let./vol. 51 - št./no. 3/05 - str./pp. 131-18S zvezek/issue 479 STROJNIŠKI VESTNIK JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING cena BOD SIT 9 770039 248001 ISSN D039-24B0 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 131 Vsebina - Contents Vsebina - Contents Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering letnik - volume 51, (2005), številka - number 3 ISSN 0039-2480 Izhaja mesečno - Published monthly Razprave Papers Dular, M., Širok, B., Stoffel, B.: Vpliv količine plinov Dular, M., Širok, B., Stoffel, B.: The Influence of the v vodi in hitrosti toka na agresivnost Gas Content of Water and the Flow Velocity kavitacijske erozije 132 on Cavitation Erosion Aggressiveness Schweiger, V, Širok, B., Tuma, M., Mihelič, N.: Schweiger, V, Širok, B., Tuma, M., Mihelič, N.: A Dvostopenjska vetrna turbina 146 Double-Stage Wind Turbine Juriševič, B., Kramar, D., Junkar, M.: Uporabnost Juriševič, B., Kramar, D., Junkar, M.: The Versatility obdelave z abrazivnim vodnim curkom v of Abrasive Water-Jet Machining in the orodjarstvu 160 Toolmaking Industry Joviševič, V, Sokovič, M.: Ekspertni sistem za nadzor Joviševič, V, Sokovič, M.: Expert System for Metal kota upogibanja na numerično krmiljeni Bending Angle Control on Numeric Control upogibni stiskalnici 172 Bending Press Poročila Reports 50. obletnica izhajanja Strojniškega vestnika 178 50th Anniversary of Journal of Mechanical Engineering Strokovna literatura Professional Literature Ocene knjig 179 Book’s Reviews Osebne vesti Personal Events Doktorati, magisteriji, specializacije, diplome 180 Doctor’s, Master’s, Specialization’s and Diploma Degrees Navodila avtorjem 181 Instructions for Authors 131 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 UDK - UDC 532.528:532.57 Izvirni znanstveni članek - Original scientific paper (1.01) Vpliv količine plinov v vodi in hitrosti toka na agresivnost kavitacijske erozije The Influence of the Gas Content of Water and the Flow Velocity on Cavitation Erosion Aggressiveness Matevž Dular - Brane Širok - Bernd Stoffel V prispevku je predstavljena študija vpliva količine plinov v vodi in hitrosti toka na agresivnost kavitacjske erozije. Preizkusi so bili opravljeni na osamljenem profilu v kavitacijskem kanalu. Medtem ko sta bila kavitacijsko število in hitrost toka nespremenljiva, smo v korakih spreminjali količino plinov v vodi od majhne (približno 1%) do velike vsebnosti (4%). Količino plinov v vodi smo nadzorovali z generatorjem mehurčkov. Pri tem so bili narejeni preizkusi ob konstantnem kavitacijskem številu in količini raztopljenih plinov, vendar različnih hitrostih toka (10, 13 in 16 m/s). Za zaznavalo kavitacijske erozije je rabila tanka bakrena folija, nanesena na profil. Pod določeno povečavo smo posneli slike poškodovane površine bakrene folije. Za neposredno meritev kavitacijske erozije smo uporabili metodo štetja luknjic, ki temelji na računalniško podprti vizualizaciji. Preizkusi so pokazali očiten vpliv količine plinov in hitrosti toka na intenzivnost erozije. Agresivnost kavitacijske erozije se eksponentno zmanjšuje, ko večamo količino raztopljenih plinov. Potrjena je bila hipoteza o potenčnem zakonu za vpliv hitrosti toka na agresivnost kavitacijske erozije. Predstavljeni rezultati obetajo dobre možnosti za razvoj modela kavitacijske erozije ter možnost napovedi kavitacijske erozije z izključno numeričnimi metodami. © 2005 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: kavitacija, erozija, plini v vodi, količine plinov, hitrosti tokov) A study of the influence of the gas content of water and the flow velocity on cavitation erosion aggressiveness was performed. A cavitation tunnel with a single hydrofoil was used for the experiments. While the cavitation number and the mean flow velocity remained constant throughout the tests, the gas content of the water was changed in steps from low (approximately 1%) to high (4 %). The gas content of the water was adjusted with a bubble generator. In addition tests at a constant cavitation number and water gas content but different mean flow velocities (10, 13 and 16 m/s) were made. A thin copper foil, applied to the surface of the hydrofoil, was used as an erosion sensor. Images of the damaged, copper-coated hydrofoil surface were taken at an appropriate magnification. A pit-count method, based on computer-aided image processing, was used for direct measurements of the cavitation erosion by evaluating the damage on the surface of the hydrofoil. Clear evidence for the influence of the gas content and the velocity on the erosion intensity was found. The cavitation erosive aggressiveness exponentially drops when the content of the water is increased. A power law was confirmed for the velocity’s influence on the cavitation erosive aggressiveness. The presented results promise the possibility of deriving a cavitation erosion model and the possibility of cavitation erosion prediction using only numerical tools in the future. © 2005 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: cavitation, erosion, water with gas content, flow velocity) 0 UVOD 0 INTRODUCTION Pojav kavitacije, ki je karakteriziran z nastajanjem in kondenzacijo pare, je pogosto opazen v hidravličnih strojih. Povzroča vibracije, povečanje hidrodinamičnega upora, spremembe v The cavitation phenomenon, characterised by vapour generation and condensation, occurs frequently in hydraulic machines. It causes vibration, an increase of hydrodynamic drag, changes in the 132 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 hidrodinamiki toka, hrup, toplotne in svetlobne učinke ter najpomembnejše kavitacijsko erozijo. Kavitacijsko stanje običajno opišemo z brezrazsežnim številom (kavitacijskim številom), ki je definirano kot razlika med tlakom sistema in tlakom uparjanja (pri temperaturi sistema), deljena z dinamičnim tlakom: flow hydrodynamics, noise, thermal and light effects and, most important of all, cavitation erosion. We usually describe the cavitation condition by using a non-dimensional number (the cavitation number), which is defined as the difference between the system and vapour pressure (at the system temperature) divided by the dynamic pressure: = poo-pv(T) r-v2/2 (1). Zmanjšanje kavitacijskega števila pomeni večjo verjetnost pojava kavitacije, oziroma povečanje že opazne kavitacije. Najpomembnejši mehanizem nastanka kavitacijske erozije je tako imenovani mikrocurek ([1] do [3]). Postopek kolapsa kavitacijskega oblaka se prične z njegovo ločitvijo od pritrjenega dela kavitacije. Oblak nato potuje s tokom in implodira v območju z višjim tlakom. Kolaps oblaka zbuja povratni tok, ki povzroči novo trganje oblaka. Sliki 1 in 2 prikazujeta trganje kavitacijskega oblaka na osamljenem profilu, ki je bil uporabljen pri preizkusih. Tok teče z leve proti desni. Slike so posnete pri hitrosti toka 13 m/s, majhni količini plinov (1,15 %) in kavitacijskem številu 2,3. Ob kolapsu kavitacijskega oblaka se sprosti tlačni val velikostnega reda nekaj 100 kPa (preizkusi [1] kažejo na vrhove velikosti 2,5 MPa). Tlačni val, dovoljšne velikosti, vpliva na krogelno simetrijo mehurčkov, ki se nahajajo tik ob steni Decreasing the cavitation number results in a higher probability of cavitation occurring or in an increase in the magnitude of the already present cavitation. The most common mechanism of cavitation erosion is the so called micro-jet phenomenon ( [1] to [3]) . The process of cavitation-cloud implosion begins with its separation from the attached part of the cavitation. It then travels with the flow and collapses in the higher pressure region. Its collapse causes the formation of the backflow (re-entrant jet), which causes a new separation of the cavitation cloud. Figures 1 and 2 show the process of cavitation-cloud separation and cloud collapse on a single hydrofoil geometry that was used for the experiments. The images were taken at a flow velocity of 13 m/s, a low water-gas content (1.15 %) and cavitation number 2.3. Because of the cavitation-cloud collapse a pressure wave with a magnitude of several 100 kPa is emitted (experiments [1] show pressure peaks with a magnitude up to 2.5 MPa). The pressure wave with sufficient magnitude acts on the bubbles with a spherical shape that are positioned close to the surface Sl. 1. Trganje in kolaps združene skupine mehurčkov (kavitacijskega oblaka) - pogled od zgoraj Fig. 1. Separation and collapse of the united group of bubbles (cavitation cloud) - top view s Vpliv količine plinov v vodi in hitrosti toka - The Influence of the Gas Content in Water and Flow Velocity 133 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 Sl. 2. Trganje in kolaps združene skupine mehurčkov (kavitacijskega oblaka) - pogled od strani Fig. 2. Separation and collapse of the united group of bubbles (cavitation cloud) - side view Sl. 3. Mehanizem mikrocurka (slike so vzete s filma, ki ga je posnel prof. Lauterborn) Fig. 3. Micro-jet mechanism (pictures taken from the movie by Prof. Lauterborn) potopljenega telesa. Oblika mehurčka postane nestabilna - začne nihati. Ob dovolj veliki amplitudi nihanja lahko pride do nastanka mikrocurka. Okoliška tekočina zavzame obliko curka skozi mehurček v smeri trdne površine (sl. 3). Mikrocurek lahko doseže velike hitrosti, ki povzročijo udar (velikostni red je lahko večji od 1 GPa, čas trajanja je približno 1 ns, prizadeta površina pa ima red velikosti nekaj um2) z veliko lokalno napetostjo materiala [4]. Poškodba površine zavzame obliko mikroskopske plastične deformacije - luknjice [5] (sl. 6). Zaradi težav merjenja tlačnih udarov, ki nastanejo ob imploziji mehurčkov, velikosti of the submerged body. The shape of the bubble becomes unstable; it begins to oscillate. If the amplitude of the oscillations is big enough, a micro-jet phenomenon can occur. The fluid that surrounds the bubble takes shape of the jet through the bubble in the direction towards the solid surface (Fig. 3). This micro-jet can reach high local velocities that cause a shock (the order of magnitude can be bigger than 1 GPa, the duration is approximately 1 ns and the affected area is of the order of a few mm2) with high local tension of the material [4]. The damage of the surface appears in the form of microscopic plastic deformations called pits [5] (Fig. 6). Due to difficulties with measuring the pressure peaks caused by the bubble implosions it 134 Dular M. - Širok B. - Stoffel B. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 kavitacijske erozije ni mogoče definirati le na is not possible to define the magnitude of the cavitation hidrodinamični podlagi. Metode merjenja so na erosion on a purely hydrodynamic basis. The measuring primer vibracijske [6] ali pa za zaznavalo uporabimo methods are, for example, vibratory determination [6] mehke kovinske (aluminij ali baker) ali barvne or the use of soft metal (aluminium or copper) or paint prevleke potopljenega telesa ([7] do [13]). Metoda coating of the submerged body as a sensor ([7] to vrednotenja kavitacijske erozije, ki temelji na številu, [13]). The erosion evaluation method using the number, porazdelitvi in obliki luknjic na mehki prevleki distribution and shape of the pits caused by bubble potopljenega telesa, ki so nastale zaradi implozije implosions on the soft surface coating gives us a detailed mehurčkov, podaja natančno poznavanje mehanizma knowledge of the cavitation erosion mechanism. kavitacijske erozije. There are more theories about how and why Obstaja več razlag, kako in zakaj vsebnost the presence of gas influences the cavitation erosion plinov v vodi vpliva na agresivnost kavitacijske aggressiveness, but until now there has been no erozije, vendar doslej še ni bilo sistematične systematic study of the influence of the gas content of raziskave. Obstajajo nekatere specifične raziskave water on the aggressiveness of the cavitation. There vpliva lastnosti tekočin na agresivnost kavitacije. are, however, some specific studies of the influence of Na primer raziskave vpliva površinske napetosti liquid properties on the aggressiveness of cavitation vode [14]. Ugotovljeno je bilo, da zmanjšana erosion. For example, [14] deals with the influence of the površinska napetost vode, zmanjša agresivnost water’s surface tension. It was found that decreased kavitacijske erozije. Razprave o vbrizgu zraka z surface tension decreases the aggressiveness of the namenom zmanjšanja in nadzora kavitacijske cavitation. Discussions of air injection for the control erozije najdemo v [1] in [2]. Nekatere razlage vpliva and prevention of cavitation erosion can be found in [1] plinov v vodi je moč najti tudi v [15]. Glavna and [2]. Some brief explanations of the aeration of water zamisel, ki jo podajajo omenjene študije, je, da se are also given in [15]. The basic idea of the mentioned s povečanjem deleža plinov v vodi tej poveča studies is that the water-gas content increases the stisljivost, kar posledično zmanjša agresivnost compressibility of the fluid and that this consequently kavitacije. decreases the aggressiveness of the cavitation. Predstavljena raziskava podaja in The present study shows and qualitatively kakovostno razlaga rezultate meritev kavitacijske explains the results of erosion measurements under four erozije v štirih različnih razmerah (ob nespremenljivi different conditions (during constant flow velocity and hitrosti toka in kavitacijskem številu ter spreminjajoči cavitation number and changing water-gas content). se količini plinov v vodi). The other studied parameter that influences Drugi parameter, ki vpliva na agresivnost the aggressiveness of the cavitation erosion was kavitacijske erozije in je bil predmet raziskave, je the mean flow velocity (during constant water-gas hitrost toka (ob nespremenljivi količini plinov in content and cavitation number). The influence of kavitacijskem številu). Vpliv hitrosti toka je poznan. the flow velocity is well known. Past experiments Prejšnje raziskave [16] in [17] kažejo, da se velikost [16] and [17] show that the magnitude of damage poškodbe (A) veča s potenčnim zakonom (n = 5 do (A) increases with the power law (n = 5 to 8) when 8), ko večamo hitrost toka: the velocity is increased: A~ = \v] ; n = 5 do/to 8 (2). Preizkusi so potrdili teorijo o potenčnem zakonu (ugotovljen je bil količnik n = 6,1). Podane so tudi nekatere teoretične razlage rezultatov. Kavitacijski preizkusi so bili narejeni v kavitacijskem kanalu v Laboratoriju za turbinske stroje in tekočinsko energetiko - Tehnične univerze v Darmstadtu. The experiments confirmed the theory (n = 6.1 was found). Some theoretical explanation of the results is also given. Cavitation tests were performed in a cavitation tunnel at the Laboratory for Turbomachinery and Fluid Power – Darmstadt University of Technology. 1 PREIZKUS 1 EXPERIMENT Vpliv količine plinov v vodi in hitrosti toka - The Influence of the Gas Content in Water and Flow Velocity 135 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 1.1 Priprava preizkusa 1.1 Experimental set up Osnovna geometrijska oblika (sl. 4), ki smo jo uporabili pri preizkusih, je bil 50 mm širok, 107,9 mm dolg in 16 mm debel simetrični profil s polkrožnim vpadnim robom ter vzporednima stenama. Profil je bil nameščen v pravokotni testni odsek kavitacijskega kanala (sl. 5) z zaprtim obtokom. Testni odsek kanala je 500 mm dolg, 100 mm visok in 50 mmširok. Nameščeni ima dve okenci za opazovanje od zgoraj in od strani. Upoštevajoč kombinacijo negotovosti meritev tlaka (+/- 0,2 %), hitrosti (+/- 0,25 %) in temperature (+/- 0,06 %), je bilo moč kavitacijsko število določiti z +/- 0,02 celotne negotovosti. The basic geometry (Fig. 4) was a 50-mm-wide, 107.9-mm-long and 16-mm-thick symmetric hydrofoil with a circular leading edge and parallel walls. The hydrofoil was put into a rectangular test section of the cavitation tunnel (Fig. 5) with a closed circuit. The test section of the cavitation tunnel is 500 mm long, 100 mm high and 50 mm wide. Two observation windows are mounted for top- and side-view observation. Considering the combination of the inaccuracies of pressure (+/- 0.2 %), velocity (+/-0.25 %) and temperature (+/- 0.06 %) measurements, the cavitation number could be determined to within +/- 0.02 of global uncertainty. Sl. 4. Z bakreno folijo prevlečen profil, ki smo ga uporabili pri preizkusih Fig. 4. Copper-coated hydrofoil that was used for the experiments Izmenjevalnik toplote \ Heat exchanger Merilnik pretoka/ Flow meter Zračni rezervoar Air tank m—m Tok / Flow ^ Testni odsek 21 * \ Test section ^e Y777777777777777777777777777777777777777777777777777777777 Sl. 5. Kavitacijski kanal Fig. 5. Cavitation tunnel 136 Dular M. - Širok B. - Stoffel B. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 Preglednica 1. Parametri preizkušanih kavitacijskih stanj Table 1. Parameters of tested cavitation conditions Test s v a 1. 2,3 13 m/s 1,15 % 2. 2,3 13 m/s 2,15 % 3. 2,3 13 m/s 3,05 % 4. 2,3 13 m/s 4,07 % 5. 2,3 10 m/s 1,15 % 6. 2,3 16 m/s 1,16 % Parametre preizkusov podaja preglednica 1. The parameters of the experiments can be Vpadni kot profila je bil za vse preizkuse found in Table 1. enak in je znašal 5°. The incidence angle was held constant at Kavitacijski kanal ponuja možnost 5° for all the tests. nastavljanja količine plinov v vodi. Merimo lahko le The cavitation tunnel system gives the skupno količino plinov v vodi, se pravi količino possibility to adjust the content of the gases in the raztopljenih in neraztopljenih plinov v vodi. Ocenjeno water. If a low gas content is desired we let the flow je, da je pri tlaku sistema, količina raztopljenih plinov run at low pressure (approximately 20 kPa) for some v vodi za nekaj velikostnih redov večja od količine time. Since the saturation level of the gases at low prostih plinov. Če želimo doseči majhno stopnjo pressure in water is smaller than at high pressure, plinov v vodi, pustimo tok nekaj časa teči pri nizkem the gases are freed and a low gas content is reached. tlaku (20 kPa). Ker je stanje nasičenosti vode s plini In this way we can achieve approximately 1% volume pri nizkem tlaku nižje, se plini sprostijo in izločijo. Na fraction of gas in the water. ta način je mogoče doseči približno 1 % (prostorninski To reach a high level of gas content a bubble delež) plinov vodi. generator system is used. With a bubble generator, Za zagotovitev velikega deleža plinov water that is practically saturated with gas at high uporabimo generator mehurčkov. Z uporabo pressure (2 MPa) is achieved in a separate tank. The generatorja mehurčkov v ločenem rezervoarju saturated water is then injected into the cavitation dobimo s plini nasičeno vodo pod visokim tlakom (2 tunnel system through multiple nozzles with a MPa). Nasičeno vodo nato skozi več šob premera diameter of 0.1 mm. It is possible to reach the almost 0,1 mm vbrizgamo v sistem kavitacijskega kanala. saturated condition of water-gas content at system Tako je mogoče doseči skoraj nasičeno stanje vode pressure in this way. The maximum volume fraction pri tlaku sistema. Največji prostorninski delež plinov, of gas content that can be reached is approximately ki ga je mogoče zagotoviti, je približno 4,2 %. 4.2 %. Negotovost merjenja količine raztopljenih The uncertainty of the measurements of plinov v vodi je +/- 1 % merjene vrednosti. water-gas content was +/- 1 % of the measured value. 1.2 Metoda štetja luknjic 2.2 Pit-count method Zaradi problemov s ponovljivostjo Due to problems with the reproducibility of mehanskih lastnosti galvanskega nanosa bakra so the galvanic copper-coating method, only a small bile meritve prejšnjih raziskav omejene le na majhno part of the surface was investigated for the cavitation površino. Erozija je bila vrednotena na vzorcih iz erosion in previous investigations. This was done čistega bakra, ki so bili vstavljeni v profil ([2], [12] in using pure copper specimens inserted into the [13]).Študija erozije je bila omejena načas inkubacije, hydrofoil ([2], [12] and [13]). To get information about se pravi na čas, ko že zaznamo poškodbo površine the erosion on the whole surface of the hydrofoil, a (plastične deformacije - luknjice), ne pa tudi polished copper foil, 0.2 mm thick, was fixed to its odnašanja materiala. Da bi dobili informacije o eroziji surface using adhesive film. The hardness of the na celotni površini profila, smo na njegovo površino copper coating was approximately 40 HV. A sufficient z lepilnim filmom namestili 0,2 mm debelo polirano number of pits was obtained after 1 hour of exposure Vpliv količine plinov v vodi in hitrosti toka - The Influence of the Gas Content in Water and Flow Velocity 137 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 bakreno folijo. Površinska trdota bakrene folije je to the cavitating flow (the exposure time was bila približno 40 HV. Zadostna količina luknjic je bila constant for all tests). dosežena po tem, ko je bil profil za eno uro Pits have a diameter of magnitude order 10-5 izpostavljen kavitirajočemu toku (čas preizkusov je m, and can be distinguished only with sufficient bil nespremenljiv). magnification. Images of the pitted surface were Luknjice imajo premer velikostnega reda acquired using an Olympus BX-40 microscope and 10-5 m in so vidne šele pod določeno povečavo. Slike a CCD camera. poškodovane površine so bile narejene z The enlargement scale was 50:1, leading to mikroskopom Olympus BX-40 in CCD kamero. a resolution of 1.95 mm per pixel. A total of 925 images Povečava je bila 50:1, kar je dalo ločljivost (one image embraces an area of 1.09x1.46 mm) of the 1,95 mm na točko. Za vsako merjeno kavitacijsko pitted surface were taken for each operating point stanje je bilo narejenih 925 slik površine (vsaka slika (the part of the surface evaluated by the images je merila 1,09x1,46 mm). Ovrednotena površina je represents approximately 48 % of the copper-coated predstavljala približno 48 % z bakreno folijo prekrite hydrofoil surface). površine profila. Fig. 6 shows an image of the surface before Slika 6 prikazuje sliko površine pred the exposure to cavitating flow (left) (0 % eroded preizkusom (levo) (0 % poškodovane površine) in surface) and after 1 hour of exposure (right) (4.98 % po preizkusu (desno) (4,98% poškodovane eroded surface). površine). The intensity of cavitation erosion was Intenzivnost kavitacijske erozije je bila determined by the pit-count method. The method is določena z metodo štetja luknjic. Temelj metode je based on the assumption that the area of the surface predpostavka, da površina poškodovane površine that is covered by pits after a certain time of exposure v določenem času podaja kolikostno merilo to cavitating flow gives a quantitative measure of intenzivnosti kavitacijske erozije. the intensity of the cavitation erosion. Metoda štetja luknjic, ki je bila razvita v The pit-count software developed at the Laboratoriju za turbinske stroje in tekočinsko Laboratory for Turbomachinery and Fluid Power energetiko, kot luknjice prepozna temnejša območja determines the pits from the darker regions in an na sliki, medtem ko svetlo območje obravnava kot image, while the brighter area is assumed to be nepoškodovano površino (natančen opis undamaged surface (a detailed description of optical dvorazsežne optične analize luknjičaste površine 2D analyses of a pitted surface can be found in [5]). najdemo v [5]). The surface image is reconstructed by using Sliko površine rekonstruiramo s krožnim a circular structuring element. It has been determined strukturnim elementom. Ugotovljeno je bilo, da da that a circularly shaped structural element that is 8 krožni element s premerom 8 točk (približno 16 mm) pixels (about 16 mm) in diameter gives the most najugodnejše rezultate. reliable results. Problem, ki ga je treba upoštevati je tudi A problem that has to be considered is the možno prekrivanje luknjic. Gruče luknjic nastanejo possibility of the overlapping of the pits. Pit clusters po naključju pri daljših preizkusih, ob kolapsu are created by chance during longer tests, by the skupine mehurčkov ali ob večkratnem kolapsu enega collapse of a group of bubbles or by rebounds of a mehurčka. single bubble. Sl. 6. Slika površine pred preizkusom (levo) in po preizkusu (desno) Fig. 6. Image of surface prior (left) and after (right) the exposure to the cavitating flow 138 Dular M. - Širok B. - Stoffel B. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 Vbočena površina Ločeni elementi (luknjice) Concave area Separated objects (pits) 1.46 mm Izbočena površina Convex area Sl. 7. Prepoznavanje luknjic na površini z metodo štetja luknjic Fig. 7. Detection of pits on the surface using the pit-count method Načelo, po katerem ločimo skupino luknjic, temelji na predpostavki, da osamljena luknjica ne more zavzeti vbočene oblike. Tako vbočene elemente na sliki razdelimo na več elementov izbočene oblike. Osamljeni elementi so nato povečani, da zapolnijo izvirno obliko luknjice. Če je slikovni element sestavljen iz prekrivajočih se luknjic, je mogoče, da je posamezna slikovna točka skupna dvema ali več luknjicam (Sl. 7). Metoda štetja luknjic podaja porazdelitev števila in površine luknjic, posledično pa porazdelitev intenzivnosti kavitacijske erozije po površini. 2 REZULTATI Prikazane so porazdelitve intenzivnosti kavitacijske erozije po površini profilov za parametre, podane v preglednici 1. Vrednosti med posameznimi merilnimi točkami (slikami površine) so dopolnjene z interpolacijsko metodo Kriging. Vrednost spremenljivke erodirana površina (EP) podaja delež celotne poškodovane površine (delež površine, ki je prekrita z luknjicami): The principle that is used for pit separation is that a single pit cannot form a concave shape. Hence, a concavely shaped dark region is divided into a number of individual objects, each having a convex shape. The separated objects are then enlarged to fill out the original object size. If an image object is caused by overleaping pits it is possible that one pixel is shared by two or more pits (Fig. 7). The pit-count method gives a distribution of the number and the area of the pits and consequently the distribution of the magnitude of cavitation erosion on the surface. 2 RESULTS The distributions of the magnitude of cavitation erosion on the surfaces of the hydrofoils for parameters given in Tab. 1 are presented. The values between the evaluation points (surface images) are determined using the Kriging interpolation scheme. The value of the eroded surface (EP) represents the part of the whole surface that is damaged (covered by pits): 925 EP = i=1------100% 925 (3). Rezultati poškodb površine ob spremenljivi količini plinov v vodi so predstavljeni na sliki 8. Tok teče od spodaj navzgor. Merilo pomeni lokalno vrednost erodirane površine (belo 0 %, črno 10 % ). Vidimo, da se ob povečanju količine plinov v vodi agresivnost erozije očitno zmanj ša. Pri velikem deležu vsebnosti plinov (4,07 %) utrpi površina The results of the surface damage for the variations of water-gas content are shown in Figure 8. The flow is from the bottom to the top. The scale represents the local percentage of eroded surface (white 0 %, black 10 %). One can see that the erosive aggressiveness decreases significantly when the gas content rises. The surface sustains almost 50 times less damage in the case Vpliv količine plinov v vodi in hitrosti toka - The Influence of the Gas Content in Water and Flow Velocity 139 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 Sl. 8. Porazdelitev velikosti poškodbe za različne deleže plinov v vodi Fig. 8. Erosion magnitude distribution for different water-gas contents skoraj 50-krat manjšo količino poškodb, kakor pri majhnem deležu plinov (1,15 %). Ker je bilo kavitacijsko število skozi preizkuse nespremenljivo, ostajata mesto največje erozije ter porazdelitev luknjic po površini profila za vse primere enaka (topologija kavitaciskih struktur se ob spremembi deleža plinov vodi praktično ne spremeni). Če primerjamo porazdelitev luknjic s slikami kavitacijskih struktur (sl. 1, 2), vidimo, da se mesto največje erozije ujema z mestom, kjer pride do trganja kavitacijskega oblaka. Slika 9 prikazuje diagram spremenljivke EP kot funkcije količine plinov v vodi. Vidimo, da agresivnost kavitacijske erozije (karakterizirana s parametrom EP) eksponentno pada, ko večamo količino plinov v vodi. Razlogi za manj agresivno kavitacijsko erozijo zaradi večjega deleža plinov v vodi so: of a high gas content (4.07 %) than in cases with a low gas content (1.15 %). The position of maximum erosion magnitude and the distribution of the pits on the hydrofoil remain constant for all the cases, since the cavitation number was constant (the topology of the cavitation structures does, in practical terms, not change when the gas content is altered). Comparing the distribution of the pits with the images of cavitation (Fig. 1 and 2) one can see that the maximum magnitude of the cavitation damage corresponds to the point where the cavitation cloud separates from the attached part of the cavitation. Figure 9 shows a diagram of EP as a function of water-gas content. It can be seen that the aggressiveness of the cavitation erosion (characterised by EP parameter) decreases exponentially when the gas content is increased. The reasons for the less aggressive cavitation erosion due to the increase of the water-gas content are: Sl. 9. Erodirana površina (EP) kot funkcija količine plinov v vodi Fig. 9. Eroded surface (EP) as a function of gas content 140 Dular M. - Širok B. - Stoffel B. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 - Voda z več raztopljenimi plini ima večjo stisljivost. Dušenje tlačnega vala, ki nastane ob kolapsu kavitacijskega oblaka je tako večje - amplituda vala je manjša, ko ta doseže površino profila. Hitrost mikrocurka vje , ki je sorazmerna s tlakom, ki obdaja mehurček blizu površine, je tako manjša. - Pri večjem deležu plinov je gostota tekočine manjša. - V območju kavitacije, kjer je tlak precej nižji od sistemskega tlaka (približno 2 kPa), se raztopljeni plini sprostijo v obliki mehurčkov Večja začetna količina plinov v vodi vpliva na večjo količino sproščenih mehurčkov. Zaradi tega je hitrost zvoka v mešanici mehurčkov in vode odvisna od začetnega deleža plinov v vodi. Napetost v materialu, ki jo povzroči udarec mikrocurka, je primerljiva z napetostjo ob vodnem udaru (p = vjet -c-p) [18]. Verjetno je, da kombinacija prej omenjenih razlogov (zmanjšanje hitrosti mikrocurka vj , zmanjšanje gostote tekočine r in zmanjšanje zvočne hitrosti c) vpliva na drastično zmanjšanje agresivnosti kavitacijske erozije pri povečanju deleža plinov v vodi. Slika 10 prikazuje rezultate preizkusov s spremenljivo hitrostjo toka. Količina plinov v vodi je bila pri preizkusih skoraj nespremenljiva (pregl. 1), tako da je na agresivnost kavitacijske erozije vplivala le hitrost toka. Tok teče od spodaj navzgor. Merilo predstavlja lokalno vrednost erodirane površine (belo 0 %, črno 12 % ). - The water with higher gas content is more compressible, hence the attenuation of the shock wave that is emitted during the bubble-cloud collapse is higher - the magnitude of the shock wave as it reaches the surface of the hydrofoil is smaller. The micro-jet velocity vj that is proportional to the pressure surrounding the bubble near the surface is therefore smaller. - The density of the fluid is smaller at a high gas content. - In the region where cavitation occurs is the pressure much smaller than the system pressure (approximately 2 kPa). The gases that are dissolved in the water are released in the form of bubbles. The bigger the initial gas content the more bubbles are released. The sonic velocity c is therefore a function of the initial gas content of the water. The stress applied to the material during a micro-jet impact can be considered to be of the same magnitude as the water hammer stress (p = v c.p) [18]. Combining the before-stated reasons (decrease of the micro-jet velocity vje , decrease of the fluid density p and decrease of the sonic velocity c) could explain the drastic decrease of the aggressiveness of cavitation erosion when the gas content is increased. Figure 10 represents the results of tests with a mean flow-velocity variation. The gas content of water remained almost the same for the experiments (Tab. 1), so only the flow velocity influenced the aggressiveness of the cavitation erosion. The flow is from the bottom to the top. The scale represents the local percentage of eroded surface (white 0 %, black 12 %). Sl. 10. Porazdelitev velikosti poškodbe za različne hitrosti toka Fig. 10. Erosion magnitude distribution for different mean-flow velocities Vpliv količine plinov v vodi in hitrosti toka - The Influence of the Gas Content in Water and Flow Velocity 141 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 Sl. 11. Erodirana površina (EP) kot funkcija hitrosti toka Fig. 11. Eroded surface (EP) as a function of mean flow velocity Povezava med hitrostjo toka in erozijo je očitna. Kavitacija je precej agresivnejša pri večjih hitrostih toka. Ker je bilo kavitacijsko število za vse preizkuse enako, lahko, kakor pri preizkusih s spreminjajočim se deležem plinov v vodi, opazimo, da je porazdelitev luknjic in mesto največje erozije podobno za različne hitrosti toka. Diagram na sliki 11 prikazuje spremenljivko EP kot funkcijo hitrosti toka. Zopet je vidno očitno povečanje agresivnosti kavitacijske erozije z večanjem hitrosti toka. Vzpostavljen je bil potenčni zakon (en. 2) z n = 6,1. Ker je nastanek luknjice zelo zapleten pojav, vrednosti količnika n v potenčnem zakonu ni preprosto razložiti. Nekateri razlogi za povečanje agresivnosti kavitacije, ko se poveča hitrost toka, so: - Če je kavitacijsko število (en. 1) nespremenljivo, se mora pri spremembi hitrosti razlika tlakov spremeniti kvadratično. To pomeni, da se bo amplituda tlačnega vala, ki se sprosti ob kolapsu kavitacijskega oblaka, prav tako povečala z eksponentom 2. - Znano je, da je Strouhalovo število (en. 4) za enako kavitacijskoštevilo razmeroma nespremenljivo. Torej se povečanje hitrosti toka kaže v linearnem povečanju frekvence trganja kavitacijskih oblakov; sledi povečanje kolapsov kavitacijskih oblakov, tlačnih valov, udarcev mikrocurkov ob površino in nazadnje luknjic. Strouhalovo število je definirano z: St = An obvious relation between the flow velocity and the erosion rate can be seen: the cavitation is much more aggressive at higher flow velocities. As in the case with varying gas content the distribution of the pits and the position of the maximum magnitude of damage is similar for all the tests, since the cavitation number was held constant. The diagram in Figure 11 shows the variation of EP with flow velocity. Once again an obvious increase of cavitation erosion aggressiveness with velocity can be seen. A power law relation (Eq. 2) with n = 6.1 was determined. Since the pit-formation process is a very complicated phenomenon, the value of the coefficient n of the power law cannot be easily explained. Some reasons for the increase of the cavitation aggressiveness when the flow velocity increases are: - When the cavitation number (Eq. 1) is constant the pressure difference has to increase with a power of 2 when the velocity is increased. This means that the pressure emitted during bubble-cloud collapse will also rise with the power of 2. - It is known that the Strouhal number (Eq. 4) remains relatively constant for the same cavitation number [1], hence the increase of the flow velocity leads to a linear increase of the shedding frequency – there are more cavitation-cloud collapses and consequently more shock waves, micro-jet impacts and finally pits. The Strouhal number is defined as: f-d (4), kjer so: f značilna frekvenca trganja kavitacijskega oblaka, d značilna (srednja) dolžina kavitacije where f is the significant shedding frequency, d is the characteristic cavitation-cloud length (remains v 142 Dular M. - Širok B. - Stoffel B. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 (ostaja nespremenjena za nespremenljivo kavitacijsko število [1]) in v hitrost toka. - V toku obstaja končno število mehurčkov, ki imajo možnost za nastanek mikrocurka. Ker je čas implozije mehurčka (približno 1 ns) precej manjši od časa, ki ga mehurček potrebuje od vstopa do izstopa iz nadzorne prostornine (približno 1 ms), je verjetnost implozije mehurčka v obliki mikrocurka neodvisna od hitrosti toka (hipotezo so potrdili tudi prejšnji preizkusi, npr. [16] govori o verjetnosti 1/30000). Ob povečanju hitrosti se glede na časovni korak število mehurčkov, ki implodirajo v obliki mikrocurka, poveča. Opisani razlogi bi zadostili povečanju agresivnosti kavitacije za količnik 4. Vendar pa je, kakor smo že omenili, celoten postopek nastanka luknjice (kolaps kavitacijskega oblaka, dušenje amplitude tlačnega vala, nastanek mikrocurka ter vpliv parametrov materiala, ki ga uporabljamo za zaznavalo kavitacijske erozije) prezapleten, da bi lahko vrednost količnika n = 5 do 8 razložili na ta način. Podamo lahko le razloge, ki vodijo do povečanja agresivnosti. 4 SKLEPI Opisana je bila raziskava vpliva količine plinov v vodi in vpliva hitrosti toka na agresivnost kavitacijske erozije. Metoda štetja luknjic in metoda nanosa tanke bakrene folije na površino profila sta se pokazali kot primerni za meritve kavitacijske erozije. Preizkusi so pokazali očiten vpliv količine plinov v vodi na agresivnost kavitacijske erozije. Pokazala se je eksponentna zveza, ki je bila tudi kakovostno utemeljena. S preizkusi smo preverjali in uspešno potrdili hipotezo o potenčni zvezi med hitrostjo toka in agresivnostjo kavitacijske erozije. Prejšnje raziskave so pokazale, da količnik n leži med 5 in 8. Pri prikazani raziskavi je bila določena vrednost količnika 6,1. Podane so tudi nekatere razlage velikega vpliva hitrosti toka na agresivnost kavitacije. Naslednji korak je povezava rezultatov, ki smo jih dobili z metodo štetja luknjic, z dejansko količino odnesenega materiala. Vzpostavljena povezava bi lahko vodila do precej krajših preizkusov odpornosti materiala na kavitacijsko erozijo. Končni cilj raziskave je vzpostavitev splošnih povezav in zakonov, ki določajo porazdelitev in velikost poškodb kavitacije, ter razvoj ekspertnega sistema za nadzor kavitacije v hidravličnih strojih. constant with a constant cavitation number [1]) and v is the flow velocity. - There is a finite number of bubbles that have the potential to form a micro-jet in the flow. Since the time of bubble implosion (approximately 1 ns) is much smaller than the time needed for the transition of the bubble through the control volume (approximately 1 ms) the probability that a bubble will implode in micro-jet form does not alter with velocity (this hypothesis was also confirmed by past experiments, for example [16] speaks of a probability of 1/30000). Hence, when the velocity is increased, more bubbles implode in the form of a micro-jet in a certain time period. The stated reasons sum up to the power of 4. But as was stated before, the processes included in pit formation (bubble-cloud collapse, the attenuation of the pressure wave, the micro-jet formation and the parameters of the material used as erosion sensor) are too complicated for the factor n = 5 to 8 to be explained in this manner. We can only suggest where the reasons might lie. 4 CONCLUSIONS A study of the water-gas content and the flow velocity influence on the aggressiveness of cavitation erosion was presented. A pit-count technique combined with copper coating proved to be a well suited method for measurements of the cavitation erosion. A clear influence of the water-gas content on the cavitation erosion aggressiveness was found. An exponential relation was established and qualitatively explained. The well-known power-law for the velocity influence on the cavitation erosion was also tested and successfully confirmed. Previous experimental studies found the factor n to lie between 5 and 8; for these experiments the factor was determined to be 6.1. Also, some explanations for the strong influence are given. The next step is to link the pit-count results with the actual material mass loss. A possible correlation could lead to a much shorter duration of the tests concerning the material’s resistance to cavitation erosion. The final goal of the research is to find general correlations and rules that determine the distribution and magnitude of damage caused by the cavitation erosion and the development of an expert system for monitoring and controlling the cavitation in hydraulic machines. Vpliv količine plinov v vodi in hitrosti toka - The Influence of the Gas Content in Water and Flow Velocity 143 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 5 LITERATURA 5 REFERENCES [I] Bohm, R. (1998) Erfassung und hydrodynamische Beeinflussung fortgeschrittener Kavitationszustande und ihrer Aggressivitat - PhD Thesis. Technische Universitdt Darmstadt, Darmstadt. [2] Hofmann, M. (2001) Ein Beitrag zur Verminderung des erosiven Potentials kavitierender Stomungen - PhD Thesis. Technische Universitdt Darmstadt, Darmstadt. [3] Lohrberg, H. (2001) Messung und aktive Kontrolle der erosiven Aggressivitat der Kavitation in Turbomaschinen - PhD Thesis. Technische Universitdt Darmstadt, Darmstadt. [4] Reboud, J.L., R. Fortes-Patella, A. Archer (1999) Analysis of damaged surfaces: Part I: Cavitation mark measurements by 3D laser profilometry. Proceedings of the 3rd ASME / JSME Joint Fluids Engineering Conference, San Francisco CA. [5] Lohrberg, H., M. Hofmann, G. Ludwig, B. Stoffel (1999) Analysis of damaged surfaces: Part II: Pit counting by 2D optical techniques. Proceedings of the 3rd ASME / JSME Joint Fluids Engineering Conference, San Francisco CA. [6] Bourdon, P., R. Simoneau, J.M. Dorey (1994) Accelerometer and pitcount detection of cavitation erosion on a laboratory jet and a large francis turbine. XVII IAHR Symp., Beijing. [7] Ito, Y., R. Oba (1994) Comparison between four practical methods to detect the erosive area in cavitating flows. XVII IAHR Symp., Beijing. [8] Simoneau, R. (1995) Cavitation pit counting and steady state erosion rate, Int. Symp. on Cavitation Cav’95, Deauville. [9] Lavigne, S., A. Retailleau, J. Woillez (1995) Measurement of the aggressivity of erosive cavitating flows by a technique of pits analysis. Application to a method of prediction of erosion, Int. Symp. On Cavitation Cav’95, Deauville. [10] Bachert, B., G. Ludwig, B. Stoffel, B. Sirok, M. Novak (2003) Experimental investigations concerning erosive aggressiveness of cavitation in a radial test pump with the aid of adhesive copper films. Fifth International Symposium on Cavitation, Osaka, Japan. [II] Escaler, X., M. Farhat, F Avellan, E. Egusquiza (2003) Cavitation erosion tests on a 2D hydrofoil using a surface-mounted obstacles. Wear 254, 441-449, Elsevier. [12] Dular, M., B. Sirok, M. Novak, M. Hocevar, B. Stoffel, G. Ludwig (2002) Development of the cavitation erosion prediction method in hydraulic machines. 15th International Congress on Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM 2002), Birmingham, UK, September 2-4. [13] Sirok, B., M. Dular, M. Novak, M. Hocevar, B. Stoffel, G. Ludwig, B. Bachert (2002) The influence of cavitation structures on the erosion of a symmetrical hydrofoil in a cavitation tunnel. Journal of Mechanical Engineering, Vol. 48, No. 7, 368-378. [14] Iwai, Y., S. Li (2003) Cavitation erosion in waters having different surface tensions. Wear 254, 1-9, Elsevier. [15] Eisenhauer, N. O. (1995) The effect of aeration on cavitation erosion. Int. Symp. On Cavitation Cav’95, Deauville. [16] Knapp, R.T., J.W. Daily, FG. Hammitt (1970) Cavitation. McGraw-Hill Book Company, London. [17] Bachert, B., M. Dular, G. Ludwig, B. Stoffel, S. Baumgarten (2004) Experimental investigations concerning erosive aggressiveness of cavitation at different test configurations. Proceedings of the ASME Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference, Westin Charlotte, North Carolina, USA. [18] Plesset, M. S., R.B. Chapman (1971) Collapse of an innitially spherical vapour cavity in the neighbourhood of a solid boundary. Journal of Fluid Mechanics, vol. 47, 283-290. 144 Dular M. - Širok B. - Stoffel B Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 132-145 Naslova avtorjev: Matevž Dular prof.dr. Brane Širok Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000 Ljubljana matevz.dular@fs.uni-lj.si brane.sirok@fs.uni-lj.si Prof.Dr. Bernd Stoffel Darmstadt Univ. of Technology Laboratory of Turbomachinery and Fluid Power Magdalenenstrasse 4 D-64289 Darmstadt, Germany stoffel@tfa.maschinenbau.tu-darmstadt.de Authors’ Addresses: Matevž Dular Prof.Dr. Brane Širok University of Ljubljana Faculty of Mechanical Eng. Aškerčeva 6 1000 Ljubljana, Slovenia matevz.dular@fs.uni-lj.si brane.sirok@fs.uni-lj.si ProfDr. Bernd Stoffel Darmstadt Univ. of Technology Laboratory of Turbomachinery and Fluid Power Magdalenenstrasse 4 D-64289 Darmstadt, Germany stoffel@tfa.maschinenbau.tu-darmstadt.de Prejeto: Received: 7.4.2004 Sprejeto: Accepted: 24.2.2005 Odprto za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year Vpliv količine plinov v vodi in hitrosti toka - The Influence of the Gas Content in Water and Flow Velocity 145 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 UDK - UDC 621.311.245:519.6 Kratki znanstveni prispevek - Short scientific paper (1.03) Dvostopenjska vetrna turbina A Double-Stage Wind Turbine Vlado Schweiger - Brane Širok - Matija Tuma - Niko Mihelič V prispevku je predstavljen postopek za povečanje izrabe energije vetra z uvedbo dvostopenjske nasproti se vrteče vetrne turbine. Teoretični aerodinamični izkoristek, poznan kot Betzova meja, se pri tem poveča iz 0,593 na 0,640. V nadaljevanju je predstavljen numerični model, s katerim je bila izdelana analiza tokovnih in energetskih lastnosti za eno- in dvostopenjsko vetrno turbino. Rezultati kažejo na dejansko povečanje izkoristka z vpeljavo druge stopnje, kar potrjuje smotrnost nadaljevanja študije. © 2005 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: turbine vetrne, turbine dvostopenjske, izkoristek aerodinamični, analize numerične) In this paper we present an approach to increasing the wind-energy efficiency of a turbine by using a double-stage counter-rotating wind-turbine installation. The theoretical, aerodynamic efficiency, known as the Betz limit, is increased from 0.593 up to 0.640. A numerical analysis was made to establish the power and kinematic characteristics of single- and double-stage models. The results of the analysis show a significant increase in the aerodynamic efficiency with a second-stage installation. These results point toward the need for a further investigation of the double-stage model. © 2005 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: wind turbines, double-stage turbines, aerodynamic efficiency, numerical analysis) 0 UVOD Izkoriščanje vetrne energije sega približno 3000 let v zgodovino. Do začetka sodobne industrializacije je bila kinetična energija vetra, poleg potencialne energije vode, pomemben vir mehanskega dela. S pričetkom izrabljanja fosilnih goriv, ki pomenijo stalnejši vir energije, je začel veter izgubljati pomen. Ob izbruhu energijske krize v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja pa se je začel ponoven vzpon izkoriščanja te vrste energije. Proizvodnja električne energije iz kinetične energije vetra se je v zadnjem desetletju podvojila vsaka tri leta. Problem kinetične energije vetra je njena nestalnost ter njena majhna gostota. Znano je, da je moč sorazmerna tretji potenci hitrosti vetra: podvojitev hitrosti vetra pomeni osemkratno povečanje moči, obenem pa se 10% nihanja hitrosti vetra kaže v 30% nihanju energije [1]. Znano je, da lahko kinetično energijo vetra, ki prehaja skozi vetrno turbino, izkoristimo le z 59,3% izkoristkom. Ta izkoristek, imenovan tudi 0 INTRODUCTION The exploitation of wind energy goes back at least 3000 years. Until the beginning of modern industrialization, wind and water power represented the most important sources of mechanical energy. The exploitation of fossil fuels, which enabled a more steady source of energy, caused a decline in the use of wind energy. However, the energy crisis of the 1970s caused a renewed interest in using wind energy, and electricity production from wind energy has doubled every three years in the past decade. The main problem with wind energy proved to be its unsteadiness and its low density. Wind power is proportional to the third power of the wind speed: a doubling of the wind speed results in eight times more power, while at the same time a fluctuation of 10% in the wind speed results in a 30% power fluctuation [1]. It is known that theoretically only 59.3% of the available wind energy that passes through a wind turbine can be used. That efficiency, known as the 146 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 aerodinamični izkoristek vetrne turbine ali Betzova meja je teoretična zgornja meja. Dejanski izkoristki so manjši, vendar se pri sodobnih izvedbah vetrnih turbin približujejo 50%. V obratovanju so vetrne turbine majhnih moči do 20 kW, ki so namenjene posameznim porabnikom, ter vetrne turbine do 4 MW moči, ki so povezane z javnim električnim omrežjem. Z uvedbo druge stopnje vetrne turbine želimo izkoristiti preostalo kinetično energijo vetra, ki jo prva stopnja turbine ne predela. Izračun dvostopenjske vetrne turbine je predstavljen v [2], pri tem se teoretični aerodinamični izkoristek poveča na 64%. Z nadaljnjim povečevanjem števila stopenj se približujemo mejni vrednosti. Pri neskončnem številu stopenj znaša teoretični izkoristek 66% [3]. 1 ENORAZSEŽNI MODEL ENO- IN DVOSTOPENJSKE VETRNE TURBINE Model enostopenjske vodoravne vetrne turbine propelerskega tipa je bil izdelan na začetku 20. stoletja [5], dvostopenjska vetrna turbina pa je bila matematično obdelana šele v osemdesetih letih prejšnjega stoletja ([2] in [3]). Oba modela sta enorazsežna in temeljita na naslednjih predpostavkah: - tok je idealen in nestisljiv - hitrost vetra je ustaljena in homogena, - hitrostno polje je v ravnini prereza vetrne turbine enakomerno, - ni tokovnih motenj pred vetrno turbino in za njo, - ni vrtenja toka zaradi vrtenja vetrne turbine, - vrtenje same vetrne turbine ni upoštevano, - pri dvostopenjski vetrni turbini ni upoštevan vpliv medsebojne oddaljenosti obeh stopenj. 1.1 Enostopenjska vetrna turbina Model enostopenjske vetrne turbine prikazuje slika 1. Vetrna turbina je postavljena v ”namišljeno tokovno cev”, prek katere ni pretoka zraka. Ker je model poznan, so v nadaljevanju napisane le najpomembnejše enačbe, ki so potrebne za razumevanje in so namenjene kot izhodišče za dvostopenjsko vetrno turbino. Namišljena tokovna cev se razširi od vstopa proti izstopu. Ta razširitev je posledica ohranjanja masnega toka skozi vetrno turbino. Zakon o ohranitvi mase: Betz limit, represents the theoretical upper limit of the kinetic energy that can be extracted from the wind. Currently, the aerodynamic efficiency of wind turbines in operation is close to 50%. Nowadays, there are wind turbines up to 20 kW, which are intended for individual users, and large wind turbines, 30 kW up to 4 MW, which are connected to the electricity grid. With the installation of a second stage we want to make use of the energy remaining after stage one. The theoretical approach to a double-stage wind turbine is presented in [2]. With a second stage installation the theoretical aerodynamic efficiency increases up to 64%. In theory, the aerodynamic efficiency of a wind turbine with an infinite number of stages reaches 66% [3]. 1 ONE-DIMENSIONAL MODEL OF SINGLE- AND DOUBLE-STAGE WIND TURBINES The well-known actuator-disc theory for an axial wind turbine was presented at the beginning of the 20th century [5]. The double-stage wind turbine was reported in the 1980s, ([2] and [3]). Both models are one-dimensional and are based on the following assumptions: - the flow is ideal and incompressible, - the wind speed is uniform and stationary, - the flow field in the plane of the wind turbine is uniform, - there is no flow disturbance upstream and downstream of the wind turbine, - there is flow, with no rotation - the wind-turbine rotation is neglected, - the distance between the stages is not considered for a double-stage wind turbine. 1.1 Single-stage wind turbine The one-dimensional model is presented in Fig.1. The wind turbine is placed in an imaginary stream tube, and there is no airflow over the stream-tube boundaries. The theory of the single-stage wind turbine has been known for 100 years; therefore, only the basic relations of the single-stage model that are needed for a further understanding of the double-stage wind turbine model are presented. The stream-tube cross-section increased from the inlet towards the outlet region, the extension of the stream tube is a consequence of the mass conservation over the wind turbine. The equation of continuity can be written as follows: Dvostopenjska vetrna turbina - A Double-Stage Wind Turbine 147 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 V tokovna cev stream tube Sl. 1. Model enostopenjske vetrne turbine Fig. 1. Single-stage wind-turbine model rA0 v v 00 rAv = rA1v1 v 11 (1). V lopaticah vetrne turbine se kinetična energija zraka spremeni v mehansko delo, hitrost zraka se pri tem zmanjša od v0 na v. Sprememba hitrosti je podana s količnikom hitrosti a: On the blades of the wind turbine the kinetic energy is transformed to mechanical energy. This transformation is caused by a velocity reduction from the inflow velocity v0 to the velocity v. The reduction of the velocity is expressed by the retardation factor a: a = v0 -v v0 ali v urejeni obliki: or in a settled form: v0 (1- a) (2) (3). Sila zaradi razlike hitrosti od začetne pred vetrno turbino v0 do končne za vetrno turbino v1 je: The velocity reduction from the inlet velocity v0 to the outlet velocity v1results in a force: . F = m(v0 - v1 ) = rAv(v0 - v1 ) (4). Ta sila nastane zaradi razlike tlakov pred ravnino vetrne turbine (indeks a) in za njo (indeks b). Ob predpostavki, da je tokovna cev v celoti obdana z atmosferskim tlakom, zaradi česar je rezultanta sil pred vetrno turbino in za njo enaka nič, dobimo: The acting force is also a consequence of the pressure difference present on the wind turbine’s plane. The stream tube is surrounded with atmospheric pressure; therefore, there is no resulting force on the stream tube. From this we have the following: F = ( pa - pb )A = rAv0 (v0 -v1)(1- a) 1 F =(pa - pb )A= rA(v02 -v12) 2 (5), (6). turbino: Povezava enačb (5) in (6) da hitrost za vetrno Combining Equations (5) and (6) gives the downstream velocity: v0 (1 - 2a) (7). = 1 148 Schweiger V. - Širok B. - Tuma M. - Mihelič N. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 Teoretična moč vetrne turbine je enaka The wind turbine’s theoretical power is the zmnožku sile F in hitrosti zraka v skozi vetrno product of the force F and the velocity v of the air turbino: over the wind turbine’s plane: P = Fv = pAv2(v0-v1) (8). Povezava enačb (3), (7) in (8) da končni izraz Combining Equations (3), (7) and (8) gives the teoretične moči vetrne turbine: final expression for the wind turbine’s theoretical power: P = 2pAv03a(1-a)2 (9). Teoretična moč vetrne turbine je enaka tudi The theoretical power is also equal to the razliki kinetičnih energij vetra pred vetrno turbino in difference between the upstream and downstream za njo: kinetic energy: P=-pAv(v02-v12) (10) pri tem je največja teoretična moč vetrne turbine The maximum theoretical power is achieved with v0 dosežena pri pogoju: v0 = v in v1 = 0: = v and v1 = 0: Aerodinamični izkoristek vetrne turbine je The aerodynamic efficiency of a wind turbine definiran kot razmerje med teoretično močjo in is defined as the relation between the theoretical največjo teoretično močjo. Podan je s funkcijo: power and the maximum theoretical power: ^ (a) = -= 2pA 1°a(1 - a)2 = 4a(1 - a) (12). P 0 - nAv 3 2P 0 Z odvajanjem funkcije, enačba (12), po The differential of function, Equation (12), spremenljivki a ter izenačenjem odvoda z nič, with respect to a and setting the derivative equal to dobimo: zero gives: 1 3 P0 = rAv0 (11). da = 4(1- a)2 -8a(1- a) = 4(1- a)(1- 3a) = 0 (13). Če vstavimo izračunano vrednost za hitrostni By inserting the obtained value for a into količnik a v enačbo (12), dobimo največji mogoči Equation (12), we obtain the maximum aerodynamic aerodinamični izkoristek vetrne turbine, imenovan efficiency of the wind turbine, known as the Betz tudi Betzova meja: limit: 7711 = 0,593 (14). V.3/ Vrednost a je omejena na območje: a is limited on the next interval: 0 < a < 0,5 (15), saj je pri a = 0,5 hitrost za ravnino vetrne turbine With a = 0.5 the downstream velocity is equal 0, enaka nič, kar je v nasprotju z zakonom o ohranitvi which is inconsistent with the continuity equation. mase. Dvostopenjska vetrna turbina - A Double-Stage Wind Turbine 149 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 1.2 Dvostopenjska vetrna turbina 2.1 Double-stage wind turbine Pri enostopenjski vetrni turbini je optimalna hitrost za turbino enaka tretjini hitrosti pred njo. To pomeni, da je na voljo še nekaj kinetične energije vetra, ki bi jo bilo mogoče izkoristiti v naslednji stopnji. Druga turbinska stopnja je postavljena v osi za prvo, vendar oddaljena toliko, da je tok zraka v drugo stopnjo nemoten, kakor je prikazano na sliki 2. To omogoča ponovitev izračuna kakor je bil izveden za prvo stopnjo. Velikost druge stopnje vetrne turbine je enaka prvi stopnji, kar v splošnem ni nujno. Analizo dvostopenjske vetrne turbine lahko obravnavamo z metodo superpozicije. Model razbijemo na dva dela in ju obravnavamo ločeno, na koncu pa zopet združimo. Pri dovolj veliki oddaljenosti med stopnjama je izstopna hitrost zraka iz prve stopnje enaka vstopni hitrosti v drugo stopnjo: For a single-stage wind turbine the downstream velocity is equal to 1/3 of the upstream velocity, which means that some of the remaining energy could be used in the next stage. The second stage is placed in the flow field behind the first stage, where the flow field is undisturbed, as shown in Fig. 2. This allows us to reuse the relations of the single-stage model. This is not consistent with the real conditions; in reality, both stages are close together. The second stage’s cross-section is equal to the first stage’s cross-section, but in general this is not necessarily the case. In an analysis of a double-stage turbine it is assumed that every stage is analyzed separately and at the end both parts are merged together. With the distance between the stages large enough, the inflow velocity of the second stage is equal to the outflow velocity of the first stage: v1 =v 02 v0 (1 - 2a) (16). Hitrost v ravnini druge stopnje vetrne turbine se zmanjša za hitrostni količnik b, ki v splošnem ni enak hitrostnemu količniku a prve stopnje: b The velocity over the second stage’s plane is reduced by a retardation factor b, which is not necessarily equal to the first stage’s retardation factor a: v02 -v2 v 02 (17) ali v urejeni obliki: Hitrost za drugo stopnjo vetrne turbine je: Or in a settled form: v2 = v02 (1- b) (18). The second-stage downstream velocity is: v12 = v02 (1- 2b) (19). Teoretična moč druge stopnje je enaka zmnožku sile F2 in hitrosti pretoka zraka skozi drugo stopnjo v2: The second stage’s theoretical power is a product of the force F2 and the velocity v2 over the second stage’s plane: P2 =F2v2 A2v2(v02-v12) (20). Povezava enačb (16), (19) in (20) da: Combining Equations (16), (19) and (20) gives: P2 = 2pA2 v032b(1 - b)2 = 2pA2v03 (1 - 2a)3 b(1 - b)2 (21). Tudi za drugo stopnjo velja, da je teoretična moč enaka razliki kinetičnih energij vetra pred vetrno turbino in za njo: The second stage’s theoretical power can be expressed as a kinetic energy difference: 1 P2 = 2 1 P2 = rA2 v2 (v02 2 -v122 ) (22), 150 Schweiger V. - Širok B. - Tuma M. - Mihelič N. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 Sl. 2. Model dvostopenjske vetrne turbine Fig. 2. Double-stage wind-turbine model pri tem je največja teoretična moč druge stopnje dosežena pri pogoju: v02 = v2 in v12 = 0: Aerodinamični izkoristek druge stopnje je definiran enako kakor izkoristek prve stopnje: 1 The theoretical maximum second-stage power assumes v02 = v2 and v12 = 0: 2rA2v03 (23). The second-stage aerodynamic efficiency is defined as follows: 1 rAv03 2 4b(1-b)2 P 2 hV2(b) = 2 = =4b(1-b)2 1 P 02 2 A2rv03 2 (24). Z odvajanjem funkcije, enačba (24) po spremenljivki b, ter izenačenjem odvoda z nič dobimo enačbo, ki je podobna enačbi (13). Tudi za drugo stopnjo velja Betzova meja: Differentiating the of function, Equation (24), with respect to b and setting the derivative equal to zero gives an equation similar to Equation (12). The Betz limit is also valid for the second stage: in omejitev hV 2max (b) = 0,593 And the limitation 0 < b < 0,5 (25) (26). Površina dvostopenjske vetrne turbine je enaka največji skupni površini obeh stopenj. Glede na to lahko zapišemo največjo teoretično moč: The cross-section of the double-stage wind turbine is equal to the largest area of both stages. The maximum theoretical power can be written as follows: 1 3 P0 = r(A, A2 )max v0 2 (27). Skupni aerodinamični izkoristek dvostopenjske vetrne turbine, enačbe (9), (21) in (27), je podan z enačbo: The double-stage wind turbine’s total aerodynamic efficiency, Equations (9), (21) and (27), is as follows: 11 rAv3 4a(1- a)2 + A v3 (1-2a)3 4b(1-b)2 P+P2 2 0 2 20 hVtot (a,b)= = P0 S preureditvijo dobi enačba (28) končno obliko: r(A, A2 ) (28). )v 2 max 0 By manipulating Equation (28) we get: Dvostopenjska vetrna turbina - A Double-Stage Wind Turbine 151 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 hVtot (a,b) 1 (A, A2)m 4Aa ( 1-a ) +4A2 ( 1-2a ) b ( 1-b ) (29). Aerodinamični izkoristek n je odvisen od obeh hitrostnih količnikov (a, b) ter premera posamezne stopnje. Za nadaljevanje je treba analizirati vpliv velikosti vetrne turbine na izkoristek r,Vt . A > A izraz (A, A2) . je enak A2. To ima za posledico povečanje P ma in P2. Povečanje P0 pa je večje od prispevka drugega člena enačb (29) k skupni moči. Tako je skupni izkoristek manjši. A > A2 izraz (A, A) ak je enak A. V tem primeru se povečata P in P. Povečuje se prvi člen enačbe (29), ki prispeva največ k skupni moči, drugi pa se zmanjšuje. Tako je skupni izkoristek zopet manjši. A = A2, v tem primeru je aerodinamični izkoristek dvostopenjske vetrne turbine največji. Enačba (29) je zvezna dvoparametrična funkcija. Za izračun optimuma funkcije je treba izračunati odvod funkcije po obeh spremenljivkah, tako po hitrostnem količniku a kakor hitrostnem količniku b: The total aerodynamic efficiency hVtot is dependent on both the retardation factors (a, b) and the stage diameters. For a further analysis the effect of the stage diameter on the total aerodynamic efficiency hVtot has to be determined. A2 > A, the expression (A, A2)max is equal to A2. Consequently, the maximum theoretical power P0 and the second-stage power P2 both increase. The increase of P0 is greater than the second-stage contribution and hence the efficiency is smaller. A > A2, The expression (A, A2)max is equal to A. The available power P0 increases again, but consistently the power in the first stage also increases, which contributes most to the total power. The extracted power in the second stage falls, so the efficiency drops again. A = A2, The double-stage wind turbine’s total aerodynamic efficiency reaches its maximum value. Equation (29) is a function of the two variables. To obtain an optimum, a partial derivative with respect to both variables, the retardation factors a and b, has to be performed: d^tot (a,b) 4A da (A, A2 ) ) 2 max ter dr, Vtot (a,b) db 2 2 24A2(1-b)23 [(1-a) -2a(1-a) ]- (1-2a) ( A, A2 )max and (1- 2a)3[(1- b)2 - 2b(1- b)] 4A (A, A2 )m (30) (31). Ob upoštevanju A = A2 ter z izenačitvijo odvodov z nič, preideta enačbi (30) in (31) v obliko: Considering A = A2 and setting both derivatives equal to zero, the final form of Equations (30) and (31) is obtained: 8?fo(a,b) = 4(1 -a)2 -8a(1 -a)2 -24(1 -b)2 (1 -2a)3 = 0 da ter SjJVtot(a,b) db and = 4(1- 2a)3[(1-b)2 - 2b(1-b)]= 0 (32) (33). Rešitev enačb (32) in (33) da optimalni vrednosti hitrostnih količnikov: By solving the Equations (32) and (33) the optimum values for both retardation factors are obtained: 11 aopt = ter/and bopt = 53 (34). Pri optimalnih vrednostih obeh količnikov doseže izkoristek po enačbi (29) največjo vrednost: The two values give the maximum of Equation (31), which is: 11 16 hVopt ( , )= =0,64 53 25 (35). = 152 Schweiger V. - Širok B. - Tuma M. - Mihelič N. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 Enak rezultat za teoretični aerodinamični izkoristek so predstavili tu drugi avtorji v [2] in [3], vendar z drugačnim postopkom. Enorazsežna modela za eno- in dvostopenjsko vetrno turbino dasta informacijo o hitrosti za vetrno turbino, v1, v delu, kjer se namišljena tokovna cev razširi. V primeru enostopenjske turbine znaša hitrost za vetrno turbino po enačbi (7) v optimalni točki tretjino vstopne hitrosti v0. V primeru dvostopenjske vetrne turbine, pri kateri je dobljena večja teoretična moč vetrne turbine ter s tem večji aerodinamični izkoristek, mora biti hitrost v delu za drugo stopnjo še nekoliko manjša. S kombinacijo enačb (16), (19), ter (34) dobimo hitrost za drugo stopnjo dvostopenjske vetrne turbine v optimalni točki in znaša petino vstopne hitrosti v0. 2 NUMERIČNA ANALIZA ENO IN DVOSTOPENJSKE VETRNE TURBINE Za izračun je uporabljen paket za numerično modeliranje tokov CFX 5.6. Tehnični podatki o vetrni turbini so zbrani v preglednici 1 in 2. Preglednica 1. Tehnični podatki modela Table 1. Model technical data The result obtained is the same as in [2] and [3], but uses a different approach. One-dimensional models of single- and double-stage wind turbines provide information about the velocity behind the wind turbine, v1, in the part where the imaginary stream-tube cross-section increases. In the case of a single-stage wind turbine the downstream velocity at the optimum point is equal to 1/3 of the upstream velocity v0. In the case of a double-stage wind turbine, which has a higher theoretical power and consequently a higher aerodynamic efficiency, an even lower downstream velocity is expected. Combining Equations (16), (19) and (34) gives the downstream velocity at the optimum operating point of the double-stage wind turbine, which is 1/5 of the upstream velocity v0. 2 NUMERICAL ANALYSIS OF SINGLE- AND DOUBLE-STAGE WIND TURBINES The numerical analysis was made with CFX 5.6 software. The technical model data are given in Table 1 and Table 2. R 400 mm N 5 - l 6 - Premer R vetrne turbine in število lopat N sta enaka za enostopenjsko in dvostopenjsko izvedbo. Geometrijska oblika lopate vetrne turbine pa je določena s hitrostnim številom A, ki je podano z enačbo: Rotor radius and the number of rotor blades were equal in both cases. The tip speed ratio l is a dimensionless number that defines the geometry of the wind-turbine blades: X = Rw (36). Preglednica 2. Robni pogoji modela Table 2. Model boundary conditions v0 r n 6 m/s 1,164 kg/m3 1,824 x10-5 Ns/m2 Dvostopenjska vetrna turbina - A Double-Stage Wind Turbine 153 v 0 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 Sl. 3. Geometrijsko topološki model eno- (levo) in dvostopenjske (desno) vetrne turbine Fig. 3. Geometrical and topological models of single- (left) and double-stage (right) wind turbines Preglednica 3. Število elementov ter vozlišč računske mreže Table3. Number of mesh nodes and elements n 1 2 Okolica - Surrounding Elementov - Elements / Vozlišč - Nodes Rotor - Rotor Elementov Elements / Vozlišč Nodes 120959/112140 121848/113370 137228/126756 121848/113370 Delovna snov je zrak pri 20°C in The working fluid is air at 20°C and atmosferskem tlaku z nespremenljivo hitrostjo v0. atmospheric pressure with a constant inflow velocity Spreminjajoč parameter je predstavljala kotna hitrost v0. The varying parameter was the wind turbine’s vetrne turbine a>. angular velocity a>. Za modeliranje turbulence je bil uporabljen The turbulence was modeled with the turbulentni model TSN (transport strižnih napetosti). turbulent model SST (Shear Stress Transport). The Konvergenčni kriterij, ki mora zadostovati za zaključek convergence criterion was set to 10-4 for maximum izračuna, je podan z največjo dopustno napako 104. error. Geometrijsko topološki model enojne in The geometrical and topological models of dvojne izvedbe vetrne turbine je prikazan na sliki 3. the single- and the double-stage wind turbines are V obeh primerih je bila modelirana po ena shown in Fig. 3. lopata, torej krožni izsek 72°. Pri tem zajema okolica Only one blade was modeled in both desetkratni polmer vetrne turbine. Pri eno- in examples, representing 72° of the whole turbine. The dvostopenjski vetrni turbini je za vse dele opazovane turbine surrounding was ten times the rotor radius. prostornine uporabljena nestrukturirana šesterokotna An unstructured hexagonal mesh was used in both mreža. Število vozlišč in elementov v posameznem delu cases. The number of nodes and elements are given računske mreže je podano v preglednici 3. V obeh in Table 3. The rotor had the same number of nodes primerih imata rotorja enakoštevilo vozliščin elementov. and elements in both examples. The surroundings V primeru okolice pa je število vozlišč ter elementov had more nodes and elements in the case of the zaradi modeliranja razdalje med stopnjama nekoliko double-stage model due to the space between the večje pri dvostopenjski vetrni turbini. stages. Slika 4 prikazuje porazdelitev tlakov pri eno- Fig. 4 shows the pressure distribution on in dvostopenjski vetrni turbini. Iz porazdelitve je the turbine blades. There is almost no second-stage 154 Schweiger V. - Širok B. - Tuma M. - Mihelič N. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 Sl. 4. Razporeditev tlakov na lopatici eno- in dvostopenjske vetrne turbine v optimalni obratovalni točki Fig. 4. Static pressure distribution on the wing of the single- (left) and double-stage (right) wind turbine at the optimal operating point Preglednica 4. Kotne hitrosti pri dvostopenjski vetrni turbini Table 4. Double-stage angular velocities w (s-1) 75 90 105 2 (s-1) w 50 60 70 80 50 60 70 80 40 50 60 70 razvidno, da je medsebojni vpliv stopenj na tlačno porazdelitev na lopaticah najmanjši, saj se tako pri enojni kakor pri dvojni izvedbi porazdelitev statičnega tlaka na prvi stopnji skoraj ne razlikujeta. Numerični izračun aerodinamičnega izkoristka je bil najprej izveden za enostopenjsko vetrno turbino, pri tem je bila kotna hitrost rotorja spreminjana od 60 do 120 s1. Izračun dvostopenjske vetrne turbine pa je izveden tako, da se prva stopnja vrti s stalno kotno hitrostjo to, kotna hitrost druge stopnje m pa se spreminja, tako da je tudi v drugi stopnji dosežen optimum. Kombinacije kotnih hitrosti so zbrane v preglednici 4. Rezultati simulacije so predstavljeni na sliki 5, na kateri je predstavljen tudi skupni aerodinamični izkoristek. Izračunani optimalni izkoristek enostopenjske vetrne turbine je 0,453. Z vgradnjo druge stopnje vetrne turbine, ki se vrti v obratni smeri, se ta izkoristek poveča na 0,517. Povečanje izkoristka gre na račun izrabe preostale kinetične energije vetra ter vpliva interakcije med obema rotorjema. Poleg navedenega povečuje vgradnja druge stopnje tudi relativno kotno hitrost med stopnjama. Na sliki 6 so prikazani vektorji vzdolžnih hitrosti za obema izvedbama vetrne turbine. Razvidno je, da so hitrosti v primeru dvostopenjske izvedbe manjše, kar kaže na dodatno spremembo energije feedback influence on the first stage. This can be concluded from the almost identical static pressure distribution on the first-stage blade in both models. The aerodynamic efficiency was first calculated for the single-stage model. The varying parameter was the angular velocity, in the range from 60 to 120 s-1. The simulation of the double-stage model was made with a constant first-stage angular velocity w, while varying the second w2 until the second-stage optimum operating point was obtained. The simulation results are presented in Fig. 5. The aerodynamic efficiency characteristic is presented for single- and double-stage models. The maximum calculated aerodynamic efficiency for a single-stage model is 0.453. With the installation of a second counter-rotating stage the maximum aerodynamic efficiency rises to 0.517. The second stage uses some of the kinetic energy left over from the first stage and so the total aerodynamic efficiency is increased. The installation of a second counter-rotating stage has the additional benefit of increasing the wind turbine’s relative angular velocity (Fig. 5). Fig. 6 shows the axial velocity vectors behind both wind turbines. It is evident that the axial velocity behind the double-stage wind turbine is smaller than the axial velocity behind the single-stage model, which indicates an additional energy Dvostopenjska vetrna turbina - A Double-Stage Wind Turbine 155 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 BO 50 > 40 30 p 20 10 0 '• 1 rS^ .^:^^. icf '• l i ¦ / ¦--1--I /A... -B-7J 40 60 80 100 120 140 160 180 CJ, CJ + CJ2 s -1 Sl. 5. Aerodinamični izkoristek eno- in dvostopenjske vetrne turbine Fig. 5. Aerodynamic efficiency characteristics of single- and double-stage wind turbines Sl. 6. Vzdolžna hitrost za enostopenjsko (levo) in dvostopenjsko (desno) vetrno turbino. Fig. 6. Axial velocity behind a one-stage (left) and two-stage (right) wind turbine vetra v drugi stopnji vetrne turbine. Ocena zmanjšanja hitrosti za obema izvedbama vetrne turbine v optimalni točki je prikazana na sliki 7. Prikazana je odvisnost površinsko povprečene vzdolžne hitrosti (normirane na v0), na enakih prerezih vzdolž okolice, od oddaljenosti od stopnje za vetrno turbino (normirane na polmer vetrne turbine R). Prerezi so pri obeh izvedbah vetrne turbine enaki, in sicer zajemajo površino krožnega izseka s polmerom vetrne turbine (R = 400 mm). Iz analize tokovnega polja z obema izvedbama vetrne turbine, slika 6 in 7, izhaja, da pride v primeru dvostopenjske vetrne turbine do občutnega zmanjšanja vzdolžnih hitrosti, kar kaže na večjo izrabo kinetične energije vetra in s tem na večji aerodinamični izkoristek transformation in the second stage. Quantitative results of the velocity reduction behind both wind turbine models at the optimum operating point are shown in Fig 7. Fig. 7 shows the area-averaged axial velocity (normalised to v0) depending on the distance behind the wind-turbine stage (normalised to the wind-turbine radius R). The average cross-sectional areas are equal in both models, they capture an area equal to the circular section area with the wind-turbine radius (R = 400 mm). The velocity field analysis behind both models shows, Fig. 6 and Fig. 7, a significant axial velocity reduction that occurs in the case of the double-stage model, which points to greater usage of the wind’s kinetic energy and 156 Schweiger V. - Širok B. - Tuma M. - Mihelič N. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 0 1 2 3 4 LIR Sl. 7. Zmanjšanja hitrosti za vetrno turbino Fig. 7. Velocity reduction behind a wind turbine dvostopenjske vetrne turbine. V primeru dvostopenjske vetrne turbine je zmanjšanje hitrosti tolikšno, da pride do povratnih tokov, vrtinčenja, za vetrno turbino, kar je razvidno s slike 7, razmerje v/v na določenem mestu spremeni predznak. 3 SKLEPI Raziskana je bila eno- in dvostopenjska vetrna turbina z nasprotno vrtečima se rotorjema. Enostopenjska izvedba doseže teoretično največji aerodinamični izkoristek 16/27 = 0,593 (Betzova meja), medtem ko doseže dvostopenjska izvedba v teoriji največji skupni izkoristek 16/25 = 0,64. Izvedena je bila numerična analiza eno- in dvostopenjske vetrne turbine, pri čemer je bila razdalja med obema stopnjama manjša od zahteve pri teoretičnem izračunu, pri katerem je predpostavljen nemoten tok zraka iz prve v drugo stopnjo. Izračunan je bil aerodinamični izkoristek 0,453 pri enostopenjski izvedbi in 0,517 pri dvostopenjski. Povečanje skupnega izkoristka dvostopenjske vetrne turbine gre na račun izrabe preostale kinetične energije vetra za prvo stopnjo. Nadaljnje raziskovalno delo bo usmerjeno v eksperimentalno preverjanje dobljenih rezultatov numeričnega modela in eksperimentalno-parametrično analizo geometrijskih in kinematskih parametrov dvostopenjske vetrne turbine. consequently to a higher aerodynamic efficiency. In the case of a double-stage wind turbine the velocity reduction is so high that back flow occurs, as shown in Fig. 7, where the relation v0/v at a certain point changes from a positive to a negative value. 3 CONCLUSIONS Single- and double-stage counter-rotating wind turbines were investigated. In theory a single-stage wind turbine has a maximum aerodynamic efficiency of 16/27 = 0.593 (the Betz limit). A double-stage wind turbine has a maximum aerodynamic efficiency of 16/25 = 0.64. A numerical analysis of both modes was performed. In the theoretical model an undisturbed flow between the stages was assumed. In the numerical double stage the model distance between the stages was smaller than theoretically demanded. Numerical results show an aerodynamic efficiency of 0.453 in the single-stage model and 0.517 in the double-stage model.The increase in the aerodynamic efficiency in the double-stage model is a consequence of the additional power extraction from the wind’s kinetic energy behind the first stage. Further investigations will include an experimental confirmation of the numerical results and an experimental-parametric analysis of the geometric and kinematic parameters of a double-stage counter-rotating wind-turbine model. Dvostopenjska vetrna turbina - A Double-Stage Wind Turbine 157 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 4 OZNAKE 4 SYMBOLS prerez vetrne turbine A m2 wind-turbine cross-section hitrostni količnik prve stopnje a - first-stage retardation factor hitrostni količnik druge stopnje b - second-stage retardation factor sila F N force razdalja, oddaljenost L m distance število lopat N - number of blades število stopenj n number of stages moč P W power tlak p Pa pressure polmer vetrne turbine R m wind-turbine radius hitrost v m/s velocity izkoristek h - efficiency l - tip-speed ratio gostota zraka r kg/m3 air density n Ns/m2 kinematic viscosity kotna hitrost w 1/s angular velocity Indeksi Indexes tik pred vetrne turbino a just in front of the wind turbine tik za vetrno turbino b just behind the wind turbine največji max maximum med stopnjama s between stages skupni tot total pred vetrno turbino 0 in front of the wind turbine za vetrno turbino 1 behind the wind turbine druga stopnja 2 stage two 5 LITERATURA 5 REFERENCES [1] Ackerman, T., L. Soder (2002) An overview of wind energy status 2002, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 67-128, June 2002. [2] Neman, B.G. (1983) Actuator-disc theory for vertical-axis wind turbine, Journal of Wind Energy And Industrial Aerodynamics, Volume 15, Issue 1-3, 347-355, December 1983. [3] Neman,B.G. (1986) Multiple actuator-disc theory for wind turbines, Journal of Wind Energy And Industrial Aerodynamics, Volume 24, Issue 3, 347-355, October 1986. [4] Izumi Ushiyama,Toshihiko Shimota, YukihiroMiura (1996) An experimetal study of the two staged wind turbines, Renewable Energy, Volume 9, Issue 1-4, 909-912, September-December 1996. [5] Burton, T., D. Sharpe, N. Jenkins, E. Bossanyi (2001) Wind energy (handbook), John Willey & Sons Ltd, England. 158 Schweiger V. - Širok B. - Tuma M. - Mihelič N. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 146-159 Naslova avtorjev: Vlado Schweiger Authors’ Addresses: Vlado Schweiger Turboinštitut Turboinštitut Rovšnikova 6 Rovšnikova 6 1000 Ljubljana 1000 Ljubljana, Slovenia vlado.schweiger@turboinstitut.si vlado.schweiger@turboinstitut.si prof.dr. Brane Širok Prof.Dr. Brane Širok prof.dr. Matija Tuma Prof.Dr. Matija Tuma Niko Mihelič Fakulteta za strojništvo Faculty of Mech. Eng. Univerze v Ljubljani University of Ljubljana Aškerčeva 6 Aškerčeva 6 1000 Ljubljana 1000 Ljubljana, Slovenia brane.sirok@fs.uni-lj.si brane.sirok@fs.uni-lj.si matija.tuma@fs.uni-lj.si matija.tuma@fs.uni-lj.si Prejeto: Sprejeto: Odprto za diskusijo: 1 leto 24.5.2004 Received: Accepted: 2.12.2004 Open for discussion: 1 year Dvostopenjska vetrna turbina - A Double-Stage Wind Turbine 159 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 UDK - UDC 621.9.048:621.753.5 Strokovni članek - Speciality paper (1.04) Uporabnost obdelave z abrazivnim vodnim curkom v orodjarstvu The Versatility of Abrasive Water-Jet Machining in the Toolmaking Industry Boštjan Juriševič - Davorin Kramar - Mihael Junkar Obdelava z abrazivnim vodnim curkom (AVC) je neobičajni postopek, ki temelji na odnašanju materiala obdelovanca kot posledice erozije trdih abrazivnih delcev, pospešenih z vodnim curkom velikih hitrosti. Prednost AVC pred drugimi odrezovalmini postopki je v zmožnosti obdelave praktično kateregakoli materiala in zanemarljivi toplotno prizadeti coni v obdelovancu. Poleg tega je obdelava z AVC ekološko zelo sprejemljiva, saj uporablja le vodo in naravne abrazive. Področje uporabe AVC sega od čiščenja in utrjevanja površin, kjer se večinoma uporablja le vodni curek (VC), obrisnega rezanja, teksturiranja, frezanja pa vse do preoblikovanja in uporabe v medicini. Razvoj tehnologije z namenom povečati natančnost obdelave gre v smeri uporabe višjih tlakov ter manjših premerov curkov in finejših abrazivov, kar bi odprlo številne možnosti na področju mikro obdelave. V prispevku so opisane najnovejše raziskave s področja obdelave z AVC in VC, pri katerih je bil Laboratorij za alternativne tehnologije (LAT) dejavno udeležen. © 2005 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: orodjarstvo, obdelave s curkom, curek vodni, curek abrazivni) Abrasive water jet (AWJ) is a non-conventional machining process in which the material-removal process in the workpiece takes place as a result of the erosion caused by high-speed abrasive particles. Several characteristics, like the ability to machine practically any known material and the absence of any relevant heat-affected zone (HAZ), make the AWJ process highly competitive, especially in the case of hard-to-machine materials. The process is environmentally acceptable, since only water and natural abrasives are used. The range of applications is wide: from cleaning and surface preparation to cutting, deep-hole drilling, turning and milling. Since its introduction, a wide range of applications and new opportunities (medicine, forming) are showing all the potentials of this technology. This contribution aims to present the latest research in the field of AWJ and WJ implementation in the toolmaking industry that have been tested and researched at the Laboratory for Alternative Technologies (LAT). © 2005 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: toolmaking, machining processes, abrasive water jets) 0 UVOD Obdelava z AVC spada v široko skupino postopkov, pri katerih je orodje curek z velikimi hitrostmi. Poleg obdelave z AVC je zelo razširjena obdelava z VC, ki se uporablja za čiščenje, obdelavo in utrjevanje površin, preoblikovanje, rezanje mehkejših materialov, kot podpora pri običajnih odrezovalnih postopkih, recikliranju ter nenazadnje v medicinskih uporabah. Obdelava z abrazivnim curkom (AC), pri katerih so abrazivni delci pospešeni s tokom zraka z velikimi hitrostmi, se večinoma uporablja za obdelavo površin 0 INTRODUCTION AWJ belongs to a wide group of machining processes, but unlike traditional, rigid machining tools, the tool is a high-speed jet of water. Besides AWJ, which is mostly used for cutting, the WJ process has a dominant role in the field of cleaning, surface preparation and hardening, forming, cutting of softer materials, assisting to conventional cutting processes, recycling and medical applications. Another process from this group is abrasive jet machining (AJM), where a high-speed air jet accelerates the abrasive particles. This process is mostly used for surface treatments like cleaning, engraving, tex- 160 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 (čiščenje, teksturiranje, graviranje, poliranje). Skupne lastnosti obdelav s curkom z velikimi hitrostmi so velika koncentracija energije, odsotnost toplotno prizadete cone v obdelovancu ter majhne sile na njem. Vsi navedeni postopki so mehanski, orodje (curek) pa se neprestano obnavlja. Za obdelavo trših materialov, uporabljenih v orodjarstvu je najbolj primerna obdelava z AVC, kateri bo v nadaljevanju posvečene največ pozornosti. Po kratkem pregledu razvoja postopka obdelave z AVC so v nadaljevanju predstavljena osnovna načela delovanja. Sledi pregled področja uporab ter smeri nadaljnjega razvoja tehnologije. Na koncu so podani sklepi z razpravo o možnostih uporabe postopka predvsem na področju orodjarstva. Namen predstavljenega prispevka je prikazati možnosti za uporabo AVC in VC na področju orodjarstva, ne le pri izdelavi orodij, ampak tudi pri načrtovanju tehnologije preoblikovanja. Izkazalo se je, da se lahko predstavljena tehnologija uporabi pri izdelavi prototipov pri preoblikovanju pločevine, čemur bo posvečena posebna pozornost. 1 RAZVOJ POSTOPKA Postopek obdelave z AVC je bil razvit v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja iz postopka obdelave z VC. Izkazalo se je, da lahko curek pare ali stisnjenega zraka pri poškodbah napeljav prereže leseno palico [1] ter da vodne kapljice lahko poškodujejo površino kril na letalu [2], kar je privedlo do prve uporabe VC v industrijske namene [3]. Dejansko pa prve uporabe VC v rudarstvu segajo na začetek 20. stoletja [4]. Leta 1983 je bil izdelan in patentiran prvi tržni sistem za obdelavo z AVC [5], kjer so z dodajanjem abrazivnih delcev v VC omogočili obdelavo praktično vseh materialov. Od takrat je razvoj postopka obdelave z AVC hitro napredoval in je dandanes eden izmed najobetavnejših. Leto kasneje je bil razvit prvi suspenzijski sistem, ki se zaradi velike stopnje obrabe komponent in počasnih odzivnih časov kjub številnim prednostim (večja energijska učinkovitost, kakovostnejša obdelava, nižji tlaki vode itn.), ni uveljavil v praksi. Slika 1 prikazuje razvoj obdelave z AVC. turing, and polishing. A common feature of all these jet-based processes is a high energy concentration, small forces on the workpiece and the absence of a relevant HAZ. All these processes are mechanical, and the tool (a high-speed jet) is self renewing during whole of the machining process. For hard-to-machine materials, as is the case in toolmaking, the AWJ machining process is very appropriate, and will be explained in more details in the following sections. A short overview of the AWJ process will be given, and its working principles will be explained. After a short preview of the applications, and predictions of the further developments and expectations of high-speed jet technology, special attention will be given to the fields of AWJ 3D machining and WJ incremental-forming investigations, which have been performed in our laboratory. Finally, the role of both AWJ and WJ machining process in the toolmaking industry will be described. The objective of this contribution is not only to show the possibilities of AWJ and WJ machining for tool and die production, but also to point out the possibilities of using this technology in technology planning, such as in the case of sheet-metal forming. An emerging application is WJ incremental sheet-metal forming, which can be used for prototype and small-batch production. 1 DEVELOPMENT OF AWJ TECHNOLOGY AWJ technology was developed in the early 1980s from the WJ process. Earlier, in the 1960s, it was observed that a jet of steam or air in a pipeline leakage could easily cut a wooden beam [1]. In the same period it was also known that high-speed water droplets could damage airplane wings [2]. These findings led to the first uses of high-speed WJs in industrial applications [3], while the first application of WJs in mining began at the start of the 20th century [4]. In 1983 the first commercial system, known as injection AWJ, was available [5]. In this system, hard abrasive particles are added to the WJ, which makes it possible to machine practically any material. Since then the AWJ process has evolved very rapidly, and today it is one of the most promising technologies. A year later, the first suspension AWJ was developed; in this case a suspension of water and abrasive is pressed through a nozzle where a high-speed jet is formed. Even if the suspension system is, in many aspects, (higher efficiency, better machining performance) superior to the injection AWJ system, it is not used so much due to the higher degree of wear of the components and the longer starting and stopping times for the jet. Figure 1 shows the historical development of the WJ and AWJ technologies. Uporabnost obdelave z abrazivnim vodnim curkom - The Versatility of Abrasive Water-Jet Processing 161 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 1984: prvi suspenzijski sistem za obdelavo z AVC 1984: first suspension AW J system 1983: prvi injekcijski sistem ' za obdelavo z AVC 1983: first injection AWJ system - višji tlaki vode / higher water pressures, - manjši premeri curka / smaller jet diameters, - nove aplikacije / new applications. 1900 uporaba VC v rudarstvu 1950 > 2000 raziskave na področju visokohitrostnih VC WJ application researches in the field in mining of water jetting technology Sl. 1. Razvoj postopka obdelave z VC in AVC Fig. 1. Historical development of WJ and AWJ technology. Dandanes se najbolj uporabljajo tako imenovani injekcijski sistemi za obdelavo z AVC, katerih načelo delovanja je podrobneje predstavljen v naslednjem poglavju. 2 NAČELO DELOVANJA INJEKCIJSKEGA SISTEMA Z AVC Injekcijski sistem za obdelavo z AVC v sploŠnem sestavljajo: visokotlačna vodna črpalka (batna črpalka ali hidravlični ojačevalnik), rezalna glava, sistem za dovod in doziranje abraziva, delovna miza, lovilnik curka po obdelavi ter krmilni sistem, kakor prikazuje shema na sliki 2. As mentioned before, today, the most common systems are AWJ, the working principle of which is explained in more detail in the next section. 2 WORKING PRINCIPLE OF THE INJECTION AWJ SYSTEM The main components of an injection AWJ system are: a high-pressure water unit (plunger pump or hydraulic amplifier), a cutting head, an abrasive feeding system, a working table, a jet catcher and a controlling unit, as shown in Figure 2. filtriranje in mehčanje vode water filtering and softening voda water Sl. 2. Shema sistema za obdelavo z AVC Fig. 2. Main components of an injection AWJ cutting system 162 Juriševič B. - Kramar D. - Junkar M Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 Z visokotlačno črpalko se tlak vode dvigne na nekaj sto MPa. Danes se za AVC običajno uporablja tlak 400 MPa, kar je odvisno od uporabe, v prihodnosti pa se bodo najverjetneje uporabljali tlaki do 1000 MPa. V rezalni glavi nastane curek vode z veliko hitrostjo, abraziva in zraka, ki predstavlja orodje. Sama rezalna glava je sestavljena iz vodne šobe, kjer najprej nastane vodni curek z veliko hitrostjo, ki gre skozi mešalno komoro, v katero se dovaja abrazivne delce. Pod mešalno komoro je nameščena fokusirna šoba, kjer se abrazivni delci pospešujejo do hitrosti, ki omogočajo odnašanje materiala obdelovanca. Zaradi VC z veliko hitrostjo se ustvari podtlak, kar ima za posledico vsesavanje zraka skozi dovod abraziva. Tok zraka ima pomembno funkcijo prenosa abraziva v mešalno komoro in začetnega pospeševanja abraziva. Obdelovanec je običajno vpet na delovno mizo, podajalno gibanje pa opravlja rezalna glava (orodje), ki je pritrjena na postavljalni sistem. Celoten sistem za obdelavo z AVC je računalniško krmiljen in nastavlja optimalne obdelovalne parametre (podajalna hitrost, tlak vode, masni tok abraziva itn.). Sila curka je običajno med 10 in 20 N, kar omogoča preprosto vpenjanje in rezanje kompozitnih materialov in tankostenih struktur brez poškodb. Pri obdelavi z AVC je treba poudariti, da obdelovanec pride v stik z vodo, kar je treba upoštevati pri materialih, občutljivih na vodo. 3 PODROČJE UPORABE TEHNOLOGIJ VC IN AVC Zaradi svoje enkratne lastnosti obdelave praktično vseh materialov je AVC vsestransko orodje. Sistemi za obdelavo z AVC omogočajo tudi obdelavo z VC, kar bistveno razširi področje uporab rezanja na utrjevanje in pripravo površin ter celo na preoblikovanje pločevine. Na sliki 3 so prikazane uporabe VC in AVC. V nadaljevanju so predstavljene uporabe AVC in VC, ki so zanimive predvsem na področju orodjarstva, tako izdelave orodij kakor tudi pri načrtovanju tehnologije preoblikovanja. Prikazano je koračno preoblikovanje pločevine z VC, izdelava 3D oblik, vrtanje globokih lukenj in odstranjevanje trdih površinskih slojev z AVC. The water pressure is raised in the high-pressure unit to several hundreds of MPa, depending on the selected application. For AWJ, today, the most commonly used water pressure is up to 400 MPa, but in the future it seems that pressures up to 1000 MPa are very likely to be used. A high-speed AWJ composed of abrasive, water and air is formed in the cutting head, which represents the tool. There is an orifice at the top of the cutting head, where a high-speed WJ is formed. The fully developed WJ passes through the mixing chamber, where abrasive particles are entrained from the abrasive feeding system. The focusing tube is fixed on the other side of the mixing chamber and aligned with the orifice. There the abrasive particles are accelerated to velocities that enable the material-removal process in the workpiece. In the mixing chamber, an under pressure is established as a result of the high-speed WJ, and this initiates an air flow through the abrasive inlet. This air flow has an important role in the acceleration process of the abrasive and in its transportation into the mixing chamber. In most cases the workpiece is fixed on the working table and the jet moves along the contour that has to be cut. The control unit optimally adjusts the process parameters (cutting-head kinematics, water pressure, abrasive mass flow, stand-off distance, impact angle of the jet, etc.). Because the force of the jet is relatively small (in the range of 10 to 20 N), no special clamping systems are required, and the process is adequate for machining composite and hollow structure parts. In the case of machining water-sensitive material, it is important to take into account that the workpiece will come into contact with water. 3 APPLICATION FIELDS OF WJ AND AWJ TECHNOLOGY Due to its unique characteristic of being able to machine practically any known material, the AWJ is a multifunctional tool. All commercial AWJs can also be used for WJ machining, which further increases the application fields from cutting to surface preparation, cleaning, forming, etc. Figure 3 shows the application fields of this technology. From this wide field of application we will further present the incremental forming of sheet metal with a WJ, the machining of 3D features, small deep-hole drilling and decoating or hard-top-layer removing with the AWJ. All these applications have tremendous potential in the toolmaking industry for producomg tools and for technology-planning purposes. Uporabnost obdelave z abrazivnim vodnim curkom - The Versatility of Abrasive Water-Jet Processing 163 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 UPORABE APPLICATIONS rezanje z VC WJ cutting rezanje z AVC AWJ cutting obdelava površin z VC WJ surface treatment ostale uporabe other applications -papir / paper, -guma / rubber, -les / wood, -usnje / leather, -umetne mase / plastics, -hrana / food,... -jeklo / steel, -titan / titanium, -aluminij / aluminum, -keramika / ceramics, -kompoziti / composites -kamen / stone, -steklo / glass,... - ni toplotno prizadete cone / no heat affected zone, - majhne sile na obdelovancu / small forces on the workpiece. -odstranjevanje barve in rje / rust and paint remotion, -dekontaminacija / decontamination, -utrjevanje površin / surface hardening, -teksturiranje / surface texturing,... večji pretoki in nižji tlaki vode / lower water pressure, higher volume flow VC / WJ -recikliranje / recycling, -rudarstvo / mining, -demilitarizacija / demilitarization, -preoblikovanje / forming, -medicina / medicine,... AVC / AWJ -frezanje / milling, -struženje / turning, -odstranjevanje povr. slojev / decoating, -vrtanje /drilling,... Sl. 3. Uporabe obdelave z VC in AVC Fig. 3. Application fields of AWJ and WJ technology 3.1 Koračno preoblikovanje z VC Na področju preoblikovanja smo opravili raziskavo možnosti uporabe VC z velikimi hitrostmi za koračno preoblikovanje pločevine [6]. Prvi rezultati so pokazali, da se lahko VC uporabi kot orodje, ki s primerno nastavitvijo parametrov postopka preoblikuje pločevino v poljubno obliko. Na sliki 4 je prikazan rezultat poskusa koračnega preoblikovanja aluminijaste pločevine debeline 0,3 mm. Izkazalo se je, da je v material mogoče vnesti plastične deformacije, ne da bi se pri tem poškodovala površina obdelovanca. Že samo rezanje z AVC je zelo uporabno pri izdelavi rondel in preizkušancev na področju preoblikovanja pločevine. Cene običajnih sistemov 3.1 Incremental sheet-metal forming with a WJ In the field of forming we made a feasibility study of incremental sheet-metal forming with a highspeed WJ [6]. The first results are extremely encouraging and show that it is possible to form sheet metal with a desired shape by using a WJ with the proper process-parameters setup. Figure 4 shows one of the first results of incremental sheet-metal forming of a 0.3-mm-thick aluminum alloy plate. By using a WJ as a forming tool it is possible to put plastic deformations in the material without damaging the workpiece surface. AWJs are already widely used as cutting tools in sheet-metal forming, especially in prototype development and for material-testing purposes. Today, a commercial system for AWJ cutting costs be- Sl. 4. Koračno preoblikovanje pločevine z VC [6] Fig. 4. Incremental sheet-metal forming with a high-speed WJ [6] 164 Juriševič B. - Kramar D. - Junkar M. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 dovod vode: 10 do 30 MPa water supply: 10 to 30 MPa delovna miza working table glava za inkrementalno preoblikovanje z VC head for incremental sheet metal forming with a WJ obdelovanec workpiece vpenjalna naprava workpiece holder pozicionirni sistem positioning system dovod vode: do 400 MPa water supply: up to 400 MPa dovod abraziva: 0 do 350 g/min abrasive supply: 0 to 350 g/min običajna glava za rezanje z AVC ordinary AWJ cutting head Sl. 5. Kombiniran sistem za rezanje z AVC in koračno preoblikovanje z VC [6] Fig. 5. Combined system for AWJ cutting and WJ incremental forming [6] za obdelavo z AVC se gibljejo med 150 in 300 tisoč evrov. Za nadgradnjo takega sistema v sistem, ki bi omogočal tudi koračno preoblikovanje bi bilo treba vložiti še nadaljnjih 50 do 100 tisoč evrov, ker je za preoblikovanje potrebna črpalka z večjim pretokom vode. Primer take nadgradnje je prikazan na sliki 5, kjer je poleg običajne glave za rezanje z AVC pritrjena še dodatna glava za koračno preoblikovanje z VC. Sistem, prikazan na sliki 5, omogoča rezanje in koračno preoblikovanje pločevine, kar je zelo uporabno predvsem v prototipnih in majhnih serijah ter pri raziskavah in načrtovanju tehnologije preoblikovanja pločevine. 3.2 Izdelava 3D oblik z AVC Pri izdelavi orodij je poleg 2D oblik treba narediti številne 3D oblike v težko obdelovalne materiale. V ta namen smo opravili raziskavo uporabnosti AVC ter primerjavo z drugimi primernimi postopki, to so žična erozija, lasersko rezanje ter frezanje z velikimi hitrostmi [7]. Določili smo dva načina obdelave. Prvi način vsebuje obdelavo oblik, ki se lahko izdela brez nadzora penetracije AVC, ter jo poimenovali 2,5D obdelava. V drugo skupino smo uvrstili obdelavo tistih oblik, pri katerih je treba nadzorovati globino penetracije curka, kar smo označili kot 3D obdelavo. Pri 2,5D obdelavi z AVC je treba upoštevati določene značilnosti postopka, to sta tween 150 and 300 thousand euros. To upgrade such a system in order to have a combined cutting and incremental forming system, an additional investment of 50 to 100 thousand euros is required. For such an application, an additional forming head and water pump are needed, because for forming operations a pump with a higher water-flow rate is required. This kind of combined system is shown in Figure 5, where besides an AWJ cutting head, a head for incremental forming is placed. The system shown in Figure 5 is very useful for prototype and small-batch production, but also as a powerful tool for technology planning in the field of sheet-metal forming, where the development time can be drastically reduced. 3.2 Machining of 3D features with an AWJ In the toolmaking industry, as well as 2D, many 3D features are also commonly encountered, which have to be machined in hard-to-machine materials. In order to define the possibilities of AWJ in the toolmaking industry, we made a comparison with highspeed milling, wire EDM and laser cutting [7]. We have defined two types of machining, 2.5D and 3D. In the first case we controlled the process in two directions, while in case of 3D machining we also controlled the depth of penetration of the AWJ in the workpiece. In 2.5D machining some characteristics of the AWJ process, like the taper of the cut and the curvature of the cutting front, have to be taken into Uporabnost obdelave z abrazivnim vodnim curkom - The Versatility of Abrasive Water-Jet Processing 165 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 Sl. 6. Izdelava 2,5D oblik z AVC [7] Fig. 6. Machining of 2.5D features with a AWJ [7] stožčasta oblika reza in ukrivljenost rezalnega čela v obdelovancu. Slednje je še posebej pomembno pri spremembah smeri obdelave Na sliki 6 so prikazane 2 5D oblike izdelane z AVC 2 5D oblike , na sliki 6 so bile zaradi primerjave z drugimi postopki izdelane tudi z žično erozijo in rezkanjem z velikimi hitrostmi Iz študije je bilo razvidno da običajni sistemi za rezanje z žično erozijo ne omogočajo izdelave posameznih oblik v primeru rezanja z velikimi hitrostmi pa so potrebna številna prevpenjanja Bistveno bolj zahtevna je izdelava 3D oblik kjer je treba nadzorovati globino penetracije AVC v obdelovanec To je mogoče izvesti s krmiljenjem parametrov postopka med samo obdelavo ter z ustrezno kinematiko AVC vzdolž obdelovanca Primer 3D oblik je podan na sliki 7 kjer sta bila z AVC izdelana pravokotna žepa v aluminij in jeklo V obeh primerih se je postopek obdelave z AVC izkazal kot primerna tehnologija predvsem zaradi zmožnosti obdelave praktično kateregakoli account. It is very important to know how much the cutting front is curved and take appropriate control actions, especially when cutting corners. Figure 6 shows some 2.5D features made by AWJ. To compare the AWJ process with other processes, the features in Figure 6 were also machined by wire EDM and high-speed milling. It was observed from these studies that a standard wire EDM system cannot machine all the features, and in the case of high-speed milling, some overclamping of the workpiece would be required. 3D features are much more complicated to machine, where the depth of penetration of the AWJ in the workpiece has to be controlled. The depth-of-penetration control can be executed using the appropriate kinematics or by optimal control of the process parameters. As a case study we machined two rectangular pockets in aluminum alloy and steel, as shown in Figure 7. In both cases, 2.5D and 3D AWJ machining proved itself as a useful technology in the toolmaking industry for its unique capability to machine practically any kind of material. Furthermore, no relevant HAZ is present on the machined surface. Taking into account Sl. 7. Izdelava 3D oblik z AVC [7] Fig. 7. Machining of 3D features with a AWJ [7] 166 Juriševič B. - Kramar D. - Junkar M. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 materiala ter odsotnosti toplotno prizadete cone. Z nadaljnjim razvojem ima obdelava z AVC veliko možnosti za nadomestitev že uveljavljenih tehnologij na področju orodjarstva. 3.3 Vrtanje majhnih in globokih lukenj z AVC V orodjarstvu, še posebej pri izdelavi kalupov za brizganje, se pojavlja veliko povpraševanje po izdelavi majhnih globokih lukenj v materiale, ki jih drugače težko obdelujemo. Navadno v takih primerih uporabljamo elektroerozijo, laser in elektronski snop. Slaba stran vseh teh postopkov je, da na površini luknje povzročajo toplotno vplivno območje (TVO). V primeru vrtanja z AVC je TVO praktično zanemarljivo. Izvedena je bila raziskava [8], pri kateri smo opazovali vpliv parametrov postopka na obliko izvrtane luknje v aluminij in v orodno jeklo OCR 12 (utrjeno in neutrjeno). Slika 8 prikazuje rentgensko fotografijo izvrtanih lukenj. AVC omogoča vrtanje v vsak material. Celo v steklo, ki se uporablja kot akustični izolator v notranjosti stavb. Primer take uporabe je prikazan na sliki 9, kjer so luknje s premerom manj kot 1 mm zvrtane v steklo debeline 5 mm. Glavni problem pri vrtanju lukenj z AVC v steklo je zanesljivost postopka. Zahteva naročnika je izvrtati do 40.000 lukenj na kvadratni meter steklene plošče. V primeru napake na eni sami luknji nastane izmeček. Najbolj pogost vzrok za napako je zamašitev dotoka abraziva. V takem primeru sama voda razbije steklo na mestu, kjer bi morala biti luknja. Sl. 8. Rentgenska slika v aluminij izvrtanih lukenj [8] Fig. 8. An X-ray photograph of holes drilled in aluminum alloy [8] all of these facts, it can be concluded that by using AWJ instead of other processes, complex features in materials with advanced properties can be machined much better, more safely, and more quickly. 3.3 AWJ small and deep hole drilling In the toolmaking industry, especially in the production of molding tools, there is a big demand for the machining of small deep holes in hard-to-machine materials. For small- and deep-hole drilling in such materials EDM, laser and electron-beam machining (EBM) are normally used. The weak point of all these processes is that they produce a HAZ on the surface of the hole. In the case of AWJ drilling the HAZ is practically irrelevant. A study was carried out [8] where the influence of the process parameters on the hole shape drilled in aluminum alloy AlMg1SiCu and steel OCR12 (hardened and non hardened) was observed, as shown in Figure 8. Using AWJ, holes can be drilled in any material, even in glass, which can be used as acoustic isolation in buildings. An example of this application is shown in Figure 9, where holes of less than 1 mm in diameter are drilled in 5-mm-thick glass. The main problem of drilling in glass for this application is the reliability of the process. The customer requirement is to drill up to 40,000 holes on 1 square meter of glass plate. If just one of these holes is not machined well, a useless product has been made. The most common reason for this is abrasive jamming. This problem happens when the water alone breaks the glass in the place where the hole was meant to be. Sl. 9. Luknje, vrtane z AVC v 5 mm debelo steklo Fig. 9. Holes drilled by AWJ in 5-mm-thick glass Uporabnost obdelave z abrazivnim vodnim curkom - The Versatility of Abrasive Water-Jet Processing 167 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 3.4 Odstranjevanje utrjenih površinskih slojev V primeru obnove obrabljenega orodja za hladno utopno kovanje je problematičen utrjen površinski sloj, ki ga je treba odstraniti. Običajno to izvajamo z rezanjem z velikimi hitrostmi s posebno trdimi nanosi na rezkalnem orodju. Tudi pri takih rezalih je opazna obraba. Za odstranitev utrjenega sloja s površine 400 kvadratnih mm poškodujemo ali uničimo kar nekaj rezkalnih orodij, kar nanese skupaj s stroški obdelave te površine okrog 400 evrov, za to pa porabimo več ko dve uri. Odstranjevanje utrjenih površinskega sloja takega orodja z AVC je prikazano na sliki 10 in je bilo izvedeno v LAT. V tem primeru smo porabili manj ko 1 uro časa, obdelava pa je stala okrog 150 evrov. 4 RAZVOJ NA PODROČJU OBDELAVE S CURKI Z VELKIMI HITROSTMI Razvoj na področju obdelave s curki z velikimi hitrostmi, kamor spadata AVC in VC, gre v dveh smereh. Na področju gradbeništva je v velikem vzponu uporaba VC za čiščenje ter AVC za rušenje ter rezanje in vrtanje armiranega betona. Druga smer razvoja pa gre v smeri izboljšanja natančnosti obdelave, miniaturizacije izdelkov ter večosne obdelave. Slednje je za področje orodjarstva bistveno bolj zanimivo. V zadnjem času so na voljo vodne črpalke, ki omogočajo tlake do 690 MPa, razvijajo pa se nove s tlaki do 900 MPa in več [9]. Na področju 3.4 Decoating of hard surface layers The hard layer on a worn cold forging tool is always difficult to remove when the renewing of such a tool is planned. Conventionally, this is done by high-speed milling with an extra-hard-coated tool. Even with such a tool, however, rapid wear is present. To remove the hard coating from a 400-square-mm area, several milling tools are damaged or destroyed, together with the machining costs of around 500 euros, and it takes more than two hours to complete the process. The decoating with AWJ of such a tool, shown in Figure 10, was performed in LAT. In this case it takes less than 1 hour and costs about 150 euros. 4 FURTHER DEVELOPMENTS IN THE FIELD OF HIGH-SPEED JET TECHNOLOGY The developments in the field of highspeed jet technology, where the AWJ and WJ have a dominant role, goes in two main directions. In the field of civil engineering and construction WJs are used for cleaning and surface treatment, while AWJs are used for demolition, cutting and drilling of armored concrete. The other direction is the development of multi-axes high-precision machining systems to be used in the field of micro-machining. From the toolmaking point of view, the developments in the direction of miniaturization are very interesting. The new water-pressure units can reach pres- Sl. 10. Odstranjevanje trdih površinskih slojev na obrabljenem orodju za hladno kovanje Fig. 10. Decoating of hardened layer on a worn cold-forging tool 168 Juriševič B. - Kramar D. - Junkar M. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 razvoja rezalnih glav se intenzivno iščejo nove rešitve, ki bi omogočale AVC z boljšimi obdelovalnimi lastnostmi. Premeri AVC se manjšajo, obstajajo že curki s premerom 50 mm, razvijajo se abrazivi s premerom nekaj nm [10]. Z namenom izboljšati obdelovalne lastnosti AVC so bile opravljene raziskave na področju dodajanja polimerov v vodo [11]. Veliko pozornosti pa se v zadnjem času posveča izboljšavi samega stroja za obdelavo z AVC v smislu izboljšanja dinamičnih in statičnih lastnosti, ki zagotavljajo večjo natančnost izdelave. Nove tehnike ([12] in [13]) in strategije rezanja, kakršno je rezanje z več prehodi [14], osciliranje curka [15] in modulacijske tehnike [16], pa omogočajo odpravo napak, npr. strijavost in stoščastost reza in izboljšajo hrapavost reza. V določenih primerih, npr. rezanje z AVC v več prehodih [14], smo dokazali, da je mogoče izboljšati kakovost rezanja, pri tem pa skrajšati čas in stroške rezanja. 5 SKLEPI Obdelava z AVC oz. s curki z velikimi hitrostmi nasploh ima velike možnosti na veliko področjih, od obrtniške proizvodnje in servisnih storitev, vse do avtomobilske in letalske industrije. Zaradi zmožnosti obdelave praktično kateregakoli materiala ima AVC velike možnosti uporabe tudi na področju orodjarstva. Poleg uporab AVC iz predhodne študije [14], se odpirajo nova področja predvsem pri izdelavi orodij iz materialov, ki jih drugače praktično ne moremo obdelati (inženirske keramike, kompoziti) ter pri koračnem preoblikovanju brez poškodbe površine. Število uporab se hitro širi, prav tako pa se iz dneva v dan vrstijo izboljšave in nadgradnje same tehnologije obdelave s curki z velikimi hitrostmi. Dandanes se ta tehnologija uporablja na področjih, to so medicina, živilska industrija, gradbeništvo, rudarstvo itn. Razvijajo se nove rezalne glave oz. šobe, ki omogočajo nastanek curka z bolj šimi obdelovalnimi lastnostmi, obenem pa je veliko dela vloženega v razvoj črpalk, ki omogočajo tlake vode do 1000 MPa. S tako hitrostjo razvoja bo obdelava z AVC v naslednjih nekaj letih dosegala natančnost, ki je zahtevana v orodjarstvu. Rezanje 3D oblik zagotavlja tehnologiji AVC konkurenčno mesto med orodjarskimi rezalnimi tehnologijami. Žično erozijsko in obdelavo z velikimi hitrostmi prekaša predvsem v območju obdelovalnih materialov, preprostosti vpenjanja sures up to 690 Mpa, and the developers of this equipment anticipate an increase in that water pressure up to 900 MPa, and more will be available soon [9]. In the field of cutting heads, new solutions are being developed that will allow the formation of AWJs with better performance. New cutting heads already enable the formation of AWJs with diameters down to 50 mm, by using abrasive particles with sizes of a few nm [10]. Some investigations were done by using polymer additives in water to increase the machining performance [11]. Also, from the machine point of view, the objective is to improve the static and dynamic characteristics of the system in order to achieve better machining precision. New cutting techniques ([12] and [13]) and strategies, like multipass cutting [14], jet oscillation [15] and modulation techniques [16], enable us to reduce the surface roughness and taper of the cut. In some cases, like AWJ multipass cutting [14], we have proved that it is possible to increase the cutting quality and reduce the machining time and costs at the same time. 5 CONCLUSION In general, it can be concluded that highspeed jet technology has great potential in many fields: from workshop production to automotive and aerospace industries, to mention just a few. Due to the ability to machine any material, AWJ is quickly becoming a valuable machining process in the toolmaking industry, where most of the materials are hard to machine. Materials like composites and ceramics can be easily machined by AWJ and new opportunities are arising in the field of incremental sheet-metal forming with a WJ. The number of applications where highspeed jet technology can be used is growing very rapidly, and new solutions in this field are in constant development. This technology is today applied in fields like medicine, food production, construction, mining, etc. New cutting heads are being developed with improved performance, and many efforts are being made to develop water pumps that will allow pressures up to 1000 MPa. With such a rapid development, we feel that this technology will reach the precision that is required in the toolmaking industry within the next few years. Machining 3D features makes AWJ competitive with other commonly used technologies in the toolmaking industry. Compared with wire EDM and high-speed milling, AWJ is already superior in many aspects. It can machine virtually any material, Uporabnost obdelave z abrazivnim vodnim curkom - The Versatility of Abrasive Water-Jet Processing 169 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 zaradi majhnih sil in drugih vplivov na obdelovanec ter v večini primerov večji hitrosti odvzema. S tem bo mogoče zmanjšati stroške izdelave orodij, obenem pa bo mogoče obdelovati materiale, ki pomenijo izziv za postopke odrezovanja in elektroerozije. Zahvala Predstavljene raziskave so bile podprte s strani mreže odličnosti “4M” s področja mikroobdelave; številka pogodbe: NMP2-CT-2004-500274 ter mreže odličnosti “VRL-KCiP” s področja zbiranja znanja v proizvodnem strojništvu; številka pogodbe: NMP2-CT-2004-507487, oboje v sklopu šestega evropskega okvirnega programa. there is no need for special clamping and fixing devices due to the small forces on the workpiece, and in most cases it is much faster and has more options. In many cases it was observed that using AWJ instead of other machining processes could drastically reduce the machining time and costs. Acknowledgement This work has been supported by the “Multi-Material Micro Manufacture: Technology and Applications (4M)” Network of Excellence, Contract Number NMP2-CT-2004-500274 and by the “Virtual Research Lab for a Knowledge Community in Production (VRL-KCiP)” Network of Excellence, Contract Number NMP2-CT-2004-507487, both within the EU 6th Framework Program. 6 LITERATURA 6 REFERENCES [I] Byran, E., L. (1963) High energy jets as a new concept for wood machining. For. Prod. J. 13 (8), 305. [2] Sato, H. (1996) A view on east and west through a researcher’s experience. Liber Amicorum Prof. Paul Vanherck, 145-155, Katholieke Universiteit Lueven, Belgium. [3] Walstad, O., M., P.W. Noecker (1972) Development of high pressure pumps and associated equipment for fluid jet cutting. In: Proceedings of the First International Symposium on Jet Cutting Technology, Paper C3, Coverty, UK, April 1972. [4] Summers, D., A. (1995) Waterjetting technology. Chapman & Hall. [5] Ojmertz, K.,M.,C. (1994) Abrasive waterjet machining. Licentiate thesis , Chalmers University of Technology, Sweden. [6] Jurisevic, B., K.C. Heiniger, K. Kuzman, and M. Junkar (2003) Incremental sheet metal forming with a highspeed water jet. In Kuzman K., Janssen E., Col A., Kerge R., Kessler L., Lenze F.-J., editors, Proceedings of the International Deep Drawing Research Group Conference, IDDRG 2003, 139-148, Bled, Slovenia, 11-15 May 2003. TECOS, Slovenian Tool and Die Development Centre, Celje. [7] Jurisevic, B., D. Kramar, K.C. Heiniger, and M. Junkar (2003) New perspectives in 3D abrasive water jet precision manufacturing. In Bley H., editor, Proceedings of the 36th CIRP-International Seminar on Manufacturing Systems: Progress in Virtual Manufacturing Systems, 507-512, Saarbruecken, Germany, 03-05 June 2003. University of Saarland, Germany. [8] Orbanic, H., M. Junkar (2003) A feasibility study of drilling small holes with abrasive water jet. In Kuzman K., editor, Proceedins of the 4th International Conference on Industrial Tools, ICIT 2003, 343-346, Bled, Slovenia, 8-12 April 2003. TECOS, Slovenian Tool and Die Development Centre. [9] Louis, H., M. Mohamed, and F. Pude (2003) Cutting mechanism and cutting efficiency for water pressures above 600 MPa. In Summers D., editor, Proceedings of the 2003 WJTA American WaterJet Conference, paper 1-A, Houston, Texas, USA, 16-19 August 2003, WJTA, WaterJet Technology Association. [10] Miller, D., S. (2003) Developments in abrasive waterjets for micromachining. In Summers D., editor, Proceedings of the 2003 WJTA American WaterJet Conference, paper 5-F, Houston, Texas, USA, 16-19 August 2003, WJTA, WaterJet Technology Association. [II] Louis, H., F. Pude and von Rad, Ch. (2003) Potential of polymeric additives for the cutting efficiency of abrasive waterjets. In Summers D., editor, Proceedings of the 2003 WJTA American WaterJet Conference, paper 3-D, Houston, Texas, USA, 16-19 August 2003, WJTA, WaterJet Technology Association. 170 Juriševič B. - Kramar D. - Junkar M Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 160-171 [12] Olsen, J., J. Zeng, C. Olsen and B. Guglielmetti (2003) Advanced error correction methodology applied to abrasive waterjet cutting. In Summers D., editor, Proceedings of the 2003 WJTA American WaterJet Conference, paper 5-D, Houston, Texas, USA, 16-19 August 2003, WJTA, WaterJet Technology Association. [13] Knaupp, M., A. Meyer, G. Erichsen, M. Sahney and C. Burnham (2002) Dynamic compensation of abrasive jet properties through 3-dimensional jet control. In: Lake P., editor, Proceedings of 16th International Conference on Water Jetting, 75-90, Aix-en Provence, France, 16-18 October 2002, BHR-Group. [14] Jurisevic, B., K. C. Heiniger, A. Schuetz and M. Junkar (2003) Feasibilities of abrasive water jet multipass cutting technique. In Summers D., editor, Proceedings of the 2003 WJTA American WaterJet Conference, paper 2-A, Houston, Texas, USA, 16-19 August 2003, WJTA, WaterJet Technology Association. [15] Chen, F., L. and E. Siores (2001) The effect of cutting jet variation on striation formation in abrasive water jet cutting. International Journal of Machine Tools & Manufacture, (41), 1479–1486. [16] Henning, A. and E. Westkamper (2003) Modulation of cutting operation with abrasive waterjets. In Summers D., editor, Proceedings of the 2003 WJTA American WaterJet Conference, paper 5-G, Houston, Texas, USA, 16-19 August 2003, WJTA, WaterJet Technology Association. Naslov avtorjev: Boštjan Juriševič mag. Davorin Kramar prof.dr. Mihael Junkar Fakulteta za strojništvo Univerza v Ljubljani Aškerčeva 6 1000 Ljubljana bostjan.jurisevic@fs.uni-lj.si davorin.kramar@fs.uni-lj.si mihael.junkar@fs.uni-lj.si Authors’ Address: Boštjan Juriševič Mag. Davorin Kramar Prof.Dr. Mihael Junkar Faculty of Mechanical Eng. University of Ljubljana Aškerčeva 6 1000 Ljubljana, Slovenia bostjan.jurisevic@fs.uni-lj.si davorin.kramar@fs.uni-lj.si mihael.junkar@fs.uni-lj.si Odprto za diskusijo: 1 leto 12.2004 Open for discussion: 1 year Uporabnost obdelave z abrazivnim vodnim curkom - The Versatility of Abrasive Water-Jet Processing 171 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 172-177 UDK - UDC 621.979:621.98 Strokovni članek - Speciality paper (1.04) Ekspertni sistem za nadzor kota upogibanja na numerično krmiljeni upogibni stiskalnici Expert System for Metal Bending Angle Control on Numeric Control Bending Press Vid Joviševič- Mirko Sokovič V prispevku je prikazan posebej razvit programski sistem, poimenovan ES-APKANT, ki omogoča večjo natančnost in boljšo kakovost postopka upogibanja pločevine ter zagotavlja doseganje zahtevanega kota upogibanja pločevine že v prvi stopnji upogibanja. Podani so model hidravlične upogibne stiskalnice PSE 135/3000, ki je primerna za uvajanje programskega sistema, struktura krmilnega sistema stiskalnice in prikaz sistema za nadzor delovanja stiskalnice. Sistem ES-APKANT je preverjen na primeru upogibanja pločevine iz jekla C45U (Č. 1540). © 2005 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: sistemi ekspertni, stiskalnice, upogibanje pločevine, krmiljenje numerično) This paper treated develop expert system ES-APKANT which gives higher accuracy and better quality of metal bending process and guarantee achievement of demanded metal bending angle in first bending operation. The paper shows model of hydraulic bending press PSE 135/3000, which is suitable for implementation of expert system, structure of press numerical control system and description of expert system for bending process control. Expert system ES-APKANT is verified on the example of C45U sheet metal bending. © 2005 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: expert systems, press bending, sheet metal bending, numerical control) 0 UVOD Pri uporabi upogibnih hidravličnih stiskalnic na postopek upogibanja pločevine vpliva več dejavnikov. Kot posledica elastičnih deformacij patrice in matrice se upogibni polmer vzdolž upogibice spreminja, kar proizvajalci stiskalnic poskušajo nadomestiti s tehničnimi rešitvami (optimalne poprave oblike upogibnega orodja ali njegove podlage). Omenjene tehnične rešitve so pravzaprav usmerjene k doseganju zahtevanega kota upogibanja pločevine, pa vendar posamezni proizvajalci stiskalnic niso mogli zagotoviti kota upogibanja s zadostno natančnostjo. Operaterji na upogibnih stiskalnicah se srečujejo s naslednjimi omejitvami: - elastično vračanje pločevine, ki ga ni mogoče natančno vnaprej določiti, - teoretične formule za določanje giba pehala ne upoštevajo spremembe karakteristik preoblikovanega materiala (trdota, trdnost, smer valjanja pločevine itn.) ter - natančno poznavanje geometrijske oblike orodja. Te omejitve, kljub sodobnim numeričnim sistemom krmiljenja na stiskalnicah, ki omogočajo številne poprave, zahtevajo, da mora operater na stiskalnici opraviti kar nekaj preverjanj kota upogibanja, vse dokler ne doseže predpisanega kota. V nadaljnjem postopku upogibanja ni mogoče zagotoviti serijske proizvodnje pločevinastih kosov z optimiranimi parametri upogibanja, ker kakršne koli spremembe debeline pločevine ter drugih lastnosti materiala lahko vplivajo na zahtevani kot upogibanja pločevine. Zaradi tega nastaja problem merjenja in korekcije kota upogibanja pločevine med samim postopkom upogibanja. To omogoča posebej razvit programski sistem ES-APKANT za nadzor kota upogibanja pločevine na hidravlični upogibni stiskalnici PSE 135/3000. ES-APKANT je bil razvit z 172 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 172-177 Sl. 1. Mehansko krmiljenje pogona Sl. 2. Elektronsko krmiljenje pogona uporabo programske lupine BEST (Black board-based Expert System Toolkit) in domenskih znanj na področju upogibanja pločevine podjetja “JELŠINGRAD” iz Banjaluke. 1 MODEL NUMERIČNO KRMILJENE STISKALNICE ZA UVAJANJE SISTEMA ES-APKANT Hidravlične upogibne stiskalnice za upogibanje pločevine se izdelujejo v dveh osnovnih izvedbah: - z mehanskim krmiljenjem pogona (sl. 1) in - z elektronskim krmiljenjem pogona (sl. 2). Programski sistem ES-APKANT je načrtovan za uporabo na hidravličnih numerično krmiljenih upogibnih stiskalnicah z elektronskim krmiljenjem. Delovanje pehala krmili servokrmilni sistem. Lega pehala je določena v vsaki točki gibanja s krmilno zanko elektronskega merilnega sistema. Zelo natančna krmilna ventila (S1, S2) omogočata ustrezen dovod olja, da bi dosegli hitrost gibanja pehala ter zahtevano globino prodiranja orodja. Elektronska merilna sistema za nadzor gibanja pehala sta postavljena na dveh mestih (Y1,Y2) in določata predviden položaj pehala med delovnim gibom. STISKALNICA kot ES APKANT zaznavalo gib UPORABNIK krmilna enota Sl. 3. Sestava krmilnega sistema za nadzor kota upogibanja pločevine na hidravlični upogibni stiskalnici PSE 135/3000 Ekspertni sistem za nadzor kota upogibanja - Expert System for Metal Bending Angle Control 173 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 172-177 2 PRKAZ NAČRTOVANEGA KRMILNEGA SISTEMA Struktura načrtovanja krmilnega sistema za nadzor kota upogibanja pločevine na hidravlični upogibni stiskalnici PSE 135/3000 je podana na sliki 3. Krmilni sistem je načrtovan za družino hidravličnih upogibnih stiskalnic z elektronskim krmiljenjem PSE JELŠINGRAD Banjaluka, kjer se kateri koli lega pehala določa z elektronskim merilnim sistemom. Sistem pa se lahko uporabi tudi na drugih tipih numerično krmiljenih stiskalnic. Krmilna enota stiskalnice postavlja pehalo tako, da se doseže programirani kot upogibanja pločevine. Postopek se izvede prek elektromehanskega zaznavala, ki je nameščeno pod delovno mizo stiskalnice in je v stalnem stiku s pločevino, ki se upogiba (sl. 4). Zaznavalo neprekinjeno sledi pločevini med postopkom upogibanja in prenaša digitalno informacijo o doseženem kotu upogibanja programskemu sistemu kateri določa gib pehala prek računalniške krmilne enote RKE Mogoča je tudi uporaba laserskega zaznavala za nepretrgano sledenje spremembe kota upogibanja med samim postopkom (sl. 5). Takšen sistem natančnega merjenja omogoča da računalniško krmiljenje postavlja pehalo Sl. 4. Elektromehanično zaznavalo 174 Joviševič V. stiskalnice tako, da se doseže zahtevani kot upogibanja, ki ga uporabnik poda programskemu sistemu pred pričetkom postopka upogibanja pločevine. Krmilna enota stiskalnice nenehno postavlja pehalo v nepretrganem postopku upogibanja pločevine. Na ta način programski sistem izravna vse negativne učinke, kot so elastično vračanje pločevine ter trenje med orodjem in pločevino. 3 RAZVOJ SISTEMA ES-APKANT Sestav sistema ES-APKANT je prikazan na sliki 6. Izveden je uporabo treh virov (baz) znanja: - vhod, - gib in - izhod. Vir znanja “vhod” prevzema tehnološke podatke, potrebne za postopek upogibanja pločevine, ki jih je zbral uporabniški vmesnik od uporabnika. Vir znanja “gib” določa potreben gib pehala za eno stopinjo spremembe kota upogibanja. Vir znanja “izhod” vzbudi potreben gib pehala za eno stopinjo spremembe kota upogibanja krmilni enoti stiskalnice vse dokler se kot, izmerjen z zaznavalom, ne ujame s predpisanim kotom. Sl. 5. Lasersko zaznavalo - Sokovič M. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 172-177 UPORABNIK STISKALNICA , JI u UPORABNIŠKI VMESNIK vhod gib izhod Sl. 6. Struktura programskega sistema ES-APKANT 4 PRIKAZ REZULTATOV UPORABE PROTOTIPNEGA SISTEMA ES-APKANT ES-APKANT je programski sistem za nadzor kota upogibanja pločevine na hidravličnih numerično krmiljenih upogibnih stiskalnicah. Uvodno dialogno okno (začetni meni) v programu ES-APKANT prikazuje slika 7. Omeniti je treba, da je v tej fazi (prototipnega testiranja) celotni program pisan v srbskem jeziku. Obstaja možnost, da bi se kasneje (po potrebi) ta problem rešil z uporabo nekaterih drugih jezikov, odvisno od uporabnikov. Postopek uporabe programa ES-APKANT poteka po naslednjem postopku. Ob startu aplikacije je treba izbrati postavko za vnos podatkov (Unos podataka) v okviru Ekspert menija. Tedaj se na zaslonu prikaže podmeni (podokno) za vnos parametrov upogibanja pločevine. Uporabnik najprej definira predpisane parametre upogibanja pločevine (sl. 8). Po končanem vnašanju podatkov o vrsti materiala pločevine, ki se upogiba, odprtju spodnjega orodja (matrice) ter zahtevanega kota upogibanja se zažene sklepni modul. Postopek je sklenjen, ko se na zaslonu pojavi podokno, ki pove, da je sklepni modul končal delo (sl. 9). S pritiskom na gumb OK se uporabniku ponudijo potrebni parametri za začetek postopka upogibanja pločevine, tako kakor je prikazano na sliki 10. To so vhodni parametri, ki jih določa uporabnik, parametri, ki se avtomatsko privzamejo iz baze znanj ter začetna lega kota upogibanja pločevine. Sl. 8. Vnos parametrov za upogibanje pločevine Sl. 7. Uvodno dialogno okno v programu ES-APKANT Sl. 9. Informacija o končanju postopka sklepnega modula Ekspertni sistem za nadzor kota upogibanja - Expert System for Metal Bending Angle Control 175 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 172-177 Sl. 11. Rezultati po končanem postopku upogibanja Sl. 10. Začetni parametri postopka upogibanja pločevine debelina pločevine [mm] Konvencionalno ES-APKANT Sl. 12. Primerjava učinkovitosti sistema ES-APKANT in konvencionalnega upogibanja Pritiskom na gumb START se prične postopek upogibanja na stiskalnici. Pri tem se v poljih podokna za trenutni kot (trenutni ugao) in gib pehala (hod pritiskivača) prikazujejo informacije, ki so injicirane od zaznaval, ki merijo trenutni kot upogibanja. Ko je dosežen zahtevani kot upogibanja, se na zaslonu pojavi podokno, kakor je prikazano na sliki 11. Pri tem se gib pehala, ki je določen s programskim sistemom, ne ustavi vse dokler trenutni kot ne doseže predpisanega kota upogibanja pločevine. Primerjavo učinkovitosti sistema ES-APKANT glede na konvencionalno upogibanje, odvisno od debeline pločevine, prikazuje slika 12. 5 SKLEPNE UGOTOVITVE Programski sistem ES-APKANT je mogoče uporabljati na hidravličnih upogibnih stiskalnicah s servokrmiljenjem in numeričnim krmiljenjem. ES-APKANT ne uporablja geometrijskih podatkov o orodjih, ker je neposredno merjeni kot 176 Joviševič V. - Sokovič M. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 172-177 upogibanja nadzorni parameter, ki se uporablja za pozicioniranje pehala z orodjem (patrico). Vpliv vseh nenadzorovanih motilnih dejavnikov na postopek upogibanja pločevine se nevtralizira s sistemom ES-APKANT. Sistem ne preračunava globine prodiranja pehala z orodjem, saj je načrtovan tako, da pozicionira pehalo glede na zahtevan kot upogibanja pločevine. Ta sistem je odprt za nadaljnji vnos izkustvenih informacij, ki vplivajo na postopek upogibanja pločevine, s čimer se izboljšujejo zmogljivosti sistema ES-APKANT. Prednosti sistema ES-APKANT glede na konvencionalni postopek upogibanja pločevine so naslednje: - zagotavljanje stalne ravni kakovosti upogibanja pločevine, - minimalen izmet, - možnost uporabe standardnih orodij, - možnost oblikovanja programskega sistema za specialne primere. Potrditev in praktično preverjanje prikazanega prototipnega sistema ES-APKANT sta bili opravljeni na hidravlični upogibni stiskalnici tipa PSE 135/3000, podjetja “JELŠINGRAD”, Banjaluka. 6 LITERATURA [1] Gologranc, F. (1987) Uvod v preoblikovanje, Fakulteta za strojništvo, Ljubjana. [2] Vraneš, S., M. Stanojevič (1995) Integrating multiple paradigms within the blackboard framework, IEEE Transactions on Software Engineering, Vol. 21, No. 3, 244-262. [3] Joviševič, V, M. Saradžič, M. Santrač (1997) Projektovanje tehnologije savijanja lima za numeričke apkant prese uz podršku PC računara, Zbornik radova, VI. Medunarodna konferencija za fleksibilne tehnologije, MMA ‘97, Sombor, 719-727. [4] Konstrukcijsko-tehnološka dokumentacija za družino hidravličnih stiskalnic PSE Jelšingrad, Banjaluka, 1997-2000. [5] Katalog proizvajalca upogibnih stiskalnic AMADA, 2002 [6] Easy-Form Laser, Nadzor kota upogibanja, LVD, Euroteh 3 (2004) 3, 74-75. Naslova avtorjev: prof. dr. Vid Joviševič Fakulteta za strojništvo Univerze v Banjaluki V. S. Stepanovica BiH - 78000 Banjaluka Bosna in Hercegovina profdr. Mirko Sokovič Fakulteta za strojništvo Univerze v Ljubljani Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Prejeto: Received: 18.10.2004 Sprejeto: Accepted: 2.12.2004 Odprto za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year Ekspertni sistem za nadzor kota upogibanja - Expert System for Metal Bending Angle Control 177 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 178 Poročila - Reports Poročila - Reports 50. obletnica izhajanja Strojniškega vestnika 50th Anniversary of Journal of Mechanical Engineering Na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani je bila 24. marca 2005 slovesnost ob 50. obletnici izhajanja Strojniškega vestnika. Slovesnost so pripravili vsi štirje ustanovitelji in so-izdajatelji: Fakulteti za strojništvo, Univerze v Ljubljani in Univerze v Mariboru, Gospodarska zbornica Slovenije ter Zveza strojnih inženirjev Slovenije. Slovesnosti so se udeležili tudi rektor Univerze v Ljubljani prof.dr. Jože Mencinger, državni sekretar Ministrstva za visoko šolstvo, znanost in tehnologijo prof.dr. Janez Možina, direktor Javne agencije za raziskovalno dejavnost RS dr. Franci Demšar, v.d. direktorja Direktorata za tehnologijo prof.dr. Jože Flašker in drugi gostje. Navzoče so pozdravili dekana Fakultete za strojništvo v Ljubljani prof.dr. Matija Fajdiga in Fakultete za strojništvo v Mariboru prof.dr. Andrej Polajnar ter direktor ARRS dr. Franci Demšar. Sledila sta še zgodovinski oris izhajanja Strojniškega vestnika in predstavitev prve številke 51. letnika, ki ju je pripravil sedanji urednik prof.dr. Andro Alujevič. Prof.dr. Matija Fajdiga, predsednik Izdajateljskega sveta, podeljuje priznanje prof. Černigoju, članu prvega Uredniškega odbora Ob tej priložnosti sta Izdajateljski svet in Uredniški odbor Strojniškega vestnika podelila tudi priznanja svojim dolgoletnim sodelavcem, zaslužnim za tako dolgo in uspešno izhajanje. Priznanja so prejeli: - prof. Boris Černigoj, član Uredniškega odbora 1955-1981; - profdr. Jože Puhar, pomočnik urednika 1971-1985 ter glavni in odgovorni urednik 1985-1992; - zasl.prof.dr. Adolf Šostar, član Uredniškega odbora 1977-1985 ter predsednik Izdajateljskega sveta 1985-1992; - profdr. Peter Novak, glavni urednik 1992-1999; - gospa Anja Baras, lektorica in tehnična urednica 1977-1997. V zimskem vrtu Fakultete za strojništvo v Ljubljani smo pripravili tudi priložnostno razstavo, na kateri je bil predstavljen razvoj Strojniškega vestnika od prve številke do danes. Zbrali in predstavili smo vse zvezke, ki smo jih izdali v petdesetletnem obdobju. Suzana Domjan Razstava v zimskem vrtu Fakultete za strojništvo v Ljubljani 178 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 179 Strokovna literatura - Professional Literature Strokovna literatura - Professional Literature Ocene knjig - Books’ Reviews S. Steeb u. a.: Zerstorungsfreie Werkstiick- und Werkstoffpriifung Založba: Expert Verlag, EBlingen, 2005. Obseg: format 14,5 x 21 cm, 514 strani, 326 slik. 1. prva izdaja 1988 2. dopolnjena izdaja 1993 3. predelana izdaja 2005 Preizkušanje gradiv in še posebej kovin ter njihovih zlitin je zelo pomembno področje dejavnosti v elektro- in strojni industriji. Pravočasno ugotavljanje kakovosti določenega materiala oziroma izdelka pomeni zmanjševanje izmečka, višjo stopnjo kakovosti izdelka in tudi nemoteno delovanje naprave ali stroja v zajamčeni obratovalni dobi. Predloženo delo je nastalo po avtorjevem dvajsetletnem delu na pedagoškem in raziskovalnem področju neporušnih preiskav. Avtor je z enajstimi sodelavci na Tehnični akademiji v Esslingenu celotne neporušne preiskave razdelil v enajst zajetnih poglavij, in sicer: - Fizikalne osnove presevnih postopkov preizkušanja (S. Steeb). - Naprave za rentgensko preizkušanje (B. Basler). - Preizkušanje z izotopi (K. Kolb). - Preizkušanje površinskih razpok z magnetnimi metodami in uporabo magnetnega prahu (G. Gauss). - Preizkušanje feromagnetnih materialov z magnetnim poljem, ustvarjenim z ustreznimi sondami (A. Griese). - Ultrazvočno preizkušanje (V. Deutsch, M. Vogt). - Vrednotenje rezultatov preizkušanja z ultrazvokom (V. Deutsch, M. Vogt). - Magnetno induktivni preizkusi ali preizkusi z vrtinčnimi tokovi (H. Wezel). - Optični načini opazovanja površin in penetrantski načini preizkušanja (W. Stein). - Fizikalne osnove preizkušanja z vrtinčnimi tokovi in primeri normalnega preizkušanja (F. Schur, T.W. Guttinger). - Postopki vrednotenja zvočne emisije in prikaz praktičnih primerov (W. Staib). - Preizkušanje posameznih elementov in sistemov letala z neporušnimi metodami (F. Schur). - Uporaba akustične emisije pri preizkušanju materialov s posebnim ozirom na problemih lezenja, mikrorazpok, površinskih napak, napak na mejah kristalnih zrn, obrabni postopki, porušitev materialov ipd. (W. Staib). Delo je namenjeno tehnikom, inženirjem in fizikom, ki se ukvarjajo z uporabo in razvojem neporušnih metod v okviru preverjanja kakovosti izdelkov in napovedovanjem njihove obratovalne zmožnosti. Janez Grum 179 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 180 Osebne vesti - Personal Events Osebne vesti - Personal Events Doktorati, magisteriji, specializacije, diplome - Doctor’s, Master’s, Specialization’s and Diploma Degrees DOKTORATI DIPLOMIRALI SO Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani je z uspehom zagovarjal svojo doktorsko disertacijo: dne 16. februarja 2005: mag. Boris Jerman, z naslovom: “Prispevek k raziskavam dinamičnih obremenitvenih stanj stolpnih žerjavov z vrtljivo nadgradnjo”. S tem je dosegel akademsko stopnjo doktorja znanosti. MAGISTERIJI Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani je z uspehom zagovarjal svoje magistrsko delo: dne 10. februarja 2005: Danijel Zupančič, z naslovom: “Mehanske lastnosti sendvič plošč glede na masno gostoto polnila in izdelovalne parametre”. S tem je dosegel akademsko stopnjo magistra znanosti. SPECIALIZACIJE Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru je z uspehom zagovarjal svoje specialistično delo: dne 11. februarja 2005: Benjamin Gonc, z naslovom: “Vrednotenje negotovosti meritev oblik spojnih elementov za polpriklopnike”. S tem je dosegel stopnjo specialista. Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani je pridobil naziv univerzitetni diplomirani inženir strojništva: dne 23. februarja 2005: Jure DOLINAR. Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru je pridobil naziv univerzitetni diplomirani inženir strojništva: dne 24. februarja 2005: Primož VREŠNJAK. * Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani so pridobili naziv diplomirani inženir strojništva: dne 11. februarja 2005: Denis BIZJAK, Miha BRUMEN, KlemenČUDEN, Rok MALOVRH, Andrej PRIJATELJ. Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru so pridobili naziv diplomirani inženir strojništva: dne 3. februarja 2005: Franc ROSEC; dne 24. februarja 2005: Anton ILAR, Matjaž RAMŠAK, Boštjan KONEČNIK, Mihael HAJŠEK, Marjan KAMPUŠ, Matej MIHOLIČ, Mirko SRAKA, Milan TEMENT, Dušan ŽOHAR. 180 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 181-182 Navodila avtorjem - Instructions for Authors Navodila avtorjem - Instructions for Authors Članki morajo vsebovati: - naslov, povzetek, besedilo članka in podnaslove slik v slovenskem in angleškem jeziku, - dvojezične preglednice in slike (diagrami, risbe ali fotografije), - seznam literature in - podatke o avtorjih. Strojniški vestnik izhaja od leta 1992 v dveh jezikih, tj. v slovenščini in angleščini, zato je obvezen prevod v angleščino. Obe besedili morata biti strokovno in jezikovno med seboj usklajeni. Članki naj bodo kratki in naj obsegajo približno 8 strani. Izjemoma so strokovni članki, na željo avtorja, lahko tudi samo v slovenščini, vsebovati pa morajo angleški povzetek. Za članke iz tujine (v primeru, da so vsi avtorji tujci) morajo prevod v slovenščino priskrbeti avtorji. Prevajanje lahko proti plačilu organizira uredništvo. Če je članek ocenjen kot znanstveni, je lahko objavljen tudi samo v angleščini s slovenskim povzetkom, ki ga pripravi uredništvo. VSEBINA ČLANKA Članek naj bo napisan v naslednji obliki: - Naslov, ki primerno opisuje vsebino članka. - Povzetek, ki naj bo skrajšana oblika članka in naj ne presega 250 besed. Povzetek mora vsebovati osnove, jedro in cilje raziskave, uporabljeno metodologijo dela,povzetek rezulatov in osnovne sklepe. - Uvod, v katerem naj bo pregled novejšega stanja in zadostne informacije za razumevanje ter pregled rezultatov dela, predstavljenih v članku. - Teorija. - Eksperimentalni del, ki naj vsebuje podatke o postavitvi preskusa in metode, uporabljene pri pridobitvi rezultatov. - Rezultati, ki naj bodo jasno prikazani, po potrebi v obliki slik in preglednic. - Razprava, v kateri naj bodo prikazane povezave in posplošitve, uporabljene za pridobitev rezultatov. Prikazana naj bo tudi pomembnost rezultatov in primerjava s poprej objavljenimi deli. (Zaradi narave posameznih raziskav so lahko rezultati in razprava, za jasnost in preprostejše bralčevo razumevanje, združeni v eno poglavje.) - Sklepi, v katerih naj bo prikazan en ali več sklepov, ki izhajajo iz rezultatov in razprave. - Literatura, ki mora biti v besedilu oštevilčena zaporedno in označena z oglatimi oklepaji [1] ter na koncu članka zbrana v seznamu literature. Vse opombe naj bodo označene z uporabo dvignjene številke1. OBLIKA ČLANKA Besedilo članka naj bo pripravljeno v urejevalnilku Microsoft Word. Članek nam dostavite v elektronski obliki. Ne uporabljajte urejevalnika LaTeX, saj program, s katerim pripravljamo Strojniški vestnik, ne uporablja njegovega formata. Enačbe naj bodo v besedilu postavljene v ločene vrstice in na desnem robu označene s tekočo številko v okroglih oklepajih Papers submitted for publication should comprise: - Title, Abstract, Main Body of Text and Figure Captions in Slovene and English, - Bilingual Tables and Figures (graphs, drawings or photographs), - List of references and - Information about the authors. Since 1992, the Journal of Mechanical Engineering has been published bilingually, in Slovenian and English. The two texts must be compatible both in terms of technical content and language. Papers should be as short as possible and should on average comprise 8 pages. In exceptional cases, at the request of the authors, speciality papers may be written only in Slovene, but must include an English abstract. For papers from abroad (in case that none of authors is Slovene) authors should provide Slovenian translation. Translation could be organised by editorial, but the authors have to pay for it. If the paper is reviewed as scientific, it can be published only in English language with Slovenian abstract, that is prepared by the editorial board. THE FORMAT OF THE PAPER The paper should be written in the following format: - A Title, which adequately describes the content of the paper. - An Abstract, which should be viewed as a mini version of the paper and should not exceed 250 words. The Abstract should state the principal objectives and the scope of the investigation, the methodology employed, summarize the results and state the principal conclusions. - An Introduction, which should provide a review of recent literature and sufficient background information to allow the results of the paper to be understood and evaluated. - A Theory - An Experimental section, which should provide details of the experimental set-up and the methods used for obtaining the results. - A Results section, which should clearly and concisely present the data using figures and tables where appropriate. - A Discussion section, which should describe the relationships and generalisations shown by the results and discuss the significance of the results making comparisons with previously published work. (Because of the nature of some studies it may be appropriate to combine the Results and Discussion sections into a single section to improve the clarity and make it easier for the reader.) - Conclusions, which should present one or more conclusions that have been drawn from the results and subsequent discussion. - References, which must be numbered consecutively in the text using square brackets [1] and collected together in a reference list at the end of the paper. Any footnotes should be indicated by the use of a superscript1. THE LAYOUT OF THE TEXT Texts should be written in Microsoft Word format. Paper must be submitted in electronic version. Do not use a LaTeX text editor, since this is not compatible with the publishing procedure of the Journal of Mechanical Engineering. Equations should be on a separate line in the main body of the text and marked on the right-hand side of the page with numbers in round brackets. 181 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)3, 181-182 Enote in okrajšave V besedilu, preglednicah in slikah uporabljajte le standardne označbe in okrajšave SI. Simbole fizikalnih veličin v besedilu pišite poševno (kurzivno), (npr. v, T, n itn.). Simbole enot, ki sestojijo iz črk, pa pokončno (npr. ms1, K, min, mm itn.). Vse okrajšave naj bodo, ko se prvič pojavijo, napisane v celoti v slovenskem jeziku, npr. časovno spremenljiva geometrija (ČSG). Slike Slike morajo biti zaporedno oštevilčene in označene, v besedilu in podnaslovu, kot sl. 1, sl. 2 itn. Posnete naj bodo v ločljivosti, primerni za tisk, v kateremkoli od razširjenih formatov, npr. BMP, JPG, GIF. Diagrami in risbe morajo biti pripravljeni v vektorskem formatu. Pri označevanju osi v diagramih, kadar je le mogoče, uporabite označbe veličin (npr. t, v, m itn.), da ni potrebno dvojezično označevanje. V diagramih z več krivuljami, mora biti vsaka krivulja označena. Pomen oznake mora biti pojasnjen v podnapisu slike. Vse označbe na slikah morajo biti dvojezične Preglednice Preglednice morajo biti zaporedno oštevilčene in označene, v besedilu in podnaslovu, kot preglednica 1, preglednica 2 itn. V preglednicah ne uporabljajte izpisanih imen veličin, ampak samo ustrezne simbole, da se izognemo dvojezični podvojitvi imen. K fizikalnim veličinam, npr. t (pisano poševno), pripišite enote (pisano pokončno) v novo vrsto brez oklepajev. Vsi podnaslovi preglednic morajo biti dvojezični. Seznam literature Vsa literatura mora biti navedena v seznamu na koncu članka v prikazani obliki po vrsti za revije, zbornike in knjige: [1 ] Tarng, Y.S., Y.S. Wang (1994) A new adaptive controller for constant turning force. Int J Adv Manuf Technol 9(1994) London, pp. 211-216. [2] Čuš, F., J. Balič (1996) Rationale Gestaltung der organisatorischen Ablaufe im Werkzeugwesen. Proceedings of International Conference on Computer Integration Manufacturing Zakopane, 14.-17. maj 1996. [3] Oertli, PC. (1977) Praktische Wirtschaftskybernetik. Carl Hanser Verlag Minchen. Podatki o avtorjih Članku priložite tudi podatke o avtorjih: imena, nazive, popolne poštne naslove in naslove elektronske pošte. SPREJEM ČLANKOV IN AVTORSKE PRAVICE Uredništvo Strojniškega vestnika si pridržuje pravico do odločanja o sprejemu članka za objavo, strokovno oceno recenzentov in morebitnem predlogu za krajšanje ali izpopolnitev ter terminološke in jezikovne korekture. Avtor mora predložiti pisno izjavo, da je besedilo njegovo izvirno delo in ni bilo v dani obliki še nikjer objavljeno. Z objavo preidejo avtorske pravice na Strojniški vestnik. Pri morebitnih kasnejših objavah mora biti SV naveden kot vir. Units and abbreviations Only standard SI symbols and abbreviations should be used in the text, tables and figures. Symbols for physical quantities in the text should be written in italics (e.g. v, T, n, etc.). Symbols for units that consist of letters should be in plain text (e.g. ms1, K, min, mm, etc.). All abbreviations should be spelt out in full on first appearance, e.g., variable time geometry (VTG). Figures Figures must be cited in consecutive numerical order in the text and referred to in both the text and the caption as Fig. 1, Fig. 2, etc. Pictures may be saved in resolution good enough for printing in any common format, e.g. BMP, GIF, JPG. However, graphs and line drawings sholud be prepared as vector images. When labelling axes, physical quantities, e.g. t, v, m, etc. should be used whenever possible to minimise the need to label the axes in two languages. Multi-curve graphs should have individual curves marked with a symbol, the meaning of the symbol should be explained in the figure caption. All figure captions must be bilingual Tables Tables must be cited in consecutive numerical order in the text and referred to in both the text and the caption as Table 1, Table 2, etc. The use of names for quantities in tables should be avoided if possible: corresponding symbols are preferred to minimise the need to use both Slovenian and English names. In addition to the physical quantity, e.g. t (in italics), units (normal text), should be added in new line without brackets. All table captions must be bilingual. The list of references References should be collected at the end of the paper in the following styles for journals, proceedings and books, respectively: [1] Tarng, Y.S., Y.S. Wang (1994) A new adaptive controller for constant turning force. Int J Adv Manuf Technol 9(1994) London, pp. 211-216. [2] Čuš, F., J. Balič (1996) Rationale Gestaltung der organisatorischen Ablaufe im Werkzeugwesen. Proceedings of International Conference on Computer Integration Manufacturing Zakopane, 14.-17. maj 1996. [3] Oertli, PC. (1977) Praktische Wirtschaftskybernetik. Carl Hanser Verlag Minchen. Author information The information about the authors should be enclosed with the paper: names, complete postal and e-mail addresses. ACCEPTANCE OF PAPERS AND COPYRIGHT The Editorial Committee of the Journal of Mechanical Engineering reserves the right to decide whether a paper is acceptable for publication, obtain professional reviews for submitted papers, and if necessary, require changes to the content, length or language. Authors must also enclose a written statement that the paper is original unpublished work, and not under consideration for publication elsewhere. On publication, copyright for the paper shall pass to the Journal of Mechanical Engineering. The JME must be stated as a source in all later publications. 182 Navodila avtorjem - Instructions for Authors