MĚŘENÍ NA EXPERIMENTÁLNÍM ZAŘÍZENÍ TS - 20 SVOČ FST 2015

Transkript

1 MĚŘENÍ NA EXPERIMENTÁLNÍM ZAŘÍZENÍ TS - 20 SVOČ FST 2015 Jaroslav Levý, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika Martin Löfler, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Práce se zaobírá popisem experimentálního zařízení TS -20 (dále jen EZ TS 20) a měření s alternativními palivy prováděných na tomto zařízení za účelem zjištění vlivu alternativních paliv na EZ TS 20. Měření proběhlo s několika druhy paliv a jejich směsmi. Jako výchozí paliva pro měření byl stanoven benzin B95 (palivo doporučované výrobcem je benzin B70) a letecký petrolej JET - A1. Dále byly provedeny testy se směsmi těchto výchozích paliv s alternativními palivy etanol E85 a bionafta MERO (JET-A1+MERO, JET-A1+E85, B95+E85) Po vyhodnocení naměřených hodnot, byl stanoven závěr, který popisuje vliv těchto paliv na chod motoru a jeho výstupní parametry. KLÍČOVÁ SLOVA Experimentální zařízení TS-20, turbokompresor, crio, LabView, měření,alternativní paliva. ÚVOD Experimentální zařízení TS 20 (dále jen EZ TS 20) je upravený turbospouštěč TS 20, tedy malý turbokompresorový motor, který sloužil jako startér leteckého motoru AL -7-F. EZ TS-20 je upevněno v nosném rámu nacházejícím se uvnitř zkušebního kontejneru, který je umístěn v areálu Univerzity Obrany v Brně. EZ TS - 20 je osazeno výstupní soustavou, která nahradila původní volnou turbínu s reduktorem turbospouštěče. Dále je vybaveno řadou teplotních a tlakových snímačů, tenzometrem, senzorem otáček a průtokoměrem. Celá měřící aparatura je napojena na digitální řídící jednotku CompactRIO pracující v reálném čase. Všechna data jsou vyhodnocována v softwaru LabView. Na EZ TS 20 bylo prováděno měření, jehož cílem bylo stanovit vhodná alternativní paliva. EZ TS 20 je konstruováno na použití benzinu B70. Měření probíhající v minulosti prokázala kompatibilitu EZ TS 20 s benzinem B95. Podobná kompatibilita byla prokázána i s leteckým petrolejem JET A1. Tato dvě paliva byla tedy použita jako základ pro tvorbu směsí s alternativními palivy etanolem E85 a MERO. POPIS ZAŘÍZENÍ Experimentální zařízení TS-20 vychází z turbospouštěče TS-20B. Jedná se o jednoproudový jednohřídelový turbokompresorový motor s diagonálním vstupním ústrojím, jednostupňovým radiálním kompresorem, sdruženou spalovací komorou a jednostupňovou axiální turbínou. Od turbospouštěče se liší absencí volné turbíny s reduktorem. Celá tato část byla v případě EZ TS - 20 nahrazena výstupní soustavou s dýzou. Další odlišností je způsob použití a umístění samotného zařízení. EZ TS - 20 upevněné v nosném rámu nacházejícím se ve zkušební místnosti slouží pouze k účelům experimentů na rozdíl od turbospouštěče TS - 20B, který je umístěn rovnoběžně s osou na spodní části motoru AL - 7F - 1 a slouží jako startovací zařízení.[1] Jak již bylo popsáno, EZ TS - 20 v nosném rámu je umístěno ve zkušební místnosti nacházející se v areálu UO Brno. Místnost je vyrobena přestavbou dopravního kontejneru. U vstupu (Obr. 1-6) jsou po stranách dva svislé otvory (Obr. 1-2) obdélníkového tvaru, sloužící k nasávání vzduchu do prostoru místnosti. V protější stěně je otvor pro odvod spalin. Mezi tímto otvorem a motorem je umístěn velký výstupní difuzor (Obr. 1-4) sloužící k usměrnění spalin do výstupního otvoru. Uvnitř velkého difuzoru je upevněn malý kónický difuzor (Obr. 1-5) sloužící pro co nejdokonalejší rozptýlení a odvod spalin do atmosféry. Sací i výstupní otvory jsou vyplněny zvukovými tlumiči (Obr. 1-3) a stěny zkušební místnosti jsou sendvičové konstrukce, přičemž jejich výplň tvoří zvuková izolace. Tímto je dosaženo přijatelné výše hluku mimo zkušební místnost, konkrétně 120 db, a zkušební místnost je schválena krajským hygienikem. Zkušební místnost dále splňuje požární normy. Ve zkušební místnosti je také umístěno zařízení pro vyhodnocování signálů ze všech čidel nazývané crio (Obr. 1-8) a zdroj elektrické energie.[4] Vedle zkušební místnosti je umístěna kontrolní místnost, ve které se nachází monitorovací zařízení a odkud je celé zařízení ovládáno.

2 Obrázek 1: Zkušební místnost experimentální zařízení, 2 - Sací otvory, 3 - výstupní otvor, 4 - velký difuzor, 5 - kónický difuzor, 6 - vstupní otvor, 7 - výstupní tlumič, 8 - crio Ve zkušební místnosti je umístěn nosný rám, ke kterému je EZ TS - 20 připevněno. Experimentální zařízení je upevněno v nosném rámu pomocí dvou přírub po stranách spalovací komory společně se vším svým příslušenstvím. Nosný rám je vyroben ze svařovaných ocelových profilů a skládá se z pevné (Obr. 2-2) a pohyblivé části (Obr. 2-1). Pohyblivá část je zavěšena na tenkých planžetách (Obr. 2-3) přišroubovaných v čelistech pevné části. Díky planžetám je umožněn pohyb pohyblivé části vůči té pevné. Obě části jsou navzájem spojeny tenzometrem (Obr. 2-4), který slouží k měření tahu motoru. K nosnému rámu je také připevněno veškeré příslušenství, konkrétně palivo - olejové čerpadlo, bezpečnostní tlakový snímač, zapalovací cívka, nádrž na olej a ochranný kryt turbínové části motoru, umístěný na zařízení z bezpečnostních důvodů. Na nosném rámu je dále připevněna měřící aparatura zahrnující veškerá tlaková a teplotní čidla. [2] Obrázek 2: Částečně odstrojený nosný rám Pohyblivá část nosného rámu, 2 - pevná část nosného rámu, 3 - planžety v čelistech, 4 - tenzometr 1 Obrázek převzat a upraven z originálu [4] 2 Vlastní upravená fotografie

3 MĚŘÍCÍ APARATURA Na EZ TS-20 jsou měřeny všechny důležité veličiny, které charakterizují jeho aktuální stav. U proudových strojů obecně jsou to kromě otáček turbokompresoru zejména tlaky a teploty v charakteristických řezech motoru. Charakteristické řezy jsou znázorněné na Obrázku 3. Zejména důležité řezy jsou za kompresorem (2) a za turbínou (4 ), které mají největší vypovídající schopnosti. Kromě charakteristických řezů jsou také měřeny tlaky a teploty palivové a olejové soustavy. Z jednotlivých oblastí jsou sondami odebírány celkové tlaky (kromě vstupního ústrojí a výstupu z dýzy, kde jsou odebírány statické tlaky) a hadičkami vedeny k tlakovým snímačům. Teploty jsou měřeny přímo termočlánky vloženými do tlakových sond. Obrázek 3: Charakteristické řez 3 y 0 - atmosféra, 1- ve vstupní ústrojí, 2 - za kompresorem, 3 - před turbínou (bez měření), 4 - za turbínou, 4 - před výstupní dýzou, 5 - ve výstupu z dýzy, 6 - atmosféra Dalším důležitým měřeným parametrem jsou otáčky turbokompresoru, které poskytují velmi průkaznou informaci o aktuálním stavu motoru. Otáčky turbokompresoru jsou měřeny pomocí snímače vířivých proudů, který je nasměrován na oběžné kolo turbokompresoru. Pro účely experimentů je dále měřen tah zařízení a průtok paliva. Tah je měřen pomocí tenzometrického plného můstku s konstantanem, který díky kalibraci od výrobce umožňuje měřit přímo sílu. Průtok paliva je měřen pomocí turbínového průtokoměru s elektromagnetickým snímačem. Průtokoměr je napojen na sací palivovou hadici mezi palivovou nádrž a palivové čerpadlo. Ke správnému vyhodnocení experimentu je důležité měřit i atmosférické podmínky, k čemuž slouží meteorologická stanice. Veškeré senzory jsou napojené na zařízení crio od společnosti National Instruments, které pracuje v reálném čase, všechna naměřená data (zatím ve formě elektrických signálů o různých frekvencích a amplitudách napětí) vzorkuje a linearizuje. Ke crio je připojen stolní počítač nacházející se v kontrolní místnosti, který zprostředkovává komunikaci s crio a umožňuje sledování měřených dat v reálném čase a jejich záznam do souboru. Vzájemnou kompatibilitu počítače a crio zajišťuje komplexní program LabView, který běží na obou zařízeních. [4] Z kontrolní místnosti je zároveň možné vizuálně sledovat a nahrávat průběh měření pomocí čtyř kamer umístěných ve zkušební místnosti. POSTUP MĚŘENÍ Před každým měřícím cyklem je nutné provést kontrolu všech stěžejních systémů zařízení. Konkrétně vyzkoušet provozuschopnost palivového čerpadla, startéru a zapalování. S kontrolou těchto prvků je spojena také kontrola senzorů. Nejprve se krátkým spuštěním provádí kontrola palivového čerpadla, čímž je zároveň zkontrolována funkčnost průtokoměru a tlakového čidla v palivové soustavě. Dále se provádí kontrola startéru, opět krátkým spuštěním, čímž je prověřena funkčnost otáčkoměru a tlakových senzorů. Kontrola teplotních čidel se z důvodu jejich citlivosti provádí ručně, pouze dotykem prstu. Dále se pomocí regulačního šroubu ve výstupní palivové větvi palivo-olejového čerpadla nastaví maximální požadovaný tlak paliva, na kterém jsou poté závislé maximální otáčky turbokompresoru. Je důležité podotknout, že tato konfigurace byla pro všechna měření stejná. V případě, že všechny systémy pracují správně, může být proveden běh motoru a s ním spojené měření. Na začátku každého běhu je vytvořen adresář, kam budou naměřená data ukládána, je zkontrolována činnost systému LabView a jsou spuštěny záznamové prvky. Následuje start motoru, který je proveden dvousekundovým přidržením startovacího tlačítka. Po dosažení určitých otáček se automaticky zapne palivo-olejové čerpadlo a systém zapalování. Po zažehnutí paliva dochází ke zvyšování otáček, je nutné zmínit, že stále za pomoci startéru. Ten se samovolně vypne při dosažení ot/min. Po odpojení startéru následuje prudký náběh do předem stanovených maximálních otáček. Celý běh trvá 58±2 sec. Po uplynutí této doby dochází k automatickému vypnutí palivo-olejového čerpadla, přerušení 3 Obrázek je převzat a upraven [2]

4 dodávky paliva a zastavení turbokompresoru. Doba od vypnutí palivo-olejového čerpadla do úplného zastavení, tedy doba doběhu, je po určitém počtu měření zaznamenána. Pomocí tohoto údaje je kontrolován technický stav ložisek. Pro měření byly vytvořeny různé palivové směsi založené na míchání základních paliv (benzin B95 a letecký petrolej JET-A1) s alternativními palivy (etanol E85 a MERO). Složení jednotlivých směsí je zřejmé z Tabulky 1. S jednou palivovou směsí probíhaly vždy tři běhy. První běh sloužil k propláchnutí palivové soustavy, aby bylo zajištěno její úplné zaplavení požadovanou směsí. Následující dva běhy sloužily k samotnému měření. Důležité je zmínit, že před zahájením každého běhu motoru musí být otáčky turbokompresoru nulové. Název paliva Výhřevnost [MJ/kg] Hustota [Kg] Jet - A1 Benzin MERO Etanol Jet - A1 95% a E85 5% Jet - A1 90% a E85 10% Jet - A1 95% a MERO 5% Jet - A1 90% a MERO 10% Jet - A1 80% a MERO 20% B95 95% a E85 5% 35,0 810,0 46,0 730,0 39,3 882,0 29,7 789,0 34,7 809,0 34,5 807,9 35,2 813,2 35,4 817,2 35,9 824,4 45,6 733,0 Tabulka 1: Palivové směsi VYHODNOCENÍ MĚŘENÍ Naměřená data jsou zaznamenána do binárních souborů se vzorkovací frekvencí 50 Hz, tedy 50 vzorků za sekundu. Binární soubory je možné pomocí volně přístupného konvertoru od společnosti National Instruments překonvertovat do souborů spustitelných v tabulkovém procesoru Microsoft Excel. V tabulkovém procesoru jsou pak data pomocí vytvořeného VBA skriptu průměrována a filtrována do prezentovatelné formy (padesát vzorků je zprůměrováno do jednoho, což sice částečně potlačí dynamiku, zato zkrátí záznam z cca 3600 řádků na cca 120). Dále jsou vytvořeny průměrné hodnoty ze dvou měření, která byla prováděna pro každou palivovou směs (viz. kapitola Postup měření). Z průměrných hodnot jsou pak vytvořené přehledné grafy, kdy každý graf umožňuje znázornění vlivu paliv na sledovanou veličinu. Pro jednoduchou názornost byly ze sledovaných veličin do této práce vybrány následující: průtok paliva Graf 1, otáčky turbokompresoru Graf 2 a teplota za turbínou Graf 3. Hmotnostní průtok paliva poskytuje informaci o spotřebě paliva, otáčky turbokompresoru odrážejí výkon dosažený s daným palivem a teplota za turbínou je sledována z důvodu dodržení max. povolených hodnot stanovených výrobcem. Z grafů vyplývá, že se směsí o koncentraci 80% leteckého petroleje a 20% koncentrací paliva MERO bylo dosaženo nejvyšších otáček, současně s nejvyšší spotřebou. Při použití této směsi byl zaznamenán velký teplotní ráz, který překročil 1200 C. Výrobce nedoporučuje překračovat teplotu 1000 C po dobu delší než 3 s, což bylo splněno. Navzdory tomu jsou s použitím paliva MERO spojeny jisté obtíže. U tohoto paliva dochází s poklesem teploty ke zvyšování viskozity, dále při dlouhodobém skladování vlivem oxidace degraduje a vznikají v něm pevné částice. Nejzávažnějším problémem je ale jeho reakce s pryžovými těsněními. Při dlouhodobějším používání dochází k naleptání těsnění palivové soustavy a tedy k ohrožení chodu motoru. [3] Letecký petrolej JET A1 vykazoval podobný průběh veličin jako předchozí směs, přičemž nezpůsoboval takový teplotní ráz na počátku. Naproti tomu způsoboval vyšší teplotu při ustálených otáčkách. S čistým benzinem B95 bylo při dané konfiguraci motoru dosaženo dlouhodobě nižších teplot a spotřeby, ale také nižších otáček. Při použití směsi benzinu B95 a etanolu E85 se již při 5% koncentraci nepodařilo motor rozběhnout do ustálených otáček. Bohužel pouze na základě informací získaných při tomto měření nelze jednoznačně určit, která z použitých směsí paliv je nejvhodnější. Možný vliv na dosažené otáčky turbokompresoru má mnoho faktorů, jako viskozita, způsob rozprášení paliva ve spalovací komoře a podmínky spalování.

5 8 10, ,4 17,8 20,3 22,7 25,2 28,7 32,3 36,1 39,8 43,6 47,5 51,1 54, , ,4 0,7 3,6 6,5 9,5 12,5 15,4 18,3 21,2 24, ,3 36,8 41, ,4 54,7 58,6 62,6 65,4 68,3 71,2 otáčky turbokompresoru [ot/min] 12,5 14,4 16,4 18,3 20,3 22,2 24,2 26,3 29,4 32,3 35,4 38,3 41,4 44,4 47,5 50,4 53, ,6 61,3 63,5 průtoky paliva [kg/s] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 JetA1 _100 JetA1_80_MERO_20 B95_100 0,2 0 Graf 1: Hmotnostní průtoky paliva čas [s] Graf 2: Otáčky turbokompresoru JetA1 _100 JetA1_80_MERO_20 B95_100 čas [s] T 5 [ C] JetA1 _100 JetA1_80_MERO_20 B95_100 Graf 3: Teploty za turbínou čas[s]

6 ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Cílem měření bylo prokázat možnost použití alternativních paliv pro provoz turbokompresorových motorů. Z výsledků vyplývá, že lze použít široké spektrum paliv a jejich směsí. Bohužel nelze s určitostí prokázat, které palivo nebo směs je pro použití nejlepší. K vyhodnocení nejefektivnějšího paliva by bylo nutné pro každé měření dodržet stejných otáček a v závislosti na nich porovnávat spotřebu. Poté by bylo možné stanovit s jakým palivem má motor nejvyšší účinnost. PODĚKOVÁNÍ Poděkování patří vedoucímu katedry konstruování energetických strojů a zařízení na FST ZČU Ing. Zdeňku Jůzovi, Ph. D., MBA za možnost účastnit se tohoto projektu, dále Ing. Romanovi Gášpárovi za mnohé konzultace při zpracování práce a také pplk. Ing. Jiřímu Pečinkovi, Ph. D. za zprostředkování měření. LITERATURA Knižní publikace: [1] AL-7F-1, M. Technický popis. Praha: Ministerstvo národní obrany, [2] PEČÍNKA, J. Zkušební stanoviště JPM-TS-20 - Diplomová práce. Brno: [3] HOCKO, M. Transformace leteckých turbokompresorových motorů na turbokompresorové motory průmyslového a dopravního využití. Plzeň: Publikace ve sborníku konference: [4] PEČÍNKA, J. A. JÍLEK a G. T. BUGAJSKI. GT : Experimental evaluation of small GTE test BED. In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Expositions. Düsseldorf: 2014.