Univerza v Ljubljani

Fakulteta za strojništvo

Aškerčeva 6

1000 Ljubljana, Slovenija

telefon: 01 477 12 00

faks: 01 251 85 67

www.fs.uni-lj.si

e-mail: dekanat@fs.uni-lj.si

Katedra za energetsko strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Hidrodinamični prenosnik moči – delovanje

in karakteristike

Laboratorijska vaja

Avtor: Mitja Mori

Matej Panjan

Ljubljana, december 2011

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 1

1. CILJI VAJE

Pojasniti delovanje hidrodinamičnega prenosnika moči (HPM);

Pokazati in komentirati funkcijo HPM v različnih aplikacijah;

Izvesti meritev delovanja HPM in rezultate preračuna prikazati v obliki

dimenzijskega diagrama;

2. Princip delovanja HPM

Hidrodinamični prenosnik je naprava, ki omogoča prenos moči med dvema rotirajočima

gredema z različnimi vrtljaji. Dan danes poznamo več izvedb hidrodinamičnih prenosnikov

moči. Njihovo delovanje nam najbolje predstavi slika 1, na kateri vidimo, da dizelski motor

poganja vodno črpalko. Ta črpalka nato preko cevi črpa vodo v vodno turbino, na katero je

pritrjen ladijski vijak. S tem zgubimo togo povezavo med pogonsko in gnano gredjo,

preprečimo škodljive sunke ter prenašamo vhodno moč.

Slika 1: Princip delovanja HPM

Namen hidrodinamičnega pretvornika je brezstopenjsko prilagajanje vrtljajev in vrtilnega

momenta med pogonskim in delovnim strojem. Pri tem je lahko delovni stroj elektromotor,

dizelski ali bencinski motor ter plinska, parna ali vodna turbina. Za vse pogonske stroje je

značilno, da imajo konstantne vrtljaje in vrtilni moment. Delovni stroj je lahko na primer

črpalka, propeler, ventilator, transportna naprava ali dvigalo. Po navadi imajo delovni stroji

veliko zagonsko vztrajnost. Za premagovanje le-te so ob začetku zagona potrebni nizki vrtljaji

ter velik vrtilni moment. Ko premagamo omenjeno vztrajnost, pa potrebujemo višje vrtljaje

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 2

ter manjši vrtilni moment. S tem lahko rečemo, da je hidrodinamični prenosnik moči neke

vrste pretvornik moči, ki moč iz konstantnih vrtljajev in vrtilne frekvence na pogonski gredi

pretvarja v vrtljaje in vrtilni moment na gnani strani.

Hidrodinamični prenosnik moči je zgrajen iz črpalnih, turbinskih ter vodilnih lopatic,

katere povezuje tok olja, redkeje vode. Konstrukcija je obdana s kompaktnim ohišjem, ki

celoten sistem obvaruje pred zunanjimi okoliskimi vplivi (slika 2).

Slika 2: Hidrodinamični prenosnik moči v prerezu

Zaradi segrevanja olja oz. vode so po obodu ohišja nameščena hladilna rebra za odvod

toplote v okolico. V ohišje sta speljani dve gredi za priklop pogonskega in delovnega stroja.

Gred pogonskega stroja je povezana s črpalnimi lopaticami, gred delovnega stroja pa s

turbinskimi. Lopatice vodilnika so pritrjene na ohišje, ponavadi pa jim je možno spreminjati

naklon. Olje, ki se uporablja je olje majhne viskoznosti. Zaradi segrevanja se le tega ponavadi

hladi s hladilnim sistemom ter že omenjenimi rebri na ohišju. Iz slike 2 je razvidna ''pot'' olja,

ki se začne v notranjosti črpalnega kolesa. Zaradi vhodnih vrtljajev, ki poganjajo črpalno kolo

se olje centrifugalno pospeši v radialni smeri navzven proti turbinskim lopaticam. Pri tem je

vrtilni moment na črpalnih lopaticah enak Č

M , njeni vrtljaji pa so Č

n . Olje nato v njih izgubi

del svoje kinetične energije, s čemer na gredi povzroči izstopni vrtilni moment turbine TM ter

vrtljaje Tn . V zadnjem koraku prepotuje še tretji del, lopatice vodilnika. V njih se tok olja

usmeri v smeri, ki je najbolj optimalna za vnovični vstop v lopatičje črpalnega rotorja.

Za celoten prenosnik moči velja ravnotežje vrtilnih momentov pri katerem je seštevek vseh

treh momentov na črpalnih, turbinskih ter vodilnih lopaticah enak nič (en. 1).

0 VTČMMM (1)

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 3

Pri tem je vrtilni moment črpalke lahko večji, enak ali manjši od vrtilnega momenta turbine.

Zaradi tega se lahko vrtljaji črpalke precej razlikujejo od vrtljajev turbine, kajti med črpalko in

turbino ni nobene mehanske povezave, slika 3A.

Poleg hidrodinamičnega prenosnika moči poznamo še hidrodinamično sklopko ter

zavoro. Njuno delovanje je zelo podobno prenosniku moči. V zgradbi se razlikujeta le v tem,

da ne vsebujeta vodilnih lopatic. Hidrodinamično sklopko uporabljamo predvsem za dušenje

nihanj in sunkov, zato se uporablja pri različnih strojih kot zaščita v primeru sunkovitih

preobremenitev. Za sklopko je značilno, da je T Č

M M ter T Č

n n , slika 3B. Pri

hidrodinamični zavori kot tretji izvedbi pa priključimo samo vhodno črpalno gred. Turbinske

lopatice so pri tem del ohišja. Z njimi dušimo tok olja, ki ga povzročimo s črpalnim delom.

Glede na to, da gre v tem primeru za veliko hidrodinamično trenje se nosilna tekočina veliko

bolj greje, tako da je potrebno njeno aktivno hlajenje, slika 3C.

Slika 3: Delovanje hidrodinamičnega prenosnika moči

A- Prenosnik moči, B- Sklopka, C- zavora

Č- Črpalka, T- Turbina, V- Vodilnik

2.1. Karakteristike HPM

Karakteristike hidrodinamičnega pretvornika so odvisne od moči na vhodni ter izhodni gredi.

Pri tem sta definirani kot:

ČČČ

MP (2)

ter

TTT MP (3)

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 4

Če bi obravnavali idealen prenosnik bi veljalo, da je vhodna moč enaka izhodni. Če pa

upoštevamo še notranji izkoristek dobimo naslednjo povezavo med vhodno in izhodnjo

močjo:

ČT MM , 10 (4)

Iz prejšnjih enačb izpeljemo izkoristek v odvisnosti od momentov in vrtljajev obeh gredi:

Č

T

Č

T

Č

T

Č

T

Č

T

n

n

M

M

M

M

P

P

(5)

2.1.1. Dimenzijski diagram

Slika 4 predstavlja diagram poteka karakterističnih veličin turbine v odvisnosti od njene

vrtilne frekvence. Pri konstantem vrtilnem momentu črpalke .Č

M konst in konstantni vrtilni

frekvenci Č

n je pri zagonu vrtilna frekvenca turbine enaka nič 0Tn , njen moment turbine pa

največji ,T T MAXM M . Največji je tudi vrtilni moment, ki ga mora prevzeti vodilnik

,V V MAXM M . Z naraščajočimi vrtljaji turbine se vrtilni moment turbine TM manjša, manjša se

tudi vrtilni moment vodilnika VM , veča pa se izkoristek hidrodinamičnega prenosnika moči.

Vodilnik ima torej dvojno vlogo: usmerja tok delovne snovi pred vstopom v črpalko in

prevzema razliko vrtilnih momentov med črpalko in turbino. Pretvornik moči lahko v

različnih izvedbah deluje kot reduktor, menjalnik ali kot multiplikator.

Slika 4: Dimenzijski diagram HPM, Error! Reference source not found.

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 5

2.1.2. Brezdimenzijski diagram

Po sliki 5 sodeč lahko rečemo, da je brezdimenzijski diagram po obliki dokaj podoben

dimenzijskemu. Pri tem uporabljamo na oseh vrednosti, ki so brezdimenzijske kar pomeni, da

so računane s pomočjo razmerij med dvema vrednostima.

Slika 5: Brezdimenzijski diagram HPM

Na abscisni osi se nahaja razmerje vrtljajev , ki ga izračunamo kot:

Č

T

Č

T

n

n

(6)

Na ordinatni osi pa izrišemo:

Razmerje momentov:

Č

TM

M

M (7)

Razmerje moči:

Č

TP

P

P (8)

Močnostno število:

Č

Č

D

M5

(9)

Pri tem je D premer črpalnega rotorja ter r pretok olja čez lopatice. Ker sta pri

hidrodinamičnem prenosniku moči moment in vrtljaji vhodne gredi konstantni, je tudi

močnostno število konstantno.

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 6

Razmerje trenutnega momenta z njegovo najvišjo vrednostjo:

MAXi

i

M

M

, (10)

Razmerje trenutnega izkoristka z njegovo najvišjo vrednostjo:

MAXi

i

,

(11)

3. OPIS PREIZKUŠEVALIŠČA

Demonstracijski HPM je v grobem sestavljen iz petih večjih sklopov.

- Prvi sklop je obstoječ okrov ali posoda iz pleksi stekla, v kateri se nahajata črpalka in

turbina.

- Da smo omogočili čim bolj točen tek pogonske in odgonske gredi, smo uporabili z vsake

strani po eno uležajenje z dvema krogličnima ležajema.

- Za pogon gredi smo uporabili tretji sklop, dva trifazna elektromotorja krmiljena s

frekvenčnima pretvornikoma.

- Vse skupaj stoji na mizi z aluminijastih profilov, na katero sta bili nameščeni dve

elektro omarici z električnim delom naprave.

- Na napravo so nameščeni senzorji za merjenje fizikalnih veličin kot so sila, vrtljaji in

temperatura. Opisano konstrukcijo naprave prikazuje slika 6.

Slika 6: Demonstricijski HPM

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 7

V notranjosti posode (Slika 7), ki jo prikazuje se nahajajo vodilnik (zelena barva) ter črpalno

(rdeča barva) in turbinsko kolo (modra barva).

Slika 7: Posoda HPM

Na sliki Slika 8 je prikazano turbinsko kolo z odgonsko gredjo.

Slika 8: Turbinsko kolo in odgonska gred

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 8

Ker se del prenešene energije v HPM pretvori v toploto se olje, ki je uporabljeno kot medij za

prenos energije med črpalnimi in turbinskimi lopaticami segreje. Zaradi segrevanja se olju

poveča volumen, kar privede do povečanja tlaka v posodi. Tako se nosilna plošča turbinskega

kolesa nasloni na ohišje in povzroči tako veliko trenje, da pride do popolne zaustavitve

odgonske gredi. V nadaljevanju se zasilno zaustavi tudi njen elektromotor.

Da bi se izognili temu pojavu smo skonstruirali in izdelali oddušnik. Privijačen je na gornji

strani posode pretvornika kar prikazuje slika 9.

Slika 9: Oddušnik z Pt100 uporovnim

Pogonska in odgonska gred sta gnani na enak način. Obe gredi in motorja sta bila medsebojno

povezani s parkljastima sklopko z namenom, da izenačimo rahla odstopanja v nesoosnosti

gredi. Glede na način merjenja trenutnega momenta motorja, kjer merimo momentno reakcijo

v vpetju motorja je le ta prosto vrtljivo vpet. Ta prosta vrtljivost je bila izvedena na dokaj

preprost način.

Slika 10: Vpetje motorja

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 9

4. Merilno krmilni sistem

Merilni sistem smo zasnovali tako, da je možno celoten proces meritve opraviti preko

računalnika. Celoten sistem sestavljata dve elektro omarici. V prvi sta nameščena frekvenčna

pretvornika Siemens Micromaster 440, s katerima poganjamo motorja pogonske in odgonske

gredi. V drugi omarici pa je nameščen 24V napajalnik, podnožje z merilnimi karticami, Pt100

pretvornik ter vrstne sponke. Merilne kartice so zasnovane kot moduli, ki jim je omogočena

hitra vgradnja v podnožje. Vse skupaj je razvidno iz slike 11.

Slika 11: Merilno krmilna omarica

4.1. Program za merjenje izkoristka HPM

Skoraj vsak program v programskem jeziku Labview je tako kot vsi ostali programi sestavljen

iz osnovnih zank kot so while, if, for, itd. Znotraj njih nato določimo točne procedure izvajanja.

Med seboj neodvisni dogodki in zanke so:

Krmiljenje naprave in zajem podatkov ter njihova obdelava.

Zapis trenutnih krmilnih ukazov na frekvenčna pretvornika.

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 10

Merjenja analognih signalov s senzorjev.

Merjenje vrtljajev črpalke.

Merjenje vrtljajev turbine.

Merjenje sile na silomerih.

4.2. UPORABNIŠKI VMESNIK

Za končnega uporabnika je najbolj pomemben grafični vmesnik, kjer lahko med meritvijo

spremlja trenutne izmerjene vrednosti, karakteristike in stanje meritve. Prav tako lahko pred

meritvijo nastavi vse potrebne parametre kot so vrtljaji črpalke, velikost koraka vrtljajev

turbine, čas izravnave vrtljajev, način merjenja in zvočno opozarjanje ob zajemu.

Slika 12: Grafični vmesnik

Na Slika 12 je prikazan grafični vmesnik, ki ga uporabljate za izvedbo vaje. Omogoča nam

spreminjanje:

- Vrtljajev turbine, nT

- Vrtljajev črpalke, nČ

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 11

- Imen direktorijev za shranjevanje podatkov (''direktorij za shranjevanje'')

- Imen skupin (''Skupina'')

Grafični vmesnik služi kot krmilnik frekvenčnih regulatorjev, preko njega pa je možno tudi

shranjevati želene parametre nastavljenih merilnih točk. Dodatno se nam v desnem zgornjem

kotu izrisuje dimenzijski diagram, ki predstavlja glavni rezultat meritev karakteristike HPM.

... pred meritvijo, ko HPM še miruje umerite senzorje (s tem postavite vrednosti na ničelno vrednost).

... s pritikom na ta gumb zajameemo vse potrebne izmerke in jih zapišemo v tabelo.

... shranemo podatke in pripadajoč diagram v tekstovno oziroma grafično obliko.

... če želimo narediti več setov meritev, nam ta gumb služi za kreiranje novega lista, kamor se bodo zapisovali novi izmerki in rezultati

Meritve izvajamo po spodnjem protokolu in samo ob prisotnosti asistenta.

5. IZVEDBA VAJE

Naš namen v vaji je izmeriti osnovne veličine pri delovanju HPM in na podlagi le-teh

narediti izračun ter izrisati dimenzijski diagram za HPM pri določenih vrtljajih črpalke.

Slika 13: Rezultat meritev karakteristik HPM

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 12

5.1. PROTOKOL MERITVE

1. Zaženite program ''HPM.exe', ki je lociran na namizju.

2. Prikaže se vam uporabniški vmesnik kot je prikazan na Slika 12.

3. Vrtljaje črpalke nastavimo na konstantno vrednost: 200, 240, 280, 320, 360, 400 min-1.

Vrednost vam pove asistent.

4. Meritve izvajate od razmerja vrtljajev turbine glede na črpalko 0,2 do 1. Število

korakov izberete tako, da bo vsak študent izračunal nato eno merilno točko in izračun

oddal v obliki poročila, ki je prikazano v poglavju 6.

12,0 Č

T

n

n

5. Vsak študent si zapiše izmerke za eno merilno točko v tabelo v poročilu.

a. nČ / min-1: izmerjeni vrtaljaji črpalke;

b. nT / min-1: izmerjeni vrtaljaji turbine;

c. FČ / N: sila na elektromotorju črpalke;

d. FT / N: sila na elektromotorju turbine;

e. T / °C: temperatura olja;

6. Na podlagi izmerkov nato naredite izračun momentov in izmerke ter izračune vpišete v

ustrezno tabelo na računalniku (priskrbi asistent) in podate ustrezne komentarje.

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 13

6. POROČILO

predmet:

datum:

skupina:

študent:

vpisna št. ime in priimek podpis

6.1. Naloga

Izmeri potrebne veličine za določitev karakteristik delovanja HPM in jih prikaži v ustreznem

dimenzijskem diagramu (referenca).

Upoštevaj naslednje konstantne vrednosti:

Ročica za izračun momenta na elektromotorjih: r = 0,2

6.2. Izmerjene vrednosti veličina oznaka vrednost enota

1

2

3

4

5

6.3. Izračunane vrednosti

Razmerje vrtljajev: Č

T

n

n

Moč črpalke: ČČČ

MP

Moč turbine: TTT MP

Navor črpalke: rFMČČ

HIDRODINAMIČNI PRENOSNIK MOČI – KARAKTERISTIKE DELOVANJA 14

Navor turbine: rFM TT

Kotna hitrost: n 2

Izkoristek HPM: Č

T

Č

T

Č

T

Č

T

Č

T

n

n

M

M

M

M

P

P

Št. veličina oznaka vrednost enota

1

2

3

4

5

6

7

8