Návrh zkušebního zařízení pro zkoušení odlučovacích mříží zpracovaný do 3D podoby CAD programem CATIA (III. část)

Tags: CAD | CATIA | Dassault | Konstrukce | TU Košice

Současný vývoj nových výrobků a zlepšování stávajících si téměř nelze představit bez aplikace nějakého CAD systému. Protože výrobky jsou určeny pro lidi, je třeba věnovat pozornost zejména lidskému faktoru, což se projevuje zohledněním ergonomie jak pro účely jednoduššího a pohodlnějšího používání výrobku, tak i pro účely zdraví nepoškozujícího vlivu při dlouhodobém užívání výrobku. Toho všeho jsou si vědomi i tvůrci CAD systémů, a proto integrují do svých systémů i moduly určené pro ergonomické analýzy. Jedním z těchto systémů je i CATIA, která disponuje různými nástroji určenými pro ergonomické analýzy.

Mříž slouží k vyrovnávání vířivého proudění, které vzniká použitím turbovrtulové jednotky M601 a vrtule V 508D. Vrtulová jednotka vytváří i složky proudění, které jsou pro průběh zkoušky nežádoucí. Kontrahuje a spirálově zatáčí svazky proudových trubic vzduchu – podobné jak můžeme vidět na obr. 1. Pro správný průběh zkoušky je nutné toto proudění za turbovrtulovou jednotkou „vyrovnat", tj. eliminovat uvedené nežádoucí složky.

Vrtule dává tah ve směru letu zrychlováním vzduchu, který prochází jejím diskem (její rovinou) – tento vzduch tvoří proudovou trubici, její průřez se mění v závislosti na rychlosti proudícího vzduchu.

Obr. 1 Proudová trubice [1]

Obr. 2 Šroubovité stáčení u vrtulového motoru [1]

Vrtulový pohon způsobuje šroubovicové stáčení vrtulového proudu, což vyvolává nesymetrii, která může negativně ovlivnit průběh a regulérnost zkoušky. U návrhu letadel se se stáčením proudu musí počítat. V tomto návrhu musí být tento jev eliminován.

Úkolem eliminační mříže je v maximální míře uspořádat profil proudění, aby byl co nejparalelnější. Jelikož zařízení má simulovat proudění vzduchu při určité rychlosti, není třeba dosáhnout úplného „vyrovnání" proudění. Nerovnosti nepovažujeme za chybu metody, neboť ani proudění kolem kolejového vozidla není ideální. Při konstrukci modelu vyrovnávací mříže se vycházelo z pravidel při konstrukci potrubí. Hloubka mříže představuje 5 x d, kde d je rozměr čtvercového profilu mříže.

Obr. 3 Schematické znázornění funkce mříže

Obr. 4 Modelové řešení eliminační mříže, pohled z boku

Obr. 5 Modelové řešení eliminační mříže v axonometrii

Měření rychlosti

K měření rychlosti proudění vzduchu se použije Pitotova trubice. Použijeme ji jako osvědčenou a prokázanou metodu proto, že tlak se měří jednodušeji než rychlost.

Pitotova trubice je snímací část měřicího zařízení, kterým se snímá rychlost proudění tekutin – kapalin a plynů na principu poměru statického a dynamického tlaku měřené tekutiny. Princip činnosti vychází z Bernoulliho rovnice. Toto zařízení se prakticky využívá hlavně při měření rychlosti letadel, pro měření rychlosti proudění tekutin v trubkách apod.

Pitotova trubice sestává z trubice se dvěma systémovými otvory. Otevřený konec namířený proti směru toku tekutiny slouží ke snímání dynamického tlaku a otvory na plášti slouží pro snímání statického tlaku. Tekutina se v reálném prostředí nachází za určitého statického tlaku. Zároveň však je při jejím pohybu vytvořen dynamický tlak daný kinetickou energií toku tekutin. Z Bernoulliho rovnice vyplývá, že

celkový tlak p = statický tlak p1 + dynamický tlak p2

jinak řečeno, tlak na vstupu otevřené trubice je součtem statického tlaku prostředí a dynamického (kinetického) tlaku pohybujících se molekul kapaliny (plynu)

z čehož dynamický tlak je rozdíl mezi celkovým a statickým tlakem. Dynamický tlak se určuje pomocí membrány v uzavřené nádržce. Pokud tlak z jedné strany membrány je ustálený na statický tlak, pak je deformace membrány úměrná dynamickému tlaku, tento se přepočítá (nebo mechanicky převede) na ukazatel rychlosti (výchylka membrány je elektronicky nebo mechanicky přenesena na ukazatel rychlosti). Namísto statických portů může být použita Pitotova statická trubice (také známá jako Prandtlova trubice). Tato má druhou trubici na stejné ose, jako je Pitotova, s dírami po stranách, směrem ven od přímého toku vzduchu pro měření statického tlaku.

Obr. 6 Schéma Pitotovy trubice [2]

modrá: měření celkového tlaku
červená: měření statického tlaku
zelená: diferenční (poměrový) tlakoměr

V průmyslu se touto metodou měří rychlosti toku tekutiny v plynovodech a trubkách, kde není možné použít anemometr. Pitotova trubice umožňuje průběžné měření bez nutnosti měnit tlak v rozvodu. Rozdíl tlaků způsobí rozdílnou výšku sloupce kontrastní kapaliny, což je přímo úměrné rychlosti proudění média v trubce.

Obr. 7 Princip Pitotovy trubice [3]

Měření rychlosti proudící kapaliny (Pitotova trubice)

Bernoulliho rovnice:

Obr. 8 Umístění měřidel

Sprchová zkouška

Jedná se o klasickou sprchu o daných rozměrech. Na konstrukci je umístěno několik sprchových hlavic. Pro zkušební zařízení by bylo vhodné, aby se dalo regulovat množství vody, která simuluje déšť. V současnosti se dají použít hlavice, pomocí kterých se může nastavovat i velikost kapek. Určité riziko vytváření umělého deště v tento systému je, že voda se nestihne v proudnicích rovnoměrně rozptýlit. Proto je přidána i spodní rampa s výstřikem vody směrem nahoru. Touto problematikou se nezabýváme podrobně, neboť až prvotní experimenty ukážou, jak nástřikový systém uspořádat, resp. modifikovat, aby výsledky korespondovaly s realitou.

Obr. 9 Model návrhu sprchové zkoušky

Obr. 10 Náčrt možného tvaru sprchy

Experimentováním se dají použít různé tvary konstrukce sprchy pro dosažení co nejrealističtější simulace deště, např. obr. 10. Pro přesnější simulaci je možné použít i několik sprch současně. Pro správný průběh zkoušky jsou trysky umístěny i ve spodní části sprchy, aby se dosáhlo co nejrealističtější simulace deště v podmínkách vysoké rychlosti. V důsledku silného proudění způsobeného turbovrtulovou pohonnou jednotkou by mohlo dojít k strhávání kapek a jejich odnášení dříve, než dopadnou do oblasti měření.

Pohonná jednotka proudění

Na simulaci proudění vzduchu se použije letecký turbovrtulový motor M 601 a vrtule V 508D. Kvůli ekonomice se v konceptu uvažuje o použití „vylítané" pohonné jednotky z letadla L 410, tj. jednotky s ukončeným technickým resursem – ve stavu na konci životnosti. V praxi je dokázáno, že při snížení tepelných provozních parametrů může jednotka ještě uspokojivě pracovat. Na letadlech Z 37T „turbočmelák" byly po jistých úpravách takové jednotky použity při snížených parametrech teploty na turbíně. Pro účely zkoušky není rozhodující letová způsobilost uvažované turbovrtulové jednotky. Vysazení jednotky nemá fatální důsledky. Je třeba pamatovat hlavně na palivovou instalaci a její protipožární bezpečnost. Samotná jednotka má instalován vlastní protipožární systém, na jehož funkčnost je třeba v provozu dohlížet.

Obr. 11 Schematický 3D model pohonné jednotky a nosné konstrukce

Při zkoušce budeme simulovat různé environmentální prostředí a produkovat hluk. Je třeba pečlivě zvolit místo, kde si můžeme dovolit:

• foukání vířícího prachu,
• hluk,
• stříkat vodu,
• použít sněžné dělo (za mrazu).

Obr. 12 Náčrt odklonění proudění pomocí valu

Obr. 13 Val pro motorové zkoušky letadel v Trenčíně

Ideálním místem zkoušky je nefrekventované letiště. Je důležité, aby místo zkoušky vyhovovalo z bezpečnostního a ekologického hlediska. Tyto požadavky splňují valy pro motorové zkoušky letadel, kde se testují motory letadel s nízkou frekvencí využívání. Proto by bylo optimální, kdyby zkouška proběhla na vyhovujícím místě. Při návrhu se předpokládá, že tento druh testování mříží se uskuteční u motorového valu na letišti v Trenčíně. Odpovídá tomu i lokalita vybraná zadavatelem tématu této diplomové práce. Má vztah s majitelem valu, proto může dohodnout spolupráci.

Val pro motorové zkoušky letadel slouží k odklonění vzduchu, který vzniká při zkouškách motorů letadel. Je to vlastně plocha, která je pro takové účely vyhrazená a splňuje bezpečnostní a ekologické požadavky. Val je výhodným místem pro občasnou zkoušku.

Článek byl vypracován v rámci řešení výzkumného projektu VEGA 1/0582/13, podporovaného Vědeckou grantovou agenturou MŠ SR a SAV.

Literatura

• [1] Daneshjo, N., Olejník, F., Korba, P., Iľaščíková, L.: CAx systémy v leteckom priemysle. Košice: TU - 2011. - 253 s. - ISBN 978-80-553-0692-6.
• [2] Mareš, A., Senderská, K., Fabian, M., Václav, Š.: CAD systémy v procesu projektování výrob a jejich implementace v procesu vzdělávání. In: IT CAD: dvouměsíčník o CAD, počítačové grafice a CA.. technologiích. Vol. 20, no. 6 (2010), p. 34-36. - ISSN 1802-0011
• [3] Eliašová, Z., Šeminský, J.: CAD systémy ako zdroj technologických podkladov pre výrobný proces. In: Strojárstvo. Roč. 13, č. 5 (2009), s. 9/1-9/2. - ISSN 1335-2938
• [4] Al Ali, M., Baláž, M.: Simulation of experimental test of welded steel beam with hybrid cross-section using 3D modeling. In: SSP - Journal of Civil Engineerig. Roč. 6, č. 1 (2011), s. 5-12. - ISSN 1336-9024
• [5] Pauliková, A., Fabian, M., Boslai, R.: Malé věci pomocí velkých CADů aneb udělej si sám. In: IT CAD: dvouměsíčník o CAD, počítačové grafice a CA.. technologiích. Vol. 20, no. 6 (2010), s. 40-41. - ISSN 1802-0011
• [6] Al Ali M.: The simulation of weakening of steel columns' cross-sections caused by welding when strengthening under load. In: Computational Models for Civil Engineering. - Iasi : Societatea Academica „Matei - Teiu Botez", 2008 p. 342-349. - ISBN 9789738955417
• [7] Fabianová, J., Janeková, J.: Implementácia PLM systémov jej prínosy a riziká, In: Transfer inovácií. 9/2006. – Košice, TU-SjF, 2006 s. 80-82. - ISBN 8080737010
• [8] Fabian, M., Spišák, E.: Navrhování a výroba s pomocí CA.. technologií, Brno, CCB, 2009, 398 p. – ISBN 978-80-85825-65