MĚŘENÍ NA EXPERIMENTÁLNÍM ZAŘÍZENÍ TS

MĚŘENÍ NA EXPERIMENTÁLNÍM ZAŘÍZENÍ TS - 20
SVOČ – FST 2015
Jaroslav Levý,
Západočeská univerzita v Plzni,
Univerzitní 8, 306 14 Plzeň
Česká republika
Martin Löfler,
Západočeská univerzita v Plzni,
Univerzitní 8, 306 14 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.
Obrázek 1: Zkušební místnost1
1 - 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 rám2
1 - Pohyblivá část nosného rámu, 2 - pevná část nosného rámu, 3 - planžety v čelistech,
4 - tenzometr
1
2
Obrázek převzat a upraven z originálu [4]
Vlastní upravená fotografie
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 řez3y
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 20 000 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]
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
35,0
810,0
Benzin
46,0
730,0
MERO
39,3
882,0
Etanol
29,7
789,0
Jet - A1 95% a E85 5%
34,7
809,0
Jet - A1 90% a E85 10%
34,5
807,9
Jet - A1 95% a MERO 5%
35,2
813,2
Jet - A1 90% a MERO 10%
35,4
817,2
Jet - A1 80% a MERO 20%
35,9
824,4
B95 95% a E85 5%
45,6
Tabulka 1: Palivové směsi
733,0
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.
1,2
průtoky paliva [kg/s]
1
0,8
JetA1 _100
0,6
JetA1_80_MERO_20
0,4
B95_100
0,2
44,4
47,5
50,4
53,1
56
58,6
61,3
63,5
41,4
38,3
35,4
29,4
32,3
26,3
24,2
20,3
22,2
18,3
16,4
12,5
14,4
0
čas [s]
50000
45000
40000
35000
30000
JetA1 _100
25000
JetA1_80_MERO_20
20000
B95_100
15000
10000
5000
0
0,7
3,6
6,5
9,5
12,5
15,4
18,3
21,2
24,2
28
32,3
36,8
41,4
46
50,4
54,7
58,6
62,6
65,4
68,3
71,2
otáčky turbokompresoru [ot/min]
Graf 1: Hmotnostní průtoky paliva
čas [s]
Graf 2: Otáčky turbokompresoru
1400
1200
1000
800
JetA1 _100
600
JetA1_80_MERO_20
400
B95_100
200
0
8
10,6
13
15,4
17,8
20,3
22,7
25,2
28,7
32,3
36,1
39,8
43,6
47,5
51,1
54,7
58
61,3
64
66,4
T5[°C]
Graf 3: Teploty za turbínou
čas[s]
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, 1968.
[2] PEČÍNKA, J. Zkušební stanoviště JPM-TS-20 - Diplomová práce. Brno: 2003.
[3] HOCKO, M. Transformace leteckých turbokompresorových motorů na turbokompresorové motory průmyslového a
dopravního využití. Plzeň: 2011.
Publikace ve sborníku konference:
[4] PEČÍNKA, J. A. JÍLEK a G. T. BUGAJSKI. GT2014-25811: Experimental evaluation of small GTE test BED. In:
Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Expositions. Düsseldorf: 2014.