Laboratoř vnitřních proudění

Oddělení:   Oddělení D 1 – Dynamika tekutin
Vedoucí:   doc. Ing. Martin Luxa, Ph.D.

Moderní a konkurenceschopné energetické strojírenství musí vyrábět stroje s vysokou účinností přeměny energie, ke které v nich dochází. Důležitá je také jejich dlouhá životnost a spolehlivost v náročném provozu. Tyto požadavky nelze zajistit bez moderních vědeckých informací z řady oborů aplikované mechaniky a nauky o materiálu. Nepostradatelnou disciplínou je zde vnitřní aerodynamika, kterou se zabývá právě naše laboratoř. Jsme zaměřeni především na to, jak proudí stlačitelná tekutina v uzavřených kanálech rozličných tvarů. Dále například i na to, jak se vzájemně ovlivňují proudící tekutina a kmitající těleso. Zajímavé jsou také teoretické výzkumy proudění stlačitelných tekutin, které nelze pokládat za tekutiny ideální. Experimentální část naší laboratoře se nachází na detašovaném pracovišti Aerodynamické laboratoře v Novém Kníně. Tam experimentálně zkoumáme vysokorychlostní proudění vazké stlačitelné tekutiny v rovinných a radiálních turbínových nebo kompresorových mezilopatkových kanálech, ejektorech, ventilech a dalších vnitřních kanálech energetických strojů. Naše laboratoř úzce spolupracuje s Laboratoří výpočetní mechaniky tekutin.

Trojrozměrné transsonické proudové pole v okolí tlumicí opěrky tie-boss u velmi dlouhých turbínových oběžných lopatek

Výzkum zahrnuje teoretická řešení, měření a CFD simulace proudění v modelech lopatkových mříží s různými variantami tlumící opěrky. Naměřená data srovnáváme s parametry proudového pole v mezilopatkovém kanálu bez vloženého tie-bossu. Získané informace posléze směřují k návrhům nových tvarů, u kterých je dosahováno nižších ztrát kinetické energie a celkového tlaku. Konečným důsledkem je zvýšení účinnosti turbíny.

Na obrázku 1 vidíme zviditelnění povrchových proudnic v okolí poměrně masivní varianty tlumicí opěrky. Oblast odtržení, označená v obrázku 1 písmenem (a), je zřetelně vidět. Tato separační bublina vzniká interakcí výstupní rázové vlny za tlumicí opěrkou s mezní vrstvou na spoji mezi opěrkou a povrchem sousední lopatky. Separační oblast je pravděpodobně zavířená a je příčinou nárůstu ztrát. Jiným důsledkem přítomnosti opěrky v mezilopatkovém kanálu je viditelné zakřivení oblasti interakce výstupní rázové vlny s mezní vrstvou na podtlakové straně sousedícího profilu.

Zviditelnění povrchových proudnic v okolí poměrně masivní varianty tlumicí opěrky. Oblast odtržení, označená v Obrázku 1 písmenem (a), je zřetelně vidět.

Obrázek 1

 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail):

Ing. Tomáš Radnic, 266052072, radnic@it.cas.cz

Reference:

Radnic T., Hála J., Luxa M., Šimurda D., Fürst J., Hasnedl D., Kellner J.: Aerodynamic Effects of Tie-Boss in Extremely Long Turbine Blades, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power-Transactions of the ASME, 2018, Roč. 140(11), 112604, ISSN 0742-4795.
http://gasturbinespower.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2681087
doi: 10.1115/1.4040093

Projekt: TA03020277- Aerodynamika extrémně zatížených profilových mříží, TAČR 2013-2016

 

Trojrozměrné transsonické proudové pole v blízkosti bočních stěn u turbínových lopatek

V blízkosti bočních stěn, na povrchu rotoru nebo skříně turbíny je proudění mezi lopatkami ovlivněno mezní vrstvou, která na těchto stěnách vždy vzniká. Průchodem této mezní vrstvy mezilopatkovými kanály vzniká celá řada vírových struktur, které významně mění aerodynamické charakteristiky mezilopatkových kanálů. Složitost problému vyžaduje užití všech metod aerodynamického výzkumu, tj. teoretických řešení, měření i CFD simulací. Ze získaných dat a výsledků je možné identifikovat jednotlivé vírové struktury, určit jejich původ, vývoj, rozsah a vliv na aerodynamické charakteristiky daného modelu. Díky lepšímu pochopení struktur vznikajících v blízkosti bočních stěn je možné upravit návrh lopatek turbín a průtočných kanálů tak, aby byl vliv těchto struktur minimalizován. Konečným důsledkem je zvýšení účinnosti turbíny.

Na obrázku 2 vidíme dva řezy proudovým polem na výstupu z lopatkové mříže. Jeden řez odpovídá supersonické výstupní rychlosti a druhý subsonické. V řezech jsou patrné víry vznikající u bočních stěn měřicího prostoru, s nimi jsou spojené ztráty využitelné energie.

 

Dva řezy proudovým polem na výstupu z lopatkové mříže.

Obrázek 2

 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail):

Ing. David Šimurda, Ph.D., 266053352, simurda@it.cas.cz

Reference:

Šimurda D., Fürst J., Hála J.: Near-Wall Flow in the Blade Cascades Representing Last Rotor Root Sections of Large Output Steam Turbines, J. Therm. Sci., 30, 220–230 (2021).
https://doi.org/10.1007/s11630-020-1246-x

Šimurda D., Fürst J., Luxa M.: 3D flow past transonic turbine cascade SE 1050 — Experiment and numerical simulations, J. Therm. Sci., 22, 311–319 (2013).
https://doi.org/10.1007/s11630-013-0629-7

Projekty:

    • TH02020057- Profilové turbínové mříže pro supersonická proudová pole, TAČR 2017-2020
    • GAP 101/10/1329- Numerický a experimentální výzkum proudění v axiálních turbínových mřížích, GAČR 2010-2013

 

Transsonické proudění v kompresorech

Experimentální výzkum stlačitelného proudění v axiálních kompresorech je velice důležitý ale složitý problém vnitřní aerodynamiky: v aerodynamickém tunelu totiž nutíme tekutinu proudit z oblasti s nižším tlakem do oblasti s tlakem vyšším. Chceme-li zachovat při experimentálním modelování podmínky přenosu naměřených dat na skutečné dílo, musíme nejen složitě regulovat výstupní tlak, ale často i odsávat tekutinu z bočních stěn měřicího prostoru a z bočních stěn mezilopatkového kanálu, abychom zabránili vzniku rozsáhlých oblastí odtržení proudu, které by znehodnocovaly naměřené údaje.

Na obrázku 3 vidíme interferogram části proudového pole mezi transsonickými kompresorovými profily. Ke stlačení plynu dochází především v kolmé rázové vlně (v levé části fotografie). Náš výzkum probíhá v současnosti především ve spolupráci s jihokorejskou firmou Doosan Heavy Industry & Construction Ltd. v Soulu, ale je podporován například též projektem Technologické agentury ČR.

Interferogram části proudového pole mezi transsonickými kompresorovými profily.

Obrázek 3

 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail):

Ing. David Šimurda, Ph.D., 266053303, simurda@it.cas.cz

Reference:

Šimurda D., Luxa M., Šafařík P.: Aerodynamic Research on the MCA-Type Compressor Blade Cascade, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air, Volume 7: Turbomachinery, Parts A, B, and C, Glasgow, UK, June 14–18, 2010, pp. 99-108, ASME.
https://doi.org/10.1115/GT2010-22153

Projekty:

    • TK03030121 KOBRA- Koncepční návrh bezpečnostního systému pro plynem chlazené jaderné reaktory, TAČR, 2020-2024
    • Komerční zakázky pro Doosan Heavy Industry & Construction Ltd. Soul, Jižní Korea

 

Ventily

Mimo proudění mezi lopatkami turbín a kompresorů zkoumáme experimentálně i proudění v různých sestavách regulačních a rychločinných ventilů, které jsou nezbytnou součástí velké většiny energetických celků. Náš výzkum v této oblasti má dopad na účinnost energetických zařízení, na jejich životnost, spolehlivost a pořizovací cenu. Vedle měření ztrát a hmotnostních toků apod. se často soustředíme i na měření nestacionárních a oscilačních tlakových jevů, které se ve ventilových sestavách často vyskytují a jsou nebezpečné.

Na obrázku 4 vidíme model jedné ze složitých sestav ventilů, kterou jsme měřili pro firmu Doosan Škoda Power, s.r.o. v Plzni. Videonahrávka ukazuje vizualizaci povrchových proudnic u podélně stáčivého proudového pole za výstupem z ventilové komory u tohoto ventilu.

Model jedné ze složitých sestav ventilů.

Obrázek 4

 

Video 1

 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail):

Ing. David Šimurda, Ph.D., 266053303, simurda@it.cas.cz

Reference:

Sláma V., Mrózek L., Rudas B., Šimurda D., Hála J., Luxa M.: Experimental and Numerical Study on Pressure Losses and Flow Fluctuations in a High-Pressure Valve Assembly of Steam Turbine Governing System, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Volume 9: Oil and Gas Applications; Organic Rankine Cycle Power Systems; Steam Turbine, Virtual, Online, September 21–25, 2020, V009T23A007, ASME.
https://doi.org/10.1115/GT2020-14474

Projekt: Národní centrum kompetence TAČR č. TN01000007- Optimalizace provozních parametrů energetických celků a jejich klíčových komponent, 2019-2021

 

Profily pro supersonická proudová pole

Naše unikátní experimentální zařízení umožňuje měřit též transsonická a supersonická proudová pole mezi velmi málo prohnutými profily špiček dlouhých oběžných lopatek různých energetických strojů. Jeden z našich výzkumů se zaměřil dokonce na výzkum supersonických proudových polí mezi deskovými profily. Protože v části turbíny, kde se tyto moderní profily mají použít, dochází často již ke kondenzaci vodní páry, bývají tyto profily po určité době provozu stroje opotřebovány erozí od malých vodních kapiček. Je potřeba náběžné části profilu tudíž chránit tzv. protierozní ochranou. Podíleli jsme se na vhodném aerodynamickém návrhu tvaru této ochrany (stelitový návar) a na výzkumu vlivu eroze na aerodynamické charakteristiky výchozího profilu.

Na barevném šlíru na obrázku 5 vidíme vliv zesílení náběžné hrany profilu stelitovým návarem na supersonické proudové pole v mezilopatkovém kanálu. Písmenem "A" je označena rázová vlna, která vzniká v místě přechodu zesílené části do původního tvaru profilu. Díky vhodnému tvarovaní zde nevznikne odtržení proudu, které by velmi negativně ovlivnilo ztráty energie a silové účinky na profil.

Vliv zesílení náběžné hrany profilu stelitovým návarem na supersonické proudové pole v mezilopatkovém kanálu.

Obrázek 5

 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail):

doc. Ing. Martin Luxa, Ph.D., 266053352, luxa@it.cas.cz

Reference:

Fořt J., Fürst J., Halama J., Hric V., Louda P., Luxa M., Šimurda D.: Numerical simulation of flow through cascade in wind tunnel test section and stand-alone configurations, Applied Mathematics and Computation, Roč. 319, February (2018), s. 633-646. ISSN 0096-3003
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0096300317305015

Luxa M., Příhoda J., Šimurda D., Straka P., Synáč J.: Investigation of the Compressible Flow through the Tip-Section Turbine Blade Cascade with Supersonic Inlet, Journal of Thermal Science, Roč. 25, č. 2 (2016), s. 138-144, ISSN 1003-2169
http://hdl.handle.net/11104/0259005

Projekt: TAČR č. TH02020057- Profily pro supersonická proudová pole, 2017-2020

 

Úzký kanálek

Přechod do turbulence v trubkách a kanálech nekruhových průřezů stále představuje aktuální problém dynamiky tekutin, jelikož je to právě režim proudění, který zásadně ovlivňuje tření a s ním spojené ztráty. S pokračující miniaturizací a stále detailnějšími numerickými simulacemi i malých průtočných částí turbostrojů vyvstává potřeba prozkoumat i reálné fyzikální jevy, ke kterým dochází při proudění v takto úzkých kanálech a získat data, na jejichž základě by bylo možné validovat numerické modely.

Pomocí experimentů a numerické simulace zkoumáme proudění vazké stlačitelné tekutiny úzkými kanály obdélníkového průřezu s vysokým poměrem šířky a výšky. Proudění zkoumáme různými nezávislými metodami (optické, pneumatické, použití CTA sondy se žhaveným filmem). Experimentálně zjišťujeme vliv orientované drsnosti stěn kanálku na proudové pole a na smykové tření, objasňujeme některé jevy, které ovlivňují aerodynamickým ucpáním vlivem tření.

Obrázek 6 zobrazuje porovnání vypočtených čar konstantní hustoty (horní polovina) s naměřenými interferenčními proužky (jde opět o proužky konstantní hustoty) výstupní části úzkého kanálku při proudění úzkým kanálem s vysokým expanzním poměrem. Přesto, že vypočtené parametry proudových polí kvalitativně dobře odpovídají měřením, zjistili jsme, že hodnoty smykového tření, vypočtené pomocí běžně dostupného komerčního softwaru, se od těch změřených sondou se žhaveným filmem v některých režimech proudění mohou značně lišit. Pro správnou predikci smykového tření je tedy potřeba numerický model dále upravit a validovat.

Porovnání vypočtených čar konstantní hustoty (horní polovina) s naměřenými interferenčními proužky.

Obrázek 6

 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail):

Ing. Jindřich Hála, 266053303, hala@it.cas.cz

Reference:

Prausová H., Bublík O., Vimmr J., Hála J., Luxa M.: Numerical and Experimental Investigation of Compressible Viscous Fluid Flow in Minichannels, Proceedings of Computational mechanics 2019, Plzeň: University of West Bohemia, 2019, (Adámek V., Jonášová A., Plánička S., Zajíček M.), s. 160-163, ISBN 978-80-261-0889-4.

Hála J., Luxa M., Bublík O., Prausová H., Vimmr J.: Clearance gap flow: Extended pneumatic measurements and simulations by discontinuous Galerkin finite element method, EPJ Web of Conferences. - (Doro, M.), Roč. 114, March (2016), 02034-02034, ISSN 2101-6275.

Hála J., Luxa M., Bublík O., Prausová H., Vimmr J.: Clearance gap flow: Simulations by discontinuous Galerkin method and experiments, EPJ Web of Conferences, Roč. 92, May (2015), 02073-02073, ISSN 2100-014X.

Projekt: GAČR č. 101/08/0623- Teoretický a experimentální výzkum transsonického proudění v úzkých mezerách a mikrokanálech

Machův-Zehnderův interferometr

Laboratoř využívá unikátního optického přístroje, Machova-Zehnderova interferometru (na obrázku 7 je vyfotografován v pracovní pozici s částí osvětlovací telecentrické soustavy), který slouží k vizualizaci proudových polí v oblasti stlačitelného proudění. Pole interferenčních proužků lze vyhodnotit a získat například rozložení tlaku u povrchu zkoumaného profilu a podobně. Ojedinělost tohoto velmi přesného přístroje spočívá mimo jiné v tom, že je schopen obsáhnout zorné pole o průměru cca 160 mm. Byl vyroben ve firmě Novotechnik ve Stuttgartu a v provozu je od roku 1965.

Machův-Zehnderův interferometr Obrázek 7a

Machův-Zehnderův interferometr Obrázek 7b

 

Traverzovací zařízení

Vlastnosti proudu vzduchu včetně jeho energie lze určit na základě měření s pneumatickou sondou. V laboratoři se nejčastěji používá pěti-otvorová kuželová sonda, s jejíž pomocí lze změřit statický tlak, klidový tlak a směr proudu. Z těchto veličin a parametrů proudu na vstupu do měřicí sekce lze určit třeba i ztráty energie, které při proudění vznikají. Pneumatická sonda je součástí tzv. traverzovacího zařízení, které umožňuje automatické polohování sondy v proudovém poli, tj. automatický posuv ve 2 směrech a natočení sondy v rovině proudění. Natáčení sondy proti proudu je možné realizovat také při měření v reálném čase s pomocí PID regulátoru.

Na obrázku 8 je ukázán 3D model traverzovacího zařízení s pěti-otvorovou kuželovou sondou.

 

Obrázek 8

 

Tlakocitlivé a teplocitlivé nátěry

Rozložení tlaku na obtékaných površích je možné zjistit metodou tlakocitlivých nátěrů. Jedná se o nátěry, které při osvětlení UV zářením emitují světlo o intenzitě, která je závislá na parciálním tlaku kyslíku v okolním proudu. Dále je možné použít teplocitlivých nátěrů, pomocí kterých je možné například zjistit polohu přechodu do turbulence, neboť turbulentní proudění vykazuje vyšší smykové napětí (intenzivnější promíchávání) a dochází při něm k větší výměně tepla. Obě metody jsou omezeny nutností optického přístupu, aby bylo možné povrch během měření osvětlovat UV lampou a zároveň snímat rychlostní kamerou. Naše pracoviště disponuje moderním vybavením, které je nadějí pro využívání této metody.

Na obrázku 9 je ukázáno rozložení tlaku při supersonickém obtékání klínu. Výsledky byly pořízeny v NASA LRC.

Obrázek 9

Lepicovsky, J. - Bencic, TJ. - Bruckner, R.J.: Application of Pressure Sensitive Paint to Confined Flow at Mach Number 2.5. NASA Report NASA/TM-1998-107527

 

Zařízení pro měření smykového tření

Pro výzkum charakteru mezní vrstvy je možné využít metodu žhavených filmů, která využívá podobnosti mezi rychlostním profilem v blízkosti obtékané stěny a teplotním profilem vytvářeného žhaveným elementem. Obvyklé jsou sondy s jedním žhaveným filmem, jako například Dantec 55R45 použitelné opakovaně, a které je možné kalibrovat za účelem získání hodnot smykového tření, nebo celá pole žhavených filmů, kde je na tenkou podkladovou folii naneseno elektronovým paprskem hned několik žhavených filmů včetně přívodních vodičů. Přesto, že druhá varianta je kvůli obtížné kalibraci vhodná zejména pro kvalitativní měření, data získaná touto metodou jsou velmi cenná, jelikož je díky ní možné identifikovat, zda je proudění v místě senzoru laminární, přechodové nebo turbulentní.

Na obrázku 10 vidíme příklad užití pole žhavených filmů. Je nalepeno na podtlakové straně zkoumaného profilu, který je určen pro špičku velmi dlouhé oběžné turbínové lopatky. Z naměřených údajů dostaneme mimo jiné velmi důležité informace o poloze a charakteru přechodu mezní vrstvy z laminární do turbulentní.

Obrázek 10

 

Cejchovní prostor pro cejchování pneumatických víceotovorových sond v transsonické oblasti

V laboratoři se používá množství pneumatických víceotvorových sond, s jejichž pomocí lze měřit jak celkový či klidový tlak, tak i směr proudu. Tyto sondy je ale nutné kalibrovat. Sonda se tedy nejprve umístí do proudu o známých parametrech a zjistí se odezva sondy na tyto parametry. Z takto naměřených údajů se potom vytvoří kalibrační (cejchovní) závislost sondy. Proto je laboratoř vybavena cejchovním prostorem, který umožňuje nastavit žádané parametry proudu a zároveň umožňuje automaticky nastavit natočení sondy pro kalibraci směrové závislosti. Cejchovní prostor je vybaven štěrbinovou tryskou, s jejíž pomocí lze kalibrovat sondy až do rychlostí M ~ 1,3.

Na obrázku 11 je patrný výstup ze štěrbinové trysky a kalibrovaná pěti-otvorová sonda.

Obrázek 11

Nabízená témata:
Experimentální vyšetřování silových účinků v lopatkových mřížích
Lopatková mříž v supersonickém proudovém poli
Interferometrická měření proudového pole v okolí kmitajícího tělesa a jejich zpracování

Rozpracovaná témata:
Proudění vazké stlačitelné tekutiny úzkými kanály (Jindřich Hála)
Silové účinky a nevratné děje při obtékání modelu středního řezu oběžné lopatky posledního stupně parní turbíny velkého výkonu s vazební opěrkou (Tomáš Radnic)

Témata již obhájených disertačních prací:
Proudění v radiální rozváděcí turbínové mříži při vysokých rychlostech (Martin Luxa, 2005)
Transsonické a supersonické proudění v turbínových profilových mřížích (David Šimurda, 2011)