Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
EKSPERIMENTALNA IN NUMERIČNA ANALIZA
PREHODNEGA KAVITACIJSKEGA
OBRATOVALNEGA REŽIMA V RADIALNI
VODNI ČRPALKI Diplomsko delo
Maribor, januar 2010
Študent: Marko Grušovnik
Študijski program: Univerzitetni, Gospodarsko inženirstvo
Smer: Strojništvo
Mentor: redni. prof. dr. Andrej Predin
Mentor: redni. prof. dr. Duško Uršič
- II -
Vložen original
sklepa o potrjeni
- III -
I Z J A V A
Podpisani Marko GRUŠOVNIK izjavljam, da:
• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom rednega.
prof. dr. Andreja PREDINA in somentorstvom rednega. prof. dr. Duška URŠIČA, ter
izr. prof. dr. Aleša Hribernika .
• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;
• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet
Univerze v Mariboru.
Maribor,14.1.2009 Podpis:
- IV -
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorjema rednemu prof. dr. Andreju
Predinu, rednemu prof. dr. Dušku Uršiču in so
mentorju izr. prof. dr. Alešu Hriberniku, dr. Ignaciju
Bilušu za njegovo pomoč in potrpežljivost, ter Mariu
Vetrihu, inž. el. za pripravo merilne proge.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili
študij.
- V -
EKSPERIMENTALNA IN NUMERIČNA ANALIZA
PREHODNEGA KAVITACIJSKEGA OBRATOVALNEGA
REŽIMA V RADIALNI VODNI ČRPALKI
Ključne besede:
temperatura, kavitacija, termografska kamera, termografija, radialne črpalke.
UDK: 621.671:532.528(043.2)
POVZETEK
V diplomskem delu smo predstavili problematiko pregrevanja vodne radialne črpalke
CN65/125 na merilni progi v laboratoriju za turbinske stroje. Pregrevanje vodne radialne
črpalke CN65/125 se pojavlja kot posledica kavitacije pri različnih režimih. Prikazali smo
dva načina odkrivanja povišane temperature vodne radialne črpalke. Meritev temperature
smo izvajali s termografsko kamero ter jo primerjali s kontaktnim termometrom. V opisu
metode termografije smo predstavili prednosti, ki jih ponuja merjenje z termografsko kamero.
Rezultati eksperimentalne raziskave so primerjani z numerično analizo prehodnega
kavitacijskega režima z lastno eksperimentalno raziskavo. Prikazali smo tudi vpliv
kavitacijske erozije na življenjsko dobo vodne radialne črpalke, ter nastale stroške ,ki jih
povzroči kavitacijska erozija.
- VI -
EXPERIMENTALE UND NUMERISCHE ANALYSE DES
ÜBERGANGS KAVITACON REGIMS EINER RADIALEN
WASSERPUMPE
Schlüsselworte:
Temperatur, Kavitation, Thermografiekamera, Thermografie, Radialpumpen.
UDK: 621.671:532.528(043.2)
ZUSAMMENFASSUNG
In der Diplom-Arbeit, präsentierten wir das Problem, der Überhitzung der Wasserpumpe
CN65/125, an der messungs- rute, im Labor für die Turbinen Maschinen. Als folge der
Kavitation, tritt in verschiedenen Anordnungen eine Überhitzung, der Wasserpumpe
CN65/125. Wir zeigen zwei Möglichkeiten zum Nachweis erhöhter Temperatur der
Radialpumpe. Die Temperatur-Messungen wurden mit termografischer Kamera durchgeführt
und mit der Messung des Kontakt-Thermometer verglichen. In der Beschreibung des
Thermografie-Verfahren präsentieren wir die Vorteile von der Messung mit der Thermo
Kamera. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden mit der numerischen
Analyse, des kavitations- Übergangs regims verglichen und mit unseren eigenen
experimentellen Studie. Wir zeigen auch die Auswirkungen der Kavitationerosion auf die
Lebensdauer von radialen Wasser Pumpen, sowie die Kosten die durch Kavitationerosion
entstanden sind.
- VII -
KAZALO
1 UVOD ................................................................................................................................ 1
2 OPREDELITEV PODRČJA, OPIS PROBLEMA IN ZGODOVINA ........................ 3
2.1 OPREDELITEV PODROČJA .............................................................................................. 3
2.2 POGOJI ZA NASTOP KAVITACIJE ..................................................................................... 4
2.3 KAVITACIJSKI VRTINEC V SESALNEM VODU RADIALNE VODNE ČRPALKE ...................... 6
2.4 OPIS PROBLEMA PREHODNEGA KAVITACIJSKEGA REŽIMA ............................................. 8
2.4.1 Stabilnilni kavitacijski obratovalni režim ........................................................... 8
2.4.2 Nestabilni kavitacijski obratovalni režim ........................................................... 8
2.4.3 Prehodni obratovalni kavitacijski režim ............................................................. 9
2.5 ZGODOVINSKI PREGLED RAZISKOVANJA KAVITACIJE .................................................. 10
3 EKSPERIMENTALNA RAZISKAVA ....................................................................... 11
3.1 MERJENJE TEMPERATURE S TERMOGRAFSKO KAMERO ................................................ 11
3.2 GLAVNE ZNAČILNOSTI TERMOGRAFIJE ........................................................................ 11
3.3 TERMOGRAFSKE NAPRAVE .......................................................................................... 12
3.4 VPLIVI NA DELOVANJE IN TOČNOST MERITEV ............................................................. 12
3.5 SESTAVA TERMOKAMERE............................................................................................ 14
3.6 DELOVANJE TERMOKAMERE ....................................................................................... 16
3.7 OPIS NAPRAVE FLIR SYSTEMS THERMACAM E65 ...................................................... 18
3.8 MERJENJE PRETOKA TEKOČINE Z ELEKTROMAGNETNIM MERILNIKOM PRETOKA ......... 21
3.8.1 Opis naprave WATERMASTER (elektromagnetni merilnik pretoka) ............ 21
3.9 MERILNA PROGA ZA ZASLEDOVANJE KAVITACIJSKIH POJAVOV ................................... 23
3.10 MERILNA PROGA ......................................................................................................... 23
3.11 TEHNIČNI PODATKI ..................................................................................................... 25
3.12 REZULTATI IZVEDBE EKSPERIMENTOV ........................................................................ 27
3.12.1 Uporaba termografije pri merjenju temperature ............................................... 27
3.13 MERITEV PRI PRETOKU 0L/S IN ATMOSFERSKEM TLAKU ........................................... 28
3.14 MERITEV PRI PRETOKU 0L/S IN PODTLAKU 0,3ρ = − ................................................. 30
3.15 MERITEV PRI PRETOKU 0L/S IN PODTLAKU 0,5ρ = − ................................................. 31
3.16 MERITEV PRI PRETOKU 0L/S IN PODTLAKU 0,7atmsρ ρ ρ= − ......................................... 33
- VIII -
3.17 PRIMERJAVA REZULTATOV TEMPERATURE MED KONTAKTNIM TERMOMETROM IN
TERMOKAMERO. .................................................................................................................... 34
4 MERITVE V PREHODNEM KAVITACIJSKEM REŽIMU ................................... 36
4.1 NUMERIČNA ANALIZA ................................................................................................. 36
4.2 ZAKONI OHRANITVE .................................................................................................... 39
4.2.1 Zakon ohranitve mase ....................................................................................... 39
4.2.2 Zakon ohranitve gibalne količine ..................................................................... 39
4.2.3 Konstitutivni model – zakon tečenja ................................................................ 40
4.2.4 Zakon ohranitve snovi ...................................................................................... 40
5 VPLIV KAVITACIJE NA ŽIVLJENJSKO DOBO IN STROŠKE VODNE
RADIALNE ČRPALKE ........................................................................................................ 41
5.1 KAVITACIJSKA EROZIJA .............................................................................................. 41
5.2 VRSTE KAVITACIJSKE EROZIJE .................................................................................... 42
5.3 DOLOČANJE STOPNJE KAVITACIJSKE EROZIJE .............................................................. 43
5.4 ŽIVLJENJSKA DOBA ROTORJA ...................................................................................... 47
5.5 STROŠKOVNA ANALIZA ............................................................................................... 48
6 ZAKLJUČEK ................................................................................................................. 51
7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV .......................................................................... 52
8 PRILOGE ........................................................................................................................ 53
- IX -
KAZALO SLIK
Slika 2.1:Obratovalne karakteristike črpalke pri različnih vrtilnih hitrostih
rotorja 1 2n n≥ Grist[5].......................................................................................................... 3
Slika 2.2 Potek tlaka in nastop kavitacije v kapljevinskem toku, Brennen [4] .......................... 5
Slika 2.3 : Pojav kavitacije ......................................................................................................... 5
Slika 2.4: Kavitacijski obratovalni režimi, Grist [8] .................................................................. 6
Slika 2.5: Hitrostne razmere ob pretokih, ki so različni od preračunskega oziroma optimalnega
pretoka,[9]........................................................................................................................... 7
Slika 2.6: Skica stabilnega kavitacijskega obratovalnega režima, Grist[5] ................................ 8
Slika 2.7 : Skica nestabilnega kavitacijskega obratovalnega režima, Grist [5] .......................... 9
Slika 2.8 : Skica prehodnega kavitacijskega obratovalnega režima Grist[5] ............................. 9
Slika 3.1: Setava termo kamer[13] ........................................................................................... 14
Slika 3.2 : Termogrfski posnetek .............................................................................................. 16
Slika 3.3 . Princip delovanja termografske kamere .................................................................. 17
Slika:3.4 : Termografska kamera proizvajalca FLIR Systems, TermaCam E65...................... 19
Slika 3.5 : Inovativna osmerokotna izvrtina Watermaster ....................................................... 22
Slika 3.6: Watermaster družina ................................................................................................ 22
Slika 3.7 : merilna proga .......................................................................................................... 24
Slika 3.8 : Dušilna krivulja črpalke pri n=2900 1min− ............................................................ 25
Slika 3.9 : Merilna proga v laboratoriju ................................................................................... 25
Slika 3.10 : Vakuumska črpalka Becker VT 4.4 tip D62A2 .................................................... 26
Slika 3.11 : Prikaz delovnega mesta z nameščeno termografsko kamero ................................ 27
Slika 3.12 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke ................................................... 28
Slika 3.13 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke .................................................... 30
- X -
Slika 3.14 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke .................................................... 31
Slika 3.15 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke .................................................... 33
Slika 3.16 : Kontaktni termometer ........................................................................................... 34
Slika 3.17 : Kontaktni termometer Metex M-4660-a ............................................................... 35
Slika 4.1 Diagram hitrosti toka skozi črpalko .......................................................................... 36
Slika 4.2 Diagram tlakov .......................................................................................................... 37
Slika 4.3 Kontrolna točka ......................................................................................................... 37
Slika 4.4 Graf naraščanja temperature ...................................................................................... 38
Slika 5.1 : Kavitacijske poškodbe na sfereoidni fazi :a), lamelni Fe strukturi b) .................... 41
Slika 5.2 : Stopnja erozije kot funkcija trdote HB - odpornosti materiala (KW) ..................... 44
Slika 5.3 : Kavitacijska erozija pri različnih materialih, [12] ................................................... 45
Slika 5.4 : Kavitacija v rotorskih kanalih ................................................................................. 46
Slika 5.5 : Življenjska doba črpalke pri različnih pretočnih režimih, [12] ............................... 47
- XI -
KAZALO TABEL
Tabela 3. 1 Emisivnost materialov [13].................................................................................... 13
Tabela 3. 2 : Tehnični podatki Thermacam E65 ...................................................................... 20
Tabela 3. 3 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in atmosferskem tlaku ...................................... 29
Tabela 3. 4 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0.3atm pρ ρ= − ................................. 30
Tabela 3. 5 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0,5atmp p p= − ................................. 32
Tabela 3. 6 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0,7atmp p p= − ................................. 33
Tabela 3. 7 : Stroškovna analiza ............................................................................................... 50
KAZALO GRAFOV
Graf 3. 1 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa.......................................................... 29
Graf 3. 2 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa.......................................................... 31
Graf 3. 3 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa.......................................................... 32
Graf 3. 4 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa.......................................................... 34
Graf 3. 5 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa merjeno z kontaktnim termometrom
.......................................................................................................................................... 35
- XII -
UPORABLJENI SIMBOLI
A - površina
a - konstanta
C - poljubna spremenljivka
CC - kapitalizirani stroški
C p - tlačni koeficient
pc min - najmanjši tlačni koeficient
D - snovska difuznost
d - premer oziroma karakteristična dimenzija pretočnega prereza
refd - Odvzem materiala referenčnega materiala
sloptd - povprečna debelina lopatice
RE - stopnja kavitacijske erozije
minf - gostota volumenske sile
F - Funkcija
sF��
- površinska sila
vF��
- volumenska sila
vF - volumenska sila
g - gravitacijski pospešek
H - črpalna višina
HKI - hidrodinamična kavitacijska inzenziteta
HB - trdota materiala črpalke
refHB - trdota referenčnega materiala
I - izviri in ponori
KW - kavitacijski odpor
K - Koeficient trdote
m� - masni pretok
- XIII -
n - število vrtljajev rotorja
, jn n�
- normala na površino
NPSH - neto pozitivna sesalna višina
p - tlak
p A - referenčni tok nemotenega toka
atmp - atmosferski tlak
1p - absolutni tlak na vstopu v črpalko
2p - tlak v zastojni točki
0,3p - pod tlak
0,5p - pod tlak
0,7p - pod tlak
pp - parcialni tlak pare
p vap - uparjalni tlak,
elP - električna moč
S - površina kontrolnega koeficient lepenja
0S - površina mirujočega kontrolnega volumna
tS - površinska napetost
t - Življenjska doba črpalke
T - temperatura
V� - volumenski pretok
U - referenčna hitrost nemotenega toka,
u�
, ju - hitrost
iu - časovno povprečni vektor hitrosti
0V - mirujoč kontrolni volumen
v - povprečna hitrost toka
x,y,z - koordinatne osi
- XIV -
GRŠKE OZNAKE
ijδ - Korenjakova delta funkcija
ε - disipacijska hitrost turbulentne kinetične energije
ijε - tenzor deformacijskih hitrosti
kkε - divergenca vektorja hitrosti
η - dinamična viskoznost
Lη - dinamična viskoznost kapljevite faze
ρ - gostota
σ - kavitacijsko število
ijτ - tenzor viskoznih napetosti
sτ - strižne napetosti
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 1 -
1 UVOD
Skozi zgodovino je bila prav človekova radovednost tista gonilna sila, ki je pomembno
vplivala na tehnološki razvoj, saj je človek že od nekdaj skušal najti odgovore na
nepojasnjena vprašanja.
Energijo vode je človek izkoriščal že v davnih letih pred našim štetjem. Kolesa na vodni
pogon so uporabljali že Rimljani okoli leta 70 pr. n. št. Sodobne vodne turbine so zelo
izpopolnjene in danes dosegajo velik izkoristek. Obraten princip delovanja turbine
predstavljajo črpalke, ki jih najdemo skorajda v vsakem prostorju pri transportu vseh vrst
kapljevin, plinov ali pri transportu medija za prenos toplote.
Življenjska doba črpalk je pogosto zelo skrajšana zaradi pojava kavitacije. Pojem kavitacija
opisuje pojav in aktivnost mehurčkov v tekočini. V realnosti je proces zelo zapleten in
odvisen od več dejavnikov in se pojavlja ne samo v radialnih črpalkah, ampak tudi v turbinah,
pri ladijskih vijakih, torpedih, cevovodih. Kavitacija povzroča slabši izkoristek, hrup,
vibracije in poškodbe materiala, kar ni zaželeno pri zagotavljanju življenjske dobe sistema.
Kavitacija opisuje prehod kapljevite faze v parno in nazaj. Razlog za pojav kavitacije je
krajevno zmanjšanje tlaka, kjer ostane temperatura medija približno nespremenjena. Soroden
pojav, kjer je vzrok uparjanja povišana temperatura medija ob približno nespremenjenem
tlaku, imenujemo vretje. Oba procesa sta predstavljena v p T− in p ν− diagramih. Pri obeh
pojavih pride do izločanja pare in plinov, ki so raztopljeni v kapljevini v obliki mehurčkov.
Za raziskave je verjetno najzanimivejša zadnja stopnja kavitacijskega mehurčka – faza
kolapsa oziroma implozije, ki nastopi zaradi lokalnega povišanja tlaka. Mehurček se sesede
sam vase, prazen prostor pa zapolni okoliška kapljevina. Pri tem pride do tlačnega vala, ki
lahko neposredno ali posredno poškoduje bližnjo trdno površino.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 2 -
Glede na nastanek ločimo štiri vrste kavitacije:
– hidrodinamična kavitacija – povzroči jo geometrija obtekajočega telesa (profil, lopatica
rotorja, propeler;
– akustična kavitacija – povzročijo jo zvočni valovi, ki se širijo po tekočini;
– optična kavitacija – povzročijo jo fotoni oziroma laserska svetloba;
– kavitacija delcev – povzročijo jo drugi elementi, delci (protoni).
Hidrodinamična in akustična kavitacija splošneje nastaneta zaradi napetosti v tekočini,
medtem ko optična kavitacija in kavitacija delcev nastaneta zaradi lokalno dovedene energije.
Najenostavnejši definirani pogoj za nastanek kavitacije je:
min pp p=
Kjer je minp minimum statičnega tlaka (v časovnem ali prostorskem okviru) in pp uparjalni
tlak tekočine.
Po današnjem poznavanju je klasična predstava, da se izparevanje tekočine začne, ko na
določenem mestu v toku okoliški tlak pade na nivo parnega tlaka tekočine. To pa je bolj
izjema kot pravilo. V praksi je določitev pogojev za nastanek kavitaciije zahtevana, saj na
,minpc vplivajo učinki, ki jih je težko določiti (trenje, mejna plast, turbulenca …). Na drugi
strani iσ ni odvisna le od temperature tekočine, ampak tudi od drugih parametrov (količine
raztopljenih plinov).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 3 -
2 OPREDELITEV PODRČJA, OPIS PROBLEMA IN
ZGODOVINA
V tem poglavju bomo predstavili problem segrevanja radialne vodne črpalke v prehodnem
kavitacijskem obratovalnem režimu , ter kako so gledali na kavitacijo v zgodovini in kako
nanjo gledajo zdaj.
2.1 Opredelitev področja
Obratovalne karakteristike radialne črpalke, ki obratuje v normalnem obratovalnem režimu
(brez kavitacije) predstavljajo osnovo, iz katere ugotavljamo spremembo, oziroma padec,
karakteristik v režimih, ko imamo opravka s kavitiranjem toka v črpalki.
Kavitacija je proces uparjanja v tekočinskem toku, ki nastopi pri padcu tlaka pod uparjalni
tlak črpane kapljevine. Kavitacijo v črpalki lahko razdelimo v več faz, in sicer od faze
nukleacije, rasti in implozije majhnih mehurčkov, preko faze čepastega toka, do primera, ko
pride zaradi prevelikega volumskega deleža plinaste faze do prekinitve črpanja oziroma
dobave medija. [9]
Črpalke večinoma obratujejo s konstantno vrtilno hitrostjo. Na sliki 2.1 so prikazane klasične
obratovalne karakteristike za dve vrtilni hitrosti rotorja, in sicer 1 2n n≥
Slika 2.1:Obratovalne karakteristike črpalke pri različnih vrtilnih hitrostih rotorja 1 2n n≥ Grist[5]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 4 -
Obratovanje črpalke v kavitacijskem obratovalnem režimu je lahko povezano s padcem
obratovalne karakteristike (črpalne višine), s fluktuacijskimi gibanji in s kavitacijsko erozijo.
Vse našteto je seveda nezaželeno, zato se moramo izogniti obratovanju v kavitacijskem
režimu in poznati zapletene pojave in učinke, ki spremljajo ta proces. Kavitacijske
obratovalne karakteristike pri manjšanju volumskega pretoka skozi črpalko lahko v področju
pri optimalnih pretokih opazimo tri različne obratovalne režime, ki jih imenujemo stabilni,
nestabilni in prehodni kavitacijski obratovalni režim.
Najpomembnejši je stabilni obratovalni režim. Če pa je črpalka ali sistem, v katerega je
črpalka priključena, nepravilno dimenzioniran, nastopi možnost pojava ostalih dveh režimov.
2.2 Pogoji za nastop kavitacije
Na nastanek kavitacije vpliva veliko število parametrov, ki jih lahko razdelimo v tri skupine:
- hidravlični parametri: hitrost, fluktuacija hitrosti, turbolenca, tlak, fluktuacija tlaka,
oblika, orientacija, hrapavost;
- lastnosti tekočine: viskoznost, parni tlak, površinska napetost, i koeficent difuzivnost,
topnost plinov, toplotna prevodnost v plinu, toplotna prevodnost v tekočini, toplotna
kapaciteta v plinu, toplotna kapaciteta v tekočini;
- kvaliteta tekočine: količina raztopljenih plinov, porazdelitev velikosti mehurčkov,
koncentracija mehurčkov, natezna obremenitev delcev, kavitacijska občutljivost.
Obravnavajmo stacionarni enofazni tok newtonske tekočine s konstantno gostoto, hitrostjo
in tlakom v smeri tokovnic. Označimo referenčno hitrost nemotenega toka z U in referenčni
tlak nemotenega toka s Ap . V poljubni točki x definiramo tlačni koeficient, [9]:
21
2
Ap
p pC
rU
−=
(2.1)
Kapljevinski tok ima neko vrednost tlačnega koeficienta, ki je lahko pod pogojem Ap p< tudi
negativna; žal pa ne daje informacij o kavitacijskih razmerah. Iz tega razloga vpeljemo
kavitacijsko število:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 5 -
21
2
VAPp p
Uσ
ρ
−=
(2.2)
kjer vapp predstavlja uparjalni tlak kapljevine.
Slika 2.2 Potek tlaka in nastop kavitacije v kapljevinskem toku, Brennen [4]
Slika (2.2) prikazuje z x• označeno mesto v toku , kjer je tlačni koeficient minimalen
,minp pC C< − . Za rast parnega mehurčka oziroma razvoj kavitacije mora biti za dovolj dolg
časovni interval izpolnjen naslednji pogoj: ,minpCσ < −
Slika 2.3 : Pojav kavitacije
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 6 -
2.3 Kavitacijski vrtinec v sesalnem vodu radialne vodne črpalke
Pri radialnih črpalkah je najbolj ogrožen del vstopni rob rotorskih lopatic oziroma vstopno
ustje rotorja. To velja posebej v primeru, ko črpalka ne obratuje v optimalni oziroma
preračunski točki rotorja. Pri tem obratovalnem režimu prihaja do nepravilnega vstopa toka v
rotorske kanale, spremeni se vstopni kot, zaradi česar prihaja tudi do spremembe tlakov, toka
predvsem na zgornji (sesalni) in spodnji(tlačni) strani rotorske lopatice na vstopnem robu.
Posledice delovanja kavitacije v toku tekočine se kažejo na znižanju obratovalnih parametrov,
predvsem v zmanjšanju pretoka ter razmeroma hitrem in velikem znižanju črpalne višine.
Kavitacijski mehurčki v toku, oziroma vodna para v toku, zmanjšajo aktivni pretočni prerez
in povzročijo padec tlaka, saj enofazni tok preide v dvofaznega. Tlak se zniža na vrednost
uparjalnega tlaka ali še bolj. Na sliki (2.4 a) so obratovalni režimi prikazani v odvisnosti od
pretoka skozi črpalko. [2]
Slika 2.4: Kavitacijski obratovalni režimi, Grist [8]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 7 -
Občutljivost črpalke na kavitacijo ocenjujemo na podlagi več ocen. Največkrat se uporablja
splošno veljavna ocena z NSPH številom:
21 1 ,
2atm upr
cs
p p p cNSPH Z h
g gρ
+ −= − − − ∆
⋅ ⋅ (2.4)
Slika 2.5: Hitrostne razmere ob pretokih, ki so različni od preračunskega oziroma optimalnega
pretoka,[9]
NSPH vrednost kot kriterij kavitacije. Sprememba vrednosti NSPH ob vstopu v črpalko ima
za posledico razliko v tlaku in rast ter kolaps mehurčkov v vodi. Metoda NSPH vrednosti, ki
je na splošno sprejeta v industriji, predstavlja spremenljivo bazo, na podlagi katere lahko
kvantitativno določimo vrednost NSPH, da zmanjšamo uničujočo stopnjo kavitacije.
Preprečuje erozijo materiala in hidravlične izgube.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 8 -
2.4 Opis problema prehodnega kavitacijskega režima
2.4.1 Stabilnilni kavitacijski obratovalni režim
V stabilnem obratovalnem režimu (slika 2.6) mehurčki nastajajo in implodirajo v rotorskem
kanalu, zaradi česar je rotor izpostavljen udarnemu delovanju in kavitacijski eroziji. Tok skozi
rotorski kanal je pretežno enosmeren, kar pomeni, da se v opazovanem kontrolnem volumnu
delež prostornine mehurčkov ne spreminja s časom. [9]
Makroskopsko gledano je tekočinski tok v takem obratovalnem režimu stabilen, saj je časovni potek tlaka na ustju črpalke konstanten (slika 2.4 b).
Slika 2.6: Skica stabilnega kavitacijskega obratovalnega režima, Grist[5]
2.4.2 Nestabilni kavitacijski obratovalni režim
Nestabilni kavitacijski režim oziroma hidrodinamično vzbujana nihanja – fluktuacije toka,
nastopijo kot posledica premajhnih pretokov, lahko tudi skupaj z nezadostno neto pozitivno
sesalno višino. V tem režimu se pojavi močno recirkulacijsko gibanje znotraj rotorja, ki
inducira spiralno gibanje mehurčkov v vstopnem cevovodu, kot je prikazano na sliki (2.7).
Tlak na ustju turbočrpalke lahko zelo pulzira (slika 2.4 b), kar še bolj razširi kavitacijsko
prerotacijski vrtinec v vstopni cevovod. Amplituda tlačnih pulzacij je močno odvisna od rasti
oz. implozije mehurčkov v rotorju (odvisnost od NPSH) in od prerotacije toka (odvisnost od
vstopne geometrije rotorja in sesalnega cevovoda). [9]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 9 -
2.4.3 Prehodni obratovalni kavitacijski režim
Skušali bomo rešiti problem, ki nastane pri prehodnem kavitacijskem režimu naraščanja
temperature v vodni radialni črpalki.
Prehodni obratovalni režim (slika 2.8) nastopi, ko je pretok skozi črpalko minimalen oziroma
enak nič in govorimo o termodinamičnih fluktuacijah toka. Režim je spremenljiv, saj se
temperatura zaradi mešanja tokovnih plasti v vstopni in izstopni cevi kontinuirano dviga. Če
zadržujemo volumetrično ekspanzijo, je mehanizem uparjanja povezan s tlačnim porastom.
Rezultat segrevanja in volumetrične rasti parne faze je povezan z izmenično rastjo in
implozijo mehurčkov in s tem z rastočimi tlačnimi impulzi. Tlak na vstopu v črpalko lahko v
skrajnem primeru preseže trdnost črpalke in vstopnega cevovoda.
Slika 2.8 : Skica prehodnega kavitacijskega obratovalnega režima Grist[5]
Slika 2.7 : Skica nestabilnega kavitacijskega obratovalnega režima, Grist [5]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 10 -
2.5 Zgodovinski pregled raziskovanja kavitacije
Prvi, ki je poročal o opazovanju kavitacije, je bil verjetno Newton, ki je v svoji knjigi Optiks
leta 1704 omenjal nastanek mehurčkov v področju nizkega tlaka med lečo in ravnim steklom.
Newton se ni zavedal, da so se mehurčki izločili iz vode zaradi znižanega tlaka. [11]
V devetnajstem stoletju so inženirje močno begali ladijski vijaki, ki so se v določenem
trenutku zavrteli v prazno, čeprav je to v svojem delu na teoriji turbinskih strojev leta 1754
predvidel Euler. Reynolds je leta 1873 z modelom ladjice pokazal, da se za vijakom pojavijo
mehurčki tudi takrat, ko je v celoti potopljen. Opazil pa je, da se mehurčki ne pojavijo, če je
vijak dovolj globoko pod vodo. [11]
Barnaby, Parsons in Thornycroft so leta 1893 pojav razložili in v članku prvič omenili pojem
kavitacija. (Predlog za ime je dal Froude: lat. cavitas – votlina, prazen prostor.)
Leta 1895 je dal Parsons izdelati prvi kavitacijski tunel, v katerem je preizkušal modele
ladijskih vijakov. [11]
Thoma je okoli leta 1925 predlagal brezdimenzijski parameter, ki opisuje kavitacijsko stanje –
tako imenovano kavitacijsko število σ (Th).
Prvi zagon so raziskave kavitacije dobile po letu 1940. Tehnologija je končno dopuščala
snemanje pojava pri velikih hitrostih. Knap je uspel s kamero, ki je zmogla 20000 slik v
sekundi, posneti posamezne dogodke v razvoju kavitacije.
Eksperimentalni rezultati so spodbudili nadgradnjo teorije dinamike mehurčkov, ki jo je leta
1917 postavil Rayleigh. Plesset je teorijo dopolnil leta 1949 – najosnovnejša enačba, ki je
doživela še mnogo izboljšav, se zdaj imenuje Rayleigh-Plessetova enačba dinamike
mehurčkov. [11]
V zadnjem desetletju so ob razvoju računalnikov prišle do izraza nekonvencionalne
eksperimentalne študije, na primer računalniško podprta vizualizacija, meritve hitrosti polj in
deležev parne faze v kavitirajočem toku. Vse večji pomen pridobivajo tudi kompleksne
numerične raziskave kavitirajočih tokov. [11]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 11 -
3 EKSPERIMENTALNA RAZISKAVA
Kljub nenehnemu napredku na področju teoretične in računalniške mehanike fluidov je
eksperimentalni pristop še vedno nepogrešljiv pripomoček za preučevanje tokovnih pojavov v
hidravličnih sistemih. Za ta namen je v laboratoriju za turbinske stroje postavljena merilna
proga, na kateri smo opravili potrebne meritve. Z rezultati eksperimentov bomo določili
spremembe temperature pri nastanku kavitacijskega vrtinca in pri pretokih brez kavitacije.
Potreba po poenostavitvi in prihranku časa pri postopku meritve temperature nas je pripeljala
do uvedbe merjenja temperature s termografsko kamero in uporabe vrhunskega pretokometra.
Uporabljali bomo termovizijsko kamero modela ThermoCAM E65. Za meritve pretoka bomo
uporabljali elektromagnetni pretokomer Watermaster.
3.1 Merjenje temperature s termografsko kamero
Vsa telesa sprejemajo ali oddajajo elektromagnetno (EM) sevanje kot funkcijo njihove
temperature. Termovizijske naprave, ki jih pogosto imenujemo tudi infrardeče ali pa toplotne
kamere, so človekovo sposobnost zaznavanja svetlobe razširile iz vidnega v infrardeči del
spektra, tako da z njimi lahko sprejemamo in zaznavamo energijo infrardečega dela EM
sevanja. To omogoča brezkontaktno merjenje temperatur različnih teles in porazdelitev
temperature na merjencu. Opisana lastnost omogoča lociranje najbolj vročih točk
opazovanega sistema, ki so povečini posledica slabega delovanja ali poškodovanega
materiala. Uporaba infrardeče termografije postaja v celotnem spektru industrije, pa tudi v
vsakdanjem življenju, nepogrešljivo orodje za preprečevanje okvar na strojih, za odkrivanje
napak na električnih daljnovodih in nenazadnje za zmanjševanje porabe energije za potrebe
ogrevanja.
3.2 Glavne značilnosti termografije
Termografija je, kratko povedano, tehnika vizualizacije porazdelitve temperature na
merjencu. To lahko opravimo z uporabo različnih pripomočkov in naprav. Najceneje, zato pa
tudi dolgotrajno, je ročno merjenje temperature v izbranih točkah s cenenim kontaktnim ali
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 12 -
nekontaktnim točkovnim termometrom in posledično grafični prikaz na ta način pridobljenih
rezultatov. V termografiji danes uporabljajo termovizijo praktično povsod, kjer se med nekim
procesom tvori ali prenaša toplota, saj se s tem spreminja tudi temperatura in njena
porazdelitev. S termografsko kamero hitro, enostavno in zanesljivo najdemo šibka mesta v
sistemu za prenos energije. Američani so izkustveno ugotovili, da v 345 kV prenosnem
sistemu s termokamero najdejo šibka mesta, ki predstavljajo veliko potencialno nevarnost, v
nekaj tednih, medtem ko bi jih z drugimi metodami lahko iskali neprimerno dalj časa. [13]
3.3 Termografske naprave
Termografske naprave, ki jih pogosto imenujemo tudi infrardeče ali pa toplotne kamere, so
človekovo sposobnost zaznavanja svetlobe razširile iz vidnega v infrardeči del spektra. Po
delovanju se prav nič ne razlikujejo od običajnih TV videokamer, le da toplotno sliko
spremenijo v vidno. Medtem ko je vidna slika predvsem rezultat razlik v reflektivnosti teles in
je za njen nastanek nujno potrebna osvetlitev, bodisi z naravno ali pa z umetno svetlobo, je
toplotna slika predvsem posledica lastnega sevanja in razlik v emisivnosti. Prav v tem pa tiči
razlog za izredno razširjeno uporabo termovizije na vseh področjih človekovega delovanja.
Uporabnost termovizijskih naprav je omejena na območje »atmosferskih oken«, to je na tisti
del spektra infrardečega (IR) sevanja, ki ga ozračje prepušča v zadovoljivi meri.
Najpomembnejši za termovizijo sta okni v območju valovnih dolžin med 3 in 5 ter med 8 in
14 mikrometri. [13]
3.4 Vplivi na delovanje in točnost meritev
IR sevanje se pri prehodu skozi ozračje oslabi zaradi absorpcije in sipanja na molekulah,
aerosolih, dimu, prahu, dežju in snegu. Poznavanje mehanizmov, predvsem pa stopnje
slabljenja sevanja, je zelo pomembno s stališča uporabe termovizijskih naprav v vojaške
namene. Pri uporabi termokamer za nekontaktno merjenje temperature na večjih razdaljah se
mora upoštevati slabljenje ozračja, sicer so izmerjene vrednosti premajhne. Za laboratorijske
razdalje do nekaj deset metrov se slabljenja ozračja ne upošteva. V našem primeru je bila
kamera od merjenca oddaljena 0,5 m, zato smo vpliv ozračja zanemarili. Različni materiali
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 13 -
imajo tudi različen faktor sevanja oziroma emisije. Črno telo, ki je idealni sevalec, seva
največji možni energijski tok, kar pomeni, da je njegova emisivnost enaka 1. Pri merjenju
temperature teles s stopnjo emisivnosti manjšo od 1 moramo zelo paziti, da se v njih ne zrcali
kakšno telo z višjo temperaturo, kot jo ima merjenec. V tem primeru bi namreč preko
zrcaljenja merili višjo temperaturo. Natančno določanje emisivnosti je zamudno delo in
zahteva drago opremo.
Zato je najbolje, da pri delu s termovizijo uporabljamo podatke o emisivnosti iz dostopne
strokovne literature – v našem primeru priročnik proizvajalca FLIR. [14]
Omenjene podatke emisivnosti za nekaj karakterističnih materialov prikazujemo v tabeli 3.1.
Tabela 3. 1 Emisivnost materialov [13]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 14 -
3.5 Sestava termokamere
Glavni sestavni moduli termokamere so:
• optika,
• detektor (s skenerjem in hladilnikom pri starejših termokamerah),
• elektronika,
• prikazovalnik slike.
Slika 3.1: Setava termo kamer[13]
prikazovalnik
detektor
optika
elektronika
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 15 -
Optika
Ta ima pri termokamerah nalogo, da ustvari čim boljšo sliko scene. Konstruirana in izdelana
je po enakih principih kot optika za vidno svetlobo, od nje se razlikuje le z nekaj posebnostmi,
ki pa zelo grenijo življenje izdelovalcem. Materiali, iz katerih je izdelana, so prav posebni,
tako po lastnostih, kot tudi po ceni. Med številno izbiro je najbolj znan germanij. Uporablja se
praktično v vseh napravah, ki sprejemajo infrardeče (IR) sevanje v pasu od 8 do 14
mikrometrov [13].
Detektor
Detektor je srce termovizijske naprave, saj IR sevanje scene, ki ga vanj usmerjata optika in
skener, pretvarja v električne signale. Njemu je podrejena celotna zasnova naprave. Določa,
kakšna bo optika, kako bo konstruiran skener, kaj bo počela elektronika, kakšna bo
občutljivost in ne nazadnje kolikšna bo cena. Detektor je namreč najdražji element. Cena
narašča premo sorazmerno s kvaliteto in številom senzorskih elementov. Današnji fotonski IR
detektorji za spekter od 8 do 14 mikrometrov se morajo ohladiti na temperaturo vsaj 80 K.
Tehnike hlajenja so različne, najpreprostejša je uporaba tekočega dušika, ki pa se praktično ne
izvaja več. V modernih termokamerah s fotonskimi detektorji se ti hladijo z miniaturnimi
Stirlingovimi hladilniki. [15]
Elektronika
Elektronika opravlja veliko nalog. Poganja in nadzira motorje skenerja, če jih kamera seveda
ima, ojačuje mikrovoltne signale detektorjev in jih obdeluje ter predeluje s prijemi, ki so enaki
tistim v televizijski tehniki.
Prikazovalnik
Prikazovalniki termovizijske slike so pri napravah starejše generacije iz svetlečih diod – LED,
ki sevajo rdečo ali zeleno svetlobo, operater pa opazuje sliko skozi optiko okularja. Dinamika
in kvaliteta slike prikazovalnikov LED pa nista tako dobri, kot ju daje katodna elektronika in
to je eden od razlogov za njeno uporabo v 30 prikazovalnikih naprav novejše generacije. Pri
tem svoj delež seveda prispeva tudi vse tesnejše povezovanje termografske kamere in
računalnika.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 16 -
3.6 Delovanje termokamere
Termografska kamera je brezkontaktna naprava, ki zaznava energijo infrardečega sevanja
(toploto) in jo spremeni oziroma konvertira v elektronski signal, ki je potem predelan do take
mere, da tvori termično sliko, ki jo je mogoče videti na nekem prikazovalniku oziroma
monitorju. Toplota, ki jo kamera posname, pa je zelo natančno določena oziroma izmerjena,
kar nam dopušča ne le opazovanje termičnega odziva, temveč tudi razpoznavnost in možnost
natančne ocene resnosti problemov, povezanih s temperaturo. Termokamera se lahko
uporablja kot samostojen, direktni merilni instrument. V tem primeru s programom, ki je
vgrajen v termokamero, na licu mesta izmerimo parametre, ki nas zanimajo. Rezultati se
prikažejo na vgrajenem monitorju (prikazovalniku) in so superponirani termični sliki.
Sp1
11.5
57.0 °C
20
30
40
50
FLIR Systems
Slika 3.2 : Termogrfski posnetek
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 17 -
Sp1
11.5
57.0 °C
20
30
40
50
FLIR Systems
Slika 3.3 . Princip delovanja termografske kamere
Slika (3.3) prikazuje princip delovanja termografske kamere. Kot je z nje razvidno, v okolici
predmeta seva EM (elektromagnetno) valovanje. Preko optike na kameri se zbira infrardeče
sevanje, ta pa ga usmerja na infrardeči detektor. Infrardeči detektor jakost infrardečega
sevanja spremeni v električni signal. Elektronika v kameri poskrbi za procesiranje signala do
take mere, da je uporaben za vizualizacijo na prikazovalnikih oziroma monitorjih.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 18 -
3.7 Opis naprave FLIR Systems ThermaCam E65
V našem primeru smo za merjenje temperature uporabljali termokamero proizvajalca FLIR
Systems, ThermaCam E65. Termokamera ThermaCam E65 je namenjena nekontaktnemu
merjenju temperaturnih polj v realnem času.
Njene značilnosti in prednosti so:
• majhne dimenzije in masa,
• majhna poraba električne energije,
• enostavna uporaba,
• velika stopnja fleksibilnosti,
• nezahtevno vzdrževanje,
• dolga življenjska doba,
• video izhod kompatibilen z EIA, VGA in PAL standardi,
• najmodernejša tehnologija,
• matrični mikrobolometrski IR detektor, ki ga ni treba hladiti,
• velika temperaturna občutljivost (< 0,15 K),
• elektronska analiza (skeniranje) termične slike,
• vgrajena videokamera.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 19 -
Naprava, ki smo jo uporabljali za merjenje temperature vodne radialne črpalke pri prehodnem
kavitacijskem obratovalnem režimu je na sliki (3.4).
Slika:3.4 : Termografska kamera proizvajalca FLIR Systems, TermaCam E65
V nadaljevanju je predstavljena tabela 3.2, ki prikazuje osnovne tehnične značilnosti
termokamere in njihove vrednosti.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 20 -
Tabela 3. 2 : Tehnični podatki Thermacam E65
TEHNIČNA ZNAČILNOST VREDNOST
Spektralno območje delovanja 7,5 – 13 mikrometrov
Tip IR detektorja Matrični, 320 × 240 elementov, nehlajen
Vidno polje 24 × 18 °(H × V) (s standardno optiko)
Trenutno vidno polje 1,3 mrad
Točnost merjenja 2 %, ali 2 K, odvisno od obsega
Optika Germanijeva, izmenljiva, po izbiri
Video izhod EIA, CCIR, VGA
Monitor LCD, barvni, 1 inčni premer
Območje merjenja(kalibrirano) −20 °C do 500 °C, opcija do 1500 °C
Temperaturno območje delovanja −15 °C do 50 °C
Temp. območje skladiščenja −40 °C do 70 °C
Masa 2,3 kg z baterijo
Velikost 220 × 133 × 140 mm
Čas delovanja 1,5 ure z eno baterijo
Dinamika termične slike 14 bit
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 21 -
3.8 Merjenje pretoka tekočine z elektromagnetnim merilnikom pretoka
»Meri vse, kar je merljivo, to, kar ni merljivo, napravi, da bo merljivo.« (Galileo Galilei,
1564–1642). [8]
Pretok je količina vode, katera preteče v enoti časa skozi prečni profil nekega naravnega ali
umetnega vodotoka. Pretok, merjen po vodi navzdol, se imenuje odtok. Pretok ali odtok se
izraža v 3m /s ali v l/s. V cevovodih pod tlakom uporabljamo za merjenje pretoka razne vrste
merilnih naprav. Poraba vode v nekem časovnem intervalu se meri preko raznih vrst
merilnikov pretokov, kateri registrirajo celotni pretok. [8]
3.8.1 Opis naprave WATERMASTER (elektromagnetni merilnik pretoka)
Podjetje ABB izdeluje popolne elektromagnetne merilnike pretoka za vodne sisteme. Podjetje
nima tekmeca v svojem obsegu, saj izdeluje vrhunske izdelke. ABB ponuja najbolj celovito
paleto izdelkov za merjenje pretoka. Flovmaster družina izdelkov ponuja veliko število
preizkušenih metod merjenja različnih modelov in področja uporabe. V svojo paleto izdelkov
vključuje tudi izdelke Watermaster elektromagnetni merilniki pretoka.
WaterMaster prinaša hitro, preprosto in enostavno uporabo izdelka, zapolni vrzeli
konkurenčnih proizvodov, ker je enostavno najboljša rešitev merjenja pretoka, ki je danes na
voljo. Uporabljajo inovativen osmerokoten senzor, kateri natančno meri pretok v profilu cevi.
Uporabljali smo izdelek iz družine Watermaster DN50 Q63 ( 3 /m h ).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 22 -
Slika 3.5 : Inovativna osmerokotna izvrtina Watermaster
Učinkovitost so izboljšali s prenosom digitalnih signalov DSP (Digital Signal Processing).
DSP omogoča, da je meritev v realnem času maksimalno zanesljiva. DSP omogoča oddajniku
ločiti pravi signal iz hrupa, zato zagotavlja visoko kakovost, zlasti v težkih okoljih, ki
vsebujejo vibracije, hrup in hidravlično nihanje temperature. Izdelek se tudi sam kalibrira, po
edinstvenem konceptu podjetja ABB.
Slika 3.6: Watermaster družina
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 23 -
3.9 Merilna proga za zasledovanje kavitacijskih pojavov
Z namenom preučevanja kavitacije smo v Laboratoriju za turbinske stroje postavili merilno
progo za snemanje kavitacijskih karakteristik črpalk. Namen merilne proge je uskladiti
rezultate teoretičnih izsledkov z rezultati eksperimenta, ki zajemajo tudi sekundarne pojave,
nepravilnosti in motnje, ki se pojavljajo med dejanskim tokom skozi črpalko in jih je v
teoretičnih analizah težko zajeti.
3.10 Merilna proga
Merilna proga je izdelana v skladu s priporočili za izvajanje kavitacijskih testov s
spreminjanjem NPSH po ISO 2548. Sistem je zaprtega tipa, v katerem radialna črpalka (slika
3.7 poz. 1) črpa vodo iz rezervoarja (poz. 2) po sesalnem cevovodu (poz. 3) in jo vrača v
rezervoar po tlačnem cevovodu (poz. 4). V sistemu je z vakuumsko črpalko (poz. 5) možno
spreminjanje tlaka nad spodnjo vodno gladino in s tem posredno tudi spreminjanje sesalne
višine. Ker je merilna proga namenjena snemanju kavitacijskih karakteristik črpalk,
namenjenih za obratovanje v različnih pogojih, je v rezervoarju še uporovni električni grelec
(poz. 6). Za boljši vpogled in razumevanje dogajanja v kavitacijskih obratovalnih režimih je
na vstop v turbočrpalko nameščena prozorna cev (poz. 7). Pretok lahko dušimo v sesalnem in
tlačnem cevovodu, in sicer z ventili (poz. 8), volumski pretok pa merimo z zaslonko (poz. 9),
izdelano po standardu DIN 1952.
Vibracije, ki so posledica necentričnosti in neuravnoteženosti pogonskega sistema, dušimo z
amortizerjem (poz. 10) in jih s tem ne prenašamo na črpani medij. Za odplinjevanje toka skrbi
poseben vod (poz. 11), ki se konča z razpršilcem v rezervoarju. Elektromotor (poz. 12) je
povezan s turbočrpalko preko gredi za merjenje navora (poz.13) in elastične sklopke (poz.
14). [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 24 -
Slika 3.7 : merilna proga
S kombinacijo različnih podtlakov nad spodnjo vodno gladino in dušenjem pretoka lahko tako
določamo točko začetka kavitacije in razvoj kavitacijskega vrtinca pri različnih obratovalnih
pogojih.
S prozorno cevjo (poz. 7) je omogočena tudi vizualizacija, z merilnimi točkami na njej pa
frekvenčna analiza kavitacijskega vrtinca.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 25 -
3.11 Tehnični podatki
Črpalka
Rotor centrifugalne turbočrpalke Litostroj, tip CN 65/125, je izdelan iz PCuSn14. Izveden je s
šestimi, nazaj ukrivljenimi lopaticami, obratovalne karakteristike pa so prikazane na sliki 3.9.
Slika 3.8 : Dušilna krivulja črpalke pri n=2900 1min−
Pogonski agregat
Turbočrpalko poganjamo z elektromotorjem Elektrokovina, tip TE 132 SB2B3 (slika 3.9), na
katerega je priključen frekvenčni regulator Hitachi L100, s katerim spreminjamo število
vrtljajev.
Slika 3.9 : Merilna proga v laboratoriju
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 26 -
Vakuumska črpalka
Trifazna vakuumska črpalka, Becker VT 4.4, tip D62A2P, lahko pri minimalnem pretoku
dosega podtlak 0,85 bar, s čemer lahko spreminjamo tlak nad spodnjo gladino in s tem
posredno neto pozitivno sesalno višino.
Slika 3.10 : Vakuumska črpalka Becker VT 4.4 tip D62A2
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 27 -
3.12 Rezultati izvedbe eksperimentov
3.12.1 Uporaba termografije pri merjenju temperature
V ta namen smo termografsko kamero namestili približno 2 m od ohišja vodne radialne
črpalke in tako merili temperaturo. Slika (3.11) prikazuje delovno mesto, ki je opremljeno z
merilno napravo in merjencem.
Slika 3.11 : Prikaz delovnega mesta z nameščeno termografsko kamero
Temperaturo smo merili pri različnih pretočnih režimih. Nad rezultati meritve smo bili zelo
presenečeni, saj smo domnevali, da bo temperatura naraščala pri vseh pretokih in podtlakih,
ampak temperatura se je dvigovala le pri pretoku 0L/s in ( atmρ ρ= ) ter podtlakih
( 0.3atm pρ ρ= − , 0,5atmp p p= − , 0,7atmp p p= − ), kjer nastane kavitacija, zaradi katere se začne
ohišje radialne vodne črpalke hitro segrevati. Pri meritvah, ki smo jih opravili, se je ohišje
segrelo do skoraj 53 °C. Ko nastane minimalen pretok, se kavitacija zmanjša, pri večjih
pretokih izgine in vodna radialna črpalka se ohladi na temperaturo, ki niha med 17 °C in 20
°C. Nihanje nastane, ker se termografska kamera sama kalibrira.
Ugotovili smo, da se le pri izoblikovani kavitaciji vodna radialna črpalka močno segreva, kar
pa se pri pretokih ne dogaja in ohišje črpalke se spet ohladi. Tudi pri zelo majhni kavitaciji se
temperatura ne spreminja in niha med 17 °C in 20 °C.
Meritve smo opravili tudi pri pretokih 3,0L/s, 5L/s, 8L/s in pri enakih podtlakih kot pri
pretoku 0,0L/s. Rezultati so pokazali, da pri teh pretokih temperatura ohišja vodne radialne
črpalke ne narašča .
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 28 -
3.13 Meritev pri pretoku 0L/s in atmosferskem tlaku
S termokamero smo posneli termografske slike, ki so pokazale, kje je točka, ko bi se naj
ohišje vodne radialne črpalke najbolj segrelo. Na termo sliki (3.12) je razvidno polje največje
temperature.
Tlak je enak tlaku atmosfere:
atmρ ρ=
Sp1
16.1
59.9 °C
20
30
40
50
FLIR Systems
Slika 3.12 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke
Črpalka se je segrela na 48,1 ⁰C,termo kamera je bila odstranjena 2m, in emisivnost je znašala
0,93.
V tabeli (3.3) je prikazano naraščanje temperature. V času 15 minut smo z termografsko
kamero posneli 10 slik, na katerih se vidi , kako je temperatura narasla iz 19.1⁰C na 48,1⁰C
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 29 -
.
Tabela 3. 3 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in atmosferskem tlaku
slike TERMOCAM t T
slika 1 1,21min 19.1⁰C
slika 2 2,34min 20.7⁰C
slika 3 3,56min 25,7⁰C
slika 4 5,02min 27.2⁰C
slika 5 6,00min 30.3⁰C
slika 6 7,22min 34,1⁰C
slika 7 7,59min 35.8⁰C
slika 8 9,02min 40,3⁰C
slika 9 11,00min 43.5⁰C
slika 10 14,56min 48,1⁰C
Naraščanje temperature v odvisnosti od časa
48,1
48,1
43,5
40,3
35,8
34,1
30,3
27,2
25,7
20,7
19,1
19,20
20
40
60
2,01
1,21
2,34
3,56
5,02
6
7,22
7,59
9,02 11
14,5
6 16
min
Stopinje
Graf 3. 1 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa
Temperatura se uskladi pri 48,1 ⁰C in ne narašča več z časom
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 30 -
3.14 Meritev pri pretoku 0L/s in podtlaku 0,3ρ = −
Podtlak : 0.3atm pρ ρ= −
Sp1
21.7
50.0 °C
30
40
FLIR Systems
Slika 3.13 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke
Najvišja temperatura vodne radialne črpalke pri podtlaku 0.3atm pρ ρ= − je 52,5 termo kamera
je oddaljena 2 m, emisivnost je znašala 0.93.
Tabela 3. 4 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0.3atm pρ ρ= −
V tabeli (3.4) ja vidno, da temperatura narašča enako kot pri atmosferskem tlaku, posnetih je
bilo 11 slik v času 15 minut in pri popolno izoblikovani kavitacija.
slike TERMOCAM t T
slika 1 2,01min 19,2⁰C
slika 2 2,56min 20.7⁰C
slika 3 4,34min 25,5⁰C
slika 4 5,00min 27.3⁰C
slika 6 6,44min 30.3⁰C
slika 7 8,02min 34.1⁰C
slika 8 9,11min 36,2⁰C
slika 9 11,16,min 43.2⁰C
slika 10 13,35min 48,8⁰C
slika 11 15,09min 52,5⁰C
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 31 -
Naraščanje temperature v odvisnosti od časa
52,5
52,5
48,8
43,2
36,2
34,1
30,3
27,3
25,3
20,7
19,20
20
40
60
2,01
2,56
4,34
5
6,44
8,0
2
9,11
11,1
6
13,3
5
15,
09 16
min
Stopinje
Graf 3. 2 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa
Temperatura se uskladi pri 52,5 ⁰C in ne narašča več z časom.
3.15 Meritev pri pretoku 0L/s in podtlaku 0,5ρ = −
Podtlak - 0,5 :
0,5atmp p p= −
Sp1
11.5
57.0 °C
20
30
40
50
FLIR Systems
Slika 3.14 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke
Najvišja temperatura vodne radialne črpalke pri podtlaku 0,5atmp p p= − je 51,00⁰C, termo
kamera je oddaljena 2 m, emisivnost je znašala 0.93.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 32 -
Tabela 3. 5 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0,5atmp p p= −
slike TERMOCAM t T
slika 1 1,06min 17,2⁰C
slika 2 1,46min 18.5⁰C
slika 3 2,41min 21,2⁰C
slika 4 4,55min 27,4⁰C
slika 5 5,22min 29,50⁰C
slika 6 6,41min 33.10⁰C
slika 7 7,31min 34.30⁰C
slika 8 9,50min 39,00⁰C
slika 9 10,20min 39,8⁰C
slika 10 12,22min 43,9⁰C
slika 11 14,26min 47,4⁰C
slika 12 15,50min 51,00⁰C
V tabeli (3.5) je vidno, da temperatura narašča enako kot pri atmosferskem tlaku in
0,5atmp p p= − , posnetih je bilo 12 slik v času 15,50 minut in pri popolno izoblikovani
kavitaciji.
Naraščanje temperature v odvisnosti od časa
51
51
47,4
43,9
39,8
39
34,3
33,1
29,5
27,4
21,2
18,5
17,20
102030405060
1,06
1,46
2,41
4,55
5,22
6,41
7,31 9,
5
10,2
12,2
2
14,2
6
15,5 16
min
Stopinje
Graf 3. 3 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa
Temperatura se uskladi pri 51,0 ⁰⁰⁰⁰C in ne narašča več z časom.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 33 -
3.16 Meritev pri pretoku 0L/s in podtlaku 0,7atmsρ ρ ρ= −
Podtlak :
0,7atmp p p= −
Sp1Sp2
16.5
61.0 °C
20
40
60
FLIR Systems
Slika 3.15 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke
Najvišja temperatura vodne radialne črpalke pri podtlaku 0,7atmp p p= − je 51,3⁰C termo
kamera je oddaljena 2 m emisivnost je znašala 0.93.
Tabela 3. 6 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0,7atmp p p= −
slike TERMOCAM t T
slika 1 1,02min 17,2⁰C
slika 2 1,59min 18.6⁰C
slika 3 2,46min 20.1⁰C
slika 4 4,33min 26.1⁰C
slika 5 5,20min 29,7⁰C
slika 6 6,41min 33.3⁰C
slika 7 7,23min 34.5⁰C
slika 8 9,45min 39,3⁰C
slika 9 10,28min 40.8⁰C
slika 10 12,09min 43.8⁰C
slika 11 14,23min 48,6⁰C
slika 12 16,05min 51,3⁰C
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 34 -
V tabeli( 3.6) je vidno, da temperatura narašča enako kot pri atmosferskem tlaku in podtlakih
( 0.7ρ = − bar; 0,5ρ = − bar; 0,3ρ = − bar). Posnetih je bilo 12 slik v času 15 minut in pri
popolno izoblikovani kavitaciji.
Naraščanje temperature v odvisnosti od časa
51,3
51,3
48,6
43,8
40,8
39,3
34,5
33,3
29,7
26,1
20,1
18,6
17,20
20
40
60
1,02
1,5
9
2,4
6
4,33 5,2
6,4
1
7,2
3
9,45
10,2
8
12,0
9
14,
234
16,0
5 17
min
Stopinje
Graf 3. 4 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa
Temperatura se uskladi pri 51,3 ⁰⁰⁰⁰C in ne narašča več z časom.
3.17 Primerjava rezultatov temperature med kontaktnim termometrom in
termokamero.
Kontaktni termometer Metex M-4660A 4 1/2 (digits Multi display Digital Multimeter),
prikazan na sliki (3.16), je merilna naprava za kontaktno merjenje temperature, na katero
lahko priklopimo temperaturno sondo. Merilnik ima obsežni multi zaslon, na katerem
neprekinjeno prikazuje minimalno in maksimalno izmerjeno temperaturo. Izredno varno in
zaščiteno ohišje ščiti omenjeni merilnik pred zunanjimi vplivi vlage in prahu.
Slika 3.16 : Kontaktni termometer
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 35 -
Meritev smo opravili enako kot pri termokameri, tako da smo merili, kako temperatura
narašča v časovnem obdobju 15 min in pri atmosferskem tlaku.
Rezultati so se ujemali (graf 3.5), saj je tudi tukaj temperatura naraščala enako kot pri meritvi
s termokamero, pri enakih pogojih (graf 3.1).
naraščanje temperature v odvisnosti od časa
47,9
47,946,545
43,6
42
40,2
38,5
36,6
34,7
32,9
29,322,5
27,2
24,3
0102030405060
1,2
2,2
3,3
4,4
5,4
6,4
7,4
8,4
9,4
10,4
11,4
12,4
13,4
14,4 15
min
stopinje
Graf 3. 5 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa merjeno z kontaktnim termometrom
Pri temperaturi 47,9 se je temperatura ustalila.
Slika 3.17 : Kontaktni termometer Metex M-4660-a
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 36 -
4 MERITVE V PREHODNEM KAVITACIJSKEM REŽIMU
4.1 Numerična analiza
Z rezultati analize bomo prikazali naraščanje temperature v vodni radialni črpalki. Numerično
simulacijo bomo naredili s paketom – Ansys CFX (sodobni paket za računanje dinamike
tekočin), kateri bo izračunal segrevanje vode pri pretoku skozi črpalko, obratujočo v
kavitacijskem režimu.
Slika 4.1 Diagram hitrosti toka skozi črpalko
S slike (4.1) je razvidno močno recirkulacijsko polje, povezano z obratovanjem črpalke s
podoptimalnimi pretoki.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 37 -
Slika 4.2 Diagram tlakov
Slika (4.2) prikazuje vrednosti tlakov v črpalki in delu sesalne cevi. Prikazana porazdelitev
tlakov je logična za kavitacijski režim, v katerem obratuje črpalka. ∆p je ob robovih črpalke
nižji zaradi kavitacije.
Kontrolna točka
Slika 4.3 Kontrolna točka
Med pretokom časovno odvisnega izračuna (numeričnih simulacij) smo spremljali
temperaturo v kontrolni točki, razvidni na sliki (4.3).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 38 -
Slika 4.4 Graf naraščanja temperature
Na sliki (4.4) je viden potek porasta temperature od zagona iteracijskega postopka pri 290K.
Na sliki vidimo, da se temperatura ustali pri 320K, kar ustreza izmerjeni vrednosti s
termografsko kamero, ki znaša 324K.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 39 -
4.2 Zakoni ohranitve
4.2.1 Zakon ohranitve mase
Zakon ohranitve mase je izpeljan na osnovi ugotovitve, da je masa masnega sistema
konstantna veličina. Hitrost spremembe mase v mirujočem volumnu V 0 je enaka pretoku
skozi njegovo površino S 0 :
0 0
0j j
V S
dV u n dSt
ρ ρ∂
+ =∂ ∫ ∫ (4.1)
Enačbo (4.1) imenujemo integralska oblika zakona ohranitve mase. Če izhajamo iz
integralske enačbe (2.1) in z Gaussovim stavkom prevedemo površinski integral v
volumenski, lahko zapišemo diferencialno obliko zakona ohranitve mase [2]:
0j
j
u
t x
ρρ ∂∂+ =
∂ ∂ (4.2)
4.2.2 Zakon ohranitve gibalne količine
Rezultanta sila okolice na volumen je enaka časovnemu prirastku gibalne količine v volumnu
in dotoku gibalne količine skozi njegovo površino:
0 0
ii j j
V S
uF dV u u n dS
t
ρρ
∂= +
∂∫ ∫��
(4.3)
Rezultanta zunanjih sil, delujočih na kontrolni volumen F��
, je vsota volumenskih sil vF���
in
površinskih sil sF���
:
0 0
v s mi i j j
V S
F F F f dV u u n dSρ ρ= + = +∫ ∫�� ��� ���
(4.4)
Integralska oblika zakona ohranitve gibalne količine se torej glasi:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 40 -
0 0 0 0
ii j j mi ij j
V S V S
udV u u n dS f dV n dS
t
ρρ ρ σ
∂+ = +
∂∫ ∫ ∫ ∫ (4.5)
Diferencialno obliko zakona ohranitve gibalne količine zapišemo z uporabo Gaussovega
stavka [2]:
(4.6)
4.2.3 Konstitutivni model – zakon tečenja
S konstitutivnim modelom označujemo funkcijsko odvisnost med napetostnim tenzorjem ijσ
oziroma viskoznim napetostnim tenzorjem ijτ :
ij ij ijpσ δ τ= − + (4.7)
In tenzorjem deformacijskih hitrosti ijε⋅
:
1
2ji
j i
uu
x xε
⋅
∂∂= + ∂ ∂
(4.8)
Odvisnost podaja Newtonov zakon viskoznega tečenja:
2 kkij ij ijσ ρδ η ε δ⋅
= − + (4.9)
kjer je kkε⋅
divu=�
. [2]
4.2.4 Zakon ohranitve snovi
Zakon ohranitve snovi podaja osnovno prenosno enačbo poljubne snovi (spremenljivke)
/C m V= , ki jo v diferencialni obliki zapišemo kot:
( )Cu C D C I
t
∂+ ⋅∇ = ∆ +
∂
� ��
(4.10)
kjer je D snovska difuzivnost, ki predpisuje prenos spremenljivke zaradi molekularnega
gibanja snovi, člen I pa predstavlja izvire in ponore spremenljivke C. [2]
iji ij mi
j j
uu uu f
t x xρ ρ ρ
∂∂ ∂+ = +
∂ ∂ ∂
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 41 -
5 VPLIV KAVITACIJE NA ŽIVLJENJSKO DOBO IN
STROŠKE VODNE RADIALNE ČRPALKE
Predpostavimo, da imamo črpalni sistem, ki bo obratoval določen čas. Posledično bomo imeli
tudi določene obratovalne in vzdrževalne stroške. Ob pojavu povečane kavitacije , pri kateri
nastane kavitacijska erozija, ki s pomočjo vode obrablja material, bodo nastali nepredvideni
stroški menjave črpalke.
5.1 Kavitacijska erozija
Kavitacijska erozija je obraba površine materiala s pomočjo vode in tudi trdnih delcev, zato
je dobro da pri izbiri materiala to upoštevamo. Tudi kemijsko in električno nevtralni materiali
kot so : beton, quarz, steklo, ter plemenite kovine so podvržene kavitacijski eroziji. Erozija
je tako močna, da uniči tudi najtrše materiale. Velikih tlačnih sunki, ki prekomerno
obremenjujejo površino, se začne načenjat materialna struktura in na mestih ko so
obremenitve največje , razpade material na drobne delce, kateri za sabo puščajo drobno
špranjo (Slika 5.1) . Ob slabi korozijski odpornosti napadeno področje materiala načenja še
korozivni medij.[12]
Slika 5.1 : Kavitacijske poškodbe na sfereoidni fazi :a), lamelni Fe strukturi b)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 42 -
5.2 Vrste kavitacijske erozije
Erozija na površini rotorske lopatice
Kavitacijska erozija se najpogosteje pojavlja na sesalni strani rotorske lopatice. Materiali, kot
sta jeklo in bron, so zelo podvrženi kavitaciji, saj postaja površina materiala zelo hrapava in
razjedena. Hrapavost površine, kot posledica erozije, nima večjega vpliva na obratovanje
črpalk. Ko erozija napreduje po robu lopatic, pa je ogrožena strukturna celovitosti črpalke. Na
lopatico delujejo velike centrifugalne sile in tlačne razlike, ki lahko odlomijo del rotorja, kar
pa pri večjih kosih privede do zagozdenja in poveča upor v črpalki. [12]
Erozija rotorskega diska
Erozija rotorskega diska je posledica ozkega toka kavitacije, ki implodira ob steni in povzroči
brazdo na notranji strani diska, lahko pa tudi na zunanji. Pojavlja se samo pri črpalkah z
ozkimi rotorskimi lopaticami. [12]
Erozija rotorskega vznožja in pestiča
Nastaja pri visokohitrostnih rotorjih, kjer poškodbe nastanejo zaradi ozke plasti zelo močnega
vrtinca, ki prihaja v stik s površino pestiča. To erozijo je zelo težko opazovati, saj se nahaja v
notranjosti črpalke. Enako se pojavi erozija ob vznožju rotorja, kjer ob nižjih pretokih
vrtinčasti tok povzroča usločenost konice lopatic. [12]
Erozija na tlačni strani rotorske lopatice
Pri pretokih, ki so nad in pod optimalnimi NSPH vrednostmi, nastane na tlačni strani lopatice
recirkulacijski tok, ki kavitira. Razjedo, ki nastane, je težko opaziti, ker se širi s tlačne na
sesalno stran. [12]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 43 -
Erozija na zunanji strani rotorja
Pri zelo nizkih NSPH vrednostih se kavitacija razvije vzdolž celotnega rotorja, ki zaradi
izjemno močne intenzitete povzroči jamice na lopaticah. Poškodbe se pojavijo tudi na
lopaticah difuzorja, posledica tega pa je, da črpalna višina zelo močno pade. [12]
Erozija konice rotorske lopatice
Če sta v neposredni bližini difuzor in lopatica, nastajajo lokalno nizki tlačni impulzi, ki
dosežejo uparjalni tlak tekočine. Pojavi se kavitacija na konicah lopatic. Če povečamo
razdaljo med difuzorjem in rotorjem, oslabimo kavitacijo, katera lahko pri določenih razdaljah
povsem izgine. Konična kavitacija se pojavlja pri visokohitrostnih in širših rotorjih. [12]
5.3 Določanje stopnje kavitacijske erozije
Razen z direktnim opazovanjem in meritvijo je težko določiti stopnjo erozije materiala. V
literaturi obstajajo določene metode, ampak je njihova uporaba v praksi vprašljiva. Güllich [7]
navaja nekaj uporabnih metod:
- na podlagi plasti mehurčkov,
- na podlagi toka,
- na podlagi meritev toka na modelih,
- s pomočjo barvne erozije na področju implozije mehurčkov.
Stopnjo erozije lahko določimo tako, da si pomagamo s sliko (5.2), ki podaja soodvisnost med
trdoto in časovnim odvzemom materiala v področju kavitacije, in z razlago po Güllichu [7],
da nastopi razpad materiala ob daljšem kavitacijskem obratovanju, kadar hidrodinamična
kavitacijska intenziteta – HKI preseže kavitacijski odpor materiala – KW. S sliko 5.3
povzamemo, da obstaja določena soodvisnost med trdoto in odvzemom materiala ob
predpostavki podobne korozijske odpornosti. [12]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 44 -
Slika 5.2 : Stopnja erozije kot funkcija trdote HB - odpornosti materiala (KW)
Vrednosti HKI, ki je odvisna od toka in lastnosti tekočine, in KW, ki je lastnost materiala, sta
med seboj neodvisni. Podajata pa stopnjo erozije RE v obliki funkcije, ki raste z
zmanjševanjem HKI in pada z naraščanjem KW:
,X Y
RE HKI KW≈ ⋅ (5.1)
Po Güllichu [7] lahko uporabimo za izračun življenjske dobe diagram na sliki (5.3), kjer je
podan kavitacijski odvzem materiala (v mm pri 40.000 urah obratovanja) pri danih pogojih:
- voda je zasičena z zrakom pri temperaturi 20⁰C,
- dolžina plasti kavitacijskih mehurčkov je 20mm
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 45 -
Slika 5.3 : Kavitacijska erozija pri različnih materialih, [12]
Primerjamo materiala in izberemo najprimernejšega s slike (5.3). Predpostavimo, da imata
materiala skoraj enako stopnjo korozijske obstojnosti, le da se razlikujeta v trdoti. Materiale
izberemo le iz sorodnih litin, primer: bakrovo litino PCuSn14 primerjamo z bakrovo litino
CUAl10Ni, saj imata oba materiala veliko korozijsko odpornost. S faktorjem K podamo
razmerje trdot materiala:
refHB
KHB
= (5.2)
Kavitacijo pričakujemo ob ustju na sesalni strani rotorske lopatice, črpalka obratuje pri
podoptimalnem pretoku. Izmerimo povprečno debelino lopatice d slopt do 30 mm od ustja
lopatice vzdolž sesalne strani lopatice. Erozija se razvija pri različnih obratovalnih režimih,
določimo jo na podlagi linearne odvisnosti med odvzemom materiala in NPSH številom, pri
čemer za referenčni točki izberemo ekstrema dane funkcije (min in max odvzem materiala).
Poškodbe na rotorju nastopajo po določenem vzorcu, tako bo prišlo do preboja materiala na
več lopaticah hkrati. Življenjsko dobo črpalke določimo po času, ki je potreben za prebitje
materiala s sesalne na tlačno stran rotorja [12].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 46 -
Slika 5.4 : Kavitacija v rotorskih kanalih
40000slopt
ref
dt
d K= ⋅
⋅ (5.3)
Enačba za izračun življenjske dobe črpalke.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 47 -
5.4 Življenjska doba rotorja
Vhodni podatki:
- material črpalke CN 65/125: PCuSn14,
- referenčni material: PCuAl10Fe5Ni5.01,
- d slopt = 1,785 mm,
- t D = 16 ur (dvoizmensko obratovanje),
- območje pretoka – Q: 0,001- 0,009 m 3 /s
Odvzem materiala v odvisnosti od pretoka je podan v materialu, ki doseže največje vrednosti
v območju višjih pretokov in nižjega tlaka v cevovodu, kar je povsem razumljivo, saj se
stopnja kavitacijske erozije povečuje s padajočim NSPH številom (diagram 5.1), ki doseže
najnižjo vrednost pri p sist = -0,7 bar. Stopnjo erozije (mm/40000 ur obratovanja) v odvisnosti
NSPH števila (m) podaja enačba v diagramu 5.2:
0, 424 4,0342d NSPH= − ⋅ + (5.4)
Življenjska doba črpalke znaša med 3,98 in nekaj 1000 let , kar je posledica zelo majhne
stopnje erozije materiala pri atmosferskem tlaku. Slika (5.5) prikazuje vrednosti pri izbranem
pretoku Q = 0,009 m 3 /s, ki smo jih uporabili pri stroškovni analizi. [12]
Slika 5.5 : Življenjska doba črpalke pri različnih pretočnih režimih, [12]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 48 -
5.5 Stroškovna analiza
Stroškovno analizo bomo opravili z metodo kapitaliziranih stroškov. Stroškovna primerjava
dveh ali več investicij se običajno izvaja z uporabo sedanje in prihodnje vrednosti. Z metodo
sedanje vrednosti določimo skupno življenjsko dobo vseh posameznih investicij in
diskontiramo skupno življenjsko dobo na začetku investicije. Metoda, s katero določamo
sedanjo vrednost investicij, ki se ponavlja v neskončnost, je znana kot metoda kapitaliziranih
stroškov (Capitalized Cost – CC). Primerjalno razmerje dveh ali več investicij, določenih z
metodo sedanje vrednosti ali CC, je enako. Po poteku življenjske dobe črpalke jo je treba
zamenjati, zato se investicije črpalk ponavljajo v neskončnost.
Kapitalizirane stroške investicije lahko interpretiramo kot vsoto denarja, ki bi morala biti
naložena v neki sklad na datum začetka investicije z dano diskontno stopnjo, s katerim bi
zagotovili plačilo vseh stroškov, potrebnih za neskončno obratovanje. [12]
CC določimo po enačbi:
( ) ( / , , )B L A Fu n i C
CC Bi i
− ⋅= + + (5.4)
( / , , )(1 ) 1n
iA Fu n i
i=
+ −
S transformacijo enačbe 5.4 dobimo :
( ) ( / , , )
( / , , )1 (1 ) n
B L A Pu n i CCC L
i i
iA Pu n i
i −
− ⋅= + +
=− +
(5.5)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 49 -
Kjer so:
B – stroški črpalke in montaže,
C – letni obratovalni stroški,
t – življenjska doba črpalke,
n – obratovanje črpalke,
i – diskontna stopnja.
Enačbi 5.4 in 5.5 sta ekvivalentni. V nekaterih primerih, kadar je življenjska doba investicije
neskončna, se kapitalizirani stroški določijo po enačbi.
C
CC Bi
= + (5.6)
Z analizo vrednotenja oziroma s primerjavo investicij črpalk po metodi CC so investicijski
obratovalni in vzdrževalni stroški konstantni za neskončno obratovalno obdobje, čeprav se s
časom spreminjajo zaradi inflacije, ampak inflacijo redko vključujemo v stroškovno
primerjavo, kar ima enak vpliv na vse investicije. Je pa inflacijo za neskončno investicijsko
obdobje težko predvidevati. Diskontna stopnja se določi pogodbeno, inflacijska stopnja se
upošteva pri določanju letnih anuitetnih stroškov. [12]
Predpostavimo, da uporabimo za kalkulacijo stroškov vodne radialne črpalke vhodne podatke:
- črpalna višina: H = 18,5 m,
- potreben pretok 0,009 m 3 /s,
- t D = 16 ur (dvoizmensko obratovanje),
- čas obratovanja 365 dni,
- stroški nabave in montaže črpalke CN65/125 ≈ 1700€
- cena električne energije: 1kWh = 0,1273241€
- stopnja diskontnega sklada: 5 %.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 50 -
Kot delovno sredstvo bi se uporabljala voda v zaprtem sistemu pri določenem tehnološkem
postopku, voda se po zaključeni zanki vrača nazaj v črpalko. Model ima določene omejitve:
- Izbrana minimalna črpalna višina pri referenčnem pretoku (0,009 m 3 /s) za območje
tlaka (0,0 bar, -0,2 bar in -0,7 bar). Skozi postopek pada višina na izhodiščno
raven/višino črpalnega sistema.
- Območje tlakov je dosegljivo v celotnem modelu, popolno tesnjenje modela.
- Uporabljamo CN 65/125 črpalko.
Izračunali smo, da stroški pri atmosferskem tlaku in življenjski dobi 31,05 let znašajo 45000€.
Stroški pri tlaku 0, 2sistp bar= − in življenjski dobi 12,86 let znašajo 43500€ – ti imajo
najboljše razmerje med stroški obratovanja in stroški nabave in montaže črpalke.
Pri tlaku 0,7sistp bar= − nastanejo največji stroški – 47700€ , saj je življenjska doba črpalke
zelo kratka – 3,98 let.
Tabela 3. 7 : Stroškovna analiza
p sist Q 3 /m s M Nm P kW Življenjska doba v letih
Poraba
kW/leto
Capitalized cost (€)
0,0 0,009 41,76 6,34 31,5 37034 45000
-0,2 0,009 39,08 5,93 12,86 34658 43500
-0,5 0,009 36,52 5,55 5,55 32384 44000
-0,7 0,009 35,24 5,35 3,98 31251 44700
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 51 -
6 ZAKLJUČEK
Kavitacijski pojavi, ki so posledica neenakomernih razmer v tokovnih in temperaturnih poljih
v hidravličnih sistemih, kljub tehnološkemu razvoju zaradi kompleksnosti in številnih
vplivnih parametrov še danes fizikalno in fizično niso popolnoma opisani in rešeni. Pojav
kavitacije je tesno povezan z lokalnimi časovno spremenljivimi tokovnimi lastnostmi, kot so
lokalne hitrosti in lokalni statični tlak.
Naloga, ki smo jo opravili, je bila relativno zahtevna, saj je zahtevala teoretično poznavanje
konstruiranja tehnoloških procesov in naprav ter znanje fizike in znanje merjenja temperature
s termografsko kamero.
V nalogi je bila opravljena analiza povišane temperature vodne radialne črpalke v prehodnem
kavitacijskem režimu, na kateri smo izvajali funkcijski preizkus. Z merjenjem temperature
ohišja vodne radialne črpalke smo pokazali, da je vzrok kavitacija, zaradi katere se radialna
črpalka segreje v določenih režimih. Opisali smo metodo merjenja temperature, ki smo jo tudi
primerjali z merjenjem temperature z električnim termometrom. Tudi ta je pokazal isto
temperaturno skalo segrevanja kot termografska kamera.
Rezultati stroškovne kalkulacije pa kažejo prevladovanje obratovalnih stroškov, kateri rastejo
z izkoristkom posameznega pretočnega režima. Pričakovali smo, da imamo pri povečani
kavitaciji nižje izkoristke. Domnevamo, da je razlika med izkoristkom prišla zaradi manjšega
razplinjanja tekočine pri večjih tlakih, kjer kavitacija še ni popolnoma izoblikovana.
Kot zaključek lahko na osnovi podatkov, zbranih v delu, navedemo naslednje sklepe:
- vzrok za segrevanje vodne radialne črpalke je kavitacija v prehodnem kavitacijskem režimu,
- s primerjalnimi metodami dveh načinov meritev smo pokazali, da je uporaba merilne
metode s termografsko kamero hitrejša in ne bistveno dražja metoda,
- izračunali smo, da imamo pri 0, 2sistp = − najboljše razmerje med stroški obratovanja in
stroški nabave in montaže črpalke.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 52 -
7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV
[1] Bastič M. Planiranje projektov, Ekonomska poslovna fakulteta, Maribor, 1996.
[2] Biluš Ignacijo. Homogeni dvofazni prenosni modeli kavitacije v turbinskih strojih.
Maribor, 2005.
[3] Bizjak F. Tehnološki in projektni management Ljubljana, Gospodarski vestnik, 1996.
[4] Brennen C. Hydrodynamiycs of Pumps, Concepts ETI Inc.,Oxford Science Publicatins,
California Institute of tehnology, Pasadena, California, USA 1994.
[5] Grist E. Cavitation and centrifugal pumps (guide for pums users), Philadelphia: Taylor
& Francis, 1998.
[6] Güllich J.F. Kreselpumpen: Ein handbuch fur Entwiclung, Anlagenplanung und betrib,
springer-Verlag Berlin Haidelberg, 1999.
[7] Petrešin E. Slovensko društvo za zaščito voda, Ljubljana, 1998.
[8] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Jože
Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003.
[9] Predin A. Črpalke in ventilatorji, Maribor: Fakulteta za strojništvo , 2000.
[10] Predin A., Biluš I. Merjenje kavitacijskih veličin radialne črpalke, Kuhljevi dnevi 2000,
Maribor, Slovensko društvo za mehaniko, 2000, 63–70.
[11] Širok B., Dular M., Stoffel B. l. Kavitacija, i2, duržbafur za založništvo, izobraževanje
in raziskovanje d.o.o., Ljubljana, 2006.
[12] Šrimf R. Ocena znižanja življenjske dobe vsled kavitacije v radialni črpalki. Maribor,
2001.
[13] Tršan N. Termovizija. Priročnik z navodili za uporabo. Sweden: FlirSystems AB. 2000
[14] Flir Manual 2007 . Sweden: Flir Systems AB.
[15] Infrared cameras. Dostop na WWW: http://www.flirthermography.com/cameras/ [20.
11. 2009]
[16] Water mastere, elctromagnetic Flowmeters [svetovni splet] ABB Gruop. Dostopno na
WWW : http://www.abb.com /[22. 11. 2009]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 53 -
8 PRILOGE
Vsebina priloge:
- Rezultati meritev z termokamero
- Tabele za izračun življenjske dobe vodne radialne črpalke
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 54 -
SLIKE TERMO KAMERE
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 55 -
Sp1
16.1
59.9 °C
20
30
40
50
FLIR Systems
Sp1
21.7
50.0 °C
30
40
FLIR Systems
Object Parameter Value
Emissivity 0.93
Object Distance 2.0 m
Reflected Temperature 20.0 °C
Atmospheric
Temperature
20.0 °C
Atmospheric
Transmission
0.99
Label Value
Sp1 52.5 °C
Object Parameter Value
Emissivity 0.93
Object Distance 2.0 m
Reflected Temperature 20.0 °C
Atmospheric
Temperature
20.0 °C
Atmospheric
Transmission
0.99
Label Value
Sp1 48.6 °C
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 56 -
Sp1
11.5
57.0 °C
20
30
40
50
FLIR Systems
Sp1Sp2
16.5
61.0 °C
20
40
60
FLIR Systems
Object Parameter Value
Emissivity 0.93
Object Distance 2.0 m
Reflected Temperature 20.0 °C
Atmospheric
Temperature
20.0 °C
Atmospheric
Transmission
0.99
Label Value
Sp1 48.8 °C
Object Parameter Value
Emissivity 0.93
Object Distance 2.0 m
Reflected Temperature 20.0 °C
Atmospheric
Temperature
20.0 °C
Atmospheric
Transmission
0.99
Label Value
Sp2 52.2 °C
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 57 -
TABELE [12]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 58 -
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 59 -
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 60 -