Institutionen för 2003-11-21 tillämpad fysik & elektronik Ronny Östin Anders Åstrand Turbojetmotor SR-30
LABORATIONSINSTRUKTION 1.0 Allmänt Vidta alltid stor försiktighet under drift av experimentanläggningen. Oaktsamhet särskilt vad gäller anläggningens in- och utloppssida kan orsaka livsfara. Start och drift av anläggningen förutsätter övervakning av ansvarig laborationshandledare. Start av turbojetmotorn sker med tryckluft. Startsekvensens huvudmoment utgörs av att ställa gasreglaget i mellanläge, slå på tändningen (IGN. ON) och tillföra tryckluft (Air start ON), när motorn når ca 7000 RPM (Rotations Per Minutes) tillförs motorn bränsle (Fuel ON). Såväl tändning som tillförsel av tryckluft slås av vid 25 000 30 000 RPM. I takt med att motorns varvtal ökar kan gasreglaget successivt reduceras till minläget. Turbojetmotorns aktiva varvtal kan varieras mellan ca 50 000 RPM vid tomgång och ca 87 000 RPM vid maximal bränsletillförsel. Allmänna motorspecifikationer (massflöde, kompressionsförhållande, avgastemperaturer etc) finns i den till experimentanläggningen hörande instruktionspärmen. För att genomföra laborationen behöver turbojetmotorn normalt inte stoppas och startas på nytt. Det är därför väsentligt att du/ni har planerat en körstrategi map aktuella laborationsuppgifter (se avsnitt 4.0 nedan). 2.0 Laborationens syfte Syftet med laborationen är att ge förståelse för den principiella funktionen hos en gasturbin samt att baserat på verkliga mätdata tillämpa teoretiska samband för bestämning av turbojetmotorns prestanda. Med detta menas kompressor- och turbinarbete, kompressorverkningsgrad och dragkraft, vid olika varvtal. 2
3.0 Handhavande av mätdataprogram Programmet för mätning och lagring i datafil är en egenutvecklad rutin i LabView. För att starta en mätsekvens krävs följande; 1. Starta mätdatorn och logga-in till nätverket med ditt eget användarnamn 2. Klicka på ikonen med texten, Genväg till turbine 3. Följande visas nu på skärmen Startar mätning Avslutar mätning 4. När du trycker på startknappen öppnas ett dialogfönster där du kan namnge en mätdatafil, som sparas på datorns hårddisk. Filnamnet kan vara av typen textfil, dvs *.txt, som sedan kan importeras till t.ex. EXCEL för vidare bearbetning. Efter det att du sparat filen startar mätningen automatiskt med samplingstiden 1 sekund. 5. För att avsluta en mätningen trycker du på knappen STOP. Tips: för att skilja på mätdata (från olika körningar) startar du nya mätsekvenser och tilldelar mätdatafilen ett unikt namn för varje körning. 3
3.1 Bearbetning av mätdata Nedan följer en kort beskrivning av de till mätdatorn anslutna givarna. En mer komplett beskrivning av givartyp och diverse tekniska specifikationer återfinns i den till experimentanläggningen hörande instruktionspärmen, se även bilaga 2. Mätdatafilen består av totalt 15 kolumner. Första kolumnen anger datum, nästa anger klockslag därefter, för denna laboration, följande viktiga mätpunkter; T 01 T 02 T 03 T 04 T 05 P 1 P 02 P 03 P 04 P 05 Placeringen av dessa givare i turbojetmotorn framgår av bilaga 1. T 01 t.o.m. T 05 är temperaturmätningar, medan P 1 t.o.m. P 05 är tryckmätningar. Enheten för temperatur är C och för tryck kpa. De sista tre kolumnerna i mätfilen saknar betydelse i denna version av laborationen. Samtliga tryckgivare, utom P 1, registrerar tryckändringar relativt omgivande atmosfärstryck (gauge pressure). För P 1 -mätningen används ett prandtlrör (se bilaga 2) i inloppsdiffusorn. P 1 utgör således tryckdifferensen mellan insugsluftens stagnationstryck, P stag, (där lufthastigheten v=0) och insugsluftens statiska tryck, P stat, (varvid v > 0). Sambandet mellan ingående energitermer kan idealiserat beskrivas med Bernoullis ekvation enligt; P stag 2 ρv + 0 + ρ gzstag = Pstat + + ρgz 2 stat Insugsluftens hastighet erhålls om detta samband förenklas! Vidare antas luften kunna behandlas som en ideal gas! Motorns inloppsdiameter är 0.076 m och utloppsdiametern är 0,056 m. 4.0 Frågeställningar och resultatredovisning Nedan frågeställningar innehåller ej tydlig hänvisning vad gäller lösningsförfaranden. Istället förväntas ni diskuterar inom labgruppen dels inledningsvis hur själva experimenten (motorkörningarna) skall genomföras och dels hur ni kan analysera mätdata för att besvara och redovisa nedan frågeställningar. 4.1 Frågeställningar 1. Antag isentropa förhållanden (dvs cold air-standard Brayton analysis) och bestäm för olika varvtal; A) kompressor och turbinarbete B) kompressorns verkningsgrad 4
C) åskådliggör motorkörningarna vid lägsta och högsta varvtalet i ett p-v diagram och markera i diagrammen de ytor som motsvarar kompressor- och turbinarbetet och kommentera huruvida det finns något nettoarbete i detta fall! 2. Beräkna turbojetmotorns dragkraft och jämför i ett diagram med motsvarande mätdata på dragkraften (thrust på kontrollpanelen) vid de varvtal som kördes i uppgift 1. 4.2 Redovisning Resultatsammanställningen skall vara väl dokumenterad i form av tydliga tabeller och diagram, vilka utgör underlag vid den muntliga redovisningen för laborationshandledaren. 5
Bilaga 1 T01 P01 T02 T03 P02 P03 T04 P04 T05 P05 6
Bilaga 2 Table of Sensor List Symbol Function Type Range Output (mv) (PSIG) T 01 Compressor inlet K-type thermocouple C T 02 Compressor exit K-type thermocouple C T 03 Turbine stage inlet K-type thermocouple C T 04 Turbine stage exit K-type thermocouple C T 05 Thrust nozzle exit K-type thermocouple C P 1 Compressor inlet Omega PX137-001DV 0-1 0-18 P 02 Compressor exit Omega PX236 0-60 0-60 P 03 Combustion chamber Omega PX236 0-60 0-60 P 04 Turbine stage exit Omega PX236 0-5 0-50 P 05 Thrust nozzle exit Omega PX236 0-5 0-50 Table of Fuel Consumption Fluid velocity v Fluid density ρ Static holes around circumferenc Engine RPM L/s 52 000 2,4 10-3 60 000 3,1 10-3 70 000 3,7 10-3 80 000 4,1 10-3 Impact hole Impact pressure P I Static pressure P S Prandtl-rör principbeskrivning. Stagnationspunkten (Impact hole), öppning för mätning av statiskt tryck (Static holes), P I = stagnationstrycket, P s = statiskt tryck. 7