forma si utilitate in unele aplicatii tehnice ale mecanicii fluidelor

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV
Catedra Design de Produs ,i Robotic
Simpozionul na!ional cu participare interna!ional
PRoiectarea ASIstat de Calculator
P R A S I C ' 02
Vol. I – Mecanisme ,i Tribologie
7-8 Noiembrie Braov, România
ISBN 973-635-064-9
FORM I UTILITATE ÎN UNELE APLICAII TEHNICE ALE
MECANICII FLUIDELOR
Ilie I. RUSU*, Dnu ZAHARIEA*
*Universitatea Tehnic "Gh. Asachi" din Iai
Abstract: Having in view the role of the shape in the technical applications of the fluid mechanics, in this
paper are made some references as it regards four categories: axial fan (with usual shape of the keel or
being shaped after the stream lines obtained through the electrohydrodynamic analogy); inside boundary of
the stop valve (with modifying shape obtained through the electrohydrodynamic analogy); aerodynamic
profile with increased drag resistance for using at the wind mills with vertical shaft; coupling-hydrodynamic
break for the conversion of wind energy in thermal energy. Each one of these cases is sustained with some
experimental researches. Some conclusions with heuristic character on the shape using in the technical
applications of the fluid mechanics are obtained.
Cuvinte cheie: modificarea formei, tehnica inversiei, analogie.
1. Introducere
În cadrul demersurilor euristice i de logicizare a
cutrilor creative pentru modificarea solu!iilor
tehnice se urmresc aspectele ce se pot schimba i
modul de realizare a schimbrii. Dintre demersurile
euristice asupra formei men!ionm cele utilizate în
lucrare: transformarea formei obiectului sau a
elementelor sale; modificri în spa!iu ale
elementelor; modificarea micrii (modificarea
traiectoriei, alegerea caracteristicilor optimale;
transformrile analoge, .a. [13, 14, 16, 17, 22]).
De asemenea, se aplic tehnica inversiei care
urmrete abordarea unei probleme prin
transformarea efectelor i rezultatelor negative ale
unor legi i fenomene în aplica!ii utile sau în
general, abordarea invers a unei probleme (în cazul
unei serii de interoga!ii de tipul: care sunt elementele
contrare; ce s-ar putea inversa; cum se poate înlocui
negativul cu pozitivul; cum am proceda cu totul
altfel, .a. [13, 17, 22]).
Contradic!ia tehnic într-un sistem se refer
la situa!ia când încercrile de îmbunt!ire a unei
caracteristici sau pr!i a sistemului conduc la
înrut!irea altei caracteristici sau pr!i a sistemului
[17], solu!ia fiind calea compromisului. În tehnic
nu exist solu!ii perfecte; realizarea final reprezint
compromisuri optime ob!inute pe cale analitic i pe
cale experimental, metode utilizate complementar,
prin care se maximizeaz caracteristicile pozitive i
se minimizeaz cele negative [13].
Func!ia unui produs este în!eleas ca rspunsul
la o necesitate, este satisfacerea unei anumite cerin!e
a utilizatorului. Func!ia sau func!iile sistemului
tehnic trebuie concepute i realizate prin ingineria
valorii, cu cheltuieli minime în condi!iile de calitate,
fiabilitate i performan! cerute [5, 15, 17, 22].
Termenul „func!ional” poate fi înlocuit cu
termenul „util”, „gândirea func!ional” reflectând
legtura indisolubil dintre form i con!inut, forma
i func!ia condi!ionându-se reciproc [16, 22].

Func!ia tehnic poate fi realizat de anumite
forme geometrice i efecte geometrice. Procedeul de
realizare a func!iei într-un sistem tehnic poate fi
descris prin principiul ce st la baza construc!iei.
Utilizarea efectului geometric al planului înclinat
(fig. 1) (materializat într-o form geometric
spa!ial) poate duce la deplasarea unui organ sub
ac!iunea planului sau la deplasarea planului sub
ac!iunea invers [18].
Pornind de aici rezult pentru mainile
hidraulice cazul elicei care permite ob!inerea unor
maini cu elice motoare (fig. 1a, cu utilizarea unui
curent de fluid: turbina axial, rotorul eolian axial)
sau generatoare (fig. 1b, cu realizarea unui curent de
fluid: pompa axial, ventilatorul axial, elicea naval,
elicea avionului). Se observ reversibilitatea acestor
maini (cu modificri constructive specifice) precum
i utilizarea unor fluide de lucru diferite [18, 19].
Carena deschis s-a ob!inut prin combinarea unui
curent general de transla!ie cu un sistem de
singularit!i în axa de simetrie, alctuit dintr-o surs
punctiform pozitiv i o surs liniform negativ.
Câmpul din mediul electroconductor continuu
(electrolit CuSO 4 5H 2 O) este în form de sector de
cilindru; prin msurtori pe model cu ajutorul unei
sonde deplasate în puncte din cuva cu electrolit se
traseaz echipoten!ialele U=const., care în condi!iile
analogiei directe reprezint poten!ialul de vitez
H=const. Liniile de curent =const. se traseaz
grafic. Ca date ini!iale s-au admis debitul nominal i
dimensiunile de baz (diametrele carcasei i bucei
rotorului). Alimentarea electric a cuvei se face cu
valori calculate ale densit!ii de curent.
Din spectrul ob!inut pe modelul electric s-a
separat linia carenei (fig. 2a) dup care s-a construit
calota montat pe ventilator (fig. 2b).
a) b)
Fig. 1
Cercetrile expuse în lucrare sunt axate pe dou
direc!ii: perfec!ionarea aerohidrodinamicii
sistemului i îmbunt!irea tehnologic.
Prototipul rezultat se verific pe standuri de
prob adecvate precizând în final solu!iile optime
sau unele direc!ii promi!toare de cercetare.
Fig. 2a.
2. Modificri constructive ,i consecine
2.1. Îmbunt!irea caracteristicilor unui
ventilator axial
Realizarea unui traseu aeraulic performant
referitor la carcasa ventilatorului axial, re!eaua de
palete rotorice i statorice precum i la butucul
pr!ilor mobile i fixe va asigura transferul i
transformarea cu randament ridicat a energiei
mecanice de antrenare a rotorului. Pentru spectrul
meridian al curgerii care urmrete formele optime
ale carenei i carcasei se utilizeaz metode teoretice
sau experimentale.
Metoda analogiei electrohidrodinamice s-a
utilizat pentru ob!inerea unei carene hidrodinamice
optime la un ventilator axial naval prin modificarea
suprafe!elor i a sec!iunii transversale care asigur
parametri aeraulici optimi în micare sta!ionar [3].
Fig. 2b.
Încercarea pe stand a ventilatorului s-a fcut în
varianta carenei ob!inut prin modelare i în varianta
în construc!ia de referin!-cu linie punctat (fig. 2b).
Creterile de randament în varianta carenei profilate
prin analogia electrohidrodinamic sunt de pân la
28%, ceea ce arat eficacitatea unui carenaj corect
profilat din punct de vedere aerodinamic [3, 10].
Rmâne deschis problema gsirii unui optim
tehnologic pentru realizarea carenei, ceea ce apare
ca o contradic!ie tehnic între cele dou variante. În

acest sens se men!ioneaz solu!ia carenei ob!inut
prin simularea numeric a micrii poten!iale
generate prin suprapunerea unei transla!ii cu o surs
punctiform pozitiv plasat în origine (fig. 2c).
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.7
0.6
0.4
0.5
0.3
0.2
Corpul ventilului trebuie profilat dup linia de
curent 1 pentru a nu modifica spectrul ob!inut. S-a
asimilat por!iunea din corpul ventilului dup o form
tehnologic optimal (suprafa! sferic) i fcând
încercri hidrodinamice pe stand pentru
determinarea coeficientului de rezisten! local la
diverse grade de închidere i un numr Reynolds de
200000 se constat o scdere însemnat a rezisten!ei
locale în cazul variantei profilate hidrodinamic (pân
la 50%) [4].
0
0
-0.3
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.6
-0.1
-0.
-0.3
-0.4
-0.7
-0.6
-0.4
-0.5
-0.5
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Fig. 2c.
2.2. Ameliorarea caracteristicilor hidrodinamice
ale robinetelor cu ventil
Pentru realizarea unei închideri sigure într-un
robinet, ventilul trebuie dispus cu apsarea pe
direc!ia curentului. Pentru aceasta curentul este
abtut la 90° fa! de direc!ia principal , trece prin
scaunul ventilului dup care este readus pe direc!ia
ini!ial, ceea ce provoac mrirea rezisten!ei locale.
Aceast contradic!ie tehnic trebuie atenuat prin
cutarea unor variante ale construc!iei care asigur
satisfacerea ambelor cerin!e (închidere sigur i
pierdere local de presiune sczut).
Modelarea electroanalogic s-a fcut în
sec!iunea longitudinal central a unui robinet Pn16-
Dn65 prevzut cu un ventil cu suprafa!a de închidere
de form plan [4, 10]. Pe un montaj clasic [10] s-au
trasat liniile de curent =const. (fig. 3a).
Fig. 3a.
Liniile de curent sunt puternic perturbate în zona
ventilului, de aceea acesta s-a îndeprtat din model,
condi!iile de curgere devenind optime (fig. 3b).
Fig. 3b.
Prin modificarea formei axei longitudinale i a
sec!iunii transversale s-a ob!inut o perturbare
minim a curentului în zona ventilului de închidere.
Alegerea unor forme adecvate, care corespund
câmpului hidrodinamic ob!inut prin analogie
electrohidrodinamic este o cale posibil pentru
îmbunt!irea prin solu!ii simple a caractersticilor
acestui produs.
2.3. Profil aerodinamic pentru motoarele eoliene
cu ax vertical
Rotorul Darrieus cu pale fixe este un rotor eolian
transversal cu ax vertical cu 1, 2 sau mai multe pale,
drepte sau arcuite. Este o solu!ie de mare perspectiv
în captarea energiei eoliene fiind principalul
concurent al motoarelor eoliene cu ax orizontal cu
rotor tip elice [7, 9, 12, 21]. Sub ac!iunea vitezei V
a vântului se produce deplasarea palelor cu viteza
tangen!ial U (i viteza unghiular ) pe un cerc de
raz r (fig. 4) [19]. Viteza relativ W a aerului în
raport cu palele se determin din rela!ia V =U +W
sau W =V -U i formeaz unghiul de inciden! i
fa! de coarda tangent la cerc a profilului simetric
al palelor. Viteza relativ W produce o for!
aerodinamic R pe profilul palei i este rezultanta
portan!ei R z (perpendicular pe W ) i rezisten!ei
R x (pe direc!ia W ). Rezultanta R se poate
descompune în componenta Ru
care produce
momentul motor al rotorului i componenta R n , pe
direc!ia razei.

Fig. 4.
Viteza relativ are o pozi!ie alternant fa! de
circumferin! rezultând un unghi variabil ciclic pe
rota!ie i o for! rezultant pe profil care îi schimb
direc!ia (spre interiorul i apoi spre exteriorul
cercului). Componenta tangen!ial îi men!ine sensul
pe direc!ia rota!iei, producând un moment pozitiv
chiar la deplasarea în contra vântului. Dac viteza
rotorului nu este suficient de mare, inciden!a
profilului nu are o valoare acceptabil, for!a portant
este sczut i este necesar un sistem de demarare
întrucât cuplul este foarte mic.
Pentru un cuplu mare de regim calit!ile
aerodinamice ale profilului trebuie s fie înalte,
adic trebuie maximizat raportul dintre for!a
portant i rezisten!a la înaintare (fine!ea profilului),
de obicei prin micorarea rezisten!ei la înaintare.
Pentru creterea cuplului de demaraj s-a realizat
un profil aerodinamic (fig. 5) care urmrete
coordonatele unui profil clasic simetric, continuu la
extrados iar la intrados, pe ultima treime de coard,
cu suprafa! lips [11]. Profilul fiind gol la interior,
se asigur o cretere substan!ial a rezisten!ei de
form la ac!iunea vântului dinspre bordul de fug.
Fig. 5.
V
Construc!ia simpl i fiabil asigur un cuplu de
demaraj crescut ce pune rotorul în rota!ie fr
dispozitivele auxiliare utilizate curent (rotoare
Savonius, antrenare electric, .a.).
Când viteza unghiular a rotorului este nul,
viteza vântului va ac!iona cel pu!in asupra unei pale
dinspre bordul de fug, situa!ie în care rezisten!a de
form pentru profilul decupat este mult mai mare
fa! de profilul închis.
În cazul prezentat se manifest o contradic!ie
tehnic între necesitatea unei portan!e mari i a unei
rezisten!e la înaintare mici pe de o parte i
necesitatea unui moment de demaraj sporit,
neasigurat de forma profilului. Aceast contradic!ie
care limiteaz posibilit!ile sistemului necesit o
solu!ionare calitativ nou.
Pentru îndeprtarea contradic!iei s-a recurs la
principiul calit!ii locale (diversele pr!i ale
obiectului trebuie s îndeplineasc func!ii diverse) i
la principiul asimetriei (trecerea de la forma
simetric la cea asimetric) [16]. Modificarea
suprafe!elor profilului a dus la ob!inerea unei forme
geometrice având calit!i aerodinamice antagoniste:
o solu!ie de compromis între mrimea for!ei portante
i rezisten!a la înaintare care asigur un moment de
demaraj sporit. În varianta propus problema
autodemarajului se rezolv prin schimbarea formei.
2.4. Utilizarea termic a energiei eoliene
Ambreiajul hidrodinamic transform energia
mecanic aplicat arborelui de intrare în energie
hidraulic a unui lichid de lucru pus în micare de
paletele radiale ale unui rotor de pomp centrifug
fixat pe acest arbore; energia hidraulic se
transform într-un rotor de turbin în energie
mecanic transmis arborelui de ieire. Pierderile
hidraulice interioare (frecri, ocuri) se transform în
cldur care trebuie evacuat din sistem (cu scderea
randamentului) [1, 2]. Se pune problema dac acest
dezavantaj (pierderile hidraulice interioare) poate fi
transformat într-un avantaj.
În cadrul tehnicii inversiei se urmrete
utilizarea efectelor negative (pierderi prin ocuri i
frecri care se transform în cldur) în efecte
pozitive. Mrirea efectelor negative pân la nivelul
când înceteaz a mai fi generatoare de factori care
conduc la scderea performan!elor sistemului (adic
transformarea integral a energiei mecanice în
cldur) are loc atunci când regimul motor (sau
activ) al turboambreiajului se transform în regim de
frânare. Aceast situa!ie de func!ionare cu regim de
frânare sporit exist în cazul ambreiajelor în situa!ia
de pornire (înclzirea lichidului de lucru) sau de
frânare a unui utilaj.

Fig. 6a.
Fig. 6b.
Dac turboambreiajul are secundarul blocat
(fiind stator) energia imprimat lichidului de ctre
rotorul primar (pomp) se consum în paletele fixe
ale statorului (turbin blocat) i se transform
integral în cldur în urma învingerii rezisten!elor
hidraulice (cazul frânei hidrodinamice). Aceast
solu!ie poate servi la conversia energiei eoliene în
energie termic, un motor eolian antrenând o frân
hidrodinamic [6, 8, 9, 20].
Varia!ia puterii frânei în raport de tura!ie
urmeaz aceeai lege ca la motorul eolian de aceea
aceast agregare este indicat, puterea mecanic la
arborele frânei transformându-se în cldur
utilizabil [20].
O variant de frân hidrodinamic încercat
experimental în scopul utilizrii la o instala!ie
eolian pentru ob!inere de cldur (fig. 6a) [20] este
de construc!ie orizontal, cu admisia central i
axial 1 i evacuarea la periferia rotorului 2. Rotorul
frânei 3 este fixat pe arborele 4 antrenat prin roata de
curea 5 i constituie partea mobil. Partea fix este
format din corpul frânei 6 i din capacul frânei 7
care este blocat (statorul). Rotorul i statorul au
palete radiale. Corpul suport 8 sus!ine lagrele cu

ulmen!i 9 i corpul frânei 6. Refularea lichidului din
frân se face într-o cavitate inelar practicat în
capacul frânei. Izola!ia termic se face cu vat de
sticl i carcasele 10 i 11. Etanarea pr!ii în rota!ie
este asigurat de simmeringul 12. Rotorul pompei
este asemntor ca form cu rotorul turbinei (statorul
fix) (fig. 6b).
Cazul prezentat eviden!iaz posibilit!ile
deosebite ale tehnicii inversiei i în aplica!ii ale
mecanicii fluidelor.
3. Concluzii
Cazurile prezentate ilustreaz utilizarea unor
principii ale inventicii în domeniul mecanicii
fluidelor i aplica!iilor ei tehnice.
Tehnicile analogiei, schimbrii formelor,
inversiei .a., sunt ilustrate prin exemple în care s-au
îmbunt!it calit!ile produsului, unele solu!ii
ob!inute fiind brevetabile.
Bibliografie
1. Brglzan A., Anton I., Anton V., Preda I.,
Încercrile mainilor hidraulice i pneumatice.,
Editura Tehnic, Bucureti, 1959.
2. Brglzan A., Dobând V., Turbotransmisii
hidrodinamice., Ed. Tehnic, Bucureti, 1957.
3. Ciobanu C., Matei P., Ciocan L., Rdulescu M.,
Rusu I.I., Asupra posibilit)*ilor de îmbun)t)*ire
a caracteristicilor unui ventilator axial.
Fiabilitatea în construc!ia de maini,
Mecanoenergetica, I.P.Iai, 1975, 5-10.
4. Ciobanu C., Matei P., Ciocan L., Rdulescu M.,
Rusu I.I., Posibilit)*i de ameliorare a
caracteristicilor hidrodinamice ale robinetelor
cu ventil drept. Fiabilitatea în construc!ia de
maini, Mecanoenergetica, I.P.Iai, 1975, 166-
168.
5. Crum L.W., Ingineria valorii. Editura Tehnic,
Bucureti, 1976.
6. Efendiev T.H., Lopastnye ghidrodinamiceskie
tormoza burovyh lebedok, Nedra Moscova,
1980.
7. Gasch R., Windkraftanlagen. Grundlagen und
Entwurf, Teubner Sttutgart, 1996.
8. Gavrilenko E.A., Minin V.A., Olavnikov L.S.,
Ghidravliceskie tormoza, Maghiz Moscova,
1961.
9. Le Chapellier S., Le vent, les éoliénnes et
l’habitat, Eyrolles Paris, 1981.
10. Matei P., Analogia electric) a câmpului
hidrodinamic la turboma3ini., Tez de doctorat,
I.P.Iai, 1972.
11. Matei P., Scurtu D., Rusu I.I., Clrau D., Pal)
pentru motor eolian cu arbore vertical. Brevet
de inven!ie nr. 107455 C1, 1994.
12. Matei P., Rusu I.I., .a., Contract I.P. Iai
4727/1982-Instala*ii eoliene de 1,5 3i 3 kW.
13. Moore A.D., Inven*ie, descoperire, creativitate.
Editura Enciclopedic Român, Bucureti, 1975.
14. Odobleja Qt., Psihologie consonantist). Editura
Qtiin!ific i Enciclopedic. Bucureti, 1982.
15. Osborne A., Applied imagination. Editura Carles
Scribner’s Sons, Ney York, 1957.
16. Plhteanu B., Belous V., Croitoru C., Cltoru
V., Efectul geometric în crea*ia tehnic),
Performantica, Iai, 2000.
17. Plhteanu B., Ingineria valorii 3i performan*a în
crea*ia tehnic). Performantica, Iai, 1999.
18. Rosental W., Heuristisches Modell der Suche
inginieurtechnischen Losungen,
Maschinenbautechnick, 25, nr. 5, 1976, 202-207.
19. Rusu I.I., Plhteanu B., Zahariea D., Elemente
euristice privind reversibilitatea unor ma3ini
hidraulice transversale. Revista de inventic, 36,
2002, 21-28.
20. Rusu I.I., Zahariea D., Generator termic pentru
conversia hidrodinamic) a energiei eoliene., A
II-a Conferin! a Hidroenergeticienilor din
România „Prof. Dorin Pavel”, Vol. I, 151-158,
Editura „Politehnica”, Bucureti, 2002.
21. Rusu I.I., Hostiuc L., Zahariea D., Unele
considera*ii privind posibilitatea utiliz)rii
energiei eoliene pentru consumatori izola*i, pp.
472-475, Conferin!a Instala!ii pentru construc!ii
i economia de energie, ed. V-a cu participare
interna!ional, Iai 5-7 iulie 1995.
22. Verone P., Inventica. Editura Albatros,
Bucureti, 1983.