Paineiskun laskeminen

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Moi!
Tarkoituksena olisi laskea paineen nousua/paineiskua putken loppupäässä kun virtausta supistetaan nopeudella x l/s.. Olen yrittänyt kaivaa tietoa asiasta mutta oikein hyvää lähdettä en ole löytänyt. Osaisiko joku auttaa? Tarvitsisin tietoa yhteen tietokonesimulaatioon.

Kommentit (9)

Vierailija

Paineisku putkessa lasketaan kaavalla

F = m x (dv / dt)

Äkillistä paineen muutosta suljettua venttiiliä vasten voidaan tarkastella voimana, joka tarvitaan aiheuttamaan vesipatsaan liike. Vesimassalla on kokonaismassa m ja sen nopeus muuttuu määrällä dv/dt.

Vierailija

vastaus vesiiskujen laskennasta löytyy tuolta http://en.wikipedia.org/wiki/Water_hammer

DP=roo*c*DV

DP=vesi-iskun suuruus Paskaleina
roo=väliaineen tiheys (vedellä 1000 m/s)
c=väliaineen äänennopeus (esim vedellä n 1000 m/s)
DV=nopeuden muutos (m/s)

jos veden nopeus ennen törmäystä "dead-end" putken päähän on 1 m/s siitä seuraa vesi-isku jonka suuruus on

DP=1000kg/m3*1000m/s*1m/s= 1E6 Pa=1MPa

kohtuullisen suuri paineisku.

painepiikin kestoaika lasketaan kaavalla

dt=2*l/c

dt=iskun kesto aikana
l=vesitulpan pituus
c=äänennopeus väliaineessa

metrin pitkällä vesitulpalla vesi-iskun kestoaika on 2*1/1000=1E-3 s

Vierailija

Kiitoksia jo näistä. En ole vielä kovin syvällisesti ehtinyt perehtyä em. vastauksiin ja siihen miten saan ne käytäntöön sovellettua, mutta jos jollakin on heittää ehdotuksia siitä miten tämän ongelman saisi käytännössä ratkaistua, niin anti tulla vaan. Tarkoituksena olisi siis tehdä mahd. autenttinen mutta silti oman ammattitaidon rajoissa oleva simulaattori joka simuloisi vesivoimalan toimintaa. Laskentaperiaate tulee olemaan step-by-step, eli ilmiötä simuloidaan reaaliajassa seuraavasti:
-tiedossa on parametrien (esim. paineet, virtaukset) alkuarvot
-lasketaan alkuarvoista niiden muutosnopeudet
-lasketaan muutosnopeuksista ja laskentajakson kestoajasta parametrien absoluuttiset muutokset ja summataan ne alkuarvoihin, jolloin saadaan uudet alkuarvot
-silmukka sulkeutuu, eli uusista alkuarvoista lasketaan muutosnopeudet jne.

Tämä paineiskuilmiö tulee laskettavaksi kahdesta syystä:
a)tuloputki, jossa vesi putoaa voimalassa ja joka syöttää veden yläkanavasta turbiinille, on aikamoinen energiapesä. Niinpä säätöautomatiikan pudottaessa koneiston tehoa veden virtaama pienenee jolloin paine alhaalla turbiinin kohdalla kasvaa, jolloin tehon putoaminen ei ole ideaalista. Tämä taas pakottaa säätäjän sulkemaan veden virtausta vielä enemmän jolloin virtaama ja teho toki pienenee mutta samalla mennään "yli", eli paineiskun loputtua kone käykin aliteholla ja säätäjä joutuu lisäämään veden virtaamaa ja niin edelleen kunnes tullaan lievemmille ylitehoille kuin alussa ja säätö joutuu taas pienentämään virtausta. Säätöön siis syntyy värähtelyä kunnes säätäjä ja vesiteiden virtaukset pääsevät keskenään tasapainoon.
b)imuputki, onko epävirallisesti oikein sanoa diffuusori, vie veden turbiinilta alakanavaan. Vesi poistuu turbiinin juoksupyörästä melkoisella vauhdilla, ja tämä laajeneva imuputki ottaa vedeltä nopeuden pois samalla kun paine putken alkupäässä eli siis juoksupyörän jättöpuolella kasvaa ja näin saadaan enemmän paine-eroa juoksupyörälle ja energiahukkaa pienennettyä. Tässäkin putkessa veden inertia aiheuttaa vaikutuksensa säätöön.
c) (extra) oikeille vesivoimainsinööreille näitäkin tärkeämpi seikka on vielä se että kuinka nopeasti turbiinin saa suljettua ilman että paikat hajoavat, ts. kuinka suuri paineisku tulopuolella ja kuinka suuri paineen alenema turbiinin jättöpuolella voidaan sallia. Jälkimmäisestähän voi pahimmillan seurata veden höyrynpaineen alittuminen jolloin seurauksena on hemmetin iso kaviteettikupla ja sen luhistuessa seuraava paineisku joka varmasti hajottaa paikat.

Jos ette saaneet selvää niin kysykää!

vorrester
Seuraa 
Viestejä615
Liittynyt22.7.2005

Tuota vesioinasta kanssa suunnitellut 5m padotuskorkeudelle. Saisi kokovuotisen kasteluveden pihaan padotuskorkeutta 4m korkeammalle.

Mutta tuohon turbiini kysymykseen. Mitä jos turbiinin yläpuolelta haarautuu ylävesi kanavasta reilunkokoinen yläpäästä avoin putki padotuskorkeuteen.
Mahdollinen paineisku pääsee pakenemaan putken kautta rikkomatta paikkoja. Voi tulla hetkellinen komea suihkulähde putkenpäähän.
Samoin jos alavesikanavaan tulee höyrypainetta lähestyvä tilanne, putki antaa siinä tapauksessa ilmaa turbiinin läpi. Onko se taas hyvä??
Turbiinin yläkavavan virtausta voisi seurata myös tuon sivuputken vedenkorkeudella. Eli säätötilanteessa muutokset näkyy heti vedenkorkeuden muutoksena sivuputkessa.

Aivopierun tunnistaa rivin alun merkistä *

Vierailija
vorrester

Mutta tuohon turbiini kysymykseen. Mitä jos turbiinin yläpuolelta haarautuu ylävesi kanavasta reilunkokoinen yläpäästä avoin putki padotuskorkeuteen.
Mahdollinen paineisku pääsee pakenemaan putken kautta rikkomatta paikkoja. Voi tulla hetkellinen komea suihkulähde putkenpäähän.

Senkus rakennat, kun vain muistat että oikeassa tilanteessa voidaan joutua pysäyttämään 180m3/s virtaama 6s ajassa. Laskeppa minkälainen suihkulähde siitä tulisi vaikkapa 20-30m putouskorkeudella käyvässä koneistossa.

KOROSTETTAKOON että tuo 6s ei ole normaali pysäytysaika täydeltä teholta/juoksutukselta. Normaalisti pysäytysaika on paaljon pidempi, mutta hätätilanteita varten tuo pikasulkumahdollisuus on oltava.

vorrester

Samoin jos alavesikanavaan tulee höyrypainetta lähestyvä tilanne, putki antaa siinä tapauksessa ilmaa turbiinin läpi. Onko se taas hyvä??

Ei tarvita mitään putkia. Tuo pikasulkuaika riittää kyllä höyrystymisen ehkäisyyn.

vorrester

Turbiinin yläkavavan virtausta voisi seurata myös tuon sivuputken vedenkorkeudella. Eli säätötilanteessa muutokset näkyy heti vedenkorkeuden muutoksena sivuputkessa.

[/quote]
WTF?

vorrester
Seuraa 
Viestejä615
Liittynyt22.7.2005

Tuosta alkuperäisestä ei selvinnyt on virtauksen sulku ylhällä 30 metrissä vai heti turbiinin päällä.
Tietysti mekaaninen ratkaisu ei sovi simulaatiomalliin jossa laskennallisesti yritetään ratkaikaista tapahtuman suureet.

Rakenteet voimalan mukaan...
Siperiassa taisi joku aika sitten jonkinlaisen paineiskun takia jysähtää se suuri vesivoimala. Siellähän syöksyi vesi generaattorihalliin kun putket petti. Henkilövahinkoja ja vuosien remontti.

http://fi.wikipedia.org/wiki/Sajano-%C5%A0u%C5%A1enskajan_voimalaitos

Aivopierun tunnistaa rivin alun merkistä *

Vierailija
vorrester
Tuosta alkuperäisestä ei selvinnyt on virtauksen sulku ylhällä 30 metrissä vai heti turbiinin päällä.
Tietysti mekaaninen ratkaisu ei sovi simulaatiomalliin jossa laskennallisesti yritetään ratkaikaista tapahtuman suureet.

Rakenteet voimalan mukaan...


Säätötilanteissa ja koneen normaaleissa pysäytyksissä sulku tapahtuu tuloputken alapäässä turbiinin johtopyörällä, joka säätää ja suuntaa veden kohti juoksupyörää. Lisäksi tuloputken yläpäässä on luukku jota käytetään huoltotilanteissa tuloputken kuiville saattamiseen. Tämä luukku toimii myös varmistuksena turbiinin säätöjärjestelmälle, ts. jos alapäästä ei veden virtausta saada poikki, pudotetaan luukku alas.

Tuolta löytyy pari periaatekuvaa:
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydroelectricity

vorrester

Siperiassa taisi joku aika sitten jonkinlaisen paineiskun takia jysähtää se suuri vesivoimala. Siellähän syöksyi vesi generaattorihalliin kun putket petti. Henkilövahinkoja ja vuosien remontti.

http://fi.wikipedia.org/wiki/Sajano-%C5%A0u%C5%A1enskajan_voimalaitos


Tuolla vahinko ei tapahtunut paineiskusta, vaan turbiinin juoksupyörän värähtelystä joka sai pyörän kohdistamaan painetta turbiinin kanteen, joka eristää akselin kohdalla laitoksen konetilat vesiteistä. Tämä paine lopulta hajotti turbiinin kannen ja lopputulos on tiedossa.

Vierailija

Mielenkiintoisia keskusteluja sitä googlettamalla löytyy. Toivottavasti kysyjä on saanut apuja jostain muualta, mutta jos et ole, niin alla hieman pohdiskelua.

Muutama sana paineiskuja hallitsevista yhtälöistä. Newtonin toisella pääsäännöllä voima vs. liikemäärä yhteyttä ei voida nopeissa muutostilanteissa hallita (mitä yllä on ehdotettu). Tämä johtuu siitä, että jatkuvuusyhtälössä on otettava huomioon veden tiheyden muutos ja veden varastoituminen putkeen putken elastisuudesta johtuen (putken ”hengittäminen” paineen mukana riippuu putken materiaalista, dimensioista ja tuennasta). Ratkaisemalla yhtä aikaisesti liike- ja muokattu jatkuvuusyhtälö ns. karakteristikamenetelmällä, voidaan paineiskutilanteita ratkaista numeerisesti (myös ns. impedanssimenetelmää voisaan käyttää jos kyseessä on harmooninen muutos, kuten esim. vaikka keskipakopumpussa juoksupyörän äärellisestä määrästä kanavia johtuen).

Mutta hyvin karkea suuruusluokkatarkastelu ilman numeerista laskentaa voidaan tehdä impulssiyhtälön perusteella, mikä tässäkin keskustelussa on esitetty; dH = c * (-)dv / g, missä dH on paineen muutos metreinä vesipatsasta, dv nopeuden muutos (m/s) ja c paineaallon etenemisnopeus (m/s). Paineaallon etenemisnopeus riippuu tosiaan putkimateriaalista, mikä karkeasti voidaan arvioida tässä tapauksessa 1 200 m/s (teräs).

Edellinen yhtälö antaa hyvinkin korkeat painemuutokset, mitkä tässä tapauksessa luultavasti eivät anna lähellekään oikeaa tulosta. Koska olettaisin että imu- ja paineputkistot (tai kanavat) ovat melko lyhyitä, vaimentaa reunaehdoilta (ylä- ja alavirtapuolen vakiona pysyvät vesipinnat) takaisin heijastuva paineaalto muutosta. Edellisen yhtälön mukainen ”maksimivaste” syntyy, kun nopeuden muutos tapahtuu siinä ajassa (tai nopeammin) mikä kestää paineaallolta edestakaiseen matkaan nopeuden muutoskohdasta reunaehdolle ja takaisin.

Jos muutos täydestä kapasiteetista nollatilaan tapahtuu kuudessa sekunnissa, olisi painevaste maksimitilanteen mukainen jos imu- tai painepuolella (kumpi nyt enemmän kiinnostaa) putken pituus olisi vähintään 3 600 m (nopeudella 1 200 m/s). Lisähaastetta mallintamiseen tuo kavitointi, sillä jos paine laskee jossain kohtaa putkistoa alle veden höyrynpaineen, tapahtuu ns. putkistokavitaatio jolloin ”tiedonsiirto” tämän kohdan yli katkeaa. Kavitointi tapahtuisi meidän tapauksessamme jossain turbiinin jälkeen.

Yleisesti vesivoimaloissa käytetty paineiskun vaimennusmenetelmä on aaltoilutorni (surge tower) silloin kun johdamme vettä putkistossa (tai tunnelissa) pidempiä matkoja turbiinille tai purkuvesistöön. Tällöin paine päästetään purkautumaan torniin (tai jos purkupuolella, niin torni purkaa korvausvettä purkulinjaan). Tällöin, jos torni on oikein mitoitettu, voimme hallita tilannetta yksinkertaisesti Newtonin toisella lailla ja tarkastella massaoskillaatiota tornin ja putkiston välillä.

Jos sinulta edelleen löytyy mielenkiintoa tilanteen numeeriseen mallintamiseen, niin jatketaan siitä.

Uusimmat

Suosituimmat