Vaje - University of Ljubljanalab.fs.uni-lj.si/kes/hidroenergetski_sistemi/... · Črpalka KSB Etanorm 50-125 je namenjena poganjanju tekočine na postaji za merjenje kavitacije

Študijsko gradivo

Hidroenergetski sistemi

Vaje

Avtorja:

Marko Hočevar

Brane Širok

Ljubljana, 2017

LVTS Hidroenergetski sistemi

2

Kazalo

Uvod: Študijski red .............................................................................................................. 3

Vaja 1. Merjenje karakteristike turbinskega stroja, postaja za merjenje karakteristik črpalk

in kavitacije.......................................................................................................................... 5 Vaja 2. Podobnostni zakoni v turbinskih strojih .............................................................. 10 Vaja 3. Vodostan .............................................................................................................. 14 Vaja 4. Meritev karakteristike aksialne vodne turbine ..................................................... 22

Vaja 5. HE Hubelj ............................................................................................................ 28 Vaja 6. Model vetrovnika v Planici .................................................................................. 32

Vaja 7. Meritev izstopnih trikotnikov hitrosti aksialnega turbinskega stroja s petluknjično

sondo .................................................................................................................................. 38


3

Uvod: Študijski red

Pri predmetu Hidroenergetski sistemi je predvideno skupaj 30 ur vaj. Vaje potekajo

pretežno v laboratoriju, uvodne vaje so tudi v predavalnici.

Študijski red pri vajah v laboratoriju

Laboratorij LVTS je v stari stavbi, vhod iz dvorišča skozi zelena kovinska vrata, v

nadstropju. Del vaj poteka tudi na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo (FGG),

Hajdrihova 28, na Katedri za mehaniko tekočin z laboratorijem.

Predloge za vaje so na voljo na študentskem informacijskem sistemu (VIS) in na

internetnem naslovu Laboratorija za vodne in turbinske stroje, http://lab.fs.uni-

lj.si/kes/hidroenergetski_sistemi/index.html. Vaje se lahko razlikujejo glede na prejšnjo

leto, zato si morajo študentje pred vsakokratno izvedbo vaje priskrbeti aktualno predlogo

za vaje.

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 po pomoti ne odrinejo ostalih študentov v smeri

nevarnosti. 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.

Za pridobitev ocene iz vaj mora imeti študent pozitivno prisotnost na vajah, oddati mora

poročila za vse vaje in opraviti zaključno preverjanje znanja iz vaj. Preverjanje znanja je

običajno pisno in poteka v zadnjem tednu semestra ter v vseh rednih izpitnih rokih.

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.

Študijske obveznosti

Študent mora za uspešno opravljene vaje sodelovati pri vseh laboratorijskih vajah, oddati

poročila za vse vaje in uspešno opraviti kolokvij iz vaj.


4

Preliminarni urnik za izvedbo vaj

9.10. Uvodna vaja (predavalnica)

16.10. – 20.10. Meritev karakteristike črpalke (FGG)

23.10. – 27.10. Preračun karakteristike črpalke po zakonih podobnosti (LVTS)

6.11. – 10.11. Vodostan (FGG)

13.11. – 16.11. Meritev karakteristike vodne turbine (FGG)

27.11. – 1.12. HE Hubelj (teren)

4.12. – 8.12. Modelna analiza vetrovnika Planica (LVTS)

11.12. – 15.12. Trikotniki hitrosti (LVTS)

Januar 2018 Zagovori vaj / pisni kolokvij


5

Vaja 1. Merjenje karakteristike turbinskega stroja,

postaja za merjenje karakteristik črpalk in kavitacije

Uvod

V nalogi je potrebno izmeriti karakteristiko radialnega turbinskega stroja in določiti

področje njegovega delovanja. Pri delu bo uporabljena črpalka KSB Etanorm 50-125.

Črpalka KSB Etanorm 50-125 je namenjena poganjanju tekočine na postaji za merjenje

kavitacije. Na kavitacijski postaji je na mestu, kjer je sicer vgrajen testni del za merjenje

kavitacije iz pleksi stekla, montirana cev. Pred in za testnim delom za kavitacijo sta

vgrajena zapiralna ventila. Za dušenje črpalke uporabljaj ventil, ki je med črpalko in

testnim delom za kavitacijo.

Motor črpalke je priključen na frekvenčni pretvornik Mitsubishi, ki je v kleti ob črpalki.

Potrebna predznanja:

- uporaba merilnih pretvornikov za merjenje statičnega tlaka,

- osnove merjenja pretoka,

- vpliv tlaka na delovanje črpalk, NPSH.

NPSH

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 pa velika. Za črpalke velja

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.

Kavitacijska rezerva črpalke, NPSHč označuje črpalko, NPSHr je tuj zapis, pomeni

potreben (required), NPSHs označuje sistem.

Qk Q

NPSH

NPSHč

NPSHs

območje, v katerem črpalkalahko obratuje

Slika : Območje obratovanja črpalke.


6

Splošen zapis NPSE in NPSH za turbine in črpalke

V skladu s standardoma ISO 60193 in ISO 60041 je osnovni parameter za opis

kavitacijskega stanja v turbini neto positivna sesalna energija NPSE. NPSE se nanaša na

sesalno stran turbinskega stroja in je v direktni navezavi s pojavljanjem kavitacije. NPSE

predstavlja razliko med absolutno specifično hidravlično energijo na nivoju 2 (glej sliko za

izbiro merilnih ravnin) in specifično energijo zaradi parnega tlaka pv na nekem

referenčnem nivoju Zref (referenčni nivo ustreza običajno sredini gonilnika turbine ali

črpalke).

Slika. Shematska reprezentacija hidravličnega stroja. Ravnina 1 je vedno nadtlačna in

ravnina 2 podtlačna. Tok teče v smeri puščice za črpalko ali za turbino.

NPSE je potrebno preračunati iz nivoja 2 na referenčni nivo turbinskega gonilnika. Enačba

za NPSE se glasi:

)(2

2

2

2

2

2 ZZgvpp

NPSHgNPSE refvabs

.

NPSH oz. neto pozitivna specifična višina, podobno pomeni skupno absolutno neto tlačno

višino na neki referenčni točki z odšteto višino parnega tlaka vode in iztočnimi izgubami.

V razmerju do NPSE jo zapišemo tako, da NPSE delimo z gravitacijskim pospeškom:

g

NPSENPSH .


7

Slika: Definicija nivojev in padcev v vodni turbini za določitev NPSE in NPSH.

Uporaba NPSH pri vaji

V primeru črpalke in vgradnje, kakršno uporabljamo pri vaji (glej sliko na naslednji strani),

upoštevamo, da NPSE ali NPSH zapišemo za lokacijo vstopa v črpalko, to je za prirobnico

na vstopu:

2

2

22 vppNPSHgNPSE vabs

Slika. Določanje NPSE ali NPSH z uporabo Bernoullijeve enačbe. Merilnik statičnega

absolutnega tlaka je nameščen nad merilno ravnino 0, zato pokaže manjši tlak, to je tlak na

mestu 0, zmanjšan za prispevek višine gH1.


8

Če uporabimo Bernoullijevo enačbo za v praksi pogost primer z zgornje slike, lahko

predpostavimo, da je kinetična energija vode v ravnini, ki jo označuje točka 0,

zanemarljiva. V točki 0 je bil priključen merilnik absolutnega statičnega tlaka. NPSE ali

NPSH na mestu 0 je od NPSE ali NPSH na mestu 2 manjši za prispevek višine gH in večji

za vsoto izgub (v spodnji enačbi predpostavimo, da je 02

2

0 v

:

izgvp

gHp abs

2

2

220

Bernoullijevo enačbo, uporabljeno za zgornji primer, vstavimo (

2absp) v enačbo za NPSE

in dobimo neto pozitivno sesalno energijo za mesto na vstopu v črpalko, to je na prirobnici

črpalke:

izggHpp

NPSHgNPSE v

0

Kot vidimo, v zgornji enačbi odpade člen s hitrostmi. Za p0 je potrebno vstaviti v gornjo

enačbo tlak, ki ga pokaže merilnik statičnega absolutnega tlaka, povečan za prispevek

višine gH1.

Merjenje statičnega tlaka

Za merjenje tlaka imaš na voljo en diferencialni in en absolutni merilni pretvornik.

Absolutni merilni pretvornik meri tlak glede na vakuum, pri atmosferskem tlaku torej kaže

približno 1 bar. Preveri, če so tlačni pretvorniki pravilno priključeni, pred meritvijo jih

odzrači. Merilne pretvornike odzračiš tako, da za nekaj obratov odvijačiš čep na

nasprotnem delu priključka za tlak ter pustiš, da voda iztisne zrak iz cevi, če pa je

pretvornik opremljen z ventilom, odpri ventil. Upoštevaj razlike v višinah, na katerih so

črpalka, priključek za tlak in merilna pretvornika za tlak. Upoštevaj tudi razliko v

vstopnem in izstopnem preseku in na ta način različne hitrosti toka v merilnih ravninah v

skladu z Bernoullijevo enačbo.

Pred izvedbo vaje pripravi protokol meritve v programu Excel, da boš lahko že med

meritvijo izrisal karakteristiko črpalke.

Merilna oprema

Za merjenje pretoka je v postajo vgrajen induktivni merilnik pretoka ABB DL-43F. Za

merjenje tlaka imaš na voljo en diferencialni ABB 2600T (obseg 6 bar) in en absolutni

merilni pretvornik ABB 2600T (obseg 6 bar). Meritve tlaka in pretoka zapisuj ročno v

tabelo v Excelu.

Temperaturo izmeri s pomočjo senzorja Pt-100 in ojačevalnika Agilent 34970A. Uporabi

štirižilno priključitev.

Izkoristek določi glede na merjenje električne moči. Uporabi merilnik električne moči, ki

je vgrajen v frekvenčni pretvornik, za to moraš ustrezno nastaviti kontrolno enoto

frekvenčnega pretvornika.


9

Sistem za nastavitev tlaka v postaji

Tlak v postaji se nastavlja s priključkom na sistem za stisnjen zrak ali z vakuumsko

črpalko na vrhu zgornjega rezervoarja. Vakuumsko črpalko vključiš s stikalom na

kontrolni omari, premakniti pa moraš tudi ventil na vrhu zgornjega rezervoarja. Ob tem

ustrezno preklopi ventil na vrhu postaje (dovod stisnjenega zraka/vakuumska

črpalka/izklopljeno/odzračevanje)

Pri delu pazi na varnost. Ne stopaj po električnih kablih. V primeru, da se po tleh

polije voda, bodi še posebej pazljiv pri rokovanju z električnimi napravami.

Slika. Postaja za merjenje karakteristik črpalk in kavitacije: merjena črpalka je KSB

Etanorm 50-125, induktivni merilnik pretoka ABB DL-43F je vgajen v kleti povsem zgoraj

in se na sliki ne vidi. Spodnji rezervoar služi kot umirjevalna in razplinjevalna komora.

Spodnji rezervoar je s cevjo povezan z zgornjim rezervoarjem. Zgornji rezervoar ima

prosto gladino, da je iz njega z vakuumsko črpalko možno izčrpati zrak.

Naloga

- nariši shemo postaje,

- oceni, če so ključni elementi postaje primerni za meritve (premeri, dolžine ravnih

odsekov na merilnih mestih ...),

- ugotovi, kakšno merilno opremo uporabljaš in kakšna je njena merilna negotovost,

- izmeri temperaturo vode v kavitacijski postaji,

- izmeri karakteristiko črpalke (tlak in izkoristek) pri nastavitvi frekvenčnega pretvornika

50 Hz in tlaku v zgornjem rezervoarju 1 bar in še dveh podtlakih, korigiraj izmerjene

vrednosti glede na gostoto in dinamični tlak,

- primerjaj izmerjene karakteristike med seboj,

- primerjaj izmerjene karakteristike s karakteristiko, ki jo za črpalko navaja proizvajalec.


10

Vaja 2. Podobnostni zakoni v turbinskih strojih

Uvod

Pri vaji je potrebno preračunati izmerjeno karakteristiko turbinskega stroja z uporabo

zakonov podobnosti. Preračun lahko izvedemo za spremembo pogojev obratovanja (vrtljaji

stroja, gostota medija) ali za spremembo velikosti stroja (premer rotorja).

Teorija podobnosti

Pri teoriji podobnosti pridobimo razumevanje delovanja turbinskih strojev v največji meri.

To je formalna procedura, kjer skupino spremenljivk, ki opisujejo izbran fizikalni pojav,

zmanjšamo ali spremenimo na manjše število brezdimenzijskih skupin spremenljivk.

Dimenzionalna analiza ima več pomembnih področij uporabe : (1) napoved delovanja

prototipa stroja iz poizkusov, izvedenih na pomanjšanem stroju - podobnost, in (2)

določanje najprimernejšega tipa stroja na podlagi največjega izkoristka, tlaka, pretoka in

vrtilne frekvence, (3) napoved delovanja stojev pri spremenjenem številu vrtljajev ali

gostoti.

Obstaja več metod določanja brezdimenzijskih spremenljivk. Na osnovi logičnega

premisleka in z uporabo Bernoullijeve enačbe lahko določimo eksponente spremenljivk n,

d in za pretok, tlak in aerodinamsko oz. hidravlično moč (tabela).

Tabela: Eksponenti spremenljivk n, d in za pretok, tlak in aerodinamsko oz. hidravlično

moč.

spremenljivka pretok tlak aerodinamska,

hidravlična moč

n n n2 n3

d d3 d2 d5

1

604

,3

23 nD

Q

nd

Q

pretočno število

2

222222

602

,,

nD

Hg

dn

Hg

dn

H

tlačno število

Sledi:

- pretok je sorazmeren z vrtilno frekvenco

- tlak je sorazmeren s kvadratom vrtilne frekvence

- moč je sorazmerna s tretjo potenco vrtilne frekvence

Podobna turbinska stoja imata enaki tlačni in pretočni števili.


11

Označevanje z indeksoma m in p (model, prototip). Model označujemo tudi s '.

Za preračunavanje iz modela na prototip je potrebno zagotoviti hidravlično podobnost.

Hidravlična podobnost je zagotovljena, če sta stroja (1) dimenzijsko podobna, če so enaka

(2) razmerja različnih sil, ki delujejo med fluidom in komponentami stroja, in če so enaka

(3) razmerja komponent hitrosti v vsaki ustrezni točki modela in prototipa, kar pomeni, da

so enaki hitrostni trikotniki.

(k 2) Razmerja različnih sil, ki delujejo med fluidom in komponentami stroja, so definirana

s podobnostnimi števili :

- Reynoldsovo število (inercija/viskoznost),

5

1

Re

Re7.03.011 m

mp , velja za radialne turbine

- Eulerjevo število (tlak/inercija),

- Thomovo število (NPSE/E),

- Froudejevo število (inercija/gravitacija),

- Webrovo število (inercija/površinska napetost).

Običajno je nemogoče zagotoviti testne pogoje, ki bi zadovoljevale različna podobnostna

števila naenkrat. Zato zagotovimo enakost ali upoštevamo popravke tistega podobnostnega

števila, ki ima največji vpliv.

(k 3) Razmerja komponent hitrosti so enaka, če so enaki na modelu in prototipu

- pretočno število,

- tlačno število,

- kavitacijsko število.

Naloga

S pomočjo Excela preračunaj izmerjeno karakteristiko turbinskega stroja na več različnih

vrtilnih frekvenc in gostot medija. Izračunaj tudi karakteristike podobnih manjših in večjih

strojev (sprememba premera rotorja).


12

Vaja

Črpalka obratuje pri tlaku 1 bar in pretoku 100 m3/h. Za koliko se spremenita pretok in

tlak, če povečamo vrtilno frekvenco rotorja iz 1500 na 1800/min?

hmn

nVV

barn

npp

/120

44,1

3

1

212

2

1

212

Vaja

V optimumu obratuje turbina z 220 kW. Premer venca turbine je 1.3 m, padec je 4.8 m,

vrtilna frekvenca je 1.66/s. Izračunaj pri kateri vrtilni frekvenci obratuje geometrijsko

podobna turbina s premerom venca 0.65 m in padcem 7.5 m. Izračunaj moč podobne

turbine. Izkoristek turbine je 90%.

'

'

1

222215,4

'

''

''

' sH

Hn

D

Dn

nD

H

nD

H

n

n

D

D

Q

Q

nD

Q

nD

Q '''

''

'3

33

49,0''''''

Q

Q

H

H

gHQ

QgH

P

P

49,0' PP =107,4 kW

Vaja

Izračunaj razmerje moči za črpalko in petkrat manjši model D/D'=5, če poznamo razmerje

dobavnih višin H/H'=4 in imata obe črpalki enak izkoristek.

'

'

2222 ''

'

'''

nD

H

nD

H

QgH

gHQ

P

P

505

25

'''

5

2

'

'

''''

3

3

22

n

n

D

D

Q

Q

H

H

D

D

n

n

n

n

D

D

H

H

200'''

QgH

gHQ

P

P


13

Vaja

Model turbinskega stroja premera d obratuje z vrtilno frekvenco n in fluidom gostote .

Podoben stroj premera d' obratuje z vrtilno frekvenco n' in fluidom gostote '. Poiščite

razmerja pretokov Q/Q', energijskih razlik Y/Y' in moči P/P' v primeru, da oba stroja

obratujeta z enakim izkoristkom.

Številčni podatki: d/d'=2, n/n'=0.5 in /'=1.

'

'

4'''

''

'3

33

n

n

D

D

Q

Q

nD

Q

nD

Q

gHQpQP

gHY

n

n

D

D

H

H

nD

H

nD

H

1

'''''

'22

2222


14

Vaja 3. Vodostan

Uvod Vodostan je eden izmed ukrepov za zmanjševanje vodnega udara, ki nastane pri zapiranju

zapornega organa oziroma ventila pred turbino. Pri vaji bomo na modelu vodostana

izmerili masna nihanja pri zapiranju ventila. Merili bomo pri dveh različnih hitrostih

zapiranja ventila in pri določenem pretoku in višini.

Slika: Laboratorij za hidravliko, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in

geodezijo. Vodostan je valj na levi sliki, narejen iz pleksi stekla. Na desni sliki sta na levi

in v sredini prelivna umirjevalnika toka (modra barva).

Vodostan

Osnovne lastnosti in pomen vodostana lahko zapišemo z naslednjimi točkami:

- pomen vodostana: pri daljših dovodnih ali odvodnih rovih, dovodni rov je možno izdelati

s tankimi stenami, to pomeni ceneje,

- vodostan je drag objekt,

- v vodostanu so prisotna masna nihanja,

- pomen pri spreminjanju masnega pretoka (zapiranja ventilov) po vgradnji vodostana,

- v dovodnem rovu ni več tlačnega udara, oziroma tlačni udar v dovodnem rovu je v

razmerju presekov dovodnega rova in vodostana,

- v tlačnem rovu je še vedno prisoten vodni udar,

- enostavni vodstan imenujemo vodostan, kjer se presek zvezno spreminja z višino.

Ko zapremo ventil na turbini, se poviša vodna gladina v vodostanu, ker se vanj zliva voda

iz dovodnega rova. Ko doseže gladina vode v vodostanu višji nivo kot v jezeru, začne teči

voda po dovodnem rovu v jezero ali se vsaj pretok v dovodnem rovu zmanjša. Po nekaj

nihajih se pretok in višina ustalita.


15

tlačnicevovod

jezero

vodostan

turbina

dovodni cevovod

Slika: Shema vodostana. Vodostan se uporablja v primerih elektrarn z akumulacijskim

jezerom, ki je oddaljeno od turbine (velika dolžina dovodnega rova).

rezervoar v kleti60 m

3

črpalke:20 l/s50 l/s100 l/s

umirjevalec 2(preliv)

umirjevalec 1(preliv)

vodostan

zapiralniventil

tlačniodjem

tlačnipretvornik

trikotni preliv

pogled s sprednje strani,povratek vrezervoar v kleti

računalnik zazapis podatkov

regulacijskiventil zapretok

ročnanastavitev višine

merilnik kotazasuka ventila

Slika: Laboratorijski eksperiment, shema. Umirjevalniki toka služijo za natančno

nastavljenje višine, ker je gladina zaradi preliva natančno določena. Drugi umirjevalec

omogoča ročno nastavitev višine, s tem simuliramo višino jezera nad višino vodostana.

Qt

z

jezero

reka

turbina

hj

hb hdin hstat

L

ha

- , w -Q

ba w Q, -z

S S z= ( )presekgladina

Fg

Slika: Izpeljava enačb za vodostan, oznake.

Predpostavke, potrebne za izpeljavo enačb

Pri izpeljavi enačb masnega nihanja v vodostanu uporabimo naslednje predpostavke:


16

- presek )(zSS , to je presek vodostana se po predpostavki zvezno spreminja z višino,

- nestisljivost tekočine oziroma vode je konstantna, = konst,

- v vsakem trenutku je pretok Q v dovodnem rovu enak po celotni dolžini,

- vztrajnost mase vode v vodostanu in tlačnem rovu zanemarimo (majhna masa v

primerjavi z maso v dovodnem rovu),

- kinetično energijo vode v vodostanu zanemarimo, ker so hitrosti nihanja vode v

vodostanu majhne, predpostavimo hidrostatični tlak gh ob vznožju vodostana,

- gladina vode v jezeru se ne spreminja.

V nadaljevanju bomo zapisali dinamično in kontinuitetno enačbo za vodostan. Izpeljava in

poimenovanje spremenljivk sta deloma povzeta po knjigi Hidravlika nestalnega toka,

Rajar R., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana, 1980.

Izpeljava dinamične enačbe

Izhajamo iz Eulerjeve enačbe. Sprememba hitrosti v dovodnem rovu je posledica tlačne

razlike, ki pospešuje tok fluida (drugi člen na desni), in vztrajnosti zaradi masnih sil Fm

(prvi člen na desni, index m pomeni silo na enoto mase). Masne sile Fm so sestavljene iz

sile teže in iz sile trenja.

x

pF

dt

dwm

1

Predznak pri tlačnem členu (drugi člen na desni) je negativen, ker tok pospešuje od mesta z

manjšim tlakom (mesto a) k mestu, kjer je tlak večji (mesto b).

trmgmm FFF

sin zapišemo kot razmerje stranic (razmerje višin/L), ker je za majhne kote sin .

Naklon dovodnega rova je večinoma majhen.

L

hhg

m

FF bag

gm

sin

Sila trenja je sorazmerna uporu, torej kvadratu hitrosti oziroma pretoka.

trtr EmgLF

QQQEtr 2

L

QQmg

L

EmgF tr

tr

Absolutna vrednost v gornji enačbi služi za ohranitev predznaka sile trenja. Sila trenja v

gornji enečbi ima pozitiven predznak, ker smo v enačbi za masne sile zapisali trenje z

negativnim predznakom. Silo trenja na enoto mase zapišemo z naslednjim izrazom.

L

QQg

mL

QQmg

m

FF tr

trm


17

parcialni odvod tlaka po x izrazimo kot razliko tlakov na začetku in koncu dovodnega rova,

razliko tlakov pa zapišemo z višinami

ba

ajbjab hhzL

g

L

hhhzhg

L

pp

L

p

x

p

Vse zgoraj navedene člene vnesemo v Eulerjevo enačbo

L

zg

L

QQg

t

w

L

hhzg

L

QQg

L

hhg

t

w baba

spremembo hitrosti nadomestimo s spremembo pretoka

L

zg

L

QQg

t

Q

S

g

L

L

zg

L

QQg

t

Q

S

rov

rov

1

/1

0

QQz

t

Q

gS

L

rov

dinamična enačba za vodostan

Izpeljava kontinuitetne enačbe

Kontinuitetno enačbo zapišemo na podlagi naslednjega razmisleka: pretok na turbino je

enak pretoku skozi dovodni rov minus pretok v vodostan (če se vodostan prazni, je pretok

v vodostan negativen, to pomeni, da je pretok na turbino večji kot pretok skozi dovodni

rov). Qv je pretok skozi vodostan, Qr je pretok skozi dovodni rov, Qt pa je pretok skozi

turbino. Sv je presek vodostana, Sr pa je presek rova.

Z v označujemo hitrost v vodostanu, z w pa hitrost v rovu.

dt

dzv

wSvSQ

QQQ

rvt

vrt

Qt pretok na turbino

Pretok Q v dovodnem rovu spet zapišemo brez indeksa, enako kot pri dinamični enačbi.

Dinamično enačbo prepišemo.

Qdt

dzSQ vt kontinuitetna enačba za vodostan


18

0

QQz

t

Q

gS

L

rov

dinamična enačba za vodostan

Pretok na turbino spreminjamo z ventilom, torej je pretok na turbino znana spremenljivka.

Neznanki sta pretok v dovodnem rovu in gladina vode v vodostanu.

Q=Q(t) pretok v dovodnem rovu

z=z(t) gladina vode v vodostanu

Imamo dve enačbi z dvema neznankama, če ne upoštevamo koeficienta trenja in

geometrijskih izmer.

Začetni in robni pogoji za reševanje sistema enačb

a) začetni pogoj 2

0)0( Qtz

b) levi robni pogoj, višina gladine v jezeru se ne spreminja

hj=konst

c) desni robni pogoj, predpostavimo zapiranje ventila v skladu z naslednjo enačbo

0

0 1T

tQtQt

T0 - čas zapiranja ventila na turbini

Merjenje pretoka s trikotnim prelivom

Trikotni preliv je namenjen merjenju pretoka tekočin v odprtih kanalih. Višina vode na

prelivu je merilo za velikost volumskega pretoka. Na sliki sta prikazana trikotna preliva s

kotoma =90° in =45°.

Pretok čez preliv je vsota pretokov skozi infinitezimalno tanke namišljene šrafirane

površine po celotni višini vode H. Ker je višina vode za vsako lego površine različna, je

različna tudi hitrost iztekanja.

Predpostavimo element z višino h na višini h. Trikotni preliv nadomestimo z dvema

pravokotnima trikotnikoma. Širino elementa b zapišemo z naslednjo enačbo.

2tan2

hHb

Površina A šrafiranega elementa na sliki je enaka produktu višine in širine.

hhHA

2tan2


19

Slika: Trikotni preliv, namenjen merjenju pretoka tekočin v odprtih kanalih. Zgoraj preliv s

kotom =90°, spodaj preliv s kotom =45°.

Hitrost iztekanja zapišemo enako kot hitrost iztekanja tekočine iz rezervoarja. Hitrost

iztekanja narašča korensko z višino vode nad površino iztekanja.

ghv 2

Pretok preko infinitezimalno tankega elementa preliva je produkt njegove površine in

hitrosti toka.

hghhHQ

2

2tan2

Če gornji izraz integriramo med h=0 in h=H, dobimo naslednji izraz.

2/5

2/52/5

0

2/32/1

22

tan15

8

5

2

3

22

2tan22

2tan2

Hg

HHgdhhHhgQ

H

Teoretično izpeljan pretok ni natančno enak izmerjenemu, zato uvedemo koeficient

pretoka Cd, tako da je dejanski pretok enak

2/522

tan15

8HgCQ d

.

Trikotni preliv ima prednost pred pravokotnim, saj se pri trikotnem prelivu oblika

prelivnega polja hitrosti (angleško: nappe) relativno malo spreminja. To pomeni, da se s

pretokom Q koeficient pretoka Cd prav tako manj spreminja. S trikotnim prelivom lahko

merimo pretoke v velikem intervalu glede na velikost pretoka.

Gornjo enačbo uporabi pri določanju delovne točke pri vaji.


20

Naloga Sestavi merilni sistem, ki bo omogočal merjenje višine vode v vodostanu, pretoka skozi

vodostan in zasuka ventila.

Izmeri masna nihanja v modelu dovodnega kanala v vodno elektrarno.

Meritve izvedi pri dveh različnih hitrostih zapiranja ventila.

Opis merilnih mest in merilne opreme Meritev vsebuje naslednje spremenljivke:

- merjenje višine vode v umirjevalniku toka,

- meritev pretoka vode skozi vodostan na trikotnem prelivu,

- merjenje tlaka v dovodni cevi s tlačnim pretvornikom,

- merjenje zasuka ventila,

- določanje integralnih spremenljivk oziroma dimenzij sistema ,

- posnemanje merjenih vrednosti na računalnik.

Višino vode v umirjevalniku toka izmerimo s tračnim merilnikom razdalje. Kot referenco

vzamemo višino v drugem umirjevalniku toka.

Pretok vode merimo s 45° trikotnim prelivom za vodostanom in za ventilom. Pretoka vode

ni mogoče meriti elektronsko in ga posnemati z merilno kartico. Uporabi enačbe, ki smo

jih izpeljali zgoraj. Koeficient pretoka Cd bo preberi iz slike v laboratoriju ali iz slike, ki je

predstavljena pri laboratorijski vaji trikotni preliv.

Tlak v dovodni cevi merimo s tlačnim pretvornikom Endress Hauser z obsegom od 0 do 4

bar. Meritev s tem merilnikom poteka relativno glede na atmosferski tlak. To pomeni, da je

potrebno priključiti le en tlačni priključek, drugi je odprt v merilem pretvorniku glede na

atmosfero.

Električno merilnik priključujemo dvožilno. Napajanje tlačnega pretvornika je DC 24 V,

za kar uporabimo prvi izhod napajalnika Agilent. Pri dvožilni priključitvi je potrebno za

posnemanje z merilno kartico uporabiti delilnik napetosti. V ta namen imaš na voljo več

upornikov, izberi ustrezna dva in jih priključi v skladu s sliko. Merilna kartica ima obseg

od 0 do 5 V. Tlačni pretvornik je potrebno pred meritvijo odzračiti in določiti njegovo

višino.

Slika: Električna priključitev merilnika tlaka na voltmeter ali merilno kartico.

Merjenje zasuka ventila bomo izvedli s preciznim rotacijskim uporom. Rotacijskemu

uporu se spreminja upornost na sponkah glede na zasuk gredi. Uporabi drugi izhod

napajalnika za generacijo napetosti. Z merjenjem upornosti na vseh treh sponkah

rotacijskega upora ugotovi, kako boš izvedel električno vezavo. Izhod iz rotacijskega upora

priključi na drugi analogni vhod merilne kartice. Merilna kartica ima obseg od 0 do 5 V.


21

Določi, kateri kot ustreza posamezni napetosti na merilni kartici in naredi umeritveno

krivuljo za rotacijski upor.

Integralne spremenljivke so višina vode v zgornjem rezervoarju, pretok, preseki

dovodnega cevovoda in vodostana in čas zapiranja ventila. Pred ali po meritvi določi

dušenje sistema v ravnosvesnem stanju. Pretok izmeri s trikotnim prelivom. Za zapiranje

predpostavi, da je ventil linearen.

Posnemanje tlaka in kota zasuka ventila z računalnikom bomo izvedli s 16 bitno merilno

kartico NI 6036 in programsko opremo NI Labview. Izberi ustrezen čas in frekvenco

posnemanja za zapis na disk. Programsko opremo bo pripravil asistent.


22

Vaja 4. Meritev karakteristike aksialne vodne turbine

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.


- 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 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

D

ZAA

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.


23

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

50 lb na določenem radiju, kar omogoča merjenje navora turbine. Na ojačevalniku izberi

napetostni izhod 0-10V.

Elektromagnetni merilnik pretoka ABB Watermaster FEV 111 DN 150 s tokovnim

izhodom 4-20 mA je nameščen na vstopu v turbino.

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.


24

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.

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


25

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

Slika. Modelna turbina, laboratorij za FGG, laboratorij za hidrotehniko.


26

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 50 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.

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 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.

Pri meritvi zaradi varnosti ne smeš prekoračiti vrtilne frekvence 500/min.

Naloga

1. Določi delovno točko turbine glede na pretočno in tlačno število.

2. Računalnik z merilno kartico, ki je nameščen v električni omarici, ima nameščeno

programsko opremo za prikaz merjenih vrednosti na zaslonu. Uporabljaj tudi zaslone

posameznih merilnikov, s katerih odčitaj izmerjene vrednosti.

3. Odzrači napeljavo, določi višino turbine in višini tlačnih pretvornikov.

4. Izračunaj pretoke in tlake, ki ustrezajo hidravlični točki, ki jo definirata odprtje

vodilnika in kot rotorskih lopatic.

5. Nastavi frekvenčni pretvornik tako, da bo vzdrževal konstantno vrtilno frekvenco

turbine.

6. Izberi način meritve.

7. Izmeri trenje v ležajih, če turbina deluje v zraku, uporabi merilnik navora. Določi ročico

merilne celice za silo in oceni izgube v ležajih turbine.


27

8. Izmeri karakteristiko turbine. Karakteristiko 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.

9. Preračunaj karakteristiko na izvedbo turbine.

10. V poročilu navedi vse nastavitve merilne postaje in merilnih inštrumentov, nariši

shemo eksperimenta, zapiši postopek analize in enačbe za preračun, ter grafično predstavi

rezultate.


28

Vaja 5. HE Hubelj

Uvod

Namen vaje je spoznati turbino in spremljevalne sisteme na HE Hubelj ter izmeriti delovno

točko stroja.


- merjenje pretoka,

- merjenje tlaka,

- osnove posnemanja meritev in A/D pretvorb.

HE Hubelj

HE Hubelj izkorišča vodo vodotoka Hubelj. Podatki za HE Hubelj so sledeči:

Začetek obratovanja: 1931

Bruto padec: 110 m

Srednji pretok: 2,80 m³/s

Skupni instalirani pretok: 2,70 m³/s

Instalirana moč: 2,100 MW

Turbina: Francis

Letna proizvodnja: 10.000 MWh

Slika. Reka Hubelj.


29

Slika. Izvir in zajetje vodotoka Hubelj. Desno zapornica za biološki minimum in

odpeskovalna zapornica, desno zadaj je vidna nova vodarna.

Slika: Zgornji umirjevalčni bazen in zapornica zgornjega umirjevalnega bazena.

Slika. Dovodni rov (levo) in tlačni cevovod (sredina in desno)


30

Slika. Bypass ventil za izpust v primeru zasilne zaustavitve, krogelni predturbinski ventil

in bypass preko predturbinskega krogelnega ventila.

Slika. Strojnica, dve Francisovi turbini različne velikosti, vztrajnika za otočno obratovanje,

generator. Vidna je tudi regulacija odprtja vodilnika.

Slika. Transformator vzbujanja (levo) in transformator (desno).


31

Slika. Povezava elektrarniškega (na desni sliki desno) in dispečerskega dela (na desni sliki

levo).

Slika. Iztok iz elektrarne (levo), desno strojnična zgradba.

Slika. Danes je elektrarna vodena z elektronskim regulatorjem. Pred tem so upoprabljali

stari mehanski regulator.

Naloga

Vsebino naloge bomo določili v dogovoru z osebjem SENG, zato bo vsebina znana šele na

dan ogleda.


32

Vaja 6. Model vetrovnika v Planici

Uvod

Namen vaje je določiti delovno točko modela vetrovnika v Planici.


- merjenje hitrosti toka s Pitotovo cevjo,



Vetrovnik v Planici

Pri izdelavi vetrovnika v Planici je bila naloga skupine na Fakulteti za strojništvo izdelati

model vetrovnika na podlagi geometrijske oblike, ki jo bo podal CFD izračun. CFD

izračun je bil prav tako izveden na FS. Model vetrovnika naj bi bo verno predstavil

tokovne razmere v vetrovniku v Planici. Pri tem model vetrovnika omogoča:

- določiti skupno uporovno karakteristiko sistema,

- določiti upore posameznih elementov sistema,

- ugotoviti mesta trganja toka,

- predloge korektivnih ukrepov za zmanjšanje trganja toka in za zmanjšanje skupne

uporovne karakteristike sistema,

- primerjavo s CFD analizo.

Vstopni pogoji študije so bili:

- določena geometrija aerodinamskega sistema, premer padalske sekcije 3.6 m,

- priključna električna moč na ventilatorskem sklopu (1.8 MW),

- povprečna hitrost v vertikalnem vetrovniku (od 180 km/h do 265 km/h) in

- povprečna hitrost v horizontalnem vetrovniku (od 110 km/h do 150 km/h).

Željen je homogen profil hitrosti v vertikalni in horizontalni sekciji sistema.

Slika. Levo: nordijski center v Planici. Objekt v sredini je vetrovnik. Desno: aerodinamski

model vetrovnika.

Modelni preračun

Modelni preračun izvedemo tako, da želimo doseči podobnost Reynoldsovih števil.

Preračun iz izvedbe na model deluje na podlagi teorije podobnosti.


33

Dva modela sta hidravlično enaka, če je zagotovljena dimenzijska, kinematična in

dinamična podobnost. V praksi to ni izvedljivo, zato skušamo predvsem zagotoviti enakost

oziroma ustreznost Reynoldsovih števil.

Izberemo lahko predpostavko: velikost naj bo v razmerju model : izvedba 1:36. S tem

zadostimo naslednjim pogojem za model:

- dovolj velik testni del za izvedbo meritev,

- obvladljive mere postaje,

- možnost povišanja temperature,

- majhna moč pogonskih propelerjev,

Kot medij v modelu bomo uporabili vodo.

Pri modelnem izračunu naj bo mogoče spreminjati in prilagajati naslednje parametre:

- hitrost,

- dimenzija - premer kanala,

- dimenzija - premer človeka,

- presek človeka,

- dinamična viskoznost,

- sila upora na človeka 1 Planica / FS,

- sila upora na človeka 2 izračunana iz Cd,

- sila teže - sila vzgona,

- temperatura,

- Reynoldsovo število preračunano na premer človeka,

- Reynoldsovo število preračunano na premer kanala,

- moč ventilatorja/črpalke,

- pretok,

- dinamični tlak na mestu testnega dela,

- statični tlak (numerični izračun pri 180 km/h v padalski sekciji),

- statični tlak pri izbrani hitrosti,

- totalni tlak ventilatorja,

- aerodinamska moč ventilatorja,

- električna moč ventilatorja (eta=0.60).

Izhajamo iz predpostavke, da je na modelu in izvedbi potrebno zagotoviti enako

Reynoldsovo število. To je na modelu najlažje zagotoviti z vročo vodo, saj je kinematična

viskoznost za vodo dosti manjša od kinematične viskoznosti za zrak. Hkrati smo želeli, da

je v testni sekciji (padalska ali skakalna) hitrost toka okrog 1 m/s, saj sicer ni možna

vizualizacija toka.

Za ohranjanje enakega Reynoldsovega števila je potrebna zelo velika hitrost in posledično

izjemno velika moč na gredi pogonskih propelerjev. Zaradi tega smo se odločili, da se

žrtvuje popolna podobnost Reynoldsovih števil in da se zmanjša Reynoldsovo število za

razmerje do 50x, s čimer se je hitrost v padalski sekciji zmanjšala na 1 m/s. Ob tem smo se

odločili za premer skakalne sekcije 10 cm. Ta velikost je bila določena za geometrijsko

obliko, ki je imela valjasto skakalno sekcijo. Premer 10 cm omogoča izvedbo meritev,

vizualizacijo, hkrati pa je primeren kompromis tudi glede pogona (največja potrebna moč

za pogon) in priročnosti.


34

Slika. Modelni preračun, izvedba v Excelu.

Izvedba modela vetrovnika

Model vetrovnika je izdelan iz aluminija. Za vse kose je bil izdelan 3D model, primeren za

rezkanje. Vsak posamezen element je izdelan iz dveh polovic, kar je potrebno zaradi

rezkanja. Iz aluminija so izdelani naslednji deli:

- ventilatorski del,

- koleno 1 90°,

- konfuzor,

- koleno 180°,

- koleno 2 90°,

- padalska sekcija (vsebuje okno iz pleksi stekel),

- skakalna sekcija (vsebuje del iz pleksi stekla),

- držala elektromotorjev in nosilca propelerja,

- povratni kanal,

- vodilnik propelerja (ta je izdelan s 3D tiskom).

Tesnenje je izvedeno z gumijasto tesnilko, vgrajeno v utor. Tesnenje je izvedeno med

dvema polovicama in posameznimi deli. Padalska sekcija je iz enega kosa in narejena na

CNC stružnici, ker je izvrtina okrogla. Skakalna sekcija ima dve okni velikosti 75x100 mm

na straneh. Za pozicioniranje posameznih delov enega glede na drugega so predvideni čepi.

Vijačenje je z vijaki, ponekod je potrebno vijačenje v aluminij, ponekod pa uporaba

navojnih palic. Nekateri kosi so veliki in imajo konkavne površine, kar je močno otežilo

izdelavo, saj je bilo potrebno deljenje na več kosov in obračanje. Model je postavljen v

laboratoriju LVTS v lovilni posodi, ki je bila izdelana posebej za ta namen. Lovilna posoda


35

omogoča, da je celoten model vetrovnika postavljen v njej in da bo omogočeno varno

dolivanje in odlivanje vode.

Slika. Model vetrovnika za izdelavo s CNC rezkarjem.

Pogonski sklop

Pogonski sklop za modelni vetrovnik smo določili, še preden smo vedeli, kateri ventilatorji

bodo vgrajeni v izvedbi vetrovnika (v vetrovnik bosta vgrajena ventilatorja 2x premera

3600 mm, 2x 1MW). Pri tem smo si pomagali s kataloškimi podatki slovenskega

proizvajalca Klima Celje za velike aksialne ventilatorje z vodilnikom. Izbrani ventilator N-

AVV-K-180/80-8 smo preračunali po premeru in vrtilni frekvenci glede na potrebne

delovne točke.


36

Slika 15. Kataloški podatki za ventilatorje, ki so bili uporabljeni za določitev za potrebe

modela vetrovnika.

Kasneje smo izbrali pogonski vijak. Glede na to, da smo se odločili izdelati model v

razmerju glede na vetrovnik 1:36, smo izbrali vijak s premerom 62.5 mm. Ob tem smo

nabavili tudi pogonske gredi ustrezne dolžine in elektromotorje ustrezne moči. Ker je pri

pogonu vrtilna frekvenca nizka, je bilo potrebno izbrati večje elektromotorje, ki omogočajo

delovanje pri nizki vrtilni frekvenci.

Izbrali smo vijak Graupner 2308.65L s korakom 0.034 m in premerom 0.065 m (kasneje

smo ga postružili na 0.062 m), ki izračunano pri 50 obr/s, pri uporabi dveh vijakov

zagotavlja hitrost 1.44 m/s v skakalni sekciji, če ne upoštevamo zdrsa. Z upoštevanjem

zdrsa bo hitrost v skakalni sekciji znašala pri navedeni vrtilni frekvenci približno 1 do 1.2

m/s. Vijak lahko zavrtimo z nižjo ali višjo vrtilno frekvenco. V laboratoriju imamo na

voljo vso opremo za napajanje obeh elektromotorjev.

Ventilatorji, ki bodo vgrajeni v vetrovnik, bodo imeli prigrajen aksialni vodilnik. Vodilnik

služi za usmerjanje toka in s tem zmanjšuje tangencialno komponento hitrosti na izstopu.

Da bi na modelu vetrovnika dosegli enake razmere, smo morali zagotoviti enake lastnosti

toka na izstopu iz pogonskega sklopa kot kasneje v vetrovniku, to je brez tangencialne

komponente hitrosti. V ta namen smo izvedli meritve izstopnega kota s petluknjično sondo.

Na podlagi rezultatov meritev smo se odločili za konstanten izstopni kot 15° na vodilniku.

Kasneje smo model vetrovnika zasnovali tako, da je možno izmenjevanje vodilnikov

pogonskega vijaka.


37

Slika. Pogonski sklop.

Naloga

Pri vaji je potrebno izvesti naslednje:

- z modelnim izračunom izračunati velikost in moč ventilatorjev izvedbe ter določiti

njihovo vrtilno frekvenco, da bo padalec lebdel v padalski sekciji,

- izmeriti delovno točko modela vetrovnika (pri tem meritve pretoka izvedi preko meritev

hitrosti toka s petluknjično sondo na vstopu v padalsko sekcijo, meritve tlaka izvedi preko

meritev diferencialnega tlaka na pogonskih vijakih in meritve vrtilne frekvence z ročnim

merilnikom frekvence),

- izmerjeno delovno točko modela vetrovnika preračunaj na delovno točko vetrovnika v

Planici.

Pri vaji kot pomoč pri merjenju hitrosti s petluknjično sondo uporabi opis meritve s

petluknjično sondo, ki opisan pri vaji: Laboratorijska vaja - Meritev izstopnih trikotnikov

hitrosti aksialnega turbinskega stroja s petluknjično sondo.

Za meritve tlaka s petluknjično sondo že imaš pripravljene 4 diferencialne tlačne

pretvornike, računalnik z merilno kartico, priključno škatlo in programsko opremo za

meritve. Za vstavljanje petluknjične sonde je na vetrovniku pripravljeno držalo sonde, ki se

ga da uvijačiti v model vetrovnika. Iste tlačne pretvornike lahko uporabiš za meritev tlačne

razlike na obeh vijakih. Priključne cevke so priložene.


38

Vaja 7. Meritev izstopnih trikotnikov hitrosti aksialnega

turbinskega stroja s petluknjično sondo

Uvod

Namen vaje je izmeriti izstopne trikotnike aksialnega turbinskega stroja. Meritve bodo

potekale na ventilatorja Rotomatika.


- merjenje hitrosti toka s Pitotovo cevjo,


- meritev vrtilne frekvence,


Merilna postaja

Merilna postaja ne ustreza standardom za merjenje karakteristik ventilatorjev.

Uporabljamo jo zaradi pomanjkanja prostora. Do razlik prihaja predvsem zato, ker zrak v

komori pred ventilatorjem ne miruje. Izbiro postaje lahko upravičimo tudi s tem, da so

ventilatorji tega tipa vgrajeni tako, da tudi pri vgradnji v klimatsko napravo pred

ventilatorjem ni komore.

perforirana mreža

ventilator

tlacni prikljuckiza meritev staticnegatlaka

pozicionirna mizapetluknjicna sonda

umirjevalna komora

tlacni pretvorniki

Slika: Shema merilne postaje.


39

Petluknjična sonda

Petluknjična sonda omogoča merjenje vektorja hitrosti toka fluida. Temelji na princupu

merjenja tlačne razlike na petih luknjicah v merilnem volumnu.

Slika: petluknjična sonda - senzorski del, kjer so luknjice za meritev komponent hitrosti

toka.

Slika: Petluknjično sondo vrtimo okrog osi (radialno glede na ventilator) za kot , dokler

ni natok toka zraka pravokoten na sondo. Kot preberemo iz umeritvene krivulje.

Pri meritvi vrtimo sondo, dokler sonda ne kaže v smeri vrtenja proti vektorju hitrosti.

Takrat je p2=p3 in preberemo kot (yaw) s pozicionirne mize.

Kot (pitch) preberemo z umeritvene krivulje petluknjične sonde.

Za določitev vseh parametrov potrebujemo štiri tlačne pretvornike, pA do pD.

Meritve tlakov pA=p1-patm

pB=p1-p2

pC=p2-p3 =>0

pD=p4-p5

p1, p2, p3 in p4 so priključki na petluknjični sondi. pA, pB, pC in pD so tlačni pretvorniki, s

katerimi merimo.


40

Slika : Petluknična sonda, razporeditev petih luknjic.

Postopek meritve

V nadaljevanju si oglejmo postopek meritve :

1. določimo , ko je p2 = p3, iz nastavitve na pozicionirni mizi

2. izmerimo 21

54

pppp

3. Izračunamo po umeritveni krivulji za

3,6579 +54,829x + 12,659x + 7,3545x- 28,787x - 9,0751x - 1,089x1)( 23456

21

54

xf

pp

ppf

4. izračunamo po spodnji umeritveni krivulji

1,013582 + 10.00344353 - 103,95666

+ 102,36451- 103,145655 - 102,147436 10314815,1

204-

306-407-509-610-

21

pp

pp st

5. izračunamo absolutno hitrost in komponente hitrosti (aksialna, tangencialna, radialna)

sincossincoscos)(2

CCCCCCpp

C zyx

st


41

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

(p4-p5)/(p1-p23) (-)

del

ta (

°)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

delta (°)

(pt-

ps)

/(p1-p

23)

Merilni pretvorniki in pozicionirna miza

Uporabili bomo diferencialne merilne pretvornike za tlak Endress Hauser PD 235 z

obsegom 0-10 mbar, merilna negotovost 0.1% (pri merilnem območju 1000 Pa torej 10

Pa), tokovni izhod 4-20 mA, dvožilna priključitev na A/D petvornik.


42

Merilni pretvorniki, merilni računalnik in pozicionirni sistem so električno ločeni od

merilne postaje z ločilnim transformatorjem. Merilna postaja in ventilator so ozemljeni

preko priključnega električnega kabla elektromotorja.

Natančnost nastavljanja lege s pozicionirno mizo je omejena z nastavitvijo začetne točke,

ki naj bo os ventilatorja. Pri premikanju iz ene v drugo merilno točko je natančnost boljša

kot 0.1 mm. Pozicionirna miza je krmiljena z računalnikom preko serijske RS 232

povezave. Pri premikanju nastavljamo os, hitrost in dolžino premika.

Zajemanje podatkov s programsko opremo Labview

1. Nastavimo delovno točko. Izberemo željeni pretok, vpišemo tlak.

2. Izmerimo vrtilno frekvenco ventilatorja (uporabimo ročni optični merilnik).

3. Premaknemo petluknjično sondo v pravilno lego, vpišemo v ustrezno okence.

4. Merimo pA, pB, pC in pD.

5. Iz nastavitve na pozicionirni mizi določimo , ko je p2 = p3, vpišemo v okence kot

6. Vklopimo tipko za posnemanje na disk, počakamo čas povprečenja.

Slika: programska oprema Labview.

Naloga Izmeri vektorje hitrosti toka pri električni priključitvi ventilatorja z nizko hitrostjo pri

največjem pretoku v petih točkah po radiju. Meri na izstopu iz ventilatorja in kote

primerjaj s koti lopatice. Kote lopatice na istih mestih izmeri ročno.

Documents

Vaje - University of Ljubljanalab.fs.uni-lj.si/kes/hidroenergetski_sistemi/... · Črpalka KSB Etanorm 50-125 je namenjena poganjanju tekočine na postaji za merjenje kavitacije