Tubeira (FINAL)2014-15
description
Transcript of Tubeira (FINAL)2014-15
0
INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA
Área Departamental de Engenharia Mecânica
Secção de Termofluidos e Energia
TURBOMÁQUINAS
GUIA DE LABORATÓRIO
TURBEIRA
Semestre de Inverno 2011-2012
Docente: Engº. Paulo de Santamaria Gouveia
1
Unidade Curricular de Turbomáquinas
Índice
Índice .......................................................................................................................................... 1
1 - Introdução ........................................................................................................................ 2
2 - Descrição do Equipamento .............................................................................................. 3
2.1 - Configuração ............................................................................................................ 3
2.2 - Colocar o Equipamento em Funcionamento ............................................................ 5
2.2.1 - Retirar a Tubagem de Bloqueio ........................................................................ 5
2.2.2 - Montagem e Substituição das Tubeiras ............................................................ 5
2.2.3 - Procedimento para colocar o Equipamento em Funcionamento ...................... 6
2.3 - Desligar o Equipamento ........................................................................................... 6
2.4 - Manutenção .............................................................................................................. 6
3 - Segurança......................................................................................................................... 7
3.1 - Riscos para a saúde .................................................................................................. 7
3.2 - Riscos para o sistema e para o seu funcionamento .................................................. 7
4 - Breve Resumo Teórico .................................................................................................... 8
5 - Modelos de Tubeira ....................................................................................................... 10
6 - Tabelas ........................................................................................................................... 11
2
Unidade Curricular de Turbomáquinas
1 - Introdução
Esta experiência tem como objectivo introduzir o estudo do movimento dos fluidos
compressíveis. O comportamento real dos escoamentos compressíveis irá confirmar a teoria
leccionada nas aulas através de meios experimentais proporcinados por três tipos de tubeira
diferentes.
O ensaio é feito com ar comprimido, variando a diferença de pressões com um regulador de
pressão à entrada da tubeira e uma válvula de agulha à saída. A pressão de entrada, a pressão
de saída e as restantes 8 pressões medidas no escoamento são indicadas ao longo do perfil da
tubeira. As temperaturas do ar à entrada e à saída do equipamento são indicadas de forma
digital no painel. O caudal mássico é medido através de um caudalímetro.
Podem ser examinados os seguintes parâmetros:
A relação entre a pressão de entrada e o caudal de ar;
A relação entre a pressão de saída e o caudal de ar;
A distribuição de pressões no interior da tubeira;
O escoamento em tubeiras divergentes:
- Tubeira A: Tubeira Laval Longa (convergente/divergente)
- Tubeira B: Tubeira Laval Curta (convergente/divergente)
O escoamento em tubeiras convergentes:
- Tubeira C: Tubeira Convergente
O efeito na temperatura.
3
Unidade Curricular de Turbomáquinas
2 - Descrição do Equipamento
2.1 - Configuração
Figura 2.1 – Painel do dispositivo
1 Ligação de Ar Comprimido 8 Temperatura após Tubeira
2 Regulador da Pressão de Entrada 9 Pressão após Tubeira
3 Tubo flexível 10 Silenciador
4 Manómetros para Pressões na Tubeira 11 Caudalímetro
5 Pressão antes da Tubeira 12 Indicador de Caudal
6 Temperatura antes da Tubeira 13 Válvula de Agulha
7 Tubeira 14 Fonte de Alimentação
4
Unidade Curricular de Turbomáquinas
O modelo de instrucção foi concebido como uma unidade de mesa e acomoda várias tubeiras
(7). Este modelo inclui 3 tubeiras.
Para operar com o modelo é necessária uma fonte de alimentação de energia e de ar
comprimido.
A pressão de entrada da tubeira é definida através de um regulador de pressão (2). Na saída, a
pressão é regulada através de uma válvula de agulha (13).
O caudalímetro (11) apresenta uma escala em g/s, em que se pode efectuar uma leitura directa
do caudal mássico.
Durante o ensaio, além da pressão de entrada (5) e de saída (9) da tubeira, são ainda
apresentadas simultaneamente 8 pressões (4) ao longo da tubeira.
Os pontos de medição de pressão são ligados à tubeira através de tubos flexíveis (3).
À entrada e saída da tubeira encontra-se um ponto de medição de temperatura.
As três tubeiras são feitas de bronze.
Figura 2.2 – Esquema HM 261
D Tubeiras (7) Tout Temperatura depois da Tubeira (8)
V1 Regulador de Pressão (2) V2 Válvula de Agulha (15)
Pin Pressão de Entrada (5) F Caudalímetro (12)
Pout Pressão de Saída (6) 1…8 Pressões ao longo da Tubeira (4)
Tin Temperatura antes da Tubeira (6)
5
Unidade Curricular de Turbomáquinas
2.2 - Colocar o Equipamento em Funcionamento
2.2.1 - Retirar a Tubagem de Bloqueio
Antes da utilização, é necessário remover a tubagem
de bloqueio preta (1) substituíndo-a com uma das
três tubeiras (A, B ou C).
Figura 2.3 – Tubagem de Bloqueio
2.2.2 - Montagem e Substituição das Tubeiras
Desapertar e remover as porcas de união do bocal. Retirar
cuidadosamente a tubeira ou a tubagem de bloqueio.
Colocar a nova tubeira nas roscas
- Observar a direcção do escoamento (ver seta)
- As vedações/juntas têm de ser inseridas nas partes dianteiras
Fixar a tubeira com as porcas de união
Ligar os cabos flexíveis de medição de pressão. Ligar a
mangueira Nº1 ao bocal mais à esquerda da tubeira. No caso da
tubeira B (com 5 ligações) estar em utilização, algumas ligações
podem ficar abertas/desocupadas.
Figura 2.4 – Modelos das tubeiras Figura 2.5 – Ligações de medição de pressão
6
Unidade Curricular de Turbomáquinas
2.2.3 - Procedimento para colocar o Equipamento em Funcionamento
Ligar o equipamento à energia eléctrica;
Inserir a Tubeira;
Estabelecer a ligção de ar comprimido (máx. 9 bar);
Ligar o interruptor principal (Displays da Temperatura começam a piscar);
Através do regulador de pressão vermelho, definir a pressão de entrada (ex. 6 bar) e
monitorizar as pressões utilizando os manómetros;
Utilizando a roda de mão na válvula de agulha, por baixo do caudalímetro, definir a
pressão de saída (ex. 1 bar);
Realizar as devidas leituras e anotar os valores medidos.
2.3 - Desligar o Equipamento
Desligar a ligação de ar comprimido;
Desligar o interruptor principal.
2.4 - Manutenção
O equipamento é em grande parte livre de manutenção. Deve funcionar com ar limpo e seco.
Quando as tubeiras se encontram montadas, deve-se verificar se as juntas não se encontram
danificadas.
7
Unidade Curricular de Turbomáquinas
3 - Segurança
Antes de iniciar o ensaio, todos os participantes devem saber como manusear o
dispositivo. É particularmente importante que os avisos de segurança sejam observados.
3.1 - Riscos para a saúde
PERIGO de choque eléctrico!
Desligar o dispositivo da rede eléctrica antes de abrir a caixa de controlo e trabalhar com o
sistema eléctrico.
Desligar o dispositivo da rede eléctrica antes de substituir os fusíveis.
Usar apenas fusíveis apropriados (2 A).
Proteger da água todos os componentes eléctricos do equipamento.
3.2 - Riscos para o sistema e para o seu funcionamento
AVISO! As porcas de união do modelo devem ser apenas apertadas à mão.
8
Unidade Curricular de Turbomáquinas
4 - Breve Resumo Teórico
Um escoamento supersónico só pode ser obtido através de uma tubeira Laval. O comprimento
da tubeira corresponde exactamente à pressão de saída necessária, P2. Se a contrapessão P2 se
afastar da pressão de projecto P2a, calculada para o comprimento da tubeira, então o
escoamento não vai ser o pretendido.
a) P1 > P2 >> Pkr
O escoamento é subsónico em toda a tubeira e
assemelha-se ao escoamento num Tubo Venturi, ou
seja, a menor pressão na tubeira encontra-se na menor
secção transversal da mesma. Na secção convergente da
tubeira o escoamento é acelerado, e na secção
divergente o escoamento é desacelerado. O caudal
máximo é entre m=0 e m=max.
b) P1 >> P2 > Pkr
Na secção transversal miníma da tubeira, atinge-se o
escoamento supersónico, no entanto, na secção
divergente a pressão volta a aumentar. No escape da
tubeira, a pressão P2 é maior que a pressão crítica. O
caudal mássico é máximo.
c) P2 = P2a < Pkr
A pressão do escape da tubeira é igual à pressão de projecto da tubeira Laval. Na secção
mais estreita da tubeira atinge-se o escoamento transónico. Na secção subsequente, a
pressão do escoamento decresce para P2a (pressão de saída) e atinge-se o escoamento
supersónico.
Figura 4.1 – Curva de Pressão a),
b) e c)
9
Unidade Curricular de Turbomáquinas
d) Pkr > P2 > P2a
A contrapressão P’2 > P2a é atingida antes do fim da
zona divergente. Assim sendo, irá ocorrer uma onda de
choque normal no interior da tubeira. O escoamento
deixa de ser isentrópico. O escoamento separa-se das
paredes da tubeira. A montante da onda de choque
forma-se um escoamento subsónico. A pressão de
descarga fica entre os casos b) e c).
e) Pkr > P2a > P2
A contrapressão não é igual à pressão de saída da
tubeira. O escoamento no interior da tubeira não é
influenciado pela queda de pressão de P2 para P2a, pois
esta queda dá-se no exterior. Esta queda de pressão
provoca uma onda de expansão à saída da tubeira.
Quando a pressão de saída não é a pressão adequada,
ocorrem ondas de choque na secção divergente da
tubeira, dando origem a vibrações no escoamento e que
por sua vez resultam em perdas de energia
consideráveis.
Figura 4.2 – Curva de Pressão
para o cado d)
Figura 4.3 – Curva de Pressão para
o caso e)
10
Unidade Curricular de Turbomáquinas
5 - Modelos de Tubeira
Os modelos da tubeira são feitos de bronze. A pressão é medida através de orifícios
distribuídos ao longo da tubeira. A letra D refere-se ao diâmetro da tubeira, e a letra X refere-
se à posição dos orifícios de medição de pressão.
Figura 5.1 – Tubeira A – Laval Convergente / Divergente Longa
Figura 5.2 – Tubeira B – Laval Convergente / Divergente Curta
Figura 5.3 – Tubeira C - Convergente
11
6 - Tabelas
Nr.: Pi Pa Tin Tout P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8
Pa/Pi ρi ρa m wa Ta
bar bar ºC ºC bar bar bar bar bar bar bar bar kg/m3 kg/m3 kg/s m/s ºC
1
2
3
4
5
6
7
d (mm)
A (mm2)
7 - Conclusões- Desenvolvimento
Analise os resultados com cuidado – comparando o que for comparável – para as várias condições diversas que originaram os
conjuntos de resultados enviados. Teça considerações acerca de como deve evoluir o Escoamento de forma que os resultados obtidos
“façam sentido”(i.é harmonizando os 3 princípios de conservação). Extrapole ou tente recriar as características que teriam de se
observar ao longo da Tubeira, comentando a influência que o ATRITO poderá ter alteração dos resultados (face às previsões “ideais”).