Tekutinové stroje I (FSI-MS1-A)

Cíl předmětu je příprava posluchače na porozumění hydraulickému návrhu a CFD výpočtům základních částí tekutinového stroje (čerpadla, turbíny) a jejich dalších částí (spirály, rozvaděče), chování strojů při provozních změnách, vzniku kavitace, radiální a axiální síly, charakteristice tekutinového stroje.
Student porozumí základním principům hydraulického návrhu a CFD výpočtům tekutinového stroje.

Student musí ovládat základy hydromechaniky, zejména část o základních principech práce tekutinových strojů. Dalším předpokladem je základní znalost 3D modelování v CAD prostředí a základní znalost problematiky CFD výpočtů.

Předmět je zaměřen na hydraulické návrhy a CFD výpočty průtočných částí hydraulických čerpadel a turbín, tj. oběžných kol, spirál, rozvaděčů atd. Dalším obsahem předmětu je seznámení se s chováním strojů při změně provozu, s kavitačními jevy, se vznikem axiální a radiální síly a s jejich eliminací. Je zaměřen na hydraulickou koncepci tekutinového stroje na zadané parametry.

Podmínky zápočtu : účast na cvičeních a vypracování zadaného návrhu a CFD výpočtu hydraulických částí lopatkového stroje. Zkouška se skládá z písemné a ústní části.
Účast na cvičeních je povinná. Případná neúčast se nahrazuje dle domluvy s vyučujícím.

1. Úvod do předmětu. Rychloběžnost. Teorie rotujícího kanálu. Výpočet dopravní výšky oběžného kola.


2. Chování čerpadel při změně otáček. Návrh hlavních rozměrů oběžného kola – průměru a šířky. Návrh tvaru meridiánu a vstupní části oběžného kola. Geometrické korekce – stáčení oběžného kola a pod-pilování lopatek.


3. Konformní transformace a návrh střední čáry lopatky.


4. Návrh střední čáry lopatky. Inflexe. Konformní transformace pro turbínový směr.


5. Návrh spirály. Návrh výstupního difuzoru. Kavitační deprese.


6. Hydraulické síly působící na oběžné kolo – radiální síla, axiální síla. Eliminace hydraulických sil. Těsnící kruhy – objemové ztráty.


7. Vícestupňová čerpadla. Diagonální čerpadla. Axiální čerpadla.


8. CFD výpočty hydraulických strojů.


9. Úplná (4-kvadrantová) charakteristika. Čerpadlo jako turbína. Turbína jako čerpadlo. Úvod do hydraulických turbín (Francisova turbína, Kaplanova turbína, Peltonova turbína).


10. Hydraulické turbíny. Základní principy návrhu. Charakteristické křivky turbíny.


11. Hydrodynamické podobnost. Jednotkové hodnoty průtoku, otáček, momentu a výkonu. Hydraulická účinnost modelu a přepočet na prototyp.


12. Kavitace ve vodních turbínách. Vírové copy v sací troubě. Sací trouba a její funkce.


13. Rezerva – zvané přednáška z průmyslu.

1. Rozbor měrné energie odstředivého čerpadla. Vliv geometrie oběžného kola a lopatek. Vliv druhého členu Eulerovy čerpadlové rovnice (před-rotace proudu).


2. Chování čerpadel při změně otáček. Výpočet disipace. Stáčení oběžného kola a úprava lopatek


3. Návrh hydrauliky odstředivého čerpadla / turbíny – část 1. Výpočet základních rozměrů oběžného kola.


4. Návrh hydrauliky odstředivého čerpadla / turbíny – část 2. Tvorba meridiálního řezu.


5. Návrh hydrauliky odstředivého čerpadla / turbíny – část 3. Výpočet tvaru lopatek a tvorba 3D geometrie oběžného kola v rámci software Ansys BladeGen.


6. Návrh hydrauliky odstředivého čerpadla / turbíny – část 4. Tvorba výpočetní sítě oběžného kola v rámci software Ansys TurboGrid. Výpočet tvaru spirály.


7. Návrh hydrauliky odstředivého čerpadla – část 5. Tvorba výpočetní sítě spirály. Tvorba geometrie a výpočetní sítě vstupu do čerpadla.


8. Nastavení a spuštění CFD výpočtu navrhnuté hydrauliky odstředivého čerpadla v prostředí Ansys CFX.


9. Vyhodnocení výsledků CFD výpočtu odstředivého čerpadla / turbíny. Post-processing dat v rámci software CFD-Post.


10. Výpočet axiální a radiální síly působící na oběžné kolo. Empirické odhady a způsob výpočtu pomocí CFD.


11. Základní návrh lopatek axiálního čerpadla / turbíny


12. Základní návrh tvaru meridiánu Francisovy turbíny s ohledem na rychloběžnost


13. Zápočet – kontrola návrhu hydrauliky.

Nechleba M., Hydraulic Turbines - Their Design and Equipment. 1957. Artia - Prague