Eksperimentalno modeliranje v EPS

LVTS

3

Uvod: Študijski red Pri predmetu Eksperimentalno modeliranje v EPS so tedensko tri ure vaj. Vaje potekajo v učilnici, v laboratoriju LVTS in na terenu. Večina vaj (tematskih sklopov) obsega uvodni del v učilnici (1 ura), eksperimentalni del v laboratoriju (3 ure) in modelirni del z uporabo računalnika (3 ure). Določen sklop vaj je lahko tudi daljši ali krajši. Predloge Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Katedre za energetsko strojništvo http://lab.fs.uni-lj.si/kes/predmeti/index.html ter na domači strani Laboratorija za vodne in turbinske stroje http://lab.fs.uni-lj.si/lvts/. Vaje se lahko razlikujejo glede na prejšnjo leto, zato si morajo študentje pred vsakokratno izvedbo vaje priskrbeti aktualno predlogo za vaje. Udeležba Udeležba pri vajah 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. Študijski red v laboratoriju Laboratorij LVTS je v stari stavbi, vhod iz dvorišča skozi zelena kovinska vrata, v nadstropju. Vaje potekajo v skupinah po največ 8 študentov. Skupine in urnik se sestavi na prvi uvodni vaji. Prosimo, da se skupine najprej zberejo pred vhodom in nato pozvonijo na zvonec pri vratih. 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 vrtečih strojev. Vsako nevarnost oziroma nepravilnost morajo študentje javiti asistentu. Modeliranje z računalnikom prav tako poteka v laboratoriju LVTS. Na enem računalniku delata po dva študenta.

Eksperimentalno modeliranje v EPS

LVTS

4

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 iz predmeta Eksperimentalno modeliranje v EPS sodelovati pri vseh laboratorijskih vajah in oddati poročila za vse vaje. Posamezno poročilo pokriva celotni tematski sklop, torej eksperiment in izdelava modela. Poročila se oddajajo v elektronski obliki, po možnosti preko E-pošte v PDF formatu. Na koncu semestra se izvede pisno preverjanje znanja iz opravljenih vaj, na podlagi katerega se določi ocena vaj za predmet. Nadpovprečno izdelana poročila lahko vplivajo na dvig končne ocene, podpovprečna ali očitno prepisana pa na padec končne ocene iz vaj. Laboratorijske vaje izven FS Predvidena je vsaj ena vaja na terenu, termini bodo javljeni kasneje.

Eksperimentalno modeliranje v EPS

LVTS

5

Vaja 1. Uporovna karakteristika kavitacijskega kanala Uvod V nalogi je potrebno izdelati model uporovne karakteristike kavitacijskega kanala za različne pretoke. Kavitacijski kanal je del pretočnega trakta, kjer je presek zmanjšan z vstavljeno oviro. Pri nizkih pretokih je tok v kavitacijskem kanalu brez kavitacije, pri povečevanju pretoka pa se pojavi kavitacija. Kavitacija lahko zapre pretočni kanal, pri čemer se pretok pri nastanku kavitacije značilno ali celo nezvezno spremeni. Kavitacija 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 elementarni delci, na primer proton.

Hidrodinamična in akustična kavitacija nastaneta zaradi napetosti v kapljevini, optična kavitacija in kavitacija delcev pa nastane zaradi lokalno dovedene energije v kapljevino. Za hidravlične stroje je najpomembnejša hidrodinamična kavitacija. Hidrodinamična kavitacija Vzroki za nastanek hidrodinamične kavitacije so:

- Geometrija obtekajočega telesa, ki povzroči lokalno povečanje hitrosti, posredno pa padec lokalnega statičnega tlaka

- Mejna plast med dvema različno hitrima tokovoma - Hrapavost površin - Vibracije potopljenih teles – kjer tekočina ne more slediti visokim nihajnim

frekvencam telesa - Potopljena telesa, ki so izpostavljena trenutnemu sunku.

Hidrodinamična kavitacija se lahko pojavi v različnih oblikah, pojavna oblika je odvisna predvsem od strukture nekavitirajočega toka. Tipične pojavne oblike kavitacije so:

- Posamezni, izolirani mehurčki: ti se pojavijo v regijah nizkega tlaka kot rezultat hitre rasti kavitacijskih jeder vsebovanih v kapljevini.

Slika. Posamezni mehurčki.

Eksperimentalno modeliranje v EPS

LVTS

6

- Pritrjena kavitacija: takšna kavitacija je pogosto pritrjena na vpadni rob oblivajočega telesa, npr. na sesalni strani lopatice hidravličnega stroja.

Slika. Pritrjena kavitacija.

- Kavitacijski oblaki: ti se pojavijo, ko se del pritrjene kavitacije odtrga in ga odnese

s tokom kapljevine.

Slika. Kavitacijski oblak.

- Superkavitacija: pojavi se, ko plinasta faze preseže telo, na katerem se pojavlja.

Slika. Superkavitacija.

- Kavitacijski vrtinec, vrtinčna kavitacija: ta oblika kavitacije nastane na mestu

močno zvrtinčenega toka, npr. v sesalni cevi Francisove turbine, na ladijskih vijakih itd.

Eksperimentalno modeliranje v EPS

LVTS

7

Slika. Kavitacijski vrtinec.

Najenostavnejši definirani pogoj za nastanek kavitacije je, da minimalni statični tlak pmin doseže tlak uparjanja tekočine pp: pmin = pp. Merilna postaja Merilna postaja je predstavljena na spodnji sliki. Glavni sestavni deli merilne postaje so črpalka z elektromotrojem, frekvenčni pretvornik, sesalni rezervoar, tlačni rezervoar, merilnik pretoka, preizkušanec, v našem primeru je to kavitacijski kanal, ventila 1 in 2 za zmanjševanje pretoka ali menjavo merjenca in odjemi tlaka.

Slika. Model merilne postaje. 1 – črpalka, 2 – merilnik pretoka, 3 – tlačni rezervoar, 4 – grelec, 5 – preizkušanec/merjenec, 6 – sesalni rezervoar, 7 – temperaturno zaznavalo.

Eksperimentalno modeliranje v EPS

LVTS

8

V kavitacijski postaji je mogoče zagotoviti nadtlake do 6 bar in z vakuumsko črpalko podtlake do skoraj -1 bar glede na atmosferski tlak. Tlačni pretvorniki so nameščeni na merilno postajo. Na voljo je en absolutni tlačni pretvornik in en diferencialni tlačni pretvornik. Pri delu pazi, da ne odpreš napačnega ventila, sicer se iz postaje lahko izlije voda. Napajanje senzorjev je iz električne omarice, ki je vgrajena na postajo. Električno omarico priključi na omrežje s kablom z modrim konektorjem, tega poveži z bližnjo električno omarico na steni laboratorija. Diferencialni tlačni pretvornik se napaja iz napajalnika, ki je nameščen ob postaji. Nadtlak v postaji lahko dosežeš tako, da postajo povežeš z omrežjem stisnjenega zraka, ki je na voljo v laboratoriju. Merilna oprema Na voljo bo naslednja merilna oprema: - merilnik pretoka ABB, - merilnik diferencialnega tlaka ABB, - merilnik statičnega absolutnega tlaka ABB Pogon elektromotorja Elektromotor priključi na frekvenčni pretvornik. Frekvenčni pretvornik je naprava, ki omogoča spreminjanje vrtilne frekvence trifaznih asinhronih elektromotorjev preko spreminjanja frekvence mreže, ustrezno vrtilni frekvenci pa se spremenijo tudi napetosti in tokovi na posameznih fazah elektromotorja. Za regulacijo pretoka uporabljaj frekvenčni pretvornik ustrezne moči, v laboratoriju LVTS je to frekvenčni pretvornik FUJI Frenic FRV E9S, ki je pritrjen na steno levo od merilne postaje. Pretok lahko spreminjaš tudi z enim od obeh ventilov, ki sta nameščena na postaji. Naloga 1. Naredi skico meritve in komentiraj izbiro merilnih mest. 2. Izmeri tlačni padec v kavitacijskem kanalu v odvisnosti od pretoka. Meritev opravi pri izbranem absolutnem tlaku v sistemu. Označi nekaj značilnih točk, predvsem glede na pojavljanje kavitacije. Vse parametre meritev zapisuj v excelovo datoteko na računalnik. Meritev izvedi pri različnih tlakih v sistemu: skupina 1: atmosferski tlak skupina 2: nadtlak 0,25 bar skupina 3: nadtlak 0,5 bar skupina 4: nadtlak 0,75 bar 3. Izdelaj parametrični model tlačnega padca v odvisnosti od pretoka. Razdelitev nalog - nadzor eksperimenta - meritev pretoka in tlaka - nastavljanje delovne točke s frekvenčnim pretvornikom - zapisovanje merilnih rezultatov