Universitatea „Politehnica” din Timişoara Facultatea de Mecanică Catedra de Maşini Hidraulice

GRANTUL CNCSIS PNII IDEI COD 929/2008

CONTRACTUL DE CERCETARE NR. 679/19.01.2009

„TRANSMISII HIDRODINAMICE INTELIGENTE”

Faza finala 2010

Sinteză

Directorul proiectului:

Sl. dr. ing. Adriana Sida MANEA

Echipa de cercetare :

Ş.L.dr.ing.Eugen DOBÂNDĂ

dr.ing. Daniel Cătălin STROIłĂ

stud. mast. ing. LaurenŃiu MIRCEA

stud. mast. ing. LaurenŃiu Daniel CĂLIN

Noiembrie 2010

Grant CNCSIS PNII Idei cod 929/2008 nr. 679/2009 Transmisii hidrodinamice inteligente

2

1. MIŞCĂRILE TRIDIMENSIONALE ALE FLUIDELOR INCOMPRESIBILE ÎN TURBOMAŞINI OARECARE.

EcuaŃiile de bază ale mişcării în rotorul unei turbomaşini oarecare se deduc pentru o suprafaŃă de curent medie de ordinul al doilea, care se întinde de la coroana interioară pană la cea exterioară. În general, mişcarea depinde de coordonatele cilindrice r, λ şi z, însă pe suprafaŃa de curent medie φ= φ(r,z), deci mişcarea poate fi studiată bidimensional în semiplanul meridian.

Fig.1.1. Mişcarea tridimensională într-o turbomaşină oarecare

2. OPTIMIZAREA TRASEULUI HIDRAULIC

Trasnformatorul studiat este de tipul I, asta înseamnă că în circuitul hidraulic toroidal avem următoarea succesiune: pompă, turbină, stator, pompă. Fluidul de lucru este ulei uşor. ÎmbunătăŃirea dinamicii vehiculului este posibilă prin optimizarea formei geometrice a convertizorului. Transformatorul hidrodinamic funcŃionează diferit de transmisia stereo-mecanică într-un mod indirect. Puterea în hidrodinamică este transferată de la arborele de intrare unui rotor de pompă, mai departe fluidului, care pune în funcŃionare rotorul de turbină şi arborele de ieşire. Toate acestea se întâmplă lin, înseamnă că rapotul turaŃiei şi al cuplului sunt variabile continuu.

Pompa, care este un rotor centrifugal, energizează fluidul, în timp ce turbina extrage energia din fluid. Ideal o curgere fără incidenŃă la intrarea pe paletele rotorului de pompă este asigurată de statorul centripetal. Proiectarea şi funcŃionarea transformatorului hidrodinamic este complexă, datorită unui numar de condiŃii şi factori. Turbotransformatorul trebuie să asigure randamente ridicate pe un domeniu larg de condiŃii de operare. Din nefericire, peste domeniul tipic de funcŃionare câmpul de curgere se schimbă dramatic. Aşadar unghiurile de curgere ale tuturor paletelor componente se schimba semnificativ.

Pornind de la datele de intrare, se calculează dimensiunile şi elementele cinematice ale rotorului de pompă. Curentul de fluid la intrarea în rotorul de turbină are parametrii corespunzători ieşirii din pompă, iar în stator intră cu parametrii rezultaŃi în urma trecerii prin rotorul de turbină. Calculul poate fi iterativ, astfel ca traseul curentului în transformator să fie optim.

Grant CNCSIS PNII Idei cod 929/2008 nr. 679/2009 Transmisii hidrodinamice inteligente

3

Se prezintă rezultatele obŃinute pentru turaŃia specifică rot/min pentru diferite valori ale raportului de transmitere (i = 0,6; 0,65; 0,75). Transformatorul hidrodinamic TH 350 din laboratorul nostru are următorii parametri. Proiectarea foloseşte metoda monodimensională în care este variată viteza specifică a rotorului de pompă. S-a utilizat ecuaŃia de continuitate în secŃiunea de trecere toroidală, ecuaŃiile fundamentale ale turbomaşinilor, valorile coeficienŃilor de pierdere şi triunghiurile de viteză (absolută, de transport şi relativă) pentru a stabili unghiurile paletelor. Cu acest calcul este obŃinută variaŃia unghiurilor de intrare şi ieşire ale paletelor de pompă şi turbină la diferite valori ale raportului de transmitere.

Fig.2.9. Unghiurile de intrare şi ieşire ale rotorului de

pompă şi turbină la diferite turaŃii specifice i=0.6

Fig.2.10. Unghiurile de intrare şi ieşire ale rotorului

de pompă şi turbină la diferite turaŃii specifice i=0.65

Fig.2.11. Unghiurile de intrare şi ieşire ale rotorului

de pompă şi turbină la diferite turaŃii specifice i=0.7

Fig.2.12. Unghiurile de intrare ale rotorului de

turbină la diferite rapoarte de transmitere

InfluenŃa diferitelor unghiuri ale paletelor sunt schematizate în figurile 2.13, 2.14, 2.15, 2.16, 2.17, 2.18. Modificarea unghiului de intrare al paletelor rotorului de pompă, Fig. 2.13., produce un efect mic asupra cuplului pompei.

Grant CNCSIS PNII Idei cod 929/2008 nr. 679/2009 Transmisii hidrodinamice inteligente

4

Fig. 2.14. Curba caracteristică la diferite unghiuri de

ieşire ale paletei de pompă

Fig.2.15. Curba caracteristică la diferite unghiuri de

intrare ale paletei de turbină

Modificarea unghiului de ieşire al paletelor rotorului de pompă Fig. 2.14., produce o modificare semnificativă a cuplului pompei. Modificarea unghiului de intrare al paletei turbinei, Fig. 2.15. are acelaşi mic efect ca şi în cazul pompei. VariaŃia unghiului de ieşire al paletei turbinei, Fig. 2.16., are o influenŃă directă asupra bilanŃului vorticităŃii la ieşire. Cuplul în acest caz este o funcŃie de mai multe variabile şi debitul şi randamentul scad.

Fig.2.16. Curba caracteristică la diferite unghiuri de

ieşire ale paletei de turbină

Fig.2.17. Curba caracteristică la diferite unghiuri de

intrare ale paletei de stator

Fig.2.18. Curba caracteristică la diferite unghiuri de

ieşire ale paletei de stator

Fig.2.19. Cuplul la pompă în funcŃie de raportul de

transmitere al transformatorului cu diferite pierderi

prin şoc

Grant CNCSIS PNII Idei cod 929/2008 nr. 679/2009 Transmisii hidrodinamice inteligente

5

Unghiurilde de intrare în stator, Fig. 2.17., arată influenŃa asupra pierderilor prin şoc în acelaşi fel ca şi reŃeaua de profile. Pe curba caracteristică influenŃa este mică. Valorile unghiului de ieşire din stator, Fig. 2.18. au o mare influenŃă asupra curbelor caracteristice de turaŃie ale turbotransformatorului. InfluenŃa pierderilor prin şoc asupra turbotransformatorului şi partea lor este dată în Fig. 2.19.

3. FUNCłIONAREA TURBOTRANSFORMATOARELOR ÎN REGIMURI NEPERMANENTE

Pentru analiza în domeniul timpului a modelului matematic al

turbotransformatorului, exprimat prin relaŃia (3.20), se vor considera:

( )jtf ⋅⋅⋅⋅⋅+Ω= ωπωω 2exp , (3.21)

( )( )jtfqQQ QQ ⋅+⋅⋅⋅⋅+= δπ2exp , (3.22)

în care s-au notat:

- Ω = valoarea nominală a vitezei unghiulare în regim nepermanent,

- ω = pulsaŃia vitezei unghiulare, - fω = frecvenŃa de oscilaŃie a vitezei unghiulare, - t = variabila temporară,

- Q = valoarea nominală a debitului teoretic vehiculat prin turbotransmisie, - q = pulasaŃia debitului, - fQ = frecvenŃa de oscilaŃie a debitului, - δQ = defazajul între apariŃia semnalului în viteză unghiulară şi semnalul în debit, - j = variabila complexă (j = (-1)1/2). Valorile numerice pentru calcule au fost determinate din condiŃii experimentale, fiind: - Ω = 100,531 rad/sec (turaŃia nominală n = 960 rot/min),

- ω = (0 ÷ 10 %) · Ω, - fω = 0 ÷ 10 Hz,

- Q = 0,17752 m3/s,

- q = (0 ÷ 10 %) · Q , - fQ = 0 ÷ 10 Hz, - δQ = 0 ÷ π/2 Hz . Cu valorile numerice menŃionate, s-au făcut modelări, rezultatele fiind prezentate în figurile următoare.

Grant CNCSIS PNII Idei cod 929/2008 nr. 679/2009 Transmisii hidrodinamice inteligente

6

Fig.3. 1. VariaŃia turaŃiei în timp, la regim de

pornire Fig.3. 2. VariaŃia debitului în timp, corelat cu turaŃia

Fig.3.3. VariaŃia în timp a părŃii reale a vitezei

unghiulare, conform relaŃiei (3.21) Fig.3. 4. VariaŃia în timp a părŃii imaginare a vitezei

uinghiulare, conform relaŃiei (3.21) Aplicând datele numerice, s-au obŃinut variaŃia părŃii reale şi a părŃii imaginare a vitezei unghiulare a pompei. Se poate defini functia de transfer viteză unghiulară – debit teoretic. Pentru funcŃia de transfer astfel introdusă, se poate determina diagrama BODE, construită în figurile următoare pentru diferite valori ale timpului, respectiv pentru valorile corespunzătoare ale vitezei unghiulare (ale turaŃiei):

Fig.3. 5. t = 0,1 s, n = 19,2 rot/min Fig3.6. t = 0,1 s, n = 19,2 rot/min

Fig.3. 7. t = 6,5 s, n = 960 rot/min Fig.3.8.. t = 6,5 s, n = 960 rot/min

Grant CNCSIS PNII Idei cod 929/2008 nr. 679/2009 Transmisii hidrodinamice inteligente

7

4. SIMULAREA CURGERII PE ROTORUL DE POMPA SI ROTORUL DE TURBINA IN FLUENT

În urma simulării numerice a curgerii în reŃeaua rotorilor de pompă şi de turbină, impunând ca parametru de intrare în reŃea viteza relativă şi respectând condiŃiile impuse curgerii în reŃelele turbomaşinilor hidraulice, obŃinem rezultatele din Fig. 4.3....4.9:

Fig. 4.3. Intensitate turbulenŃei pentru paleta de

pompă

Fig. 4.4. Intensitate turbulenŃei pentru paleta de

turbină

Fig. 4.5. Liniile de curent pentru paleta de pompă Fig. 4.6. Liniile de curent pentru paleta de pompă

Fig. 4.7. Presiunea totală pe paleta de pompă Fig. 4.8. Presiunea totală pe paleta de turbină

Grant CNCSIS PNII Idei cod 929/2008 nr. 679/2009 Transmisii hidrodinamice inteligente

8

Fig. 4.9. DistribuŃia de viteză pe paleta de pompă Fig. 4.9. DistribuŃia de viteză pe paleta de turbină

Varianta propusă pentru proiectarea unui turbotransformator hidrodinamic este verificată şi confirmată prin simulările numerice efectuate cu softul expert FLUENT din Laboratorul de Simulări Numerice din cadrul CNISFC Timişoara.

BIBLIOGRAFIE [1] Bărglăzan M. - “Transmisii hidrodinamice”, Editura POLITEHNICA, Timişoara, 2002 [2] Bărglăzan A., Dobândă V. - “Turbotransmisiile hidraulice”, Editura Tehnică, Bucureşti, 1957 [3] Bărglăzan M. - “Turbine hidraulice şi transmisii hidrodinamice”, Editura POLITEHNICA, Timişoara, 1999 [4] Fletcher C.A.J. – „Computational Techniques for Fluid Dynamics“, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1988, 1991 [5] Oroveanu, T. – Mecanica fluidelor vâscoase, Editura Academiei, Bucurreşti, 1967 [6] Popa O. - “Mecanica fluidelor şi măsuri hidraulice”, Institutul Politehnic “Traian Vuia” din Timişoara, 1978 [7] Vavra M. H. – “Aero - Thermodynamics and Flow in Turbomachines”, JohnWiley & Sons, Inc., New York, London, 1960 [8] Ancuşa V. R. - “Mecanica fluidelor şi maşini hidraulice”, Institutul Politehnic “Traian Vuia” din Timişoara, 1985, 1986 [9] Lvov, S.V., “Vibor parametrov i rasciot gidrotransformatorov na EVM”, Masinostroenie,

Moskva., 1973, [10] Ackermann, J.F., “Experimentelle und Numerische Stromungsuntersuchungen eines

Trilok-Drehmoment-wandler mit schmalen Kreislaufform“, VDI-Berichte 421 Dortmund, 2000.

[11] Flack, R. , Brun, K., “Fundamental Analysis of the Secondary Flows and Jet-Wake in a Torque Converter Pump”, Trans. ASME, Journal of Fluid Engineering, vol. 27 nr.1, p. 66-74, 2005,

[12] By, R. R., Lakshminerayana, B., “Measurement and Analysis of Static Pressure Field in a Torque Converter Turbine”, Journal of Fluid Engineering, nr. 3, p. 473-478, 1995.

[13] Dong, Y., Lakshminerayana, B., “Experimental Investigation of the Flow Field in an Automotive Torque Converter Stator”, Journal of Fluid Engineering, nr.4, p.788-797, 1999.