UNIVERZA V MARIBORU

Transkripcija

1 Fakulteta za strojništvo POSTAVITEV MERILNE PROGE ZA TESTIRANJE TURBOKOMPRESORJEV Študent(ka): Študijski program: Smer: Sašo PUŠNIK Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo Mentor: Somentor: red. prof. dr. Aleš HRIBERNIK dr. Gorazd BOMBEK Maribor, September 2012

2 Vložen original sklepa o potrjeni - II -

3 I Z J A V A Podpisani Sašo PUŠNIK izjavljam, da: je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom red. prof. dr. Aleš HRIBERNIK in somentorstvom dr. Gorazd BOMBEK ; predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi; soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Maribor, Podpis: - III -

4 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Aleš HRIBERNIK in somentorju dr. Gorazd BOMBEK za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi Mateju Fikeju. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. - IV -

5 POSTAVITEV MERILNE PROGE ZA TESTIRANJE TURBOKOMPRESORJEV Ključne besede: Plinsko turbinski postroj, potencialna moč, eksperimentalne metode UDK: 621.5:521.5/.6(043.2) POVZETEK S postavitvijo merilne proge za testiranje turbokompresorjev smo želeli izmeriti potrebne veličine za prikaz karakterističnih diagramov turbine in kompresorja, ker so kljub čedalje bolj razširjeni uporabi numeričnih metod, marsikje eksperimentalne metode še vedno potrebne. Z ustvarjanjem nadtlaka za turbino smo posneli dušilne krivulje kompresorja ter delovne karakteristike turbokompresorja. Izračunali smo potencialno moč, ki bi jo dosegala delovna turbina za pogon elektro generatorja. - V -

6 DESIGN OF TURBOCOMPRESSOR TEST BENCH Key words: gas turbine, potential power, experimental methods UDK: 621.5:521.5/.6(043.2) ABSTRACT The goal of the turbocompressor test bench was to measure the neccesary data to map the turbine and compressor characteristics with the use of experimental methods, which are still very important, despite the everincreasing usage of numerical methods. By creating increased pressure at the turbine outlet, we mapped the working characteristics of the turbocompressor and the performance curve of the compressor. We also calculated the potential power of the working turbine, which could be used to power an electric generator. - VI -

7 KAZALO 1. UVOD OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA TURBOKOMPRESOR BRAYTONOV CIKEL TURBINA Delitev Delovanje KOMPRESOR Delitev Delovanje GORILNIK PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE POSTAVITEV MERILNE PROGE ZA TESTIRANJE TURBOKOMPRESORJEV KARAKTERISTIKE Kompresor Turbina MERITVE OPIS MERILNE PROGE MERJENJA TLAKOV MERJENJE PRETOKA MERJENJA TEMPERATUR MERJENJE VRTILNE FREKVENCE RAČUNALNIŠKO PODPRTO MERJENJE Programska oprema VII -

8 4.8.2 Kartice Priprava signala IZVAJANJE MERITEV Goltna karakteristika Meritve potencialnega dela PTP PROBLEMATIKA ZAGOTAVLJANJA USTREZNEGA PRETOKA GORIVA Kontrola pretoka goriva Intenziteta uparjanja goriva REZULTATI GOLTNE KARAKTERISTIKE Kompresor Turbina DELOVNE KARAKTERISTIKE Kompresor Turbina SKLEP SEZNAM UPORABLJENIH VIROV KAZALO SLIK Slika 2.1 Shematski prikaz PTP... 4 Slika 2.2 Potek Braytonovega cikla... 4 Slika 2.3 Shema PTP z delovno turbino... 5 Slika 2.4 Prerez posplošenega radialno-aksialnega turbinskega stroja... 7 Slika 2.5 h - s diagram za turbino... 8 Slika 2.6 Prerez skozi radialni kompresor... 9 Slika 2.7 h - s diagram za kompresor Slika 2.8 Shema silosnega gorilnika Slika 4.1 Diagram kompresorja proizvajalca KKK Slika 4.2 Diagram turbine proizvajalca Garrett Slika 4.3 Pozicije merilnih mest VIII -

9 Slika 4.4 Povprečevalna Pitotova cev Slika 4.5 Rezultat umerjanja averaging Pitotove cevi na ventilatorju ter motorju z notranjim zgorevanjem Slika 4.6 Dvig temperature pri dušenju Slika 4.7 Shema PTP z dušilno loputo Slika 4.8 Merjenje pretoka skozi šobo Slika 4.9 Shema grelnega bazena Slika 5.1 Čelna plošča virtualnega instrumenta Slika 5.2 Diagram odvisnosti stopnje kompresije kompresorja od volumskega pretoka Slika 5.3 Prikaz razmerja tlakov v odvisnosti od vrtilne frekvence kompresorja Slika 5.4 Spreminjanje temperature na izstopu iz kompresorja z naraščanjem vrtilne frekvence Slika 5.5 Prikaz temperatur za kompresorjem v odvisnosti od razmerja tlakov Slika 5.6 Izračunani izentropni izkoristki kompresorja Slika 5.7 Prikaz izračunanih moči kompresorja v odvisnosti od vrtilne frekvence Slika 5.8 Goltna karakteristika turbine v obliki, kot jo podajajo proizvajalci Slika 5.9 Prikaz korigiranega masnega pretoka turbine v odvisnosti od razmerja tlakov Slika 5.10 Spreminjanje temperature na vstopu v turbino v odvisnosti od vrtilne frekvence.. 38 Slika 5.11 Časovni potek temperature pred turbino Slika 5.12 Prikaz temperatur na izstopu iz turbine v odvisnosti od vrtilne frekvence pri premagovanju tlaka okolice Slika 5.13 Izentropni izkoristki turbine pri različnih vrtilnih frekvencah Slika 5.14 Prikaz moči turbine in kompresorja Slika 5.15 Mapa kompresorja Slika 5.16 Približan del diagrama kompresorja, v katerem se nahajajo dušilne krivulje Slika 5.17 Delovne krivulje turbine Slika 5.18 Stopnja ekspanzije v turbini v odvisnosti od nadtlaka za turbino Slika 5.19 Prikaz naraščanja temperature na vstopu v turbino v odvisnosti od nadtlaka za turbino Slika 5.20 Spreminjanje masnega pretoka v odvisnosti od nadtlaka za turbino Slika 5.21 Dosežene moči delovne turbine IX -

10 UPORABLJENI SIMBOLI A površina c p izobarna specifična toplota F sila η izkoristek g gravitacijski pospešek specifična entalpija κ koeficient izentrope m masni pretok M navor n vrtilna frekvenca ω kotna itrost P moč p tlak π kompresijsko razmerje r radij ρ gostota s specifična entropija T temperatura U obodna itrost V volumski pretok w itrost z višina - X -

11 UPORABLJENE KRATICE A/D - Analogno digitalno C - hladnejša voda Č - črpalka CAD - D/A - DAQ - DIO - Computer Aided Design Digitalno analogno data aquisition Digital Input Output DT - delovna turbina G - generator Go - gorilnik H - vroča voda J - jeklenka K - kompresor Ko - kopel NI - National Instruments NP - notranji plašč PTP - plinsko turbinski postroj PT - produkti zgorevanja T - turbina V - ventil Z - zalogovnik ZP - zunanji plašč ZK - zrak iz kompresorja - XI -

12 1. UVOD Ukapljen naftni plin se že dolgo uporablja kot nadomestilo tekočega goriva v transportu, saj se s predelavo bencinskega motorja na UNP znatno znižajo stroški goriva ter škodljive emisije. V tem primeru se energija porablja za transport. UNP lahko uporabimo tudi pri plinski turbini, kjer lahko namesto energije za na pot, pridobivamo električno energijo ter toploto za ogrevanje prostorov in sanitarne vode za dom, hkrati pa zmanjšamo stroške gospodinjstva zaradi rastočih cen kurilnega olja ter električne energije. Odvečno električno energijo je mogoče oddajati v omrežje, za kar lahko pridobimo subvencije. 1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela Pri uporabi plinske turbine za proizvajanje električne energije je potrebno poznati delovanje turbokompresorja oziroma njegove karakteristike. Te pridobimo z opravljanjem meritev med delovanjem, na podlagi katerih se lahko odločimo, če je izbrani turbokompresor primeren za prigraditev delovne turbine, ter koliko entalpije je na voljo za delovno turbino. Merilni eksperiment je kljub obširni uporabi numeričnih metod za analizo razmer v turbinskih strojih še vedno neizogiben za potrditev rezultatov numeričnih simulacij, pri katerih brez potrditve v pravilnost rešitve ne moremo biti čisto prepričani. Meritve opravljamo na standardizirani merilni progi, pri tem pa se lahko posvetimo obravnavi makro parametrov ali detajlnejši analizi mikro-razmer. Meritve makro parametrov turbostrojev obsegajo meritve tlaka, temperature, vrtilne frekvence in masnega pretoka v različnih delovnih območjih stroja. Običajno rezultate predstavimo z dušilnimi krivuljami, ki kažejo odvisnost razmerja tlakov na izstopu in vstopu od masnega pretoka in vrtilne frekvence rotorja. Merilna proga mora pri tem zagotavljati ponovljivo doseganje izbranih delovnih pogojev in točno vrednotenje prej omenjenih fizikalnih veličin: tlaka, temperature, pretoka in vrtilne frekvence. Za doseganje teh pogojev je zelo primerna uporaba računalniško podprtih meritev, s pomočjo katerih lahko izdelamo merilne protokole, ki zagotovijo majhno merilno negotovost in dobro ponovljivost rezultatov in hkrati hitrejše izvajanje meritev in obdelavo podatkov ter prikaz rezultatov

13 1.2 Opredelitev diplomskega dela Cilj naloge je zasnovati in postaviti preizkuševališče za preizkušanje turbokompresorjev, ki bo omogočalo izvajanje računalniško podprtih meritev delovnih karakteristik turbokompresorjev in bo v čim večji meri zadostilo predpisom s strani merilnih postopkov in njihove dopustne merilne negotovosti. Pri tem je osnovna hipoteza, da je s prigraditvijo gorilnika mogoče zagotoviti samostojno delovanje turbokompresorja in tako ustvariti pogoje za merjenje osnovnih makro parametrov delovanja tako kompresorja kot tudi turbine. 1.3 Struktura diplomskega dela Na začetku diplomske naloge je opis turbokompresorja s Braytonovim ciklom, po katerem deluje, ter sestavnimi deli turbina, kompresor in gorilnik. Nato so predstavljeni diagrami, ki so rezultat proizvajalčevih testiranj turbin in kompresorjev. Ti diagrami so hkrati tudi rezultat, ki ga želimo doseči. Sledijo opisi meritev posameznih veličin, ki jih moramo za prikaz takšnega diagrama opraviti ter opis uporabljene opreme za računalniško podprto merjenje. Izvajanje meritev smo razdelili na opravljanje meritev za prikaz goltne karakteristike ter opravljanje meritev za prikaz delovne karakteristike. Na enak način smo razdelili tudi prikaz rezultatov testiranj na merilni progi

14 2. TURBOKOMPRESOR Tema diplome je avtomobilski turbokompresor proizvajalca KKK, ki je bil prvotno uporabljen na dizelskem motorju z notranjim izgorevanjem, v pedagoške namene pa je bil kasneje predelan v samostojno mikro turbino s prigraditvijo gorilnika, ki nadomesti vroče izpušne pline dizelskega motorja za pogon turbine. Turbokompresorji so sestavljeni iz turbine, ki preko ekspanzije medija na lopaticah rotorja pretvarja totalno entalpijo vročega plina v mehansko delo vrtenje gredi. Na isti gredi je tudi kompresor, ki z dovedenim mehanskim delom zvišuje totalno entalpijo vstopnega zraka, ki se nato s povišanim tlakom dovaja gorilnemu plinu v zgorevalno komoro. Pri manjših izvedbah turbokompresorjev je centralno ohišje lahko vodno hlajeno. Za drsne ležaje obeh turbostrojev je potrebno zagotoviti zadostno mazanje. Največkrat so turbokompresorji uporabljeni v kombinaciji z motorjem z notranjim izgorevanjem, v letalski tehniki kot turbopropelerski ali turboventilatorski motorji ter kot mikroturbine. Prav tako je zaradi v uvodu omenjenih okoljskih in ekonomskih prednosti, pogosta uporaba tudi pri soproizvodnji električne energije in toplote. 2.1 Braytonov cikel Turbokompresor deluje po Braytonovem ali Joulovem ciklu. Pri tem kompresor sesa in komprimira vstopni zrak iz okolice v gorilnik in mu zviša tlak ter gostoto. V gorilniku gorivo z zrakom zgoreva, produkti pa imajo visoko temperaturo. Vroči produkti zgorevanja se dovajajo v turbino, kjer ekspandirajo. Z ekspanzijo se toplotna energija produktov zgorevanja pretvori v mehansko delo, s katerim se poganja gred. Ta poleg vrtenja kompresorja lahko poganja še elektro generator in s tem proizvaja električno energijo. Takšnemu sistemu rečemo plinsko turbinski postroj PTP. Slika 2.1 prikazuje sestavne dele v Braytonovem ciklu, slika 2.2 pa Braytonov cikel v diagramu T s [4]

15 Slika 2.1 Shematski prikaz PTP Slika 2.2 Potek Braytonovega cikla Posamezne preobrazbe so 1-2s izentropna kompresija v kompresorju 2s-3' izobarni dovod toplote - 4 -

16 3'-4s izentropna ekspanzija v turbini 4s-1 izobrani odvod toplote izpuh Med posameznimi idealnimi preobrazbami nastopajo izgube, z upoštevanjem katerih preidemo iz idelanega na realni Braytonov cikel. PTP lahko ima sam eno turbino in samo eno gred, na kateri so turbina, kompresor in generator. Takšna postavitev je prikazana na sliki 2.1. Ekspandirani produkti zgorevanja za prvo turbino, imajo še vedno visoko temperaturo, zato se lahko za prvo turbino prigradi še ena, ki ji pravimo delovna turbina. Tako delovna turbina poganja generator, shematski prikaz je na sliki 2.3. Slika 2.3 Shema PTP z delovno turbino - 5 -

17 2.2 Turbina Delitev Turbine, prav tako kot kompresorje, delimo glede na smer toka medija na radialne, aksialne ter diagonalne. Pri aksialnih turbinah medij vstopa na lopatje vzporedno z osjo vrtenja rotorja, med prehodom čez lopatje se mu smer, z izjemo prestavitve na večji radij od osi zaradi centrifugalne sile, ter spremembi smeri zaradi sledenja obliki lopatic, ne spremeni, tako da medij tudi izstopa vzporedno z osjo vrtenja, torej aksialno. Pri radialnih turbinah medij vstopa na lopatje radialno ter izstopa vzporedno z osjo, pri diagonalnih pa je vstop nekje med aksialno in radialno smerjo Delovanje Vroči plini z visoko totalno entalpijo 03 : 03 = 3 + gz + w (2.1) vstopajo tangencialno v ohišje turbine, ki ima na spirali šobno oblikovane kanale, s čimer se poveča kinetični del totalne entalpije w 3 2 na račun zmanjšanja ostalih členov, pred natokom na 2 rotor. Pri centripetalni radialni turbini je vstopni rob rotorja na največjem radiju, ki se s potovanjem plina po kanalih proti izstopnemu robu zmanjšuje. Tudi ti kanali se od vstopnega proti izstopnemu robu ožijo, torej imajo prav tako obliko šobe, kot kanali na ohišju, iz enakega razloga, saj ravno kinetični del totalne entalpije rotor pretvori v vrtenje gredi. V odvisnosti od tega, kako uspešna je pretvorba, oziroma kolikšen del totalne entalpije plina je turbina prenesla na gred, je definiran tudi izkoristek turbine, ki predstavlja razmerje med močjo, ki jo ima medij ter močjo, ki jo dobimo na gredi: η = mo č na gredi turbine mo č medija Eulerjev izkoristek turbine pa le-tega podaja kot razmerje med idealno spremembo energije na turbini in dejansko spremembo energije na turbini. Idealno spremembo dobimo s pomočjo gibalne enačbe, ki se za posplošeni radialno-aksialni turbinski stroj na sliki 2.4 glasi: (2.2) - 6 -

18 V r F Θ ρ dw Slika 2.4 Prerez posplošenega radialno-aksialnega turbinskega stroja = (r 2 w Θ2 )(ρ 2 w 2 da 2 JK ) r 1 w Θ1 ρ 1 w 1 da 1 GH, (2.3) pri tem predstavlja prvi člen na levi strani enačbe moment sil na lopaticah, desna stran enačbe pa predstavlja razliko vrtilnih količin na izstopu in vstopu, pri čemer so površinske viskozne sile zanemarjene. Ob predpostavki, da se masni pretok med prehodom čez kanal ne spremeni je: ker je r F Θ = m (r 2 w Θ2 r 1 w Θ1 ) (2.4) dm = dm r 2 w Θ2 r 1 w Θ1, (2.5) P = M ω (2.6) je moč na gredi dp gred = ω dm r 2 w Θ2 r 1 w Θ1, (2.7) z integracijo pa dobimo splošno Eulerjevo turbinsko enačbo P gred = ω m r 2 w Θ2 r 1 w Θ1 (2.8) V primeru, da je U i = ω i r i dobimo obliko, primerno za vstavitev v Eulerjev izkoristek turbine [9]: η E = U 2w Θ 2 U 1 w Θ 1 h 01 h 02 (2.9) - 7 -

19 ni namenjeno meritvi mikro veličin obratovanja turbostroja, ampak makro veličin, zato je Eulerjev izkoristek podan zgolj informativno. Pomembnejši je namreč izentropni izkoristek, ki je nujen podatek pri testiranju turbo strojev. Pri izračunu izentropnega izkoristka v imenovalec namesto idealne preobrazbe glede hitrosti, dobljenih iz gibalne enačbe, vstavimo razliko entalpij pri izentropni preobrazbi, ki je izračunana z enačbo (2.10). s = c p T 3 1 p 4 p 3 Izentropni izkoristek je tako: κ 1 κ (2.10) η s = h 03 h 04 Ts = T 3 T 4 T 3 T 4s (2.11) Razlika med izentropno ekspanzijo in realno je prikazana na sliki 2.5. Slika 2.5 h - s diagram za turbino 2.3 Kompresor Kompresor je za razliko od turbine delovni stroj, torej namesto da mediju odvzema totalno entalpijo, mu jo preko rotorja dovaja

20 Ventilatorji, puhala in kompresorji so v osnovi enaki delovni stroji, njihova delitev sledi iz tlačnega razmerja π, ki ga posamezni stroj dosega. Za ventilatorje je ta najnižji in znaša okrog 1,05, za puhala do 3, višja tlačna razmerja pa pripadajo kompresorjem [5]. Z upoštevanjem te delitve delovnih strojev, gre pri tem diplomskem delu dejansko za turbopuhalo Delitev Tudi kompresorje razdelimo podobno kot turbine glede na smer iztoka medija na aksialne in radialne Delovanje Cilj delovanja kompresorja je povečanje tlačnega dela totalne entalpije p, na račun zmanjšanja ρ ostalih členov. Preko gredi in kanalov na rotorju se mediju dovede neka totalna entalpija, po izstopnem robu preide medij čez difuzor, ki poveča tlačni del totalne entalpije. Na sami spirali na ohišju kompresorja so prav tako difuzorsko oblikovani kanali, ki imajo enako nalogo. Pretvorba v tlačni del v čim večji meri je lepo vidna na sliki 2.6 [9]. Slika 2.6 Prerez skozi radialni kompresor - 9 -

21 Glede na to, da je kompresor delovni stroj, ki mediju dovaja energijo, sta temu ustrezno definirana tudi izkoristka, ki sta v primerjavi z izkoristkom turbine obrnjena in se zapišeta kot razmerje med energijo, ki jo ima kompresor na gredi ter energijo, s katero medij zapusti kompresor, oziroma pri Eulerjevem izkoristku razmerje med dejansko spremembo energije medija ter idealno spremembo energije medija. η = η E = mo č medija mo č na gredi kompresorja h 01 h 02 U 1 w Θ 1 U 2 w Θ 2 (2.12) (2.13) Podobno kot pri izentropnem izkoristku turbine se tudi pri izkoristku kompresorja uporabi podobna enačba za izračun spremembe entalpije v stroju in v enačbi nadomesti idealno preobrazbo, sledečo iz hitrostnih razmer, tako da je izkoristek kompresorja Kjer je : η s = s h 01 h 02 = T 2s T 1 T 2 T 1 (2.14) s = c p T 1 p 2 p 1 κ 1 κ (2.15) In : T = c p. (2.16) Razlika med izentropno kompresijo in realno preobrazbo je prikazana na sliki

22 Slika 2.7 h - s diagram za kompresor 2.4 Gorilnik V gorilniku zgoreva gorivo z zrakom. Zaradi eksotermne reakcije zgorevanje, se entalpija in temperatura zelo povečata. Pri poviševanju vrtilne frekvence ostaja hitrost toka v gorilniku skoraj nespremenjena, kljub temu da se masni pretok zraka ter tlak zraka na vstopu v gorilnik povečata. Gorilnik mora biti izdelan tako, da plamen med delovanjem ne ugasne [4]. Poznamo več tipov gorilnikov. Ti so lahko obročni, cevni ali silosni. V našem primeru gre za silosni gorilnik, zato mu bomo posvetili več pozornosti. Prikazan je na sliki 2.8. Silosni gorilniki so enostavni in imajo zaradi nizke toplotne obremenitve dolgo življenjsko dobo. Notranji plašč je sestavljen iz segmentov. Ti so najbolj toplotno obremenjeni, njihova menjava in popravilo sta enostavna. Tok plinov skozi silosni gorilnik je lahko vzdolžen ali povraten. Zaradi krajše dolžine gorilnikov s povratnim tokom so le-ti pogostejši. Gorivo (Go) se skozi šobo dovaja v gorilnik. Zrak iz kompresorja (ZK) oblije notranji del plašča gorilnika (NP), pri čemer del zraka skozi odprtine vteka v notranjost gorilnika, kjer poteka zgorevanje, del pa obteka režo med

23 zunanjim (ZP) in notranjim plaščem gorilnika. Tok produktov zgorevanja (PT) nadaljuje proti turbini. Slika 2.8 Shema silosnega gorilnika

24 3. PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE Pred izdelavo turbokompresorja se posamezne komponente analizirajo in testirajo, še preden je turbokompresor sestavljen in prvič zagnan. Tako se s postavitvijo merilne proge posebej testira turbina in kompresor. Pri postavitvi proge velja, da naj bodo razmere pri testiranju čim bolj podobne razmeram v okolju, za katerega je turbostroj namenjen [6]. Mesta, na katerih je potrebno zajemati temperature, tlake ter pretoke, so že določeni z želenimi rezultati merilne proge diagramoma karakteristik turbine in kompresorja, ki sta vidna na sliki 4.1 in sliki 4.2. Na abscisnih oseh so vrednosti pretoka, na ordinatnih pa razmerja tlakov turbo stroja [6]. Podrobneje so metode zajema podatkov pri testiranju plinskih turbin opisane v standardu ISO 19860:2005, prav tako pa tudi v uporabljeni literaturi Handbook of Turbomachinery [6]. Preden smo začeli z diplomskim delom, je bil turbokompresor že sestavljen in opremljen z vsemi potrebnimi merilnimi senzorji. Prigrajen mu je bil gorilnik za zgorevanje plina iz jeklenke, ventil za dovod komprimiranega zraka na turbino za zagon in mazalni sistem s črpalko za olje, filtrom in posodo. Pretok zraka se je meril z Venturijevo šobo, ki je predstavljala veliko dušenje, kar je eden od razlogov, da turbokompresor ni dosegal vrtilne frekvence višje od min

25 4. POSTAVITEV MERILNE PROGE ZA TESTIRANJE TURBOKOMPRESORJEV 4.1 Karakteristike Diagrami karakteristik turbin in kompresorjev se rišejo kot odvisnost tlačne razlike turbostroja od pretoka. Vanj so vrisane dušilne krivulje pri stalni vrtilni frekvenci znotraj posameznih območij določenega izkoristka. Pri PTP poganjamo kompresor in turbino hkrati, tako da enakih diagramov z dušilnimi krivuljami v tako širokem območju pretokov ne moremo pričakovati

26 4.1.1 Kompresor Slika 4.1 Diagram kompresorja proizvajalca KKK Na sliki 4.1 je prikazan diagram kompresorja, kot ga izdela proizvajalec. Na ordinatni osi so vrisana tlačna razmerja med totalnim tlakom na izstopu in totalnim tlakom na vstopu p 02 p 01 = p 2t p 1t. Na abscisni osi sta prikazana korigiran masni pretok: m T 01 T ok p ok p 01 ter korigiran volumski pretok: V T ok T 01 Vzrok za korigiranje podatkov na dogovorjen tlak in dogovorjeno temperaturo je dejstvo, da testiranje ne poteka vedno pri enakem stanju okolice. Da bi bile karakteristike med zagoni pri različnih stanjih okolice primerljive, se le-te korigirajo

27 Skrajna leva strma linija na sliki 4.1 predstavlja mejo črpanja. Pri nižjih pretokih, to je levo od meje črpanja, razmere v kompresorju niso stabilne. Desno od meje črpanja, to je proti večjim pretokom in nižjim kompresijskim razmerjem potekajo dušilne krivulje konstantne vrtilne frekvence. Školjčna območja, ki jih dušilne krivulje prehajajo označujejo področja konstantnih izkoristkov. Iz podatkov, ki jih vsebuje slika 4.1 vidimo, da moramo na merilni progi za testiranje kompresorja meriti tlak pred kompresorjem p 1, tlak za kompresorjem p 2, temperaturo na vstopu v kompresor T 1 in na izstopu T 2. Prav tako moramo poznati volumski pretok zraka V t, s pomočjo katerega lahko s poznano temperaturo iz plinske enačbe izračunamo gostoto ρ = p R T in izračunamo tudi masni pretok zraka m t. Potrebne podatke za korigiranje - temperaturo okolice T ok in tlak okolice p ok, lahko s predpostavko, da se med obratovanjem ne spremenita, odčitamo iz senzorjev pred začetkom testiranja. Poznati moramo tudi vrtilno frekvenco gredi. Enačbi (4.1) in (4.2) prikazujeta izračun totalnega tlaka p 0 in totalne temperature T 0. p 0 = p T 0 T κ κ 1 T 0 = 0 c p = T + w 2 2 c p (4.1) (4.2)

28 4.1.2 Turbina Slika 4.2 Diagram turbine proizvajalca Garrett Slika 4.2 prikazuje podatke o testiranju turbine, kot jih podaja proizvajalec. Na ordinatni osi je prikazan korigiran masni pretok skozi turbino m t, na abscisni pa razmerje med totalnim tlakom na vstopu v turbino in statičnim tlakom na izstopu p 3t p 4s = p 03 p 4s. Pogosto sta koordinatni osi tudi zamenjani zaradi skladnosti podajanja s kompresorji. Na sekundarni osi je prikazan izkoristek. Pri testiranju turbine moramo torej poznati tlaka p 3 ter p 4, temperaturi na vstopu T 3 in izstopu iz turbine T 4, volumski pretok skozi turbino V t in vrtilno frekvenco n. Izračun statičnega tlaka p s prikazuje enačba (4.3). 4.2 Meritve Za opis makro veličin obratovanja turbokompresorja je potrebno z merilnimi metodami zajemati podatke o vrtilni frekvenci, temperaturah in tlakih pred in za turbino ter kompresorjem, pretok zraka skozi kompresor ter plina in zraka skozi turbino. S pomočjo teh

29 podatkov je mogoče izrisati karakteristična diagrama delovanja turbine in kompresorja, kar je tudi cilj te diplomske naloge. Vsi potrebni podatki so izmerjeni v celoti, le pretok se meri samo skozi kompresor, saj je pretok skozi turbino skoraj enak, zaradi visokega presežka zraka v zgorevalni komori in posledično majhnega pretoka samega plina, ki kot dodatek zraku teče skozi turbino. Vsa merilna mesta so vidna na sliki 4.3. Slika 4.3 Pozicije merilnih mest 4.3 Opis merilne proge Kljub razdelitvi tako turbin kot kompresorjev glede na smer toka, so meritve, ki jih je potrebo opraviti enake ter se opravljajo na enakih mestih, tako da merjenje aksialnih in radialnih turbostrojev poteka s postavitvami merilnih elementov na enaka mesta. Pred postavljanjem merilne proge je potrebno razmisliti o želeni količini opravljenih meritev. Preveliko število senzorjev, predvsem takšnih, ki merijo na več radialnih pozicijah posameznega prereza, lahko zmoti tokovne razmere v cevi, zato je treba izbrati tolikšno število senzorjev, da motenje ni preveliko, kljub temu pa mora biti število mest zajemanj dovolj veliko, da so podatki sploh merodajni. Dober primer so merilne letve z več merilnimi mesti za zajem totalnega tlaka, pri katerih je zaželeno, da so v cev po obodu vstavljene vsaj štiri letve z enakomerno razporeditvijo po obodu cevi [3]. Takšno merjenje, ki zajema totalne tlake na štirih različnih

30 sondah, kjer ima še vsaka vstavljena po tri ali štiri luknje za zajem totalnega tlaka, je sicer res natančno, saj dobimo na tak način za vsako sondo povprečen tlak iz štirih zajemnih mest, na žalost pa so tudi tokovne razmere za zajemnimi mesti najbolj motene. Za merjenje statičnega tlaka je dovolj izvrtina v cevi tako, da je merilno mesto poravnano z notranjim premerom cevi, s čimer se toka ne moti [3]. Za natančnejše meritve je zaželen še dodaten merilni kolobar znotraj cevi, ki pa že ima večji vpliv na razmere. Z meritvami totalnega in statičnega tlaka pridemo do hitrosti toka na merilnih mestih, podoben princip merjenja se lahko uporabi tudi za merjenje pretoka [2]. Za izračune izkoristkov je potrebno poznati temperature, z njimi se namreč računajo izentropni izkoristki (enačbi (2.11) in (2.12)). Posebno pozornost velja nameniti meritvam temperature, še posebej pri turbostrojih, ki obratujejo pri nižjih tlačnih razmerjih. Napaka pri mejenju temperature za 1,8 K pomeni pri izračunu izkoristka za turbostroj, ki deluje pri tlačnem razmerju 1,65, kar napako za eno odstotno točko [6]. To je tudi razlog, da se pri nižjih tlačnih razmerjih za izračun navadno uporabi merilnik navora na gredi, saj je tako napaka manjša. Pred izvajanjem meritev je potrebno preveriti morebitna puščanja merilne proge. Zaželena je tudi kontrola delovanja merilnih senzorjev s tem, da se pred obratovanjem zajamejo okoliški tlaki in temperature, s čimer se preveri delovanje senzorjev. Takšna kontrola v primeru, da en senzor kaže drugačno stanje mirovanja kot ostali, pokaže nepravilno delujoč senzor [6]. 4.4 Merjenja tlakov Zajeti tlaki so zaporedno oštevilčeni z vrstnim redom, ki je prikazan na sliki 2.1. Senzor tlaka p 1 prikazuje absolutno vrednost tlaka pred kompresorjem. Senzorji tlaka p 2, p 3, p 4 so diferenčni, torej prikazujejo razliko med tlakom okolice in tlakom na mestu zajema. Senzor tlaka p 2 prikazuje nadtlak, ki ga ustvarja kompresor, p 3 je nadtlak pred turbino, p 4 nadtlak za turbino. Vsi senzorji za merjenje tlakov oddajajo signal v obliki električnega toka jakosti od 4 do 20 ma, zato jih je pred merilnim modulom potrebno pretvoriti v električno napetost. Merilna območja posameznih senzorjev tlaka so izbrana glede na pričakovane tlake. Območja so prikazana na tabeli

31 Senzor tlaka območje [bar] tlak p 1 1 absolutni p 2 2,5 nadtlak p 3 1,6 nadtlak p 4 1 nadtlak Tabela 1 Senzorji tlaka 4.5 Merjenje pretoka Merjenje pretoka skozi kompresor je bilo sprva izvedeno z uporabo dušilnega elementa. Za doseganje čim manjše skupne tlačne izgube, ki ga povzroči uporaba dušilnega elementa, je bila izbrana Venturijeva šoba. Na žalost pa je bil najožji premer šobe že tako majhen, da je vseeno povzročil prevelik tlačni padec Ta tlačni padec je moral premagovati kompresor, zaradi česar je kompresor ustvarjal manjši nadtlak na vstopu v zgorevalno komoro. Posledično vrtilna frekvenca kompresorja med obratovanjem ni presegla min 1, uporabljeni turbokompresor pa je narejen za vrtilne frekvence min 1 in več. Zaradi velikega dušilnega vpliva Venturijeve šobe, smo se odločili, da le-to zamenjamo s povprečevalno Pitotovo cevjo, ki ne spada med merilnike pretoka z dušilnim elementom in ne povzroča tako velikega tlačnega padca [2]. Povprečevalno Pitotovo cev smo naredili sami, in sicer tako, da smo odrezali štiri bakrene kapilare, jih razporedili v obliko, prikazano na sliki 4.4 in jih spojili z uporabo mehkega lota. Namen povprečevalne Pitotove cevi je merjenje razlike tlakov, ki se pojavi med totalnim tlakom, ki ga meri cevka na sprednji strani, kamor tok nateka čelno in tlakom na zadnji strani cevke, kjer je merjen samo statični tlak. Statični p s in totalni tlak p 0 sta, kot sledi iz Bernoullijeve enačbe z zanemaritvijo razlike višin, med sabo odvisna kot prikazuje enačba (4.3) [2]

32 Slika 4.4 Povprečevalna Pitotova cev Slika 4.4 prikazuje shemo povprečevalne Pitotove cevi z merilnima priključkoma ter njeno postavitev znotraj cevi glede na smer toka w. V prečnem prerezu sta vidni slepi ter zajemalni kapilari. V skladu z Bernoullijevo enačbo je totalni tlak: p 0 = p s + ρw 2, (4.3) 2 Oziroma: p 0 p s = ρw 2 2 Z dobljeno hitrostjo, ki je približno enaka povprečni hitrosti v merjenem prerezu, lahko izračunamo pretok, kar je tudi namen povprečevalne Pitotove cevi. Pri tem nastopi težava, saj bi za pridobitev dejanske povprečne hitrosti, bilo potrebno na zgoraj opisani način izmeriti hitrosti v čimveč, idealno kar v vseh lokalnih točkah preseka. Z opravljanjem meritev je bilo pokazano, da je dovolj merjenje v nekaj točkah, na podlagi katerih je izračunana povprečna hitrost[2]. Razdalje med posameznimi odprtinami za zajem totalnega tlaka na natočni strani povprečevalne Pitotove cevi za merjenje pretoka so dobljene po težnostnem pravilu z (4.4)

33 iskanjem srednje hitrosti pretočnega preseka iz aritmetične srednje vrednosti. Pozicije posameznih zajemnih luknjic se podajajo z radijema oddaljenosti od središča cevi r 1 in r 2, ki sta označena na sliki 4.4. Za dve zajemni mesti na natočni strani (n = 2; i = 1 n;) z uporabo enačbe (4.5) dobimo oba radija, ki za polmer zunanje cevi R = 53,5 mm, znašata r 2 = 44,6 mm ter r 1 = 25,2 mm [2]. r i = R 1 2i 1 2n (4.5) Enačba (4.6) prikazuje izračun volumskega pretoka pri uporabi povprečevalne Pitotove cevi.. Za sondo pride do ojačitve dinamičnega tlaka za faktor C > 1, tako da je dejanski volumski pretok števila V = πr 2 2(p 0 p s) ρc = K p 0 p s (4.6) iz česar se vidi slabost postopka, zaradi odvisnosti koeficienta C od Reynoldsovega C = 2 p 0 p s ρv 2 (4.7) Ta slabost je v veliki meri odpravljena s tem, da je uporabljena povprečevalna Pitotova cev umerjena v isti cevi, kot je kasneje uporabljena na samem turbokompresorju, s čimer se ta slabost za merjenje pretoka v umerjanem merilnem območju odpravi [2]. Oba tlaka sta z merilnima priključkoma preko gumijastih cevčic napeljana na diferencialni tlačni pretvornik GMUD, ki razliko med totalnim in statičnim tlakom pretvori v električni tok jakosti med 4 in 20 ma. Merilno območje pretvornika je 0,1 bar. Pri merjenju pretokov na podlagi samo štirih točk v prerezu, je potrebno zagotoviti polno razvitost toka v cevi, zato da se vzpostavi hitrostni profil, za katerega veljajo oddaljenosti merilnih točk od središča cevi, dobljene po težnostnem pravilu. Popolna razvitost se doseže z dovolj dolgim ravnim odsekom cevi, na katerem ni nobenih tokovnih ovir, ki bi vnašale motnje v tok, pred in za merilnim mestom. Za zagotovitev mora raven odsek cevi biti dolžine vsaj med 7-10 D pred in za merilnim mestom. V primeru, da zaradi pomanjkanja prostora to ni mogoče, se je potrebno zateči k umirjevalnikom toka, ki na primer s pretokom skozi satovje majhnih cevčic znotraj večje, umirijo tok na krajši razdalji. Zunanja cev, v katero smo vstavili povprečevalno Pitotovo cev, je imela na vsaki strani več kot 10D razdalje do vstopa zraka v cev na enem ter vstopa zraka v kompresor na drugem koncu cevi, tako da umirjevalnikov toka nismo potrebovali. Povprečevalno Pitotovo cev smo umerjali, da bi določili koeficient K iz enačbe (4.6). Umerjanje smo opravili na sesalni cevi dizelskega motorja, ki je povezan z merilnikom

34 Pretok [m^3/s] pretoka z vrtečimi bati. Ta meri pretok zraka preko vrtilne frekvence. Doseženo vrtilno frekvenco smo izmerili z digitalnim merilnikom frekvence. Dizelski motor ne more obratovati pri vrtilni frekvenci nižji od vrtilne frekvence spodnjega prostega teka, tako da je pretok zraka pri tej vrtilni frekvenci hkrati tudi spodnja meja umerjanja pretoka povprečevalne Pitotove cevi. Podobno kot s spodnjo, je tudi z zgornji mejo. Ta je določena z zgornjim prostim tekom dizelskega motorja. Pretok zraka pri tej vrtilni frekvenci je tako zgornja meja umerjanja. Na ta način smo umerili merilno območje povprečevalne Pitotove cevi za pretoke zraka, ki smo jih lahko dosegli v sesalni cevi dizelskega motorja. Za umerjanje pri nižjih pretokih smo merilno cev prestavili na ventilator, pred katerim je na sesalni strani postavljen merilnik pretoka z vrtečimi se bati. Umerjanje je potekalo z več ponovitvami. Na sliki 4.5 so združeni rezultati obeh umerjanj, ki kažejo skoraj povsem linearno odvisnost volumskega pretoka od korena razlike tlakov p 0 p s. Edina točka, ki odstopa, je posledica dosega zgornje meje merilnega območja merilnika pretoka z vrtečimi se bati na ventilatorju. Da je enačba aproksimacijske krivulje primerna, priča dejstvo, da je iz presečišča koordinatnih osi N(0,0), zamaknjena zgolj za , kar lahko zanemarimo in kot enačbo za izračun pretoka uporabimo enačbo: V = 0,0077 p 0 p s (4.8) 0,14 0,12 0,1 y = 0,0077x + 4E-05 0,08 0,06 0,04 0,02 ventilator motor skupna Linear (skupna) koren razlike tlakov [Pa^0,5] Slika 4.5 Rezultat umerjanja averaging Pitotove cevi na ventilatorju ter motorju z notranjim zgorevanjem

35 4.6 Merjenja temperatur Merjenje temperature se na merilni progi izvaja s termoelementi. Zasnovo za takšno merjenje je prvi opisal Thomas Johann Seebeck. Po njem je opisani efekt dobil ime Seebeckov efekt. Sklenil je žici iz železa in iz bakra, pri čemer je segreval en spoj žic, drugi pa je bil izpostavljen le temperaturi okolice. Ugotovil je, da med žicama steče električni tok, nastali električni napetosti rečemo termoelektrična ali krajše termo napetost. Tako termočlen prevede neelektrično veličino temperaturo, v električno termoelektrično napetost. Stik obeh žic na strani, kjer merimo temperaturo imenujemo vroči spoj oziroma merilni, ta je navadno zavarjen, ali kako drugače sklenjen, da se ne razklene med uporabo. Drugi stik žic mora biti na konstantni ali poznani temperaturi, rečemo mu hladni spoj oziroma primerjalno merilno mesto. Termočlen v obliki napetosti prikaže razliko temperatur med tema dvema koncema, iz česar sledi potreba po konstantni ali poznani temperaturi primerjalnega spoja. Na merilni progi je v modulu za termočlene vgrajena kompenzacija hladnega spoja, ki je za točno merjenje temperature zelo pomembna. Za zajem temeratur smo uporabljali termočlene tipa K, pri katerem je ena žica iz alumela, druga pa iz kromela. Njihovo merilno območje je od -200 do Med -40 in 375 je njihova merilna negotovost ±1,5, med 375 in 1000 pa ±0,004 T. 4.7 Merjenje vrtilne frekvence Vrtilno frekvenco gredi turbokompresorja merimo preko inducirane električne napetosti. V gredi pri vstopnem ustju kompresorja je vgrajen permanentni magnet. Na obodu ustja imamo pozicionirano tuljavo, v kateri se ob vsakem prehodu magneta inducira napetost. Število signalov N inducirane napetosti v nekem času t nam računalniška kartica prešteje, programska oprema pa vrednosti podeli med sabo. Vrtilna frekvenca n je tako: n = N t [Hz] (4.9) 4.8 Računalniško podprto merjenje Računalniško podprto merjenje je v primerjavi z uporabo samostojnih merilnih inštrumentov primernejše, saj se vsi pomembni podatki, ki jih uporabnik določi sam, zapisujejo na virtualnem inštrumentu, katerega prikazovalnike in odnose med njimi prav tako določi uporabnik sam. Poleg trenutnih vrednosti, izpisanih na zaslonu, pa lahko vse vrednosti tudi

36 naknadno pregleduje v tekstovni datoteki ter prikazuje relacije med njimi. Namesto namenskih inštrumentov, se uporabijo ustrezna priprava signala, kartica za pretvorbo signala ter programska oprema Programska oprema Uporabljena je programska oprema podjetja National Instruments NI. Sestavljena je iz zbirke gonilnikov Max (NI DAQ) in okolja LabVIEW. V Max-u so zbrani gonilniki za vse NI kartice in sisteme za pripravo signalov. Max skrbi za komuniciranje s kartico, ki jih lahko tudi kalibrira ter nastavlja ojačitve. V okolju LabVIEW si uporabnik ustvari virtualni merilni instrument VI, kjer prosto postavlja prikazovalnike signalov in določa povezave med zajemom in prikazom signala. Izgled je prikazan na sliki 5.1. Prav tako se znotraj LabVIEW-a določi modul in kanal, s katerega naj se zajemajo podatki, frekvenca zajemanja in število zajetih meritev Kartice Kartice so lahko namenske ali večfunkcijske. Namenske lahko izvajajo samo analognodigitalno pretvorbo, ali kakšno drugo pretvorbo - DI ali DO večnamenske kartice pa so sposobne digitalno-analogne D/A,analogno-digitalne A/D pretvorbe, digitalnih komunikacij - vhod izhod-dio, poleg tega pa imajo še števec in merilnik časa ali timer. Pomembni podatki o kartici so frekvenca zajemanja in ločljivost ali resolucija. Frekvenca zajemanja pove, kolikokrat na sekundo kartica spremeni dobljeno napetost v številsko vrednost. Uporabljena kartica ima maksimalno frekvenco zajemanja 500 khz. Ločljivost kartice pove najmanjšo spremembo, ki jo kartica še zazna kot spremembo. Uporabljena kartica ima resolucijo 12 bitov, kar pomeni, da svoje merilno območje razdeli na 2 12 = 4096 delov. Uporabljena kartica ima poleg tega še nastavljivo merilno območje, tako da lahko z nastavitvijo zelo majhnega merilnega območja zaznavamo zelo majhne spremembe merjene veličine Priprava signala Naloga priprave signala je, da poskrbi, da do kartice ne pride večja napetost od 10 V, ker napetost nad 11 V lahko povzroči okvaro ali uničenje kartice. Dodatno pa nekatere vrste signalov potrebujejo tudi napajanje, filtriranje in podobno pripravo, kar se prav tako izvede z namenskimi moduli. Za pripravo signala sta v našem primeru zadolžena merilni modul SCXI-1100, ki je priključen v terminalni blok SCXI Merilni modul omogoča multipleksiranje ali

37 prepletanje do 32 kanalov, kar je potrebno, ker ima kartica samo en kanal za A/D pretvorbo. Tako lahko kartica zaporedno digitalizira več signalov na enem A/D pretvorniku. Modul je nameščen v ohišje SCXI Terminalni blok SCXI-1200 vsebuje vijačne priključke, v katere so pritrjeni vodniki, dodatno pa še tipalo za meritev temperature ki se uporabi za kompenzacijo hladnega člena pri zajemanju vrednosti temperatur termočlenov. Temperaturni signal je reda velikosti nekaj mv, tlačni signal pa nekaj V. Pri hkratnem zajemanju signalov, ki so tako različne velikosti, lahko pride do motenj na strani signala z nižjo amplitudo. Motnjam rečemo ghost effect, pri čemer večji signal vpliva na manjšega oziroma se del večjega prišteje k manjšemu. Posledično je prikaz manjšega signala čisto napačen. Ta efekt je bolj opazen le pri višjih frekvencah zajemanja. Z ločenim zajemanjem signalov različnih redov velikosti se mu lahko tudi pri višjih frekvencah izognemo. 4.9 Izvajanje meritev Goltna karakteristika Goltna karakteristika turbokompresorja predstavlja delovanje turbine proti tlaku okolice, torej je p 4 = p ok. Meritev smo izvajali tako, da smo postopoma dodajali plin. Pri tem je vrtilna frekvenca turbokompresorja naraščala, dokler nismo dosegli polne odprtosti ventila za plin Meritve potencialnega dela PTP Z upravljanjem pretoka goriva (plina) skozi gorilnik lahko krmilimo vrtilno frekvenco turbokompresorja. Z zgorevanjem dovedemo toploto in povečamo temperaturo s T 2 na T 3, kot prikazuje slika 2.2. Med izobarama p3 in p4 (slika 4.6) tako ustvarimo entalpijski padec, ki ob ekspanziji plinov v turbini žene rotor turbokompresorja. S povečanjem dovedene toplote se povečuje tudi temperatura T 3, z njo entalpijski padec in delo turbine, kar poveča vrtilno frekvenco turbokompresorja. Na sliki 4.6 je to razlika entalpij med izobarama p3 in p4 oziroma točkama 3 in 4s. Ob priprtju dušilne lopute za turbino se poveča lokalni tlačni padec, ki ga morajo premagati izpušni plini, tlak za turbino naraste, zaradi česar se zmanjša entalpijska razlika in vrtilna frekvenca. Za zagotovitev enake vrtilne frekvence kot pred dušitvijo je potrebno povečati pretok goriva v zgorevalno komoro, temperatura naraste s T 3 na T 3d, entalpijski padec se poveča in izenači z entalpijskim padcem pred dušenjem - 3 4s =

38 3d 4ds. Preobrazba poteka od 3d do 4ds. Na sliki 4.6 p4d predstavlja povišan tlak zaradi dušenja, razlika tlakov dp pa je na voljo za delovno turbino. Slika 4.6 Dvig temperature pri dušenju Za pridobitev koristnega dela bi bila za trenutno postavljenim turbokompresorjem potrebna še ena turbina, ki bi poganjala električni generator. Ta turbina, ki ji rečemo delovna turbina, bi prav tako kot priprta dušilna loputa (slika 4.7) predstavljala določen padec tlaka, ki bi ga morali produkti zgorevanja po iztoku iz prve turbine premagovati, s čimer bi se pridobivalo koristno delo za pogon generatorja. Shematski prikaz PTP z delovno turbino smo že prikazali na sliki 2.3. Pri odprti loputi za turbino, se entalpija produktov zgorevanja porablja za poganjanje turbokompresorja, tako da koristnega dela turbokompresor ne opravlja. S pripiranjem dušilne lopute (slika 4.7) lahko simuliramo delovno turbino, ki poviša tlak za turbokompresorjem. Tako lahko pri določeni vrtilni frekvenci izmerimo potencialno moč P pot, ki jo lahko ustvarja delovna turbina. Enačba za izračun potencialne moči delovne turbine prikazuje enačba (4.10), pri čemer temperaturo izentropne ekspanzije izračunamo z enačbo (4.11). P pot = m go 4d 5s = m go (T 4d T 5s ) (4.10) T 5s = T 4d p ok p 4d κ 1 κ (4.11)

39 Slika 4.7 Shema PTP z dušilno loputo Za finejšo regulacijo smo naredili pomični mehanizem za pripiranje dušilne lopute. Na mestu, kjer stoji upravljalec postroja, smo naredili navpično konzolo, pritrjeno na mizo. Na tej konzoli je matica, skozi katero je preko navojne palice povezana loputa. Pri upravljalcu je za lažje vrtenje navojne palice privarjeno držalo. Z vrtenjem navojne palice se le-ta približuje ali oddaljuje od upravljalca, pri izpuhu iz turbine pa spreminja pozicijo lopute. Tako je mogoče pozicioniranje lopute z vrtenjem navojne palice koraka 1 mm v veliko točkah. Ročaj se zaradi večje oddaljenosti od izpuha ne segreje toliko, da bi se na njem opekli Problematika zagotavljanja ustreznega pretoka goriva Na obstoječem sistemu dovoda goriva (plina), je gorivo v gorilnik dotekalo s tlakom v plinski jeklenki, zmanjšanim za izgube ter dušenje ventila za uravnavanje pretoka goriva pred gorilnikom. Najvišja dosežena vrtilna frekvenca je bila tako min 1, pri polni plinski

40 Volumski pretok [cm^3/s] jeklenki. Manometer na dovodni cevki za gorivo je takrat kazal 8 bar, ampak je s porabo goriva hitro padel na 6 bar ter nižje. Pri zagotavljanju ustreznega pretoka goriva smo tako naleteli na dva problema problem pretoka goriva zaradi premajhne izvrtine šobe ter problem nizkih tlakov v plinski jeklenki, ko le-ta ni bila več čisto polna, oziroma premajhne intenzitete uparjanja Kontrola pretoka goriva Za šobo za razprševanje goriva smo sumili, da je ozko grlo pretoka plina. Z zrakom in merilnikom pretoka plina smo pri tlakih, ki jih dosega kompresor v laboratoriju, merili pretoke, da bi odkrili, če pri višjih tlakih pred šobo nastopi dušen pretok. Najvišji tlak, ki smo ga lahko dosegel s kompresorjem je znašal 5,5 bar. Med 1 in 5,5 bar smo opravljali večje število meritev pretokov s koraki po 0,5 bar. Pri tem smo ugotovili, da pretoki vseskozi naraščajo, tako da šoba ni bila ozko grlo pretoka plina ter dobili povezavo med tlakom plina pred zgorevalno komoro in pretokom. Rezultati so prikazani na sliki ,240 0,220 y = 0,0341x + 0,038 0,200 0,180 0,160 0,140 0,120 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Tlak [bar] Slika 4.8 Merjenje pretoka skozi šobo Intenziteta uparjanja goriva V jeklenki za plin imamo propan, ki je zaradi visokega tlaka v jeklenki utekočinjen. Kapljevita faza zavzema največ 80% prostornine jeklenke, v preostalem delu je plinasta faza. Pri odprtju ventila na jeklenki oziroma pri porabi plina tlak plinaste faze v jeklenki pada, zaradi česar se spremeni razmerje parcialnih tlakov med kapljevito in plinasto fazo, ki pa

41 mora biti v ravnotežju. Za povrnitev v ravnotežno stanje se nekaj kapljevite faze uplini, dokler ni ravnotežje ponovno doseženo. Za spremembo agregatnega stanja je potrebna energija, ki se odvzema iz notranje energije kapljevite faze, zaradi česar se jeklenka hladi. Pri obstoječem sistemu za dovod goriva je tlak v jeklenki s časom padal, tako da daljši zagoni niso bili mogoči. Za uparjanje se je porabila akumulirana toplota kapljevite faze. Ko se je zaradi tega temperatura kapljevite faze spustila pod temperaturo okolice, je bila potrebna toplota dovedena iz okolice. Z večanjem temperaturne razlike med jeklenko in okolico se je povečeval tudi toplotni tok iz okolice v jeklenko, dokler ni bilo doseženo ravnotežno stanje, pri katerem se je toplotni tok iz okolice v jeklenko izenačil z energijo, ki jo je porabilo uparjanje propana. Tlak propana in s tem pretok goriva pa sta bila pri teh pogojih že zelo nizka. Pri velikem odjemu propana je toplota, dovedena iz okolice premajhna, zato smo želeli potrebno toploto dovesti. Tako bi povišali intenziteto uparjanja, tlak v jeklenki in posledično pretok goriva v gorilnik. Izdelali smo grelno kopel (Ko) za jeklenko (J). V grelniku vode prostornine 80 l z grelnikom moči 2 kw smo segrevali vodo. Bojler smo uporabili kot zalogovnik (Z) segrete vode, od koder je črpalka (Č) po potrebi črpala vročo vodo (H) iz zalogovnika, v zalogovnik pa vračala malce ohlajeno vodo ( C). Temperaturo kopeli smo merili s termočlenom in jo na želeni temperaturi ohranjali z vklapljanjem in izklapljanjem črpalke. Kopel smo izolirali, da ne bi izgubljali preveč toplote. Manometer nam je prikazoval tlak plina v jeklenki p p. Ventil na jeklenki (V j ) je bil ves čas popolnoma odprt, z ventilom pred gorilnikom (V r ) pa smo regulirali pretok goriva v gorilnik. Slika 4.9 prikazuje shemo grelnega bazena z vsemi omenjenimi deli ter prikazanimi lokacijami obeh ventilov. Tako smo s segrevanjem kopeli na 37 v jeklenki dosegli tlake nad 11 bar, kar je povečalo pretok goriva do te mere, da smo dosegli vrtilno frekvenco min

42 Slika 4.9 Shema grelnega bazena

43 5. REZULTATI Meritve smo izvajali v področju vrtilnih frekvenc in min 1. Po začetnem ogrevanju naprave smo pričeli zajemanje osnovnih fizikalnih veličin s pomočjo računalniško podprte merilne aplikacije. Rezultati, ki so se nam izpisovali na čelni plošči v okolju LabVIEW ter se zapisovali v datoteko za nadaljnjo obdelavo, so vidni na sliki 5.1. Slika 5.1 Čelna plošča virtualnega instrumenta Vse vrednosti signalov nihajo. Višje frekvenčna nihanja smo odpravili z povprečevanjem (funkcija mean) v LabVIEW-u med posameznimi zajemi, ki so časovno zamaknjeni za približno dve sekundi. To funkcijo smo uporabili na vseh signalih, ki smo jih zajemali. LabVIEW je podatke, ki so vidni na sliki 5.1, zapisoval v tekstovno datoteko. Med posameznimi zapisi smo dodali znak za tabulator, da je bila vsaka vrednost v svojem

44 Razmerje tlakov p2/p1 predalčku ob odprtju programa Microsoft Excel. Excel smo uporabili za nadaljno obdelavo podatkov, kot so razmerja tlakov, izračun gostot, masnih pretokov, totalnih tlakov ter temperatur in izrisovanje grafov. Vse zajete meritve v isti vrstici so bile izmerjene v istem času, zato so tudi vsi izračuni bili opravljeni samo med vrednostmi v istem časovnem trenutku. 5.1 Goltne karakteristike Rezultati zajetih meritev brez dušenja na izstopu iz turbine so prikazani v nadaljevanju Kompresor 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 0,17 0,19 0,21 0,23 Volumski pretok [m^3/s] Slika 5.2 Diagram odvisnosti stopnje kompresije kompresorja od volumskega pretoka Slika 5.2 prikazuje odvisnost stopnje kompresije kompresorja od volumskega pretoka. Opazimo skoraj linearno odvisnost stopnje kompresije π od volumskega pretoka. Najvišja dosežena stopnja kompresije je π = 3,

45 Temperatura za kompresorjem [C] Stopnja kompresije kompresorja 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5 1, Vrtilna frekvenca [min^-1] Slika 5.3 Prikaz razmerja tlakov v odvisnosti od vrtilne frekvence kompresorja Na sliki 5.3 je prikazano razmerje tlakov kompresorja, ki narašča eksponentno z naraščanjem vrtilne frekvence. Najvišji dosežen nadtlak za kompresorjem je znašal 1,94 bar Vrtilna frekvenca [min^-1] Slika 5.4 Spreminjanje temperature na izstopu iz kompresorja z naraščanjem vrtilne frekvence Na sliki 5.4, ki prikazuje odvisnost temperature za kompresorjem od vrtilne frekvence se vidi naraščanje temperature. Pri posnetem zagonu se vidi tudi časovno odvisno naraščanje temperature vstopnega zraka v zgorevalno komoro. Pri dosegu min 1 smo malce priprli ventil za plin, da se je vrtilna frekvenca znižala, potem pa ga spet postopoma dodajali. Kljub vmesnemu padcu vrtilne frekvence, se je zrak še vedno segreval, kar je verjetno