Analiza przepływu w kanale nawrotnym wielostopniowej dmuchawy

Dr hab. inż. Władysław Kryłłowicz, prof. PŁ
Łódź, 15-03-16
RECENZJA
Pracy doktorskiej mgr. inż. Adama Tralewskiego
pt. „Analiza przepływu w kanale nawrotnym wielostopniowej dmuchawy
promieniowej na podstawie obliczeń numerycznych i badań doświadczalnych”
Niniejsza recenzja została opracowana na zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn
Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej, p. prof. dr. hab. inż. Franciszka
Tomaszewskiego, sygnowane jako DR-63/450/01/2014. Zlecenie to stanowi realizację
uchwały Rady Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej z dnia
24.02.2014. Dyscypliną rozprawy doktorskiej p. Adama Tralewskiego jest budowa i
eksploatacja maszyn, a promotorem pracy jest prof. dr hab. inż. Janusz Walczak.
Recenzowana rozprawa zawiera 167 numerowanych stron, podzielona jest na jedenaście
rozdziałów plus wykaz literatury ( bibliografia ) oraz wykaz dodatkowych materiałów i źródeł
wykorzystanych w trakcie prac. Strukturę podziału treści pracy oceniam jako przejrzystą i
logiczną a Autor posługuje się sprawnie argumentacją naukową. Praca jest zredagowana pod
względem edycyjnym bardzo starannie a ilość błędów redakcyjnych znikoma.
Przedmiotem rozprawy (patrz Rozdział czwarty) jest jeden z elementów stopnia
sprężarki promieniowej nazywany w polskim piśmiennictwie technicznym „kanałem
nawrotnym” (w języku angielskim : return vane channel). Element ten występuje jedynie w
sprężarkach promieniowych wielostopniowych. Spełnia on dwie podstawowe role:
1. Doprowadzenie czynnika do następnego stopnia.
2. Likwidacja krętu na wlocie do następnego stopnia.
Kanał nawrotny jest zatem elementem stopnia, który nie przekazuje energii płynącemu
czynnikowi, a jego udział w konwersji energii nie przekracza na ogół granicy 4-5%. Tym
niemniej, błędna konstrukcja kanału nawrotnego może spowodować zmniejszenie
przekazywania energii w stopniu następnym i w konsekwencji zmienić na niekorzyść
parametry całej dmuchawy bądź sprężarki.
W rozdziale czwartym rozprawy Autor przedstawia genezę pracy. Podjęcie tematyki
kanałów nawrotnych wynikło z konieczności stworzenia kompleksowych metod
obliczeniowych wielostopniowych dmuchaw promieniowych projektowanych w Katedrze
Techniki Cieplnej Politechniki Poznańskiej w ramach projektu rozwojowego finansowanego
przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Projekt ten był odpowiedzią na zainteresowanie
krajowego przemysłu produkcją maszyn sprężających charakteryzujących się sprężem poniżej
1,7 oraz małym strumieniem objętości, poniżej 3000 m3/h. Dodatkowymi wymaganiami były
niskie koszty nabycia i zainstalowania oraz prosta obsługa. Te wymagania spełniają
1
wielostopniowe dmuchawy promieniowe o tak zwanej konstrukcji członowej. Tradycyjny
partner przemysłowy Katedry Techniki Cieplnej – Zakłady H. Cegielski Poznań nie
produkował dotychczas takich dmuchaw, chociaż sprzedawał już importowane dmuchawy
wielostopniowe. Stąd też i zainteresowanie własną konstrukcją tego rodzaju (a właściwie
typoszeregiem).
Dmuchawy projektowane według powyższych założeń podlegają istotnym
ograniczeniom konstrukcyjnym, z uwagi na wymogi technologii – a przede wszystkim na
ograniczenie zakresu obróbki ubytkowej i przeniesienie punktu ciężkości na technologie
odlewania bądź alternatywnie tłoczenia. Stąd też i ogromne znaczenie opracowania
poprawnych przepływowo elementów składowych, ponieważ później możliwości ich
poprawy pozostają ograniczone z uwagi na wysoki koszt oprzyrządowania. Dlatego też
uważam podjęcie przez Doktoranta tematyki kanałów nawrotnych za uzasadnione.
Do tego samego wniosku skłania analiza piśmiennictwa przedmiotu zawarta w rozdziale
piątym rozprawy. W rozdziale tym Doktorant opisał stan wiedzy w dziedzinie projektowania i
badań kanałów nawrotnych, omawiając również obszernie wyniki badań eksperymentalnych
prowadzonych w RWTH Aachen (Rothstein i Gallus). Szkoda jedynie, że Doktorant nie
wyszczególnił szeregu ciekawych prac prowadzonych w Rosji (i historycznie w Związku
Radzieckim). Na jego usprawiedliwienie należy jednak stwierdzić, że powołując się na
monografię Tuliszki równocześnie przytoczył wyniki niektórych z tych prac. Na podstawie
analizy stanu wiedzy Doktorant wysnuł wniosek, że tematyka projektowania i badań kanałów
nawrotnych nie została wyczerpana, a wpływ kanału nawrotnego na sprawność stopnia
promieniowego nie został określony jednoznacznie. Ponadto, co jest bardzo ważnym
stwierdzeniem, większość badań odnosi się do stopni o wysokiej wartości wskaźnika
szybkobieżności Kn , a zatem są to głównie stopnie sprężarek o wysokiej sprawności.
Rozdział szósty pracy, zatytułowany „Cele i tezy pracy” stanowi logiczną konsekwencję
wyników analizy stanu wiedzy. Doktorant stawia tezę, że na etapie projektowania stopnia
przepływ przez kanał nawrotny powinien być traktowany jako przepływ przez kanał
zakrzywiony, a nie jako opływ palisady łopatkowej. Została również sformułowana wtórna
teza, cyt. „wyniki obliczeń numerycznych prowadzonych w programie ANSYS CFX można
uznać za zgodne z wynikami badań laboratoryjnych”. Sformułowanie to musze uznać w
pewnej mierze za dyskusyjne i wymagające wyjaśnień ze strony Doktoranta.
Zakres pracy uznaję za bardzo obszerny, jak na rozprawę doktorską. Pan magister Adam
Tralewski przeprowadził badania eksperymentalne na stoisku badawczym, ale również
dokonał weryfikacji numerycznej. Przeprowadził ją w oparciu o komercyjny kod ANSYS
CFX. Recenzowana praca nosi zatem charakter teoretyczno-eksperymentalny.
Koncepcja eksperymentu, polegającą na tym, że pomiary ciśnień statycznych
przeprowadza za pomocą klasycznych przetworników o dużej stałej czasowej, natomiast
pomiary rozkładów prędkości w obrębie kanałów dyfuzora dokonywane są przy pomocy
anemometru laserowego typu dopplerowskiego jest zbliżona do opisywanej w poprzedniej
rozprawie dr. Pałuckiego, którą miałem przyjemność recenzować. Jest to koncepcja bardzo
nowoczesna i ciekawa, ale obciążona jest pewnymi wadami. Otóż tym systemie pomiarowym
2
brak jest pomiarów temperatur całkowitych oraz pomiarów ciśnień dynamicznych, do
wymagałoby zabudowy odpowiednich sond.
Tym niemniej, przyjęty system oprzyrządowania umożliwia z powodzeniem realizację
założonego programu badań. W efekcie końcowym uzyskano dość dobrą zgodność wyników
symulacji numerycznych oraz pomiarów, co uwidacznia rysunek 10.1 ( rozdział dziesiąty,
strona 157). Na rysunku tym przedstawiono porównanie przebiegów zmian wartości
współczynnika strat otrzymanego drogą obliczeń CFD oraz drogą eksperymentu. To
porównanie stanowi według mnie kluczowa część pracy p. mgr. Tralewskiego – uzasadnienie
głównej tezy Jego rozprawy.
Chciałem podkreślić, że opisane w pracy pomiary rozkładów prędkości w kanale
nawrotnym sprężarki promieniowej przy pomocy anemometru laserowego są pierwszymi tego
rodzaju przeprowadzonymi w Polsce.
Analiza treści rozprawy mgr. inż. Adama Tralewskiego skłoniła mnie do sformułowania
szeregu zagadnień, wymagających moim zdaniem wyjaśnienia :
1. W rozdziale czwartym (Przedmiot rozprawy) Autor stwierdza, cyt. „ ...kanał nawrotny
będący kanałem dyfuzorowym i zakrzywionym”. Otóż nie zawsze konstruujemy kanały
nawrotne jako kanały dyfuzorowe. Niekiedy godzimy się na pewien niewielki spadek
ciśnienia, aby uporządkować strugę gazu i polepszyć warunki napływu na następny
stopień. Na stronie 42 (rozdział piąty) Doktorant powołał się nawet na wyniki badań
Rodgersa, w trakcie których uzyskano spadek ciśnienia całkowitego na poziomie 2-3%
ciśnienia całkowitego za dyfuzorem. Rozumiem, że ze względu na małe spiętrzenia
dmuchaw wielostopniowych założono a priori przemianę sprężająca, ale proszę
Doktoranta o komentarz w tej sprawie.
2. Doktorant prezentuje szeroko wyniki obliczeń numerycznych, ale dotyczą one jedynie
kinematyki – rozkładów prędkości. Nie została wykorzystana w żadnej mierze możliwość
przedstawienia rozkładów ciśnień. A przecież w kanale nawrotnym Autor wykonał cały
szereg otworków do pomiaru ciśnienia statycznego (patrz rysunek 9.20, str. 120,
przedstawiający rozmieszczenie otworów impulsowych w przekrojach kontrolnych kanału
nawrotnego). Otworki te zostały wykorzystane jedynie do wyznaczenia wartości
współczynnika strat. A przecież dzięki nim możemy dokonać łatwej a przede wszystkim
niepodważalnej weryfikacji obliczeń numerycznych. Tej możliwości doktorant nie
wykorzystał, poprzestając na weryfikacji pośredniej, poprzez porównanie
współczynników strat.
3. Stosowanie techniki pomiarów anemometrem laserowym (niezależnie, czy jest to
anemometr typu PIV czy dopplerowski używany przez Doktoranta) związane jest zawsze
z problemem skończonych wymiarów przestrzeni pomiarowej i ich wielkością w stosunku
do rzeczywistych wymiarów (w naszym przypadku – szerokości i wysokości kanału
nawrotnego). Oznacza to, że pomiar prowadzony w pobliżu ścianki jest obarczony dużą
niepewnością. Proszę o komentarz, w jaki sposób doktorant ocenia niepewność pomiaru
prędkości w pobliżu ścianki.
3
4. We wnioskach brak jest wyraźnego stwierdzenia, że kanał nawrotny o prezentowanej
geometrii likwiduje całkowicie kręt na wlocie do następnego stopnia. Proszę w związku z
tym o komentarz, poszerzony o analizę wielkości krętu (o ile występuje) w całym zakresie
zmian strumienia masy przedstawionym na rysunku 10.1 (strona 157).
Rozprawę doktorską p. Adama Tralewskiego pomimo opisanych powyżej pewnych
niedociągnięć oceniam pozytywnie. Czynnikiem istotnym dla wartości pracy jest fakt
prowadzenia badań na rzeczywistej maszynie. Autor wykazał się zarówno umiejętnością
planowania oraz prowadzenia eksperymentu z wykorzystaniem zaawansowanej techniki
anemometrii laserowej, jak i umiejętnością wykonywania skomplikowanych obliczeń CFD w
oparciu o kod ANSYS CFX.
Wniosek końcowy:
Po przeprowadzeniu oceny merytorycznej oraz oceny edycyjnej rozprawy doktorskiej
p. mgr. inż. Adama Tralewskiego, zatytułowanej „Analiza przepływu w kanale nawrotnym
wielostopniowej dmuchawy promieniowej na podstawie obliczeń numerycznych i badań
doświadczalnych” stwierdzam, że recenzowana rozprawa spełnia bez żadnych zastrzeżeń
wymogi określone w odpowiedniej Ustawie o stopniach i tytule naukowym. W związku z tym
stawiam wniosek o dopuszczenie Doktoranta do publicznej obrony Jego dysertacji.
4