Plzeň, 30. 8. 2006
Technická zpráva
Příprava FROTORU k experimentálnímu ověření
Číslo objednávky: 2115/0035/06
Autoři: Ing. Ladislav Tajč, CSc. Ing. Lukáš Bednář
Počet listů: 21
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 3 Měřící schéma ............................................................................................................................ 4 Množství přivedeného vzduchu ............................................................................................. 5 Měření tlaků ........................................................................................................................... 8 Měření barometrického tlaku ................................................................................................. 9 Měření teplot .......................................................................................................................... 9 Měření otáček....................................................................................................................... 10 Měření hluku ........................................................................................................................ 11 Měření teplot tělesa .............................................................................................................. 11 Zatížení stroje....................................................................................................................... 11 Ustavení FROTORU na zkušebně ........................................................................................... 11 Literatura .................................................................................................................................. 12 Rozměry FROTORU................................................................................................................ 13 Rám FROTORU....................................................................................................................... 14 Uspořádání lopatek, vstupní a výstupní část ............................................................................ 15 Systém pro řízení pohybu lopatek............................................................................................ 16 Výpis funkcí v jazyku VISUAL BASIC for Aplication pro MS EXCEL ............................... 17 Program pro snímání a ukládání otáček v jazyku VISUAL BASIC ........................................ 19
2 / 21
Úvod FROTOR patří mezi rotující expanzní stroje, kde se tlaková energie pracovního media, působící na lopatky rotoru, převádí na mechanickou práci. Při otáčení rotoru dochází k zvětšení prostoru mezi lopatkami a k plynulému poklesu tlaku v něm. Změnou vstupního tlaku lze měnit sílu působící na lopatky a tím i kroutící moment, resp. výkon motoru. Byl vyroben prototyp zařízení a vznesen požadavek na otestování motoru, stanovení jeho termodynamické účinnosti, změření kroutícího momentu a dále požadavek na celkové posouzení provozních vlastností nového typu expanzního motoru. Prvotní předpoklad o měření kroutícího momentu dynamometrem se ukázal jako nereálný, jelikož pro daný výkon stroje se nepodařilo zajistit pracoviště, kde by byl dostatečný zdroj pracovního media a kde by bylo možné instalovat možné instalovat dynamometr požadovaného příkonu a kde by byl připraven zkušený pracovní tým a to vše za přijatelných finančních podmínek. Z tohoto důvodu bylo na základě dohody mezi ZČU a pracovníky ŠKODA POWER upřednostněn jiný způsob měření kroutícího momentu. Místo jeho přímého měření přístrojem se zvolil způsob jeho výpočtu pomocí změřených provozních parametrů pracovního media. k zatěžování motoru se hledalo vhodné zařízení. Postupně bylo vytipováno vodní pístové čerpadlo. V rámci spolupráce ŠKODA POWER a ZČU byl testovaný stroj umístěn na zkušebně závodu. Zkušební stanoviště umožňovalo pevné připojení FROTORU k základu, přívod stlačeného vzduchu o tlaku 6 bar, možnost mařit výstupní výkon stroje vysokotlakovým čerpadlem. Základní rozměry prototypu FROTORU jsou patrné z diagramu D1 v příloze. Motor je uložen v rámu, který je zobrazen na diagramu D2. Vnitřní uspořádání lopatek spolu se vstupní a výstupní částí je dobře vidět na diagramu D3. Pohyb lopatek je řízen systémem patrným z diagramu D4. Pracovní medium expanduje v jednotlivých komůrkách mezi lopatkami. Plyn se rozpíná všemi směry a působí tedy na přední a zadní lopatky ohraničující komůrky. Jelikož přední lopatka je delší než zadní, vzniká zde síla, která otáčí rotorem FROTORU. Přívod pracovní látky je umožněn trubkou o vnitřním průměru 67 mm. K lopatkám se plyn dostává přes dva uzávěry, které plyn o vyšším tlaku než je barometrický trvale vytlačuje do otevřené polohy. Po otočení lopatky o 135 deg dochází k propojení expanzní komůrky s výfukem. Změna tlaku v komůrkách i pohyb lopatek jsou zdrojem tlakových pulsací. Změně objemu v komůrkách odpovídá změna tlaku. Výkon motoru lze regulovat pouze změnou vstupního tlaku. regulační systém není součástí FROTORU. V první fázi bylo nutné podle měřícího schématu vybudovat kompletní měřící trasu. Navrhla se clona pro měření hmotnostního toku, 3 / 21
vybudovalo se potrubí od zdroje tlakového vzduchu ke cloně a k vlastnímu FROTORU. Bylo nutné zajisti potřebné termočlánky a osadit je do měřících míst. K měření tlaků se pronajaly vhodné tlakové převodníky. Provedly se nezbytné úpravy k měření statického tlaku na vstupní a výstupní části FROTORU. Pronajaly se čidla na měření otáček a měřící ústředna ke sběru dat. Jelikož se ukázalo, že zařízení je nadměrně hlučné bylo nutné k jeho měření zajistit též hlukoměr. Realizace projektu vyžadovala též navrhnout a vytvořit program pro sběr a vyhodnocení dat.
Měřící schéma Vzhledem k tomu, že měla být určena termodynamická účinnost stroje a jeho výkon, bylo zvoleno následující schéma měření veličin - Obr. 1. Výkon lze určit pomocí množství přivedeného vzduchu a užitečného entalpického spádu. Účinnost lze stanovit z poměru užitečného a izoentropického spádu. K určení entalpií je třeba znát stav pracovního media před pracovní částí a za ní. K jednoznačnému určení stavu je potřeba znát statický tlak a teplotu media. Pro monitorování provozu stroje je důležité znát jeho otáčky.
Obr. 1 Měření základní veličin
4 / 21
Množství přivedeného vzduchu Měření množství přivedeného vzduchu bylo provedeno pomocí měřící clony umístěné v přívodním potrubí o průměru D = 150 mm, průměr clony d = 110 mm, clona byla použita s komorovými odběry – Obr. 2. Tlakové odběry byly provedeny měděnými trubičkami, tlaky jsou měřeny převodníky ROSEMOUNT 1151. Tlak před clonou je měřen proti atmosférickému tlaku. Přetlak na cloně je měřen diferenčním převodníkem ROSEMOUNT 3051. Signál je převeden na normalizovanou proudovou smyčku 4 až 20 mA. Délka rovné části potrubí před a za clonou je provedena dle ČSN [2]. Celé měření je navrženo dle ČSN EN ISO 5167-1. Clona osazená převodníky tlaku před vložením do potrubí je na Obr. 3.
Obr. 2 Měřící clona v přívodním potrubí stlačeného vzduchu
5 / 21
Obr. 3 Měřící clona ve vstupním potrubí
Hmotnostní průtok vzduchu se vypočítá dle ČSN [1, 2]. Aby bylo možné udělat vyhodnocení v tabulkovém procesoru EXCEL bylo nutné vytvořit několik funkcí (výpočet hmotnostního průtoku, dynamické viskozity vzduchu [3], koeficientů β, součinitele expanze ε, Reynoldsova čísla ReD a součinitele průtoku C. Tyto funkce byly napsány v jazyku VISUAL BASIC for Aplication. Protože hmotnostní průtok je závislý na Reynoldsově čísle, ale toto číslo lze vypočítat jen tehdy známe-li hmotnostní průtok, je nutné výpočet provést pomocí iterací. Pro iterování byla použita metoda půlení intervalu. Jako počáteční hodnota Reynoldsova čísla byla zvolena vysoká hodnota (1013). Výpočet velmi rychle konverguje – již cca po pěti krocích. Výpočet součinitele průtoku byl překontrolován podle tabulky, která je přiložená k ČSN. Celý výpočet hmotnostního průtoku byl v několika bodech překontrolován tak, že místo vzduchu byly do funkcí dosazeny hodnoty pro páru. Výsledek byl shodný s výstupem programu, který se používá pro výpočet průtoku páry clonou v závodě ŠKODA POWER. Vzhledem k tomu, že teplota vzduchu na cloně se bude pohybovat v rozsahu do 100 °C není potřeba provádět korekci na tepelnou roztažnost clony a potrubí. Vztahy použité pro výpočet průtoku clonou dle ČSN [1, 2]: Hmotnostní průtok qm:
qm =
C 1− β 4
ε
π 4
d 2 2∆pρ1 [kg/s, mm, MPa, kg/m3]
6 / 21
Součinitel C:
10 6 β C = 0,596 + 0,0261β − 0,216β + 0,000521 Re D 2
8
(
)
+ 0,043 + 0,08e −10 L1 − 0,123e −7 L1 (1 − 0,11A)
6 3, 5 10 + (0,0188 + 0,0063 A)β Re D
(
0,3
+
)
β4 1,1 − 0,031 M 2′ − 0,8M 2′ β 1,3 4 1− β
Pokud D < 71,12 mm pak se k C připočte: D + 0,011(0,75 − β ) 2,8 − [mm] 25,4
Poměr průměrů β:
β=
d D
Reynoldsovo číslo ReD: Re D =
4q m [kg/s, Pas,mm] πµ1 D
Podíl vzdálenosti předního odběru od přední strany clonového kotouče ku průměru potrubí L1 : L1 = 0 ... pro koutový odběr Podíl vzdálenosti zadního odběru od zadní strany clonového kotouče ku průměru potrubí L2′ : L2′ = 0 ... pro koutový odběr Součinitel M 2′ : M 2′ =
2 L2′ 1− β
Součinitel A: 19000 β A = Re D
0 ,8
Součinitel expanze ε: 1 κ p2 4 8 ε = 1 − 0,351 + 0,256 β + 0,93β 1 − p1
(
)
Izentoropický exponent κ: κ = 1,4 ... pro vzduch Dynamická viskozita µ []:
µ=
0.000001458 T 1,5 T + 110.4 7 / 21
[Pas, K]
Teplota vzduchu na cloně T: T = t + 273,15 [K, °C] Měření tlaků
Měření
tlaků
před
a
za
je
provedeno
pomocí
tlakových
převodníků
ROSEMOUNT 1151, viz Obr. 4. Před je měřen statický a celkový tlak, za je měřen pouze statický tlak. Tlaky jsou měřeny oproti atmosférickému tlaku. Signál je převeden na normalizovanou proudovou smyčku 4 až 20 mA. Provedení tlakových odběrů je patrné z Obr. 5.
Obr. 4 Tlakový převodník ROSEMOUNT
Obr. 5 Uspořádání měření – měření tlaků a teploty na vstupu
8 / 21
Měření barometrického tlaku
Je provedeno pomocí absolutního tlakového převodníku ROSEMOUNT 3051. Signál je převeden na normalizovanou proudovou smyčku 4 až 20 mA. Hodnota barometrického tlaku je důležitá pro stanovení absolutních tlaků měřených na testovaném stroji. Měření teplot
Měření teploty před a za je provedeno termočlánkem NiCr-Ni. Termočlánky jsou zavedeny přímo do proudu vzduchu bez jímek. Jako studené konce jsou použity elektronické převodníky teploty ROSEMOUNT 644H SMART – Obr. 6, které lze pomocí HARD protokolu naprogramovat na potřebný typ termočlánku a na měřené rozpětí teploty. Signál je převeden na normalizovanou proudovou smyčku 4 až 20 mA.
Obr. 6 Elektronické studené konce termočlánků NiCr-Ni
Všechny signály od čidel tlaků i teplot jsou zapojeny do propojovacího boxu – obr. 6 vpravo dole. Zde je zdroj stejnosměrného napětí 24 V a dále měřící odpor 402 ohmů, pomocí kterého je proud převeden na napětí, které je schopna měřit ústředna. K vlastnímu snímání hodnot byla použita měřící ústředna HP34970A, Obr. 7 vlevo dole, s jednou kartou s 20 analogovými kanály. K měření byl využit SW dodávaný s ústřednou LinkBench, který umožňuje pro každý kanál nastavit cejchy pro daný převodník, zobrazování dat jak číselně, tak v grafech, ukládání dat a jejich export do textového souboru. Z textového souboru takto
9 / 21
vytvořeného lze data snadno přetáhnout do dalších programů, např. do EXCELU ve kterém bylo provedeno vyhodnocení. Ústředna je připojena do PC pomocí linky RS232.
Obr. 7 Skříň s otáčkoměrem, propojovacím boxem a měřící ústřednou
Měření otáček
Byl použit otáčkoměr s kapacitní sondou. Na hřídel FROTORU byl umístěn kroužek se čtyřmi zuby (čím více zubů, tím větší přesnost měření otáček). Řídící jednotka (čítač), Obr. 7 nahoře, má svůj display, na kterém jsou vidět okamžité otáčky stroje, dále je opatřena výstupem linky RS232, kterou může komunikovat s PC. V měřícím počítači bylo provedeno zaznamenávání dat pomocí programu, který byl napsán ve VISUAL BASIKU, viz příloha 2. Program běžel na pozadí a ukládal data do souboru. Ke každé hodnotě otáček byla přidána časová značka, aby bylo možné data synchronizovat s daty měřenými ústřednou. Protože jako měřící PC byl použit notebook DELL, který má pouze jednu sériovou linku RS232 bylo nutné pro připojení druhého přístroje použít převodník RS232-USB. V notebooku byl nainstalován program pro vytvoření virtuálního sériového portu.
10 / 21
Měření hluku
Provedeno hlukoměrem Bruel-Kryel 2250. Hlukoměr umožňuje kromě změření hladiny hluku vyhodnocení třetinooktávové charakteristiky změřeného hluku. Hlukoměr lze po změření propojit pomoci linky USB s PC a data přenést a vyhodnotit v počítači. Hluk byl měřen ve vzdálenosti 1 m od stroje ve výšce 1 m nad zemí. Měření teplot tělesa
Kontrolní měření teploty tělesa při provozu bylo prováděno bezdotykovým infračerveným teploměrem RAYTEK MINITEMP MT4. Měření teploty lopatek po ukončení provozu bylo provedeno dotykovým teploměrem
GREISINGER
ELECTRONIC
GTH
175/MOP
a
termokamerou
Flir
ThermaCAMTM SC2000. Zatížení stroje
Zatěžování výstupního hřídele stroje bylo provedeno pomocí vysokotlakového vodního čerpadla. Na výtlaku čerpadla byl umístěn škrtící ventil, přiškrcováním ventilu se zvyšuje zatížení. Čerpadlo je schopno na výtlaku dávat tlak 90 bar. Tento tlak byl měřen ručičkovým měřidlem. Průtok vody byl kontrolován pomocí ultrazvukového průtokoměru ELIS. Ustavení FROTORU na zkušebně
Zařízení bylo umístěno na dvou ocelových kostkách. Na nižší byl ustaven FROTOR a na vyšší bylo upevněno čerpalo – Obr. 8. Spojení FROTORU a čerpadla bylo provedeno pomocí přírubových spojek s odpruženými čepy. Spojky byly spojeny s hřídelí pomocí per. Oba stroje byly před provozováním vyrovnány a souosost hřídelí byla překontrolována pomocí číselníkového úchylkoměru. FROTOR byl ke kostce připevněn pomocí nosníku protaženého otvory v podstavci. Vyrovnání bylo provedeno pomocí šroubovacích nožiček, které jsou součástí FROTORU. Na výstupní hrdlo FROTORU byl připojen výfuk, který měl stejný průtočný průřez a otáčel proud vzduchu směrem nahoru. Tento výfuk umožnil měření statického tlaku a teploty na výstupu. Na konci výfuku bylo možné měnit výstupní průřez a tím zvyšovat protitlak.
11 / 21
Obr. 8 Ustavení FROTORU na zkušebním stanovišti
Vzduch použitý pro pohon stroje byl použit z rozvodu stlačeného vzduchu (tlak 6 bar), před strojem byl umístěn cyklónový odlučovač nečistot a případné vody. Před cyklónovým odlučovačem byl umístěn manometr, který umožňuje sledovat tlak vzduchu v rozvodu.
Literatura
[1] ČSN EN ISO 5167-1, Měření průtoku tekutin pomocí snímačů diferenčního tlaku vložených do zcela zaplněného potrubí kruhového průřezu – část 1: Obecné principy a požadavky, listopad 2003 [2] ČSN EN ISO 5167-2, Měření průtoku tekutin pomocí snímačů diferenčního tlaku vložených do zcela zaplněného potrubí kruhového průřezu – část 2: Clony, listopad 2003 [3] Bečvář, Liška: T-S a I-S diagram vzduchu, SNTL 1964, Praha
12 / 21
D1 Rozměry FROTORU
13 / 21
D2 Rám FROTORU
14 / 21
D3 Uspořádání lopatek, vstupní a výstupní část
15 / 21
D4 Systém pro řízení pohybu lopatek
16 / 21
Příloha P1 Výpis funkcí v jazyku VISUAL BASIC for Aplication pro MS EXCEL
Const PI = 3.14159265358979 ' Hmotnostní průtok clonou [kg/s] ' Function ClonaHmotnostniPrutok(Dp_mm, Dc_mm, p1, p2, TlakJednotka, Kappa, Ro1, Ny) If TlakJednotka <> "Bar" And TlakJednotka <> "Pa" Then MsgBox "U ClonaHmotnostniPrutok neni určena jednotka tlaku správně -" _ & " musí být Bar nebo Pa." End If If TlakJednotka = "Bar" Then p1 = p1 * 100000 p2 = p2 * 100000 End If Dp = Dp_mm / 1000 Dc = Dc_mm / 1000 deltap = p1 - p2 Beta = ClonaBeta(Dp_mm, Dc_mm) ReD = 10000000000000# qm1 = -1000 OPET: Qm = (ClonaC(Beta, ReD, 0, 0, Dp_mm) / Sqr(1 - Beta ^ 4)) * _ ClonaEpsilon(Beta, p1, p2, Kappa) * (PI / 4) * _ Dc ^ 2 * Sqr(2 * deltap * Ro1) If Abs(Qm - qm1) < 0.000001 Then GoTo KONEC ReD = ClonaReD(Qm, Ny, Dp) qm1 = Qm GoTo OPET KONEC: ClonaHmotnostniPrutok = Qm End Function ' Reynoldsovo číslo ' Function ClonaReD(Qm, Ny, Dp) ClonaReD = 4 * Qm / PI / Ny / Dp End Function ' Poměr průměrů ' Function ClonaBeta(PrumerPotrubi, PrumerClony) ClonaBeta = PrumerClony / PrumerPotrubi End Function
17 / 21
' Součinitel expanze Epsilon ' ' Kappa ... izoentropický exponent ... vzduch Kappa = 1.4 ' Function ClonaEpsilon(Beta, p1, p2, Kappa) ClonaEpsilon = 1 - (0.351 + 0.256 * Beta ^ 4 + 0.93 * Beta ^ 8) * _ (1 - (p2 / p1) ^ (1 / Kappa)) End Function ' Součinitel průtoku C ' ' ' L1 ... = 0 ... pro koutové odběry ' M2 ... = 0 ... pro koutové odběry ' Dp ... [mm] ... průměr potrubí ' Function ClonaC(Beta, ReD, L1, M1, Dp_mm) Dp = Dp_mm a = (19000 * Beta / ReD) ^ 0.8 ClonaC = 0.5961 + 0.0261 * Beta ^ 2 - 0.216 * Beta ^ 8 + 0.000521 _ * (10 ^ 6 * Beta / ReD) ^ 0.7 + (0.0188 + 0.0063 * a) _ * Beta ^ 3.5 * (10 ^ 6 / ReD) ^ 0.3 + (0.043 + 0.08 * _ Exp(1) ^ (-10 * L1) - 0.123 * Exp(1) ^ (-7 * L1)) * _ (1 - 0.11 * a) * Beta ^ 4 / (1 - Beta ^ 4) - 0.031 * _ (M2 - 0.8 * M2 ^ 1.1) * Beta ^ 1.3 If Dp < 71.12 Then ClonaC = ClonaC + 0.011 * (0.75 - Beta) * (2.8 - Dp / 25.4) End If End Function ' Dynamická viskozita vzduchu ' ' t ........ teplota [°C] ' VzduchDynamickaViskozita ... [Pa.s] ' Protože tato veličina závisí na tlaku jen minimálně, lze tohoto ' vztahu použít pro výpočet pro tlaky 0.1 až 100 bar ' ' Literatura: Bečvář, Liška - T-S a I-S diagram vzduchu, SNTL 1964, Praha ' Function VzduchDynamickaViskozita(ByVal t_°C) VzduchDynamickaViskozita = 0.00000001 * 145.8 * _ (t_°C + 273.15) ^ (3 / 2) / (t_°C + 273.15 + 110.4) End Function
18 / 21
Příloha P2 Program pro snímání a ukládání otáček v jazyku VISUAL BASIC
'Otáčky 2 Dim A As String Dim B As String Dim X As Integer Dim Y As Variant Dim D, E As Date Dim Timecnt 'Dim C As String Private Sub Command1_Click() Timecnt = 0 Timer1.Enabled = True Do DoEvents Loop Until Timecnt > 1 Timer1.Enabled = False Do Until Command3 = True MSComm1.Output = "A" Y = "" A: Do DoEvents Loop Until MSComm1.InBufferCount >= 1 zz = MSComm1.Input If Right(zz, 1) = Chr(10) Then GoTo AA Y = Y & zz GoTo A AA: Y = Val(Y) Text1.Text = Y Text3.Text = Format(Now, "dd.mm.yyyy hh:mm:ss") Open "C:\Polak\otáčky.xls" For Append As #1 Print #1, Format(Now, "dd.mm.yyyy hh:mm:ss"), Y Close #1 Y=0 For j = 0 To 9500000 j=j+1 Next Loop End Sub
19 / 21
Private Sub Command2_Click() Timecnt = 0 Timer1.Enabled = True Do DoEvents Loop Until Timecnt > 1 Timer1.Enabled = False Do Until Command3 = True MSComm1.Output = "B" Y = "" A: Do DoEvents Loop Until MSComm1.InBufferCount >= 1 zz = MSComm1.Input If Right(zz, 1) = Chr(10) Then GoTo AA Y = Y & zz GoTo A AA: Y = Val(Y) Text2.Text = Y Text4.Text = Format(Now, "dd.mm.yyyy hh:mm:ss") Open "C:\Polak\otáčky.xls" For Append As #1 Print #1, Format(Now, "dd.mm.yyyy hh:mm:ss"), Y Close #1 Y=0 For j = 0 To 9500000 j=j+1 Next Loop End Sub Private Sub Command3_Click() Text1.Text = "" Text2.Text = "" Text3.Text = "" Text4.Text = "" End End Sub Private Sub Form_Load() D = Timer MSComm1.CommPort = 5 MSComm1.Settings = "9600,N,8,1"
20 / 21
MSComm1.InputLen = 0 MSComm1.PortOpen = True End Sub Private Sub Form_Terminate() If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False End If End Sub Private Sub Timer1_Timer() Timecnt = Timecnt + 1 End Sub
21 / 21
