Analiza przepływu gazu rzeczywistego przez nastawialny dyfuzor

Analiza przepływu gazu rzeczywistego przez nastawialny dyfuzor

Prof. dr hab. inż. Tomasz Dobski,
Politechnika Poznańska
Katedra Techniki Cieplnej
Pl. Marii Skłodowskiej-Curie 5
60 965 Poznań
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Zbigniewa Pałuckiego
pt. „Analiza przepływu gazu rzeczywistego przez nastawialny dyfuzor
łopatkowy promieniowej maszyny sprężającej”
Recenzja opracowana na zlecenie Dziekana , prof. dr hab. inż. F Tomaszewskiego
Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej
Recenzowana praca ma objętość 120 stron i zawiera oprócz treści zasadniczych dodatek
dotyczący symulacji komputerowej przepływu płynu rzeczywistego przez dyfuzor. Praca jest
napisana w dobrym języku polskim. Praca dotyczy dyscypliny budowy i eksploatacji maszyn.
1. Podstawowe założenia pracy, zakres badań oraz obliczeń
numerycznych
Maszyny sprężające różne gazy są powszechnie stosowane w przemyśle chemicznym
gazowniczym, w oczyszczalniach ścieków, wentylacji kopalń, hal przemysłowych. Szacuje
się że maszyny sprężające stosowane w polskim przemyśle zużywają ponad 2% energii
eklektycznej z bilansu Kraju. Można ten wskaźnik obniżyć nawet o kilkanaście punktów
procentowych. Jeżeli zadaniem przemysłowym jest sprężenie gazu do wyższych ciśnień
wtedy stosuje się maszyny promieniowe. Maszyna taka składa się z kanału dolotowego z
kierownicą wstępną, wirnika dyfuzora bezłopatkowego, dyfuzora łopatkowego oraz kolektora
zbierającego sprężony gaz.
Obecne techniki pomiarowe pozwalają na badania mające na celu optymalizację kształtu
poszczególnych części maszyny sprężarkowej. Autor pracy wykonywał doktorat w
Laboratorium Maszyn Sprężających Katedry Techniki Cieplnej Politechniki Poznańskiej,
którego wyposażenie pozwala na badania fragmentów maszyn. Praca dotyczy konstrukcji,
badania prototypu oraz wykonania obliczeń numerycznych przez cześć maszyny
sprężającej. Sprzęt komputerowy dostępny w KTC pozwala na zaawansowane obliczenia
numeryczne.
Recenzowana praca
przedstawia wyniki badań laboratoryjnych oraz modelowania
numerycznego jednego z najważniejszych fragmentów maszyny sprężającej: dyfuzora
łopatkowego. Jego zadaniem jest zamiana energii kinetycznej strugi czynnika sprężanego –
powietrza – na ciśnienie statyczne. Prędkość przepływu na wylocie z wirnika wynosiła
ponad 200 m/s.
Badany czynnik był uważany za gaz rzeczywisty, czyli przepływ był turbulentny oraz
lepki. W obliczeniach numerycznych uwzględniono te warunki początkowe opisujące płyn.
Na badania nie maja one wpływu, bo w naturalny sposób wpływały one na zjawiska
str. 1
przepływowe zachodzące w badanym fragmencie maszyny sprężającej. Objawia się to
oderwaniami strugi powietrza od ścianek kanału międzyłopatkowego dyfuzora, przyrostem
temperatury na skutek przepływu turbulentnego (nie na skutek przyrostu ciśnienia).
Pozyskanie funduszy na zbudowanie stoiska, aparaturę pomiarową (najdroższa część to
LDA dwuwiązkowy pracujący na świetle rozproszonym (scattering light) w kierunku głowicy
nadawczej anemometru było bardzo trudne. Dobranie rodzaju posiewu, opanowanie
pomiarów dla małej liczby drobin posiewu (tylko 1000 na minutę na skutek absorbcji na
drobinach kurzu pochodzącego ze sprężanego powietrza mimo zastosowania filtrów)
stanowiło dodatkowe utrudnienie w prowadzonych badaniach. Z tego to powodu
zaawansowane laboratoria, jak na przykład Laboratorium Maszyn Przepływowych w
Politechnice w Monachium pracują na układach zamkniętych, co w naszych warunkach jest
niemożliwe ze względu na koszty.
Badana maszyna została zaprojektowana przez zespół współpracowników Profesora
Janusza Walczaka w którym znaczącą rolę odgrywał Doktorant mgr inż. Zb. Pałucki w ścisłej
współpracy z zakładami HCP w Poznaniu. Ma ona moc silnika całkowitą 70 kWel,
wyposażona jest w układ sterowania obrotami za pomocą regulatora częstotliwości oraz
złożoną przekładnię mechaniczną pozwalającą na pracę z bardzo wysokimi obrotami – aż do
ponad 20 000 obr/min. Podstawowy przyrząd badawczy- anemometr laserowy
dwuwiązkowy- pozwala na pomiary prędkości aż do wartości kilkuset m/s. Z uwagi na
zastosowany dwuwiązkowy układ LDA możliwe są pomiary dwóch składowych wektora
prędkości. Istnieje możliwość rozbudowania układu optycznego do wersji trójwiązkowej
pozwalającej na badania wszystkich składowych wektora prędkości, ale tego typu badania
nie wchodziły w zakres programu badań objętych doktoratem.
2. Zawartość pracy
Praca składa się z 8 rozdziałów. W 1 rozdziale – Wprowadzenie – Pan Z. Pałucki,
przedstawił ogólny opis zastosowania maszyn sprężających, zakres ich stosowania, oraz
ogólny opis konstrukcji typowej maszyny odśrodkowej. Podaje także schematy
konstrukcyjne z zaznaczonymi wymiarami charakterystycznych podzespołów jakie będą
wykorzystane w badaniach i modelowaniu numerycznym. Podaje także porównanie
charakterystyk przyrostu ciśnienia oraz sprawności izentropowej sprężania maszyny
wyposażonej w tradycyjny dyfuzor oraz dyfuzor z nastawianymi łopatkami. Ten drugi typ
dyfuzora ma znacznie lepszą charakterystykę- co jest potwierdzeniem prawidłowości
przyjęcia tematyki pracy.
We wprowadzeniu Autor odnosi się także do pojęcia „gazu rzeczywistego” mającego
w zakresie pracy niejako podwójne znaczenie: płyn rzeczywisty jako płyn lepki ale także
jako płyn, którego stan termodynamiczny jest opisany równaniem stanu gazu rzeczywistego
a nie gazu doskonałego. Ten aspekt w odniesieniu do modelowania numerycznego będzie
jeszcze przez recenzenta poruszony poniżej.
W rozdziale 2 sformułował trzy główne tezy pracy, a raczej zadania do wykonania w
rozumieniu zasad wykonywania prac doktorskich nazywanych nawet hipotezami a w
niektórych krajach „State of art”. Można tak założyć, bo w tym krótkim rozdziale jest
przedstawiony konkretny zakres badań: badania maszyny sprężającej za pomocą przede
wszystkim anemometru laserowego, opracowanie na podstawie wyników tych badań
charakterystyki sprężania oraz porównanie badań laboratoryjnych z wynikami symulacji
komputerowej wykonanej za pomocą komercyjnych programów nieznacznie
zmodyfikowanych.
Rozdział 3 zawiera zestawienie Algorytmów obliczeniowych wszystkich wielkości
jakie będą występować w badaniach i obliczeniach numerycznych. Wśród nich są także
str. 2
podane zależności opisujące sposób obliczenia lub wyznaczenia doświadczalnego takich
istotnych parametrów jak na przykład przyrost ciśnienia, sprawność izentropową, moc
wewnętrzną. Ten rozdział jest opracowany bardzo dobrze i zwięźle przez co łatwo się
zorientować w zakresie pracy.
Rozdział 4 przedstawia opis zasady pracy i przeprowadzenia badań przepływu płynu
– powietrza za pomocą dopplerowskiego anemometru laserowego LDA. Technika pomiaru
prędkości płynów za pomocą LDA jest skomplikowana ale pozwala na uzyskanie bardzo
dobrych wyników charakteryzujących się dużą zgodnością z rzeczywistym przepływem.
Opis metody LDA przedstawiony przez Autora dysertacji wskazuje na Jego bardzo duże
doświadczenie badawcze i zrozumienie tej metody, jej zalet oraz wad, czy też nawet
błędów jakie można popełnić jej stosowaniu. Autor recenzji ma osobiste doświadczenie z
badań przepływu za pomocą LDA nabyte w Politechnice w Sztokholmie i jest pełen uznania
dla zespołu pracującego w laboratorium w jakim Pan Pałucki wykonał badania. Zespół ten
w ciągu ½ roku w pełni opanował technikę pomiarową od pomiarów w płomieniu w
przepływie z silnym zawirowaniem, aż po pomiary – bardzo trudne – przepływu w
maszynach sprężających jakie są zaprezentowane w ocenianej pracy.
Rozdział 5 pracy zawiera opis stoiska badawczego, wykonanych badań oraz wnioski z nich
wypływające. Stoisko badawcze zostało oparte konstrukcyjnie o dmuchawę promieniową
DA-200, wyprodukowaną przez Zakłady HCP Poznań, przy znaczącym udziale w zakresie
projektowania i badania aerodynamicznego, zespołu Profesora dr hab. inż. J. Walczaka promotora recenzowanej pracy. Jest to jedno-stopniowa dmuchawa o znamionowym
stopniu sprężania  = 1,6 i mocy elektrycznej napędu 70 kW el. Prędkość obrotowa wirnika
w czasie badań była bardzo wysoka - 25 tysięcy obr/min. W rozdziale 5 bardzo jasno i
dokładnie są przedstawione wszystkie parametry konstrukcyjne, w szczególności geometria
badanego dyfuzora łopatkowego, opis przyrządów pomiarowych, zasady wykonanych
pomiarów ciśnień, natężenia przepływu, hałasu. Badania za pomocą LDA były prowadzone
w kierunku obwodowym i promieniowym. Zastosowanie posiewu w postaci kropel wody
generowanych przez generator ultradźwiękowy zostało dobrze wybrane z pakietu
stosowanych w podobnych badaniach innych rodzajów posiewów. Co prawda ten posiew
nie pozwalał na uzyskanie dużej ilości zbieranych sygnałów przez anemometr
(wspomniana absorbcja drobin na cząstkach kurzu) ale alternatywny posiew na przykład
TiO2, stosowany w tym samym laboratorium przez zespół zajmujący się spalaniem, nie
byłby lepszym rozwiązaniem z uwagi na dużą gęstość posiewu a tym samym znaczne
opóźnienie prędkości drobin w stosunku do prędkości płynu zależne od tak zwanych „drag
forces”. Należy przypomnieć, że badania były prowadzone dla prędkości ponad 160 m/s.
Rozdział 5 przedstawia także wyniki badań profili prędkości i analizę wyników. Badania
zostały wykonane z bardzo dużą starannością - recenzentowi wiadomo, że były one
wielokrotnie powtarzane. Ich podsumowanie jest dobrze przedstawione.
W rozdziale 6: Obliczenia numeryczne zostały opisane obliczenia numeryczne w dwóch
częściach:
a) opis modelu numerycznego i procedury numerycznej
b) przedstawienie wyników obliczeń.
Autor dysertacji w obliczeniach posłużył się procedurą ANSYS rozszerzoną o pakiety
specjalistyczne dedykowane do obliczeń numerycznych stosowanych w maszynach
przepływowych. Autor stosował trzy modele turbulencji w swoich obliczeniach:
1. model k- cechującego się małą wrażliwością na poziom turbulencji strugi dolotowej,
ograniczoną „produkcją” energii kinetycznej k w przestrzeni płynu o dużych gradientach
ciśnienia – czyli w przepływie spowolnionym,
2. model k-  dobrze oddający przepływ w warstwie przyściennej,
3. model SST- czyli Shear Stress Transport – tu zastosowany jako model uśredniony.
str. 3
W rozdziale 7: Zestawienie wyników, wnioski Pan Zbigniew Pałucki przedstawił zestawienie
wyników badań, obliczeń numerycznych oraz ich porównanie.
Porównanie wyników badań z wynikami obliczeń cechuje duża zgodność, co jest godne
podkreślenia z uwagi na bardzo trudne stoisko badawcze oraz bardzo skomplikowany opis
numeryczny badanego przepływu. Jako kryterium optymalizacji przyjęto:
a) maksymalny spręż maszyny
b) maksymalną sprawność izentropową.
Jako wynik badań przedstawiono optymalne kąty pochylenia łopatek dyfuzora. Parametry
te są kluczowymi dla prawidłowego konstruowania maszyn sprężających.
3. Uwagi do pracy
Recenzent w pracy zauważył kilka niejasności i prosi o ich dodatkowe wyjaśnienie. Są to w
szczególności:
3.1 Str. 52: przedstawiono zakres maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia
przetworników różnicy ciśnień jako równe 25 MPa, a ciśnienie pracy do 25
MPa. Jednak zasadniczo w czasie pomiarów mierzona wartość ciśnienia nie
była większa niż 2 bary. Jaki był błąd pomiaru ciśnienia i czy te ciśnienia były
stałe w czasie?
3.2 Str. 78 Jaka jest definicja ciśnienia zmodyfikowanego p’ i jaką rolę ono
odgrywa w równaniach momentu ?
3.3 Autor stosował w obliczeniach numerycznych trzy modele turbulencji:
3.3.1
k-
dla swobodnej strugi (jądra przepływu?) cechuje się on dużą
wrażliwością na turbulencję strugi dolotowej, ogranicza „produkcję” energii
kinetycznej,
3.3.2
k-  dla warstwy przyściennej,
3.3.3 SST- czyli shear stress transport – jako model uśredniony.
Jakie są zalety i wady tych modeli turbulencji i jakiej zgodności wyników
obliczeń należy się spodziewać z wynikami badań profili prędkości stosując
poszczególne modele?
3.4 Jaki model równia stanu został przyjęty w obliczeniach numerycznych? Czy
parametry pracy maszyny sprężającej pozwalały na zastosowanie modelu
gazu doskonałego czy równie to powinno to być równaniem wirialnym?
Jeżeli tak, to jak duży błąd obliczeń był spowodowany przyjęciem modelu
równania gazu doskonałego?
3.5.
Czy wyniki badań oraz obliczeń numerycznych mogą być przeniesione na
inne gazy rzeczywiste takie jak na przykład: transport gazu ziemnego –
ciśnienie do 200 bar, biogaz, przesyłanie i zatłaczanie CO2 w technologach
CCS (CO2 Capture and Sequestration) ?
str. 4
3.6.
4
Jakie możliwości wykorzystania wyników badań i obliczeń w przemyśle widzi
Autor ?
Ocena pracy i podsumowanie recenzji
Przedstawiona do oceny praca jest bardzo trudną pracą. Pan mgr inż. Zbigniew
Pałucki wykazał się w niej bardzo dużym talentem w planowaniu eksperymentu,
konstrukcji stoiska badawczego, przeprowadzeniu badan i obliczeń numerycznych i
opracowaniu wniosków.
Praca ma duży potencjał aplikacyjny z uwagi na przykład na duży program
modernizacji przesyłu gazu ziemnego w Polsce, Europie, przemyśle wydobywczym
ropy i gazu, budowie nowych oczyszczalni ściegów, rozwoju energetyki, konstrukcja
turbin gazowych stacjonarnych i lotniczych. Zdobyte doświadczenie w zastosowaniu do
pomiarów przepływ turbulentnego z wysokimi prędkościami do 200 m/s za pomocą LDA
także jest bardzo ważnym dla przyszłych badań i konstruowania maszyn.
Zdobyta umiejętność posługiwania się nowoczesnymi metodami numerycznymi do
symulacji przepływu z dużymi zmianami ciśnienie też powinno owocować nie tylko w
projektowaniu nowych maszyn ale także w modernizacji istniejących instalacji.
Podsumowanie
Biorąc pod uwagę moją powyższą opinię stwierdzam, że praca w pełni spełnia
wymagania określone Ustawą z dnia 14 marca 2003 r. dotyczącą stopni i tytułów
naukowych i rekomenduję ją do dalszej procedury obrony i nadania stopnia doktora
nauk technicznych Panu Zbigniewowi Pałuckiemu.
Niech mi będzie wolno zaproponować ocenę pracy, jak to ma miejsce wielu
ośrodkach akademickich polskich i zagranicznych. Ocenę tę szacuję na
„magna cum laude”
co można przetłumaczyć jako „praca bardzo dobra”.
Poznań, 16 stycznia 2015 roku
str. 5
str. 6