ČVUT v Praze Fakulta strojní Výzkumné centrum automobilů a spalovacích motorů Josefa Božka Měření rychlostního pole v turbínové skříni pomocí metody PIV Honeywell HTT0907178 ČVUT 43 09 057 Zpráva pro Honeywell, s.r.o. Autoři: Ing. Petr Hatschbach, CSc. Ing. Jan Novotný Adresa: ČVUT FS, U12241 Technická 4 CZ-166 07 PRAHA 6 Tel. +420 224 352 503 Fax: +420 224 352 500 e-mail: petr.hatschbach@fs.cvut.cz Praha, prosinec 2009 Zpráva Z 09 09-1 -
Obsah ZADÁNÍ ÚKOLU... 3 PRINCIP METODY PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY... 4 PŘÍPRAVA EXPERIMENTU... 6 Provedení optického přístupu do turbínové skříně... 6 Uspořádání experimentu... 9 Měření průtoku... 12 Sycení proudu částicemi... 17 Aparatura PIV... 18 VÝSLEDKY MĚŘENÍ... 20 ZÁVĚR... 24-2 -
Zadání úkolu Příprava experimentu: Provedení optického přístupu do turbínové skříně profrézování otvorů a výroba průzorů Připojení ke zdroji tlakového vzduchu, zhotovení nosné konstrukce Realizace sycení vzduchu částicemi Přistavení a seřízení vlastní měřicí aparatury PIV (Particle Image Velocimetry) Vlastní experiment: Měření rychlostního pole v jedné rovinné oblasti v turbínové skříni před vstupem do rozváděcích lopatek přesné umístění podle možností měřicí metody a specifikace zadavatele Vyhodnocení naměřených dat Zpráva z měření, včetně naměřených dat v elektronické podobě - 3 -
Princip metody Particle Image Velocimetry Metoda Particle Image Velocimetry (PIV) je relativně nová měřicí metoda. Během 80. let minulého století dozrál její vývoj z čistě laboratorní měřicí metody tak, že v roce 1988 firma TSI mohla přijít s prvním komerčním zařízením pro měření touto metodou. V současnosti patří spolu s firmou Dantec Dynamics k hlavním světovým výrobcům tohoto měřicího zařízení. Základní princip je patrný z obr.1: Obr. 1 Princip metody PIV Pomocí laseru a optiky s válcovou čočkou se z laserového paprsku vytvoří rovinná osvětlená plocha, tzv. laserový nůž. Kolmo k rovině laserového nože je umístěna kamera, kterou jsou ve dvou krátce po sobě následujících okamžicích t 1 a t 2 (záblesky pulzního laseru) osvětleny a následně zaznamenány polohy značkovacích částic. Z vyhodnocené vzdálenosti d, jakou částice urazí mezi dvěma časovými okamžiky t 1 a t 2, je možné rychlost V vypočítat podle známého vztahu: V = d t 2 t 1. Měřením metodou PIV lze tedy získat obraz okamžitého rychlostního pole (2 složky rychlosti) v určité rovinné oblasti dané laserovým nožem. Stereoskopické varianty uspořádání PIV umožňují vyhodnotit v této rovinné oblasti i třetí složku rychlosti kolmou k měřicí rovině. Frekvence měření jednotlivých polí rychlosti je omezena možnostmi kamery, laseru nebo kapacitou vstupního bufferu PIV procesoru a u běžných aparatur, mezi něž patří i naše zařízení, má obvyklou hodnotu asi 4 Hz. Při měření úloh vnitřní aerodynamiky metodou PIV je třeba zajistit poměrně rozsáhlý optický přístup k místu měření: úzkou štěrbinu (alespoň 5 mm) pro vstup laserového nože a - 4 -
obdélníkový průhled pro kameru. Důležitá je i úprava okolních povrchů snižující jejich odrazivost, aby se snížila úroveň nežádoucího šumu. Přestože je základní princip metody PIV velmi prostý, konkrétní uspořádání měření, skladby aparatury a způsoby vyhodnocování mohou být různé a často velmi náročné a komplikované. Zejména seřizování aparatury a vyhodnocování měření je velmi náročnou činností vyžadující značné zkušenosti. Na strojní fakultě ČVUT v Praze je aparatura PIV k dispozici již od začátku roku 2001 jako na prvním pracovišti v České republice. Podstatný je také fakt, že měřicí aparaturu od počátku ve své výzkumné činnosti používá několik stabilních pracovníků v různých oblastech aerodynamiky, nyní již tedy se značnými praktickými zkušenostmi, které není možné jiným způsobem získat. Aparatura je poměrně hodně využívána, a to nejen pro interní výzkumné úkoly, ale i pro zajišťování měření v jiných výzkumných a vývojových pracovištích a pro přímou spolupráci s průmyslem. K dispozici je široká škála optiky, různé typy laserů a dalších doplňků rozšiřujících možný rozsah použití nejen v rámci metody PIV, ale umožňujících i aplikaci hardwarově příbuzných metod (3D PIV, LIF, IPI). - 5 -
Příprava experimentu Provedení optického přístupu do turbínové skříně Po dohodě se zadavatelem bylo pro uskutečnění prvních měření rozhodnuto zvolit proměřovanou oblast v rovině kolmé k ose turbíny a ležící v polovině výšky natáčivých rozváděcích lopatek, a to v co největší oblasti hned za vstupem do turbínové skříně. Velikost a přesné umístění proměřované oblasti v této rovině bylo především limitováno možnostmi realizace optického přístupu k místu měření. Měření metodou Particle Image Velocimetry totiž vyžaduje jednak optický přístup pro osvětlení proměřované rovinné oblasti výsečí tzv. laserového listu a dále optický přístup ke snímání této osvětlené oblasti kamerou ze směru kolmého k proměřované rovině. Otvory pro zajištění optického přístupu k místu měření byly do turbínové skříně vyfrézovány a překryty průhledy vyrobenými z plexiskla o tloušťce 10 mm. S ohledem na prostorové možnosti na odlitku turbínové skříně a vzhledem k nutnosti připevnění průhledů do skříně šroubky byly otvory zhotoveny podle obr. 2, podrobněji na obr. 3. Obr. 2 Optický přístup k oblasti měření - 6 -
Obr. 3 Profrézování otvorů pro optický přístup - 7 -
Skutečný stav úpravy turbínové skříně je patrný z fotografie na obr. 4. Průhledy z plexiskla jsou k tělesu skříně přišroubovány šroubky M3. Demontovatelné průhledy jsou nutné, aby bylo možné v průběhu měření v případě potřeby provést jejich vyčištění. Obr. 4 Pohled na upravenou turbínovou skříň - 8 -
Uspořádání experimentu Měření mělo proběhnout při teplotě a tlaku v prostorách laboratoře, tj. přibližně 20 C a barometrickém tlaku. Schéma uspořádání experimentální tratě je na obr. 5: Obr. 5 Schéma experimentální tratě Jako zdroj stlačeného vzduchu, který proudí celým experimentálním zařízením, byl použit tlakový zásobník o objemu 10 m 3. Před započetím experimentu byl zásobník natlakován pomocí připojeného pístového kompresoru na přetlak 0,3 až 0,4 MPa. Na výstupu z tlakové nádoby, hned za uzavíracím kohoutem je umístěn redukční ventil LDM RV102V12-16/140-50 (DN50), který zajišťuje snížení tlaku vzduchu v nádobě na přetlak nastavovaný při vlastním měření a udržuje jeho konstantní úroveň. Vzduch je dále veden hadicí do clonkové tratě, která slouží k měření průtoku. Za clonkovou tratí je přiváděn vzduch se značkovacími částicemi atomizovaným olejem které jsou nutné, aby měření pomocí metody PIV bylo možné vůbec provádět. Dále opět pokračuje hadice o průměru DN 50 až k redukčnímu nástavci přišroubovanému k desce stojanu, na kterém je také umístěna proměřovaná turbínová skříň. Stojan je zhotoven z profilů 45x45 z hliníkového konstrukčního systému firmy Alutec K&K, pomocí kterých lze snadno dosáhnout pevné, přesné a přitom variabilní konstrukce. Deska v horní části stojanu, ke které jsou turbínová skříň i redukční nástavec přišroubovány, je z 10 mm plexiskla. Turbínová skříň je osazená rozváděcími lopatkami i s celým mechanismem pro jejich natáčení a oběžným kolem turbíny. Oběžné kolo bylo fixováno proti otáčení v pevné poloze. Rozváděcí lopatky byly nastaveny do polohy s nejvíce otevřeným průtokem na dorazu. Na výstup z turbínové skříně je šikmo nasazena plexisklová trubka, která má za úkol odvádět odcházející proud vzduchu stranou od osy turbíny, aby proudem nebyla zasažena kamera PIV. Celé uspořádání měření je patrné z fotografií na obr. 6, 7, 8 a 9. - 9 -
clonková trať notebook měření průtoku PC pro PIV tlakové snímače atomizér stativ s kamerou PIV stojan s turbínovou skříní laser PIV Obr. 6 Pohled na měření - 10 -
Obr. 7 Stojan s turbínovou skříní Obr. 8 Clonková trať a atomizér Obr. 9 Stojan s turbínovou skříní a PIV kamera - 11 -
Měření průtoku Clonková trať pro měření průtoku má jmenovitý průměr 60,3 mm a průměr clonkového kotouče 45,25 mm. Konstrukce i umístění clonkové tratě splňuje požadavky příslušné normy ČSN EN ISO 5167 (25 7710). Měření 2 tlakových rozdílů (rozdíl tlaku barometrického a tlaku před clonkou a rozdílu tlaků na clonce) bylo provedeno pomocí 2 spolehlivých a přesných kapacitních tlakových převodníků Honeywell obr. 10. Převodníky mají proudový výstup v rozsahu 4 20 ma, který byl ale hned v tělese převodníku pomocí přesného odporu 350 Ω převáděn na napěťový signál v rozsahu 1,4 7 V. Obr. 10 Tlakové převodníky Honeywell K měření napěťového signálu byla použita měřicí kartou National Instruments USB 6008. Jedná se o jednoduchou levnou 12-bitovou měřicí kartu s 8 jednostrannými nebo 4 diferenciálními analogovými vstupy a s maximální rychlostí vzorkování 10 ks/s obr. 11. Pro naše účely jsou tyto parametry zcela dostačující. Výhodou je snadné připojení k jakémukoliv PC s USB portem v praxi se nabízí využití notebooku, který se k experimentu vždy může přinést a během několika minut zapojit obr. 6 notebook pro měření průtoku je vlevo. Toto podporují i nasouvací svorkovnice (černé na obr. 11), které mohou mít nastálo přišroubované kabely od snímačů a na začátku měření se k vlastní měřicí kartě připojí jednoduše nasunutím. Obr. 11 Měřicí karta USB 6008-12 -
Pro provádění měření byla v prostředí systému NI Labview napsána měřicí aplikace, která slouží nejen k záznamu naměřených dat pro jejich další off-line zpracování, ale je možné také základní sledované parametry vypočítávat a posuzovat už během měření. Umožňuje se tím mimo jiné rychlejší reakce na případné odchylky nebo chyby při měření. Front panel měřicí aplikace je na obr. 12: Obr. 12 Front panel měřicí aplikace - 13 -
Obr. 13 Blokový diagram základní části měřicí aplikace - 14 -
Základní parametr, který je možné v měřicí aplikaci on line sledovat je hmotnostní průtok měřený clonkovou tratí. Na určitou hodnotu se průtok nastavuje na začátku měření a během celého měření se ponechává na konstantní. Tlakové rozdíly jsou přímo v každém okamžiku měřeny, další vstupní hodnoty se vkládají přes vstupní pole. Měření se provádí s nastavitelnou frekvencí opakování (typicky 2 Hz). Naměřené i vypočtené hodnoty jsou zobrazovaný ve formě okamžitých číselných hodnot, v případě hmotnostního průtoku i v grafu v závislosti na čase. Veškeré vstupní hodnoty, naměřené hodnoty tlakových rozdílů i vypočtený hmotnostní průtok se pravidelně okamžitě ukládají do textového souboru pro případné další zpracování. Blokový diagram základní části měřicí aplikace virtuálního přístroje - je na obr. 13. Součástí celé aplikace jsou i 2 podprogramy (tzv. subvi; VI = virtual instrument). První podprogram SubVI_Tlakovy_prevodnik_vi blokový diagram na obr. 14, slouží pro přepočet naměřené hodnoty tlaku z tlakového převodníku ve Voltech na jednotku tlaku kpa. Obr. 14 Blokový diagram SubVI_Tlakovy_prevodnik_vi Druhý podprogram SubVI_Clonkova_trat2.vi blokový diagram na obr. 15, obsahuje iterační výpočet hmotnostního průtoku měřeného na clonkové trati podle ČSN EN ISO 5167 (25 7710) pro případ proudění vzduchu o teplotě v rozsahu 0-100 ºC. - 15 -
Obr. 15 Blokový diagram SubVI_Tlakovy_prevodnik_vi - 16 -
Sycení proudu částicemi Jak již bylo u stručného popisu principu metody PIV řečeno, rychlost proudu tekutiny je měřena prostřednictvím měření rychlosti drobných částic unášených proudem. Pro značkování proudu byly zvoleny drobné kapičky oleje (d =2 µm) zaváděné do proudu vzduch hned za clonkovou tratí. Značkovací částice byly vyráběny ve speciálním zařízení přetlakovém atomizéru. Jedná se vlastně o tlakovou nádobu o objemu asi 5 l, která je u dna naplněna olejem cca 0,5 l. V nádobě je atomizační zařízení - fixírka s 5 tryskami. Atomizér má vlastní přívod tlakového vzduchu z malého pístového kompresoru, který musí mít nastavený vyšší přetlak než je v potrubí, do kterého je vzduch s atomizovanými částicemi přiváděn. Hmotnostní průtok vzduchu z atomizéru byl v celkové bilanci protékajícího vzduch zanedbáván, protože činil méně než 1% celkového průtoku. Na obr. 16 je atomizér černé těleso vlevo dole. Vpravo je clonková trať a na jejím konci (dole) je hadicí DN 25 přiváděn vzduch se značkovacími olejovými částicemi. Obr. 16 Tlakový atomizér - 17 -
Aparatura PIV Pro měření byla použita standardní sestava aparatury Particle Image Velocimetry od firmy Dantec Dynamicsv tomto složení: zdvojený pulzní Nd-YAG laser New Wave Gemini 15 (532 nm, 120mJ), kamera HiSense s rozlišením 2048x2048 bodů, objektiv Nikkor 60mm Synchronizační jednotka vyhodnocovacího software DynamicStudio for PIV. Detaily měřicí aparatury jsou na fotografiích na obr. 17 a 18. Obr. 17 Aparatura PIV pulzní laser a PIV kamera - 18 -
Obr. 18 Aparatura PIV celkový pohled - 19 -
Výsledky měření Měření bylo prováděno v rovině kolmé k ose turbíny a ležící v polovině výšky natáčivých rozváděcích lopatek. Přesnější umístění proměřované oblasti bude patrné na obrázku rychlostního pole dále. Tlakový spád na turbíně byl nastaven na hodnotu cca 2,75 kpa, tomu odpovídá hmotnostní průtok cca 240 kg/h Po otevření průtoku vzduchu a krátkém ustálení a kontrole měřených hodnot (cca 1 min) bylo provedeno vlastní měření rychlostního pole aparaturou PIV. Bylo zaznamenáno 100 dvojsnímků, ze kterých bylo vyhodnoceno rychlostní pole použitím adaptivní korelace, dalších validačních nastavení a konečně statistiky podle následující tabulky: Masked image Adaptive 64 50% Interrogation Area 64x64 Overlap 50% Number of refinement steps: 1 Initial step: 2 Final step: 2 Peak Validation Minimum peak height relative to peak 2: 1,1 Min. peak width: 2 Local Neighborhood Validation Use Moving Average 5x5 Acceptance factor 0,1 Iterations 3 Peak Relative to peak 2: 1,1 Moving Average Averageing area: 5x5 Acceptance factor: 0,2 Iterations: 3 Vector Statistics Validate on boundary Σ All valid vectors (incl. Substituted) Výsledné pole vektorů rychlostí s probarvením podle velikosti vektoru rychlosti je uvedeno na obr. 19, v detailu na obr. 20. Nastavení lopatek na obr. 19 a 20 neodpovídá skutečnému nastavení při experimentu. Poloha lopatek byla převzata z geometrických dat, která sloužila k určení umístění průhledů a neumožňovala provádět natáčení lopatek. Ve skutečnosti bylo otevření lopatek maximální, omezené nastavením dorazu a tedy mnohem větší, než je na obr. 19 a 20. Pro informaci je na obr. 21 jeden snímek částic. S dalším, podobným snímkem pořízeným v krátkém časovém okamžiku za prvním snímkem tvoří tzv. dvojsnímek. Z těchto dvojsnímků se pak výše uvedeným postupem vyhodnotí rychlostní pole v měřené oblasti. - 20 -
Obr. 19 Naměřené rychlostní pole (240 kg/h, dp=2,76 kpa) - 21 -
Obr. 20 Naměřené rychlostní pole (240 kg/h, dp=2,76 kpa) detail - 22 -
Obr. 21 Ukázka 1 snímku značkovacích částic - 23 -
Závěr V rámci prací na zadaném úkolu byla ověřena možnost použití metody Particle Image Velocimetry na měření rychlostního pole v turbínové skříni turbokompresoru za značně zjednodušujících podmínek stacionární proudění, běžná teplota okolí, nižší rychlost a průtok. Dalo by se říci, že se jednalo o standardní měření ve vnitřní aerodynamice, tj. s některými obvyklými, ale řešitelnými problémy především s optickým přístupem (odrazy, usazování olejových kapiček značkovacích částic na průhledech atd.). Lze očekávat, že by bylo možné provést se stávajícím zařízením za stacionárních podmínek celou sérii měření při různých otevřeních rozváděcích lopatek a dostat se i na vyšší hodnoty tlakového spádu a hmotnostního průtoku. Zřejmě nejnáročnější částí případných dalších měření bude příprava průhledů do míst požadovaného měření. Pokud se připustí zásah i do výstupního hrdla, tak by bylo možné i větší přiblížení proměřované oblasti k rozváděcím lopatkám, tj. k místu, které je z hlediska porovnání s výsledky numerických simulací zajímavější a důležitější než dosavadní proměřovaná oblast. Takto získané podklady by mohly být použity jako počáteční podmínky a pro validaci numerických simulací odpovídajících případů proudění. - 24 -