.,. K+F eredmények összefoglalása GDP-l.l.2-0B/ 1-200B Porszívók számára készült fúvó aggregátok elemző vizsgálata , SZÉCHENYI TERV..

Átírás

1 Porszívók számára készült fúvó aggregátok elemző vizsgálata K+F eredmények összefoglalása GDP-l.l.2-0B/ 1-200B-0002 Bevezetés Szabó Szilárd n, Kalmár László JJ, Lakatos Károly3/;, Soltész László JS 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

2 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. Porszívó aggregátok laboratóriumi mérése 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 térfogatáram -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 térfogatárama, az előállított nyomáskülönbség, a felvett villamos teljesítmény, a hőmérs ékletnövekedés. 2. ábra. A ta nszéki mé r ő b e r endezés 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 határoztuk meg az aramlási jellemzőket. 94 1,35 ~ 1,3 ~i "-='~- 1,25 ~ ;- J >. 1,2. c ~ ]1,15 E o >- c 1,1 ---r ~-...:...~~--- 1, o. [l/sj 3. ábra. Hat különböző fúvó által előállított 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 vezetővisszavezető 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 3. Porszívó aggregátban kialakuló áramlás finomstruktúrájának meghatározása numerikus analízissel 4. ábra. A fúvó me ri dián metszete és egy új loga ri tmiku s s pi rális alakú lapáttal ki alakított járó kerék M ' sodik lépésként vezető- és visszavezető kerekeket terveztünk kü~önböző járókerekekhez. Két fő típust alakítottunk ki (lásd az 5. a 'b ra 't). Az egyiket egyenes vezető keréklapátokkal oldottuk,. meg, a " 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 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

4 6. ábra Ve ntilátor-aggregát teljes 30-s számítási tartománya két nézetben 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. 8. ábra Vezető-, illetve visszavezető kerék testmodellje 3.2. Ventilátor-aggregát számítási résztartományok definiálása 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 Járókerék testmodellje A numerikus vizsgálat elsődleges célja a ventilátor-aggregát belsejében kialakuló áramlási jellemzők számítással történő meghatározása. 9. ábra Számítási ta rtományo k felosztása és elnevezései 10. ábra Járókerék fe lületén kiala kított hálózás ké pe 98 99

5 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 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 ábrákon láthatók. A 13. ábrajelöléseit felhasználva először számított áramlási jellemzők változásait az aggregát forgástengelyére merőleges A és B jelű síkok mentén mutatjuk be. =1l&~i= ábra A járókerék és a vezetőkerék felületén kialakított hálózás képe 12. ábra A visszavezető kerék felületén kialakított hálózás képe 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). / 3.3. Számítási és kísérleti eredmények összehasonlítása A diszkretizált tartomány csomópont jaira 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. 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). /

6 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 el ő lapja 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 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 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). 16.ábra Nyomáseloszlás a visszavezető ke rékben a B jel ű sík mentén 17. ábra Sebességeloszlás az aggregát fő metszete mentén A 20. ábrán jóllátható a résveszteség miatti tömegáram növekedése az l-s és 2 jelű keresztmetszetek között. 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 kiszámít juk 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. I I I I I I T - - -,- - -,- -- I I I I I I -I---~- -~--~---~---~-_, - - _ t I I I I I t ~--~---~ L ~ I I I I I I ~ -~--~---~--~ ~--~--- I I I I I g;! ; t-- - -j- - - "ti O AZln.ü:urallopod I I I I I I I O 7\---~-+---I;6-8k----'lfnO -""'12"---f14~-"16 A koes:rmetr.et SOrs:QmQ 18. ábra Abszolút nyomás [bar] változása " t ; T I I I I I I t -:- - - ~ ~ - - J ti o.t.w! llii:amoapory I I I r l I , , T - - -,- - -"T I I I I I t ' - - ~ - - ~ I I I I I I I I I I I---'---J--- I r I I I ~---~---; I---~--- I I I I 6 B A keres=rmljls:('.[ Jors;öma 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

7 20. ábra Tömegáram változása l, : : :l-:~,..~,.j _, : : : :._,!' ---;----:---: --t-o--i i----t----: :----,,,,, ---ö----r---.,----r----' --- o,,,, ábra MérI Jelleggörbe é~ számított munkapontok Kiadja; UNI-FLEXYS Egyetemi Innovációs Kutató és Fejlesztő Közhasznú Nonprofit Kft Összefoglalás Az aggregát munkapontjának szimuláció által meghatározott jellemzöit összehasonlítottuk mert és szánútott üzemi jellemezökkel, amely a gyakorlatnak megfe lelő jó egyezést mutat. A kapott eloszlások elemzése a jelenleg is folyó kutatási tevékenység egyik fő komponense. Ennek eredménye i ről 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 Kös~önetnyil~ánitás, A kutatómunka az Új S~écneny, Terv GOP-l.l.2-08/ jehi projektlámogatásaval valósult meg. Ugyancsak k,emeh!!sre ~é\tó. hogya tanulmányban bemutatott K.F tevekenység folyta tását lehetóvé teszi az UJ SzéchenYI Terv TÁMOP U.l.8_10/21KQNV_2010_0001 jelú projekt támogatása. Nyomdai munkák: EXTREMGROUP Kft. 104