Investigația experimentală a curgerii decelerate cu rotație în configurații geometrice cu cot călcâi 90 [302063]

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIȘOARA
FACULTATEA DE MECANICA

DEPARTAMENTUL MAȘINI MECANICE UTILAJE ȘI TRANSPORT

SPECIALIZAREA: MAȘINI ȘI SISTEME HIDRAULICE ȘI PNEUMATICE

LUCRARE DE LICENȚĂ

Coordonator de proiect:

Dr. Ing. [anonimizat]1

Absolvent: [anonimizat]
2017

UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMISOARA

FACULTATEA DE MECANICĂ

DEPARTAMENTUL MAȘINI MECANICE UTILAJE ȘI TRANSPORT

SPECIALIZAREA MAȘINI ȘI SISTEME HIDRAULICE ȘI PNEUMATICE

Investigația experimentală a curgerii decelerate cu rotație în configurații geometrice cu cot călcâi 90°

Coordonator științific: Dr. Ing. [anonimizat]1

Absolvent: [anonimizat]

2017

UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIȘOARA

COLECTIVUL _______________________________

Examen de diplomă și de licență Referent 1.

An______ Specializarea

Sesiunea iunie 2016 Referent 2.

Absolvent _______________________Conducător __________________________

Denumirea lucrării de diplomă___________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

R E F E R A T

ASUPRA PROIECTULUI DE DIPLOMĂ / [anonimizat]:__________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________

[anonimizat], nr. pagini:____________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________ Aprecieri asupra parții desenate __________________________________________

____________________________________________________________________

[anonimizat] _______________________________

____________________________________________________________________

Contribuții originale ___________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Propuneri, completări, modificări, reduceri, etc.______________________________
____________________________________________________________________

Concluzii:____________________________________________________________

____________________________________________________________________

(se poate continua pe verso) [anonimizat] ______________________________ Sesiunea iunie2016

Media anuală Nota conducatorului

REFERAT

ASUPRA PROIECTULUI DE DIPLOMĂ

ABSOLVENT ______________________ conducĂtor ________________________

Tema lucrării de diplomă / disertație ____________________________________________

________________________________________________________________________________

Date generale

Structura proiectului

 obișnuită  de cercetare  de execuție

 bun  foarte bun  cu elemente de originalitate  cu erori de calcul  cu erori de algoritm

3. Utilizarea calculatorului

Programe de biblioteca sau programe speciale de calcul sau simulare.

 nr. Programe soft profesional  nr programe speciale (realizate in catedra)

 nr programe realizate de candidat

4. APRECIEREA PARȚILOR POZITIVE ȘI NEGATIVE (se continua pe verso)

Semnatura conducătorului

DECLARAȚIE DE AUTENTICITATE A LUCRĂRII DE FINALIZARE A STUDIILOR

Subsemnatul _________________________________________________________ ____________________________________________________________________ , legitimat cu ________________seria ________nr. ___________________________, CNP ________________________________________________________________ autorul lucrării ________________________________________________________ _____________________________________________________________________

_____________________________________________________

elaborată în vederea susținerii examenului de finalizare a studiilor de ______

______________________________________organizat de către Facultatea _______________________ ______________________________din cadrul

Universității “Politehnica” din Timișoara, sesiunea ____________________ a anului universitar __________________, luând în considerare conținutul art. 39 din RODPI – UPT, declar pe proprie răspundere, că această lucrare este rezultatul propriei activități intelectuale, nu conține porțiuni plagiate, iar sursele bibliografice au fost folosite cu respectarea legislației române și a convențiilor internaționale privind drepturile de autor.

Timișoara,

Data Semnătura

_______________________ ______________________________

Mulțumiri

Doresc să mulțumesc domnului dr.ing. Constantin Tănase, CS3 de la Institutul de Cercetări pentru Energii Regenerabile (ICER), Universitatea Poitehnica Timișoara, pentru sprijunul în achiziționarea materialelor necesare realizării prelungirilor în cadrul proiectului coordonat de domnia sa cu titlul „Reducerea Curgerii Decelerare cu Vârtej din Difuzoarele Conice Utilizând Jet de Apă Pulsator”, numar proiect PN-II-RU-TE-2014-4.

De asemenea doresc să îi mulțumesc domnului inginer Daniel MOȘ pentru ajutorul acordat în efectuarea coturilor și prelungirilor din cadrul proiectului.

În ultimul rând aș dori să îi mulțumesc domnului inginer Raul SZAKAL pentru ajutorul acordat în efectuarea măsuratorilor din cadrul proiectului.

CUPRINS

Introducere ………………………………………………………………………………………………….9

Turbine hidraulice…………………………………………………………………………………..9

Turbina Francis………………………………………………………………………………………10

Elemente componente ale turbinei Francis………………………………………………10

Tubul de aspirație…………………………………………………………………………………..12

Scopul lucrării……………………………………………………………………………………….13

Standul experimental pentru investigarea curgerilor cu rotație………………………16

Descrierea circuitul hidraulic principal……………………………………………………17

Aparatul de generare și investigare a curgerilor cu rotație………………………18

Secțiunea de testare pentru măsurarea câmpului de presiune…………………21

Configurații ale tubului de aspirație………………………………………………………..22

Configurații intermediare……………………………………………………………..29

Echipamente de masură…………………………………………………………………………31

Concluzii……………………………………………………………………………………………….35

Investigații experimentale a curgerii cu rotație în configurații geometrice cu cot călcâi cc90…………………………………………………………………………………………………..36

3.1. Achiziția semnalelor de presiune……………………………………………………………36

3.2 Achiziția datelor primare…………………………………………………………………………37

Analiza rezultatelor experimentale ale curgerii cu rotatie în configurații geometrice cu cot călcâi cc90………………………………………………………………………39

4.1 Procesarea semnalelor de presiune…………………………………………………………39

4.1.1 Transformata Fourier………………………………………………………………….39

4.1.2 Coeficienții Fourier…………………………………………………………………….40

4.2. Spectre de frecvență………………………………………………………………………………44

4.2.1 Comparație între configurația cu conductă dreaptă vs. cea cu cot călcâi 90 fară prelungiri (cc 90)……………………………………………………………………..45

4.2.2 Comparație între configurația cc 90 fară prelungiri vs. Configurația cu 3 diametre, 5 diametre și 8 diametre………………………………………………………….46

4.2.3 Comparație între configurația cu 8 diametre fară extensie și cea cu 8 diametre și extensie de 300 mm(cc 90)………………………………………………………47

4.3 Concluzii………………………………………………………………………………………………..49

Tehnologia de fabricație a cotului călcâi cc90 și estimarea costurilor de execuție………………………………………………………………………………………………………50

Etapele de realizarea a pieselor………………………………………………………………50

Etapele de realizare a configurației cot călcâi 90̊…………………………………….53

Costul de realizare al configurației cot călcâi 90̊ ……………………………………..56

Concluzii……………………………………………………………………………………………….57

Concluzii……………………………………………………………………………………………………..58

Bibliografie………………………………………………………………………………………………….59

CAP.1 INTRODUCERE

1.1 Prezentarea turbinelor hidraulice.

Turbinele Hidraulice sunt mașini care transformă energina hidraulică a unui fluid în energie mecanică cu ajutorul unu rotor.

Pentru baraje montate pe râuri se utilizează tubina Kaplan sau turbina elicoidală,

specifică căderilor de apa mici și debitelor mari. Rotorul de turbină Kaplan (Fig. 1.1.2) este asemănătoare unei elice de navă, cu diferența că, elicea navei împinge apa înapoi și deplasează nava înainte, în turbina Kaplan apa imprimă elicei mișcarea de rotație. Admisia apei se face printr-un canal de aducțiune inelar, apoi apa este deviată de aparatul director și dirijată în lungul axei rotorului.

Aceste turbine se mai numesc și tubine axiale. Debitul este reglat de aparatul director prin modificarea distanței dintre paletele acestuia, dar și poziția paletelor rotorului poate fii modificată în vederea obținerii unui randament cât mai mare.

Figura 1.1.2. Rotor de turbină Kaplan.

1.2 Turbna Francis

Cele mai mari instabilitați se regăsesc în tubul de aspirație al turbinei Francis. Turbina Francis se încadrează în domeniul de putere cu căderi de apă mijlocii și debite mijloci până la foarte mari. Datorită deviației jetului, perpendicular pe direcția de intrare în turbină, rotorul este pus în mișcare. Distribuitorul din turbina Francis este prevăzut cu palete reglabile, acesta are rolul de a dirija jetul de apă catre rotor și de a regla debitul de apă ce intră în rotor. Canalul de aducțiune care înconjoară turbina este de formă inelară și conduce apa în distribuitor care imprimă apei direcția de curgere favobarilă pentru un randament ridicat. Jetul de apă trebuie să fie distribuit uniform pe întreaga periferie a rotorului pentru a exista un transfer de energie ridicat.

Fig. 1.2.1 Rotor de turbină Francis.

1.3 Elemente componente ale turbinei Francis.

Turbina Francis este o turbină cu reacțiune, ce funcționează în domeniul de căderi mijlocii H=50-600 m și debitelor mijlocii. Turbinele Francis se mai numesc și turbine radial-axiale deoarece apa întră radial în rotor, apoi își schimbă direcția, urmând ca aceasta să iasă din acesta axial. Schema de ansamblu și elementele componente se pot observa în figura de mai jos (Fig.1.3.1):[1]

Figura 1.3.1 Schema turbinei Francis.[1]

Figura de mai sus, după cum se poate vedea, prezintă elemente ale turbinei Francis, dar cele mai importante elemente sunt:

Arborele principal

Camera spirală

Aparatul director

Stator

Rotor

Tubul de aspirație

Arborele principal: are rolul de a transmite energia mecanică de la rotorul turbinei la arborele generatorului. Arborele este o piesă monobloc pe care se disting câteva detalii din punct de vedere functional:

cilindrul arborelui găurit pe toata lungimea lui;

flanșe la ambele capete prevăzute cu găuri prelucrate la toleranța minimă

pentru prinderea turbinei și a arborelui generatorului ;

butucul lagărului pe care freacă pastilele lagărului de ghidare al turbinei ,

prevăzut cu orificii oblice pentru antrenarea uleiului de ungere în lagărul turbinei;

roata dințată pentru antrenarea pendulului și întrerupătoarelor centrifugale.

Camera spirală: are rolul de a conduce și de a distribui în mod uniform apa ce vine din amonte în aparatul director. Camera spirală are urmatoarele elemente componente:

carcasa: are forma de cochilie de melc și este confecționată din table din oțel inoxidabil sudate;

antestatorul: este din oțel turnat, conține un număr de palete care dirijează apa în aparatul director astfel încât turbina să funcționeze la un ramdament ridicat;

gura de vizitare: este prevăzută pentru eventualele reparați ce au loc în interiorul turbinei

racord pentru conducta de evacuare a apei din carcasa spirală în aspirator;

priza de preluare a apei sub presiune.

palete directoare confecționate din oțel inoxidabil turnat, cu profil hidrodinamic simetric;

lagăre superioare;

lagăre inferioare;

ansabluri bielă-manivelă articulate pe o parte cu inelul aparatului director și pe cealaltă parte cu pala aparatului director;

buloane rigidizate de fusele paletelor prin pene și articulate cu manivelele prin intermediul bolțurilor de siguranță.

Statorul: are rolul de a distribui uniform apa în aparatul director și de a rigidiza camera spirală preluând o parte din forțele care acționează în aceasta.

Rotorul: are rolul de tranforma util energia hidraulică disponibilă a apei în energie cinetică, conducând apa prin intermediul aparatului director în tubul de aspirație

Rotorul este compus din:

coroană superioară pe care este montat labirintul superior;

coroană inferioară pe care este montat labirintul inferior;

palele rotorului;

Tubul de aspirație: Are rolul de a conduce apa de la ieșirea din rotor în galeria de fugă și permite recuperarea energiei cinetice dintre ieșirea din rotor și suprafața bazinului aval.

1.4 Tubul de aspirație

Tubul de aspirație are rolul de a recupera o parte din energia cinetică a apei pierdută la ieșitrea din rotor. Tubul de aspirație este compus din trei elemente:

Conul tubului de aspirație (zona a-b)

Cotul tubului de aspirație (zona b-c)

Ieșirea dreaptă divergentă a tubului de aspirație (zona c-d)

Fig 1.4.1 Tubul de aspirație al turbinei Francis

Pentru ca tubul de aspirație să poată recupera o energie cinetică cât mai mare se dorește o înclinație de 8° a conului de aspirație. Datorită faptului că se dorește ca lungimea conului de aspirație sa fie căt mai mică și datorită constrângerilor de proiectare unghiul de înclinare al conului va avea o valoare mai mare. În condițiile în care se află momentan, turbinele hidraulice nu fucționează la un randament optim pentru domeniul în care au fost proiectate. Acest lucru provoacă apariția vârtejului funie. Vârtejul funie, care se produce la debite parțiale dar și la supra sarcină, este caracterizat prin pulsații mari de presiune, propagate pe întreg sistemul hidraulic. Acest aspect are ca efect scăderea randamentului hidraulic.

În cazul în care turbina hidraulică funcționează la debite parțiale, vârtejul funie se deplasează de axa mașinii și produce pulsații de presiune. Cele mai ridicate pulsații de presiune se regăsesc în domeniul de funcționare de 70%.

Funcționarea în domeniul suprasarcinii provoacă o formă cilindrică a vartejului funie cu pulsații mici de presiune pe con.[1]

Fig1.4.2 Forma vârtejului funie și randamentul turbinei funcție de debitul de funcționare și cădere, Jacob[1]

1.5 Scopul lucrării

Prezenta lucrare de licență își propune să investigheze fenomenele nestaționare produse în tubul de aspirație al turbinelor hidraulice. Această lucrare, dorind să extindă cercetările în acest domeniu (cercetări realizate de Mos Daniel în lucrarea sa de licență[10]) prin modificarea tubului de aspirație regăsit actualmente pe standul experimental.

Datorită modului de dispunere a componentelor principale din circuitului hidraulic al standului tubul de aspirație format din cotul amonte respectiv cotul aval se regăsesc la distanțe foarte apropiate unu față de celalalt (neexistand nici un diametru între cele două rezistențe hidraulice locale), din acest motiv pe parcursul lucrarii de licență mi-am propus modificarea acestei componente a standului (tubul de aspirație) prin introducerea de prelungiri avand diferite lungimi astfel încât la finalul acestei lucrarii să se poata trage concluzia dacă decuplarea celor două rezistențe hidraulice locale are vreo influență asupra fenomenului ce se dezvoltă în conul tubului de aspirație.

Pentru investigarea propusă au fost realizate două prelungiri ce au lungimea de 505mm ( 3 diametre), două prelungiri cu lungimea de 850mm (5 diametre) si un cot tip “u” ce face posibilă conectarea conductelor amonte de cele aval. Toate aceste configurații sunt prevăzute cu flanșe la extremități astfel încât acestea să poată fi montate și demontate ușor și tot odată permițând realizarea mai multor variante de asamblare.

De precizat este faptul că deși există două lungimi diferite de prelungiri putem utiliza atât varianta simplă ( cea initială) atunci când cotul amonte este cuplat de cel aval cât și depărtarea acestora cu 3 diametre, 5 diametre respectiv 8 diametre atunci când prelungirile sunt cuplate împreună.

Actuala soluție a fost gândită astfel încat odata cu introducerea prelungirilor respectiv a extensiilor, rezervorul amonte să rămână pe poziția sa initială ne mai fiind necesară deplasarea acestuia practic scurtând timpul necesar montări respectiv demontări configurației amonte de secțiune.

CAP. 2. STANDUL EXPERIMENTAL PENTRU INVESTIGAREA CURGERILOR CU ROTAȚIE

Standul experimental a fost proiectat și realizat [3] pentru studiul curgeri cu vârtej funie și pentru controlul acestuia cu un jet de apă în laboratorul de Mașini Hidraulice. Acest stand experimental cuprinde un circuit hidraulic, acesta avand rolul de a alimenta generatorul de curgere cu vârtej funie. În figura de mai sus este prezentat standul experimental.[1]

2.1. Descrierea circuitul hidraulic

Circuitul hidraulic este compus din urmatoarele elemente:

Rezervorul principal;

Pompa centrifugă;

Rezervor secundar;

Circuit principal;

Debitmetru electromagnetic;

Rezervorul principal: este realizat din oțel inoxidabil, are un volum de , diametrul de ieșire din rezervor find de ø 100 mm. Datorită formei sale paralelipipedice acesta permite ca standul experimental să poată funționa la suprapresiune cât și la depresiune, deoarece rezervorul a fost prevăzut cu nervuri longitudinale și transversale sudate pe acesta. În interior se vor regăsi site pentru uniformizarea apei ce urmează a fi aspirată de pompă.

Pompa centrifugă: această pompă este de tip Grundfos CRNE cu turație variabilă ce permite furnizarea unui debit cuprins între 0…35 l/s, o înălțime maximă de pompare de 65.5 m și o putere absorbită de 15 kW. [1]

Pentru această pompa centrifugă au fost trasate curbele caracteristice și curbele de putere pe bază experimentală iar rezultatele au fost comparate cu cele furnizate de producător. Pentu trasarea acestor curbe s-a modificat turația pompei cu ajutorul unui calculator conectat la sistemul de control al acesteia.

Rezervorul secundar: confecționat din oțel indoxidabil cu formă cilindrică și situat la al doilea nivel al standului experimental cu rol de a uniformiza debitul înainte ca acesta să intre în secțiunea de test.

Circuitul principal: are un diametru de ø 100 mm și este prevăzut cu vane pentru reglarea parametrilor instalației.

Debitmetru elecrtomagnetic: are o precizie de 0.3%, poate măsura debite până la 50 l/s și este amplasat pe circuitul principal. Datorită faptului că nu are piese în mișcare acesta induce piederi hidraulice minime.

2.2.Aparatul de generare și investigare a curgerilor cu rotație.

Acest aparat de generare a curgerilor cu rotație se află montat pe circuitul hidraulic principal și are două elemente principale [4] :

Generatorul de vârtej;

Secțiunea de test care este convergentă-divergentă.

Acesta reprezintă partea principală a standului experimental doarece în zona de test are loc dezvoltarea unei curgeri similară cu cea din avalul unei turbine hidraulice. Conul de aspirație este similar cu cel din turbinele hidraulice având un unghi de 8,5°. Prin urmare este realizată o similitudine geometrică între curgerea din avalul generatorului aflat montat pe standul experimental și curgerea din avalul unei turbine hidraulice de tip Francis. În partea amonte de secțiunea divergentă se gasește o zonă convergentă pentru a amplifica fenomenul din zona divergentă. Această zonă este asemena unu tunel de vant, Doolan [5].

Fig.2.2.1 Generatorul curgerii cu rotație împreună cu secțiunea de testare convergent-divergentă[1]

Elemente componente:

Ogiva;

Bucșa de legătură;

Statorul;

Rotorul;

Duza de injecție;

Ogiva (Fig. 2.2.2) susține întreg ansamblul generator de vârtej. Ogiva a fost proiectată astfel încat în timpul funcționari să nu influențeze curgera și prierderile hidraulice să fie minime. Acest lucru este posibil datorilă inclinației profilelor.

Figura 2.2.2. Vedere 3D și 2D a ogivei [7][10].

Bucșa de legătură (Fig. 2.2.3) confecționată din alamă, face legătura dintre ogivă și duză, cu rolul de a susține cele două paletaje. Datorită unei cote de legatură aceasta ajută la poziționarea paletajului mobil în zona convergentă.

Figura 2.2.3. Vedere 3D și varianta 2D a bucșei de legatură [7][10].

Paletajului fix(statorul) conferă fluidului o curgere similară cu cea din turbinele hidraulice. Este prevazută cu 13 palete fixe si datorită componenetei tangențiale induce o mișcare rotațională. Această mișcare rotațională indusă de paletajul fix (Fig. 2.2.4) este preluată de paletajul mobil.

Figura 2.2.4. Vedere 3D al statorului [7[10]].

Paletajul mobil (rotorul) (Fig. 2.2.5) are rolul de a conferi fluidului la ieșire o curgere similară cu cea de la intrarea din conul tubului de aspirație al turbinelor hidraulice, având un număr de 10 palete ce se rotesc liber, datorită rolului de a redistribui presiunea, acesta a fost proiectat cu metoda inversă în programul TurboDesign de domnul profesor Resiga [19]. Astfel se decelerează curentul la butuc și se accelerează la periferia paletei. Aceste fenomene de decelerare a curentului în zona butucului, respectiv în accelerare în zona periferică, permit ca zona periferică să se comporte ca o pompă datorită excesului de energie specific și zona butucului să se comporte ca o turbină, datorită deficitului de energie specific. La baza proiectării au stat profilele de viteză de la ieșirea din rotorul turbinei investigate în proiectul Flindt de Ciocan [11] pe cale experimentală și Stein [12] pe cale numerică.

Figura 2.2.5. Vedere 3D a paletajului mobil și schema 2D [7],[10].

În figura de mai jos avem ansamblul final al generatorului de curgere cu vârtej.

Fig 2.2.6 Generatorul de curgere cu rotație [1][10].

2.3.Secțiunea de testare.

Secțiunea cilindrică (în care se gasește generatorul de vârtej) și secțiunea convergent-divergentă de plexiglas sunt cuprinse de ansamblul generator. În secțiunea cilindrică se găsesc paletele fixe și rotative. Acestea au un diametru periferic de ø 150 mm, iar lungimea secțiunii de testare este de 300 mm. Partea principală a secțiunii de testare este partea divergentă a acesteia, care reprezintă la o scară redusă conul tubului de aspirație al turbinelor hidraulice. Din metode experimentale s-a dedus că desprinderile nu au loc în cazul în care secțiunea de testare are o formă curbilinie. Având în vedere aceste lucruri, la baza proiectarii secțiunii de testare au stat tunelele aerodinamice de tipul Bell [6] și Doolan [7],[1].

Secțiunea de testare cuprinde 8 găuri pentru montarea traductoarelor de presiune și pe langă acestea mai sunt prevăzute și alte găuri pentru aerisire (prevăzute fiecare cu suruburi). Traductorii de presiune sunt montați doi cate doi pe patru nivele, în parți opuse.

Primul set este montat la gâtul secțiunii de testare, la o distanță de 87 mm față de intrare. Restul sunt montați pe con din 50 în 50 mm.[1]

Fig.2.3.1 Secțiunea de testare [1][10]

2.4 Configurații ale tubului de aspirație

Cotul călcâi la vechi [10] este realizat prin taierea la 45 ̊ a două conducte care ulterior sudate duc la obținerea cotului superior de 90̊ care se continuă spre aval cu un cot lin de 90̊ (Fig. 2.4.1) ce are raza de curbură R=80. Racordarea întregii configurații se face prin flanșe regăsite la ambele capete ale cotului. Această variantă a tubului de aspirație este asemănătoare cu cea regasită într-o centrală hidraulică și din această cauză s-a dorit a fii utilizată în măsurătorile de presiune din cadrul laboratorului de mașini hidraulice.

a) b)

c)

Fig 2.4.1 Vedere 3D a configurației cot călcâi 90̊ (a), secțiune 2D și dimensiunile principale ale configurației cot călcâi 90̊ (b), configurația cot călcâi 90̊ vechi implementată pe standul experimental (c).[ 10]

În urma investigațiilor pe această configurație s-a constatat faptul că datoriă geometriei acesta generează o componentă piston semnificativă. Pentru a determina dacă cotul regăsit în aval influențează pulsațiile de presiune măsurate în secțiunea de test se dorește introducerea unor tronsoane de conductă între cotul superior și cel inferior.

Astfel pentru continuarea studiului cotul călcâi cc 90̊ vechi va fi modificat fiindu-i atașate încă două flanșe ce vor permite introducerea de tronsoane cu diferite lungimi pentru determinarea interacțiunii celor două coturi superior/inferior (noua configurație obținută va fi denumită cot călcâi cc90̊ 2017 ). Astfel actualul cot călcâi 90 2017 va arăta conform figurii 2.4.2

Fig. 2.4.2 a) Cot calâi de 90 2017

c) 2.4.2 Ansamblu cot calcai 90 în vedere 3D d) 2.4.2 Ansamblu cot calcai 90 in vedere 2D

Cele două flanșe atașate cc 90 permit decuplarea coturilor astfel obținandu-se 4 noi configurații.

Prima configurație (cot călcâi fără prelungiri): se compune din cot superior, cot u și cot inferior, astfel configurația obținută și dimensiunile sale principale se pot observa în fig 2.4.3:

a) b)

c)

Fig 2.4.3 a)Cot călcâi cc90-2017 în variantă 3D b) Cot călcâi cc90-2017 în variantă 2D

c) implementarea pe stand a configurației cc 90-2017

A doua configurație a cotului călcâi se compune din cot călcâi superior, tronson 505 mm, cot u tronson 505 mm și cot inferior. Tronsoanele introduse între flanșele cotului având în acest caz o lungime de 2,9 diametre, astfel configurația obținută și dimensiunile sale principale se pot observa în fig 2.4.4:

a) b)

c)

Fig 2.4.4 a) Cot călcâi 3 diametre în variantă 3D,b) Cot călcâi 3 diametre în variantă 2D, c)Implementarea pe stand a configuratiei cu prelungirea de 3 diametre

Cea de-a treia configurație are în componența sa un cot călcâi, tronsonul 850, cot u, tronson 850 și cotul inferior. Astfel această configurație are tronsoane de conductă ce însumează 6.25 diametre. Acestă configurație precum și dimensiunile principale ale acesteia pot fi observate în figura 2.4.5.

Fig a) 2.4.5 Cot călcâi 5 diametre în 3D b) 2.4.5 Cot călcâi 5 diametre în 2D

c)

Fig 2.4.5 a) Cot călcâi 5 diametre în variantă 3D, b) Cot călcâi 5 diametre în variantă 2D, c) Implementarea configuatie cu 5 diametre pe stadnul experimental

A patra configurație este compusă din cot superior, tronson 450, tronson 850, cot u, tronson 450, tronson 850 și cot inferior. Astfel configurația obținută are între cele două coturi tronsoane de conductă ce însumează 8 diametre. Această configurație precum și dimensiunile principale ale acesteia pot fi observate în fig 2.6.

Fig 2.4.6 a)Cot călcâi 9 diametre varianta 3D b) Cot călcâi 9 diametre varianta 2D

c)

Fig 2.4.6 a)Cot călcâi 8 diametre varianta 3D.b) Cot călcâi 8 diametre varianta 2D, c) Implementarea configuatie cu 8 diametre pe stadnul experimental

2.4.1 Configurații intermediare.

Pe lângă configurațiile realizate ale tubului de aspirație au fost realizate două extensii cu scopul de a îndepărta configurațiile din secțiunea de test: una de 100 mm (denumită ex 100) iar cealaltă de 200 mm (denumită ex 200), cu observația că poate rezulta astfel una de 300 mm (denumita ex 300), acestea putând fii montate între secțiunea de test și flanșa superioară a oricarei configurații de mai sus.

Extensile sunt realizate din: două flanșe ca cele menționate mai sus între care se găsește un tronson de conductă de 100 mm, respectiv 200 mm. Aceste extensii fiind realizate în cadrul lucrarii de licență ce poartă numele “Investigație experimentală a câmpului nestaționar de presiune în traseu hidraulic care include o porțiune de curgere decelerată cu rotație”[10] și puse la dispozția mea pentru realizarea măsuratorilor.

a)

b)

Figura 2.4.1.1 Vedere 3D a extensiei de 100mm (a), secțiunea extensiei de 100mm și dimensiunile principale (b)[10].

a)

b)

Figura 2.4.1.2 Vedere 3D a extensiei de 200mm (a), secțiunea extensiei de 200mm și dimensiunile principale ale acesteia (b)[10]

În figura (fig. 2.4.1.3) de mai jos se pot observa cele două extensii montate pe standul experimental, între secțiunea de test și configurația de cot călcâi de 90 cu 8 diametre.

Figura 2.4.1.3 Extensia de 100mm și extensia de 200mm montate pe standul experimental.

2.5 Echipamentele de masură

Traductorii capacitivi de presiune:

Transmit un semnal electric la cutia de măsurare cuprins între 0,1-5 V în funcție de presiunea măsurată.

Deoarece timpul de răspuns al unui traductor este de 5ms rezultă că într-o secundă numărul de eșantionare va fi de 200. Prin urmare s-a ales ca numărul de eșantionare din programul nostru de achiziție de date să fie 256, iar timpul de măsură s-a ales astfel încât numărul total al impulsurilor măsurate să fie egal cu un număr egal cu . S-a ales ca numărul total de impulsuri să fie 2n pentru că din aceste numere se poate determina transformata Fourier rapidă pentru determinarea amplitudinii și frecvenței pulsațiilor de presiune.

Figura 2.5.1. Traductorul de presiune utilizat.

Pentru masurarea fenomenului din secțiunea de testare s-au utilizat următoarele echipamete:

Debitmetrul electromagnetic(Fig. 2.5.2):

are rolul de a măsura debitul de apă din circuitul hidraulic.

este compus dintr-un senzor de debit și un convertor de semnal cu afișiaj LCD.

Senzorul de debit, are diametrul nominal DN80 și are urmatoarele caracteristici:

apa este tipul de fluid vehiculat prin instalație

are un domeniu de măsurare cuprins între 5-10 l/s

precizia este de 0.3% din debit

are o repetabilitate de 0.1% din debit

funcționează la temperatura ambiantă de 0-50°C

presiunea de lucru este cuprinsă între 0-10 bar

Figura 2.5.. Debitmetrul electromagnetic.

Semnalul de ieșire din debitmetru este semnal treaptă cu frecvență variabilă, iar display-ul inclus este de tip LCD cu minim 8 caractere pe rând. Materialul utilizat pentru construcția debitmetrului (oțel inoxodabil) rezistă la coroziunea cauzată de apă. Pentru faptul că semnalul de ieșire din debitmetru este semnal treaptă cu frecvență variabilă, iar placa de achiziție măsoară în tensiune, s-a introdus în schema electrică o rezistență electrică.

Calibrarea debitmetrului s-a efectuat printr-o serie de măsurători citindu-se debitul afișat si numărul de impulsuri pe secundă înregistrat de programul de afișare numerică. (Fig. 2.5.2) [1].

Figura 2.5.3. Punctele de masură și curba de regresie pentru calibrarea debitmetrului electromagnetic [1][10].

Pentru a transforma impulsurile date de debitmetru în valori ale debitului in l/s s-a determinat un coeficient KEM=20.0952.[10]

Placa de achiziție:

Placa de achiziție este achiziționată de la National Instruments, conține 32 de canale de intrare analogice și digitale. Acestea sunt recomandate în special pentru teste, control de aplicații sau analiză de date. Software-ul recomandat pentru interfața de control este LabView.

Programul de comandă are rolul de a prelua toate funcțiile mai sus amintite și a le implementa într-o singură unitate care se ocupă atât de măsurarea tuturor marimilor dorite cât și de a controla debitele instalației. Atât semnalele de intrare cât și de ieșire se leagă la o cutie de joncțiuni reprezentată în Fig. 2.5.4 [1][10].

Figura 2.5.4. Schema cutiei de joncțiuni [1][10]

Este obligatoriu ca pe primul canal de măsură al debitului DI – 0 să fie montat semnalul de la debitmetrul cu turbină de pe traseul secundar, iar pe canalul DI – 1 să fie montat semnalul de la debitmetrul electromagnetic. Este necesar deoarece un semnal este în tensiune iar altul este în curent, iar pentru ca amândouă canalele să aibă intrarile în tensiune pe un canal s-a montat o rezistența cu rol de convertire de curent în tensiune. La rândul ei schema electrică pentru alimentarea traductoarelor, a achiziției de date (Fig.2.5.3), precum și a controlului pompei este următoarea [1]:

Figura 2.5.4. Schema electrică a canalelor cutiei cu joncțiuni [1].

Astfel pentru achiziția de date a traductoarelor de presiune canalul cu numarul 2 este un canal analogic de intrare, pentru comanda turației pompelor este un canal analogic de ieșire, iar pentru măsurarea debitelor pompelor este un canal digital de intrare.

Pentru achiziția de date se folosește un program dezvoltat cu programul LabWiev. Pe lângă programul de achiziție de date mai este un program de prelucrare de date. Astfel în programul prelucrarilor de date se poate salva un fișier de format .txt, în care se află valori ale presiunii achiziționate într-o anumită perioadă de timp, dar și spectrul amplitudinilor funcție de frecvență sau mai bine zis transformata Fourier a presiunii. După ce au fost montate toate cele opt traductoare dar și cele două debitmetre schema de legare se exemplifică în Fig. 2.5.5. de mai jos [1]:

Figura 2.5.5. Legarea la canalele cutiei de joncțiuni [1].

Software-ul de masura:

Software-ul necesar măsurării și controlului este dezvoltat în programul LabView (Fig. 2.5.6.). Este astfel implementat încât se pot regla datele achiziționate pentru presiune, respectiv pentru debit. Pentru presiune sunt inserați pentru fiecare traductor coeficienți ce permit alinierea acestora, dar și pentru a putea scoate datele în diferite unități de măsură. Pentru debit se respectă aceeași metodă, iar prin inserarea unor coeficienți se pot calibra sau regla semnalele emise de cele două debitmetre existente.

Figura 2.5.6. Tabloul de comandă al programului de achiziție de date [1].[10]

Totodată pentru presiune se poate regla timpul de achiziție sau numărul de eșantioane măsurate. Acestea depind de timpul de răspuns al traductorilor montați. Pentru traductorii achiziționați timpul de răspuns este de 5 msec. Prin urmare rata de eșantionare în programul de măsură nu poate depăși 200 de eșantioane. Un subprogram permite salvarea datelor în formatul dorit sau permite analiza spectrului Fourier al semnalului de presiune măsurat, cu vizualizarea instantanee a acestuia. Această analiză instantanee permite utilizatorului să observe dacă măsurătorile efectuate sunt corecte sau ar trebui repetate [1].

2.6 Concluzii

Aparitia fenomenului de curgere cu vârtej are loc în domeniul de putere cu debite paeriale.

Femomenul se manifestă în tubul de aspirație al turbinelor hidraulice, poducând perturbații și în circuitul hidraulic.

Standul experimental cuprinde 5 configurații a cotului călcâi de 90°(cc 90°-2017 fără prelungiri,cc 90°-2017 cu 3 diametre, 5 diametre, 8 diametre și o configurație a cotului cc9-2017 cu 8 diametre și extensie de 300mm)

Secțiunea de testare cuprinde 4 nivele de traductori.

CAP. 3. INVESTIGAȚII EXPERINENTALE A CURGERII CU ROTAȚIE ÎN CONFIGURAȚII GEOMETRICE CU COT CĂLCÂI C90

3.1. Achiziția semnalelor de presiune

Cu ajutorul secțiunii de test, având pe circumferința sa montați opt traductori de presiune care sunt dispuși pe patru nivele (Fig. 3.1.1), se pot determina pulsațiile de presiune în aval de generatorului de vârtej9],.

Traductorii sunt montați:

Primul nivel (MG0) este dispus în zona de gât, conține doi traductori dispuși diametral opus unul față de celălalt.

Nivelul doi (MG1) este dispus la 50mm în aval față de primul nivel, conține doi traductori diametral opuși dar defazați față de nivelul unu cu 90⁰.

Nivelul trei (MG2) este dispus la 100mm în aval față de primul nivel, conține doi traductori dispuși diametral opus si defazați cu 90⁰ față de al doi-lea nivel.

Nivelul patru (MG3) este dispus la 150mm față de primul nivel, traductorii montați diametral opus unu față de celălalt sunt amplasati pe aceași axă generatoare cu traductorii de pe nivelul doi.

Datorită dispunerii astfel a celor opt traductorii ne permitem achiziția de date referitoare la fenomenele ce se dezvoltă la ieșirea din generatorul de vârtej [3].

Figura 3.1.1 Secțiunea de test si dispunerea celor 8 traductori pe 4 nivele [3][10].

3.2 Achiziția datelor primare.

Traductorii de presiune montați pe secțiunea de test sunt de tipul KH-68074-00, produși de fima Cole-Parmer și au urmatătoarele specificații tehnice:

sunt alimentați la o tensiune (aceasta putând varia între 12V-28V) de 12V.

domeniul de temperatură la care poate fi utilizat este cuprins între -40⁰C și +120⁰C.

pot fi utilizați la presiuni cuprinse între -1bar și +1bar.

au un timp de răspuns este de 5 ms.

partea filetată a traductorului (care permite fixarea acestuia pe secțiunea de test) are dimensiunea de ¼”.

au o precizie de măsurare de de ±0.13%.

Prin intermediul plăcii de achiziție care convertește semnalul în tensiune între 0,1 și 5V transmis de aceasta în kPa se ralizează achiziția de date de la traductorii de presiune. Pentru ca această conversie să aibă loc este necesar ca în programul de achiziție să fie introduși coeficienții pentru calibrarea traductorilor

Pentru calibrarea din PSI în kPa avem relația:

-14,7 x 6,8947 = – 101.35209kPa

15 x 6,8947 = 103.4205kPa

Timpul de răspuns al traductoriilor este de 5ms, deci ne rezultă ca într-o secundă numărul de eșantionare va fi de 200, astfel în programul de achiziție numarul de eșantioane ales este de 256, iar timpul de măsură 32 s, este ales încât numarul impulsurilor măsurate să fie un numar egal cu 213 deoarece la rezultatul obținut (8192 esantioane) se va putea determina transformata Fourier rapidă (DFT) pentru determinarea frecvenței pulsațiilor și amplitudinile acestora.

În timpul măsurătorilor de presiune debitul a fost menținut la aceași valoare 30l/s pentru toate tipurile de configurații investigate.

Odată cu încheierea măsurătorilor fișierul obținut pentru prelucrarea datelor conține 11 coloane, prima coloană conține date înregistrate despre debit în l/s, coloana numărul doi înregistrează timpul pe durata a 32 de secunde; acest timp fiind împărțit în 8192 de valori,ultimele 9 coloane conțin informații despre preiune [kPa] care este înregistrată de cei 9 traductori, dintre care 8 sunt montați pe difuzorul conic iar unul este montat deasupra secțiunii de test. O exemplificare a acestui tabel cu datele primare extrase din programul de achiziție ce are in componența sa cele 11 coloane este redată in figura urmatoare (Fig 3.2.1 valori pentru comfigurația cu conductă dreaptă)

Figura 3.2.1 Fișierul cu date primare deschis cu programul Notepad.

CAP.4.ANALIZA REZULTATELOR EXPERIMENTALE ALE CURGERII CU ROTAȚIE ÎN CONFIGURAȚII GEOMETRICE CU COT CĂLCÂI CC90

4.1 Procesarea semnalelor de presiune.

4.1.1 Transformae Fourier

Funcțiile complicate se pot exprima ca serii de puteri, dar nu este singura modalitate în care o funcție poate fi reprezentată, se mai poate exprima și ca sumă de 𝒔𝒊𝒏 si 𝒄𝒐𝒔. O astfel de reprezentare se numește Seria Fourier.

Spre deosebire de seria Taylor, o serie Fourier poate descrie funcții care sunt continue sau diferențiabile.

Avantajele în utilizarea de termeni trigonometrici sunt:

– Ușor de diferențiat si integrat.

– Modulele lor sunt ușor de obținut.

– Fiecare termen conține o singură frecvența caracteristică.

Având o singură frecvența caracteristica seria Fourier este de multe ori utilizată pentru a reprezenta răspunsul unui sistem care are o intrare periodica, iar acest răspuns depinde direct de conținutul de frecvențe de intrare.

Seriile Fourier sunt utilizate într-o mare varietate de situații fizice:

– Vibrațiile unui șir finit.

– Împrăștierea luminii printr-o rețea de difracție

– Transmiterea unui semnal de intrare de a unui circuit electronic

O funcție 𝑓(𝑥) (Fig 4.1.1.1)trebuie să satisfacă următoarele condiții pentru a putea fi extinsă ca serie Fourier. Aceste condiții poartă numele de condițiile Dirichlet

– Funcția trebuie să fie periodică

– Trebuie să fie o valoare singură și continuă exceptând eventuala posibilitate a unui număr finit

– Trebuie să aibe un număr finit de maxime și minime într-o perioadă

– Integrala pe o perioadă 𝑓(𝑥) trebuie să conveargă [8].

Fig. 4.1.1.1 Reprezentarea funcției 𝑓 (𝑥) și perioada (L) a semnalului [8].

În cazul în care condițiile mai sus menționate sunt satisfăcute atunci seria Fourier converge de la 𝑓 𝑥 la toate punctele unde 𝑓(𝑥) este continuă.

Ultimele trei condiții Dirichlet sunt aproape întotdeauna îndeplinite în aplicațiile reale, dar nu toate funcțiile sunt periodice și prin urmare este posibil să nu îndeplinească prima condiție. Se poate reprezenta o funcție non-periodică sub forma unei serii Fourier dacă se poate transforma într-o funcție periodică.

Orice funcție care satisface condițiile Dirichlet poate fi exprimată ca funcție Fourier, pentru a demonsta acest lucru trebuie ca funcția să poată fi exprimată ca o sumă liniară cu termini de 𝒔𝒊𝒏 și 𝒄𝒐𝒔. Nu pot fi utilizați doar termeni în sin deoarece sinusul este o funcție impară (adică o funcție pentru care (𝑓 −𝑥 =−𝑓 𝑥 ).

Dacă exprimăm o funcție f(x) care are o valoare diferită de 0 (zero) pentru x=0 pentru toate valorile lui n nu vom putea reprezenta 𝑓(𝑥) la 𝑥=0 prin serie de 𝒔𝒊𝒏. La fel și pentru 𝒄𝒐𝒔. Toate funcțiile pot fi scrise ca sumă de întreg și parte după cum urmează:

𝑓(x) =

Orice funcție poate fi scrisă ca serie de 𝒔𝒊𝒏 și 𝒄𝒐𝒔.

Toți termenii seriei Fourier sunt ortogonali ceea ce înseamnă că pot fi integrați. pentru toți termeni r și p

𝑟 și 𝑝 sunt numere întregi mai mari sau egale cu zero, aceste formule fiind ușor de integrat.

Seria Fourier a funcției 𝑓(𝑥) este scrisă convențional după cum urmează:

Unde 𝑎0 , 𝑎𝑟, 𝑏𝑟, sunt constante și poartă numele de coeficienții Fourier. Acești coeficienți sunt la fel ca și cei dintr-o expansiune serie de puteri și determinarea valorilor numerice ale acestora este pasul esențial când scriem o funcție ca serie Fourier [8].

4.1.2 Coeficienții Fourier

O serie care îndeplinește condițiile Dirichlet poate fi scrisă sub forma (1) anterioară. Ne propunem să găsim modul în care putem afla coeficienții Fourier pentru orice funcție particulară. Pentru o funcție periodică f(x) din perioada L vom găsi coeficienții Fourier sub forma:

ar= (2)

br= (3)

– Unde 𝑥0 este adesea considerat ca zero sau ca 𝐿/2 (perioadă)

– Factorul 1/2 care apare în termenul 𝑎0 în (1) este inclus și în (2) și poate fi aplicat pentru 𝑟=0 și 𝑟>0

Relațiile (2) și (3) pot fi derivate după cum urmează:

Să presupunem că extinderea seriei Fourier a lui 𝑓(𝑥) poate fi scrisă ca în (1)

prin înmulțirea 𝑐𝑜𝑠 integrând peste o perioadă complexă 𝑥 și schimbând ordinea de însumare și integrare obținem: (5)

Putem găsi acum coeficienții Fourier prin luarea în considerare a formulei (5) ținând cont de faptul că 𝑝 ia diferite valori.

Folosind condițiile de ortogonalitate aflăm că atunci când 𝑝=0 formula (5) devine:

Când p≠0 singurul termen RHS (din partea dreaptă) care nu dispare din formula (5) este atunci când 𝑟=𝑝.

Celălalt coeficient Fourier 𝑏𝑟 poate fi găsit repetând procedeul de mai sus cu precizarea că se înmulțește cu 𝑠𝑖𝑛 în loc de 𝑐𝑜𝑠

Fizic acest lucru ar putea reprezenta intrarea într-un circuit electric care comută între o stare înaltă și una scăzută cu perioada de timp T (Fig.3.3.1.2).

La determinarea coeficienților Fourier observăm că funcția conține numai termeni în 𝑠𝑖𝑛.

Fig. 4.1.1.2 Funcție pătratică de undă [12].

Pentru a evalua coeficienții în 𝑠𝑖𝑛 ne vom folosi de formula (3)

br=

Astfel coeficienții 𝑠𝑖𝑛 sunt zero chiar și în cazul în care 𝑟 =

Seria Fourier pentru unda pătrată poate fi scrisa:

unde 𝜔= și se numește viteză unghiulară [8].

După introducerea datelor brute in Excel acestea pot fi prelucrate astfel încat din semnalele celor 2 traductori aflați pe același nivel pot fi descompuse in două componente una de tip sincron (de tip piston) și o componenetă asincronă (de tip rotativ).

Componeneta de tip sincron se obține cu ajutorul formulei , unde respectivsunt semnalele traductorilor de presiune aflați pe același nivel și dispuși față in față.

Componenta de tip asincron se obține cu ajutorul formulei .

.

În figura 3.2.2 se observă rezultatele obținute după descompunerea semnalului (pentru configurația cu conductă dreaptă)

Figura 3.2.2 Fișierul ce cuprinde atat datele primare cât și datele obținute după descompunerea semnalului.

Rezultatele obținute sunt introduse în qtgrace fig.3.2.3(sau xmgr) program ce permite realizarea transformatei Fourier în urma căreia putem obține spectrul semnalului înregistrat pe standul experimental (Fig. 3.2.4 pentu cazul configurației cu conductă dreaptă). Acest spectru ne ajută la vizualizarea fenomenului (componenta de tip piston și component de tip rotativă) ce are loc la peretele difuzorului conic al secțiunii de test precum și la evoluția acestuia pe măsura ce înaintam de la MG0 la MG3 (Fig. 3.2.5).

Fig.3.2.3 Interfața programului qtgrace

Figura 3.2.4 Spectrul semnalului înregistrat și prelucrat in qtgrace.

Figura 3.2.5 Evoluția componentei de tip piston și rotativ pe cele 4 nivele ale secțiunii de test.

4.2. Spectrele de frecvență.

După explicarea metodologiei de obținere a rezultatelor (Cap. 3) realizate în urma măsurătorilor efectuate pe toate configurațiile realizate atât individual cât și combinate s-au obținut următoarele spectre de frecventă.

4.2.1 Comparație între configurația cu conductă dreaptă vs. cea cu cot călcâi 90 fară prelungiri (cc 90).

Se poate constata în urma rezultatelor obținute că în cazul în care în partea aval a secțiuni de test se introduce cotul cc 90-2017 fără prelungiri apare o componentă de tip piston la frecvența de 8.31 Hz având amplitudinea de 0,25 kPa. Componenta piston apare datorită interacțiuni dintre curgerea cu vârtej si cotul călcâi 90-2017.

4.2.2 Comparație între configurația cc 90 fară prelungiri vs. Configurația cu 3 diametre, 5 diametre si 8 diametre.

Odată cu introducerea prelungirilor de 3 diametre, 5 diametre și 8 diametre între cotul amonte și cel aval se constată că frecvența componentei piston își pastrează valoarea de 8,06 Hz și rămâne constantă pe toate cele 4 nivele. Valoarea amplitudini se modifică odată ce introducem prelungirile de la valoarea de 0,75 kPa (caz fără prelungiri) pâna la valoarea de 0,35 kPa (cazurile cu 3d,5d și 8d).

4.2.3 Comparație între configurația cu 8 diametre fară extensie și cea cu 8 diametre și extensie de 300 mm(cc 90).

În urma rezultatelor obținute se constată faptul că frecvența componentei piston(6,75) se regăsește la 40% din frecvența fundamentală a componentei rotative(17,12) pentru configurația cu extensie de 300mm. Pentru configurația unde există o legatură directă între cot și con (configurația fără extensi) frecvența componentei piston (8,06) este aproximativ 50% din frecvența fundamentală a componentei rorative (16,47). Se observă că introducrea extensiei între con si cotul de 90° conduce la modificarea ponderii dintre frecvența componentei rotative și piston.

4.3 Concluzii

Analizând câmpul nestaționar de presiune a rezultat descompunerea în componente de tip piston (propagată în traseul hidraulic) și rotativ (licalizată în zona conului);

Componenta piston regăsită la aproximativ 8 Hz ( pentru configurația cotului cc90) apare datorită interacțiuni dintre curgea cu vârtej și cot;

Amplitudinea componentei piston este amplificată în cazul în care cotul cc90 este cuplat direct de cotul U;

Amplitudinea/fecvența componentei piston creste/scade dacă între con și cotul cc90 este introdusă extensiea de 300mm.

CAP.5 TEHNOLODIA DE FABRICATIE

(cc 90̊ -2017).

Configurația cc 90̊ este realizată din opt piese care asamblate împreună realizează ansamblul funcțional.

Cele opt piese sunt:

– două flanșe din oțel laminat S 355 ( OL 52 ) având grosimea de 25 mm.

– două flanse din otel laminat S 355 (OL 52) având grosimea de 15 mm.

– două tronsoane de conductă din oțel inoxidabil cu DN 160mm.

– un cot din oțel inoxidabil la 90̊ cu DN 160mm și raza R= 200mm.

5.1. Etapele de realizarea a pieselor.

Se debitează doua flanse din tablă de 25mm utilizând procedeul de debitare oxi-acetilenic pe aparat cu comandă numerică (CNC Pierce RUR 2500) două flanșe care au diametrul exterior de 305mm și diametrul interior de 165mm (Fig.5.1.1) precum si două flanșe din table de 15mm având dimensiunile identice cu cele realizate din table de 25mm.

a) b)

c) d)

e) f)

Fig. 5.1.1 Vedere 3d a flanșei cu grosimea de 25mm proiectate (a), desenul 2d de execuție a flanșelor ce au grosimea de 25mm (b), vedere 3d a flanșei cu grosimea de 15mm proiectate (c), desenul 2d de execuție a flanșelor ce au grosimea de 15mm (d), poza cu cele două flanșe realizate din tablă de 25mm (e) poza cu cele două flanșe realizate din tabla de 15mm (f).

După operația de debitare piesele sunt prelucrate mecanic prin stunjire pe strungul SN 400 deoarece pe acesta piesele pot fi fixate în păpușa mobilă utilizând prinderea exterioară cât și interioară, dar și datorită faptului că permite prinderea pieselor pană la un diametu de 420mm.

Itinerarul tehnologic pe strungul SN 400 este:

Piesa (flanșa) este prinsă din interior și este prelucrată frontal îndepărtându-se 1,5mm din grosimea acesteia ( realizându-se față plană ), după care se prelucrează cota de exterior de la 305mm la 300mm cotă finală.

Marginile exterioare ale piesei sunt teșite simetric la un unghi de 45̊

Piesa este întoarsă cu 180̊ (practic cu partea prelucrată spre păpușa mobilă) și fixată în bacurile strungului utilizând prinderea exterioară de această dată.

Se stunjește frontal si pe această parte îndepărtându-se 1,5mm de material după care se realizează cota interioară a flanșei la 170mm (deoarece piesa care se va îmbina cu flanșa are diamerul de 168,3mm).

Pe suprafața plană a flanșei se realizează trei canale care au rolul de a realiza împreună cu lubrifiantul (vaselină) și garnitura de clingherit etanșarea ansamblului.

Pe partea opusă suprafeței care are cele trei canale pe muchia interioară se realizează o teșitură de 45̊x2mm, necesară ulterior cand flanșa va fi sudată pe tronsonul de conductă.

După încheierea operației de strunjire piesa este montată pe masa mașinii hidraulice de găurit in coordonate x și y (HESSE+CO) pentru realizarea semnelor (punctare) pe un diametru de 204mm concentric cu gaura interioară a flanșei care indică poziția găurilor ce urmează a fi realizate.

Pe mașina de găurit verticală se realizează cele opt găuri necesare prinderii piesei de structurile deja existente pe standul experimental. Realizarea gaurilor se face în trei etape:

în prima etapă se utilizează un burghiu cu diametrul de 6mm în vederea centrării și realizării primelor opt găuri.

în a doua etapă se realizează lărgirea gaurilor deja existente de la diametul de 6mm la diametrul de 12mm.

în etapa a treia se utilizează un burghiu de 18mm în diametru care realizează cele opt găuri la cota finală.

După realizarea celor opt găuri la cota de 18mm în mașina de găurit se montează un burghiu cu diametrul de 26mm cu ajutorul caruia pe ambele fețe ale flanșei se va executa operația de zencuire la cele opt găuri realizate anterior în vederea îndepărtării bavurii și a muchiilor tăioase rezultate în urma operației de găurire muchii care pot provoca accidentări în timpul montajului. Aceste operații se realizează pentru flanșele cu grosimea de 25mm. Pentru flanșele ce au grosimea de 15mm nu se realizeaza operația de stunjire plană (pe nici una dintre fețele flanșelor)

Dintr-o țeavă cu DN 160mm se realizează trei piese de lungime diferită, prima având o lungime de 208mm si tăiată la unul din capete la unghiul de 45̊, cea de a doua piesă având lungimea de 170mm și aceasta tăiată la 45̊ la un capăt iat cea de a treia piesa avend o lungime de 170mm fiind taiată plan la ambele capete.

Operațiile de debitare a celor trei piese din conductă sunt realizate pe un fierastrău mecanic ( BIRLIK ALF 560 ), aparat ce permite realizarea tăieturilor la diferite unghiuri (în cazul nostru la 45̊), cu o precizie ridicată.

Cotul la 90̊ cu R=200mm a fost achiziționat de la o firma de profil (Ital Inox) care comercializează subansamble din oțel inoxidabil pentru instalații industriale.

5.2. Etapele de realizare a configurației cot călcâi 90̊ -2017(cc 90̊).

După realizarea tuturor pieselor și verificarea acestora urmează partea de asamblare, parte care s-a desfașurat în mai multe etape după cum urmează:

Etapa 1.

În prima etapă s-a realizat fixarea celor doua flanșe ce au grosimea de 25mm cu opt șuruburi de metric (M) 16 în pozițiile în care acestea urmau sa rămană pentru a asigura în final funcționalitatea întregului ansamblu. Una din flanșe este fixată de secțiunea de test (flanșa superioră) iar cea de a doua flanșă de conductă aval (flanșa inferioară), conducta care la capatul celelalt este fixată in rezervorul principal al stațiunii de incercare.

Etapa 2.

În a doua etapă în interiorul flanșei inferioare se heftuiește cotul de 90̊ cu raza R=200mm poziționat cu partea liberă spre pompa principală de alimentare a standului experimental, in continuarea acestui cot fiind fixat tot prin heftuire tronsonul de conducta cu lungimea de 170mm ce are ambele capete plane.

În interiorul flanșei superioare se introduce tronsonul de conductă care are lungimea de 208mm iar unghiul tăiat de 45̊ al conductei fiind orientat spre pompa principală a standului experimental. La ambele coturi se verifică cu polobocul orientarea acestora atât față de orizontală cât și față de verticală.

După ce s-a constatat ca piesele fixate sunt poziționate corespunzător se introduce tronsonul de conducta ce are lungimea de 170mm si un capat taiat la 45̊. Capatul tăiat va fi conectat cu celalalt rămas liber al tronsonului de conductă fixat de flanșa superioară.

Etapa 3.

Având toate tronsoanele de conductă fixate prin heftuire (atât la partea superioară cât si la partea inferioară), la capetele rămase libere se fixeaza flanșele ce au grosimea de 15mm acestea fiind verificate cu polobocul în plan vertical pentru a obtine suprafețe paralelele. Tot cu polobocul se verifică și poziționarea găurilor din flanșele ce au grosimea de 15mm astfel ca aceste găuri să fie aliniate câte două pe fiecare flanșă cu generatoaroare a tronsonului de conductă pe care se regăsesc.

Etapa 4

În ultima etapă se demontează configurațiile obținute și se realizează cordoanele de sudură la toate îmbinările rezultate în urma asamblării, cu electrozi de inox din grupa E 308 L, suduri ce trebuie să satisfacă două cerințe importante și anume:

Să asigure o rezistență mecanică suficient de mare deoarece în timpul funcționării configurația va fi supusă la vibrații puternice și presiuni fluctuante în permanență.

Să asigure etanșarea înbinărilor sudate pentru a nu permite lichidului de lucru (apa) să iasă din instalație.

După realizarea sudurilor se verifică cu soluții penetrante de contrast pentru a se vizualiza dacă în timpul sudurii au aparut pori sau defecte care ar putea compromite funcționalitatea configuratiei.

Etapa 5.

După ce întreaga configurație a fost realizată flanșele urmeaza sa fie vopsite deoarece acestea sunt din oțel laminat S 355 material care în contact cu apa se oxidează iar cu timpul ajung să ruginească.

O parte din etapele de realizare a asamblării configurației pot fi observate în Fig.5.2.1.1

(a) (b)

(c) (d)

Fig.5.2.1.1. Vedere 3D a configurației cot călcâi 90̊ (a), schița 2D cu dimensiunile principale (b), sudură realizată pe una din flanșe (c), Configurația cot călcâi 90̊ implementată pe stand (d).

Pentru a obține functionalitatea configurației realizate pe langă cotul cc 90̊ – 2017 au fost realizate 4 tronsoanne de conductă numite prelungiri (denumite pr3d si pr5d) două având lungimea de 505mm și două cu lungimea de 845mm dar și un cot tip U ce oferă posibilitatea conectării atât în mod singular a componentelor cotului cc 90̊-2017 pentru a realiza continuitatea între partea amonte și aval a standului experimental dar în același timp oferă și posibilitatea introducerii de prelungiri (cele menționate mai sus) între cotul cc 90̊ – 2017 si cotul U în vederea obținerii diferitelor tipuri de configurații ce permit realizarea investigațiilor propuse în tema de licență fig.5.2.1.2 .

Fig. 5.2.1.2 Coturile si prelungirile existene

Se menționează faptul că actuala configurație a cotului călcâi cc 90̊ – 2017 permite o flexibilitate mult mai mare decât cea veche deoarece este modulară și în același timp introducerea prelungirilor și a extensiilor (extensii existente) nu necesită deplasarea rezervorului superior.

5.3. Costul de realizare al configurației cot călcâi 90̊ -2017(cc 90̊ ) pe fiecare operație în parte.

Debitarea celor patru flanșe a fost realizată din oțel laminat S 355 la o firma specializată în domeniul confecțiilor metalice la un preț de 5,85 lei/kg. În acest preț s-a plătit și deșeul rezultat în urma debitarii, costul celor patru flanșe ajungând la 325,84 lei deoarece greutatea tablei din care au fost realizate cele două piesele a fost de 35,1 kg pentru flanșele de 25mm si 20,6 kg pentru flanșele de 15mm, timpul în care piesele au fost realizate nu a depașit 15 minute.

Costul aferent prelucrării mecanice pe strungul SN 400 a fost de 67,5 lei/bucată în cazul flanșelor din table de 25mm si 40lei/bucata în cazul flanșelor de 15mm, acest preț a fost stabilit în funcție de timpul în care a fost realizată o piesă, fiind necesară o ora pentru obținerea unei flanșe cu grosimea de 25mm si 40 minute in cazul flanselor de 15mm grosime (la aceste flanșe nefiind necesară operația de strunjire frontală a fețelor). În decursul unei ore de lucru pentru realizarea unei flanșe din tablă de 25mm s-au calculat minutele necesare pentru efectuarea următoarelor operații:

Manipulare, prindere semifabricat și centrare în păpușa mobilă 5 minute.

Fixare cuțit în dispozitiv si reglarea parametilor de strunjire 5 minute.

Strunjire propriu-zisă față plană și diametru exterior 10 minute.

Verificarea zonelor prelucrate (cu comparatorul) 5 minute.

Fixarea piesei în poziția a doua de lucru, centrare pe zona prelucrată, regarea parametrilor de lucru, prinderea cuțitului de interior 10 minute.

Prelucrare propriu-zisă la interior 5 minute.

Prelucrare față plană 10 minute.

Verificarea finală a piesei 10 minute.

Realizarea găurilor (punctare, cele trei faze de găurire si zencuire pe cele două fețe ale piesei) adaugă o valoare de 31,5 lei/piesa la grosimea de 22mm si 17 lei/piesa la flanșele ce au grosimea de 15mm, timpul în care operațiile menționare au fost realizare nu depașește 40 minute pentru fiecare piesă cu grosimea de 22m si 25minute pentru fiecare piesă ce are grosimea de 15mm.

Achiziționarea unei conducte având DN 160mm și o lungime de 1 m a fost de 180 lei, iar debitarea acesteia în 3 piese distincte una cu lungimea de 208mm având un capăt tăiat la 45̊ iar cealalte doua având lungimea de 170mm, una din piese având un capăt tăiat la 45̊ ,aceată operație adaugat o valoare de 13,5 lei/ piesă și a fost necesară acordarea unui timp de 15 minute pentru realizarea fiecărei piese.

Achiziționarea unui cot la 90̊ cu raza R=200mm a costat 90 lei/bucată (fiind necesar un cot de acest fel pentru realizarea configurațiiei CC 90̊).

Heftuirea la poziție a tuturor pieselor a durat apoximativ o oră iar realizarea îmbinărilor sudate, polizare și verificare cu soluție de contrast încă 60 de minute, costul realizării acestei operații fiind de 30 eur.

Pregătirea (degresarea componentelor și acoperirea suprafețelor care nu dorim să le vopsim) întregului ansamblu pentu operația de vopsire a durat 20 de minute, vopseaua 18lei iar timpul în care aceasta s-a uscat 2 ore.

Timpul în care configurația CC 90̊ a fost realizată în întregime depășeste puțin 10,8 ore (apoximativ 650 minute) și aduce un cost total aferent de aproximativ 966 lei (apoximativ 210 eur (la un pret de schimb de 4.6lei/1eur)).

5.4 Concluzii

Pentru realizarea cotului cc90 s-au utilizat două flanse și două tronsoane de conductă;

Pe langă cotul cc 90̊ – 2017 au fost realizate 4 tronsoanne de conductă numite prelungiri;

Flanșele sunt confecționate din otel laminat;

CAP. 6 CONCLUZII

Fenomenul de curgere cu vârtej apare în domeniul de funcționare cu debite parțiale.

Femomenul se manifestă în tubul de aspirație al turbinelor hidraulice, producând perturbații și în circuitul hidraulic.

Standul experimental cuprinde 6 configurații ale tubului de aspirație.

Traductorii sunt montați pe 4 nivele ale secțiuni de testare.

După efectuarea măsurătorilor și compararea rezultatelor se pot trage următoarele concluzii:

Datorită interacțiuni dintre cotul călcâi și a curgerii cu vârtej apar fenomene nestaționare ce se propagă pe întreg traseul hidraulic.

După interpretarea datelor s-a constatat că în cazul configurațiilor cu 3 diametre, 5 diametre și 8 diametre frecvența componentei piston ramâne constantă pe toate cele 4 nivele ale traductorilor.

Introducerea extensiei de 300mm conduce la scăderea valorii frecvenței de la 8,06Hz (pentru configurația cu 8 diametre) la vaoarea de 6,75 Hz( pentru configurația cu extensie de 300mm), dar amplitudinea componentei piston crește de la 0,4 kPa (pentru 8 diametre) la 0,7 kPa (pentru configurașia cu extensie de 300mm).

Bibliografie