1

Merilne postaje

Merilne postaje za karakteristike ventilatorjev

Ventilatorji (standard EN ISO 5801 Fans -- Performance testing using standardized airways) Pa moč ventilatorja v W pt totalni tlak ventilatorja v Pa pst statični tlak ventilatorja v Pa 𝜂𝑟 izkoristek v % 𝜂𝑠𝑟 statični izkoristek v % Slika: primer izmerjene karakteristike pri konstantni vrtilni frekvenci za konstanten kot lopatic (zgoraj) in za spremenljiv kot lopatic (spodaj)

2

Merilne postaje

Ventilatorji (standard EN ISO 5801 Fans -- Performance testing using standardized airways) Poznamo 4 kategorije vgradnje: A - prost vstop in prost izstop B - prost vstop in izstop v cev C - vstop v cevi in prost izstop D - vstop v cevi in izstop v cevi Prost vstop npr. pomeni, da pred ventilatorjem ni ničesar, kar ne bi bilo del ventilatorja (npr. cev). V skladu s tem so ventilatorji vgrajeni na vstopu (zgornja slika) ali izstopu (spodnja slika). Karakteristike ventilatorja (pretok, tlak) ni mogoče izmeriti, razen če ga ne zapremo v merilno postajo.

3

Merilne postaje

Hidria Rotomatika - merilna postaja za aerodinamske karakteristike - odmevnica za merjenje akustike (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

4

Merilne postaje

Kategorija A - prost vstop in prost izstop in postaja na vstopu pretok določamo na naslednje načine - šobo na vstopu (zgoraj) - zaslonko na vstopu (v sredini) - zaslonko v cevi - traverziranjem s Pitojevo cevjo (spodaj) - več šobami v komori - zaslonko v komori Ni dušilne lopute. Del med merilnikom pretoka in ventilatorjem mora biti plinotesen. Za pomožnim ventilatorjem usmernik. Pred merjenim ventilatorjem umirjevalnik. Enačba velja za vse tri primere. Na sliki: 1 - pomožni ventilator 2 - merjeni aksialni ventilator 3 - merjeni radialni ventilator 4 - konus za prehod na premer merilne postaje 5 - usmerjevalnik toka 6 - Pitojeva cev 7 - mrežica za umirjanje toka

∆𝑝tot= ∆𝑝st + ∆𝑝izg𝑃𝐿3−𝑃𝐿1

5

Merilne postaje

Kategorija A - prost vstop in prost izstop in postaja na izstopu pretok določamo na naslednji način - z več šobami ali zaslonkami v postaji - pretok določajo šobe, ni dušilne lopute Pred šobami umirjevalnik toka. Usmerjevalnik ni potreben, ker je presek komore pred šobami velik. Na sliki: 1 - merjeni ventilator 2 - umirjevalnik toka 3 - pomožni ventilator

∆𝑝tot= ∆𝑝st + ∆𝑝izg𝑃𝐿2−𝑃𝐿4

6

Merilne postaje

Kategorija B - prost vstop in izstop v cev pretok določamo na naslednje načine - zaslonko na izstopu (zgoraj) - zaslonko v cevi (v sredini) - traverziranjem s Pitojevo cevjo - več šobami v komori - več zaslonkami v komori Med ventilatorjem in mestom meritve statičnega tlaka usmerjevalnik toka. Pred zaslonko usmerjevalnik toka. Na sliki zgoraj (brez dušenja) in v sredini (dušenje): 1 - merjeni ventilator 2 - konus 3 - usmerjevalnik toka 4 - dušilka PL4 - odjem statičnega tlaka PL6 - odjem tlaka pred zaslonko/šobo PL8 - odjem tlaka za zaslonko/šobo Na sliki spodaj: 4 - šobe v komori 5 - pomožni ventilator

∆𝑝tot= ∆𝑝st +1

2𝜌𝑐2𝑃𝐿4 + ∆𝑝izg𝑃𝐿2−𝑃𝐿4

7

Merilne postaje

Kategorija C - vstop v cevi in prost izstop pretok določamo na naslednje načine - zaslonko na vstopu (zgoraj) - zaslonko v cevi (spodaj) - traverziranjem s Pitojevo cevjo Na sliki zgoraj (brez dušenja in s pomožnim ventilatorjem): 1 - konus 2 - pomožni ventilator 3 - prehod na pravokotno cev 4 - merjeni ventilator PL3 - odjem statičnega tlaka PL1 in PL2- meji ventilatorja PL7 - zaslonka PL5 - meritev tlaka na zaslonki Na sliki spodaj (dušenje, brez pomožnega ventilatorja): 1 - dušilna loputa 4 - umirjevalnik toka PL5 in PL7 - meritev tlaka na zaslonki

∆𝑝tot= ∆𝑝st −1

2𝜌𝑐2𝑃𝐿3 + ∆𝑝izg𝑃𝐿1−𝑃𝐿3

∆𝑝tot= ∆𝑝st −1

2𝜌𝑐2𝑃𝐿3 + ∆𝑝izg𝑃𝐿1−𝑃𝐿4

8

Merilne postaje

Kategorija D - vstop v cevi in izstop v cevi pretok določamo na podoben način kot pri kategorijah B in C če premera cevi pred in za ventilatorjem nista enaka, upoštevamo spremembo dinamičnega tlaka Na sliki zgoraj: 1 - konus 2 - merjeni ventilator 3 - konus PL3 - odjem statičnega tlaka in traverziranje PL1 in PL2- meji ventilatorja Na sliki spodaj : 1 - merjeni ventilator 2 - usmerjevalnik toka PL1 in PL2- meji ventilatorja PL4 - meritev statičnega tlaka

∆𝑝tot= ∆𝑝st −1

2𝜌𝑐2𝑃𝐿1 +

1

2𝜌𝑐2𝑃𝐿2 + ∆𝑝izg𝑃𝐿3−𝑃𝐿1 +∆𝑝izg𝑃𝐿2−𝑖𝑧𝑠𝑡𝑜𝑝

∆𝑝tot= ∆𝑝st + ∆𝑝izg vstop−𝑃𝐿1 +∆𝑝izg𝑃𝐿2−𝑃𝐿4

9

Merilne postaje

Ni dovolj zgolj zgraditi merilno postajo Za določanje karakteristike, moči in izkoristka moramo izmeriti naslednje spremenljivke (ne nujno vse hkrati): - volumski pretok - masni pretok (temperatura, tlak, gostota) - statični tlak - totalni tlak - vrtilno frekvenco - navor - mehansko moč - električno moč Pri meritvi vodnih turbin ali črpalk merimo tudi kavitacijo (NPSH). Na sliki desno je posoda s prosto gladino. Zrak izčrpavamo z vakuum črpalko za spreminjanje NPSH.

10

Merilne postaje

Meritev volumskega pretoka - zaslonke - šobe - venturi cevi - traverziranje s Pitojevo cevijo - elektromagnetni merilnik pretoka Pri prehodu tekočine skozi zožitev se hitrost poveča, statični tlak pa se zmanjša v skladu z Bernulijevo enačbo. Ta pojav se uporablja za določevanje volumskega ali masnega pretoka za nestisljive in stisljive tekočine. Slabost teh metod so tlačne izgube, ki so posledica ovire v pretočnem polju. Slabost traverziranja je visoka merilna negotovost. Na sliki zgoraj je zaslonka, v sredini dve različni izvedbi šobe in spodaj primer izbire točk pri traverziranju.

11

Merilne postaje

Meritev masnega pretoka z zaslonko v cevi - koeficient pretoka α - ekspanzijski koeficient ε - premer zaslonke d - tlak pred zaslonko 𝑝𝑢 Koeficient pretoka odčitamo iz tabel in grafov ali pa izračunamo iz enačb. Na sliki je koeficient pretoka α v odvisnosti od razmerja premerov β in Re

𝑉 𝑚 = 𝛼 ∙ 𝜀 ∙ 𝜋 ∙𝑑2

42𝜌𝑢∆𝑝

𝑅𝑒 =𝐷 ∙ 𝑐𝐷𝜈

𝜀 = 1 − 0,41 + 0,35𝛽4∆𝑝

𝜅𝑝𝑢

12

Merilne postaje

Meritev masnega pretoka z zaslonko v cevi, nadaljevanje - ekspanzijski koeficient ε je za majhna razmerja tlakov na zaslonki zelo blizu 1 Na sliki je koeficient pretoka α v odvisnosti od razmerja tlakov na zaslonki in tlaka pred zaslonko.

13

Merilne postaje

Meritev masnega pretoka - gostota zraka Za določitev masnega pretoka na zaslonki moramo določiti gostoto zraka ρa. Za to rabimo: - temperaturo suhega Ta = Td in vlažnega termometra Tw (v zgornjo enačbo vstavljamo θa v kelvinih) - barometrski tlak pa

- relativni tlak pred zaslonko pu

- parcialni tlak vodne pare pv , za določitev katerega rabimo psat in enačbo na desni - Aw= 6,6×10−4/°C za Tw med 0 °C in 150 °C - namesto tabele na desni so na voljo tudi enačbe za 0-30 °C in 0-100 °C

𝜌𝑎 =𝑝𝑎 − 0,378 ∙ 𝑝𝑣

287 ∙ θ𝑎

𝑝𝑣 = 𝑝𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤 − 𝑝𝑎𝐴𝑤 𝑇𝑑 − 𝑇𝑤 1 + 0,00115𝑇𝑤

θ𝑎 = 𝑇𝑎 + 273,15

14

Merilne postaje

Meritev statičnega in totalnega tlaka - tlačni odjemi na steni, vsaj 4x, aerodinamsko ali hidrodinamsko povprečenje - poravnana vgradnja (flush mount), da preprečimo spremembe hitrosti toka v okolici priključka (dinamični tlak) - puščanje - merilniki tlaka imajo danes točnosti boljše kot 0,1%, tudi npr. 0,025% - absolutni, gauge, diferencialni

Na sliki zgoraj sta dva tipa združevanja tlačnih priključkov, komora in obroč. Spodaj diferencialni tlačni pretvornik in spodaj desno namestitev na modelno turbino.

15

Merilne postaje

Pogon ali zaviranje za meritev mehanske moči ali električne moči - elektromotor/generator - zavora na vrtinčne tokove - hidravlična zavora P n3

- mehanska zavora, navor od vrtilne frekvence 0 Merjenje navora na ležajno ohišje - hidrostatično uležajenje. Hidrostatično uležajenje se uporablja za zelo natančne meritve. Večinoma merimo brez. Za izgub v ležajih in tesnilkah vodno turbino in črpalko zavrtimo na zraku, ventilator pa brez gonilnika, če je to možno.

𝑃𝑒𝑙 ∙ 𝜂 = 𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜 = ∆𝑝𝑡𝑜𝑡 ∙ 𝑉

𝑃𝑚𝑒ℎ = 𝑀 ∙ 𝜔

𝑀𝑚 = 𝑀

𝑀𝑚 = 𝑀 ±𝑀𝑙𝑚

Merilne postaje

Meritev mehanske moči ali električne moči A) Moč se lahko meri električno (zgoraj) na mestu 2: 1 - dovedena električna moč 2 - izgube frekvenčnega pretvornika (lahko pa je 2 tudi analizator moči) 3 - izgube v elektromotorju 4 - izgube v jermenskem prenosu 5 - izgube v ležajih 6 - izgube v gonilniku in ohišju (toplota) 7 - aerodinamska moč Potrebna je kalibracija elektromotorja B) ali mehansko (spodaj): - meritev vrtilne frekvence - meritev navora Navor lahko merimo dinamično ali statično (najbolj spodnja slika, to pomeni, da se merilna celica ne vrti).

18

Merilne postaje

Meritev mehanske moči 1. Na merilno postajo pritrjen motor (dinamično): - merilni lističi na gredi (vrteči) - brezžičen prenos - merilni lističi na gredi (vrteči) - prenos z drsnimi obročki (slika spodaj) 2. Na merilno celico za navor pritrjen motor (statično): - merilni lističi za navor med motorjem in ohišjem, merilna celica mora biti kompenzirana 3. Motor se lahko vrti (slika v sredini) - uležajen motor ali breme ali oboje - hidrostatično uležajenje bremena in ali motorja - "tehtanje" navora, lahko se uporablja tudi protiutež - varovanje merilne celice z vzmetmi - točkovna obremenitev

Na sliki zgoraj so drsni obročki, v sredini je tehtanje navora (merilna celica za silo levo in uteži), spodaj je montaža merilnih lističev na gred ladijske turbine, brezžičen prenos izmerkov.

19

Merilne postaje

Meritev vrtilne frekvence 1. magnetni enkoder 2. inkrementalni merilnik in števec, induktivni ali optični 3. ročni merilnik vrtilne frekvence, optični ali dotikalni 4. stroboskop (vaje TI, opazovanje kavitacije) 5. Hallov senzor 6. itd.

Na sliki zgoraj je merilnik vrtilne frekvence (magnetni enkoder) na vrhu motorgeneratorja v TI, na sredini meilnik vrtilne frekvence na gredi in spodaj optični ročni merilnik

20

Merilne postaje

Merilne postaje za merjenje karakteristik vodnih turbin Turboinštitut: 1: model turbine z motorgeneratorjem 2: visokotlačna posoda z umirjevalnimi mrežami 3: nizkotlačna posoda 4: pogonski črpalki 5: usmerjevalnik toka 6: elektromagnetni merilnik pretoka

Na sliki zgoraj je točka 1, model turbine, ta del se izmenjuje, ko se testira različne modelne turbine

21

Merilne postaje

merjenje na modelnih postajah v inštitutu - pretok, tlak, moč, izkoristek - merjenje sile na lopatico, aksialne sile, geometrijska podobnost, pobežna hitrost, kavitacija (toda ne erozija) - merilne naprave podobne kot pri ventilatorjih - dodatna možnost meritev višine vodne gladine za določanje višine H (DOS, HS, TS) - odzračenje cevk za merjenje tlaka - upoštevanje višine pretvornika - hidrostatično uležajenje turbine za natančno merjenje navora, moči in izkoristka

22

Merilne postaje

primeri različnih vgradenj tipov vodnih turbin in črpalk

23

Merilne postaje

za vaje: Kaplanova turbina, primer HE Solkan, dvojna regulacija

24

Merilne postaje

za vaje: Cevna turbina, primer HE Dubrava dvojna regulacija

25

Merilne postaje

Merilne postaje za merjenje karakteristik črpalk KSB