Porszívók számára készült fúvó aggregátok elemző vizsgáLata Szabó Sz ilárd n , Kalmár László JJ , Lakatos Károly3/;,
K+F eredmények összefoglalása GDP-l .l .2-0B/ 1-200B-0002
Soltész László JS Bevezeté s Az Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszékének a GOP projekt
keretében egyik meghatározó témája a porszívó aggregátokkal kapcsolatos sokré tű K+F tevékenység volt, amely a teljes 3 éves futamidő alatt folyt. Az alapvető cél csak az aggregátokkal kapcsolatos áramlás- és hőtechnikai tudásbázis megalapozása lehetett. A fúvóból és a villamos molorbói álló egység Oásd az l. ábrát) tekintetében eiUlek megfel elően a fúvóra koncentráltunk. ,
1~1<.
"H'" I
".
II
I.L
., i<
~, ~
[.,-f
.,.
.,',h",)
, I'
1 ábra A hivó aggreg;11 szelbontott allapotban
Tevékenységünk három fő terület köré csoportosítható. Elsö a laboratóriumi mérések, a második a fúvó részegységeinek geometriai változtatása és új variációk tervezése, a harmadik a fúvónak, majd a teljes aggregátnak a numerikus modellezése.
,
SZÉCHENYI TERV
..
II egyetemi tanár. Mis kolci Egyetem, Áramlás- es Hötectln,kal Gépek Tanszék 33 egyetemi docens. M,skokl Egyetem. Áramlás- és Hötechnlkal Gépek Tanszék II egyetemi docens. MiSkolCI Egyetem. Áramlás- és Hötechnlkal Gépek Tanszék , csoportvezetÖ. Elektrolux PorsziVÓ9yár
93
1,35
A három vizsgálati csoport nem különült el, azok szervesen összekapcsolódtak. Ennek megfelelően az alábbiakban e hár~m tématerület köré csoportosítva próbáljuk tömören összefoglalm a hároméves tevékenységünket.
~
1,3 ~i---+---77"-='~-
1,25
;->. c
~
1,2 . -
J
~
1. Porszívó aggregátok laboratóriumi mérése
]1,15
E
A porszívó aggregátok áramlástani és energetikai m~:éséhe~ , e~~ő lépésben egy - a vonatkozó szabványoknak megfelelo - vanablhs kísérleti berendezést terveztünk és készítettünk el (2. ábra). E berendezés számára egyedi t érfogatáram -mérő szakaszt terveztünk és állítottunk össze, majd elvégeztük ennek kalibrációját is. E berendezés segítségével lehetőség van a gépcsoport következő jellemzőinek meghatározására: fordulatszám, az elszívott levegő t érfogatárama, az előállított nyomáskülönbség, a felvett villamos teljesítmény, a hőmérsékletnövekedés.
2. ábra . A ta nszé ki
mé rő b e rendezés
részletei
E jellemzők mérésének adatrendszeréb,ől megh~t~roz~~tók, a ~vók alapvető jelleggörbéi a szállított legmenn~lse? fu~gveny~ben: nyomásviszony -térfogatáram, hasznos teljes~tm~ny -t~rfogat~ram, hatásfok-térfogatáram, felvett villamos teljesltmeny-terfogataram, stb. Ezeket különböző villamos bemenő teljesítményszinteken i~ ~ód van meghatározni. Szemléltetésül álljon itt (3. ábra) egy, a meresek alapján meghatározott j elleggörb e sereg. , , Külön berendezéseket állítottunk össze az aggregátok rezges- es zajvizsgálatai számára. A mérőberendezés . több ...~élt.. ~z~lgált: Végeztünk rajta összehasonlító méréseket, amikor kulonboz~ :lPUSU aggregátokat vizsgáltunk. Sor került egyes ven.~l~.ato~o~ kagylódiagramjának mérésére is, amikor kulonbozo fordulatszámokhoz határozt uk meg az aramlási jellemzőket. 94
o
>-
c 1,1
---r-------~-...:....~~---
1,05
10
Hat
különböző
fúvó által
20
előállított
30
40
50
60
o. [l/sJ
3. ábra. nyomásviszony a térfogatáram függvényében
Más alkalommal a meglévő fúvó egyes elemeinek geometriai méreteit "csonkítással" változtattuk meg és vizsgáltuk, e beavatkozások áramlástani-energetikai hatását. Terveztünk új járó- és vezető visszavezető kerekeket Oásd a következő fejezetet). Ezeket különböző összeépítési variációk alkalmazásával részletes laboratóriumi vizsgálatnak vetettük alá. A mérési eredmények feldolgozása után levontuk a megfelelő következtetéseket a fúvógeometria és az üzemi jellemzők kapcsolata között. A mérési eredmények validáció s feladatot is elláttak a numerikus szimulációk vonatkozásában. 2. Porszívó aggregát járó- vezető- és visszavezető kerekeinek geometriai analízise, tervezése
A vizsgálataink másik fő területét a fúvó aggregát áramlástani részének a fúvónak Oásd 4. ábra baloldali képe) új geometriákkal való ellátása volt. Ennek célja az volt, hogy felderítsük a geometria és az üzemi jellemzők közti kapcsolatot, illetve vizsgáljuk meg, hogy milyen számítási eljárásokkal illetve milyen eredményességgel tudunk új járókereket és vezető-visszavezető kereket tervezni. Első lépésként új járókerék geometriákat terveztünk. Egy ilyen lapátgeometriát mutatunk be a 4. ábra jobboldali képén. A lapát logaritmikus spirális alakú.
95
3. Porszívó aggregátban kialakuló áramlás finomstruktúrájának meghatározása numerikus analízissel
4. á bra. A fúvó me ri dián metszete és egy új loga ri tmiku s s pi rális alakú la páttal ki alakított járó ke rék
M ' sodik lépésként
vezető-
és
visszavezető
kerekeket terveztünk
kü~önböző járókerekekhez. Két fő típust alakítottunk ki (lásd az 5.
meg, a" ,. a'b ra't) . Az egyiket egyenes vezető keréklapátokkal oldottuk másik klasszikus görbült lapátú. A hozzájuk tart?zo ;'1sszaveze:? kerekek közös tulajdonsága, hogy. relatíve .hoss~uak ~~ ~, lev~g~t majdnem a tengelyig vezetik VIssza. ~l~~et var,~acl~, kozos tulajdonsága, hogy a köztük a kerülete n levo an:e~e~o. nyilasok, a korábbi változatokhoz képest nagyobbak a szukítesl veszteseg csökkentése céljából. " , . Az a. változat a mérések szerint nem megfelelo, a 13. változat VIszont bíztató eredményeket mutatott.
a.
változat
A numerikus vizsgálat elsőrendű célja egyrészt egyfokozatú, radiális átömlésű ventilátor aggregát működése szempontjából alapvetően fontos üzemi paraméterek számítása, valamit az áramlás aggregáton belüli jellemzőinek részletes meghatározása. Az aggregáton belüli áramlás FLUENT-ANSYS kereskedelmi szoftver [1] alkalmazásával nyert eloszlásai alkalmasak az aggregát egyes részegységei helyes működésének megítélésére. A számított üzemi paraméterek számértéke i - azok validálása érdekében - összevethetők a ventilátor-aggregát laboratóriumi mérési eredményeivel [2]. Először a numerikus szimuláció előkészítéséhez szükséges tennivalókat ismertetjük, majd csak ezt követően mutatjuk be a szimuláció számítási eredményeit.
3.1. A számítási tartomány meghatározása A teljes számítási tartomány két nézetben a 6. ábrán látható. A fényképek és a 3D-s geometriai modell egybevetésével jól látható, hogy a tartomány be- és kilépő keresztmetszeteit a valóságos kialakításhoz képest kis mértékben módosítottuk. A belépő keresztmetszetnél- homogén áramlási jellemzők biztosítása érdekében - egy a belépő keresztmetszettel azonos átmérőjű rövid hengeres csőtoldatot illesztettünk, a kilépő keresztmetszet esetében pedig a meghajtó villamos motoron történő nagyon bonyolult átáramlás helyett a ventilátor kilépő oldalán a levegőáramlás irányában a villamos motor házán meglévő két darab un. "piskóta" keresztmetszethez egy-egy rövid kilépő hengeres felületű csőtoldatot illesztettünk.
[3.
változat
Új vezető- és visszavezető kerekek
96
97
6. ábra Ve ntilátor-aggregát teljes 30-s számítási tartománya két nézetben
Vezető-,
8. ábra illetve visszavezető kerék testmodellje
3.2. Ventilátor-aggregát számítási résztartományok definiálása A 6 ábrán látható számítási modell tartalmazza a 7. ábrán látható for~ó járókereket és a 8. ábrán két nézetben vázolt vezető-, illetve visszavezető kereket is. Az áramló levegő a ventilátor szívócsonkján érkezik a járókerékre, mely a közeg energiáját megnöveli. Ezt követően a levegő a járókerék oldali vezetőkeréken át a nyomótérbe kerül, majd a visszavezető keréken átáramolva a nyomócsonkon távozik el a ventilátor-aggregát egységből.
és diszkretizációja
A számítás numerikus végrehajthatósága érdekében a teljes számítási tartományt először résztartományokra osztottuk, amelynek térbeli elhelyezkedése és a hozzá tartozó elnevezések a 9. ábrán láthatók. A berendezés működéséből adódóan ugyanis két fontos teret kellett elkülönítenünk: a forgó (ROTOR) járókerék-tartományt és az álló (STATOR) tartományt, amelyet az aggregát háza és a vezetőkerekek falai határolnak. A numerikus szimuláció előkészítésének talán egyik legfontosabb lépése a számítási tartomány diszkretizációjának, vagyis a tartomány hálózásának sikeres végrehajtása igen nagy hatással van a numerikus számítási eredmények pontosságára.
7. ábra Járóke rék testmodellje
A numerikus vizsgálat elsődleges célja a ventilátor-aggregát belsejében kialakuló áramlási jellemzők számítással történő meghatározása.
98
9. á bra Számítási ta rtomá nyo k felosztása és elnevezései
10. á bra Já rókeré k fe lületén kiala kított hálózás ké pe
99
A FL UENT kereskedelmi szoftver áramlási feladat numerikus megoldása során az un. véges térfogatok elvét alkalmazza. Ennek érdekében a számítási tartományokat a futtatást megelőzőleg véges térfogatokra kellett felosztani. Ennek során kialakított numerikus háló alkalmazhatóságát a hálóelemek un. torzultsági paramétereinek értékei alapján tudjuk minősíteni. A kifejlesztett háló végső változata esetében 11.27 millió cella került kialakításra, amelyekre vonatkozóan a legnagyobb torzultsági paraméter értéke 0.87 volt. A járókerék, vezető- , illetve visszavezető kerék áramlási terére elkészített numerikus hálók felületi képei a 1012. ábrákon láthatók.
A 13. ábrajelöléseit felhasználva először számított áramlási jellemzők változásait az aggregát forgástengelyére merőleges A és B jelű síkok mentén mutatjuk be.
10
=1l&~i=1 1
8
13. ábra Kijelölt átáramlási keresztmetszetek elhelyezkedése és jelölései
A 14. ábra a járókerékben és a vezetőkerékben, a 15. ábra pedig a visszavezető kerékben, valamint az ezt követő nyomótérben kialakuló sebességeloszlás változását mutatják be a hátlappal párhuzamosan fekvő és a lapátcsatorna közepén elhelyezkedő A, illetve B jelű síkok mentén Oásd a 13. ábrajelöléseit is). 11. ábra A járókerék és a vezetőkerék felületén kialakított hálózás képe
12. ábra A visszavezető kerék felületén kialakított hálózás képe
/
3.3. Számítási és kísérleti eredmények összehasonlítása A diszkretizált tartomány csomópontjaira vonatkozóan instacionárius áramlás feltételezésével az un. sűrűség alapú implicit Gauss-SeideI numerikus megoldót használtunk. Az áramló levegőt a berendezés működtetése során kialakuló nagy áramlási sebességek és nagy nyomásviszony miatt viszkózus kompresszíbilis gáznak tekintettük. Így a számítás során a standard k-E turbulencia modellt és az általános gáztörvényt alkalmaztuk. A futtatás során nyert eredményeket ábrák és diagramok segítségével foglaljuk össze.
100
/ 14. ábra Sebességeloszlás a járó- és vezetőkerékben az A jelű sík mentén
15. ábra Sebességeloszlás a visszavezető kerékben a B jelű sík mentén
A 16. ábra a vezetőkerékben kialakuló abszolút nyomás eloszlás változását mutatják be a hátlappal párhuzamos és alapátcsatorna közepén elhelyezkedő B jelű sík mentén Oásd a 13. ábrajelöléseit is).
101
A 17. ábra a sebességeloszlást ábrázolja a ventilátor aggregát főmetszeti síkjában, ahol jól látható a járókerék belépő keresztmetszete környezetében az aggregát szívóoldali fedele és a járókerék előlapja között kialakuló visszaáramlás. Ez a jelenség a járókerék ki- és belépő keresztmetszeteiben működtetés kialakuló jelentő s nyomáskülönbség miatt jön létre, amely a ventilátor volumetrikus hatásfokát és így az aggregát teljes hatásfokát is jelentősen leronthatja.
.li • I
16.áb ra Nyomáseloszlás a visszavezető ke rékben a B jel ű sík mentén
17. ábra Sebességeloszlás az aggregát fő metszete menté n
A 17. ábra a sebességeloszlást ábrázolja a ventilátor aggregát főmetszeti síkjában, ahol jól látható a járókerék belépő keresztmetszete környezetében az aggregát szívóoldali fedele és a járókerék előlapja között kialakuló visszaáramlás. Ez a jelenség a járókerék ki- és belépő keresztmetszeteiben működtetés kialakuló jelentős nyomáskülönbség miatt jön létre, amely a ventilátor volumetrikus hatásfokát és így az aggregát teljes hatásfokát is jelentősen leronthatja. A továbbiakban felületre vonatkozó integrált átlagértékek változásait mutatjuk be. Ezért a számítási eredmények globálisan áttekintő bemutatása érdekében az áramlás irányában 16 darab átáramlási keresztmetszetet jelöltünk ki a ventilátor aggregáton belül, amelyek elhelyezkedését a 13. ábrán lehet megtekinteni. A számítási eredmények jobb áttekinthetősége érdekében kiszámítjuk a szimuláció során részletesen meghatározott áramlási jellemzők fent említett 16 átáramlási keresztmetszetre vonatkozó átlagértékeit és ezek felhasználásával az aggregáton átáramló levegő transzport folyamatában a jellemzők áramlás irányú változása nyomon követhető lesz.
102
Ennek megfelelően a 13. ábrán megjelölt átáramlási keresztmetszetekre vonatkozóan kiszámítottuk az abszolút nyomás, a dinamikus nyomás, valamint az átáramló levegő tömegáram átáramlási keresztmetszetre vonatkozó átlagértékét, amelyeket az áramlás irányában kijelölt keresztmetszetekhez tartozóan - a II. üzemállapotra ,vonatkozóan - a 18-20. ábrákon lévő diagramokon rajzoltunk fel. Igy jó látható a felsorolt mennyiségeknek a ventilátoraggregáton történő átáramlása során kialakuló változás ának jellege. A járókeréken történő átáramlási szakasz Ca 2 és 8 jelű keresztmetszetek) mentén az abszolút és dinamikus nyomás értékei folyamatosan nőnek, a vezetőkerék menti keresztmeszet növekedése a dinamikus nyomás csökkenése mellett további növekedést biztosít az abszolút nyomásban Oásd a 8-9 keresztmetszetek közötti szakaszt). A 20. ábrán jóllátható a résveszteség miatti tömegáram növekedése az l-s és 2 jelű keresztmetszetek között. 120
I
I
I
-I---~t
I
-1 __ -
I
~
-j- -
I
I
-; -
-
-
I
- - J - - -
T - -
I
-1- _ _
_ __
t
I
T - - -,- - - , - -I
I
I
I I I r l I -1- - - , - - - - -, - - - T - - -,- - -"T - - -
I
I
__
t ~
I
__ _
I
!
I
-
I
~
-:- - -
-~--~---~--~---+---~--~--I I I I I g; -1- - - ; - - - t-- "tI O AZln.ü:urallopod I
- t- -
I
I I
I I I I ---~--~---~ ___ L
I
- "1 - -
I
I I
-~--~---~---~-_, - - _
I
-1- -
I I
-
I
I
I
O·· 7\---~-+---I;6-·8k----'lfnO-""' 12"---f14~-"16 A koes:rmetr.et SOrs:QmQ
18. á bra Abszolút nyomás [bar] változása
- 1- -
I
~
- - -
I - -' -
I
I -
~
-
-
~
I
I
I
r
__
ti o .t.w! llii:aMOapory I
I
I
I
+- _ _ -1 __
t
_
-+ __ _ I
I
I
I
I
I
I
I---'---J--~---~---;-----I---~--I I I I
6
B
10
A keres=rmlJlS:('.[ Jors;öma
12
14
16
19. ábra Dinami kus nyomás [Pal változása
A 21. ábrán a vizsgált aggregát számított munkaponti jellemzőit egy olyan aggregát korábban számított és mért üzemi jellemzőivel hasonlÍtottuk össze [2], amelynél a vezető- és visszavezető kerék lapátozása kis mértékben eltért a jelenleg alkalmazott kerék geometriájától. A globális összehasonlítás nem mutat nagy különbséget, eltérést csak lokálisan észlelhető.
103
,
.
, : : ._, !' ---;----:---:
:l-:~ : --t-o--i --l ---i----t----:---, , , , ---:---, __
.~
,
:
_ _ _ _ _ .J ____ •
:
• _,
:
Kiadja;
, , , , ---ö----r---.,----r----' --o , , , ,
20. ábra Tömegáram változása
--
21 ábra MérI Jelleggörbe é~ számított munkapontok
UNI-FLEXYS Egyetemi Innovációs Kutató és Fejlesztő Közhasznú Nonprofit Kft. www.uni-flexys.hu
4. Öss zefoglalás Az aggregát munkapontjának szimuláció által meghatározott jellemzöit összehasonlítottuk mert és szánútott üzemi jellemezökkel,
amely a gyakorlatn ak megfelelő jó egyezést mutat. A kapott eloszlások elemzése a jelenleg is folyó kutatási tevékenység egyik fő komponense. Ennek eredményeiről a közeli jövőben tudunk beszámolni.
•
UNI,rlEXYS INNOVATív TUDÁSTRANSZFER
Irodalomjegyzék [1] FLUENT USER GUIDE, Fluent [nc. Lebanon, (2003) [2] Lakatos, K., Szaszák, N., Mátrai Zs., Soltész, L., Szabó, Sz.: Experimental Development of Guide Vanes and Retum Guide Vanes ofa Mini Blower, Proceeding of MicroCAD International Computer Science Conference, Miskolc, (2011)
Kiadásért felelős: Bárkányi Péter marketing vezető
ISBN 978-963-89509-0-1
Kös~önetnyil~ánitás, A kutatómunka az Új S~écneny, Terv GOP-l.l .2-08/1-2008-0002 jehi projektlámogatásaval valósult meg. Ugyancsak k,emeh!!sre ~é\tó. hogya tanul mányban
Nyomdai munkák:
bemutatott K.F tevekenység folyta tását lehetóvé teszI az UJ SzéchenYI Terv TÁMOPU .l.8_10/21KQNV_2010_0001 jelú projekt támogatása.
EXTREMGROUP Kft.
104
