Propeller és axiális keverő működési elve

Hasonló dokumentumok
Propeller, szélturbina, axiális keverő működési elve

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Q

Folyadékok és gázok áramlása

Folyadékok és gázok áramlása

Hidraulika. 1.előadás A hidraulika alapjai. Szilágyi Attila, NYE, 2018.

Ventilátor (Ve) [ ] 4 ahol Q: a térfogatáram [ m3. Nyomásszám:

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Szívókönyökök veszteségeinek és sebességprofiljainak vizsgálata CFD szimuláció segítségével

1.2 Folyadékok tulajdonságai, Newton-féle viszkozitási törvény

Az úszás biomechanikája

SZÁMÍTÁSI FELADATOK I.

Figyelem! Csak belső és saját használatra! Terjesztése és másolása TILOS!

Folyadékáramlás. Orvosi biofizika (szerk. Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék HALLGATÓI SEGÉDLET

VIZSGA ÍRÁSBELI FELADATSOR

ÖRVÉNYSZIVATTYÚ MÉRÉSE A berendezés

Folyadékok és gázok mechanikája

Mechanika IV.: Hidrosztatika és hidrodinamika. Vizsgatétel. Folyadékok fizikája. Folyadékok alaptulajdonságai

BMEGEÁTAT01-AKM1 ÁRAMLÁSTAN (DR.SUDA-J.M.) 2.FAKZH AELAB (90MIN) 18:45H

3. RADIÁLIS ÁTÖMLÉSŰ VENTILÁTOROK

2. mérés Áramlási veszteségek mérése

VENTILÁTOROK KIVÁLASZTÁSA. Szempontok

Szilárd testek rugalmas alakváltozásai Nyú y j ú tás y j Hooke törvény, Hooke törvén E E o Y un un modulus a f eszültség ffeszültség

Áramlástechnikai mérések

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

F. F, <I> F,, F, <I> F,, F, <J> F F, <I> F,,

HIDROSZTATIKA, HIDRODINAMIKA

2.GYAKORLAT (4. oktatási hét) PÉLDA

Áramlástan feladatgyűjtemény. 6. gyakorlat Bernoulli-egyenlet instacionárius esetben

Kollár Veronika A biofizika fizikai alapjai

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

3. Gyakorlat Áramlástani feladatok és megoldásuk

Áramlástan feladatgyűjtemény. 3. gyakorlat Hidrosztatika, kontinuitás

Ventilátorok. Átáramlás iránya a forgástengelyhez képest: radiális axiális félaxiális keresztáramú. Jelölése: Nyomásviszony:

A keverés fogalma és csoportosítása

Optika gyakorlat 2. Geometriai optika: planparalel lemez, prizma, hullámvezető

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

1. feladat Összesen 21 pont

Fűtési rendszerek hidraulikai méretezése. Baumann Mihály adjunktus Lenkovics László tanársegéd PTE MIK Gépészmérnök Tanszék

Felületi feszültség: cseppfolyós-gáz határfelületen a vonzerő kiegyensúlyozatlan: rugalmas hártyaként viselkedik.

Örvényszivattyú A feladat

A LÉGCSATORNÁVAL KAPCSOLATOS MÍTOSZOK ÉS A FIZIKA

Szent István Egyetem FIZIKA. Folyadékok fizikája (Hidrodinamika) Dr. Seres István

Trigonometria Megoldások. 1) Igazolja, hogy ha egy háromszög szögeire érvényes az alábbi összefüggés: sin : sin = cos + : cos +, ( ) ( )

Oktatási Hivatal. 1 pont. A feltételek alapján felírhatók az. összevonás után az. 1 pont

Áramlástan feladatgyűjtemény. 4. gyakorlat Bernoulli-egyenlet

Szabadsugár. A fenti feltételekkel a folyadék áramlását leíró mozgásegyenlet és a kontinuitási egyenlet az alábbi egyszerű alakú: (1) .

ÖRVÉNYSZIVATTYÚ JELLEGGÖRBÉINEK MÉRÉSE

MMK Auditori vizsga felkészítő előadás Hő és Áramlástan 1.

Tájékoztató. Értékelés Összesen: 60 pont

Agrár-környezetvédelmi Modul Vízgazdálkodási ismeretek. KÖRNYEZETGAZDÁLKODÁSI MÉRNÖKI MSc TERMÉSZETVÉDELMI MÉRNÖKI MSc

Mérési jegyzőkönyv. M1 számú mérés. Testek ellenállástényezőjének mérése

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK február 13.

A nagyobb tömegű Peti 1,5 m-re ült a forgástengelytől. Összesen: 9p

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Sorozatok II.

1.5. VENTILÁTOR MÉRÉS

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

A 2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első forduló MATEMATIKA I. KATEGÓRIA (SZAKKÖZÉPISKOLA) Javítási-értékelési útmutató

Folyadékok és gázok mechanikája

Villamos gépek tantárgy tételei

4. RADIÁLIS ÁTÖMLÉSŰ VENTILÁTOROK ÜZEMVITELE

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

Sugárszivattyú H 1. h 3. sugárszivattyú. Q 3 h 2. A sugárszivattyú hatásfoka a hasznos és a bevezetett hidraulikai teljesítmény hányadosa..

Elektromos áramerősség

Mérnöki alapok 10. előadás

Mérnöki alapok 4. előadás

Mérnöki alapok 10. előadás

Mechanika Kinematika. - Kinematikára: a testek mozgását tanulmányozza anélkül, hogy figyelembe venné a kiváltó

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

7.GYAKORLAT (14. oktatási hét)

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Egy mozgástani feladat

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Trigonometria

Matematikai geodéziai számítások 10.

(Az 1. példa adatai Uray-Szabó: Elektrotechnika c. (Nemzeti Tankönyvkiadó) könyvéből vannak.)

v og v FOLLYADÉK c. A hőmérséklet hatása az ülepedési sebességre: Ülepítés Az ülepedési sebesség: ( részletesen; lásd: Műv.-I. ) t FOLY => η FOLY

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

PONTSZÁM:S50p / p = 0. Név:. NEPTUN kód: ÜLŐHELY sorszám

U = 24 V I = 4,8 A. Mind a két mellékágban az ellenállás külön-külön 6 Ω, ezért az áramerősség mindkét mellékágban egyenlő, azaz :...

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV M4. számú mérés Testek ellenállástényezőjének mérése NPL típusú szélcsatornában

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

1.1 Hasonlítsa össze a valós ill. ideális folyadékokat legfontosabb sajátosságaik alapján!

2.3 Newton törvények, mozgás lejtőn, pontrendszerek

Modern Fizika Labor Fizika BSC

2. VENTILÁTOROK KIVÁLASZTÁSA

Henger körüli áramlás Henger körüli áramlás. Henger körüli áramlás. ρ 2. R z. R z. = 2c. c A. = 4c. c p. = c cos. y/r 1.5.

Tárgyszavak: kapilláris, telítéses porometria; pórustérfogat-mérés; szűrés; átáramlásmérés.

Térfogatáram mérési módszerek 1.: Mérőperem - Sebességeloszlás (Pr)

3. Mérőeszközök és segédberendezések

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Sorozatok II.

HALLGATÓI SEGÉDLET. Térfogatáram-mérés. Tőzsér Eszter, MSc hallgató Dr. Hégely László, adjunktus

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Nyomás. Az az erő, amelyikkel az egyik test, tárgy nyomja a másikat, nyomóerőnek nevezzük. Jele: F ny

Átírás:

Propeller és axiális keverő működési elve A propeller egy axiális átömlésű járókerék, amit tolóerő létesítésére használnak repülőgépek, hajók hajtására. A propeller nyugvó folyadékban halad előre, a propellerhez kötött koordinátarendszerben tehát a propeller áll és a folyadék mozog a propeller felé, illetve azon áthaladva távolodik tőle. A propellert egy ún. hatótárcsával (actuator disc) helyettesíthetjük. Axiális átömlésű keverő, vagy asztali ventilátor esetén a keverő-, ill. járókerék áll és a folyadék áramlik az abszolút rendszerben ugyanúgy, mint a propeller esetén a relatív rendszerben. p 0 ható-tárcsa v v v 3 P 0 p p p 0 csúszó áramvonal P p 0 p 0 P Az ábra felső részén a propellert helyettesítő tárcsa és a rajta átáramló közeget határoló forgásszimmetrikus áramfelület metszetgörbéje látható. Ez a határ-áramvonal ún. csúszó áramvonal, tehát rajta tangenciális sebességugrás lehetséges. A folyadék baloldalt lép be v relatív sebességgel (valójában a propeller halad balra v sebességgel a nyugvó közegben). Ebben a keresztmetszetben a relatív sebesség az áramcső belsejében és azon kívül megegyezik, mint a sebességeloszlás ábrája mutatja. Az áramcsőben a közeg a propellerhez képest felgyorsul és a jobb oldalon v 3 > v sebességgel távozik, míg az áramcsövön kívül a relatív sebesség végig v. Ennek megfelelően kívül a nyomás végig állandó, p 0, míg belül változik, a propellert helyettesítő tárcsán p -ről p -re nő, de az áramcsőből való folyadékkilépés keresztmetszetében már ismét p 0. Feltesszük, hogy a sebesség változása az áramcsőben folytonos a tárcsán keresztül is, míg a nyomás ott ugrásszerűen nő. Az áramló folyadékra felírható egyenletek a következő feltevéseken alapulnak. az áramlás stacionárius a propellerhez kötött rendszerben a közeg összenyomhatatlan, sűrűsége ρ = áll. a közeg súrlódás mentes a nehézségi erőtér elhanyagolható az axiális sebesség bármely szelvényben állandó a radiális sebesség zérus 05. 09. 4.

A kontinuitási egyenlet: m! = ρav = áll. () Ez a képlet az áramcső bármely szelvényében a megfelelő indexekkel felírható. A keresztmetszetek indexe egyezzék meg az ábrán látható sebességek indexével. A tolóerő ellentett ereje, azaz a tárcsára ható erő a nyomáskülönbségből számítható, az ábra jelöléseivel és a keresztmetszetet a fenti módon indexelve: F = p p. () ( ) A Írjuk fel a Bernoulli-egyenletet az áramcső eleje és a tárcsa előtti pont között: ρ ρ p0 + = p + v. (3) Írjuk fel a Bernoulli-egyenletet a tárcsa utáni pont és az áramcső vége között: ρ ρ p + v = p0 +. (4) Fejezzük ki a (4) egyenletből p -t, a (3) egyenletből a p -et és írjuk be értéküket a tolóerő () egyenletébe, ekkor azt kapjuk, hogy: ρ + F = ( ) A = ρ ( v 3 v ) A. (5) Ezek után keressünk egy másik egyenletet a tárcsára ható erőre, ez az egyenlet az ábrán látható forgásfelülettel határolt folyadékra felírt impulzus-tétel. Az áramcsövön kívül feltevésünk szerint a nyomás mindenütt azonos a p 0 külső nyomással, a térerőt elhanyagoltuk, továbbá a folyadék súrlódásmentes. Ezek miatt az áramfelületbe, mint ellenőrző felületbe zárt folyadékra a tárcsán kívül más külső erő nem hat. Az áramlás stacionárius voltát is figyelembe véve a belépő, illetve kilépő folyadék impulzusának különbségét tehát csak a tárcsa által a folyadékra kifejtett erő okozhatja. m! + F m! = 0. (6) Innen az F erőt kifejezve és az (5) egyenlet bal oldalával egyenlővé téve kapjuk, hogy + m! ( ) = ρa v ( ) = F = ρa ( ), (7) ahol a bármely szelvényben azonos tömegáramot a tárcsa szelvényében számítható m! = ρa v értékkel helyettesítettük be a képletbe. A (7) egyenletből egyszerűsítés után azt kapjuk, hogy a v sebesség a v és v 3 sebesség számtani átlagával azonos. + v =. (8) Az,, 3 szelvényre felírt kontinuitási egyenletből pedig ezek után az adódik, hogy A = A +. (9) A3 Jelöljük ezek után a további írásmód megkönnyítésére az áramcsőbeli sebességnövekedést -vel, Δ v = ( v 3 v ), ahonnan a (8) képletet is felhasználva v = +. (0) 05. 09. 4.

Írjuk fel az áramcsövön átáramló folyadékba minimálisan bevezetendő hidraulikai teljesítményt, ami a tömegáram és a tömegegységre vonatkozó mozgási energia-változás szorzatával egyenlő: ( ) v = = v P be = m! m! v m! Δ Δ Δ v + = m! +. () Az ebből a hidraulikai teljesítményből a propeller által hasznosított teljesítmény a v haladási sebesség és az F nagyságú tolóerő szorzataként számítható ki: P h ( v ) v m! = v F = v m! v. () 3 = Végül a hatásfok a hasznosított () és a bevezetendő () teljesítmény hányadosa: Ph η = =. (3) Pbe + A (3) képletből látható, hogy a hatásfok csak akkor lehetne 00%, ha a sebesség-növekedés zérus lenne ehhez előírt tolóerő esetén végtelen nagy propellerre lenne szükség, vagy ha a haladási sebesség lenne végtelen nagy ennek pedig a járművet körülvevő közeg szab határt. Cseppfolyós folyadék esetén kavitációs problémák jelentkeznek. Levegő esetén pedig gázdinamikai problémákat kell megoldani. Levegő esetén ma már azonban a Maszám többszörösének megfelelő sebességgel haladhatnak légi járművek. Propellerek tényleges hatásfokát mérésekkel lehet meghatározni és a mért hatásfokot a J fajlagos propulziós (toló) sebesség függvényében szokás ábrázolni. A fajlagos sebesség definíciója n a propeller másodpercenkénti fordulatszáma, D a propeller átmérője J = (4) nd Jó propellerek esetén a hatásfok maximuma a J = 0,85 érték körül van, ekkor a hatásfok repülőgép légcsavarok esetén eléri a 80 %-ot, míg hajócsavarok esetén megközelíti a 70 %-ot. Számpélda Határozzuk meg egy 80 km/h (= 50 m/s) sebességű mezőgazdasági repülőgép propellerátmérőjét. A repülőgép törzsének a repülés irányára merőleges keresztmetszete a kerekekkel együtt 9 m, átlagos ellenállás-tényezője 0,35. (A szárnyak ellenállása az egy nagyságrenddel kisebb ellenállás-tényező miatt elhanyagolható.) A szükséges tolóerő ρl, F = ce Ar = 0, 35 50 9 = 475 N. Mivel J opt = 0,85, így n D = v / J opt = 50 / 0,85 = 58,8 m/s. 05. 09. 4. 3

Az η = 0,8 értékű hatásfokhoz a (3) képlet szerint = v = 50 = 5 m/s η 0, 8 sebességnövekedés szükséges. Így v = 50 +,5 = 6,5 m/s, v 3 = 50 + 5 = 75 m/s. Az F tólóerőhöz a (7) egyenlőség szerint F m! 475 = = = 89kg / s Δ v 5 tömegáram szükséges. Ez a tömegáram halad át a propelleren, aminek keresztmetszete az () kontinuitásból m! A = =,5 m, ρ v 4A így a propeller átmérője D = =, 79 m. A szükséges motor-fordulatszám a (4) π képletből n = = 3, 84 /s = 970 /min. JD A propeller mögötti repülőgép rész ellenállása a megnövekedett v 3 >v sebesség miatt nagyobb, mint amivel számoltunk. Az () kontinuitásból A 3 =, m, tehát a megnövekedett sebességű sugárban haladó törzsrész a teljes felület mintegy 0 %-a. A hasznos propeller teljesítményt a () képletből számíthatjuk ki: P h = v F = 50 475 36 kw. = A bevezetendő teljesítmény pedig a megvalósítandó propeller-hatásfokkal P = /η = 36 / 0, 8 = 95 kw. be P h Nyilván ugyanennyit kapunk a () egyenletsor első egyenletéből is. Valóban 75 50 P be = m! = 89 = 95 kw. Az axiális lapátos ún. propellerkeverők működésű elve valójában azonos az asztali szellőző ventilátorokéval. Mivel a lapátokat nem veszi körül egy gyűrű alakú ház, így nem tekinthetők igazi ventilátornak, illetve axiálszivattyúknak. A lapátok hossza mentén nem biztosítható végig előírt perdület-növekedés eloszlás. A lapátok végén a véges szárnyakra jellemző szekunder örvények miatt nyomáskülönbség nem jön létre. A különbség a propellerekhez képest abban áll, hogy messze a keverő előtt a közeg áll, így a v sebesség zérus, ami azt is jelenti, hogy az A keresztmetszetnek végtelen nagynak kell lennie. A kontinuitási egyenlet ismét: m! = ρa v = ρa3v 3 = áll. () A tolóerő ellentett ereje, azaz a tárcsára ható erő a nyomáskülönbségből számítható, az első ábra jelöléseivel és a keresztmetszetet a korábbi módon indexelve: F = p p. () ( ) A A Bernoulli-egyenlet a nyugvó közeg és a tárcsa előtti pont között: 05. 09. 4. 4

p 0 p ρ = + v. (3) A Bernoulli-egyenlet a tárcsa utáni pont és az onnan leúszó áramcső vége között: ρ ρ p + v = p0 +. (4) Fejezzük ki a (4) egyenletből p -t, a (3) egyenletből a p -et és írjuk be értéküket a tolóerő () egyenletébe, ekkor azt kapjuk, hogy: F = ρ A. (5) Az impulzus-tétel alakja most: F m! v 3 = 0. (6) Innen az F erőt kifejezve és a (5) egyenlet bal oldalával egyenlővé téve kapjuk, hogy mv! ρ 3 = ρ Av = F = A, (7) ahol a bármely szelvényben azonos tömegáramot a tárcsa szelvényében számítható m! = ρa v értékkel helyettesítettük be a képletbe. A (7) egyenletből egyszerűsítés után azt kapjuk, hogy a v sebesség a v 3 sebesség fele. v =. (8) Írjuk fel a keverőn átáramló folyadékba minimálisan bevezetendő hidraulikai teljesítményt, ami a tömegáram és a tömegegységre vonatkozó mozgási energia-változás szorzatával egyenlő: v 3 P be = m!. (9) A keverő, mint ventilátor hasznos teljesítménye a térfogatáram és a keverőtárcsa által létesített nyomáskülönbség szorzata, utóbbi az F erő és az A felület hányadosa: m! F P h = QΔ p = = m!. (30) ρ A Végül a hidraulikai hatásfok a hasznosított (30) és a bevezetendő (9) hidraulikai teljesítmény hányadosa: Ph η = =. (3) Pbe Ez azt jelenti, hogy az elérhető ideális hidraulikai hatásfok 00% lenne. Ez azonban csak súrlódásmentes folyadékáramlás esetén lenne így. A valóságban az sem igaz, hogy a nyomáskülönbség a keverő kerületén is akkora, mint amit a fenti gondolatmenetben figyelembe vettünk. Propeller keverők becsült hidraulikai hatásfoka 60 %. A keverő összhatásfokát a mechanikai veszteségek tovább csökkentik. 05. 09. 4. 5

A keverő lapátok kerületi iránnyal bezárt szögének ismeretében felrajzolható a sebességi háromszög ha feltételezzük, hogy a keverő a tervezett üzemállapotban dolgozik. A kerületi sebesség és az axiális, v -vel jelölt sebesség hányadosa közel azonos kell legyen a lapátszög tangensével. v u ker D n β Ekkor tehát írható, hogy v = konst Dn. (3) A tömegáramot a () képletben ugyancsak a kerületi sebességgel kifejezve írhatjuk, hogy m! = ρ A v = konst ρd Dn, ezt és a (3) összefüggést beírva a (9) képletbe, kapjuk, hogy P be = KρD (33) a keverő hidraulikai teljesítményigénye. A K szám függ a keverő kialakításától, a reaktor edény alakjától és méreteitől, továbbá a Reynolds számtól, amit keverők esetén ugyancsak az n fordulatszám és a keverő D átmérője segítségével írunk fel, µ a dinamikai viszkozitás. ( ) ρnd K = K Re, geometria = K, geometria. µ A kis Reynolds számú tartományban K arányos a Re-szám reciprokával, nagy Re-számok esetén egy a típustól és geometriától függő állandó értékhez tart. A keverőpropellerből kilépő folyadéksugár turbulens disszipációja a szabad sugarakra megismert módszerrel írható le. Ezzel a két módszer összekapcsolása becslést adhat olyan keverő, keverő-reaktor (edény) párok előzetes áramlástani elemzésére, amelyekre nem állnak rendelkezésre kísérleti tapasztalatok. 5 n 3 05. 09. 4. 6