(b) Määritä pumpun todellinen nostokorkeus, jos pumpun hyötysuhde on 65 %. 160 mm. 100 mm. 650 rpm. Kuva 1: Tehtävän asettelu.

Samankaltaiset tiedostot
(c) Kuinka suuri suhteellinen virhe painehäviön laskennassa tehdään, jos virtaus oletetaan laminaariksi?

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai :00-12:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, pe :00-17:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

17. Pyörivät virtauskoneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

14. Putkivirtausten ratkaiseminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai klo 12:00-16:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

Luvun 12 laskuesimerkit

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Fluidi virtaa vaakasuoran pinnan yli. Pinnan lähelle muodostuvan rajakerroksen nopeusjakaumaa voidaan approksimoida funktiolla

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Kahden suoran leikkauspiste ja välinen kulma (suoraparvia)

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

4.1 Kaksi pistettä määrää suoran

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Tekijä Pitkä matematiikka

Luento 3: Käyräviivainen liike

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Harjoitus 10. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Laudatur 4 MAA4 ratkaisut kertausharjoituksiin

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Demo 5, maanantaina RATKAISUT

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

4 TOISEN ASTEEN YHTÄLÖ

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Differentiaali- ja integraalilaskenta

Ympyrän yhtälö

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Vastaus: Määrittelyehto on x 1 ja nollakohta x = 1.

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

HYDRAULIIKAN PERUSTEET JA PUMPUN HYÖTYSUHDE PUMPUN HYÖTYSUHTEEN LASKEMINEN

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Lauseen erikoistapaus on ollut kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa seuraavassa muodossa:

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

y + 4y = 0 (1) λ = 0

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Ylioppilastutkintolautakunta S tudentexamensnämnden

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

Differentiaalilaskennan tehtäviä

3 Määrätty integraali

Lineaarinen yhtälöryhmä

Differentiaalilaskenta 1.

11. Dimensioanalyysi. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

VAAKA-ASENTEISET VAKIONOPEUSPUMPUT, 3x400V AS-, KN- ja KM-sarjat, laipalliset DN32-DN65. SC-KÄYTTÖVESIPUMPUT - AEP, LP ja ALP

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Harjoitus 3: Hydrauliikka + veden laatu

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

TEHTÄVIEN RATKAISUT. Luku a) Merkintä f (5) tarkoittaa lukua, jonka funktio tuottaa, kun siihen syötetään luku 5.

MATEMATIIKAN KOE, LYHYT OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Tehtävien ratkaisut

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

KERTAUSHARJOITUKSIA. 1. Rationaalifunktio a) ( ) 2 ( ) Vastaus: a) = = 267. a) a b) a. Vastaus: a) a a a a 268.

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

Pinta-alojen ja tilavuuksien laskeminen 1/6 Sisältö ESITIEDOT: määrätty integraali

5 Rationaalifunktion kulku

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

Integrointi ja sovellukset

Kartio ja pyramidi

11 MATEMAATTINEN ANALYYSI

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

MAA7 7.2 Koe Jussi Tyni Valitse kuusi tehtävää! Tee vastauspaperiin pisteytysruudukko! Kaikkiin tehtäviin välivaiheet näkyviin! lim.

Harjoitus 1. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa [a), b)] ja laske c) kohdan tehtävä.

Transkriptio:

Tehtävä 1 Kuvan keskipakopumppu pumppaa vettä (ρ = 998 kg/m 3 ) tilavuusvirralla 180 l/s. Pumpun pesän korkeus on mm. Oletetaan, että sisäänvirtauksessa absoluuttisella nopeudella ei ole tangentiaalista komponenttia. (a) Määritä pumpun akseliteho. (b) Määritä pumpun todellinen nostokorkeus, jos pumpun hyötysuhde on 65 %. (c) Määritä, mikä pumpun siiven kulman pitäisi olla suhteessa tangenttiin sisäkehällä, jotta virtaus olisi siiven suuntaista. 30 o 1 mm 100 mm 650 rpm Kuva 1: Tehtävän asettelu. Ratkaisu (Kappale 11.4.1) (a) Ratkaisu perustuu kulmaliikemäärän taseeseen, jolla saadaan määritettyä pumpun akseliteho. Kulmaliikemäärän taseen perusteella Ẇ shaft = ρq (U 2 V θ,2 U 1 V θ,1 ), missä U on siipipyörän kehänopeus ja V absoluuttinen nopeus maahan kiinnitetyssä koordinaatistossa. Alaindeksit 1 ja 2 viittaavat sisään- ja ulosvirtaukseen. Koska tässä tapauksessa absoluuttisella nopeudella ei ole tangentiaalista komponenttia, yksinkertaistuu yhtälö muotoon Ẇ shaft = ρqu 2 V θ,2. Nopeuskomponentit saadaan ulosvirtauksen nopeuskolmiosta, joka on esitetty oheisessa kuvassa.

30 o 30 o Kuva 2: Nopeuskolmio ulosvirtauksessa (vasemmalla) ja absoluuttisen nopeuden tangentiaalikomponentin laskenta (oikealla). Kolmion perusteella absoluuttisen nopeuden tangentiaalikomponentti on laskettavissa lausekkeesta V θ,2 = U 2 W θ,2 = U 2 W r,2 tan 30 = U 2 Q 2πR 2 b cot 30, missä b on pumpun pesän korkeus. Tässä on käytetty hyväksi tietoa, että tilavuusvirta riippuu normaalinopeudesta pumpun ulkokehän läpi eli absoluuttisen ja suhteelisen nopeuden radiaalikomponentista. Sijoittamalla tämä akselitehon lausekkeeseen saadaan ( Ẇ shaft = ρqu 2 U 2 Q ) ( cot 30 = ρqωr 2 2πR 2 b ωr 2 Q ) cot 30 2πR 2 b Sijoittamalla tähän lukuarvot saadaan ( 650 2π 650 2π Ẇ shaft = 998 0, 180 0, 1 11 kw. 0, 1 ) 0, 180 cot 30 W 2π 0, 1 0, 0 (b) Todellinen nostokorkeus voidaan määrittää ideaalisen nostokorkeuden avulla kertomalla ideaalinen nostokorkeus hyötysuhteella. Ideaalisen nostokorkeuden ja akselitehon välillä on yhteys jolloin ideaaliseksi nostokorkeudeksi saadaan Ẇ shaft = ρgqh i, h i = Ẇshaft ρgq. Todellinen nostokorkeus on tällöin h a = η Ẇshaft ρgq = 0, 65 11 kw 998 kg/m 3 9, 81 m/s 2 0, 180 m 3 /s 4, 1 m (c) Siiven kulma pystytään määrittämään suoraan sisäänvirtauksen nopeuskolmiosta. Sisäänvirtauksessa tiedetään kehänopeus U 1, sillä U 1 = ωr 1 = 650 2π 0, 100 m s 6, 8 m s sekä absoluuttisen ja suhteellisen nopeuden radiaalikomponentti, sillä V r,1 = W r,1 = Q 2πR 1 b = 0, 180 m 2π 0, 100 0, 0 s 4, 8 m s.

Tämän lisäksi tiedämme tehtävänannon perusteella, että V θ,1 = 0 eli absoluuttinen virtaus on kohtisuorassa kehää vasten. Tällöin V 1 = V r,1. Sisäänvirtauksen nopeuskolmio on esitetty oheisessa kuvassa. Kuva 3: Nopeuskolmio sisäänvirtauksessa. Siiven kulma valitaan siten, että suhteellinen nopeus on siiven suuntaista. Kolmiosta saadaan ratkaistua kysytty kulma Tehtävä 2 β = tan 1 V 1 1 4, 8 = tan U 1 6, 8 35. Vettä (20 astetta) pumpataan alemmasta altaasta ylempään altaaseen putkistossa (vedettyä putkea), jonka yhteispituus on m ja halkaisija 50 mm. Putkistossa on kaksi laipallista 90 asteen mutkaa (regular) ja yksi täysin avoin palloventtiili. Altaiden ja putkiston liitokset ovat teräviä. Altaiden pintojen korkeusero on 5, 0 m. Putkistoon ollaan valitsemassa pumppu, jolla on kuvan mukaiset ominaisuudet eri siipipyörän halkaisijoilla (halkaisijat millimetrejä). (a) Valitse paras siipipyörän halkaisija tähän tilanteeseen siten, että tilavuusvirta on vähintään 5 l/s. Mikä on tällä halkaisijalla saavutettava tilavuusvirta? (b) Mikä on paras siipipyörän halkaisija, jos pintojen korkeusero kasvaa 10 metriin? (c) Pohdi pumppuperheen soveltuvuutta näihin tilanteisiin.

Kuva 4: Pumpun ominaisuudet eri siipipyörillä. Ratkaisu (Kappale 11.4.3) Tehtävä ratkeaa laskemalla putkiston vaatima pumpun nostokorkeus eri tilavuusvirroilla laajennetusta Bernoullin yhtälöstä, piirtämällä tätä vastaava käyrä pumpun käyrästöön ja etsimällä putkiston ja pumpun käyrien leikkauspiste. Tässä pisteessä (toimintapiste) putkiston vaatima nostokorkeus ja pumpun tuottama nostokorkeus ovat yhtä suuret.

(a) ja (b) Kirjoitetaan laajennettu Bernoullin yhtälö putkiston alku- ja loppupään välillä p 2 ρg + V 2 2g + z 2 = p 1 ρg + V 2 2g + z 1 + h p (f ld + ) V 2 K L 2g, missä virtausnopeus kaikissa putkiston kohdissa ja kaikkien komponenttien läpi on sama, koska putkiston halkaisija ei muutu ja V = Q/A. Koska tarkastelupisteet voidaan valita altaiden pinnoilta, joissa paine vastaa ilmakehän painetta ja nopeus häviää, yksinkertaistuu yhtälö muotoon z 2 = z 1 + h p (f ld + ) V 2 K L 2g, Ratkaistaan tästä putkiston vaatima pumpun nostokorkeus, joksi saadaan h p = z 2 z 1 + (f ld + ) V 2 K L 2g. Putken kitkahäviökerroin f riippuu Reynoldsin luvusta, joka riippuu tilavuusvirrasta, joten se pitää määrittää jokaiselle tilavuusvirralle erikseen. Komponenteista tiedetään kurssimateriaalin perusteella 1, että 90 asteen laipallisen mutkan kertahäviökerroin on 0,3, teräväreunaisen sisäänvirtauksen 0,5, ulosvirtauksen 1 ja täysin avoimen palloventtiilin 0,05. Sijoitetaan yhtälöön tunnetut korkeuserot sekä lausutaan virtausnopeus tilavuusvirran avulla. Saamme tällöin eri pinnankorkeuseroille h p,5 = 5, 0 + ( ) f + 0, 5 + 2 0, 3 + 0, 05 + 1 0, 05 8Q 2 π 2 0, 05 4 9, 81 5, 0 + (1200f + 2, 15) 13220 Q 2 (2) h p,10 = 10, 0 + ( ) 8Q 2 f + 0, 5 + 2 0, 3 + 0, 05 + 1 0, 05 π 2 0, 05 4 9, 81 10 + (1200f + 2, 15) 13220 Q 2, (4) jossa nostokorkeuden ja tilavuusvirran yksiköt ovat vastaavasti metrejä ja kuutiometrejä sekunnissa. Putkiston vaatima nostokorkeus eri tilavuusvirroilla on laskettu ylläolevilla lausekkeilla oheiseen taulukkoon, jossa h L kuvaa häviöitten osuutta nostokorkeudessa. 1 Luento 14 Taulukko 1: Nostokorkeus eri tilavuusvirroilla Q [l/s] Q [m 3 /s] V [m/s] Re f h L h p,5 h p,10 0 0 0,00 0 0,0000 0,00 5,00 10,00 2 0,002 1,02 50757 0,0209 1,44 6,44 11,44 4 0,004 2,04 101514 0,0181 5,05 10,05 15,05 6 0,006 3,06 152271 0,0167 10,57 15,57 20,57 8 0,008 4,07 203028 0,0158 17,90 22,90 27,90 10 0,01 5,09 253785 0,0152 26,97 31,97 36,97 12 0,012 6,11 304542 0,0147 37,75 42,75 47,75 14 0,014 7,13 355299 0,0144 50,20 55,20,20 (1) (3)

Tämän perusteella voidaan piirtää putkiston vaatima nostokorkeus pumpun käyrästöön. Tämä on esitetty oheisessa kuvassa, jossa ylempi käyrä kuvaa suurempaa korkeuseroa. Kuva 5: Pumpun ominaiskäyrät ja systeemikäyrät 5, 0 ja 10 metrin pinnankorkeuseroilla. Kuvaajan perusteella paras hyötysuhde saavutetaan 5, 0 metrin pinnankorkeuserolla, kun siipipyörän halkaisija on 130 mm. Kuvaajan mukaan tilavuusvirta on tällöin noin 6, 6 m 3 /s. Suuremmalla pinnankorkeuserolla paras hyötysuhde saavutetaan edelleen 130 mm:n siipipyörän halkaisijalla, mutta ero suurempiin halkaisijoihin on selvästi pienempi. Tässä tapauksessa saattaisi olla järkevämpää valita suurempi halkaisija, koska näillä hyötysuhde ei ole yhtä herkkä putken ikääntymiselle tai pinnankorkeuden kasvulle. Mikäli näitä tekijöitä ei oteta huomioon, on paras halkaisija kuitenkin siis 130 mm myös suuremmalla korkeuserolla.

(c) Sekä a- että b-kohdan tilanteessa havaitaan, että kaikilla halkaisijoilla tilavuusvirta jää optimaalisen toimintapisteen alapuolelle, mikä viittaisi siihen, että pumppuperhe ei ole välttämättä paras valinta näihin tilanteisiin. Putkiston ikääntyminen kasvattaa häviöitä, jolloin systeemikäyrä nousisi jyrkemmin. Tämä johtaisi siihen, että toimintapiste siirtyisi kaikissa tapauksissa yhä pienemmille tilavuusvirroille ja siis kauemmas optimipisteestä. Pumppuperhe sopisi ehkä paremmin tilanteisiin, joissa häviöt tai korkeusero ovat hieman pienempiä. Tehtävä 3 Halkaisijaltaan 34 cm keskipakopumpulle on mitattu oheisen taulukon mukaiset ominaisuudet 30 asteisella vedellä pyörimisnopeudella 2100 rpm. Laadi vastaava taulukko geometrisesti samanlaiselle pumpulle, jonka halkaisija on 30 cm ja pyörimisnopeus on 1800 rpm. Lisää uuteen taulukkoon rivi pumpun hyötysuhteelle. Esitä skaalauksen periaate ja laskut vähintään yhdelle tilavuusvirralle. Q [m 3 /s] 0 0,09 0,18 0,27 0,36 0,45 h p [m] 104 104 104 100 91 66 Ẇ shaft [kw] 101 120 154 191 248 248 Ratkaisu (Kappale 11.5) Pumpun ominaisuuksien skaalaus perustuu pumppun ominaisuuksien dimensiottomiin riippuvuksiin, joissa dominoivana selittävänä dimensiottomana suureena on pumpun ominaistilavuusvirta eli riippuvuudet muotoa Π 1 = φ( Q ωd 3 ). Tässä selitettäviä dimensiottomia suureita ovat mm. ominaisnostokorkeus, ominaisteho tai hyötysuhde. Skaalaus perustuu mallikokeiden tavoin ajatukseen, että jos dimensioton selittävä muuttuja pidetään vakiona (mallilaki), niin myös dimensioton selitettävä muuttuja on sama (ennusteyhtälö). Nyt siis geometrisesti similaariselle pumpulle tilanteet ovat dynaamisesti samoja, jos tilavuusvirtakerroin on sama eli Q 1 = Q 2, ω 1 D1 3 ω 2 D2 3 jossa kulmanopeus ω saadaan kierrosnopeudesta n lauseesta ω = 2πn. Tällöin tilavuusvirta uudessa tilanteessa saadaan lauseesta Q 2 = 2πn 2D 3 2 2πn 1 D 3 1 Q 1 = n 2D2 3 Q n 1 D1 3 1 = 1800 303 2100 34 3 Q 1 0, 589 Q 1. Jos tilavuusvirtakertoimet ovat samat, ovat tällöin samoja myös ominaisnostokorkeus ja ominaisteho eli gh p,1 = gh p,2 ω1d 2 1 2 ω2d 2 2 2

ja Ẇ shaft,1 ρ 1 ω 3 1D 5 1 = Ẇshaft,2 ρ 2 ω 3 2D 5 2 Näistä voidaan ratkaista uuden tilanteen nostokorkeus ja akseliteho, joiksi saadaan, kun fluidi on sama, h p,2 = ω2 2D2 2 h ω1d 2 1 2 p,1 = 18002 30 2 2100 2 34 h 2 p,1 0, 572 h p,1 Ẇ shaft,2 = ω3 2D2 5 Ẇ ω1d 3 1 5 shaft,1 = 18003 30 5 2100 3 34 5 Ẇshaft,1 0, 337 Ẇ shaft,1 Pumpun hyötysuhde saadaan laskettua suoraan hyötysuhteen määritelmästä eli η = ρqgh p Ẇ shaft Käyttämällä näitä kaavoja siten, että tilavuusvirta, nostokorkeus ja akseliteho tilanteessa 1 otetaan tehtävänannon taulukosta, voimme luoda taulukon uudelle tilanteelle. Taulukko on esitetty ohessa. Taulukko 2: Geometrisesti similaarisen pumpun ominaisuudet Q [m 3 /s] 0 0,05 0,11 0,16 0,21 0,26 h p [m] 59 59 59 57 52 38 Ẇ shaft [kw] 68 81 104 129 167 167 η 0 0,38 0,59 0,69 0,65 0,58