PELTON TURBINA MÉRÉSE

Átírás

1 idrodiamikai Redszerek Taszék PELTON TURBINA MÉRÉSE 1. A mérés célja A mérés célja egy, a gyógyszer- és vegyiparba eergia visszayerés céljára haszálatos saválló jelleggörbéiek felvétele. A turbia jellemzői: vízyelés, esés, M yomaték, ηt turbia hatásfok, fordulatszám. Turbiák esetébe fajlagos ( = 1 m vízesésre, = 1 m járókerék átmérőre voatkoztatott) üzemi jellemzőket haszálak. A mérés sorá két fúvókaállásál az alábbi függvéykapcsolatokat határozzuk meg: M = f 2 () fajlagos yomaték a fajlagos fordulatszám függvéyébe, ηt = f 3 () a turbia hatásfoka a fajlagos fordulatszám függvéyébe, = f 1 (,megf) fajlagos vízyelés a fajlagos megfutási fordulatszám függvéyébe. 2. A beredezés leírása A beredezés vázlatát az 1. ábrá, illetve a 3. képe láthatjuk. A Pelto turbiára érkező vizet az S jelű WILO szivattyú szívja a V víztartályból. A tömlő keresztül a víz az F szabályozható szelepű fúvókába jut, oa szabado áramolva éri el a J jelű turbia járókereket (ld. 1. kép). 1. kép A vízsugár a turbiakerékre a jobb oldalo látható fúvókából érkezik, melyre yomatékot fejt ki a vízsugár impulzus változása Utoljára szerkesztette: ajg,

2 idrodiamikai Redszerek Taszék A járókerék tegelye körmös tegelykapcsolóval össze va kapcsolva a G geerátorral (ld. 2. kép). 2. kép Turbiakerék körmös tegelykapcsoló geerátor A geerátort a TE tápegység gerjeszti Ig gerjesztő árammal. A geerátor áramkörébe E változtatható elleállás va kötve, amelye U feszültség mellet I áram folyik, ezek szorzata a geerátor Ph,g haszos teljesítméye. A turbia-geerátor forgórész fordulatszámát a tegelykapcsoló O jelű optikai műszerrel mérjük. A víz a plexi burkolattal körülvett turbiáról szabado folyik vissza a V tartályba. O M J F G I g I TE U E V S 1. ábra. mérő beredezés és műszerezéséek vázlata Utoljára szerkesztette: ajg,

3 idrodiamikai Redszerek Taszék M F J G I U FSZ E V K S 3. kép A mérőberedezés féyképe a szövegbeli jelölésekkel A mérés sorá rögzített fúvóka szelepállás, azaz az M jelű dobozos maométerről leolvasott álladó p tápyomás mellett változtatjuk a geerátor áramkörébe kapcsolt elleállást és megmérjük az fordulatszám, az U geerátor feszültség és I geerátor áram változását. Ezeket az adatsorokat a 2,9 bar < p < 3,5 bar tápyomás tartomáyba eső két fúvókaállásál mérjük meg. Ezt követőe határozzuk meg a terheletle geerátor eseté beálló megfutási fordulatszám és vízyelés közötti függvéykapcsolatot. Ekkor a geerátor áramköre meg va szakítva, az F fúvóka szelep helyzetét változtatjuk az M maométer pmi < p < 3,9 bar tartomáyába. Itt pmi jelöli azt a legkisebb tápyomást, amely a teljese yitott fúvókaálláshoz tartozik, 3,9 bar pedig az a maximális tápyomás, amely mellett a fúvókából kilépő vízsugár még meg tudja forgati a turbia járókerekét. Mivel a geerátor üresjárásba va, a turbiát csak a turbia siklócsapágyaiba és a geerátor gördülő csapágyaiba ébredő súrlódás valamit a geerátor hűtővetilátora terheli. Mit a fetiekből kitűik, em mérjük közvetleül a vízyelését. Erre azért ics szükség, mert a szivattyú (p) jelleggörbéjét a Utoljára szerkesztette: ajg,

4 idrodiamikai Redszerek Taszék szivattyú jelleggörbe iverzét korábba meghatároztuk. Ekkor a fúvókából a víz egy köböző tartályba áramlott, a fúvóka szelepéek változtatása mellett megmértük az összetartozó p potokat. Ezt a jelleggörbét mutatja a 2. ábra diagramja. Ebből yilvávaló, hogy a függvéy meredeksége lehetővé teszi a (p) függvéykapcsolat egyértelmű meghatározását. A diagram tartalmazza a (p) tredvoal egyeletét is. WILO WJ 202 X típusú szivattyú iverz jelleggörbéje [m 3 /s] = p p p[bar] 2. ábra Tápszivattyú (p) függvéykapcsolata. A mértékegységek a grafiko tegelyei vaak feltütetve A turbia bevezetett teljesítméye azoos a szivattyú haszos teljesítméyével, mivel a szivattyút a fúvókával összekötő hajlékoy tömlő áramlási vesztesége elhayagolható. Ez a teljesítméy pedig Pbe,t = p alakba számítható, mivel a maométere mutatott yomás azoos a szivattyú által létesített yomásövekedéssel. Itt természetese mértékegysége m 3 /s, a yomás mértékegysége Pa, tehát P 3 5 be, t W m / s p bar 10 Pa / bar. (1) A merev tegelykapcsolat miatt a turbia haszos teljesítméye egyelő a geerátor bevezetett teljesítméyével. Mi azoba csak a geerátor haszos Ph,g = U I teljesítméyét tudjuk közvetleül méri. Az U feszültséget digitális műszerrel [V ]-ba olvassuk le, az áramerősséget skálaosztásba, így A A c A osztás I osztás c I szorzó értékét a műszere feltütettük. I I /. (2) Utoljára szerkesztette: ajg,

5 idrodiamikai Redszerek Taszék A geerátor tegelyét hajtó M yomaték, a geerátor haszos teljesítméye és a geerátor fordulatszáma között függvéykapcsolat va. Ezt méréssel meghatároztuk. Eek az előkészítő mérések a sorá a geerátort egyeáramú mérlegmotorral hajtottuk (ahogya azt a Gépészméröki alapismeretek tárgy keretébe a 2. MÉRÉS FORGATÓNYOMATÉK ÉS ATÁSFOK MÉRÉSE (MÉRLEGGÉPEK) kapcsá a hallgatók megismerték). Mértük a mérlegmotort kiegyesúlyozó tömeget, a fordulatszámot valamit a geerátor feszültségét és áramerősségét a terhelés (tolóelleállás) változtatása mellet. A mérés eredméyét mutatja a 3. ábra grafikoja, a diagramra írt közelítő Melm yomaték az [1/mi] fordulatszám és Ph,ge [W ] = U I függvéyekét: M elm M h, tur Ph, ge 99,8 1, 22 0, (3) A mért yomatékok és a feti módo számított Melm yomaték között jó közelítéssel lieáris kapcsolat va, melyek meredeksége alig tér el az 1 értéktől. A kapcsolatra jellemző korrelációs (determiációs) együtthatót (ld. Műszaki gazdasági adatok elemzése, BMEGEVGAG14) is feltütettük a diagramo. M elm [Nm] geerátor hajtóyomaték M elm = 99,8*P h,ge / 1,22 + 0,0364(/1000) M elm = 0,9968M mért R 2 = 0, M mért [Nm] 3. ábra A geerátor hajtóyomatékáak közelítő számítása a haszos teljesítméy és fordulatszám függvéyébe Mérési tartomáy: 1280/mi < < 3000/mi; 0 < Ph,ge < 55 W Eze előzetes mérési eredméyek birtokába a hallgatók egyszerűe határozhatják meg a turbia yomatékát, ha mérik a geerátor U feszültségét, I áramát és fordulatszámát. A yomatékból és a fordulatszámból pedig kiszámítható a haszos turbia teljesítméy: Utoljára szerkesztette: ajg,

6 idrodiamikai Redszerek Taszék P h, t M t 99,8 Ph 1,22, ge 2 0, A turbia hatásfoka ezek utá az (1) és (4) összefüggéssel: 3. Fajlagos turbia jellemzők η t P P h, t b, t. (4). (5) Turbiák jellemzőit fajlagos meyiségekkét szokás megadi. A fajlagos meyiségek az eredeti fizikai jellemzők traszformáltjai, = 1 m átmérőre és = 1 m vízesésre voatkoztatott értékek. Erre utalak az idexek:. A fajlagos meyiségekkel törtéő jellemzés azért haszos, mert így öszszehasolíthatóvá válak az eltérő üzemi körülméyek között dolgozó járókerék-geometriák. Igaz ez egy magashegység lábáál dolgozó vízerőmű, egy kisesésű patak vizét haszáló malom vagy éppe a Taszék külöböző fúvókaállások (azaz külöböző térfogatáramok és esések) mellett dolgozó járókerekére is. A traszformáció sorá áramlástai és geometriai hasolóságot tételezük fel. Feltesszük, hogy a sebességek mid aráyosak a kerületi sebességgel, az pedig aráyos a fúvókából kilépő vízsebességgel. Mivel a 2 g gravitációs gyorsulás a föld felszíé közel álladó, az kerületi sebesség aráyos álladó 1m 1m -val, π u 60. Végül írhatjuk, hogy π u 60. Ie yilvá, azaz. (6) A vízyelés a fúvóka yílás keresztmetszetéek és a kilépő víz sebességéek szorzata, feti feltevésük szerit a fúvóka keresztmetszet aráyos az átmérő égyzetével, a sebesség -val, így, azaz 2 álladó Írhatjuk tehát, hogy 2 2. (7) A traszformáció sorá a hatásfokot és a víz ρ sűrűségét álladóak tekitve 2 M Mω Ph, t Pb, t ρg. Itt a bal oldalo figyelembe vesszük, hogy 2 3, tehát M, azaz M. Végül M M. (8) 3 Utoljára szerkesztette: ajg,

7 idrodiamikai Redszerek Taszék Nyilvávalóa a turbia esése m 5 p Pa 10 p bar 5 10 p bar 10, 2 p ρg ρg 9810 Turbiák eseté is haszálják az q jellemző fordulatszámot. Az optimális üzemi pot adataival q 0, 5 0, 75 bar (9), a mértékegységek 1/mi, m 3 /s, m. elyettesítsük be értékét a (6), értékét a (7) képletből: q 0, , 5. Redezés utá q Ilye egyszerűe számítható a turbiák jellemző fordulatszáma a fajlagos üzemi jellemzőkkel. (10) 4. A beredezés műszaki adatai, ayagjellemzők A 16 lapátos járókerék átmérője eze az átmérő éri a vízsugár tegelye a járókereket A szivattyú típusa 83 mm WILO WJ 202 X A víz ρ sűrűsége a labor hőmérsékleté 1000 kg/m 3 A geerátor típusa VEM /2 A átmérője alatt a kerék azo potjáak átmérőjét értik, ahol a vízsugár közepe eléri a kereket, ez a Pelto kaalak közepéek megfelelő pot (ld. 4. kép) Utoljára szerkesztette: ajg,

8 idrodiamikai Redszerek Taszék Ø 4. kép A kerékátmérője és egy Pelto kaál A fúvókából kilépő vízsugár a Ø átmérő éri el a turbiakerék lapátokat 5. Előkészületek és a mérési potok felvétele A mérés idítása előtt áram alá helyezzük a villamos elosztót. Elzárjuk az F fúvóka szelepét. Ezutá idítjuk a szivattyút a K kapcsolóval. Rövid időre megyitjuk a vízkeésű csapágyakat vízzel ellátó vezetékek FSZ fiomszelepét (ld. 3. kép) a megjeleik a víz a csapágyak alatt, akkor elzárhatjuk a fiomszelepet, mérés sorá ugyais a fröcskölő víz bőségese biztosítja a siklócsapágyak keését. Megyitjuk az F szelepet és beállítjuk a 2 fejezetbe leírt itervallumba eső p yomást. A terheletle geerátor mellett felvesszük az első mérési potot: p [bar], [1/mi], U [V], I [osztás], Ig [A]. () Ezt követőe bekapcsoljuk a geerátor Ig gerjesztését, és felveszük a maximális terhelésig amíg a turbia még egyeletese forog mitegy 10 mérési potot. Vigyázat, elképzelhető, hogy a maximális terhelés (= áramerősség) em a tolóelleállás legagyobb kitéréséél, haem valamivel az előtt va! A potokat az I geerátoráram közel egyeletes lépcsőzésével állítjuk be úgy, hogy a jelleggörbe esetlegese visszahajló szakaszá (a legagyobb áramerősséghez tartozó tolóelleállás-beállítás utá) em mérük, ebbe yújt segítséget az elleőrző diagram, mely a Ph,ge = U ci I geerátor teljesítméy grafikoja az fordulatszám függvéyébe. Az adatokat táblázatba rögzítjük. Utoljára szerkesztette: ajg,

9 P h,ge [W] idrodiamikai Redszerek Taszék Beállítuk egy újabb yomást a maométere a feti itervallumba és megismételjük a mérést. Ismét felírjuk a mérési eredméyeket. Az előző elleőrző diagramba berajzoljuk az új mérési potokat a korábbitól eltérő szíel, illetve jelölővel. Végül meghatározzuk az max megfutási fordulatszám p tápyomás függvéykapcsolatot. A 2. ábra tredvoal képletével fogjuk majd kiszámítai a térfogatáramot. A megfutási fordulatszám ismeretére üzembiztosági okokból va szükség. A geerátor villamos teher-leesése eseté erre a maximális fordulatszámra gyorsul fel a turbia-geerátor forgórész, a csavarkötéseket, hegesztéseket erre a fordulatszámra kell szilárdságilag elleőrizi. A 4. ábra egy elleőrző diagramra mutat példát, melyről a tegelyskálákat töröltük. A pirossal jelölt potok hibás potok, ezek helyett egy másik tolóelleállás-beállításál kell méri! Elleőrző diagram - p = [bar] 4. ábra: Példa elleőrző diagramra és hibás mérési potokra 6. A mérés kiértékelése, a mérési jegyzőköyv A taszéki holapo, a tárgy adatlapjá az alaki és a tartalmi követelméyek (mérési eredméyek feldolgozása, hibaszámítás, stb.) egyarát megtalálhatók. A mérőberedezés vázlata és rövid leírása utá ki kell értékeli a mérést. Az (1)-(5) képletek haszálatával egy táblázatkezelő szoftverbe kell elvégezi a számításokat. Ezutá a (6)-(9) képletek segítségével kiszámítjuk az 1. fejezetbeli jelleggörbék potjait és a szoftverrel megrajzoljuk a fajlagos meyiségek grafikojait. A két szelepálláshoz tartozó grafikookat külö diagramo kell ábrázoli, de egy szelepállás mellet midkét grafikot közös diagramba kell ábrázoli. aszálják a másodlagos értéktegelyt is! A háttér legye fehér, az egyes függvéyek szíe és jelölője legye eltérő, rajzoljaak vékoy, megfelelő szíű poliomiális tredvoalat a potoko keresztül! A harmadik diagram a fajlagos megfutási fordulatszám fajlagos vízyelés grafikot tartalmazza. Utoljára szerkesztette: ajg, [1/mi]

10 idrodiamikai Redszerek Taszék 7. Felkészülés a méréshez A mérési gyakorlatra az alábbiak szerit kell előkészüli: Ismeri kell ezt a mérési tájékoztatót! A mérési tájékoztató ismeretét a mérés kezdetekor elleőrizzük. A mérési adatok feljegyzéséhez elő kell készítei egy táblázat-űrlapot, melyek fejléce a () jelű adatsor. A táblázatak legalább 20 sora legye! Egy második táblázatba a p max adatokat fogjuk rögzítei a 2. fejezetbe leírt pmi < p < 4 bar tartomáyba. Eek a táblázatak 12 sora legye! Milliméterpapírt kell hozi az elleőrző diagram rajzolásához! Az abszcissza tegelye a fordulatszám skálája /mi legye, az ordiáta tegelye a haszos geerátor teljesítméy léptéke 0-30 W legye! 8. Felkészülést elleőrző kérdések 1. efiiálja az,, M fajlagos üzemi jellemzőt! 2. ogya mérjük a haszos teljesítméyét? 3. Miért elegedő egy dobozos maométere mért yomás a vízáram meghatározásához? 4. ogya határozza meg a turbia hatásfokát? 5. Milye műszereket haszáluk a turbia mérés sorá? 6. Rajzoljo Pelto-turbia járókereket a forgástegely iráyából ézve egyszerűsített ábrázolással, egy kaál, a vízsugár, valamit a defiíció szeriti járókerék-átmérő jelölésével! 7. Írja le a mérés célját és meetét a mérési potok beállításával! 8. Milye csapágyazású a turbia tegelye és mi biztosítja aak keését? 9. Magashegységek Pelto-turbiái a vízhozamtól függetleül közel álladó eséssel dolgozak, jele mérés sorá azoba a szabályozótű állításával a térfogatáram (vízhozam) mellett az esés is változik. ogya válak mégis összehasolíthatóvá a mért eredméyek a valós jellemzőkkel? 10. Miért fotos a megfutási fordulatszám ismerete adott vízyelések eseté? 9. Öálló feladatok 1. Számítsa ki aak a Pelto turbiáak a járókerék átmérőjét és várható teljesítméyét az optimális üzemi potba, amelyik a mért turbiához hasoló, valamit fordulatszáma és esése: Utoljára szerkesztette: ajg, a) = 500 1/mi, = 625 m; b) = 750 1/mi, = 169 m! 2. Számítsa ki a mért jellemző fordulatszámát a mérésismertető (10) képlete alapjá! Becsülje az optimális üzemállapotot a legagyobb hatásfokú pottal

11 idrodiamikai Redszerek Taszék a) a kisebb, b) a agyobb mért térfogatáram eseté! 3. Egy vegyi üzembe adott pa abszolút yomású ammóia közeget szereték légköri yomásra expadáltati úgy, hogy az expazió mukáját egy k fordulatszámo Pk teljesítméyfelvételű kompresszor hajtására haszosítjuk. Mekkora átmérővel kell legyártauk a mérthez geometriailag hasoló járókereket, ha azt a legjobb hatásfokú üzemi potba szereték üzemelteti, és a) pa = 14 bar, Pk = 1 kw, k = /mi; b) pa = 12 bar, Pk = 3 kw, k = /mi? 10. Segítség a hibaszámításhoz A 2. ábrá szereplő (p) függvéybe kis elhayagolásokat téve a térfogatáram-mérés abszolút hibáját E = m 3 /s-ak vehetjük, továbbá kizárólag a hibaszámításál a yomatékot az Mt = 100 Ph,ge/ 1,2 összefüggéssel közelíthetjük. Ezt a (4), majd az (5) összefüggésbe helyettesítve kapjuk, hogy t[ ] [ m 3 P h, ge [ W ] / s] p[ bar] 5 [1/ mi]. (1) A hibaszámítást eél a mérésél csak az ηt = f 3 () jelleggörbére kell elvégezi, a hatásfok hibáját a 1 képletből kell számoli! A mért értékek potossága: Fordulatszám-mérő: ± a méréshatár 0,2%-a (m.h. = /mi) Áramerősség-mérő: 2-es potossági osztály (m.h. = 10 osztás) Feszültségmérő: ± a méréshatár 0,2%-a (m.h. = 20 V) Bourdo-csöves maométer: 1,6-es potossági osztály (m.h. = 6 bar) A járókerék átmérőjéek értéke potosak tekithető. A potossági osztály az abszolút hibát adja meg a műszer teljes mérési tartomáyá a felső méréshatár százalékába. Tehát például egy 2,5-es potossági osztályú, 400 A méréshatárú lakatfogó abszolút hibája bármely mért értékél Elakatfogó = 400 [A] 0,025 = 10 [A]. Utoljára szerkesztette: ajg,