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