Vaje - web.fs.uni-lj.siweb.fs.uni-lj.si/lvts/wp-content/uploads/2018/05/... · - v dovodnem rovu ni...

Študijsko gradivo

Hidroenergetski sistemi

Vaje

Avtorja:

Marko Hočevar

Brane Širok

Ljubljana, oktober 2014

LVTS Hidroenergetski sistemi

2

Uvod: Študijski red

Pri predmetu Hidroenergetski sistemi sta tedensko dve uri vaj in sicer vsak drugi teden

štiri šolske ure. Vaje potekajo v laboratoriju v istem terminu kot vaje pri predmetu

Motorji z notranjim izgorevanjem.

Študijski red pri vajah v laboratoriju

Laboratorij LVTS je v stari stavbi, vhod iz dvorišča skozi zelena kovinska vrata, v

nadstropju.

Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Laboratorija za vodne in turbinske

stroje www.fs-uni-lj.si/lvts. Vaje se lahko razlikujejo glede na prejšnjo leto, zato si

morajo študentje pred vsakokratno izvedbo vaje priskrbeti aktualno predlogo za vaje.

Pri vsaki vaji asistent določi skupino študentov, ki so zadolženi za uspešno izvedbo vaje.

Študenti, zadolženi za izvedbo vaje, pred začetkom vaje ostalim sodelujočim študentom

predstavijo vsebino vaje in določijo naloge posameznih študentov. Pri tem skrbijo za to,

da se izmerijo oz. določijo vse spremenljivke, potrebne za analizo.

Laboratorijske vaje potekajo na industrijskih merilnih postajah in z industrijskimi

merilniki. Zato študente prosimo, da skrbijo za varnost pri delu: pri priključitvi

električnih naprav, da ne posegajo v vrteče dele naprav, da opozorijo asistenta na možno

nevarnost npr. zaradi pomankljivo izvedene električne napeljave, vpetja vrtečih naprav

itd. Prav tako morajo študentje pri izvedbi vaje upoštevati, da delo poteka v omejenem

prostoru laboratorija LVTS in da pazijo, da pri delu ne po pomoti ne odrinejo ostalih

študentov v smeri nevarnosti. Vsako nevarnost oziroma nepravilnost morajo študentje

javiti asistentu.

Udeležba pri vajah v laboratoriju je obvezna. Prisotnost na vajah preverja asistent.

Študent mora vsako morebitno odsotnost zaradi zdravstvenih težav javiti asistentu po

elektronski pošti. Študent v primeru odsotnosti pri vajah zaradi zdravstvenih težav po

potrebi v dogovoru z asistentom opravi drugo aktivnost, povezano s predmetom.

Pri vajah izven Fakultete za strojništvo vaje potekajo v dogovoru z zunanjo inštitucijo.

Študentje morajo upoštevati delovni red, ki velja na zunanji inštituciji in upoštevati

navodila skrbnika in asistenta.

Študijske obveznosti

Študent mora za uspešno opravljene vaje sodelovati pri vseh laboratorijskih vajah in

uspešno predstaviti in zagovarjati izbrane vaje na kolokviju ali ustnem zagovoru.


3

Vaja 1. Vodostan

Datum:

1.12.2014

Vaje bodo potekale na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo, Hajdrihova 28, na Katedri

za mehaniko tekočin z laboratorijem.

Uvod

Vodostan je eden izmed ukrepov za zmanjševanje vodnega udara, ki nastane pri zapiranju

zapornega organa oziroma ventila pred turbino. Pri vaji bomo na modelu vodostana

izmerili masna nihanja pri zapiranju ventila. Merili bomo pri dveh različnih hitrostih

zapiranja ventila in pri določenem pretoku in višini.

Slika: Laboratorij za hidravliko, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in

geodezijo. Vodostan je valj na levi sliki, narejen iz pleksi stekla. Na desni sliki je

merilnok pretoka pred vodostanom.

V kleti laboratorija je rezervoar s 60 m3 vode. V zgornji umirjevalnik črpa vodo črpalka z

nazivnim pretokom 50 l/s, ki jo krmiliš preko frekvenčnega pretvornika na steni

laboratorija. Delovno točko nastavi s frekvenčnim pretvornikom tako, da bo v spodnjem

umirjevalniku dovolj vode, da bo del vode odtekal naravnost nazaj v rezervoar v kleti.

Odpri vse ventile, ki so na cevovodu od spodnjega umirjevalnika do trikotnega preliva in

zapri vse, ki vodo usmerjajo na turbino. Za meritve pretoka s trikotnim prelivom moraš

zagotoviti stacionaren pretok preko trikotnega preliva.

Pretok izmeriš preko meritve višine vode pred trikotnim prelivom. Višino vode boš

izmeril na dva načina, z merilnikom tlaka in z ročnim merilnikom višine vode, ki je ob


4

prelivu. Hidravlično priključi merilni pretvornik za tlak, določi višino celice in ga

odzrači. Električna priključitev je že izvedena, če vključiš merilno omarico. Za delo z

ročnim merilnikom višine vode preglej, kakšna je izmerjena vrednost v primeru, da vode

v kanalu ni.

Vodostan

Osnovne lastnosti in pomen vodostana lahko zapišemo z naslednjimi točkami:

- pomen vodostana: pri daljših dovodnih ali odvodnih rovih, dovodni rov je možno

izdelati s tankimi stenami, to pomeni ceneje,

- vodostan je drag objekt,

- v vodostanu so prisotna masna nihanja,

- pomen pri spreminjanju masnega pretoka (zapiranja ventilov) po vgradnji vodostana,

- v dovodnem rovu ni več tlačnega udara, oziroma tlačni udar v dovodnem rovu je v

razmerju presekov dovodnega rova in vodostana,

- v tlačnem rovu je še vedno prisoten vodni udar,

- enostavni vodstan imenujemo vodostan, kjer se presek zvezno spreminja z višino.

Ko zapremo ventil na turbini, se poviša vodna gladina v vodostanu, ker se vanj zliva voda

iz dovodnega rova. Ko doseže gladina vode v vodostanu višji nivo kot v jezeru, začne teči

voda po dovodnem rovu v jezero ali se vsaj pretok v dovodnem rovu zmanjša. Po nekaj

nihajih se pretok in višina ustalita.

tlačnicevovod

jezero

vodostan

turbina

dovodni cevovod

Slika: Shema vodostana. Vodostan se uporablja v primerih elektrarn z akumulacijskim

jezerom, ki je oddaljeno od turbine (velika dolžina dovodnega rova).


5

Slika: Laboratorijski eksperiment, shema. Umirjevalnika toka služita za natančno

nastavljenje višine, ker je gladina zaradi preliva natančno določena.

Slika. Shema postaje, prelivi so izvedeni tako, da se odvišna količina vode prelije iz

notranjega dela umirjevalnika v stranski kanal in se nato po dveh navpičnih rjavih ceveh

pretoči nazaj v rezervoar v kleti. Notranji del umirjevalnika je izveden tako, da se odvišna

voda prelije v manjše kanale na sredi, nato pa po njih v stranski kanal.


6

Qt

z

jezero

reka

turbina

hj

hb hdin hstat

L

ha

- , w -Q

ba w Q, -z

S S z= ( )presekgladina

Fg

Slika: Izpeljava enačb za vodostan, oznake.

Predpostavke, potrebne za izpeljavo enačb

Pri izpeljavi enačb masnega nihanja v vodostanu uporabimo naslednje predpostavke:

- presek )(zSS , to je presek vodostana se po predpostavki zvezno spreminja z višino,

- nestisljivost tekočine oziroma vode je konstantna, = konst,

- v vsakem trenutku je pretok Q v dovodnem rovu enak po celotni dolžini,

- vztrajnost mase vode v vodostanu in tlačnem rovu zanemarimo (majhna masa v

primerjavi z maso v dovodnem rovu),

- kinetično energijo vode v vodostanu zanemarimo, ker so hitrosti nihanja vode v

vodostanu majhne, predpostavimo hidrostatični tlak gh ob vznožju vodostana,

- gladina vode v jezeru se ne spreminja.

V nadaljevanju bomo zapisali dinamično in kontinuitetno enačbo za vodostan. Izpeljava

in poimenovanje spremenljivk sta deloma povzeta po knjigi Hidravlika nestalnega toka,

Rajar R., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana, 1980.

Izpeljava dinamične enačbe

Izhajamo iz Eulerjeve enačbe. Sprememba hitrosti v dovodnem rovu je posledica tlačne

razlike, ki pospešuje tok fluida (drugi člen na desni), in vztrajnosti zaradi masnih sil Fm

(prvi člen na desni, index m pomeni silo na enoto mase). Masne sile Fm so sestavljene iz

sile teže in iz sile trenja.


7

x

pF

dt

dwm

1

Predznak pri tlačnem členu (drugi člen na desni) je negativen, ker tok pospešuje od mesta

z manjšim tlakom (mesto a) k mestu, kjer je tlak večji (mesto b).

trmgmm FFF

sin zapišemo kot razmerje stranic (razmerje višin/L), ker je za majhne kote sin .

Naklon dovodnega rova je večinoma majhen.

L

hhg

m

FF bag

gm

sin

Sila trenja je sorazmerna uporu, torej kvadratu hitrosti oziroma pretoka.

trtr EmgLF

QQQEtr 2

L

QQmg

L

EmgF tr

tr

Absolutna vrednost v gornji enačbi služi za ohranitev predznaka sile trenja. Sila trenja v

gornji enečbi ima pozitiven predznak, ker smo v enačbi za masne sile zapisali trenje z

negativnim predznakom. Silo trenja na enoto mase zapišemo z naslednjim izrazom.

L

QQg

mL

QQmg

m

FF tr

trm

parcialni odvod tlaka po x izrazimo kot razliko tlakov na začetku in koncu dovodnega

rova, razliko tlakov pa zapišemo z višinami

ba

ajbjab hhzL

g

L

hhhzhg

L

pp

L

p

x

p

Vse zgoraj navedene člene vnesemo v Eulerjevo enačbo

L

zg

L

QQg

t

w

L

hhzg

L

QQg

L

hhg

t

w baba


8

spremembo hitrosti nadomestimo s spremembo pretoka

L

zg

L

QQg

t

Q

S

g

L

L

zg

L

QQg

t

Q

S

rov

rov

1

/1

0

QQz

t

Q

gS

L

rov

dinamična enačba za vodostan

Izpeljava kontinuitetne enačbe

Kontinuitetno enačbo zapišemo na podlagi naslednjega razmisleka: pretok na turbino je

enak pretoku skozi dovodni rov minus pretok v vodostan (če se vodostan prazni, je pretok

v vodostan negativen, to pomeni, da je pretok na turbino večji kot pretok skozi dovodni

rov). Qv je pretok skozi vodostan, Qr je pretok skozi dovodni rov, Qt pa je pretok skozi

turbino. Sv je presek vodostana, Sr pa je presek rova.

Z v označujemo hitrost v vodostanu, z w pa hitrost v rovu.

dt

dzv

wSvSQ

QQQ

rvt

vrt

Qt pretok na turbino

Pretok Q v dovodnem rovu spet zapišemo brez indeksa, enako kot pri dinamični enačbi.

Dinamično enačbo prepišemo.

Qdt

dzSQ vt kontinuitetna enačba za vodostan

0

QQz

t

Q

gS

L

rov

dinamična enačba za vodostan

Pretok na turbino spreminjamo z ventilom, torej je pretok na turbino znana

spremenljivka. Neznanki sta pretok v dovodnem rovu in gladina vode v vodostanu.

Q=Q(t) pretok v dovodnem rovu

z=z(t) gladina vode v vodostanu


9

Imamo dve enačbi z dvema neznankama, če ne upoštevamo koeficienta trenja in

geometrijskih izmer.

Začetni in robni pogoji za reševanje sistema enačb

a) začetni pogoj 2

0)0( Qtz

b) levi robni pogoj, višina gladine v jezeru se ne spreminja

hj=konst

c) desni robni pogoj, predpostavimo zapiranje ventila v skladu z naslednjo enačbo

0

0 1T

tQtQt T0 - čas zapiranja ventila na turbini

Merjenje pretoka s trikotnim prelivom

Trikotni preliv je namenjen merjenju pretoka tekočin v odprtih kanalih. Višina vode na

prelivu je merilo za velikost volumskega pretoka. Na sliki sta prikazana trikotna preliva s

kotoma =90° in =45°.

Pretok čez preliv je vsota pretokov skozi infinitezimalno tanke namišljene šrafirane

površine po celotni višini vode H. Ker je višina vode za vsako lego površine različna, je

različna tudi hitrost iztekanja.

Predpostavimo element z višino h na višini h. Trikotni preliv nadomestimo z dvema

pravokotnima trikotnikoma. Širino elementa b zapišemo z naslednjo enačbo.

2tan2

hHb

Površina A šrafiranega elementa na sliki je enaka produktu višine in širine.

hhHA

2tan2


10

Slika: Trikotni preliv, namenjen merjenju pretoka tekočin v odprtih kanalih. Zgoraj preliv

s kotom =90°, spodaj preliv s kotom =45°.

Hitrost iztekanja zapišemo enako kot hitrost iztekanja tekočine iz rezervoarja. Hitrost

iztekanja narašča korensko z višino vode nad površino iztekanja.

ghv 2

Pretok preko infinitezimalno tankega elementa preliva je produkt njegove površine in

hitrosti toka.

hghhHQ

2

2tan2

Če gornji izraz integriramo med h=0 in h=H, dobimo naslednji izraz.

2/5

2/52/5

0

2/32/1

22

tan15

8

5

2

3

22

2tan22

2tan2

Hg

HHgdhhHhgQ

H

Teoretično izpeljan pretok ni natančno enak izmerjenemu, zato uvedemo koeficient

pretoka Cd, tako da je dejanski pretok enak

2/522

tan15

8HgCQ d

.

Trikotni preliv ima prednost pred pravokotnim, saj se pri trikotnem prelivu oblika

prelivnega polja hitrosti (angleško: nappe) relativno malo spreminja. To pomeni, da se s

pretokom Q koeficient pretoka Cd prav tako manj spreminja. S trikotnim prelivom lahko

merimo pretoke v velikem intervalu glede na velikost pretoka.


11

Gornjo enačbo uporabi pri določanju delovne točke pri vaji. Pravo vrednost dodatno

preberi iz slike, ki je obešena na steni in je na sliki spodaj.

Slika. Trikotni preliv (levo) in karakteristika trikotnega preliva (desno).

Naloga

Izmeri masna nihanja v modelu dovodnega kanala v vodno elektrarno. Meritve izvedi pri

dveh različnih hitrostih zapiranja ventila.


12

Opis merilnih mest in merilne opreme

Meritev vsebuje naslednje spremenljivke:

- merjenje višine vode v umirjevalniku toka,

- meritev pretoka vode z elektromagnetnim merilnikom pretoka,

- meritev pretoka vode skozi vodostan na trikotnem prelivu preko merjenja višine vode z

ostnim merilom v stranski komori,

- merjenje tlaka v dovodni cevi s tlačnim pretvornikom, iz česar je možno z upoštevanjem

dinamičnega tlaka izračunati višino vode v vodostanu,

- merjenje zasuka ventila,

- določanje integralnih spremenljivk oziroma dimenzij sistema,

- posnemanje merjenih vrednosti na računalnik.

Višino vode v umirjevalniku toka izmerimo s tračnim merilnikom razdalje. Kot referenco

vzamemo višino v drugem umirjevalniku toka. Pretok med umirjevalnikom toka 1 in 2

mora biti dovolj velik, da se gladina v drugem umirjevalniku toka ves čas meritve ne

spremeni. Na ta način je zagotovljena kostantna gladina vode v zgornji zajezitvi.

Pretok vode na vstopu v vodostan merimo z elektromagnetnim merilnikom pretoka.

Vrednost pretoka se prikazuje na prikazovaniku merilnika in na zaslonu merilnega

računalnika.

Pretok vode na izstopu iz vodostana merimo s 45° trikotnim prelivom za vodostanom

in za ventilom. Pretoka vode ni mogoče meriti elektronsko in ga posnemati z merilno

kartico. Uporabi enačbe, ki smo jih izpeljali zgoraj. Koeficient pretoka Cd bo preberi iz

slike v laboratoriju ali iz slike, ki je predstavljena pri laboratorijski vaji trikotni preliv.

Meritev višine vode izvedi z ostnim merilom v stranski komori,

Tlak v dovodni cevi merimo s tlačnim pretvornikom ABB z obsegom od 0 do 6 bar.

Meritev s tem merilnikom poteka absolutno glede na vakuum. To pomeni, da je potrebno

priključiti le en tlačni priključek. Tlačni pretvornik je potrebno pred meritvijo

odzračiti in določiti njegovo višino.

Merjenje zasuka ventila bomo izvedli s preciznim rotacijskim uporom. Rotacijskemu

uporu se spreminja upornost na sponkah glede na zasuk gredi. Pred meritviji naredi

umeritveno krivuljo za rotacijski upor, zavrti ventil v obe skrajni legi in odčitaj kot.

Integralne spremenljivke so višina vode v zgornjem rezervoarju, pretok, preseki

dovodnega cevovoda in vodostana in čas zapiranja ventila. Pred ali po meritvi določi

dušenje sistema v ravnosvesnem stanju. Pretok izmeri s trikotnim prelivom. Za zapiranje

predpostavi, da je ventil linearen.


13

Posnemanje pretoka pred vodostanom, tlaka in kota zasuka ventila z računalnikom

bomo izvedli s 16 bitno merilno kartico National Instruments in programsko opremo NI

Labview. Merilna kartica je vgrajena v električno omarico na sredi laboratorija, kjer je

vgrajen tudi panelni računalnik. Za frekvenco posnemanja izberi 1 Hz, čas posnemanja pa

izberi po lastni presoji. Programsko opremo bo pripravil asistent.


14

Vaja 2. HE Medvode

Datum 16.12.2013

Vaja bo potekala na HE Medvode.

Uvod

HE Medvode leži nad sotočjem Save s Soro, pri naselju Medvode. Elektrarna deluje z

akumulacijo, ki rabi kot kompenzacijski bazen pri vršnemu obratovanju gorvodno ležeče

HE Mavčiče. Elektrarna obratuje v dnevno-pretočnem režimu in vršno v verigi s HE

Mavčiče v konicah potrošnje električne energije. To pomeni, da HE Mavčiče, ki ima

inštalirano približno dvakrat večjo moč in dnevno akumulacijo, zadržuje vodo ponoči in

tudi sicer v času, ko je potrošnja električne energije majhna. HE Mavčiče v času velike

vršne porabe električne energije deluje z večjo močjo in napolni zajezitev za HE

Medvode. HE Medvode čez dan porablja vodo v zajezitvi.

Jezovna zgradba HE Medvode je kombinirano steberskega-obrežnega tipa. V smeri

matice toka sta dve pretočni polji, ki sta opremljeni z dvojnima tablastima zapornicama z

zajezitveno višino 17,5 m, to je na sredini elektrarne. Prevodnost pretočnih polj je 2400

m3/s. V vsakem od dveh turbinskih stebrih ob obrežju sta nameščeni po ena kaplanova

turbina s skupnim največjim pretokom 142 m3/s z največjo močjo 25 MW in srednjo

letno proizvodnjo72 GWh.

Elektrarna je opremljena z dvema sinhronskima generatorjema nazivne moči 13,5 MVA

in napetosti 6,3 kV. Generatorja sta z zveznimi vodi priključena na 6/110 kV stikališče.

Na lokaciji elektrarne sta tudi center vodenja za vse hidroelektrarne na reki Savi in

vzdrževalni center za verigo hidroelektrarn na zgornji in srednji Savi.

Savske elektrarne razpolagajo z HE Moste, HE Mavčiče, HE Medvode in HE Vrhovo,

poleg tega pa še z dvema malima hidroelektrarnama in tremi sončnimi elektrarnami na

lokaciji velikih HE razen HE Moste.


15

Slika: HE Medvode, levo: elektrarna, desno: pogled z vrha jezu, levo in desno sta iztoka

iz turbin (manjša kanala, ki se polkrožno zaključita), v sredini pa sta dve prelivni polji za

spuščanje vode pri velikih pretokih Save.


16

Opis hidroenergetskega sistema

V nadaljevanju so opisani glavni deli elektrarne in pomožnih sistemov, ki si jih je pri vaji

HE Medvode možno ogledati.

Zajezitev

V zajezitviv HE Medvode se odlagajo usedline, ki jih je mogoče videti z jezu elektrarne

na desni strani za otočkom. Usedline so vidne, kadar je akumulacijsko jezero prazno, to je

zaradi povezave z režimom obratovanja HE Mavčiče običajno zjutraj. Jezovna zgradba je

kombinirano steberskega-obrežnega tipa. Biološki minimum pretoka reke Save znaša 15

m3/s.

Vtok v agregat

Vtok v posamezen agregat je izveden z zobom, ki zadržuje plavje. Zob je visok toliko, da

je spodnji rob vedno potopljen, tudi ko je višina zgornje vode najnižja. Plavje se nato

zbira pred zapornicama. Zob je po en za vsak agregat

Rešetka na vstopu

Rešetka na vstopu ni vidna, je v delu, ki je v prostoru za zobom. Rešetko se očisti

občasno in preprečuje, da bi v turbino priplavali večji kosi, ki jih zob ni uspel zadržati.

Diesel agregat

Diesel agregat služi za zagotavljanje lastne rabe elektrarne v primeru izpada električnega

toka. Moč diesel agregata je 480 kW. Agregat je stalno vzdrževan na delovni temperaturi,

zato lahko doseže polno moč v nekaj 10 sekundah. Z lastno rabo razumemo pomožne

sisteme kot so pogon zapornic, drenaža, zapiranje vodilnika itd. Med vsemi sistemi lastne

rabe je največji potrošnik drenaža. Med obratovanjem je drenaža omejena na drenažo

pokrova turbine. Npr. lastna rabe jedrske elektrarne Krško znaša toliko kot je proizvodnja

vseh elektrarn na Savi.

Akumulatorji

Akumulatorji, ki so nameščeni v akumulatorskem prostoru, podobno kot diesel agregat

služijo za zagotavljanje lastne rabe elektrarne v primeru izpada električnega toka.

Transformatorji za lastno rabo

Transformatorji za lastno rabo služijo pogonu pomožnih naprav. Inštalirani so

transformatorji 6,3 kV/400V.

Hladilni sistem

Hladilni sistem za hlajenje uporablja vodo iz reke Save. Vgrajeni so samočistilni filtri.

Najpomembnejši hlajeni deli elektrarne so transformatorja v stikališču, ležaji turbine in

tesnilka na gredi turbine.

Nadzorni sistem v generatorskem prostoru


17

Nadzorni sistem v generatorskem prostoru omogoča popoln nadzor nad elektarno in

pomožnimi sistemi. Ker je elektrarna vodena iz komandne sobe v zgradbi Savskih

elektrarn Ljubljana d.o.o., služi pri normalnem obratovanju nadzorni sistem v

generatorskem prostoru sobi zgolj za spremljanje delovanja.

Med drugim nadzorni sistem omogoča: nadzor temperature ležajev, tesnenje spodnjega

ležaja pri kapi turbine, drenažo pretočnega prostora, vzdrževanje tlaka v varnostnih

sistemih, za zapiranje in krmiljenje turbinskih naprav, vklop in izklop drenažnih črpalk,

izločanje olja iz drenažnih vod, odčitavanje in nastavljanje trenutnih parametrov turbine

(delovna moč, jalova moč, pretok, padec), spremljanje in regulacija delovanja generatorja

itd.

Hidravlični agregat

Hidravlični agregat je nameščen v generatorskem prostoru in služi za dovod

hidravličnega olja do porabnikov. Hidravlični agregat zagotavlja olje pod tlakom za

hipno zapiranje vodilnika (za regulacijo služi servomotor) v nujnem primeru, ter olje za

zagon gonilnika. Vrteči deli tehtajo približno 120 ton (generator, gred, rotor), dodati pa je

treba še količino vode. Zato pri zagonu s hidravličnim agregatom ustvarimo mazalno

plast med rotorjem in ležajem. V obratovanju mazanje s hidravličnim agregatom ni

potrebno, ležaji so drsni in v olju.

Kompresorska postaja

Kompresorska postaja zagotavlja stisnjen zraka za zaviranje rotorja generatorja pri

zaustavljanju.

Sistem za zapiranje vodilnika

Sistem za zapiranje je nameščen v turbinskem prostoru pod generatorskim prostorom, to

je v delu, kjer je z zgornje strani viden vodilnik na turbinskem pokrovu. Sistem za

zapiranje vodilnika je izveden z dvema servo motorjema s polžnima reduktorjema. V

reduktorja je vgrajen tudi sistem za merjenje pomika reduktorja oziroma zasuka

vodilnika. Iz zasuka vodilnika je možno izračunati ob poznavanju še drugih parametrov

pretok vode skozi turbino. Turbina, ki je nameščena pod turbinskim pokrovom, ni

dostopna, razen z gornje strani, pri čemer je v tem primeru potrebno predhodno z

žerjavom dvigniti oba pokrova, generator in vodilnik, kar se izvede samo v primeru

remonta.

V turbinskem prostoru so tudi klasični kapilarni merilniki temperature in električna

omarica za lastno rabo.

Sistem za merjenje vibracij in opletov

Sistem za merjenje vibracij in opletov neprekinjeno meri vibracije in oplete gredi.

Vibracije se meri z merilniki pospeška na ležajnih ohišjih, oplete gredi pa s hitrimi

induktivnimi zaznavali pomika. Sistem za merjenje vibracij je nameščen v turbinskem

prostoru.

Generator


18

Generator je izdelal proizvajalec Končar in ima 13500 kVA pri nazivni napetosti 6,3 kV.

Generator je nameščen v generatorskem prostoru in je zračno hlajen z dvema vetrnicama,

čeprav so v novejših izvedbah generatorji običajno vodno hlajeni

Zapornice

Zapornice so dvojne kljukaste izvedbe. Delovanje je sledeče: če je pretok Save večji od

največjega pretoka, ki gre lahko skozi oba agregata, se zapornici spustita za ustrezno

višino in omogočita pretok reke Save čez prelivno polje. V kolikor je pretok reke Save

izredno velik, se zapornici popolnoma dvigneta, takrat je pretočno polje pod obema

zapornicama. Zapornici sta ena izmed redkih sistemov, ki so nespremenjeni od postavitve

elektrarne v letu 1953. Zapornici omogočata tudi ročno odpiranje in zapiranje.

Na izstopu so nameščene izstopne zapornice, te omogočajo, da se voda iz turbinskega

prostora lahko izčrpa. Procedura izčrpanja je sledeča: najprej zaprejo vodilnik, nato

potapljač pregleda zapornico v mirni vodi, nato se zapre zgornja zapornica, nato se spusti

voda iz turbine, odpre vodilnik. Ko voda izteče, se zapre še spodnja zapornica in z

drenažnimi črpalkami izčrpa voda iz turbinskega prostora.

Sistem za merjenje višinske razlike med zgornjo in spodnjo vodo

Sistem za merjenje višinske razlike med zgornjo in spodnjo vodo deluje na principu

merjenja tlaka s tlačnim pretvornikom. Dodatno se meri padec tlaka na rešetki na vstopu.

Montažna dvorana

V montažno dvorano se z dvigalom prepelje generator agregatov 1 in 2 za popravilo

predvsem rotorskega dela. Montažna dvorana je pokrita s turbinskim pokrovom, enako

sta pokrita tudi oba agregata.

Stikališče

V stikališču so nameščeni transformatorji 2x110/6kV proizvajalva ETRA 33.

Tnasformatorji so nameščeni v zaprtem prostoru in so tipa GIS (Gas Insulated

Switchyard) s plinom SF6.

Tok, ki teče po daljnovodih je običajno pod 1 A, napetosti pa so visoke.

Naloga

1. S komandne plošče agregatov 1 in 2 v generatorskem prostoru izpiši delovne

parametre: delovno moč, jalovo moč, pretok, padec in največjo razpoložljivo moč.

2. Vpiši delovno točko agregata v školjčni diagram ali diagram indeks testa, ki ga bo

priskrbel operater HE Medvode.

3. Določi iz školjčnega diagrama ali iz diagram indeks testa, če je skupna moč, ki jo oba

agregata dosegata dosegata, največja možna za trenutni skupni pretok in padec. Določi,

kako bi se spremenila skupna moč, če bi trenutni pretok posameznega agregata spremenil

za 5%, to je na prvem agregatu pretok povečal, na drugem pa zmanjšal.


19

4. V kolikor bo mogoče, bo operater elektrarne spremenil moč posameznega agregata,

tako da bo skupna moč elektrarne ostala enaka. Skupno moč določa dispečerski center

glede na trenutne potrebe v omrežju. Elektrarna deluje v okviru svojih možnosti in je na

vedno na razpolago dispečerskemu centru. Določi, za koliko se spremenijo pretoki na

posamezni turbini in skupni pretok. Določi, za koliko se spremenijo izkoristki posamezne

turbine in skupni izkoristek elektrarne.

5. Natančno opiši delovanje vseh delov hidroenergetskega sistema, ki ga tvori HE

Medvode. Pomagaj si z zgornjim opisom hidroenergetskega sistema.

6. Razloži, kako deluje sistem za merjenje pretoka vode skozi turbino.


20

Laboratorijska vaja 3. Meritev karakteristike aksialne

vodne turbine

Datum:

8.12.2014



Uvod

Merjena aksialna turbina je model modelne turbine TC3. Modelna turbina TC3 je ena

izmed študijskih turbin, ki je bila izdelana za elektrarne na spodnji Savi in Muri. Vaja bo

potekala na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo v Ljubljani na katedri za mehaniko

tekočin.

Potrebna predznanja:

- merjenje karakteristike turbinskih strojev,

- preračun delovanja turbinskih strojev s teorijo podobnosti,

- uporaba merilnih pretvornikov za merjenje tlaka,

- uporaba merilnih pretvornikov za merjenje navora,

- uporaba elektromagnetnih merilnikov pretoka,

- merjenje električne moči,

- merjenje vrtilne frekvence.

Merilna postaja

Merilna postaja je odprtega tipa z bazenom v kleti. Tri črpalke črpajo vodo v prvi zgornji

umirjevalni bazen, ki po višini ni nastavljiv, od tam pa gre voda v drugi umirjevalni

bazen. Umirjevalna bazena sta prelivnega tipa, kar pomeni, da odvečna količina vode

steče v bazen v kleti. Umirjevalni bazeni služijo za natančno nastavljenje višine, ker je

gladina zaradi preliva natančno določena. Drugi umirjevalni bazen omogoča ročno

nastavitev višine, s tem simuliramo višino jezera nad višino vodostana.b

Iz drugega umirjevalnega bazena gre cevovod preko ventila v turbino. Ventil je ročno

nastavljiv. Ventil omogoča, da na turbino spelješ vodo direktno iz črpalke ali preko obeh

prej opisanih umirjevalnih bazenov. Iz turbine voda teče v prelivno posodo, iz te pa preko

ventila v bazen v kleti. Višino vode v prelivni posodi nastavljamo z ventilom na

izstopnem cevovodu. Ventil je ročno nastavljiv. Ventil služi temu, da vzdržuje gladino

spodnje vode, sicer se bi lahko zgodilo, da bi se izstopna cev pri majhnih pretokih

izpraznila.


21

Turbina je aksialnega tipa s fiksnim kotom odprtja gonilne lopate in brezdimenzijskim

odprtjem vodilnika. Kot odprtja gonilne lopate znaša 29°, tudi tega ni mogoče

spreminjati. Brezdimenzijsko odprtje vodilnika znaša A0=1,92. Ta točka leži desno od

optimalne točke pri večjih pretokih. Optimalna točka za turbino TC3 je pri kotu odprtja

gonilne lopate znaša 20° in brezdimenzijskem odprtju vodilnika A0=1,84.

Brezdimenzijsko odprtje vodilnika je določeno z izrazom

V

VV

D

ZAA

0 ,

kjer je AV odprtje vodilnika (najmanjša pravokotna razdalja med dvema sosednjima

vodilniškima lopaticama), ZV število vodilniških lopatic in DV premer vodilnika.

Tlačni odjemi so pred in za turbino, gladini zgornje in spodnje vode skupaj z ventilom za

regulacijo pretoka pa definirata padec, ki je na voljo.

Slika. Školjčni diagram turbine TC3.

Turbino zavira trifazni asinhroni elektromotor 400V 0,75 kW, 1500/min z montažo na

prirobnico. Regulacija poteka preko frekvenčnega pretvornika Fuji Frenic Mega FRN

0.75 G1E-4E z močjo 1500 W. Frekvenčni pretvornik ima zunanjo dušilko, chopper in

zaviralni upor. Ohišje je uležajeno, pri čemer ga drži merilna celica za silo tip FUTEK

FSH00251 50 lb na določenem radiju, kar omogoča merjenje navora turbine. Na

ojačevalniku izberi napetostni izhod 0-10V.


22

Elektromagnetni merilnik pretoka ABB Watermaster FEV 111 DN 150 s tokovnim

izhodom 4-20 mA je nameščen na vstopu v turbino.

Merilnik temperature je nameščen na vstopni cevi. Merilnik temperature je uporovnega

tipa Pt 100 s štirižilno priključitvijo. Ojačevalnik je Weidmuller Pro RTD, tip izhoda je

napetostni 0-10V.

V električni omarici je nameščen frekvenčni pretvornik z opremo, napajalniki,

pretvorniki, merilno kartico in procesnim računalnikom. Vsi električni merilniki se

napajajo iz električne omarice. Na dnu električne omarice so sponke, na katerih lahko z

univerzalnim merilnikom preveriš vrednost izhodov iz posameznih merilnikov. Na

notranji strani vrat električne omarice je električna shema, iz katere ugotoviš, katera

sponka ustreza posameznemu merilniku.

Za merjenje vrtilne frekvence imaš na voljo induktivni senzor vrtilne frekvence in

pretvornik Weidmuller WAS Pro Frequency. Induktivni senzor je montiran pri

elektromotorju. Vsi ventili so ročno nastavljivi.


23

Slika. Shema modela cevne turbina na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo, katedra za

mehaniko tekočin. Siva vodoravna črta predstavlja tla, bazen in ventil za regulacijo

nivoja sta v kleti.

Slika. Vstop v turbino- pogled iz dovodne cevi, viden predvodilnik in ležajno ohišje.

Slika. Turbina z odstranjeno sesalno cevjo. Vidna sta gonilnik in vodilnik.


24

Slika. Modelna turbina, laboratorij za FGG, laboratorij za hidrotehniko.

Merilna oprema

Na merilni postaji je na voljo naslednja merilna oprema

- diferenčni tlačni pretvornik ABB 264DS z obsegom 0-6 bar (z možnostjo nastavitve do

min. 0.06bar) za meritev padca tlaka na turbini,

- absolutni tlačni pretvornik ABB 264NS z obsegom 0-6 bar (z možnostjo nastavitve do

min. 0.06bar), tokovni izhod 4-20 mA, za meritev statičnega absolutnega tlaka na turbini,

- elektromagnetni merilnik pretoka ABB Watermaster FEV 111 DN 150 s tokovnim

izhodom 4-20 mA,

- induktivni merilnik vrtilne frekvence turbine s pretvornikom Weidmuller WAS Pro

Frequency,

- uporovni merilnik temperature Pt-100, tip A, štirižilna priključitev, pretvornik

Weidmuller WAS RTD Pro, senzor je montiran na vstopnem cevovodu,

- merilna celica za silo FUTEK FSH00251 50 lb z mostičnim ojačevalnikom Weidmuller

WAS5 Pro Bridge s tokovnim izhodom 4-20 mA ali napetostnim izhodom 0-10V za

merjenje navora,

- merilna kartica, 16 kanalov, 16 bitna ločljivost, National instruments NI USB 6212,

- procesni računalnik z 19" zaslonom na dotik za posnemanje in nadzor meritve.


25

Postopek meritve

Če turbina obratuje z izbrano vrtilno frekvenco, ki jo določi frekvenčni pretvornik, lahko

turbina pri izbrani višinski razliki zgornje in spodnje vode obratuje samo pri določenem

pretoku. Če želiš izmeriti karakteristiko turbine, imaš na voljo dve možnosti

- spreminjaš višinsko razliko med zgornjo in spodnjo vodo in ohranjaš vrtilno frekvenco,

meriš pa pretok skozi turbino, ki se spreminja,

- izbereš višinsko razliko med zgornjo in spodnjo vodo, spreminjaš vrtilno frekvenco,

meriš pa pretok skozi turbino, ki se spreminja. Karakteristiko v tem primeru kasneje

preračunaj na konstantno vrtilno frekvenco, kot je to primer na elektrarni.

Izberi, katero napajalno črpalko boš uporabil. Na voljo imaš tri napajalne črpalke s

pretoki 10 l/s, 20 l/s in 50 l/s. Če izbereš prevelik pretok napajalnih črpalk, se voda iz

prvega umirjevalnika vrne bazen v kleti preko preliva.

Pri meritvi zaradi varnosti ne smeš prekoračiti vrtilne frekvence 500/min.

Naloga

1. Določi delovno točko turbine glede na pretočno in tlačno število.

2. Računalnik z merilno kartico, ki je nameščen v električni omarici, ima nameščeno

programsko opremo za prikaz merjenih vrednosti na zaslonu. Uporabljaj tudi zaslone

posameznih merilnikov, s katerih odčitaj izmerjene vrednosti.

3. Odzrači napeljavo, določi višino turbine in višini tlačnih pretvornikov.

4. Izračunaj pretoke in tlake, ki ustrezajo hidravlični točki, ki jo definirata odprtje

vodilnika in kot rotorskih lopatic.

5. Nastavi frekvenčni pretvornik tako, da bo vzdrževal konstantno vrtilno frekvenco

turbine.

6. Izberi način meritve.

7. Izmeri trenje v ležajih, če turbina deluje v zraku, uporabi merilnik navora. Določi

ročico merilne celice za silo in oceni izgube v ležajih turbine.

8. Izmeri karakteristiko turbine. Karakteristiko podaj kot višino v odvisnosti od pretoka

Upoštevaj vse dinamične tlake in izgube v merilni postaji, zato izmeri postajo, da boš

lahko ocenil izgube. Upoštevaj trenje v ležajih. Pri meritvi karakteristike upoštevaj, pri

približno katerih pretokih deluje turbina. Ne meri pri zelo velikih pretokih, da ne

poškoduješ rotorja turbine.

9. Preračunaj karakteristiko na izvedbo turbine.

10. V poročilu navedi vse nastavitve merilne postaje in merilnih inštrumentov, nariši

shemo eksperimenta, zapiši postopek analize in enačbe za preračun, ter grafično predstavi

rezultate.


26

Laboratorijska vaja 4. Merjenje karakteristike

turbinskega stroja, postaja za merjenje karakteristik

črpalk in kavitacije

Datum

17.11.2014



Uvod

V nalogi je potrebno izmeriti karakteristiko radialnega turbinskega stroja in določiti

področje njegovega delovanja. Pri delu bo uporabljena črpalka KSB Etanorm 50-125.

Črpalka KSB Etanorm 50-125 je namenjena poganjanju tekočine na postaji za merjenje

kavitacije. Na kavitacijski postaji je na mestu, kjer je sicer vgrajen testni del za merjenje

kavitacije iz pleksi stekla, montirana cev. Pred in za testnim delom za kavitacijo sta

vgrajena zapiralna ventila. Za dušenje črpalke uporabljaj ventil, ki je med črpalko in

testnim delom za kavitacijo.

Motor črpalke je priključen na frekvenčni pretvornik Mitsubishi, ki je v kleti ob črpalki.


- uporaba merilnih pretvornikov za merjenje statičnega tlaka,

- osnove merjenja pretoka,

- vpliv tlaka na delovanje črpalk, NPSH.

NPSH

Do kavitacije pride na mestih, kjer je statični tlak manjši kot tlak uparjanja, to pa je na

mestih, kjer je tlak v sistemu nizek, hitrost pa velika. Za črpalke velja

čs NPSHNPSH obratovanje brez kavitacije (NPSHč=NPSHr)

Sistem (razmere v cevovodu) mora zagotoviti dovolj specifične energije, da pogojev za

kavitacijo ne bo (dovolj visok tlak). NPSHč in NPSHr se spreminjata s pretokom črpalke.

kavitacijska rezerva črpalke, NPSHč označuje črpalko, NPSHr je tuj zapis, pomeni

potreben (required), NPSHs označuje sistem.


27

Qk Q

NPSH

NPSHč

NPSHs

območje, v katerem črpalkalahko obratuje

Slika : Območje obratovanja črpalke.

Splošen zapis NPSE in NPSH za turbine in črpalke

V skladu s standardoma ISO 60193 in ISO 60041 je osnovni parameter za opis

kavitacijskega stanja v turbine je neto positivna sesalna energija NPSE. NPSE se nanaša

na sesalno stran turbinskega stroja in je v direktni navezavi s pojavljanjem kavitacije.

NPSE predstavlja razliko med absolutno specifično hidravlično energijo na nivoju 2 (glej

sliko za izbiro merilnih ravnin) in specifično energijo zaradi parnega tlaka pv na nekem

referenčnem nivoju Zref (referenčni nivo ustreza običajno sredini gonilnika turbine ali

črpalke).

Slika. Shematska reprezentacija hidravličnega stroja. Ravnina 1 je vedno nadtlačna in

ravnina 2 podtlačna. Tok teče v smeri puščice za črpalko ali za turbino.

NPSE je potrebno preračunati iz nivoja 2 na referenčni nivo turbinskega gonilnika.

Enačba za NPSE se glasi:

)(2

2

2

2

2

2 ZZgvpp

NPSHgNPSE refvabs

.


28

NPSH oz. neto pozitivna specifična višina, podobno pomeni skupno absolutno neto tlačno

višino na neki referenčni točki z odšteto višino parnega tlaka vode in iztočnimi izgubami.

V razmerju do NPSE jo zapišemo tako, da NPSE delimo z gravitacijskim pospeškom:

g

NPSENPSH .

Slika: Definicija nivojev in padcev v vodni turbini za določitev NPSE in NPSH.

Uporaba NPSH pri vaji

V primeru črpalke in vgradnje, kakršno uporabljamo pri vaji (glej sliko na naslednji

strani), upoštevamo, da NPSE ali NPSH zapišemo za lokacijo vstopa v črpalko, to je za

prirobnico na vstopu:

2

2

22 vppNPSHgNPSE vabs


29

Slika. Določanje NPSE ali NPSH z uporabo Bernoullijeve enačbe. Merilnik statičnega

absolutnega tlaka ne nameščen nad merilno ravnino 0, zato pokaže manjši tlak, to je tlak

na mestu 0, zmanjšan za prispevek višine gH1.

Če uporabimo Bernoullijevo enačbo za v praksi pogost primer z zgornje slike, lahko

predpostavimo, da je kinetična energija vode v ravnini, ki jo označuje točka 0,

zanemarljiva. V točki 0 je bil priključen merilnik absolutnega statičnega tlaka. NPSE ali

NPSH na mestu 0 je od NPSE ali NPSH na mestu 2 manjši za prispevek višine gH in

večji za vsoto izgub (v spodnji enačbi predpostavimo, da je 02

2

0 v

:

izgvp

gHp abs

2

2

220

Bernoullijevo enačbo, uporabljeno za zgornji primer, vstavimo (

2absp) v enačbo za

NPSE in dobimo neto pozitivno sesalno energijo za mesto na vstopu v črpalko, to je na

prirobnici črpalke:

izggHpp

NPSHgNPSE v

0


30

Kot vidimo, v zgornji enačbi odpade člen s hitrostmi. Za p0 je potrebno vstaviti v gornjo

enačbo tlak, ki ga pokaže merilnik statičnega absolutnega tlaka, povečan za prispevek

višine gH1.

Merjenje statičnega tlaka

Za merjenje tlaka imaš na voljo en diferencialni in en absolutni merilni pretvornik.

Absolutni merilni pretvornik meri tlak glede na vakuum, pri atmosferskem tlaku torej

kaže približno 1 bar. Preveri, če so tlačni pretvorniki pravilno priključeni, pred meritvijo

jih odzrači. Merilne pretvornike odzračiš tako, da za nekaj obratov odvijačiš čep na

nasprotnem delu priključka za tlak ter pustiš, da voda iztisne zrak iz cevi, če pa je

pretvornik opremljen z ventilom, odpri ventil. Upoštevaj razlike v višinah, na katerih so

črpalka, priključek za tlak in merilna pretvornika za tlak. Upoštevaj tudi razliko v

vstopnem in izstopnem preseku in na ta način različne hitrosti toka v merilnih ravninah v

skladu z Bernoullijevo enačbo.

Pred izvedbo vaje pripravi protokol meritve v programu Excel, da boš lahko že med

meritvijo izrisal karakteristiko črpalke.

Merilna oprema

Za merjenje pretoka je v postajo vgrajen induktivni merilnik pretoka ABB DL-43F. Za

merjenje tlaka imaš na voljo en diferencialni ABB 2600T (obseg 6 bar) in en absolutni

merilni pretvornik ABB 2600T (obseg 6 bar). Meritve tlaka in pretoka zapisuj ročno v

tabelo v Excelu.

Temperaturo izmeri s pomočjo senzorja Pt-100 in ojačevalnika Agilent 34970A. Uporabi

štirižilno priključitev.

Izkoristek določi glede na merjenje električne moči. Uporabi merilnik električne moči, ki

je vgrajen v frekvenčni pretvornik, za to moraš ustrezno nastaviti kontrolno enoto

frekvenčnega pretvornika.

Sistem za nastavitev tlaka v postaji

Tlak v postaji se nastavlja s priključkom na sistem za stisnjen zrak ali z vakuumsko

črpalko na vrhu zgornjega rezervoarja. Vakuumsko črpalko vključiš s stikalom na

kontrolni omari, premakniti pa moraš tudi ventil na vrhu zgronjega rezervoarja. Ob tem

ustrezno preklopi ventil na vrhu postaje (dovod stisnjenega zraka/vakuumska

črpalka/izklopljeno/odzračevanje)

Pri delu pazi na varnost. Ne stopaj po električnih kablih. V primeru, da se po tleh

polije voda, bodi še posebej pazljiv pri rokovanju z električnimi napravami.


31

Slika. Postaja za merjenje karakteristik črpalk in kavitacije: merjena črpalka je KSB

Etanorm 50-125, induktivni merilnik pretoka ABB DL-43F je vgajen v kleti povsem

zgoraj in se na sliki ne vidi. Spodnji rezervoar služi kot umirjevalna in razplinjevalna

komora. Spodnji rezervoar je s cevjo povezan z zgornjim rezervoarjem. Zgornji rezervoar

ima prosto gladino, da je iz njega z vakuumsko črpalko možno izčrpati zrak.

Naloga

- nariši shemo postaje,

- oceni, če so ključni elementi postaje primerni za meritve (premeri, dolžine ravnih

odsekov na merilnih mestih ...),

- ugotovi, kakšno merilno opremo uporabljaš in kakšna je njena merilna negotovost,

- izmeri temperaturo vode v kavitacijski postaji,

- izmeri karakteristiko črpalke (tlak in izkoristek) pri nastavitvi frekvenčnega pretvornika

50 Hz in tlaku v zgornjem rezervoarju1 bar in še dveh podtlakih, korigiraj izmerjene

vrednosti glede na gostoto in dinamični tlak,

- primerjaj izmerjene karakteristiko med seboj,

- primerjaj izmerjene karakteristiko s karakteristiko, ki jo za črpalko navaja proizvajalec.


32

Laboratorijska vaja 5. Meritev karakteristike

radialnega turbinskega stroja in izdelava karakteristike

družine ventilatorjev

Datum

20.10.2014 (eksperiment) in 3.11.2014 (model)

Uvod

V nalogi je potrebno izmeriti karakteristično krivuljo in izkoristek radialnega turbinskega

stroja za celotno območje pretokov. To pomeni, da je potrebno meritev izvesti s

pomožnim turbinskim strojem. Merili bomo radialni ventilator Rotomatika PX6 130.

Ventilatorji tega tipa so namenjeni uporabi v plinskih pečeh. Imajo možnost regulacije

vrtilne frekvence preko nastavitve PWM regulatorja, pri obratovanju pa se jim močno

spreminja vrtilna frekvenca glede na delovno točko.


- merjenje pretokov z merilniki na principu zastojnega tlaka,

- merjenje statičnih tlakov,

- merjenje vrtilne frekvence,

- merjenje okoljskih parametrov.

Teorija podobnosti turbinskih strojev

Pri teoriji podobnosti pridobimo razumevanje delovanja turbinskih strojev v največji

meri. To je formalna procedura, kjer skupino spremenljivk, ki opisujejo izbran fizikalni

pojav, zmanjšamo ali spremenimo na manjše število brezdimenzijskih skupin

spremenljivk.

Dimenzionalna analiza ima več pomembnih področij uporabe : (1) napoved delovanja

prototipa stroja iz poizkusov, izvedenih na pomanjšanem stroju - podobnost, in (2)

določanje najprimernejšega tipa stroja na podlagi največjega izkoristka, tlaka, pretoka in

vrtilne frekvence, (3) napoved delovanja strojev pri spremenjenem številu vrtljajev ali

gostoti.

Obstaja več metod določanja brezdimenzijskih spremenljivk. Na osnovi logičnega

premisleka in z uporabo Bernoullijeve enačbe lahko določimo eksponente spremenljivk

n, d in za pretok, tlak in aerodinamsko oz. hidravlično moč (tabela).

604

,3

23 nD

Q

nd

Q

pretočno število


33

2

222222

602

,,

nD

Hg

dn

Hg

dn

H

tlačno število

sledi:

- pretok je sorazmeren z vrtilno frekvenco

- tlak je sorazmeren s kvadratom vrtilne frekvence

- moč je sorazmerna s tretjo potenco vrtilne frekvence

Tabela.: Eksponenti spremenljivk n, d in za pretok, tlak in aerodinamsko oz.

hidravlično moč.

spremenljivka pretok tlak aerodinamska,

hidravlična moč

n n n2 n

3

d d3 d

2 d

5

1

Podobna turbinska stoja imata enaki tlačni in pretočni števili.

Merilna postaja

Izberi merilno postajo (mesto vgradnje ventilatorja, mesto dušenja, mesto vgradnje

pomožnega ventilatorja). Mesto dušenja naj čim bolj oddaljeno od mesta meritve pretoka

ali mesta vgradnje merjenega ventilatorja. Kot pomožni ventilator uporabi ventilator

Klima Celje 124 CVX160/4 (stara oznaka, oznaka na motorju) oziroma 104 CVX160/4

(nova oznaka, oznaka v katalogu).

Ventilator pri vgradnji v plinsko peč deluje tako, da sesa zrak iz prostora in ga tlači v

zgorevalno komoro. Testni ventilator naj bo zato v merilno postajo vgrajen na vstopu.

Meritev pretoka in statičnega tlaka

Za meritev pretoka uporabi meritev padca tlaka na zaslonki. Izberi mesta meritve pretoka,

vstavi zaslonko in izmeri pretok preko meritve tlaka. Zagotovi, da bo med merjenim

ventilatorjem in merilnikom pretoka povezava plinotesna.

Meritev statičnega in totalnega tlaka testnega ventilatorja izvedi z električnimi tlačnimi

pretvorniki Endress Hauser z obsegom 0-10 mbar ali 0-100 mbar. Tlačne pretvornike

priključi na merilno postajo s plastičnimi cevkami.

Električna priključitev

Priključi testni ventilator na električno napajanje 230V. Testni ventilator se regulira preko

PWM vmesnika, PWM vmesnik pa se napaja iz omrežja 230 V. Izmeri električno moč z


34

merilnikom električne moči Norma 4000. Pri tem priključi na merilniku moči tok

zaporedno in napetost vzporedno.

Meritev vrtilne frekvence

Izmeri vrtilno frekvenco testnega ventilatorja, za meritev uporabi ročni univerzalni

inštrument Fluke, uporabi izhod iz dajalnika pulzov, ki je že vgrajen v elektromotor

ventilatorja.

Meritev okoljskih parametrov

Izmeri temperaturo in gostoto zraka ter preračunaj izmerjene aerodinamske karakteristike

in izkoristek na gostoto zraka =1,2 kg/m3 in na temperaturo 20°C. Temperaturo zraka

izmeri z ročnim merilnikom temperature, z interneta (www.arso.si) preberi barometrski

tlak, ter za izračun gostote zraka uporabi enačbo, ki vključuje barometrski tlak in

temperaturo.

Naloga

1. Naredi skico meritve in komentiraj izbiro merilne postaje.

2. Izmeri delovno karakteristiko in izkoristek pri nastavitvi regulatorja 100%.

3. Za prikaz izmerjenih vrednosti uporabi standardne diagrame p(V ), za totalni tlak in

statični tlak. Prikaži izmerjene vrednosti glede na dejansko doseženo vrtilno frekvenco.

4. Prikaži izmerjene vrednosti, preračunane na konstantno vrtilno frekvenco.

5. Izračunaj in prikaži moč stroja pri enaki vrtilni frekvenci, če bi se npr. temperatura

toka povišala na 90°C.

6. Navedi in komentiraj algoritme za preračun, ki si jih uporabil v nalogi.

7. Izdelaj diagram karakteristik, kakršen je kot primer za drugo družino strojev naveden

na sliki.

Slika. Ventilator Rotomatika PX6 130 (levo) in PWM regulator (desno).

http://www.arso.si/


35

Slika. Primer karakteristik in moči družine ventilatorjev iz kataloga Izoteh

(http://www.izoteh.si/BlowersFansEnRu.pdf). Pri analizi z Excelom izdelaj podoben

diagram za merjeni radialni ventilator Rotomatika PX6 130.

http://www.izoteh.si/BlowersFansEnRu.pdf


36

Vaja

Črpalka obratuje pri tlaku 1 bar in pretoku 100 m3/h. Za koliko se spremenita pretok in

tlak, če povečamo vrtilno frekvenco rotorja iz 1500 na 1800/min?

hmn

nVV

barn

npp

/120

44,1

3

1

212

2

1

212

Vaja

V optimumu obratuje turbina z 220 kW. Premer venca turbine je 1.3 m, padec je 4.8 m,

vrtilna frekvenca je 1.66/s. Izračunaj pri kateri vrtilni frekvenci obratuje geometrijsko

podobna turbina s premerom venca 0.65 m in padcem 7.5 m. Izračunaj moč podobne

turbine. Izkoristek turbine je 90%.

'

'

1

222215,4

'

''

''

' sH

Hn

D

Dn

nD

H

nD

H

n

n

D

D

Q

Q

nD

Q

nD

Q '''

''

'3

33

49,0''''''

Q

Q

H

H

gHQ

QgH

P

P

49,0' PP =107,4 kW

Vaja

Izračunaj razmerje moči za črpalko in petkrat manjši model D/D'=5, če poznamo

razmerje dobavnih višin H/H'=4 in imata obe črpalki enak izkoristek.

'

'

2222 ''

'

'''

nD

H

nD

H

QgH

gHQ

P

P


37

505

25

'''

5

2

'

'

''''

3

3

22

n

n

D

D

Q

Q

H

H

D

D

n

n

n

n

D

D

H

H

200'''

QgH

gHQ

P

P

Vaja

Model turbinskega stroja premera d obratuje z vrtilno frekvenco n in fluidom gostote .

Podoben stroj premera d' obratuje z vrtilno frekvenco n' in fluidom gostote '. Poiščite

razmerja pretokov Q/Q', energijskih razlik Y/Y' in moči P/P' v primeru, da oba stroja

obratujeta z enakim izkoristkom.

Številčni podatki: d/d'=2, n/n'=0.5 in /'=1.

'

'

4'''

''

'3

33

n

n

D

D

Q

Q

nD

Q

nD

Q

gHQpQP

gHY

n

n

D

D

H

H

nD

H

nD

H

1

'''''

'22

2222

Vaja

Konstruirali smo model centrifugalne črpalke, ki naj bi dal pretok Q=30 l/s pri

specifičnem delu Y=392,4 J/kg in vrtilni frekvenci n=2900/min. Hidravlični izkoristek

črpalke je h =0,84. Računaj, kot da je celotno specifično delo tlačno.

b) kolikšna je moč črpalke,

c) če imamo za testiranje v laboratoriju motor z 7,36 kW, kakšno vrtilno frekvenco bi

imela črpalka pri tej moči,

d) kolikšen bi bil pretok, specifično delo in moč črpalke, ki bi bila za 2 večja od

modela, obratovala pa bi pri enaki vrtilni frekvenci,

e) kolikšna bi bila specifična vrtilna frekvenca dvojne črpalke,

f) kolikšna bi bila specifična vrtilna frekvenca dvostopenjske črpalke.

Rešitev:


38

a)

4

3

2

1

H

nQnq ,

4

3

2

1

)(gH

nQnq

b) QpP , specifično delo in tlak poveži v skladu z Bernoullijevo enačbo

c) ' in '

Q

Q

n

n '' in

Y

Y

n

n ''2

3

3 ''

P

Pnn

d)

2''

''

d

dpp

3''

''

d

dQQ

5''

''

d

dPP

e) pri dvojni črpalki tekočina priteka iz dveh strani

Q'''=2Q

4

3

2

1

2'''

H

Qnn q ,

4

3

2

1

)(

2'''

gH

Qnn q

f) pri dvostopenjski črpalki tekočina teče skozi prvo in skozi drugo stopnjo črpalke

zaporedoma.

p'''=2p

4

3

2

1

2

'''

H

Qnn q ,

4

3

2

1

)2(

'''

gH

Qnn q


39

Vaja

Ventilator obratuje pri vrtilni frekvenci 1750 vrt/min pri volumskem pretoku 4.25 m3/s.

Zgraditi je potrebno večji, geometrijsko podoben ventilator, ki bo dal enak tlak pri vrtilni

frekvenci 1440 vrt/min. Izračunaj volumski pretok večjega ventilatorja.

3nd

Q 21

22dn

Hg 21

2

2

2

2

1

2

1

2

1

1

dn

gH

dn

gH

2

2

2

1

2

1

2

2

n

n

d

d

822,0

1

2

1

1

2 n

n

d

d

3

22

2

3

11

1

dn

Q

dn

Q sm

n

n

n

nQ

d

d

n

nQ

dn

dnQQ /28,6 3

3

2

1

1

21

3

1

2

1

213

11

3

2212

Vaja (EXCEL)

Meritve ventilatorja (tlak, volumski pretok) so bile opravljene pri trenutni gostoti zraka

=1.14 kg/m3 in vrtilni frekvenci n=48.6/s. Preračunaj rezultate meritev na gostoto =1.2

kg/m3 in na vrtilno frekvenco n=50/s.

10

15

20

25

30

35

10 20 30 40 50 60 70

Q (m3/h)

p

st

meritev

preračun na n=50 Hz

preračun na n=50Hz in ro=1.2kg/m3

Vaja (EXCEL)


40

Izmeriti želimo tokovnice skozi sesalno enoto Domel. Radij rotorja je r=0,045 m in

višina kanala rotorja b=0,008 m. Zaradi vrtenja sesalne enote pri zelo veliki vrtilni

frekvenci želimo meritev zvesti z vodo. Izračunaj pretok skozi sesalno enoto in vrtilno

frekvenco sesalne enote, če izbereš tlak 18 cm vodnega stolpca in temperaturo vode

40°C. Pri sobni temperaturi je kinematična viskoznost zraka 1,57·10-5

m2/s, vode pri

sobni temperaturi 9.79E-7 m2/s, vode pri temperaturi 40°C pa 4,78·10

-7 m

2/s. Izračunaj

razmerje Reynoldsovih števil za vse delovne točke. Gostota zraka pri meritvi je znašala

1,164 kg/m3.

vrtilna

frekvenca

pretok tlak

(1/min) (l/s) (kPa)

39232 47,08 2,39

39761 44,31 6,83

41132 37,51 14,77

41941 34,13 17,88

42834 30,04 20,99

44491 23,03 25,01

46730 16,03 28,12

48925 9,7 29,2

51648 4,15 29,13

53634 0 34,48

Vaje - web.fs.uni-lj.siweb.fs.uni-lj.si/lvts/wp-content/uploads/2018/05/... · - v dovodnem rovu ni...

Documents

Transcript of Vaje - web.fs.uni-lj.siweb.fs.uni-lj.si/lvts/wp-content/uploads/2018/05/... · - v dovodnem rovu ni...