika: Kavitacija na lopatici kaplanove turbine, ista delovna točka, trije različni podtlaki. Črpalke

čs NPSHNPSH > obratovanje brez kavitacije (NPSHč=NPSHr) Sistem (razmere v cevovodu) mora zagotoviti dovolj specifične energije, da pogojev za kavitacijo ne bo (dovolj visok tlak). NPSHč in NPSHr se spreminjata s pretokom črpalke.

ptčizgats HNPSHHHH −−−= mejni primer, pogoj za kavitacijo v črpalki Hs je najmanjša višina vode na vstopu, ki je potrebna, da črpalka ne kavitira

izgsptat

s gHgHpp

NPSH −−−

=ρ

kjer je Hs sesalna višina, da črpalka ne kavitira, Hpt višina, ki ustreza parnemu tlaku uparjanja vode, NPSH (net positive suction head) neto pozitivna sesalna višina, tudi kavitacijska rezerva črpalke, NPSHč označuje črpalko, NPSHr je tuj zapis, pomeni potreben (required), NPSHs označuje sistem, Hizg je višina, ki ustreza izgubam. Indeks at označuje atmosferski tlak oziroma tlak v sesalnem rezervoarju, če je le-ta zaprt.

4


Qk Q

NPSH

NPSHč

NPSHs

območje, v katerem črpalkalahko obratuje

Slika : Območje obratovanja črpalke.

Slika: Karakteristika črpalke in NPSH. THD - total discharge head; BHP - brake horsepower, EFF - izkoristek. NPSH je določen tako, da zmanjšujemo podtlak v sistemu, dokler ne pade višina črpanja (tlak) za 3%, to imenujemo točka začetka kavitacije.

5


Slika: Zmanjšanje NPSH v odvisnosti od temperature. Turbine

HHHH ptsat

k

−−=σ

6


η

σσk

1%

Slika : Določanje σk za turbino. Vaja Iz jezera A doteka voda skozi dovodno cev debeline d=100 mm in dolžine L=100 m v rezervoar B, iz katerega črpalka vodo črpa v veliki rezervoar C. Dimenzije sesalnega cevovoda so d01=100 mm, L01=10 m. Kavitacijska rezerva črpalke je NPSHč=20+42800Q2 (Q[m3/s], NPSHč[J/kg]). λ=0.02, gostota vode je 1000 kg/m3, atmosferski tlak je 1 bar. Višina H znaša 3 m. Parni tlak vode znaša 0.02 bar. Na sesalnem cevovodu črpalke so filter, koleno in ventil s skupnim koeficientom upora ζ=10. Določi: a) razliko višin z med gladino jezera A in višino vode v rezervoarju B pod pogojem, da črpalka obratuje na meji kavitacije, b) izračunaj izkoristek črpalke v delovni točki iz vprašanja a), če je podana enačba izkoristka η=-Q(15000Q-210), (Q[m3/s], η[-]), c) ali bi črpalka kavitirala, če bi delovala z največjim izkoristkom.

gladina jezera A

dovodni cevovod rezervoar B

črpalka

rezervoar C

z

H

sesalni cevovod

7


a) 26421 1621148−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

skgmJ

dL

dm λ

π

smQ

QQQgz

QQHzgNPSHNPSH

VVmgzinQmgHpp

NPSH

skgmJ

dL

dm

čs

sptatm

s

3

2

22

22

0012

2

2601

01401

22

0126,0

483021824280020162113098

428002016211)(98

162114

972688

=

=

+=−−−

+=−+−⇒=

⋅==−−−

=

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= −

&&ρ

ςλπ

mgQm

z 62,22

1 ==

b) 264,0)21015000( =−−= QQη

c) 0210150002 =+⋅−= QdQdη

smQ

3

007,030000

210==

Črpalka v tej točki ne kavitira. Vaja Mešalna črpalka za prašičjo gnojevko deluje pri 750/min s karakteristiko Y=-200000Q2+1000Q+30. Določi obratovalno točko (pretok) črpalke, ki meša tekočino v reaktorju z višino 5 m. Sesalna cev črpalke je 0.5 m nad dnom reaktorja. Črpalka je nameščena 0.5 m nad gladino tekočine v rezervoarju. Parni tlak tekočine je 0,02 bar. Na sesalnem cevovodu z d=0.1 m in λ1=0.02 je vgrajen ventil z ξv=0.2. Predpostavi, da je gostota enaka 1000 kg/m3. Določi uporovno karakteristiko cevovoda. Ugotovi, če črpalka kavitira, če je njen NPSH = 2+1000Q2. Izračunaj pri katerem teoretičnem pretoku bi črpalka začela kavitirati, če v delovni točki ne kavitira. Nariši diagram pretok/Yč in pretok/Ys. Nariši diagram pretok/NPSHs in pretok/NPSHč.

8


( )

422

2

442

21

22122

2

8,97269,4

8,9726)(82

−

−

⋅+=

=+=

−+

−++=

=

=

mQsmY

mdl

dm

wwppmQgHY

mQgH

YY

KC

gKC

izg

KCČ

ζλπ

ρ

kvadratna enačba za pretok:

sm

smY

sm

aacbbQ

QQQQQ

32

2

2

32

2,1

2

22

0135,08,97269,4

0135,02

4

01,2510008,2097263010002000008,97269,4

⋅−=

=−±−

=

=−−

++−=+

smQQ

NPSHNPSHQNPSH

mQgH

gHgHpp

NPSH

sč

s

izg

izgsptat

s

/092,08,107261,910

8,97261,93

3

2

2

2

=

+−=

=−=

=

−−−

=ρ

9


Vaja Podana je karakteristika črpalke NPSH(Q)=45+1600Q1.46. Izračunajte pretok, pri katerem črpalka obratuje na meji kavitacije. Črpalka je nad gladino rezervoarja na vstopu. Podatki za sesalni cevovod so naslednji: d=0.15m l=10m λ=0.03 Σξ=7 Hs=1.45m ppt=0.019 bar Rešitev:

smQQQ

QQ

QNPSH

NPSHNPSHdl

dm

dl

ddv

dlv

QgH

m

mQgH

gHgHpp

NPSH

s

sč

izg

izg

izgsptat

s

/04075,0016001441087,38

1441087,83160045

1441087,83

144108

8

4

2

3

46,12

246,1

2

24

24222

2

2

2

=

=−−

−=+

−=

=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

==

=

−−−

=

∑

∑∑

λξπ

ξλππ

ξλ

ρ

Vaja Črpalka črpa vodo iz rezervoarja A v rezervoar B. V rezervoarju A je vedno kostanten absolutni tlak 0.8 bar, rezervoar B je odprt. V rezervoarju A je voda do višine 10 m, ki jo črpalka začne ob vklopu izčrpavati. Črpalka je 10 m nad dnom rezervoarja A. Gladina vode v rezervoarju B je 5 m nad črpalko. Parni tlak vode znaša 0.02 bar. Upori v

cevovodu znašajo ms=300 26 −skgmJ za sesalni cevovod, mt=200 26 −skgm

J za tlačni

cevovod. Karakteristika črpalke znaša Yč=300-5000Q2. NPSH karakteristika črpalke je

10


NPSH(Q)=45+1600Q2. Ugotovi, pri kateri višini vode v rezervoarju A začne črpalka kavitirati.Vse vrednosti vstavljaj v osnovnih fizikalnih enotah.

( )

( )

mH

H

HHHQmgH

ppNPSHNPSH

HQ

HQ

QHQ

mQHHQY

mQHHs

mkg

mPamQgHppY

skgmJmmm

s

s

sssss

s

čs

s

s

s

tsć

tsgkc

tlacsesalcel

1.565.17.8

)9.245.510(54.1427.27335500

1050160045

55001050

30001078

55001050

1050)5500(

50050102005000300

)(10108.015000300

)(101000

108.01

500

2

2

22

222

2235

212

26

=−−

=

++−=−−

−+=

−−+=−+

−=

−=

−=

+++=−

+++⋅−=−=

+++⋅⋅−

=++−

=

=+= −

ρ

ρ

Vaja Iz zaprtega rezervoarja A, v katerem je nadtlak 0,2 bar, črpalka črpa vodo s pretokom 0.1 m3/s. Kavitacijska rezerva črpalke je pri tem pretoku 90 J/kg. Višina gladine v rezervoarju A je 3,7 m nad črpalko. Parni tlak vode znaša 0.017 bar. Gostota vode je 1000 kg/m3. Sesalni cevovod: L1=6.5 m, d1=200 mm, λ1=0.019, vsota izgub v kolenih in ventilih je ζ=6,3. Ali črpalka kavitira?

čs

izgss

s

NPSHNPSHkgJQgHgH

ppNPSH

skgmJ

dl

dm

>

=−+=−+−

=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += −

119350837118

35088

2

2642

ρ

ξλπ

Črpalka ne kavitira.

11


Vaja Črpalka črpa vodo pri 100o C. Določi sesalno višino, če je pretok 0.068 m3/s, kavitacijska rezerva črpalke 51.4 J/kg in koeficient sesalnega cevovoda 1492.1 (J/kg)/(m6/s2). Vaja Ugotovi največjo sesalno višino črpalke, ki mora prečrpati 0.09 m3/s vode, če je dolžina sesalnega cevovoda l=7.6 m, premer d=300 mm in koeficient trenja λ=0.0178. Vsota ostalih lokalnih izgub v sesalnem cevovodu je Σζ=9.6. Kavitacijska rezerva črpalke (NPSH) pri danem pretoku je 62.3 J/kg. Manjkajoče podatke izberi po lastni presoji. Vaja Določi obratovalno območje črpalke, ki črpa vodo iz rezervoarja s tlakom 1.1 bar v rezervoar s tlakom 1.6 bar. Sesalna višina znaša 2.5 m, skupna pa 6 m. Parni tlak vode je 0,016 bar. Na sesalnem cevovodu je vgrajen en ventil in dve koleni, na tlačnem cevovodu pa sta vgrajena dva ventila in dve koleni. Ostali podatki za cevovod so l1=15 m l2=85 m d1=0.15 m d2=0.1 m λ1=0.02 λ2=0.017 ξv1=0.2 ξv2=0.2 ξk1=0.25 ξk2=0.2

a) 212 mQgHppY gkc ++−

=ρ

kc - karakteristika cevovoda

izgube

26

262

222224

1

261

111124

1

127934

123611228

432328

−

−

−

=+=

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++=

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++=

skgmJmmm

skgmJ

dl

dm

skgmJ

dl

dm

tlacsesalcel

kvtlac

kvsesal

λξξπ

λξξπ

2136040109 QYkc +=

12


b) 2

21

43239.83 QNPSH

QmgHpp

NPSH

s

sspt

s

−=

−−−

=ρ

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12Q [m3/s]

Y [J

/kg]

0

20

40

60

80

100

120

140

izko

riste

k [%

], N

PSH

[J/k

g]

Ykc Yizkoristek NPSHsNPSHč

Slika. Obratovalno območje črpalke. Vaja Parabola izgub v cevovodu je podana z enačbo Y=55+100Q2 (J/kg). Izračunaj pretok, če obratujeta dve črpalki vzporedno in analiziraj, kaj se dogaja, če obratuje samo ena črpalka pri n=1450 min-1 in kaj, če obratuje enaka črpalka pri n=1600 min-1. Določi moč elektromotorja za posamezno obratovalno točko in nariši karakteristike črpalke za vse obratovalne režime. Karakteristike centrifugalne črpalke pri n=1450 min-1 so podane v tabeli. Q (m3/s) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6H (m) 50 54 52 47 37 22 0 η (%) 0 56 71 75 71 50 0

13


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4pretok (m3/s)

H (m

)

karakteristika 2 črp.karakteristika 1 črp. 1600/minYkckarakteristika 1črp 1600/minkarakteristika 2 črp. 1600/min

Slika. Karakteristike črpalke in karakteristika cevovoda. Vaja Karakteristika cevovoda je podana z enačbo H=10+Q2/2350. Določite pretok in moč črpalke v obratovalni točki. S spremembo vrtilne frekvence se pretok spremeni na 60 l/s. Izračunajte novo vrtilno frekvenco in moč. Narišite karakteristike za oba obratovalna režima. Karakteristike črpalke pri n=26 s-1 so podane v tabeli. Q [l/s] 0 20 40 60 80 100 120H [m] 23 24 23 21 18 15 12 η [%] 0 43 68 80 83 78 60

14


Vaja Črpalka je predstavljena z naslednjimi karakteristikami: Y=-185000Q2+15000Q+C η=-Q(400Q-35) NPSHč=40+2650Q1.8

Črpalka obratuje pri Q1=0.075 m3/s in Hgeo=3 m. Koeficient izgub v tlačnem delu je 40000, koeficient izgub v sesalnem delu pa 5000. Za podane podatke je potrebno izračunati: a) konstanto C, b) moč elektromotorja črpalke pri pretoku Q1, c) NPSH za sistem, če poznamo Hs=2 m in (po-ppt)/ρ=96.1 J/kg in ugotoviti ali črpalka

kavitira, d) moč sistema dveh enakih paralelno povezanih črpalk z danim cevovodom, e) NPSH sistema predstavljenega v točki d) in ugotoviti ali črpalke kavitirajo. Vaja Karakteristika cevovoda je podana z enačbo Ykc=70+23398.28Q2. Določiti morate (a) moč črpalke v obratovalni točki in pri zaporedni vezavi dveh enakih črpalk, (b) moč črpalke, če se poveča vrtilna frekvenca za 25 %, (c) koeficient izgub v sesalnem vodu, če vemo, da velja (po-ppt)/ρ=98.6 J/kg, Hs=0.5m in da črpalka pri povečani vrtilni frekvenci obratuje na meji kavitacije, (d) kolikšna je sprememba pretoka na meji kavitacije zaradi spremembe vrtilne frekvence, Pri meritvah črpalke so bili dobljeni naslednji rezultati: Q m3/s 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Y J/kg 212.5 213.75 198.75 170 130 85 33 η - 0 0.55 0.82 0.87 0.76 0.55 .2 NPSHč J/kg 7 7.5 8.5 10 12.5 15.5 22

15


Laboratorijska vaja 1. Meritev delovne točke aksialne vodne turbine Datum: 14.12 do 16.12.2010 Uvod Merjena aksialna turbina je model modelne turbine TC3. Modelna turbina TC3 je ena izmed študijskih turbin, ki je bila izdelana za elektrarne na spodnji Savi in Muri. Vaja bo potekala na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo v Ljubljani na katedri za mehaniko tekočin. Potrebna predznanja: - merjenje karakteristike turbinskih strojev, - preračun delovanja turbinskih strojev s teorijo podobnosti, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje tlaka, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje navora, - uporaba elektromagnetnih merilnikov pretoka, - merjenje električne moči, - merjenje vrtilne frekvence. Merilna postaja Merilna postaja je odprtega tipa z bazenom v kleti. Tri črpalke črpajo vodo v prvi zgornji umirjevalni bazen, ki po višini ni nastavljiv, od tam pa gre voda v drugi umirjevalni bazen. Umirjevalna bazena sta prelivnega tipa, kar pomeni, da odvečna količina vode steče v bazen v kleti. Umirjevalni bazeni služijo za natančno nastavljenje višine, ker je gladina zaradi preliva natančno določena. Drugi umirjevalni bazen omogoča ročno nastavitev višine, s tem simuliramo višino jezera nad višino vodostana.b Iz drugega umirjevalnega bazena gre cevovod preko ventila v turbino. Ventil je ročno nastavljiv. Ventil omogoča, da na turbino spelješ vodo direktno iz črpalke ali preko obeh prej opisanih umirjevalnih bazenov. Iz turbine voda teče v prelivno posodo, iz te pa preko ventila v bazen v kleti. Višino vode v prelivni posodi nastavljamo z ventilom na izstopnem cevovodu. Ventil je ročno nastavljiv. Ventil služi temu, da vzdržuje gladino spodnje vode, sicer se bi lahko zgodilo, da bi se izstopna cev pri majhnih pretokih izpraznila. Turbina je aksialnega tipa s fiksnim kotom odprtja gonilne lopate in brezdimenzijskim odprtjem vodilnika. Kot odprtja gonilne lopate znaša 29°, tudi tega ni mogoče spreminjati. Brezdimenzijsko odprtje vodilnika znaša A0=1,92. Ta točka leži desno od

16


optimalne točke pri večjih pretokih. Optimalna točka za turbino TC3 je pri kotu odprtja gonilne lopate znaša 20° in brezdimenzijskem odprtju vodilnika A0=1,84. Brezdimenzijsko odprtje vodilnika je določeno z izrazom

V

VV

DZAA ⋅

=0 ,

kjer je AV odprtje vodilnika (najmanjša pravokotna razdalja med dvema sosednjima vodilniškima lopaticama), ZV število vodilniških lopatic in DV premer vodilnika. Tlačni odjemi so pred in za turbino, gladini zgornje in spodnje vode skupaj z ventilom za regulacijo pretoka pa definirata padec, ki je na voljo.

Slika. Školjčni diagram turbine TC3. Turbino zavira trifazni asinhroni elektromotor 400V 0,75 kW, 1500/min z montažo na prirobnico. Regulacija poteka preko frekvenčnega pretvornika Fuji Frenic Mega FRN 0.75 G1E-4E z močjo 1500 W. Frekvenčni pretvornik ima zunanjo dušilko, chopper in zaviralni upor. Ohišje je uležajeno, pri čemer ga drži merilna celica za silo tip FUTEK FSH00251 10 lb na določenem radiju, kar omogoča merjenje navora turbine. Občutljivost preberi z nalepke na senzorju. Na ojačevalniku je izbrano napajanje mostiča z 10 V in obseg občutljivosti od 10 mV/V do 10 mV/V. Elektromagnetni merilnik pretoka ABB Watermaster FEV 111 DN 150 s tokovnim izhodom 4-20 mA je nameščen na vstopu v turbino.

17


Merilnik temperature je nameščen na vstopni cevi. Merilnik temperature je uporovnega tipa Pt 100 s štirižilno priključitvijo. Ojačevalnik je Weidmuller Pro RTD, tip izhoda je napetostni 0-10V. V električni omarici je nameščen frekvenčni pretvornik z opremo, napajalniki, pretvorniki, merilno kartico in procesnim računalnikom. Vsi električni merilniki se napajajo iz električne omarice. Na dnu električne omarice so sponke, na katerih lahko z univerzalnim merilnikom preveriš vrednost izhodov iz posameznih merilnikov. Na notranji strani vrat električne omarice je električna shema, iz katere ugotoviš, katera sponka ustreza posameznemu merilniku. Za merjenje vrtilne frekvence imaš na voljo induktivni senzor vrtilne frekvence in pretvornik Weidmuller WAS Pro Frequency. Induktivni senzor je montiran pri elektromotorju. Vsi ventili so ročno nastavljivi.

Slika. Shema modela cevne turbina na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo, katedra za mehaniko tekočin. Siva vodoravna črta predstavlja tla, bazen in ventil za regulacijo nivoja sta v kleti.

18


Slika. Vstop v turbino- pogled iz dovodne cevi, viden predvodilnik in ležajno ohišje.

Slika. Turbina z odstranjeno sesalno cevjo. Vidna sta gonilnik in vodilnik.

19


Slika. Modelna turbina, laboratorij za FGG, laboratorij za hidrotehniko. Merilna oprema Na merilni postaji je na voljo naslednja merilna oprema - diferenčni tlačni pretvornik ABB 264DS z obsegom 0-6 bar (z možnostjo nastavitve do min. 0.06bar) za meritev padca tlaka na turbini, - absolutni tlačni pretvornik ABB 264NS z obsegom 0-6 bar (z možnostjo nastavitve do min. 0.06bar), tokovni izhod 4-20 mA, za meritev statičnega absolutnega tlaka na turbini, - elektromagnetni merilnik pretoka ABB Watermaster FEV 111 DN 150 s tokovnim izhodom 4-20 mA, - induktivni merilnik vrtilne frekvence turbine s pretvornikom Weidmuller WAS Pro Frequency, - uporovni merilnik temperature Pt-100, tip A, štirižilna priključitev, pretvornik Weidmuller WAS RTD Pro, senzor je montiran na vstopnem cevovodu, - merilna celica za silo FUTEK FSH00251 10 lb z mostičnim ojačevalnikom Weidmuller WAS5 Pro Bridge s tokovnim izhodom 4-20 mA ali napetostnim izhodom 0-10V za merjenje navora, - merilna kartica, 16 kanalov, 16 bitna ločljivost, National instruments NI USB 6212, - procesni računalnik z 19" zaslonom na dotik za posnemanje in nadzor meritve.

20


Postopek meritve Če turbina obratuje z izbrano vrtilno frekvenco, ki jo določi frekvenčni pretvornik, lahko turbina pri izbrani višinski razliki zgornje in spodnje vode obratuje samo pri določenem pretoku. Če želiš izmeriti karakteristiko ali delovno točko turbine, imaš na voljo dve možnosti - spreminjaš višinsko razliko med zgornjo in spodnjo vodo in ohranjaš vrtilno frekvenco, meriš pa pretok skozi turbino, ki se spreminja, - izbereš višinsko razliko med zgornjo in spodnjo vodo, spreminjaš vrtilno frekvenco, meriš pa pretok skozi turbino, ki se spreminja. Karakteristiko v tem primeru kasneje preračunaj na konstantno vrtilno frekvenco, kot je to primer na elektrarni. Izberi, katero napajalno črpalko boš uporabil. Na voljo imaš tri napajalne črpalke s pretoki 10 l/s, 20 l/s in 50 l/s. Če izbereš prevelik pretok napajalnih črpalk, se voda iz prvega umirjevalnika vrne bazen v kleti preko preliva. Naloga 1. Določi delovno točko turbine glede na pretočno in tlačno število. 2. Odzrači napeljavo, določi višino turbine in višini tlačnih pretvornikov. 3. Izračunaj pretoke in tlake, ki ustrezajo hidravlični točki, ki jo definirata odprtje vodilnika in kot rotorskih lopatic. 4. Nastavi frekvenčni pretvornik tako, da bo vzdrževal konstantno vrtilno frekvenco turbine. 5. Izmeri trenje v ležajih, 6. Izmeri trenutno delovno točko. Delovno točko podaj kot višino v odvisnosti od pretoka Upoštevaj vse dinamične tlake in izgube v merilni postaji, zato izmeri postajo, da boš lahko ocenil izgube. Upoštevaj trenje v ležajih. Pri meritvi karakteristike upoštevaj, pri približno katerih pretokih deluje turbina. Ne meri pri zelo velikih pretokih, da ne poškoduješ rotorja turbine. 7. Preračunaj delovno točko na izvedbo turbine. 8. V poročilu navedi vse nastavitve merilne postaje in merilnih inštrumentov, nariši shemo eksperimenta, zapiši postopek analize in enačbe za preračun, ter grafično predstavi rezultate.

21


Laboratorijska vaja 2. Meritev hitrosti ter stopnje turbulence na izstopu iz turbinskega stroja z anemometrom na vročo žičko 21.12 do 23.12.2010 Uvod Izmerili bomo hitrost in stopnjo turbulence na izstopu iz turbinskega stroja - aksialnega ventilatorja Rotomatika HEF 500 (R13E-5030HA-4T2-7063). Uporabili bomo anemometer na vročo žičko. Potrebna predznanja: - merjenje hitrosti toka z anemometrom na vročo žičko, - posnemanje dinamičnih signalov, osnove programske opreme za zajemanje podatkov in A/D pretvorba, - mehanika tekočin, turbulenca. Anemometer na vročo žičko, posnemanje signala hitrosti Uporabili bomo anemometer Dantec MiniCTA in senzor tip 55P11. Izhod iz anemometra je napetostni signal, ki ga bomo posnemali z 12 bitno merilno kartico National Instruments NI-6008. Nastavitve na anemometru so: vklopljen nizkoprepustni filter 10 kHz, temperatura žičke Tw=250°C. Nastavitve na sistemu za posnemanje naj bodo: hitrost posnemanja 10000 Hz, število izmerkov 100000, čas posnemanja 10 s, območje meritve 0-5V. Pri umerjanju in meritvi moramo natančno izmeriti temperaturo zračnega toka. Temperaturo bomo izmerili z uporovnim termometrom Pt-100 in inštrumentom Agilent 34970A. Delovna točka turbinskega stroja Za določitev delovne točke je potrebno določiti pretok in tlak, pri kateri ventilator obratuje. Statični tlak izmerimo med vstopom in izstopom ventilatorja z električnim tlačnim pretvornikom. Dušenje nastavimo tako, da bo ventilator deloval pri statičnem tlaku 100 Pa. Za to uporabimo lesena zaslona, ki jih primikamo ali odmikamo drugega glede na drugega oziroma stran od merilne postaje. Karakteristika ventilatorja je na internetni strani Rotomatike. Naloga

22


- priključi merilno opremo, določi oz. izmeri delovno točko sesalne enote in nastavi pozicionirni sistem za senzor anemometra - izdelaj programsko opremo za posnemanje podatkov v programu National Instruments Labview - na izstopu iz aksialnega ventilatorja izmeri meridiansko in obodno hitrost v petih merilnih točkah ter za vse merilne točke izračunaj stopnjo turbulence

Slika : Anemometer na vročo žičko s senzorjem (levo), senzorja anemometra (desno). Navodila za delo z anemometrom na vročo žičko 1. Poveži (originalni kabel) anemometer s senzorjem, natakni senzor. 2. Poveži anemometer z merilno kartico. 3. Vklopi napajanje anemometra. 4. Izmeri temperaturo zraka. 5. Za preračun upoštevaj spodnje enačbe Izračun hitrosti anemometra na vročo žičko

Korekcija temperature acqacqw

refwcorr E

TTTT

E−

−=

Umeritvena krivulja nBUAE +=2

A=1.7013 B=0.8427 n=0.4547 Tref=23.3°C A,B,n konstante umerjanja

corrE popravljena napetost na izhodu anemometra

acqE izmerjena napetost na izhodu anemometra

wT temperatura žičke senzorja

23


refT referenčna temperatura pri umerjanju

acqT temperaura zraka pri meritvi U hitrost toka

24


Laboratorijska vaja 3. Meritev fluktuacij hitrosti na izstopu iz turbinskega stoja z vizualizacijo 22.12.2009 Uvod Namen vaje je izmeriti fluktuacije toka fluida na izstopu iz aksialnega ventilatorja Rotomatika HEF 500. Za merjenje bomo uporabili bombažno nitko in kamero, s katero bomo snemali fluktuacije nitke v zračnem toku. Ker ne vemo, kako se bombažna nitka odziva na fluktuacije zračnega toka, lahko določimo zgolj razliko med različnimi merilnimi mesti, delovnimi točkami ali tipi ventilatorja. Izmeri Potrebna predznanja: - osnove programske opreme za zajemanje podatkov. Kamera in osvetlitev Uporabi digitalno firewire kamero Dragonfly Express (Pointgrey Research) z ustreznim objektivom. Izberi primerno frekvenco posnemanja slik in ustrezno nastavitev časa osvetlitve posamezne slike, premisli, kakšne vrednosti pričakuješ glede na vrtilno frekvenco rotorja. Nastavitve testiraj v programu Measurement and automation explorer (MAX). Za posnemanje sekvence slik uporabi programsko opremo, ki jo priskrbi asistent. Za osvetlitev uporabi svetlobni vir Vega DC in ustrezen svetlobni vodnik. Svetlobni vodnik pritrdi z magnetnim držalom na ohišje ventilatorja. Slika, ki jo posneme kamera, je dvodimenzionalna. Zaradi spreminjanja merilnega mesta po radiju ventilatorja in omejitev pri izbiri mesta postavitve kamere pride lahko do popačitev zaradi perspektive opazovanja nitke. Mesto, kjer snemaš s kamero, izberi tako, da bo popačenje zaradi perspektive čim manjše. Izbira delovnih in merilnih točk Meritev bo potekala v petih merilnih točkah po radiju na izstopu iz ventilatorja Rotomatika HEF 500. Nastavili bomo delovno točko ventilatorja, pri kateri ventilator obratuje pri tlačni razliki 150 Pa. Meritve naj potekajo pri direktni priključitvi ventilatorja na omrežno napetost. V vsaki merilni točki posnemi 200 zaporednih slik nitke v toku, iz katerih določiš trenutno lego nitke. Naloga

25


Izmeri fluktuacije nitke v meridianski ravnini (skupina 1, postavitev kamere spodaj) in v ravnini, pravokotni na meridiansko ravnino (skupina 2, postavitev kamere s strani): - za vsako merilno točko določi povprečni izstopni kot toka fluida v odvisnosti od oddaljenosti od osi ventilatorja, - za vsako merilno točko določi maksimalni odklon od povprečnega izstopnega kota, - za vsako merilno točko določi povprečni odklon od povprečnega izstopnega kota.

Slika : Merilna postaja, postavitev kamere s strani, meritev fluktuacij v ravnini, pravokotni na meridiansko ravnino.

26


perforirana mreža

ventilator

tlacni prikljuckiza meritev staticnegatlaka

pozicionirna miza

umirjevalna komora

Slika : Shema merilne postaje, mesto postavitve kamere izberi tako, da bo popačenje zaradi perspektive čim manjše.

27

Dinamika tekočin v turbinskih strojih

Documents

Transcript of Dinamika tekočin v turbinskih strojih