Lucrare de licența Dmytro Rozputniak [303807]

Scopul Lucrării

Principalul scop al investigațiilor este creșterea timpului de funcționare fără incidente a pompelor pluviale din sistemele de apa uzata. Soluția din punct de vedere hidrodinamic este diminuarea îmbâcsiri rotorului prin evaluarea influentei cotului de la aspirația pompei care favorizează acumularea de deșeuri si/sau aluviuni. Soluția din punct de vedere mecanic consta in creșterea rezistentei modului de fixare a paletelor in butuc plecând de la evaluarea proprietăților mecanice a buloanelor pana la o tehnologie de rigidizare a paletelor de butuc.

[anonimizat], and life itself.

(Masaru Emoto)

Istoria ne arată o mulțime de dovezi din care se observă o influența apei asupra dezvoltării civilizației umane. Culturile antice au apărut de-a [anonimizat] o [anonimizat].

Aceste teritorii erau situate într-o [anonimizat], [anonimizat], la dezvoltarea economică a popoarelor antice. Dar pentru o dezvoltarea continuă civilizației umane era necesară dezvoltarea aparatelor și mașinilor de ridicat și transportatul apei.

Primele aparate dezvoltate pentru ridicarea apei erau niște unelte de o [anonimizat] o cumpănă o unealtă folosită la scoaterea apei dintr-o fântână. Cumpănă a fost inițial inventată în Mesopotamia antică.

Un alt apărat cu o construcția mai complicată dar și cu o eficienta mult mai ridicată era roată de apa, a fost folosită pentru ridicare apei în canalele de irigare. [anonimizat] o [anonimizat], de-a [anonimizat], care erau făcute impermeabile cu rășină și ceară. [anonimizat].

Grecii antici au realizat că o [anonimizat], dacă axă ei este conectată la un anumit mecanism. Această estimare a [anonimizat] a fost luat. [anonimizat] a roți moară. [anonimizat] „Moara de apa” părea un miracol.

În prezent aparate de vehicularea a [anonimizat]. Aceste aparate poartă numele de „Pompă”. [anonimizat]. Se mai folosesc pompe și în scopuri auxiliare la vehiculare apei industriale și potabile. În agricultura pompele se utilizează în sistemele de irigații și desecări. Un rol foarte important este și alimentarea localităților rurale cu apa potabilă dar și la evacuarea apelor pluviale din aceste zone.

Generalități

Fluidele sunt împărțite in lichide si gaze. [anonimizat]. Gazul, [anonimizat]. Deci o caracteristica importanta a unui fluid este compresibilitate acestuia. O alta caracteristica este vâscozitatea care se manifesta prin rezistenta ori de cate ori doua straturi aluneca unul peste celălalt.

In general lichidele se numesc fluide incompresibile si gaze compresibile, dar cu toate acestea, pentru lichide trebuie luata in considerare compresibilitate numai daca sunt puternic presurizate, iar comprimarea gazelor se poate ignora daca schimbarea presiuni este mica.

Un lichid fără vâscozitate sau compresibilitate este un fluid ideal si inexistent.

Tabel 1. Unități de măsura

Exista doua metode pentru a studia mișcarea fluidului. Prima este metoda care urmărește oricare particulara arbitrara cu schimbări in viteza si accelerație. Aceasta metoda se numește „Metoda lui Lagrange”, cealaltă metoda prim care nu se urmărește o particula particulara ci modificarea vitezei si presiuni in poziția fixa in spațiul x, y, z la timpul t. Aceasta metoda se numește „Metoda lui Euler” in prezent, aceasta metoda este cel mai frecvent folosita si mai eficienta in majoritatea cazurilor.

O curgere care se exprima prin viteza, presiune, densitate, etc.. , in orice poziție dar care nu se schimba in timp se numește o curgere staționara. Curgerea la care acești parametrii se schimba in timp se numește o curgere nestaționara.

Curgere laminara sau turbulenta este exprimata in funcție de numărul Reynolds. Osborne Reynolds a efectuat o mulțime de experimente folosind niște tuburi de sticla cu diametrele de 7, 9, 15, 27 mm si temperatura apei intre 4 si 44°C si a observat ca o curgere laminara se transforma in turbulenta când raportul adimensional:

ajunge la o anumita valoare indiferent de valoarea vitezei, diametrului tubului sau densități si vâscozități, așa s-a născut formula lui Reynolds:

Aceasta valoare este de 2320 stabilită de către Schiller

Noțiuni generale mașini hidraulice

Mașinile hidraulice sunt trecuți in categoria mașinilor de forța. Prin conceptul de mașina se înțelege un ansamblu de mecanisme si elemente mecanice, electrice, chimice, etc. combinate in așa fel încât primind o forma data de energie sa o transforme in lucru mecanic sau in alta forma de energie. Mașinile de forța sunt mașini in care au loc transformări de energie dintr-o forma in alta si in care cel puțin una din formele de energie este de natura mecanica. Deci aceasta arata ca într-o mașina hidraulica au loc transformări energetice in care energia apare cel puțin sub forma mecanica si sub forma hidraulica.

Energia hidraulica este energia pe care o deține un fluid cu o compresibilitate extrem de scăzută(lichid).

Mașini generatoare sunt mașinile de forța care transforma energia mecanica in alte forme de energie. Funcție de tipul agentului purtător de energie reiese ca generatoarele pot fi hidraulice, pneumatice, electrice, termice , etc.

Mașinile de forța care transforma energia unui agent purtător in energie mecanica se numesc motoare, iar aceasta la rândul lor funcție de natura agentului purtător pot fi motoare hidraulice, pneumatice, electrice, termice etc.

Daca agentul purtător de energie este un lichid, adică un fluid cu o compresibilitate extrem de scăzută, atunci vorbim de generatoare sau motoare hidraulice, iar daca fluidul in procesul transferului energetic își modifica sensibil densitate, lucru care se întâmpla in cazul gazelor, atunci avem de-a face cu generatoare sau motoare pneumatice.

Din categoria generatoarelor hidraulice fac parte pompele, iar din categoria generatoarelor pneumatice fac parte suflantele, compresoarele, pompele de vid. Ventilatoarelor cu toate ca funcționează cu gaze, in procesul transformărilor energetice suferă o comprimare neglijabila, astfel ca ele pot fi încadrate in categoria generatoarelor hidraulice.

In categoria motoarelor hidraulice intra turbine si motoarele hidrostatice, iar in categoria motoarelor pneumatice intra turbinele de vânt (eoliene) si motoarele pneumostatice.

O categorie aparte de mașini hidraulice sunt transformatoarele hidraulice. In aceste mașini are loc o dubla transformare energetica si in care cel puțin una din formele de energie este de natura hidraulica. Transformatoarele hidraulice in care dubla transformare energetica are loc in sensul:

Se numesc transmisii hidraulice. Funcție de anumite particularități constructive acestea se numesc ambreiaje hidraulice, convertizoare hidraulice de cuplu, etc. Toate funcționează in circuit închis in sensul ca agentul hidraulic purtător de energie hidraulica este recirculat continuu intre pompa si turbina care intra in componenta lor. Al doilea tip de transformatoare hidraulice realizează dubla transformare energetica in sensul:

Tabelul următor prezinta categoriile, tipurile si subtipurile de mașini hidraulice, precum si relațiile principale de transformare energetica.

Motoare hidraulice se împart in trei tipuri :

Rotile hidraulice

Sunt motoare hidraulice slab dezvoltate, randamentul este scăzut si puterea obținuta mica, la care greutate apei acumulata in cupa creează un moment motor la arbore, sau datorita forței de impuls pe palele expuse pe roata.

Motoare hidrostatice

Sunt utilizate in acționările hidraulice pentru manevrarea supapelor, vanelor…

Turbine hidraulice

Cea mai perfecționata forma a motoarelor hidraulice este a turbinelor hidraulice , unele sunt asemănători pompelor când funcționează reversibil. In general fiind folosite pentru producerea curentului electric, transformând energia hidraulică in energie electrica.

In funcție de principiul de funcționare :

Turbine cu acțiune sau de egala presiune (Pelton).

Turbine cu reacție (Francis, Kaplan, Bulb, Deriaz).

Generatoare hidraulice – in general se numesc pompe, transforma energia mecanica primita la arborare in energie hidraulica, pentru a vehicula fluidul, care primește energia utila.

Transformarea energiei:

– randamentul pompei

Clasificarea Pompelor

In următorul tabel este prezentata clasificarea generatoarelor hidraulice după principul funcțional.

Figură 1. Clasificarea generatoarelor hidraulice. [2]

Pompele volumice – realizează vehicularea fluidelor prin echivalare de volume. Specific acestor mașini este prezenta unor organe de închidere. In timpul funcționarii acestea închid spatii prin care este transportat fluidul din camera de aspirație in cea de refulare.

Câteva exemple din aceasta categorie de pompe sunt:

– Pompa cu inel de lichid.

– Pompa cu angrenaje.

– Pompa cu paleta oscilanta.[2]

Turbopompe – realizează vehicularea fluidului pe baza schimbului de energie turbionara, organul activ al mașinii este rotorul. Odată cu intrarea fluidului in rotor începe procesul transformărilor energetice la turbopompe, pentru ca la ieșire energia cinetica a fluidului sa fie maxima, procesul continua in stator si camera spirala, astfel incit la flanșa de refulare fluidul sa aibă preponderent energie potențiala. Urmărind curgerea fluidului la intrarea si ieșirea din rotor in cazul pompelor centrifuge radiale, aceasta se modifica din direcție axiala către radiala, la pompele de tipul centrifuge diagonale, ieșirea se face pe diagonala, iar la pompele axiale atât intrarea cat si ieșirea au loc in direcția axei pompei.[2]

Pompe speciale. In practica construcțiile obișnuite nu depășesc un număr de 15 etaje. Exista însă si construcții speciale, cum este cazul pompelor verticale folosite in industria petroliera, unde numărul de etaje poate fi mult mai mare, in funcție de înălțimea de pompare necesara. Spre exemplu, pompele cunoscute sub denumirea de pompe REDA au pana la 400 de etaje, atingând înălțimi de pompare de ordinul a 3000 metri coloana lichid. La astfel de construcții însă, diametrul rotoarelor este foarte redus, maximum 80 mm, iar lățimea etajului nu depășește 20-25 mm. Exista însă si alte categorii de pompe, al căror principiu de funcționare se bazează pe utilizarea unui fluid motor-apa, aerul, aburul –dar domeniul de utilizare al acestora este limitat la scopuri speciale: irigații cu caracter local, asanări, deznisipări de puțuri, etc

Clasificarea Turbopompelor

Turația specifica si turația caracteristica sunt folosite pentru a caracteriza turbomasinile. Turația specifica se definește ca fiind turația unei turbine care sub acțiunea unei căderi de 1m, dezvolta o putere la arborele mașinii de 1 CP.

Formula pentru turația caracteristica:

turația specifica (adimensional).

turația caracteristica (adimensional).

turația rotorului pompei (rpm).

debitul in punctul de funcționare optima ().

înălțimea de pompare in punctul de funcționare (m).

presiune totala in punctul de funcționare (Pa).

Formula pentru turația specifica:

In figura următoare este prezentat modul in care se modifica geometria pompei cu creșterea turației specifice.

Figură 5. Evoluția geometriei pompei funcție de turație specifica

Concluzii

A fost identificata clasa de pompe care o sa se folosească in continuare, mai exact o pompa de tip – axiala :

Flygt PL7121 595N4 400Kw (Suedia)

Parametri

Table 1. Parametri pompei

Scopul si domeniile de utilizare

Sunt folosite pentru transportul volumelor mari de apa, conținând rezidiri si fibre. Sunt utilizate la pomparea apelor uzate in situațiile de urgenta, in agricultura si in alte domeniile care necesita evacuare apei la debite mari.

Caracteristici

Arborele si elicele sunt fabricate din materiale rezistente la coroziune. In funcție de conținutul de cloruri si temperaturi apei, pompele pot fi echipate cu anozi de zinc si pârțile metalice umede pot fi acoperiți cu diferite vopsele.

Deci prezinta domeniul de interes pentru investigațiile următoare…

3 Descrierea domeniului de studiu

3.1 Stația de epurare „Stan Vidrighin” a municipiului Timișoara

Sursa : Articol publicat de Crenguța Radosav pe www.aquatim.ro

http://www.aquatim.ro/aquastiri/2017/10/26/statia-de-epurare-a-timisoarei-de-la-idee-revolutionara-la-certitudine-moderna/

Stația de epurare a orașului Timișoara a fost proiectata si construita de inginerul Stan Vidrighin, aceasta stația era printre primele din Romania. În anul 1909 au început primele lucrări de construcție si in anul 1912 pe 26 octombrie stația a fost pusa in funcțiune. Debitul maxim prelucrat era de 570 l/s, cea ce înseamnă ca pentru acea perioada este o cifra remarcabila si din punct de vedere ingineresc ci si din partea de management de proiect.

Obiectul care a fost amplasat primul, chiar după unirea celor doua colectoare de pe malul stâng si drept al râului Bega, a fost deversorul, in care apele pluviale si apele uzate menajere treceau printr-un proces de separație. După trecerea de grătarele rare, erau trimise spre procesul tehnologic. După epurare, aceste ape erau evacuate in Bega. Daca debitul de apa depășea valoarea nominala care putea fi prelucrata, in general produs de ploi torențiale, apele pluviale se pompau in Bega prin intermediul a trei pompe centrifuge acționate de mașini cu aburi.

Extinderea stației la capacitatea de 1000 l/s a fost realizata in anul 1968. Cerințele legate de protecția calității emisarului pe lângă dezvoltarea treptei mecanice de epurare au impus si realizarea unei trepte biologice. Îmbunătățiri au atins si stație de pompare mai exact s-a construit o stație noua de pompare pentru ape pluviale, prevăzută cu deversor. Capacitatea de refulare apei in Bega era de 14000 l/s

In anul 2000, Aquatim a identificat in programul ISPA o oportunitate de finanțare pentru reabilitarea tehnologiei de tratare a apelor uzate din Timisoara, prin urmare calitatea efluentului sa respecte standardele europene prevăzute in Directiva privind apele uzate urbane. Programul a avut un buget total de peste 45 de milioane de euro, din care 70 % din fonduri au fost nerambursabile. Circa 30 de milioane de euro din valoarea totala au fost alocate pentru reabilitarea stației de epurare.

Sursa :material sebi „evaluarea soluției in situa 2016”

In ani 2009-2011 stația de epurare a Municipiului Timisoara a fost reabilitata, in martie 2011 era pusa in funcțiune, pe motiv ca era dimensionata pentru 440,000 locuitori echivalenți. Investiție totala in suma de 28 milioane de euro si a avut ca proiectant-constructor PWT Wasser and Abwassertechnik GmbH Germania. Numărul total de locuitori ai Municipiului Timisoara , aproximativ 350000 locutori, dintre care 97% sunt conectați la sistemul de canalizare al orașului, sistem de canalizare descarcă in stația de epurare a orașului.

Surplusul de apa, cu metoda folosita si in trecut dar cu tehnologia mai noua, este vehiculat cu cele 7 pompe de apa uzata de producție Flygt PL7121 595N4 400kW, pompe pluviale ce fac obiectul acestei lucrări de licența. Rolul pompelor pluviale este critic cu motiv ca protejează stația de epurare la inundarea acesteia făcând-o nefuncționala pentru asigurarea serviciilor pentru populație.

Pornirea pompelor se realizează cu soft starter pentru a asigura o pornire fără șocuri in rețea astfel încât protejând rețeaua electrica la vârfurile de curent. Pentru o eficienta mai buna pompele se pornesc pe rând in funcție de nivelul apei, prima pompa se pornește la 2.5 m, iar apoi după fiecare 0.5 m se pornesc succesiv si celelalte pompe. Datele sunt colectate de către un senzor de nivel amplasat in coloana verticala a canalului 3.

Figură 6. Vedere de sus a stației de epurare „Stan Vidrighin” a Municipiului Timisoara

Figură 7. Modul de instalare al pompelor pluviale in stația de epurare.

Pompele sunt utilizate printr-o schema de permutare ciclica pentru a egaliza aproximativ orele de funcționare respectiv uzura pe fiecare unitate instalata. Mai jos este prezentat tabel cu numărul de ore de funcționare al fiecărei pompe.

Tabel 1. Numărul de ore de funcționare ale pompelor pluviale(martie 2011 – octombrie 2016).

După analizarea numărului de ore de funcționare al pompelor pluviale in intervalul luna martie 2011 pana in luna octombrie 2016,

Figură 8. Numărul de ore de funcționare in funcție de lunile anului.

se observa ca maximele sunt situate in luna iulie si perioada aprilie – august include volumele cele mai mari de precipitații. Logic rezulta ca in aceasta perioada se pot efectua colectări de date necesare pentru investigațiile viitoare si in afara acestui interval se pot realiza testele pentru identificarea parametrilor si mărimilor relevante pentru investigațiile din cadrul proiectului.

Analiza distribuției numărului de ore (fig.6) de funcționare de la punerea in funcțiune (martie 2011) pana in octombrie 2016 arata ca deși modul de funcționare a acestor pompe a avut in vedere operarea unui număr de ore aproximativ egal pe fiecare unitate se observa o diferența mare a numărului de ore cu pana la 100%.

Pompele P1 si P4 au suferit distrugeri dezastruoase ale rotorului necesitând perioade in care pompa a rămas nefuncționala pana nu au fost remediate probleme. La pompa P1 numărul de ore de funcționare este mai mic decât la pompa P4 dar trebuie ținut cont ca au fost doua avarii survenite la P1 in 2013 si 2016 fata de o avarie in 2015 la pompa P4.

După procesul de evaluarea perioadei de exploatare pentru fiecare pompa in parte si corelația cu datele disponibile se recomanda selectarea pompei P4 in planul de investigații in SITU si in aceasta lucrare.

Figură 9. Numărul de ore de funcționare la fiecare pompa.

Problema principala efectiv consta in distrugerea aproape totala ale rotoarelor pompelor pluviale, după perioade de funcționare scurte.

Figură 10. Imagini cu pompe distruse după avarie.

Cel mai probabil distrugerea este cauzata de îmbâcsirea rotorului pompei si a intertipului dintre palete si inel cu deșeuri, care conduc la devierea radiala a rotorului, urmata de frecarea si blocarea paletelor rotorului ce produc forfecarea buloanelor de fixare ale paletelor retorice.

Principalul scop al investigațiilor este creșterea timpului de funcționare fără incidente a pompelor pluviale din sistemele de apa uzata. Soluția din punct de vedere hidrodinamic este diminuarea îmbâcsiri rotorului prin evaluarea influentei cotului de la aspirația pompei care favorizează acumularea de deșeuri si/sau aluviuni. Soluția din punct de vedere mecanic consta in creșterea rezistentei modului de fixare a paletelor in butuc plecând de la evaluarea proprietăților mecanice a buloanelor pana la o tehnologie de rigidizare a paletelor de butuc.

3.2 Evaluarea problemelor hidrodinamice.

Figură 11. Soluția de instalare a cotului la aspirația pompelor in SITU.

Ipoteza de lucru bazata pe analiza evenimentelor dăunătoare ce au produs distrugerea rotoarelor si scoaterea lor din funcționare, din punct de vedere hidrodinamic, consta in îmbâcsire rotoarelor datorita cotului de la aspirație care prin geometrie sa stimulează acumulări de deșeuri si/sau aluviuni.

După analiza vizuala de către specialiști in hidrodinamică s-a evidențiat deficiente majore din punct de vedere hidrodinamic a soluției implementate in SITU. Nervurile centrale care erau gândite pentru rigidizarea construcției metalice de fapt favorizează acumularea deșeurilor la aspirația in pompa.

Acumulare de deșeuri produce perturbarea hidrodinamica a curgerii la aspirația pompei deoarece pompele sunt amplasate pe un nivel inferior in dana pentru a realiza amorsarea si curgerea neuniforma produce si încărcări neuniforme pe palete retorice.

Pompele pluviale folosite in SITU au ca avantaj geometrie speciala a paletelor, care este conceputa special pentru un mediu lichid care conține si deșeuri sau fibre fata de pompe clasice. Asta se observa la bordul de atac al paletei care este prezentat mai jos.

Figură 12. Primele doua imagini din stânga reprezintă o paleta de pompa clasica si imagine din dreapta prezinta paleta de pompa de tip Flygt

Se observa pe paleta din pompa de tip Flygt linia bordului de atac al paletelor retorice care are rolul de descărcare a fibrelor/deșeurilor acumulate pe acesta.

3.3 Evaluarea problemelor mecanice.

Metoda de prindere a paletelor retorice in butuc se realizează cu 2 buloane din otel inoxidabil. Din imagine din partea dreapta de jos se poate observa cu ochiul liber ca ruperea este fragila.

Figură 13. Imagini cu butuc, palete si buloane

Se mai poate observa din imagine de mai sus pe lângă ruperea buloanelor si cedările paletelor sub forma unor fisuri, ruperi, ciupituri si uzura extrema. Buloane sunt confecționate din otel inox 316L A4 după ASTM, respectiv 1.4401 după EN având compoziția chimica indicata in tabelul următor:

Tabel 2. Compoziția chimica a buloanelor din otel

Respectiv proprietățile mecanice:

Tabel 3. Proprietățile mecanice a buloanelor din otel

d* – diametrul bolțului.

Rotorul pompei este fabricat din aliaj Bronz-Aluminiu, care are rezistenta la coroziune ridicata, forabilitate buna la cald si la rece, dar o prelucrabilitate prin așchiere medie.

Compoziția chimica si proprietățile mecanice sunt prezentate mai jos.

Tabel 4. Compoziția chimica Bronz-Aluminiu

Tabel 5. Proprietățile mecanice Bronz-Aluminiu

4 Tehnologia de fabricație paletelor pentru mașinile hidraulice axiale

4.1 Stabilirea soluției constructive

4.1.1 Etapele

Stabilirea soluției constructive (după desenul primit de la coordonatorul de proiect)

Alegerea materialului

Pregătirea matriței de turnare

Prelucrare de degroșare

Prelucrări de finisare suprafeței paletei

4.1.2 Soluția constructiva

Analiza desenului de execuție trebuie să evidențieze în principal tehnologicitatea piesei și se au în vedere următoarele aspecte:

– reprezentarea și cotarea corectă și completă conform regulilor desenului tehnic a piesei;

– pe cât posibil sistemul de cotare să fie și tehnologic, evitându-se astfel calculul unor dimensiuni de către proiectantul tehnolog sau de către operator;

– cotele funcționale să aibă precizia indicată prin abateri clasa de calitate ISO și poziția câmpului de toleranță, iar pentru cotele libere să se indice precizia conform standardelor sau normelor ce reglementează acest aspect;

– să existe indicații privind rugozitatea tuturor suprafețelor și indicații privind alte condiții de calitate a stratului superficial (duritate, acoperire sau încărcare cu alte materiale etc.);

– condițiile tehnice suplimentare privind caracteristici mecanice impuse materialului, tratamente termochimice;

4.2 Alegerea materialului folosit pentru realizarea paletei

În alegerea materialului vor fi considerate aspecte de natură:

– constructivă (aspectele legate de solicitări mecanice, eroziune (abrazivă, citațională), coroziune, etc);

– tehnologică (materialul trebuie să se preteze tuturor operațiilor tehnologice (prelucrări mecanice , tratamente termice, etc), să asigure calitățile cerute (ex. rezistență la oboseală, rigiditate, duritate, etc.) și să fie ușor reparabile;

– economică (prețul materialului, costul de prelucrare, costul de transport, costul de montaj);

Principalii factori care trebuie luați în considerare la alegerea materialelor, din care se realizează piesele mașinilor hidraulice (și a organelor de mașini în general):

– rolul funcțional și forma constructivă a piesei;

– mediu de lucru în care funcționează;

– condiții de exploatare (cavitație, coroziune, temperaturi mari, etc.);

– tipul solicitărilor: statice, dinamice, variabile;

– realizarea tehnologică;

– prețul de cost;

Pentru mașini de dimensiuni mici (pompe axiale, turbine sub 10 MW) paletele sunt turnate împreuna cu fusul. Pentru mașini de dimensiuni mari fusul se prelucrează aparte, asamblarea realezându-se prin îmbinare cu șuruburi. Deși costul prelucrărilor sporește, soluția este preferata deoarece permite un montaj mai ușor. In cele ce urmează se prezinta turnare unei palete prevăzute cu fus. Materialul ales pentru confecționarea paletei este un aliaj Bronz-Aluminiu.

4.3 Prelucrarea mecanica a paletelor

Suprafața paletelor mașinilor hidraulice axiale este suficient sa fie cunoscuta prin pofilele câtorva secțiuni, acestea fiind la rândul lor cunoscute prin coordonatele câtorva puncte. Așa dar o fata a paletei este definita prin coordonatele a 150…200 de puncte. Singura condiție impusa pentru zonele cuprinse intre doua puncte alăturate este racordarea lor lina (daca profilul este dat printr-o ecuație atunci el este cunoscut printr-o infinitate de puncte; nu au fost observate diferențe sensibile de randament intre cele doua metode de precizarea suprafeței paletei). Valoarea maxima a abaterilor de la valoarea nominala a suprafeței paletei trebuie sa se găsească intre limitele date de relația:

D – diametrul rotorului in mm, iar abaterea ε rezulta in mm.

Aceasta abatere globala se compune din următoarele erori parțiale:

profilul considerat nu este așezat la raza corespunzătoare;

profilul este alunecat fata de axa paletei;

poziția globala a extradosului si intradosului este necorespunzătoare.

Abaterea locala a suprafeței de la cota prescrisa

In principal, paleta se supune următoarelor prelucrări mecanice:

Strunjire (fusul paletei, gulerul paletei, suprafața frontala a gulerului adiacenta butucului, – pe strunguri normale; periferia paletelor – pe strunguri carusel);

Găurire – alezare (orificiile buloanelor de îmbinare paleta – fus – manivela);

Prelucrarea suprafețelor active ale paletei.

Succesiunea operațiilor in cazul prelucrării manuale este următoarea:

1. Trasarea paletei (Determinarea axei paletei si a cercurilor concentrice ce pot fi verificate prin așezarea cutiei cu șabloane multiple. Axa paletei se materializează prin găuri de centruire pe suprafața cilindrica de la periferie si pe suprafața frontala a fusului paletei. Pe suprafața paletei se trasează rizurile corespunzătoare cercurilor cilindrice concentrice si razelor, se obțin astfel punctele in care se cunoaște profilul Operația se încheie prin determinarea adaosurilor de prelucrare in punctele cunoscute).

2. Tăierea cu dalta pneumatica a unor șanțuri circulare, in zonele unde sunt trasate cercurile concentrice. (Se urmărește eliminarea adaosului de prelucrare. Verificarea se face cu ajutorul cutiei cu șabloane si dăltuirea se reia. Operația se considera încheiata când cutia cu șabloane se potrivește perfect cu paleta iar axa paletei de pe cutie coincide cu cea de pe paleta).

3. Îndepărtarea materialului dintre șanțurile circulare.

4. Tăierea si ajustarea muchiilor de intrare si ieșire.

5. Polizarea paletei.

6. Verificarea finala a axei paletei.

7. Prelucrarea fusului si gulerului paletei (pe strungul normal).

8. Prelucrarea muchiei periferice a paletei (pe strungul carusel).

In urma prelucrării prin frezare, pe suprafața paletei rămân asperității a căror înălțime depinde de raza de curbura a sculei de frezat si de pasul intre doua treceri succesive. Îndepărtarea acestor asperități se realizează fie prin polizare manuala fie cu ajutorul unei mașini de polizat prin copiere.

Succesiunea operațiilor de prelucrare mecanica a paletei este următoarea:

1. Trasarea axei paletei si verificarea existentei adausurilor de prelucrare. Operația se realizează in același mod si folosind același tip de cutie de șabloane ca la prelucrarea manuala.

2. Prelucrarea de degroșare a gulerului/fusului paletei. Mașina unealta folosita este strungul normal.

3. Prelucrarea prin frezare a extradosului si intradosului.

4. Tăierea si ajustarea muchiilor de intrare si ieșire.

5. Verificarea axei paletei.

6. Prelucrarea de finisare a gulerului/ fusului paletei.

7. Prelucrarea prin polizarea a intradosului si extradosului.

8. Găurirea si alezarea orificiilor din guler.

9. Strunjirea muchiei periferice a paletei.

Prelucrarea suprafeței de la periferie se realizează după montarea tuturor paletelor in butuc. Din considerente hidrodinamice se cere ca secțiunea periferica sa fie prelucrata după o sfera cu centrul in punctul de intersecție dintre axa de rotație a turbinei si axa de rotație a paletei. Adesea in practica, prelucrarea se face după un cilindru de același diametru ca si sfera. In vederea acestei prelucrări, paleta se așază cu coada de la periferie in poziția normala de funcționare si se strunjește cilindric după cercul ecuatorial, făcându-se in final rotunjiri ale muchiilor.

La orice alt unghi de așezare întrefierul rotor – camera va fi mai mare decât in poziția de prelucrare, cea ce evident va înrăutăți randamentul volumic. In poziția de prelucrare jocul va fi mai mic decât din calculele cu o mărime „delta” ce trebuie calculata.

5 Simulare Numerica

5.1 Noțiuni teoretice

În zilele noastre simularea numerică cu elemente finite are un impact foarte puternic asupra modului de realizare a proceselor mecanice, termice, electrice și combinații ale acestora, cât mai apropiate de modul de obținere în realitate. Cu ajutorul programelor de simulare numerică și a modelelor numerice bine implementate se pot face preziceri tehnice referitoare la modul de desfășurare a procesului respectiv, a produsului finit obținut, dacă este în final o piesă finită bună sau rebut.

Pentru a studia problema descrisa anterior s-a realizat o simulare cuplata dintre fluid si structura într-o singura direcție

Interacțiunea dintre fluide și solide este un fenomen care poate fi adesea observat în natura, de exemplu, deformarea copacilor sau mișcarea dunelor de nisip cauzate de vânt.

În aproape același mod, vântul poate interacționa cu clădirile, uneori cu consecințe dramatice, cum ar fi prăbușirea podului Tacoma-Narrows din noiembrie 1940.

Aceste procese pot fi calculate doar folosind legi și ecuații din diferite discipline fizice. In cazul în care subproblemele care apar nu pot fi rezolvate independent, se numesc aplicații multifizice. O clasă foarte importantă a acestor problemelor sunt interacțiunile fluid-structura FSI, care sunt caracterizate de faptul că fluxul în jurul unui corp are un impact puternic asupra structurii și invers, modificarea structurii are o influență care nu poate influența fluxul.

Soluția pentru partea lichidă se bazează pe ecuația de continuitate și pe ecuațiile Navier-Stokes

Soluția pentru aceasta ecuația necesita o discretizare fina in spațiu si timp. In inginerei aceste ecuații nu pot fi aplicate din cauza costului computațional. Pentru a reduce efortul de calcul variabilele de soluție sunt împărțite la o valoare medie si o valoare de fluctuație, așa cu se arata in formula următoare.

Folosind medierea lui Reynolds obținem ecuația Navier-Stokes pentru curgerea nestaționara

In acestea ecuație, este tensorul tensiuni Reynolds. Valoarea lui se calculează cu modele de turbulenta, cum ar fi: k-epsilon, k-omega sau SST

Ecuațiile de continuitate si ecuațiile lui Navier-Stokes sunt rezolvate folosind metoda volumelor finite. Începând cu ecuația de continuitate in forma integrala, trei termeni trebuie rezolvate:

Primul termen care descrie schimbări in masa in volumului finit

Al doilea descrie fluxul pe contur in volumul finit

Al treilea descrie deformația volumului finit

Calcul soluției pentru partea de structura

Calcul pentru partea de structura este bazat pe conservarea impulsului. Aceasta este rezolvat cu ajutorul elementelor finite, unde fiecare element finit este ales pentru o anumita problema

Indiferent daca se utilizează metode de cuplare într-o singura direcție sau in ambele sensuri, soluțiile sunt pe baza unei metode partiționate, in care sunt soluții separate pentru diferite câmpuri fizice. Un câmp care trebuie rezolvat este fluid si celălalt structura. Interfața intre cele doua deține informația ambelor câmpuri. Informația schimbata intre cele doua câmpuri depinde de modul de cuplare. Pentru cuplare uni-direcționala, numai fluidul transfera presiuni pe structura si in cazul cuplări bidirecționale si structura transfera deplasările fluidului.

Figură 14. Cuplare Unidirecționala

Figură 15. O cuplare bidirecționala puternica

5.2 Descriere simulare numerica

Figură 16. Structura cuplări analizelor

Cazul prezentat este studiat cu ajutorul programului ANSYS si mai exact subprogramelor Mechanical si FLUENT. In figura de mai sus sunt prezentate patru simulări numerice, cele doua din stânga realizează calcul numeric pentru partea de fluid si cele doua din dreapta rezolva partea de solid.

Analiza obiectului solid devine posibila numai după ce parte de fluid este calculata, deoarece după ce se rezolva problema de curgere, numai atunci se exporta presiuni pe partea de structura. Presiuni exportate se interpolează pe întreaga rețeaua de noduri de pe obiectul solid făcând astfel datele de intrare pentru o analiza structurala.

5.3 Simulare numerica pe domeniul de fluid

5.3.1 Definirea modelului CAD

Pentru a face o simulare numerica pe domeniul de fluid in primul rând avem nevoie de modelul CAD al fluidului. In următoare figura sunt prezentate dimensiunile domeniului de fluid creat pentru analiza numerica

Figură 19. Dimensiuni Geometrice

Volumul fluidului folosit in simulare numerica este:

1.2221

Fluidul a fost creat cu ajutorul programului „SpaceClaim”.

Pe baza imagini pompei din secțiune a fost construita o schița 2D a conturului pereților pompei.

După reproducerea exacta a schiței 2D a urmat revoluția schiței cu 360° pentru obținerea geometriei fluidului, din volumul de fluid complet a fost extras rotorul pompei cu paletele cu operația de tip Boolean, care taie un corp cu celălalt si in final a fost realizat modelul CAD pregătit pentru pasul următor.

5.3.2 Discretizarea volumului

Primul lucru care trebuie efectuat când se realizează un model cu elemente/volume finite este cel al discretizării structurii, adică trecerea de la continuul fizic al materialului din care se executa structura, la modelul convențional – geometric, discret, pentru care se va face analiza cu elemente/volume finite. Pentru aceasta structura se „acoperă” cu o rețea de linii si suprafețe la intersecțiile cărora se obțin nodurile modelului, acest ansamblu fiind rețeaua de discretizare „Mesh”.

In funcție de metoda aplicata si felul in care se produce acest proces, calitatea si performantele , determina intr-un mod categoric performantele si eficienta modelului cu elemente/volume finite.

Daca rețeaua a fost conceputa greșit sau realizata cu o calitatea elementelor/volumelor scăzută atunci rezultatul final o sa aibă o acuratețe scăzută si acest proces de nu poate schimbat ulterior.

Întrebări generale in realizarea rețelei de elemente/volume finite:

Numărul de noduri: maxim si minim

Tipurile elementelor

Numărul de elemente: maxim si minim

Dimensiunile maxime si minime ale elementelor, impuse de detaliile fenomenului fizic si de scopul calcului

Discretizarea unei structuri este un proces complex de elaborare a unui model discret care sa aproximeze cat mai bine structura continua reala, din diverse puncte de vedere, ca de exemplu al formei geometrice, al modului de aplicare a sarcinilor, al condițiilor de rezemare, al rigidităților, al maselor, etc. Prin aceasta studiul mulțimii infinite de puncte a structurii continue date se aproximează prin studiul finite de puncte – noduri ale rețelei de discretizare a modelului de calcul.

Structura discretizată – sau discretă – aproximează din punct de vedere geometric și mecanic

structura reală. În principiu, aproximarea este cu atât mai bună, rezultatele mai precise și volumul

informațiilor obținute cu atât mai mare cu cât numărul de noduri, respectiv numărul total de grade de libertate geometrică al structurii, este mai mare. Cerința de a discretiza structura printr-o rețea cât mai fină, cu un număr cât mai mare de noduri, este evidentă, dar ea trebuie privită critic, cu foarte multă prudentă și discernământ deoarece creșterea excesivă a numărului de necunoscute nu duce la

îmbunătățirea soluției.

Discretizarea trebuie să se realizeze, pe de o parte, printr-o rețea cât mai simplă și cât mai uniformă de linii și (sau) suprafețe pentru ca elaborarea modelului, prelucrarea și interpretarea rezultatelor să fie cât mai comode. Pentru rețele relativ uniforme efortul de elaborare al modelului se poate reduce considerabil prin utilizarea “generării” automate a nodurilor și elementelor. Pe de altă parte, nu este totdeauna rațional ca rețeaua să fie uniformă, deoarece structura poate avea zone în care există discontinuității geometrice sau mecanice (de exemplu, puncte de aplicației pentru sarcini concentrate) sau regiuni în care, consecință a scopului urmărit, este necesar un volum mai mare de informații – deci de noduri și elemente/volume. Este cazul acelor zone în care gradienți tensiunilor sunt relativ mari. În aceste zone discretizarea trebuie să fie mai fină decât pentru restul structurii. Trecerea de la o zonă cu

discretizarea mai fină la alta cu o discretizare grosieră trebuie făcută treptat

Figură 21. Discretizarea volumului de fluid

În principiu, pe o rețea de discretizare pot fi definite oricâte și orice fel de elemente finite, cu condiția ca ele să fie adecvate, adică să aproximeze cât mai corect structura reală. De fapt, configurația rețelei de noduri trebuie stabilită încă de la început având în vedere tipurile elementelor care se vor utiliza. De exemplu, elemente triunghiulare sau patrulatere plane sau spațiale, de placă sau înveliș subțirii sau groase, de bară, de conductă, prismatice sau tetraedrice etc.

In pagina următoare se pot vedea caracteristicile rețelei mai in detaliu ->

In figura de mai sus se poate observa ca cele mai multe volume finite au o calitate de 88 % si tipul volumului finit este Tet4.

In figura de jos este reprezentata distribuția de calitatea ortogonala a volumelor

Următorul pas in pregătirea simulări numerice este definirea zonelor din modelul CAD. In volumul de fluid prezent au fost create patru zone, care se pot vedea in imaginile următoare:

Figură 24.Zona de perete (Wall)

Aceasta zona denumita „Wall” este pe post de perete la care nu se face schimb de informație, ea reprezintă perițiile pompei.

Figură 25. Zona de intrare a fluidului (Inlet)

In realitate pe aceasta zona denumita „Inlet” fluidul iese din pompa, dar pentru a simplifica soluția cu scopul de a reduce timpul simulări numerice, procesul a fost realizat invers mai exact debitul a fost aplicat de la ieșire spre intrare

Figură 26. Ieșirea fluidului (Outlet)

Prin aceasta zona cu numele de „Outlet” in realitate fluidul intra in pompa, dar din motive menționate mai sus in modelul simulări numerice este considerata ieșirea din pompa.

Figură 27.Zona pe conturul rotorului (FSI)

Zona pe conturul rotorului numita „FSI- Fluid Structure Interaction” joaca un rol cel mai important in simulare cuplata, in aceasta zona se transfera presiuni din analiza de curgere in analiza structurala

Modelul de turbulenta pentru aceasta simulare a fost ales k-epsilon.

Acest model este unul dintre cele mai comune modele de turbulenta, deși nu funcționează bine in cazurile de gradienți de presiune negativi mari. Este un model cu doua ecuații, adică include doua ecuații suplimentare de transport pentru a reprezenta proprietățile turbulente ale fluxului.

Pentru energia cinetica turbulenta:

Pentru disipare:

Acest lucru permite unui model cu doua ecuații sa tina seama de efectele istorice precum convecția si difuzia energiei turbulente. Prima variabila transportata este energia cinetica turbulenta – k. A doua variabila transportata in acest caz este disiparea turbulenta – epsilon. Este variabila care determina scara turbulentei, in timp ce prima variabila k, determina energia in turbulenta.

Fluidul folosit in analiza este apa, cu următoarele proprietăți:

Tipul de analiza este staționar, adică nu depinde de timp.

Condiții la contur:

Inlet

Pe „Inlet” este aplicat un debit masic constant de 3500 kg/s

„FSI”

Pe „FSI” nu este aplicata nici-o încărcare, aceasta condiție pe contur transmite mai departe către analiza structurala presiuni rezultate după analiza de curgere

„Outlet”

Pe „Outlet” este aplicată presiune relativa egala cu zero la începutul simulări.

„Wall”

Pe „Wall” nu este aplicata nici-o încărcare, acesta este un perete

Rezultate si timpul după o analiza de curgere:

Pentru prima încercare, simularea a fost rezolvata in 150 de iterații, s-a constatat ca eroare debitului este descrescătoare si au fost adăugate încă 250 de iterații cu speranța de a reduce eroare de calcul.

Din figura de mai jos se poate observa ca după aproximativ 175 de iterații valoarea debitului oscilează cu amplitudinea constanta, asta înseamnă ca cele 400 de iterații nu erau necesare pentru rezolvarea soluției.

Eroare este de 15 kg/s, aceasta valoarea raportata la debitul total ne da 0.43% ceea ce este foarte puțin.

Figură 32.Debit calculat la ieșire

După postprocesare datelor din analiza de curgere se pot vedea următoarele imagini de viteza, presiune, energie cinetica turbulenta.

Figură 33.Viteza [m/s]

Figură 34. Presiune [Pa]

Se poate observa din imagine de sus ca presiunea maxima este de 1.4 bar, o valoare apropiata de asta trebuie sa fie interpolata pe suprafețele structuri.

In poza de mai jos este prezentata energia cinetica turbulenta. Turbulentele apar in imediată vecinătatea paletelor unde suprafața de curgere scade si cresc vitezele

Figură 35.Energia Cinetica Turbulenta

Concluzii:

Cazul prezentat este un caz simplificat, pentru rezultate cu acuratețea ridicata este necesara o analiza cuplata bidirecțional cu discretizare mult mai fina si cu un model de turbulenta SST (Shear Stress Model) pentru a obține informația detaliata in apropierea peretelui si la îndepărtare de perete. Dar acestea necesita mai mult timp si o puterea computaționala mai mare, deci prezinta un studiul de interes pentru investigații viitoare

Cazul prezentat a fost calculat cu ajutorul unui Workstation HP Z210 cu un procesor Intel Xeon E3-1245 cu o frecventa de 3.6 GHz si memorie de 16 GB DDR3 ECC (cu corecție de erori)

Timpul de analiza pe cele 400 de iterații este de 3 ore

5.4 Simulare numerica pe domeniul de structura

Pentru simulare structurala au fost considerate doua cazuri:

Când paletele sunt in contact pe întreaga suprafața paletei cu butucul

Când paletele sunt in contact numai cu zonele in care sunt buloane de otel

Aceste doua cazuri sunt folosite pentru a compara diferența dintre tensiuni care apar in zona de contact in fiecare caz, in primul caz când paleta este sudata de butuc si al doilea când paleta este prinsa cu buloane.

Figură 36. Cazul 1

Figură 37. Cazul 2

Discretizarea Structuri

Figură 38. Rețea de elemente finite din structura

Datorita geometriei mai simplificate a butucului, discretizarea lui a fost realizata cu ajutorul elementelor hexaedrale Hex20, aceste elemente au mai multe avantaje fata de elemente tetraedrale cum ar fi, număr de elemente mai mic, timpul de analiza mai rapid, ca si dezavantaje, nu pot fi aplicați pe orice model.

In imaginea următoare este prezentata distribuția de elemente in funcție de calitatea lor.

Figură 39. Calitatea elementelor

In imagine de mai jos este distribuția elementelor in funcție de calitatea ortogonala

Figură 40. Calitate Ortogonala

Condițiile la contur:

In ambele cazuri sunt aceeași condiții la contur, cum ar fi:

Presiunea importata din analiza de curgere

Figură 41.Presiunea importata

Turația de 595 rot/min aplicat pe toata structura pentru a adaugă efectul de rotație.

Funcția de turația in Ansys nu produce rotirea piesei ci calculează eforturile care apar in structura la o anumita turație

Incastrare

Figură 42. Incastrare

In realitate acest model nu este incastrat, din cauza simplificări soluției de calcul obiectul respectiv a fost incastrat in zona albastra din imagine de mai sus.

Rezultate simulări structurale

Pentru cazul 1:

Figură 43. Tensiunea von-Mises

In imagine de sus, este reprezentata tensiunea von-Mises scalata la tensiunea maxima din structura, dar aceasta tensiunea maxima apare in zona incastrării, deci nu se afla in zona de interes, zona de interes este contactul dintre paleta si butuc. Pentru a vede mai bine tensiunile din contact s-a realizat o imagine pe scara logaritmica in care putem vedea ca tensiunile maxime din zona de contact sunt in jur de 30 N.

Figură 44. Tensiunea von-Mises la scara logaritmica

Pentru cazul 2

In cazul 2 se observa o creștere de tensiune, dar totuși este departe de limita de rupere

Concluzii

După simulări efectuate se observa ca la funcționare normala tensiuni in palete au valori destul de reduse si departe de ruperea, motivul de rupere poate fi funcționare cu șocuri datorita îmbâcsirii pompei