MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

14.

Studiul experimental al curgerilor

cu vârtej

14.1. Introducere

Fenomenele hidrodinamice din turbomaşini sunt caracterizate de curgeri turbionare, cu efecte mai mult sau mai puţin benefice în funcţionare. De exemplu în cazul turbinelor Francis încărcate parţial apare şi se dezvoltă în tubul de aspiraţie, o formaţiune turbionară gazoasă, vaporoasă sau mixtă, denumită “turbion central”, sau “vârtej funie” care produce, printre altele, pulsaţii de presiune de joasă frecvenţă, cu efecte majore asupra stabilităţii în funcţionare a turbinei. Studiul acestui turbion central devine asfel important şi necesar. Elucidarea pe cale experimentală a modalitaţii de apariţie şi dezvoltare a acestuia, structura sa internă, frecvenţele pulsaţiilor, metodele de eliminare a acestui vârtej şi a efectelor sale sunt unele din scopurile pentru care a fost realizată Instalaţia pentru studiul şi controlul mişcărilor cu vârtej [8b], [13b], din LMHT.

14.2. Instalaţia experimentală 14.2.1. Circuitul hidraulic În figura 14.1a,b este reprezentată instalaţia pentru studiul şi controlul mişcărilor cu vârtej. Circuitul hidraulic principal este compus din următoarele elemente realizate din material rezistente la coroziune - oţel inoxidabil sau plexiglass:

un rezervor de 4m3, o pompă centrifugă tip GRUNDFOS CRNE 90-2, cu turaţie variabilă şi

care dă un debit maxim de 33l/sec o reţea de conducte cu diametrele de 100mm şi 80mm un debitmetru electromagnetic de 3”, clasa 0,2%

un rezervor de liniştire şi reducere a turbulenţei

Fig.14.1a. Instalaţia pentru studiul şi controlul mişcărilor cu vârtej

Circuitul hidraulic secundar, care introduce un jet de apă în axa vâtejului funie, constă din:

o pompă auxiliară tip WILLO, din seria MVIE cu motor standard IEC şi regim de reglare fără trepte printr-un convertizor de frecvenţă integrat,

o reţea de conducte de 1” la care toate componentele care ajung în contact cu lichidul sunt rezistente la coroziune, - ţevi din oţel inoxidabil, cupru sau materiale plastice

Zona de lucru, compusă dintr-un generator de vârtej şi difuzorul în care se dezvoltă vârtejul funie este realizată din sticlă acrilică transparentă. Există două variante – una care permite măsurarea variaţiilor de presiune generate de vârtejul funie, şi alta care dispune de ferestre optice prin care se investighează punct cu punct, câmpul de viteze cu ajutorul unui laser tip LDA (Laser Dopller Anemometry) – ca în figurile 14.2a,b.

Cap.14. Studiul experimental al curgerilor cu vârtej MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

Fig14.1b Realizarea fizică a staţiunii

Fig.14.2.a. Zona de lucru cu traductorii de presiune

Fig.14.2.b. Zona de lucru cu ferestrele şi sonda LASER

În zona de lucru se află generatorul de vârtej, care are rolul principal de a conferi fluidului la iesire o configuraţie asemănatoare cu cea de la iesirea dintr-o turbină reală, cu o componentă a vitezei axiale şi o componentă a vitezei tangenţiale. Această variantă de generator este formată din elemente fixe fără părti în miscare [8b], ca în figura 14.3, şi 14.4a,b.

Fig14.3. Generatorul de vârtej

1 – diuză; 2 - bucşă ; 3 – paletaj; 4 - ogiva; 5 - flanşă de legătură

Fig.14.3a,b. Paletajul generatorului de vârtej

Cap.14. Studiul experimental al curgerilor cu vârtej MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

Zona de măsură este formată în momentul de faţă dintr-o singură bucată realizată din sticlă acrilică. O reprezentare schematică a acesteia este redată în figura 14.4:

Figura 14.4. Reprezentarea schematica a zonei de măsură

După cum se observă este formată din mai multe componente: partea cilindrică, partea convergentă şi partea divergentă. În partea cilindrică este situat paletajul iar zona convergent-divergentă a fost aleasă deoarece prin această formă se poate obţine cel mai uşor curgerea cu miscare de rotaţie şi care se aseamănă cu cea de la iesirea din rotorul turbinelor reale. În acest fel, în această etapă, s-a evitat realizarea generatorului de vârtej cu palete mobile.

14.2.2. Sistemul automat de comandă, achiziţie şi prelucrare a datelor

Instalaţia este condusă în totalitate de un sistem automat guvernat de un calculator, cu următoarele roluri:

comanda şi controlul funcţionării pompelor cu turaţie variabilă comanda şi controlul deplasării şi poziţionării sondei LASER achiziţia şi prelucrarea şi stocarea datelor experimentale

O schemă sugestivă a sistemului de guvernare este redată în figura 14.5.

Pentru cele două pompe şi pentru sistemul LDA, interfeţele de conexiune la calculator au fost livrate de producătorii echipamantelor respective.

Fig.14.5. Schema sistemului atomat de guvernare al instalaţiei

SP – traductoare de presiune; SD –debitmetrul electromagnetic; Sd- debitmetru cu turbină; Pprinc – pompa GRUNDFOS; Pjet –pompa WILLO

Softurile folosite sunt de uz general, pentru achiziţie şi prelucrare de date (LabVIEW), şi livrate înpreună cu echipamentele în cazul LDA şi a pompelor. 14.2.3. Mărimi măsurate şi aparatură de măsură Dezvoltarea actuală a instalaţiei de laborator permite studiul vârtejului funie din partea divergentă a zonei de lucru sub aspectul câmpului de viteze şi a pulsaţiilor de presiune, pentru situaţia vârtejului dezvoltat, precum şi pentru situaţia eliminării acestuia prin introducerea unui jet de apă în axa sa [13b]. Pentru aceste situaţii sunt necesare a fi determinate următoarele mărimi fizice:

debitul din circuitul hidraulic principal debitul din circuitul secundar (al jetului) pulsaţiile de presiune generate de vârtejul funie, la peretele dif din

zona de lucru component axială şi tangenţială a vitezei apei în difuzor

Cap.14. Studiul experimental al curgerilor cu vârtej MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

Măsurarea debitului se realizează pe cele două trasee cu ajutorul a două debitmetre ce funcţionează pe principii diferite. Astfel pentru măsurarea debitului pe traseul principal se foloseste un debitmetru de tip electromagnetic iar pe traseul secundar se foloseste un debitmetru cu turbină.

Debitmetrele electromagnetice sunt generatoare electrice, care funcţionează cu acelaşi principiu al străbaterii unui câmp magnetic de către un conductor, ca la maşinile electrice rotative, aşa cum s-a arătat la #2.3.2.5.

Debitmetrul electromagnetic inclus în instalaţie este produs de firma KRONE, de tip A-33167-53 Flowmeter Mag 3” (DN80), cu următoarele date tehnice principale:

fluid de lucru – apa curată domeniul de măsură aproximativ 5- 50l/s; precizie: 0,3 % din debit; repetabilitate: 0,1 % din debit; presiunea de lucru: 0…10bar;

Semnalul de ieşire din debitmetru este semnal treaptă cu frecvenţă variabilă, iar displayul inclus este de tip LCD cu minim 8 caractere pe rînd.

Pentru faptul că semnalul de ieşire din debitmetru este semnal treaptă cu frecvenţă variabilă, iar placa de achiziţie necesită semnale în tensiune, s-a apelat la conversia rezistenţă – tensiune, prezentată pe larg în # 3.2.1.

Curba de regresie obţinută în laborator, dată în figura 14.6, conduce la o constantă a debitmetrului KEM=20,0952

Fig.14.6. Curba de regresie a debitmetrului electromagnetic

Debitmetrul cu turbină realizează o proporţionalitate a debitului dintr-o conductă în care se află un rotor de turbină şi turaţia acestuia (#2.3.2.3.). Instalaţia este dotată cu un debitmetru cu turbină de tip FT – 20 – NEXWULEDS4, 1”, cu datele tehnice principale date mai jos.

fluid de lucru – apa curată, cu impurităţi su 0,1mm; acurateţe de măsurare cuprinsă între ±0.05%; timp de raspuns cuprins între 3-4 ms; presiunea maximă de functionare: ≈2 bar,

Traductorul de semnal are ieşire în curent continuu (0 – 5V), sau în impulsuri

Curba de calibrare dată mai jos, în figura 14.7 a condus la o valoare a coeficientului de debit de Kq=318,6243 imp/s, pentru un debit cuprins în intervalul 0 – 7l/s.

Fig.14.7. Curba de regresie a debitmetrului cu turbină

Măsurarea presiunii nestaţionare generate de vârtejul funie este realizată cu ajutorul traductoarelor de presiune de tip KH-68074-00 cu următoarele caracteristici:

precizia de măsurare: ±0,13%, tensiunea de alimentare poate varia între 12-28V, record filetat de ¼’’. domeniul de masură al presiunii este cuprins între -1÷ +1bar. timpul de raspuns al traductorului 5ms.

Cap.14. Studiul experimental al curgerilor cu vârtej MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

Semnalul de ieşire este în tensiune, în domeniul 0,1-5V în funcţie de presiunea măsurată. Pentru timpul de raspuns de 5ms va rezulta o raţie de esantionare de 200 măsurări/sec. Utilizarea transformatei Fourier rapidă pentru determinarea amplitudinii pulsaţiilor de presiune impune ca numărul eşantioanelor (măsurărilor) să fie 2n.

Cutia de conexiuni face legătura între senzori şi placa de achiziţii montată pe PC. Schema ei principială este redată în figura 14.8.

Fig.14.8. Schema electrică a cutiei de conexiuni

14.3. Investigaţii experimentale asupra curgerilor cu vârtej 14.3.1.Determinarea fluctuaţiilor de presiune generate de o curgere cu vârtej O aplicaţie simplă pentru determinarea pulsaţiilor de presiune

presupune montarea a doi traductori de presiune, ca înfigura 14.9.a,b, pe generatoarea difuzorului. Primul traductor este montat în apropierea diametrului minim al sectiunii, la 30mm faţă de intrarea în secţiunea divergentă, - în planul S1, iar al doilea la un diametru mai mare - în planul S2 - spre ieşirea din secţiunea divergentă, la 150mmpe verticală, faţă de primul traductor.

Măsurătorile de presiune se desfăşoară în două cazuri: 1. Într-un vâtej dezvoltat neperturbat 2. În curgerea cu vâtrej în care s-a introdus un jet axial al cărui

debit este variabil

Fig.14.9.a,b. Montarea senzorilor de presiune Pulsaţiile de presiune înregistrate de cele două traductoare de presiune

sunt redate în figura 14.10.

Fig.14.10.Pulsaţiile de presiune pentru cele două cazuri

Cap.14. Studiul experimental al curgerilor cu vârtej MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

Transformata Fourier din figurile 14.11. şi 14.12, permite reprezentarea amplitudinii variaţiilor de presiune ca funcţie de frecvenţă, pentru cazul fără jet şi cu jet şi tragerea unor concluzii privind hidrodinamica curgerii.

Fig.14.11. Pulsaţiile de presiune la

curgerea fără jet Fig.14.12.Pulssaţiile de presiune la

curgera cu jet 14.3.2. Determinarea câmpului de viteze cu LDA Pentru determinarea câmpului de viteze în curgerea cu vârtej din

difuzor, cu şi fără jet, este nevoie de un subansamblu special, care respectă dimensiunile interioare ale zonei de lucru, dar care este dotat cu ferestre optice, ce permit măsurări cu raza laser, ca în figura 14.13.

Fig.14.13. Zona de lucru cu ferestre optice

Metodica de măsură şi funcţionarea instalaţiei de anemometrie cu laser

a fost prezentată pe larg la paragraful # 2.3.1.4.

Sonda LASER (fig14.2b) dispune de un dispozitiv de poziţionare tridimensional, condus de calculator, care permite mişcarea pe fiecare axă cu o rezoluţie de 0,02 mm.

Acest tip de determinare oferă date precise asupra structurii cinematice 3D a curentului, în fiecare punct de măsură. În figura 14.14.a,b,c sunt date aspecte ale unui vârtej din zona de lucru a staţiunii pentru diferite condiţii de curgere.

Fig.14.14.a,b,c. Diverse forme de vâtej în difuzor

Pentru un set de masuratori s-au trasat coordonatele de măsură pentru

fereastra de vizualizare nr.2, exemplificată în figura 14.13. S-au măsurat 5000 de valori pentru fiecare punct de măsură, iar pasul de străbatere a secţiunii este de 3mm de-a lungul direcţiei de investigare, marcată în figura 14.13. Reprezentarea grafică redă componenta axială şi tangenţială a vitezelor în punctele de măsură, pentru cazul unui vârtej liber dezvoltat şi pentru cazul introducerii în axa vârtejului a unui jet de apă, ca în cazul detrminării pulsaţiilor de presiune. Se presupune că variaţia radială a vitezei, în acest caz nu relevă aspecte hidrodinamice importante.

Fig.14.15. Repartiţia de viteze în vârtejul funie

Cap.14. Studiul experimental al curgerilor cu vârtej MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

Fig.14.16. Repartiţia de viteze în cazul introducerii unui jet axial în vârtejul funie.