STUDIE NÁVRHU KALOVÉHO ČERPADLA S VÍŘIVÝM KOLEM

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE

STUDIE NÁVRHU KALOVÉHO ČERPADLA S VÍŘIVÝM KOLEM STUDY OF THE VORTEX IMPELLER PUMP DESIGN

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. MARTIN ČERVINKA

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2011

Ing. ROMAN KLAS, Ph.D.

VUT Brno 2011 FSI – Energetický Ústav

VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem

ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá problematikou návrhu kalového þerpadla s víĜivým obČžným kolem. PĜehlednČ shrnuje základní informace o hydrodynamických þerpadlech s výraznČjším zamČĜením na kalová þerpadla. Obsahuje návrh víĜivého obČžného kola, který je v práci podpoĜen CFD (Computational Fluid Dynamic) výpoþtem v software Fluent. Cílem práce je konstrukþní návrh víĜivého obČžného kola, kterým by bylo možné nahradit stávající kanálové kolo pĜi zachování provozních parametrĤ þerpadla. ABSTRACT Diploma thesis deals with problems of design a sludge pump with a vortex impeller. Clearly summarizes the basic information on hydrodynamic pumps with a significant focus on sludge pumps. It contains a design of a vortex impeller, which is supported by CFD (Computational Fluid Dynamic) calculation in software Fluent. The aim of the work is to design vortex impeller, which could replace the existing channel impeller while maintaining the operating parameters of the pump. KLÍýOVÁ SLOVA Hydrodynamické þerpadlo, kalové þerpadlo, obČžné kolo Turo, axiální síla, pevnostní výpoþet hĜídele, disipace, charakteristiky þerpadla, CFD (Computational Fluid Dynamic) KEYWORDS Hydrodynamic pump, sludge pump, Turo vortex impeller, axial force, shaft stress calculation, dissipation, characteristics of pump, CFD (Computational Fluid Dynamic)



BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ýERVINKA, M. Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 105 s. Vedoucí bakaláĜské práce Ing. Roman Klas, Ph.D..



PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem vypracoval samostatnČ s použitím odborné literatury a pramenĤ, uvedených v seznamu v této práci. Datum: 27.5.2011 …………………………………. Martin ýervinka



PODċKOVÁNÍ Touto cestou bych velmi rád podČkoval panu Ing. Romanu Klasovi, Ph.D. za poskytnutý þas a spolupráci pĜi Ĝešení dané problematiky a dále pak za cenné pĜipomínky a rady pĜi samotném vypracování diplomové práce. V neposlední ĜadČ bych chtČl podČkovat celé mé rodinČ za podporu a trpČlivost pĜi mém studiu na vysoké škole.



OBSAH 1.

ÚVOD .......................................................................................................................... - 12 -

2.

HYDRAULICKÉ STROJE ......................................................................................... - 14 -

3.

ýERPADLA ................................................................................................................ - 14 -

4.

3.1

RozdČlení þerpadel ............................................................................................... - 14 -

3.2

Hydrodynamická þerpadla .................................................................................... - 16 -

3.3

ObČžná kola HD þerpadel ..................................................................................... - 17 -

3.4

Typiþtí pĜedstavitelé HD þerpadel ........................................................................ - 18 -

3.4.1

Nízkotlaká þerpadla ....................................................................................... - 18 -

3.4.2

StĜedotlaká þerpadla ...................................................................................... - 20 -

3.4.3

Vysokotlaká þerpadla .................................................................................... - 20 -

KALOVÁ ýERPADLA............................................................................................... - 22 4.1

4.1.1

Základní rozdČlení kalových þerpadel ........................................................... - 23 -

4.1.2

ýerpané kapaliny a vliv jejich viskozity ....................................................... - 23 -

4.1.3

Vliv pevných þástic v þerpané kapalinČ ........................................................ - 24 -

4.1.4

Základní þásti kalového þerpadla .................................................................. - 25 -

4.2

Typy obČžných kol ............................................................................................... - 26 -

4.2.1

OtevĜená obČžná kola .................................................................................... - 27 -

4.2.2

Vírové kolo TURO ........................................................................................ - 27 -

4.2.3

ObČžné kolo „SuperVortex“.......................................................................... - 28 -

4.2.4

Jednokanálové obČžné kolo ........................................................................... - 29 -

4.2.5

Dvoukanálové obČžné kolo ........................................................................... - 29 -

4.2.6

Ostatní typy ................................................................................................... - 30 -

4.3

Dispoziþní varianty umístČní kalového þerpadla .................................................. - 31 -

4.3.1

Instalace v mokré jímce................................................................................. - 31 -

4.3.2

Instalace v suché jímce .................................................................................. - 32 -

4.3.3

PĜenosné provedení ....................................................................................... - 32 -

4.4

PĜíslušenství kalových þerpadel............................................................................ - 33 -

4.4.1

DoplĖkový sortiment pro kalová þerpadla .................................................... - 33 -

4.4.2

Speciální pĜíslušenství kalových þerpadel ..................................................... - 34 -

4.5 5.

Základní pojmy ..................................................................................................... - 23 -

Vývoj kalových þerpadel ...................................................................................... - 35 -

SPECIFIKACE PROBLÉMU ..................................................................................... - 36 - 9 -



5.1

Popis konstrukþního Ĝešení jednotlivých typĤ obČžných kol ............................... - 36 -

5.2

Návrh hydraulické þásti þerpadla ......................................................................... - 37 -

6.

5.2.1

Základní návrhové parametry........................................................................ - 37 -

5.2.2

Základní výpoþet ........................................................................................... - 37 -

TVORBA CFD MODELU .......................................................................................... - 41 6.1

6.1.1

Tvorba výpoþetní sítČ .................................................................................... - 41 -

6.1.2

Tvorba jednotlivých objemĤ ......................................................................... - 43 -

6.2 7.

Popis tvorby práce v softwaru Gambit ................................................................. - 41 -

Popis výpoþtu v softwaru Fluent .......................................................................... - 44 -

VÝPOýET AXIÁLNÍ SÍLY........................................................................................ - 46 7.1

Vznik axiální síly .................................................................................................. - 46 -

7.2

Vztahy pro výpoþet axiální síly ............................................................................ - 47 -

7.3

ZpĤsoby vyrovnání axiální síly ............................................................................ - 48 -

7.4

Vyhodnocení axiální síly pro naše konstrukþní pĜípady....................................... - 48 -

8.

PEVNOSTNÍ VÝPOýET HěÍDELE .......................................................................... - 50 8.1

Vstupní údaje a schéma daného hĜídele ............................................................... - 50 -

8.2

Výpoþet reakþních sil v ložiscích a zatížení kozlíku þerpadla ............................. - 50 -

8.3

Výsledné vnitĜní úþinky v hĜídeli ......................................................................... - 52 -

8.4

Pevnostní výpoþty................................................................................................. - 56 -

8.5

Návrh perového spoje, kontrola na stĜih a otlaþení .............................................. - 60 -

8.6

Výpoþet, volba a ovČĜení trvanlivosti ložisek ...................................................... - 62 -

9.

8.6.1

Volba ložiska v podpoĜe C ............................................................................ - 62 -

8.6.2

Volba ložiska v podpoĜe A ............................................................................ - 62 -

8.6.3

Kontrola trvanlivosti ložisek ......................................................................... - 63 -

CHARAKTERISTIKY ýERPADLA S JEDNOTLIVÝMI OBċŽNÝMI KOLY ...... - 64 9.1

ObČžné kolo Turo ................................................................................................. - 64 -

9.2

ObČžné kolo Turo s ostruhou................................................................................ - 66 -

9.3

Porovnání výsledkĤ u jednotlivých konstrukþních Ĝešení .................................... - 67 -

9.4

MČrné energie v jednotlivých þástech þerpadla .................................................... - 69 -

9.4.1

ýerpadlo s obČžným kolem Turo .................................................................. - 69 -

9.4.2

ýerpadlo s obČžným kolem Turo s ostruhou ................................................. - 70 -

10.

PRģTOK JEDNOTLIVÝMI OBċŽNÝMI KOLY ................................................. - 71 -

11.

DISIPACE A PRģBċH DISIPAýNÍ FUNKCE ..................................................... - 73 - 10 -



11.1

Vyhodnocení disipace pro obČžné kolo typu Turo ............................................... - 74 -

11.2

Vyhodnocení disipace pro obČžné kolo Turo s ostruhou ..................................... - 76 -

11.3

Rozdíly u jednotlivých konstrukþních Ĝešení ....................................................... - 77 -

12.

TLAKOVÁ DIFERENCE V JEDNOTLIVÝCH OBLASTECH ............................ - 79 -

12.1

Diference statických tlakĤ pro obČžné kolo Turo ................................................. - 79 -

12.2

Diference statických tlakĤ pro obČžné kolo Turo s ostruhou ............................... - 80 -

13.

VYHODNOCENÍ VÍěIVÉHO POHYBU V TċLESE ýERPADLA ..................... - 81 -

13.1

ObČžné kolo Turo ................................................................................................. - 81 -

13.2

ObČžné kolo Turo s ostruhou................................................................................ - 89 -

13.3

Vliv ostruhy na prĤbČh proudČní .......................................................................... - 95 -

14.

VYHODNOCENÍ VLIVU BOýNÍ SPÁRY............................................................ - 96 -

15.

ZÁVċR..................................................................................................................... - 99 -

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ............................................................................... - 101 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLģ A ZNAýEK ......................................................... - 103 SEZNAM PěÍLOH ........................................................................................................... - 105

- 11 -



1. ÚVOD Lidé jsou už od nepamČti závislí na vodČ a to nejenom na vodČ pitné, ale i na vodČ užitkové. Už z dob pĜed naším letopoþtem jsou dochovány zmínky o stavbách primitivních þerpacích kol, které sloužili k zavlažování obdČlávaných polí. KolobČh vody se snažil þlovČk využívat ke svému prospČchu a už od dávných dob k tomu používal jako pomocníka hydraulické stroje. Nutnost konstruovat technicky dokonalejší þerpadla plynula z probíhajícího rozvoje prĤmyslu, k rĤzným technologickým zaĜízením se musela dopravovat voda, tím pádem musela být þerpadla výkonnČjší a dokonalejší. OdstĜedivá þerpadla se, v porovnání s pístovými, objevila s pomČrnČ velkým zpoždČním, jednoduše v dĤsledku toho, že lidem k pokrytí jejich spotĜeby staþila hojnČ rozšíĜená þerpadla pístová. „S rozvojem elektrifikace však hydrodynamická (odstĜedivá) þerpadla zcela úplnČ vytlaþila používaná vodárenská pístová þerpadla.“ [1] Další výrazný rozvoj þerpací techniky byl zaznamenán v dĤsledku vyšších požadavkĤ kladených na þerpadla používaná v tepelných a následnČ i jaderných elektrárnách. Obr. 1 znázorĖuje nárĤst parametrĤ napájecích þerpadel.

Obr. 1 – Vývoj parametrĤ napájecích þerpadel n. p. Sigma Lutín [1]

DĤležitost þerpadel je velice zĜejmá napĜíklad z využití v energetickém odvČtví, kde je až okolo 10% vyrobené energie spotĜebováno na provoz þerpacích systémĤ. NeménČ dĤležité je pak užití v ĜadČ dalších odvČtví, jako jsou napĜ. tČžký prĤmysl, stavební prĤmysl, potravináĜský a chemický prĤmysl, v zemČdČlství k zavlažování atd. S dalším využitím þerpací techniky se mĤžeme setkat pĜi dopravČ hydrosmČsí, kde se pĜi správném návrhu stává hospodárnou i ekologickou variantou jak dané látky pĜepravovat. DĤležitost þerpadel v našem každodenním životČ si mnozí lidé vĤbec neuvČdomují, pĜiþemž bez nich bychom byli ochuzeni o pro nás již tak samozĜejmé vČci jako je zásobování pitnou vodou þi provoz kanalizaþních systémĤ. S rostoucí spotĜebou elektrické energie a ruku v ruce s její rostoucí cenou je v dnešní dobČ nutné konstruovat þerpadla tak, aby pĜi co nejmenší spotĜebČ energií dosahovala bezpeþného, výkonného a hospodárného chodu. V souþastné dobČ již vychází návrhy þerpadel z delší dobu známých a ovČĜených vztahĤ a zákonitostí. Za pomocí CFD (Computational Fluid Dynamics) metod, které jsou pro nás velmi užiteþným pomocníkem pĜi modelování proudČní, jsme schopni pĜi návrhu odhalit a následné eliminovat chyby, které bychom bez tČchto metod objevili až pozdČji, napĜíklad u modelových zkoušek þi hĤĜe až ve výrobČ. - 12 -



Tato práce popisuje základní typy hydrodynamických þerpadel, jejich principy a rozdČlení s výraznČjším zamČĜením na problematiku kalových þerpadel. Dále obsahuje konstrukþní návrh víĜivého obČžného kola nesoucího obchodní oznaþení TURO, které by mČlo být vsazeno do již existující spirální skĜínČ kalového þerpadla a následnou modifikaci tohoto kola na typ „SuperVortex“. Práce má za úkol posoudit vhodnost použití tČchto obČžných kol ve stávajícím þerpadle a ovČĜit zda budou zachovány pĤvodní provozní parametry þerpadla. Návrh tČchto obČžných kol je v práci doplnČn o výpoþtové modelování daného problému za použití software Fluent a dále pak o výkresy jednotlivých dílcĤ.

- 13 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla erpadla s víĜivým kolem

2. HYDRAULICKÉ YDRAULICKÉ STROJE Hydraulické stroje rozdČlujeme Člujeme dle zpĤsobu práce na tyto základní typy:[1] typy - ýerpadla - stroje sloužící k zvyšování tlaku kapaliny a její dopravČ, dopravČ princip spoþívá v pĜemČnČ mechanické energie Em na energii hydraulickou Eh, pĜemČna probíhá rotaþní þii posuvovou formou. Bývají též nazývány jako hydrogenerátory. - Motory – do této skupiny lze zaĜadit turbíny a hydromotory, které naopak využívají energii hydraulickou Eh - Reverzibilní stroje – jedná se o zaĜízení, za které mohou mČnit energii v obou smČrech (napĜ. þerpadlové erpadlové turbíny, turbíny hydro-motorgenerátory) - Hydraulické mechanismy IV

Obr. 2 Schematické znaþky ky jednotlivých hydraulických strojĤ stroj [6] (I – þerpadla; II – Motory; III – Reverzibilní stroje; IV – Hydraulické mechanismy)

3. ýERPADLA ýerpadlo erpadlo je mechanický stroj stroj, který slouží k dopravČ kapalin,, dodává kapalinČ kinetickou, tlakovou þii potenciální energii. Kapaliny dopravované þerpadly erpadly mohou být rĤzných druhĤ, jedná se napĜíklad napĜ o vodu, rĤzné zné oleje, emulze, hydrosmČsi, hydrosm ropu atd. V dnešní dobČ jsou þerpadla erpadla velice hojnČ hojn využívána v rĤzných zných odvČtvích odv prĤmyslu, zemČdČlství, domácnostech þi na mnoha jiných místech.

3.1 RozdČlení þerpadel erpadel V souþastné dobČ je v rĤzných rĤ oborech používána velká škála þerpadel erpadel od rĤzných výrobcĤ. ýerpadla erpadla je možno rozdČlit rozd podle množství hledisek do tČchto chto základních skupin: skupin [4] 1. Dle pohonu þerpadla: a) Se strojním pohonem – k pohonu se používají motory s rĤznými znými výkony. b) S jiným pohonem – vyskytují se napĜíklad nap þerpadla na lidský þi v dĜívČjších dobách používaný zvíĜecí ecí pohon pohon. 2. Dle polohy hnacího hĜídele Ĝídele: a) Horizontální b) Vertikální c) Šikmé 3. Dle druhu þerpané erpané kapaliny kapaliny: a) ýerpadla na þistou istou vodu b) ýerpadla erpadla na odpadní vodu c) ýerpadla erpadla pro chemický prĤmysl pr apod.

- 14 -



4. Dle poþtu obČžných kol a) JednostupĖová – k dopravČ kapaliny je použito pouze jednoho stupnČ (jedno obČžné kolo). b) VícestupĖová - vícestupĖová þerpadla jsou speciální typy hydrodynamických þerpadel, které jsou tvoĜeny pomocí více obČžných kol, které jsou Ĝazeny paralelnČ þi do série za sebe a tvoĜí tak jednotlivé stupnČ þerpadla. 5. Dle principu dopravy kapaliny: a) Hydrostatická þerpadla – „jedná se o objemová þerpadla, které pracují na principu pĜemČny mechanické energie Em na hydraulickou energii Eh pĜímo na pracovním prvku stroje, napĜ. pístu, bez zprostĜedkujícího mezistupnČ kinetické energie kapaliny. Tlaková energie kapaliny a mechanická práce se tedy vzájemnČ pĜemČĖují pĜímo. Tlak kapaliny p je hydrostatický, funkþnČ nezávislý na kinematických hodnotách proudového pole kapaliny (rychlostech a poloze).“ [1] Z kategorie hydrostatických þerpadel, které se používají v technické praxi, bych zmínil napĜ.: zubové, lamelové, šroubové, pístové þi jiné speciální þerpadla. b) Hydrodynamická þerpadla – jedná se o lopatková þerpadla, u nichž „pĜemČna mechanické energie Em na hydraulickou Eh (nebo opaþnČ) probíhá nepĜímo, zprostĜedkovanČ pĜes zmČnu kinetické energie kapaliny. Tlaková energie kapaliny a mechanická práce se tedy vzájemnČ transformují prostĜednictvím kinetické energie kapaliny. Tlak kapaliny p je hydrodynamický a je funkþnČ závislý na kinematických hodnotách proudového pole kapaliny (rychlostech a poloze).“ [2] Další dČlení þerpadel pĜehlednČ zobrazuje obr. 3.

- 15 -



!

& ) (*

"

&' ) (*

#$

!

%

!$+

,

!$ !

&$' (

%

, $ # *

Obr. 3 – Základní rozdČlení þerpadel erpadel

3.2 Hydrodynamická rodynamická þerpadla þ V následující kapitole bude uveden detailnČji detailn ji princip hydrodynamických þerpadel a dále pĜehled nČkterých kterých nejpoužívanČ nejpoužívanČjších a nejznámČjších þerpadel z této skupiny. Hydrodynamická þerpadla, jakožto nejpoužívanČjší þerpadla, se skládají z nČkolika základních þástí, ástí, jedná se o: ob obČžné kolo, rozvádČcí kolo, hĜídel, ídel, spirální sk skĜíĖ. „Pracovním prvkem hydrodynamických þerpadel erpadel je radiální, diagonální nebo axiální kanál. Podle toho se rozlišují též základní typy þerpadel, jejich jejichž konstrukþní ní tvary jsou velmi odlišné.“ [1] Princip práce þerpadla spoþívá v prĤchodu kapaliny pĜes p es sací potrubí do prostoru ob obČžného kola, obČžné kolo otáþením ením vyvozuje odstĜedivou odst sílu a kapalinČ je udČlena lena rychlostní energie a následnČ se zaþne pohybovat pohybov v radiálním smČru. NáslednČ se tato energie v prostoru rozvádČcího kola þii spirální skĜ skĜínČ pĜemČní na energii tlakovou. Rychlost kapaliny se snižuje a vzrĤstá stá tlak a kapalina odchází výtla výtlaþným potrubím na místo urþení. NejúþelnČji ji se jeví klasifikovat hydrodynamická þerpadla dle mČrných Črných otá otáþek. „MČrné otáþky nq jsou základem pro výpoþty výpo hydrodynamických þerpadel erpadel a také pro jejich porovnávání.“ [3] RozdČlení lení základních typĤ typ hydrodynamických þerpadel erpadel dle m mČrných otáþek pro newtonské kapaliny zobrazuje tab. 1. Z téže tabulky jsou patrné závislosti jednotlivých prvkĤ, z daných hodnot lze vyvodit, že s rostoucím pomČrem D2/D1 klesají mČrné m otáþky nq. „Dále vidíme prĤbČhy hy základních charakteristik Y = f(Q) a P = f(Q), jsou vyneseny v hodnotách vztažených k optimálnímu provoznímu bodu (index 0) a jsou tedy nezávislé n na otáþkách n.“ [1]

- 16 -



Tab. 1 – RozdČlení hydrodynamických þerpadel dle mČrných otáþek nq [1]

3.3 ObČžná kola HD þerpadel „ObČžné kolo je nejdĤležitČjší þástí þerpadla, neboĢ ovlivĖuje jak sací, tak výtlaþnou výšku, dopravované množství kapaliny a hlavnČ úþinnost þerpadla. Z tČchto dĤvodĤ se kladou na obČžná kola þerpadel velké požadavky nejen z hlediska výpoþtu a vlastní konstrukce, ale také z hlediska výroby, jejich kontroly a správné montáže.“ [4] Vyrábí se v rĤzných provedeních, mohou být uzavĜená þi otevĜená (bez krycích diskĤ), jednolitá þi dČlená, s pevnými þi natáþecími lopatkami. U hydrodynamických þerpadel se vyskytují rĤzné konstrukce a tvary obČžných kol. NČkteré nejpoužívanČjší typy obČžných kol pro þerpání newtonovských kapalin jsou vyobrazeny v tab. 2. „Plochy obČžných lopatek jsou energeticky aktivní þástí prĤtokového kanálu þerpadla. Zatížení, kterým je možno namáhat lopatky, je limitováno zejména pĜípustnými hydrodynamickými ztrátami a dále pak v okolí vstupní þásti nebezpeþím vzniku kavitace. NejpodstatnČjší je rozdČlit celkovou plochu mezi vhodný poþet lopatek. U radiálních kol je to obyþejnČ 7 lopatek.“ [1] Z dĤvodĤ menších dosahovaných mČrných energií a vČtších hltností se vyrábí axiální a diagonální obČžná kola oproti radiálním s menší plochou lopatek. Provedení axiálních a diagonálních obČžných kol mĤže být buć s pevnými, nebo natáþecími lopatkami, tČch bývá oproti pevným zpravidla více, ale bývají kratší.

- 17 -



Tab. 2 – Základní typy obČžných kol pro þerpání newtonských kapalin [1]

3.4 Typiþtí pĜedstavitelé HD þerpadel Pro uvedení nČkolika základních druhĤ odstĜedivých hydrodynamických þerpadel mĤžeme použít rozdČlení dle velikosti vyvozené mČrné energie a lze je tedy dČlit na: nízkotlaká, stĜedotlaká a vysokotlaká þerpadla. 3.4.1 Nízkotlaká þerpadla Do této skupiny patĜí þerpadla jednostupĖová s vyvozovanou mČrnou energií pĜevážnČ do hodnot Y < 200 J. kg-1. PatĜí sem celá Ĝada þerpadel, v rámci této práce bude uvedeno jen nČkolik základních typĤ. Axiální þerpadla Axiální þerpadla jsou pravdČpodobnČ nejvČtším zástupcem kategorie nízkotlakých þerpadel. Využívají se pro mČrné energie cca Y < 100 J. kg-1. „NejvČtší využití mají tyto þerpadla v þistírnách odpadních vod, pĜi nízkotlakém zavlažování v zemČdČlství a jako þerpadla chladící vody v tepelných elektrárnách. Vyžaduje-li se rychlá revize popĜ. oprava, provádČjí se axiální popĜ. diagonální þerpadla s vyjímatelným rotorem.“ [2] Typické þerpadlo tohoto typu je znázornČno na obr. 4. - 18 -



Obr. 4 – Vertikální axiální þerpadlo s vyjímatelným rotorem (1 – tČleso þerpadla; 2 – sací zvon; 3 – výstupní koleno; 4 – vložka; 5 – náboj rozvadČþe; 6 – rozvadČþ; 7 – víko; 8 – pouzdro; 9 – obČžná lopatka; 10 – náboj obČžného kola) [2]

Diagonální þerpadla Z konstrukþního hlediska jsou diagonální þerpadla velmi podobná axiálním, liší se zejména vyššími dosahovanými mČrnými energiemi. Vyrábí se ve tĜech základních provedeních: - Neregulaþní diagonální þerpadla – „nejþastČji ve vertikálním provedení s vyjímatelným rotorem, usazeny v mokré jímce nebo ve velkých provedení mají betonové sací koleno i spirálu“ [5] viz obr. 5. - Diagonální þerpadla s regulací pĜedrozvadČþem – pĜedrozvadeþ je samostatné tČleso, které bývá vloženo mezi prostor obČžného kola a sací hrdlo. Schéma takového þerpadla je znázornČno na obr. 6. - Diagonální þerpadla s natáþením obČžných lopatek – používá se nejþastČji u chladících okruhĤ tepelných þi jaderných elektráren. Výhodou je dobrá regulaþní schopnost. ýerpadlo je schopno dodávat promČnný prĤtok a vykrývat tak þasté kolísání výkonu nebo teploty chladící vody v elektrárnách.

Obr. 5 Neregulaþní diagonální þerpadlo [5]

- 19 -



Obr. 6 Diagonální þerpadlo s regulací pĜedrozvadČþem [5]

OdstĜedivá þerpadla „Jedná se o þerpadla, která jsou se v bČžném provedení normalizována v logaritmicky odstupĖovaných Ĝadách. Normalizace dílĤ tČchto þerpadel je výhodná jak pro výrobce (sériová výroba), tak pro provozovatele (nízký poþet náhradních dílĤ).“ [5] Výhodná je stavebnicovČ Ĝešená konstrukce, díky níž se dá docílit zámČnou nČkterých prvkĤ zmČny parametrĤ jednotlivých þerpadel. ObČhová þerpadla Hlavní oblastí použití obČhových þerpadel jsou energetický prĤmysl, chemický prĤmysl, dále se pak využívají témČĜ ve všech systémech teplovodního vytápČní, kde zajišĢují cirkulaci vody. Kalová þerpadla Jedná se o þerpadla urþená k þerpání vody s vysokým obsahem neþistot a abrazivních þástic, se kterými nejsou bČžné typy þerpadel schopny pracovat. DetailnČji bude problematika kalových þerpadel popsána v následující kapitole. 3.4.2 StĜedotlaká þerpadla Jedná se o þerpadla dosahujících vyšších mČrných energií. V praxi se pohybujeme v rozmezí Y=200 ÷ 3000 J. kg-1. Tato þerpadla bývají nejþastČji konstruována v þlánkovém nČkolikastupĖovém provedení, což umožĖuje skládat více stupĖĤ za sebe. Taková konstrukce je výhodná zejména v tom, že pĜidáním dalšího stupnČ þerpadla dosáhneme vyšších mČrných energií a tedy i vyšší dopravní výšky. UplatĖují se v rĤzných oborech, za zmínku stojí vodárenství þi petrochemie (pĜeprava ropy). 3.4.3 Vysokotlaká þerpadla Vysokotlaké þerpadlo se nijak zvlášĢ konstrukþnČ neliší od þerpadel stĜedotlakých, pouze je zaĜazeno vČtší množství obČžných kol. Tímto je dosaženo nejvČtších mČrných energií Y > 3000 J. kg-1. Použití vysokotlakých þerpadel lze spatĜit v ĜadČ aplikací, jako jsou napĜ. napájecí þerpadla, þerpadla využívaná v potrubním vedení, vysokotlaké vodní systémy atd.

- 20 -



Napájecí þerpadla Vysokotlaká napájecí þerpadla jsou jedním z typických pĜedstavitelĤ vícestupĖových þerpadel. Používají se na dopravu horké vody do parogenerátorĤ. „Jejich vývoj byl podmínČn zpĤsobem provozu a velikostí instalovaného výkonu v turbosoustrojí parních generátorĤ, obvykle mají napájecí þerpadla pĜíkon zhruba 4% výkonu jim pĜíslušného elektrárenského bloku.“ [2] Vývojové práce na vysokotlakých napájecích þerpadlech v posledních letech zpĤsobili vznik nových Ĝad þerpadel. Typického pĜedstavitele napájecího þerpadla zobrazuje obr. 7.

Obr. 7 Vysokotlaké radiální 5 – ti stupĖové napájecí þerpadlo [19]

- 21 -



4. KALOVÁ ýERPADLA Kalová þerpadla, jak již bylo výše uvedeno, jsou typy hydrodynamických þerpadel. Tyto þerpadla nachází využití na mnoha místech, nejþastČji ale slouží þerpání zneþistČné vody s abrazivními pĜímČsemi (dešĢová, odpadní þi surová voda), popĜ. tekutých hnojiv (kejda). Tyto þerpadla jsou nČkdy svou stavbou, tvary a materiály obČžných kol lišit od ostatních hydrodynamických þerpadel. Tato odlišnost plyne zejména z faktu, že þerpadla jsou nucena velmi þasto pracovat v extrémnČjších podmínkách než bČžná hydrodynamická þerpadla (ponoĜená v þerpané kapalinČ). Nutnost jiných tvarĤ obČžných kol tČchto þerpadel plyne zejména z interakce mezi pevnými þásticemi obsaženými v kapalinČ a vnitĜními prostorami þerpadla (zejména spirální skĜíĖ a obČžné kolo). „Pevnou fází v kapalinČ mĤže být substrát tvoĜený zrny rĤzného tvaru a velikosti, hustoty a koncentrace.“ [6] PĜi prĤchodu tČchto þástic vnitĜními prostory þerpadla by mohlo vlivem velké velikosti þástic dojít k ucpání þerpadla. Z tČchto dĤvodĤ jsou kladeny na konstrukci tČchto þerpadel vysoké požadavky a to zejména na odolnost materiálĤ vĤþi opotĜebení a dostateþnou prĤchodnost kanálĤ obČžných kol þerpadel. Využití tyto þerpadla nachází nejþastČji v þistiþkách odpadních vod, ve stavebním prĤmyslu k vyþerpávání zatopených stavebních jímek, v kanalizaþních systémech þi v zemČdČlství. V kanalizaþních systémech bývají þerpadla umístČna v tzv. podávacích þerpacích stanicích. „Ty je nutné budovat všude tam, kde není možné gravitaþním zpĤsobem odvádČt odpadní vody kanalizaþním potrubím. Je to napĜíklad v pĜípadČ, kdy odkanalizujeme rovinaté území a odvádíme odpadní vodu z míst pod úrovní terénu, pĜiþemž je kanalizaþní potrubí umístČno výše, než je odkanalizovaný prostor.“ [3] Funkci, rozložení a využití þerpacích stanic a systému kanalizace mĤžeme vidČt na obr. 8. Dosahovaná dopravní výška a prĤtok bČžnČ používaných kalových þerpadel se odvíjí od Ĝady konstrukþních prvkĤ (použité obČžné kolo, pĜíkon motoru atd.) a spektrum vyrábČných þerpadel je dnes už pomČrnČ velké, proto nelze pĜesnČ vymezit rozsah tČchto parametrĤ. ObecnČ se ale dopravní výška pohybuje ĜádovČ v desítkách metrĤ. V následujících kapitolách budou uvedeny nČkteré základní pojmy potĜebné k pochopení dané problematiky, typy používaných obČžných kol, pĜíslušenství tČchto þerpadel, typy uložení kalových þerpadel v þerpacích stanicích. ZávČr této kapitoly se vČnuje vývoji daného segmentu þerpadel.

- 22 -


(- .


. //

/ ' " (* Obr. 8 Funkce þerpacích stanic [7]

4.1 Základní pojmy 4.1.1 Základní rozdČlení kalových þerpadel Kalová þerpadla lze rozdČlit z nČkolika základních hledisek: 1) Dle umístČní þerpadla: a) Ponorné – jsou na nČ kladeny vČtší požadavky a to jak z hlediska materiálĤ, tak z hlediska konstrukce. Pracují ponoĜené v þerpané kapalinČ, proto je vyžadována dokonalá tČsnost. Jsou chlazeny okolní kapalinou. b) Povrchové – pracují umístČny v þerpací komoĜe. Používají se v pĜípadech, když hladina vody není níže než sací schopnost þerpadla. Bývají chlazeny protékající kapalinou z výtlaku þerpadla. 2) Dle použitého motoru a) S elektromotorem – jednofázová (230V), tĜífázová (400V) b) S jiným motorem – využití zejména u mobilních typĤ þerpadel, mĤže být použit benzinový þi dieselový agregát, hydromotor apod. Kalová þerpadla mohou být dále rozdČlena dle Ĝady dalších hledisek: typu obČžného kola, pĜíkonu, mobility, prĤchodnosti atd. 4.1.2 ýerpané kapaliny a vliv jejich viskozity Není pochyb o tom, že nejvíce þerpanou kapalinou je voda, je nutné ovšem dodat, že se þím dál þastČji používají odstĜedivá þerpadla k þerpání rĤzných, mnohdy i nenewtonovských kapalin. Viskozitu þi jinak Ĝeþeno vazkost, mĤžeme chápat jako míru hustoty kapaliny. S rostoucí viskozitou roste i hustota kapaliny. Viskozita pomČrnČ výraznČ ovlivĖuje pĜi þerpání kapalin parametry používaných odstĜedivých þerpadel. Viskozita se dČlí na dva základní druhy. Rozlišujeme viskozitu kinematickou Ȟ [m2.s-1] a viskozitu dynamickou ȝ [N.s.m-2], pĜiþemž se mezi nimi dá pĜepoþítávat dle vztahu: - 23 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem (4.1)

kde ȡ [kg.m-3] je hustota kapaliny Je nutné tedy rozlišovat dva základní druhy þerpaných kapalin a to: 1) Kapaliny Newtonovské – „Vychází z Newtonova fyzikálního modelu vzniku smykového napČtí. Dynamická viskozita je u tČchto kapalin nezávislá na gradientu dȞ/dy a je tedy konstantní.“ [6] Rychlost deformace je pĜímo úmČrná napČtí. MĤžeme sem zaĜadit vodu, oleje, kapalné uhlovodíky þi kyseliny. 2) Kapaliny Nenewtonovské – neplatí pro nČ NewtonĤv zákon viskozity, rychlost deformace není pĜímo úmČrná napČtí. Jsou charakterizovány celou Ĝadou vlastností odlišnými od vody. „Základní typy nenewtonovských kapalin uvádí reogramy (závislosti mezi teþným napČtím Ĳ a dynamickou viskozitou ȝ).“[6] MĤžeme sem zaĜadit rĤzné zrnité a kašovité látky, bahno, odpadní kaly, olejové roztoky a mnoho dalších. Tyto kapaliny jsou uvedeny na obr. 9. Obr. 9 Reogramy viskózních kapalin [6] Kapaliny tekuté od poþátku Kapaliny tekuté od smykového napČtí ȉf – mez tekutosti N – kapaliny Newtonské B – Binghamovy kapaliny (ideálnČ plastické) D – dilatantní kapaliny S – kapaliny strukturnČ viskózní

Viskozita tedy ve výsledku negativnČ ovlivĖuje parametry odstĜedivých þerpadel a zvyšuje hydraulický odpor kapaliny. Toto se projeví zmenšením výkonových parametrĤ þerpadla (prĤtok Q, úþinnost Ș, dopravní výška H) a zvýšením pĜíkonu þerpadla P. 4.1.3 Vliv pevných þástic v þerpané kapalinČ Pevné þi vláknité þástice obsažené mají velký význam na proces dopravy dané suspenze, pĜi jejich interakci s vnitĜními prostory þerpadla mĤže docházet nejen k opotĜebení þerpadla, ale hlavnČ k ucpání jeho pracovního prostoru. Toto vede k þasovČ i finanþnČ nároþným opravám. Doprava suspenze obsahující pevné þástice je tudíž ve výsledku vždy obtížnČjší než doprava þisté vody. - 24 -



„Pevné látky (s vČtší hustotou než voda) se dopravují v hydrosmČsi tím snáze, þím menší je jejich pádová rychlost a þím je vČtší rychlost proudČní suspenze. Pádová rychlost jednotlivé þástice (idealizovaného kulového tvaru) v neomezeném prostoru vyplývá se silové rovnováhy sil tíhových, vztlakových a odporových. A dá se vypoþítat dle vztahu:“ [6]

(4.2)

kde: w – pádová rychlost þástice g – gravitaþní zrychlení d – prĤmČr kulové þástice cxo – souþinitel hydraulického odporu kulové þástice ve volném prostoru (je funkcí Rew = w.d/Ȟv) Ȟv- kinematická viskozita kapaliny ȡs – hustota pevné fáze ȡv – hustota kapaliny NáslednČ se musí zahrnout vliv nepravidelného tvaru þástice, protože málo kdy se tvar þástic blíží námi uvažovanému tvaru koule a další faktory. Vlastní volba þerpadla a pĜepoþet jeho charakteristik z vody na hydrosmČs nemusí být ve výsledku úplnČ pĜesný a to zejména z dĤvodu zahrnutí Ĝady zjednodušení v pĜedchozích výpoþtech. 4.1.4 Základní þásti kalového þerpadla Pro detailnČjší pochopení je uvedena základní konstrukce s hlavními þástmi kalového þerpadla a jejich základním popisem a používanými materiály. Typický pĜíklad ponorného kalového þerpadla se všemi jeho þástmi je zobrazen na obr. 10. Popis nejdĤležitČjších þástí: Stojan - pevná þást sloužící k zajištČní polohy þerpadla v jímce. Výška stojanu vČtšinou udává to, do jaké míry je možné vyþerpat kapalinu z daného prostoru. Materiálem bývá nejþastČji šedá litina. Speciální þerpadla na dokonalé vyþerpávání kapalin se vyrábí se stojany o výšce ĜádovČ nČkolika milimetrĤ. ObČžné kolo - hlavní þást þerpadla je pevnČ spojená s hĜídelí, pĜes kterou probíhá pĜenos krouticího momentu a dochází k otáþení kola. Typ použitého materiálu plyne z hlediska prostĜedí, ve kterém bude þerpadlo pracovat. Obvykle bývá použita šedá litina (vČtší rozmČry) þi levnČjší alternativy (menší rozmČry). HĜídel – jako materiál hĜídele, se používá témČĜ výhradnČ korozivzdorná ocel, u složitČjších aplikací (þerpadla pracující v agresivních prostĜedích) se používá chromová ocel. Mechanická ucpávka - „je vyrobena s tČsnícími plochami ze slinutých karbidĤ, které zajišĢují vysokou odolnost proti otČru a velkou úþinnost tČsnČní.“ [8] ZabraĖuje proniknutí maziva do prostor spirální skĜínČ, kde proudí kapalina a naopak. Další utČsnČní je provedeno v prostoru pĜívodního kabelu a je tvoĜeno polyamidovou prĤchodkou. Elektromotor – „bývá vyroben za velmi pĜísných postupĤ výroby, což zajišĢuje vysokou životnost a výborné izolaþní vlastnosti. Vinutí statoru bývá impregnováno lazurovací pryskyĜicí a vytvrzuje se v pecích.“ [8] Výkony elektromotorĤ se liší dle velikosti þerpadla a dodávaných parametrĤ. PlášĢ elektromotoru – kalová þerpadla bývají nejþastČji vyrábČna v hermetickém provedení, což zajišĢuje dokonalou tČsnost a nepropustnost. Tento požadavek plyne z toho, že þerpadlo je nuceno ve vČtšinČ pĜípadĤ pracovat ponoĜené a pĜípadný kontakt kapaliny s elektromotorem by zpĤsobil jeho zniþení. Použitý materiál se odvíjí zejména od pracovního - 25 -



prostĜedí þerpadla. NejlevnČjší varianty se vyrábČjí v plastovém provedení (teflon, noryl, polypropylen), nejrozšíĜenČjším materiálem je litina a dále mĤže být použita vČtšinou z dĤvodu práce v agresivním prostĜedí korozivzdorná ocel þi nerez. V horní þásti þerpadla se nachází rukojeĢ spolu se závČsným okem, které slouží k usnadnČní vyjmutí þerpadla z pracovního prostoru.

! "

) & %"

(&

!"

#$% ! #$& $

#$%

&

' $&

Obr. 10 ěez kalovým þerpadlem s popisem jeho hlavních þástí

4.2 Typy obČžných kol U kalových þerpadel se tvary obČžných kol liší, zejména z požadavku velké prĤchodnosti a odolnosti proti opotĜebení abrazivními þásticemi obsaženými v kapalinČ. Uvedeme si zde jednotlivé tvary a základní popis obČžných kol používaných pro þerpání nenewtonovských kapalin. Nutno dodat, že v dnešní dobČ si velká þást výrobcĤ, zabývající se touto problematikou, sama navrhuje a vyrábí rĤzné typy a geometrie obČžných kol vhodných pro - 26 -



rĤzné využití. Bylo by tedy obtížné uvést všechny typy vyskytující se v souþastné dobČ na trhu. 4.2.1 OtevĜená obČžná kola Kalová þerpadla, s tČmito typy obČžných kol, pracují na stejném principu jako klasická odstĜedivá þerpadla. RĤzné druhy tČchto obČžných kol, lišících se zejména geometrií a materiálem, se používají k rozliþným aplikacím. Bývá to zejména k þerpání kalĤ, þerpání vody z výkopĤ a stavebních jímek, odþerpávání vody z velkých prĤmyslových provozĤ, žump, septikĤ atd. Na þerpání agresivních kalĤ a odpadní vody se používají pĜedevším obČžná kola vyrobená s nerezových materiálĤ, která jsou tomuto prostĜedí schopna odolávat. NČkteré geometrie a typy otevĜených obČžných kol jsou zobrazena na obr. 11. 312

012

412

Obr. 11 Typy otevĜených obČžných kol od firmy K+H þerpací technika s. r. o [9] 1.) Typ AS - pro þerpání vody s pískem 2.) Typ SS - celonerezové obČžné kolo pro agresivní odpadní vody 3.) Typ BF - pro þerpání kalĤ

4.2.2 Vírové kolo TURO [10] Toto obČžné kolo unikátního principu s obchodním oznaþením TURO, je chránČno patentem švýcarské firmy Egger, která se zabývá þerpací technikou. Princip práce þerpadla s touto konstrukcí obČžného kola je velmi výhodný v mnoha smČrech. Spoþívá v postraním umístČní obČžného kola ve spirální skĜíni, v dĤsledku tohoto umístČní se nachází i mimo prostor hlavního proudČní þerpané kapaliny. Dílþí prĤtok, který protéká pĜes obČžné kolo, se na výstupu z obČžného kola stĜetává s hlavním prĤtokem procházejícím spirální skĜíní a v dĤsledku jejich interakce dochází k víĜivému pohybu þerpané kapaliny. Takto vzniklý vír se šíĜí celým prostorem spirální skĜínČ. Tento princip je zobrazen na obr. 12.

Obr. 12 Princip práce vírového obČžného kola [10]

Obr. 13 ýerpadlo s vírovým obČžným kolem od firmy Egger [11]

- 27 -



ne Uvádí Z hlediska použití se hodí k þerpání kapalin s velkým obsahem pevných neþistot. se, že díky víĜivému ivému pohybu a výhodnému umístČní umíst obČžného žného kola, pĜ pĜijde do kontaktu obČžným žným kolem pouze 15% þerpané þ é kapaliny. Nehrozí tedy tak velké nebezpeþí nebezpe opotĜebení obČžného žného kola a ucpání vnitĜních vnitĜ prostor. Dále se využívá k þerpání erpání kapalin s vysokým obsahem plynĤ a vzduchu a vysoce viskózních kapalin. „„ýerpadla erpadla mají stabilní charakteristiku a z toho vyplývá možnost možnost použití paralelního chodu. NepĤsobí Nep zde témČĜ žádná radiální síla.“ [10] Další výhodou je nespornČ pomČrnČ jednoduchá konstrukce obČžného žného kola, toto kolo je vyrábČno vČtšinou s pĜímými ímými lopatkami bez krycího disku, což zajišĢuje zajišĢ zajiš jednoduchou technologii výroby. ýerpadla erpadla obČžným ob žným kolem TURO, mají velkou sací schopnost (až 8m) a intenzivní vír zajišĢuje uje dokonalé rozmíchání þerpaného média. Schematický nákres typického tvaru obČžného žného kola TURO je zobrazen na obr. 14. Z hlediska nevýhod je možno zmínit zejména menší úþinnost. innost. Uvádí se, že tyto þerpadla dosahují rozmezí Ș = (40 ÷ 55)%.

135$ 67839:

4.2.3 ObČžné žné kolo „SuperVortex“ Jedná se o speciální typ víĜivého ví obČžného žného kola vyvinutý firmou Grundfos. Vyrábí se v korozivzdorném provedení a slouží pĜedevším p k þerpání erpání agresivních a korozních kapalin. Vynikají vysokou úþinností inností a díky vlastní konstrukci také zkrácením prostojĤ pr þerpadla. StejnČ tak jako u výše še zmínČného zmín obČžného kola Turo je kolo v tČlese Člese þerpadla þ umístČno mimo hlavní proudČní ní a nedochází tak ke kontaktu ne neþistot s obČžným žným kolem. Tvar obČžného ob kola zajišĢuje plynulý prĤchod Ĥchod dlouhých þástic ástic a textilií, bez rizika zadĜení zad þerpadla. Nedochází tak k prostojĤm m spojeným s údržbou a servisem. Firma uvádí, že tvar kola zajišĢuje zajiš plynulý odvod kapaliny v prostoru obČžného ob kola, bez rušivých vírĤ, které pravdČpodobn ČpodobnČ nastávají u bČžných víĜivých obČžných žných kol. Tento fakt je uvádČn jako hlavní dĤvod vod vyšších dosahovaných úúþinností. inností. Schéma proudČní proud uvnitĜ klasického obČžného žného kola a kola SuperVortex je znázorn znázornČno na obr. 16.

- 28 -



a)

Obr. 15 ObČžné kolo SuperVortex [12]

b)

Obr. 16 Porovnání víĜení kolem obČžného kola [12] a) SuperVortex ; b) klasické vírové kolo

4.2.4 Jednokanálové obČžné kolo Jedná se o jednu z nejbČžnČjších konstrukcí obČžných kol. Toto kolo je vhodné k þerpání kapalin s obsahem þástic dosahujících velkých prĤmČrĤ. Uvádí se bČžné hodnoty prĤmČru 80 až 100mm, kdy by mČlo být zaruþeno bezproblémové projití pevné neþistoty bez rizika ucpání. Maximální prĤchodnost kanálu je závislá na modelu þerpadla, uvádí se až do prĤmČru neþistot 145mm, pĜiþemž ale samozĜejmČ hrozí vČtší riziko ucpání. „Vstupní hrana je vyhlazena a zaoblena velkým polomČrem, což usnadĖuje i prĤchod vláknitých látek. (napĜ. vláknité kaly)“ [1] Výrobce kalových þerpadel Grundfos má ve své nabídce také úpravu klasického kanálového kola, kdy je konstrukce ve své spodní þásti doplnČna o pomocné lopatky viz obr. 17. „Tyto lopatky jsou navrženy tak, aby vytváĜely silné proudČní þerpané kapaliny, které zajišĢuje, že v prostoru mezi obČžným kolem a stČnou skĜínČ þerpadla nezĤstanou žádné pevné ani vláknité pĜímČsi.“ [7]

Obr. 17 – Konstrukce „samoþisticího“ jednokanálového obČžného kola od firmy Grundfos [16]

4.2.5 Dvoukanálové obČžné kolo Tyto kola jsou obdobné konstrukce, prĤchozí kanály jsou v kole dva a zpravidla jsou menších rozmČrĤ. Používají se napĜíklad pro þerpání kalĤ s obsahem menších pevných þástic nebo k þerpání strusky. ýerpadla s tČmito obČžnými koly mohou dosahovat úþinností až Ș = 80%. Typický pĜíklad takového obČžného kola je uveden na obr. 18.

- 29 -



Obr. 18 – Dvoukanálové obČžné kolo [13]

4.2.6 Ostatní typy PolootevĜené dvoulopatkové kolo – tato konstrukce je vyrábČna firmou LK Pump service. ObČžné kolo má dvČ lopatky a je vyrobeno v polotevĜeném provedení. Má vyšší hydraulickou úþinnost a používá se zejména k þerpání kalových vod s pevnými a vláknitými pĜímČsemi. Konstrukce viz obr. 19.

Obr. 19 – dvoulopatkové obČžné kolo od firmy LK Pump service [14]

OboustrannČ otevĜené kolo - „používá se pro þerpání kašovitých smČsí obsahujících plynné pĜímČsi. Z dĤvodu snadného þistČní je vyrábČno oboustrannČ otevĜené.“ [1] Schéma je viditelné na obr. 20. KonstrukþnČ podobný typ obČžného kola používá firma LK pump service k þerpání zneþistČné vody v nároþných podmínkách. Používá se k þerpání vody s obsahem jílu, kamenĤ, úlomkĤ z vrtání atd. Typické kolo vyobrazeno na obr. 21.

Obr. 21 OtevĜené obČžné kolo pro nároþné pracovní podmínky od firmy LK Pump service [15]

Obr. 20 OboustrannČ otevĜené kolo [1]

Kolo s ejektorovými kanály – tento typ je urþen zejména pro smČsi kašovitého charakteru þi smČsi s velkým obsahem plynných pĜímČsí. Používá se v papírnickém prĤmyslu a schéma kola je zobrazeno na obr. 22. - 30 -



Obr. 22 ObČžné kolo s ejektorovými kanály [1]

Šroubové kolo – používané pro þerpání odpadní vody obsahující dlouhé vláknité pĜímČsi. Geometrie kola usnadĖuje prĤchod tohoto typu neþistot a je zobrazena na obr. 23.

Obr. 23. Schéma šroubového obČžného kola [6]

4.3 Dispoziþní varianty umístČní kalového þerpadla Z hlediska uložení þerpadla v pracovní poloze se dá rozlišit nČkolik variant, v kterých kalová þerpadla využíváme. 4.3.1 Instalace v mokré jímce Jedná se o jedno z hojnČ používaných umístČní þerpadel v þerpacích stanicích. ýerpadlo je stacionárnČ ponoĜeno v þerpané kapalinČ a je pomocí vodících tyþí pĜipevnČno k 90˚ spojkové patce umístČné napevno v jímce. Princip uložení spoþívá v tom, že þerpadlo je spuštČno na vodících tyþích do prostoru jímky. „Po dosažení své pracovní polohy automaticky pĜipojí k základové þásti spojky v šikmé poloze, která umožĖuje evakuaci pĜípadného vzduchu z tČlesa þerpadla a zabraĖuje ucpání nebo zadĜení þerpadla.“ [7] Dostateþná tČsnost spoje je zajištČna vlastní váhou þerpadla. Výhoda tohoto typu umístČní þerpadla spoþívá v jednoduchosti provedení. V pĜípadČ, že nastane porucha, není tĜeba vyþerpávat celou jímku, abychom se k þerpadlu dostali, ale staþí jednoduše vytáhnout þerpadlo ven a opravu provést mimo jímku. Schéma principu vodících tyþí mĤžeme je vyobrazeno na obr. 24 a celkový pohled na mokrou jímku na obr. 25.

- 31 -



Obr. 24 – SpouštČcí zaĜízení od firmy TOS [8]

Obr. 25 – Mokrá jímka [7]

4.3.2 Instalace v suché jímce Toto uložení þerpadla se vyskytuje v horizontálním a vertikálním provedení. ýerpadla jsou dokonale uzavĜena a nedochází k prĤsakĤm þerpané kapaliny. To je výhodné u použití umístČní þerpadla v suché jímce, kdy prostor kolem þerpadla zĤstává suchý a bez neþistot. „Horizontální instalace v suché jímce pĜináší nižší náklady na provoz a údržbu a souþasnČ zlepšuje celkovou úþinnost dané soustavy, neboĢ tento druh instalace nevyžaduje žádné zbyteþné komponenty a tvarovky.“ [12] Za nevýhodu u tohoto typu provedení lze považovat pouze velikost potĜebného instalaþního prostoru a s tím spojené náklady na výstavbu tČchto prostor. ZnázornČní tohoto typu instalace je uvedeno na obr. 26 a obr. 27.

Obr. 26 - Vertikální provedení instalace þerpadla v suché jímce [12]

Obr. 27 - Horizontální provedení instalace þerpadla v suché jímce [12]

4.3.3 PĜenosné provedení Instalace þerpadla v pĜenosném provedení spoþívá v pouhém ponoĜení þerpadla do zatopené jímky. Výtlaþné potrubí je tvoĜeno ohebnou hadicí, na kterou je napojeno vlastní þerpadlo. K manipulaci s þerpadlem se nejþastČji používá ĜetČzu, þerpadlo je na nČm uchyceno, þímž je zajištČno snadné spuštČní þi vytažení þerpadla. Tato instalace se používá ve stavebním prĤmyslu k vyþerpávání jímek þi k jiným speciálním pĜípadĤm, kdy je potĜeba vyþerpat daný prostor. - 32 -



Obr. 28 – PĜenosné provedení kalového þerpadla [12]

Obr. 29 ýerpadlo volnČ ponoĜené ve stavební jímce [5]

4.4 PĜíslušenství kalových þerpadel V kapitole základní þásti kalových þerpadel jsme si uvedli, jak vypadá typické kalové þerpadlo. K výše popsanému þerpadlu je možné si doobjednat Ĝadu komponentĤ, které jsou automaticky v nabídce firmy, jedná se o rĤzná kolena, ĜetČzy, hadice atd. U nČkterých firem je také možné objednat þerpadlo se speciálním pĜíslušenstvím, které þasto bývá souþástí þerpadla. Tím mohou být myšleny rĤzné Ĝezací zaĜízení atp. 4.4.1 DoplĖkový sortiment pro kalová þerpadla Automatická spojka Toto zaĜízení potĜebné k uchycení þerpadla do mokré jímky slouží jako spojovací þást mezi þerpadlem a výtlaþným potrubím. MĤže být dodáváno vþetnČ výtlaþného kolena nebo bez nČj.

Obr. 30 Automatická spojka vþetnČ pevného kolena [16]

Vodící konzola Jedná se o konzolu sloužící k uchycení vodících tyþí, po kterých je spouštČno þerpadlo do prostoru jímky. Monitorovací systémy Jsou to elektronické monitorovací prvky (þidla), které slouží jako ochrana pĜed stavy, pĜi kterých by mohlo dojít k poškození þerpadla. Používá se ke kontrole prĤsakĤ v prostoru motoru, kdy pĜi zjištČní sebemenší netČsnosti okamžitČ dojde k vypnutí motoru a dále ke kontrole stavu mechanické ucpávky þi snímání teploty.

- 33 -



Plovákové spínaþe Jde o zaĜízení usnadĖující obsluhu stroje. UmožĖuje automaticky zastavit þerpadlo pĜi nízké hladinČ vody, bez toho aniž by došlo k chodu þerpadla na prázdno a hrozilo tudíž zniþení stroje. Princip je zobrazen na obr. 31

Obr. 31 – Princip plovákového spínaþe [8]

4.4.2 Speciální pĜíslušenství kalových þerpadel ěezací zaĜízení ZaĜízení usnadĖující prĤchod nČkterých dlouhých vláknitých neþistot. Používá se zejména k rozmČlnČní rĤzných textilních þi souþastnČ používaných výrobkĤ, jako mohou být hadry, rukavice, plastové sáþky apod. Bývá umístČn v prostoru sacího hrdla, kde pĜed vlastním obČžným kolem úþinnČ seká tyto neþistoty a usnadĖuje tak prĤchodnost þerpadla bez rizika ucpání. Typická konstrukce takového zaĜízení používaného u þerpadla typu GF od firmy K+H þerpací technika s.r.o. je zobrazena na obr. 32. „TČleso Ĝezáku a kruhový nĤž jsou vyrobeny z korozivzdorné chromové oceli a kaleny na 55 ÷ 60 stupĖĤ Rockwela. Pevná hĜídel s obČžným kolem a speciálním kruhovým nožem redukuje zatížení motoru kroutícím momentem, k þerpání je tĜeba menší pĜíkon, což zvyšuje úþinnost þerpadla.“ [17] Ukázku nČkterých typĤ materiálu pĜed a po projití Ĝezacím zaĜízením zobrazuje obr. 33.

Obr. 32 UmístČní Ĝezacího zaĜízení [17]

Obr. 33 Ukázka Ĝezacího efektu [17]

- 34 -



VíĜiþ NČkteré typy þerpadel mají pĜed sací hrdlo umístČn tzv. víĜiþ, který slouží k zlepšení procesu þerpání kapaliny s obsahem sedimentujících pevných þástic. Vrtule víĜiþe rozviĜuje þerpanou kapalinu a nedochází tak k usazování pevných neþistot pod prostorem sání. Tento komponent se nejþastČji využívá u jímek s usazenými sedimenty (bláto, písek apod.).

Obr. 34 Princip víĜiþe [18]

Obr. 35 ýerpadlo s víĜiþem typ AG – 33A [18]

4.5 Vývoj kalových þerpadel Z hlediska modernizace a vývoje kalových þerpadel, se dá Ĝíci, že nejvČtší þást spoþívá v rozvoji prostoru þerpadla, kde probíhá doprava kapaliny. Tyto prostory musejí splĖovat pomČrnČ nároþné požadavky na prĤchodnost pevných þástic obsažených v þerpaných kapalinách. Spolu s tímto faktem musejí ovšem zajistit i dostateþnou úþinnost. Další vývojovou tendencí je použití lepších materiálĤ, které jsou schopny odolávat abrazi, kterou mohou zpĤsobovat pevné þástice obsažené v kapalinČ a dále pak korozi, která je závislá na vlastnostech þerpané kapaliny. Za zmínku také stojí þerpadla znaþky Wilo, která zaþala využívat pro své hydraulické þásti jako materiál kompozit (litý polyuretan), což výraznČ snížilo jejich hmotnost oproti pĤvodním litinovým þástem. Krycí plochy se vyrábí hladké, bez žebrování a nálitkĤ, þímž se dosahuje menšího usazování neþistot, což ocení zejména obsluha þerpadla. V neposlední ĜadČ se také vyvíjí rĤzné ovládací prvky a pĜíslušenství (spínaþe, sondy, atd.) „Tyto þásti usnadĖují obsluhu, start, þistČní a hygienu provozu.“ [6]

- 35 -



5. SPECIFIKACE PROBLÉMU Od této kapitoly zaþíná vlastní návrhová a výpoþetní þást práce. Jak už bylo v úvodu zmínČno, v následujících kapitolách by mČl být proveden návrh víĜivého obČžného kola, které by následnČ mČlo být vsazeno do stávajícího tČlesa þerpadla, pĜiþemž by mČli být zachovány pĤvodní provozní parametry þerpadla. Nejen pro posouzení vhodnosti námi navrženého konstrukþního Ĝešení obČžného kola by mČl být celý návrh doplnČn CFD výpoþtem daného modelu. PĜi Ĝešení a vyhodnocování budeme tedy vycházet zejména z hodnot zjištČných z výpoþtového modelování. V následujících kapitolách se seznámíme s naším konstrukþním Ĝešením daného problému a postupnČ si uvedeme jednotlivé poznatky a závČry z této problematiky.

5.1 Popis konstrukþního Ĝešení jednotlivých typĤ obČžných kol Práce byla z konstrukþního hlediska zamČĜena na návrh obČžného kola s obchodním oznaþením Turo a následnČ rozšíĜena o modifikaci na typ „SuperVortex“. V práci budeme nadále pro toto kolo používat oznaþení Turo s ostruhou, protože obČžné kolo SuperVortex je obchodní oznaþení pro konkrétní obČžné kolo od firmy Grundfos a proto by bylo nepĜesné námi poþítané obČžné kolo takto nazývat. Poþáteþní návrh základních charakteristických rozmČrĤ je pĜehlednČ uveden v následující kapitole. Dle dále uvedených výpoþetních vztahĤ jsme provedli vlastní hydraulický návrh obČžného kola, který byl následnČ doplnČn o návrh jeho umístČní ve stávajícím tČlese þerpadla v software AutoCad. ObČžné kolo Turo s ostruhou bylo pro tyto studijní úþely zjednodušenČ navrženo zalomením horní þásti lopatek a vytvoĜením tak „ostruhy“, která by podle teorie mČla napomáhat plynulejšímu prĤbČhu hlavního víru a zamezovat tvorbČ menších rušivých vírĤ. Jednotlivé modely obou typĤ obČžných kol jsou pro lepší orientaci a pĜehlednost vyobrazeny na obr. 36 a obr 37.

14;,+* ($6$

- 36 -



14<,/+* 6$$*$

5.2 Návrh hydraulické þásti þerpadla V této þásti práce je uveden hydraulický návrh hlavních rozmČrĤ obČžného kola Turo. Vycházeli jsme þistČ z výpoþetních vztahĤ získaných z literatury. PostupnČ jsme tedy navrhli základní rozmČry obČžného kola, které by mČlo splĖovat dané parametry þerpadla. Skuteþnost zjištČní hlavních rozmČrĤ obČžného kola a spirálního tČlesa þerpadla nám dále umožĖovala tvorbu CFD modelu, což bylo i dalším krokem pĜi Ĝešení daného problému. 5.2.1

Základní návrhové parametry

Tab. 3. Základní parametry þerpadla

Návrhové parametry Název PrĤtok

Znaþka

Qn=

35,8 [l/s]

Dopravní výška

Hn=

21,5 [m]

Hustota þerpaného média Otáþky Výkon motoru Poþet lopatek Vstupní a výstup. úhel lopatky

ȡ= n= P= z= ȕ1;ȕ2

1050 1450 15 8 90

Hodnota

Jednotky

[kg/m3] [1/min] [kW]

PĜepoþet

Jednotky

128,88 [m3/h]

24,1667 [1/s] 15000 [W]

[˚]

Základní výpoþet[10] 1) Specifické otáþky ns:

!"#$%&'( )

(5.1)

- 37 -



2) Hodnota souþinitele pro dimenzování spirální skĜínČ K: - voleno z diagramu K = 0,2

14= ($$" . ( /839:

3) Výstupní prĤmČr obČžného kola D2: * +,,

-

## +,, +,,

(5.2)

*

(5.3)

+, *

(5.4)

+, - ., *

(5.5)

/, 12#$%) * 0

(5.6)

volíme D2 = 0,250 m

- 38 -



4) Tlakové þíslo Ȍ: - voleno z diagramu Ȍ = 1,17

14> ($ *"839:

5) ŠíĜka spirály b4: 34

#$%) , - 5 /,

(5.7)

volíme dle výkresu modifikovaného þerpadla 6" # 7#$8)

6) Výpoþet prĤmČru sacího hrdla Ds´

z grafu zvolíme (Ds´/D2) = 0,4

?

159 ($( /$ @0839:

- 39 -


pak:


/ 9 /, # # #$8)

(5.8)

volíme dle výkresu modifikovaného þerpadla :; # #$8)

7) Z empirických vztahĤ b2 , D4, Ds : ŠíĜka obČžného kola b2 : 34 < 3,

(5.9)

3,

(5.10)

34 ### = 2####$%)

nebo dle jiného vztahu: 3, > ? @ / A27#$%)

(5.11)

volíme šíĜku obČžného kola 6 # A#$8) PrĤmČr spirální skĜínČ D4: /4 < /,

(5.12)

/4 # /, ## A"####$%)

(5.13)

dle výkresu volíme prĤmČr spirály :" # ""#$8) PrĤmČr sacího hrdla Ds:

/B < /B 9

(5.14)

/ # / 9 # # C###$%)

(5.15)

volíme dle výkresu þerpadla :; # #$8) - 40 -



6. TVORBA CFD MODELU 6.1 Popis tvorby práce v softwaru Gambit Pro lepší pochopení dané problematiky a lepší orientaci orien v grafech a obrázcích uvedených v následujících kapitolách si uvedeme struþnČjší stru jší popis modelování daného úkolu v software Gambit verze 2.4.6 (dále dále jen Gambit). Gambit V CFD výpoþtu se tato þást ást oznaþuje ozn jako tzv. preprocessing, reprocessing, což zahrnuje vlastní pĜípravu p ípravu geometrie modelu, definici okrajových a poþáteþních podmínek, fyzikální podstaty úlohy, volbu vhodného výpoþetního výpoþetního modelu a další úkony. þetní sít sítČ 6.1.1 Tvorba výpoþetní Tvorba výpoþetní sítČČ probíhala ve výše zmínČném zmín software Gambit. K vytvoĜení strukturované výpoþetní sítČ jsme používali výhradnČ výhradn elementy typu Hex a schéma Map. Na obr. 41 je zobrazen námii vytvoĜený vytvo drátČný ný model pracovního prostoru þerpadla. Jako okrajové podmínky byly použity na vstupu - velocity inlet (rychlostní podmínka na vstupu), vstupu) výstupu - pressure outlet (tlaková podmínka na výstupu) a všechny ostatní podmínky byly zadány jako wall (stČna). V Gambitu G jsme dále nadefinovali pro þtyĜi námi vytvoĜené vytvo þásti celkového modelu samostatné kapaliny, kapaliny což sloužilo zejména jako pĜíprava pĜ pro další vyhodnocování. PĜes pomČrnČ ČrnČ tvarov tvarovČ složitou souþást se nám podaĜilo vytvoĜit vytvo výpoþetní síĢ s dostaþující kvalitou. V Gambitu slouží k posouzení kvality mČĜítko, ítko, které vyjadĜuje vyjad nejvČtší míru zkosení daného prvku. Rozmezí tohoto mČĜítka se pohybuje v intervalu od 0 do 1, pĜiþemž prvky s nulovou hodnotou vykazují nejlepší možnou kvalitu a prvky s nevyhovující kvalitou nabývají hodnoty 1. 1 K dokreslení obrazu o kvalitČ námi vytvoĜené vytvo sítČ mĤže sloužit obr. 43, kde je patrné,, že 99% prvkĤ prvk má kvalitu spadající padající do intervalu (0; (0 0,47). Na obrázku je také vidČt nejhorší ejhorší prvek, jehož hodnota þiní 0,771093. Poþet prvkĤ prvk celkového modelu dosahoval hodnoty témČĜ 6 milionĤ bunČk.

153 /) )A $ )A $

- 41 -



150!* $ $/

154 /($.. 154 /($.. '*B*( $

- 42 -



objem 6.1.2 Tvorba jednotlivých objemĤ Celkový model našeho Ĝešení Ĝ se skládal z nČkolika þástí a sice: pracovního p prostoru þerpadla, spirálního tČlesa, lesa, prostoru obČžného kola, dále pak prodloužení sacího a výtlaþného výtla hrdla. Toto prodloužení se v praxi pĜidává p z toho dĤvodu, aby nedošlo k ovlivnČní prostorĤ, v kterých vlastní proudČní ní zkoumáme od vstupních vstupních a výstupních podmínek. Celkový pohled na model zkoumaného prostoru þerpadla, kde jsou barevnČ zvýraznČny Čny vstupní a výstupní podmínky, je zobrazen na obr. 48. Dále jsou zde uvedeny jednotlivé þásti sti jako samostatné objemy, ve kterých byly nadefinovány samostatné „fluidy“ (kapaliny) a následnČ vyhodnocovány potĜebné ebné veliþ veliþiny. Toto znaþení budeme dál používat v práci a v jednotlivých grafech pro oznaþení ení daných objemĤ. objem

155!( */

15G!("(F 15G!("(F( 2

15;!($+**

15
15=C )(* DE$A DE$A

- 43 -



6.2 Popis výpoþtu v softwaru Fluent Z Gambitu jsme exportovali vytvoĜenou pracovní síĢ do softwaru ANSYS Fluent verze 12.1, v kterém jsme vlastní CFD výpoþet provádČli. Software byl pĜi výpoþtu nastaven následovnČ (hodnoty pro optimální prĤtok): ěešiþ: • 3D, TlakovČ orientované, Stacionární, Formulace rychlosti - Absolutní Viskózní model: • k-İ (2 rovnicový), Realizable, Nerovnovážné stČnové funkce Okrajové podmínky pro danou oblast: Tekutina_kolo: • Materiál: Voda - kapalina • Typ pohybu: Moving reference frame, otáþky: 1450 min-1 Tekutina_nad_kolem: • Materiál: Voda - kapalina • Typ pohybu: Nehybný Tekutina_spirála: • Materiál: Voda - kapalina • Typ pohybu: Nehybný Tekutina_sání: • Materiál: Voda - kapalina • Typ pohybu: Nehybný Okrajové podmínky na hranici: Vstup: • Metoda specifikace rychlosti: Velikost, Normála k hranici oblasti - Referenþní rám - Absolutní - Velikost rychlosti – 3,183 m/s • Metoda specifikace: Intenzita a hydraulický polomČr - Intenzita turbulence - 10% - Hydraulický prĤmČr - 0,12 m Výstup: • PĜetlak: 210536 Pa • Metoda specifikace: Intenzita a hydraulický polomČr - Intenzita turbulence zpČtného proudČní - 10% - Hydraulický prĤmČr zpČtného proudČní - 0,1 m Lopatky, Obruba, Nosný disk (pĜední stČna): • Pohyb stČny – Pohybující se stČna; Pohyb – Relativní rychlost vzhledem k sousední oblasti, Otáþky: 0 min-1 • No slip Nosný disk (zadní stČna), Šroub: • Wall Motion - Pohybující se stČna; Pohyb – Relativní rychlost vzhledem k sousední oblasti, Otáþky: 1450 min-1 • No slip Ostatní podmínky typu Wall: • Pohyb stČny – Nehybná stČna • No slip

- 44 -



ěešení: • •

Metoda SIMPLE, Pressure – Standard Relaxaþní faktory: Pressure (tlak) – 0.3; Momentum – 0.7

Celý problém jsme Ĝešili stacionárnČ s inicializací ze vstupu, nejprve s využitím 1. Ĝádu pĜesnosti a po následné konvergenci byl „Ĝešiþ“ pĜepnut na 2. Ĝád pĜesnosti. PĜi námi uvažovaném stacionárním výpoþtu jsme neuvažovali vliv natoþení obČžného kola. V praxi výpoþet pro jedno natoþení lopatek vĤþi spirále zpĤsobuje Ĝadu nepĜesností, proto se provádí více výpoþtĤ pro nČkolik rĤzných natoþení obČžného kola. Princip þinnosti námi navrženého víĜivého obČžného kola je odlišný od klasických obČžných kol hydrodynamických þerpadel a spoþívá v tvorbČ intenzivního víru v prostoru pĜed kolem. Z tohoto dĤvodu jsme považovali zpĤsob s nastavením pouze jednoho natoþení kola vĤþi spirálnímu tČlesu v zásadČ pĜijatelný. Vlastní namodelování proudČní, které by odpovídalo reálnému pohybu kapaliny v þerpadle, jsme provedli roztoþením ploch obČžného kola ve Fluentu na otáþky n = 1450 min-1. SíĢ vytvoĜená v Gambitu byla pomocí softwaru Fluent adaptována na hodnotu parametru y+. Poþet bunČk tímto narostl o cca 1 milion. Toto jsme provedli zejména z dĤvodu zvoleného pĜístupu pĜi Ĝešení mezní vrstvy neboli proudČní okolo stČny stroje. Zvolili jsme pĜístup stČnových funkcí (Wall function) u kterého je podmínka použití 30 - 40 < y+ < 80 - 120. V našem pĜípadČ jsme zvolili omezení pro horní hranici y+ < 100. Výpoþet probíhal nejdĜíve pro návrhový bod, tzn. pro hodnotu návrhového prĤtoku QN a pro následné vykreslení všech potĜebných charakteristik bylo potĜeba provést výpoþet v dalších pČti bodech. Pro výpoþet jsme tedy použili hodnoty prĤtokĤ 1,25* QN (45 l.s-1); QN (36 l.s-1); 0,75* QN (27 l.s-1); 0,5* QN (18 l.s-1); 0,25* QN (9 l.s-1) a nakonec pro lepší promČĜení nČkterých charakteristik poslední bod, který ležel v blízkosti závČrného bodu þerpadla 0,1* QN (3,6 l.s-1). Je ovšem nutné uvést, že tento bod nelze s dostateþnou pĜesností využít pĜi vyhodnocování, zejména z dĤvodu jeho polohy v tČsné blízkosti závČrnému bodu. Po provedení všech výpoþtĤ ve Fluentu jsme byli schopni zaþít vyhodnocovat zjištČné hodnoty. Souþástí práce je také vyhodnocení silového pĤsobení kapaliny na pracovní prvky þerpadla. V následující kapitole bude uvedeno vyhodnocení axiální síly pĤsobící na obČžné kolo þerpadla a následovat bude pevnostní kontrola použitého hĜídele.

- 45 -



7. VÝPOýET ET AXIÁLNÍ SÍLY Jak již bylo výše uvedeno, uvedeno tato kapitola bude vČnována stanovení velikosti axiální ax síly a následnému vyhodnocení jejího pĤsobení p na obČžné kolo þerpadla. erpadla. Nejprve si uvedeme základní informace k analytickému výpoþtu výpo tu axiální síly u hydrodynamických þerpadel a poté se zamČĜíme íme na vyhodnocení axiální síly v našem konkrétním pĜípadČ.

7.1 Vznik axiální síly Stanovení axiální síly u hydrodynamických þerpadel je pomČrnČ složitou operací. Je dosti nároþné popsat všechny reálné jevy vyskytující se u proudČní proud ní a zohlednit je ve výpoþtových vzorcích axiální síly. Ve vztazích jednotlivých výpoþtových výpo ch metod se tedy vČtšinou v vyskytují urþité ité odlišnosti od reálných hodnot sil. Proto musíme brát zĜetel etel na to, že hodnoty axiální síly vypoþtené tené ze zde uvedených výpoþtových vzorcĤ by mohli být zkreslené. PĜi stanovení axiální síly také aké hraje roli geometrie našeho kola, námi navrhované vírové kolo je pomČrnČ pom specifického tvaru a Ĝada ada uvedených vzorcĤ vzorc se nedá pĜesnČ použít. Z tohoto dĤvodu d je tĜeba brát zde uvedené výpoþetní þetní vztahy vzhledem k našemu konstrukþnímu þnímu Ĝešení spíše informativnČ. „Celková axiální síla (FA) je výslednicí sil pĤsobících na rotor þerpadla erpadla v axiálním smČru. Vzniká pĤsobením sobením tlaku na rĤ rĤzné zné plochy krycího a nosného disku obČžného obČ kola (Fa) a zmČnou smČru proudČní ní na vstupu do obČžného ob kola (Fo).“ [20] Typické tlakové pomČry pom na obou stranách obČžného kola jsou zobrazeny na obr. 49. Axiální síla: DE DF DB DG DH DG

(7.1)

15>.+ -809:

Síla Fo je vždy menší než síla Fa, ta je tedy z hlediska výpoþtu významnČjší. významn Výpoþtové vztahy, které si následnČ uvedeme, pracují s nČkolika kolika zjednodušujícími pĜedpoklady, p jimiž jsou [20]: kapalina v prostorech boþních bo spár se pohybuje poloviþní ní obvodovou rychlostí oproti kolu, ĤmČru má rovnomČrné rozložení, tlak na výstupním prĤmČ rozdíl výstupního p2 a vstupního p1 tlaku se vyjadĜuje jako þást specifické energie þerpadla. U našeho pĜípadu otevĜeného Ĝeného ob obČžného kola, je situace ponČkud kud odlišná, síla je dána tlakovým pĤsobením sobením pouze na nosný disk obČžného ob kola a v porovnání s uzavĜeným - 46 -



obČžným žným kolem bude síla pĤsobící pĤ zde vyšší. Ukázku pĜípadu otevĜeného Ĝeného obČžného ob kola s typickým pĤsobením tlakĤ zobrazuje obr. 50.

1G9.+ -$*/+* 8 1G9.+ -$*/+* 809:

7.2 Vztahy pro výpoþet þet axiální síly ObecnČ se tedy nabízí více možností jak poþítat po axiální sílu. Je možné použít empiricky stanovené vztahy, dále pak vztahy, vztahy které pracují s výše uvedenými pĜedpoklady p a zjednodušeními þi zpĜesnČné Čné vztahy, které v sobČ zahrnují i další faktory jako jsou napĜ. nap tvar a velikost boþních spár. Je nutno dodat, že takto stanovená axiální síla se hodnotČ skuteþné axiální síly ve vČtšinČ pĜípadĤ ĜípadĤ pouze blíží. V této práci si teoreticky uvedeme vztahy pro výpoþet et axiální síly a samotné vyhodnocení ppĤsobící sobící síly provedeme za použití hodnot získaných z námi vytvoĜeného eného modelování daného problému za pomocí software softwar Fluent. Tyto hodnoty jsou z hlediska našeho konkrétního pĜípadu pĜesnČjší než výpoþet þet dle daných vzorc vzorcĤ, ve kterých je pro nás Ĝada hodnot neznámých. Axiální síla: [20]

DE D, D( DG

(7.2)

Síla F2 je vyvozena od tlaku p2´:

J, I, 9 I, # >R,, R , @

(7.3)

Síla F1 je vyvozena od tlaku p1´: I, KI( I( 9

(7.4)

Síla FO je dána jako:

pak FA:

RS, RT, , DL - M Q U

(7.5)

, >R,, RT, @, RS, RT, JV , DE #- NOP Q U Q U M >RS, RRT, @W

(7.6)

- 47 -



7.3 ZpĤsoby vyrovnání axiální síly Ve vČtšinČ pĜípadĤ je celková axiální síla pomČrnČ velká a výraznČ zatČžuje axiální ložiska, z tohoto dĤvodu je potĜeba provést úpravy za úþelem jejího snížení. Tomuto procesu se Ĝíká vyrovnání axiální síly. V praxi je toto možné provést nČkolika zpĤsoby: [20] 1) Pomocí dvouvtokového kola – nejlepší zpĤsob pro snížení axiální síly, vzniká pouze malá zbytková axiální síla. Nevýhoda je v tom, že takové uspoĜádání si nemĤžeme vČtšinou dovolit. U vícestupĖových þerpadel se používají obČžná kola uspoĜádaná proti sobČ. 2) Pomocí odlehþovacích otvorĤ – jednoduchý zpĤsob vyrovnání axiální síly, který spoþívá ve vyvrtání otvorĤ, které prochází skrz nosný disk obČžného kola, pĜi této úpravČ dochází ke zvýšení objemových ztrát. 3) Pomocí vyrovnávacích lopatek na zadní stranČ nosného disku – pro naši variantu obČžného kola témČĜ jediná možná úprava. Vede ke zvýšení tĜení a tím i zvýšení pĜíkonu.

7.4 Vyhodnocení axiální síly pro naše konstrukþní pĜípady Pro získání hodnot pĤsobící axiální síly jsme používali stejnČ jako v ostatních pĜípadech CFD software Fluent. V této kapitole si uvedeme hodnoty axiální síly graficky interpretované v jednotlivých grafech. Na obr. 51 je zobrazena axiální síla pĤsobící na celé obČžné kolo, oproti tomu na obr. 52 je znázornČno axiální zatížení pĤsobící pouze na lopatky obČžného kola. Axiální síla je orientována v kladném smČru osy z, to znamená, že záporná axiální síla pĤsobí smČrem do kola a namáhá hĜídel þerpadla na tlak a naopak. Z obr. 51 je patrné, že u obČžného kola typu Turo, pĤsobí síla jak v kladném tak záporném smČru osy z, namáhání je tedy na hĜídel pĜenášeno v podobČ tlaku i tahu. Oproti tomu síla pĜi použití kola Turo s ostruhou pĤsobí pouze v záporném smČru a namáhá tedy na tlak. Z obr. 52 vidíme, že síla pĤsobící na lopatky kola Turo s ostruhou je oproti variantČ bez ostruhy témČĜ trojnásobnČ vČtší. Toto je dáno zejména geometrií lopatek, typ s ostruhou má lopatky zalomené a plocha lopatek, do které pĤsobí síla od kapaliny, je tedy nČkolikrát vČtší. V dĤsledku toho jsou vČtší i vyvozené síly na lopatky. PĤsobící síly nejsou pro tento typ þerpadla nikterak velké, ale pro jejich snížení by i tak bylo možné navrhnout nČkterou s konstrukþních úprav, napĜ. použití vyrovnávacích lopatek na zadní stranČ nosného disku.

# H (- $I H8J:

!$ I8@:

1G3# (-

H(- $I/+

- 48 -



# H (- $I

H8J:

!$ I8@:

1G0# (-

H(- $I( /+*

- 49 -



8. PEVNOSTNÍ VÝPOýET HěÍDELE V této kapitole si uvedeme potĜebné hodnoty a následnČ výpoþty k problematice pevnostního výpoþtu hĜídele použitého v našem Ĝešení kalového þerpadla. Provedeme výpoþet reakþních sil v ložiscích, zatížení kozlíku þerpadla a dále ovČĜení trvanlivosti ložisek. NáslednČ provedeme návrh a výpoþet perového spoje mezi hĜídelí a obČžným kolem þerpadla. Celý výpoþet je proveden pro návrhový prĤtok.

8.1 Vstupní údaje a schéma daného hĜídele Jako materiál hĜídele volíme konstrukþní ocel 11500. Materiálové hodnoty uvedené níže, potĜebné k dalším výpoþtĤm zjistíme z tabulek. Na obr. 53 je zobrazen schematický nákres hĜídele spolu s vybranými vyznaþenými kritickými prĤĜezy, ve kterých budeme kontrolovat výpoþtem bezpeþnost. Materiálové hodnoty: Pevnost v tahu: Mez kluzu v tahu: Mez kluzu ve smyku: Mez únavy v tahu: Mez únavy v ohybu: Mez únavy v krutu: Dovolený mČrný tlak:

Rm = 500 MPa Re (Rp 0,2) = 280 MPa Res = 180 MPa ıc = 180 MPa ıco = 240 MPa Ĳd = 135 MPa pdov = 80 MPa

Schéma hĜídele:

1G4&* ) *($.") ) (-.

8.2 Výpoþet reakþních sil v ložiscích a zatížení kozlíku þerpadla Výpoþet provedeme za použití vstupních hodnot získaných ze software Fluent. Hodnoty reakþních sil v podporách získáme z rovnic silové a momentové rovnováhy. Vstupní hodnoty: Vzdálenost: Vzdálenost: Vzdálenost: Radiální síla pĤsobící na obČžné kolo ve smČru y: Radiální síla pĤsobící na obČžné kolo ve smČru z: Axiální síla pĤsobící na obČžné kolo: Kroutící moment:

a = 148 mm b = 159 mm c = 195 mm FRY = 66,05 N FRZ = 50,03 N FR,ax = - 412,77 N Mk = - 88,15 Nm

- 50 -



Výpoþet: Silová rovnováha:

X YZ [ ## DE\ # D]\ K # D^\

= DE\ # D]\ D^\ #0 #_

X Y` [ ## DEa # D]a K # Dâ

(8.1)

(8.2)

= DEa # D]a Dâ K #_

X Yb [ # #D]H K # D^H

(8.3)

= D]H # D^H 00#_#

Momentová rovnováha:

X cZ [ D]a# d e # Dâ d >e K 3@

X c` [ D]\# d e K # D^\ d >e K 3@

= D]a #

= D]\ #

(8.4)

Dâ d >e K 3@ d >f K f@ #_ f e (8.5)

D^\ d >e K 3@ d >f K f@ # 0_ f e

X cg [ hV K # hi

(8.6)

= hi # hV #_%

Výsledná radiální reakce v podpoĜe A: , , @ DÊ j>DEa K DE\ >, K , @ #_

(8.7)

Výsledná radiální reakce v podpoĜe C:

, , @ D^] j>D]a K D]\ >, K 0, @ 0#_

(8.8)

- 51 -



8.3 Výsledné vnitĜní úþinky v hĜídeli

1G5&* ./*

ěez þ. 1 x1=(0, a) PĜi výpoþtu smykových sil T a ohybových momentĤ Mo do vztahĤ za x dosazena hodnota a = 148 mm.

1GG&* ) .$"13*

X YZ [ ## k(\ K # DE\

(8.9)

X Y` [ ## k(a K # DEa

(8.10)

X Yb [ ## _(l

(8.11)

X cZ [ ## hL(\ K # DEa d m(

(8.12)

= k(\ # DE\ #_ = k(a # DEa #_

= hL(\ # DEa d m( DEa d e d #_% - 52 -



X c` [ ## hL(a # DE\ d m(

= hL(a # DE\ d m( DE\ d e d 0#_%

(8.13)

ěez þ. 2 x2=(0, b)

1G;&* ) .$"10*

X YZ [ ## k,\ K # DE\

(8.14)

X Y` [ ## k,a K # DEa

(8.15)

X Yb [ ## _,l

(8.16)

X cZ [ ## hL,\ K # DEa d >e K m, @

(8.17)

X c` [ ## hL,a # DE\ d >e K m, @

(8.18)

X cn [ ## h,V hi _%

(8.19)

= k,\ # DE\ #_ = k,a # DEa #_

= hL,\ # DEa d >e K m, @ DEa d >e K 3@ ################### d > K f@ f0#_%

= hL,a # DE\ d >e K m, @ DE\ d >e K 3@ ################### d > K f@ 00#_%

- 53 -



ěez þ. 3 x3=(0, c)

1G<&* ) .$"14*

X YZ [ ## ko\ K # DE\ # D]\

(8.20)

X Y` [ ## koa K # DEa # D]a

(8.21)

X Yb [ ### _ol K # D]El

(8.22)

X cZ [ ## hLo\ K # DEa d >e K 3 K mo @ D]a d >mo @

(8.23)

X c` [ ## hLoa # DE\ d >e K 3 K mo @ K D]\ d mo

(8.24)

X cp [ ## hoq hi

(8.25)

= ko\ # DE\ K D]\ K 0 #_ = koa # DEa K D]a K #_ = _ol # D]El #00_

= hLo\ # DEa d >e K 3 K mo @ K D]a d >mo @ DEa d >e K 3 K @ K D]a d > @ d > K f K f@ K d f #_%

= hLoa # KDE\ d >e K 3 K mo @ D]\ d >mo @ ################### KDE\ d >e K 3 K @ D]\ d > @ ################### d > K f K f@ 0 d f #_%

- 54 -



Maximální ohybové momenty se nachází v podpoĜe C a mají hodnotu: Moz,max = 12, 771 Nm Moy, max = -9,674 Nm PRģBċH VVÚ

1G=&* (-/*$))* *K" -

- 55 -



8.4 Pevnostní výpoþty Pro výpoþty jsme zvolili nČkolik nejvýznamnČjších kritických prĤĜezĤ, v kterých jsme vypoþetli potĜebné hodnoty a stanovili bezpeþnosti vĤþi meznímu stavu pružnosti. Vrubové souþinitele jsme volili dle diagramĤ uvedených v pĜíloze þ. 2. Výpoþet nebezpeþných prĤĜezĤ: 1) PrĤĜez EX1 (drážka pro pero) Vstupní hodnoty: PolomČr zaoblení: ŠíĜka drážky: PrĤmČr hĜídele:

r = 0,6 mm b = 10 mm d = 38 mm

Vrubový souþinitel:

R ############# = #### rVstu 3

PrĤĜezový modul v krutu:

- d o - d o vV 00%%o

NapČtí v krutu: wMH xl( rVstu d Bezpeþnost v prĤĜezu EX1: zV

w{

wMH xl(

hV d f#hye vV 00

f

(8.26)

(8.27)

(8.28)

2) PrĤĜez EX2 (osazení u drážky pro pero) Vstupní hodnoty: PolomČr zaoblení: PrĤmČr hĜídele: PrĤmČr hĜídele: Vrubový souþinitel:

r = 1 mm D = 48 mm d = 38 mm

/ ############ = ################ rVstu

R ########## = ################ r|}~

ruH| - 56 -



Ohybový moment:

hL\ Dia d m DEa >e K m@

(8.29)

hLa Di\ d m K DE\ >e K m@

(8.30)

# d d >f K @ 0_%

### 0 d K d >f K @ 00_%

, , @ hLxl, j>hL\ K hLa 0, K 00, _%

NapČtí v ohybu:

hGxl, d hGxl, d r|}~ d d o v -d

- d o fhye

Gxl, r|}~ d

NapČtí v krutu:

hV d hV d rVstu d d vV - d o - d o 0f#hye

wMH xl, rVstu d

NapČtí v tlaku: xl, ruH| d

_ d_ d 00 d 0hye , -d

- d ,

(8.31)

(8.32)

(8.33)

(8.34)

Redukované napČtí: , @ f, K 0, K d 0f, sxl, j>G, K , K d wMH

(8.35)

#hye

Bezpeþnost vĤþi meznímu stavu pružnosti: zV

.

sxl,

f

(8.36)

3) PrĤĜez EX3 (zápich pro pojistný kroužek) Vstupní hodnoty: PolomČr zaoblení: PrĤmČr hĜídele: PrĤmČr hĜídele: Vrubový souþinitel:

r = 0,5 mm D = 55 mm d = 52 mm

- 57 -



/ 0######## = ################ rVstu f

R < ########## = ################ r|}~ f

ruH| Ohybový moment:

hL\ Dia d m DEa >e K m@

(8.37)

hLa Di\ d m K DE\

(8.38)

d d >f K @ fff_% 0 d K d >f K @ 0_%

, , @ hLxlo j>hL\ K hLa fff, K , f0_%

NapČtí v ohybu:

hGxlo d hGxlo d f0 r|}~ d f d o v -d

- d o fhye

Gxlo r|}~ d

NapČtí v krutu:

hV d hV d rVstu d f d o vV -d

- d o #hye

wMH xlo rVstu d

NapČtí v tlaku: xl, ruH| d

_ d_ d 00 d hye - d , - d ,

(8.39)

(8.40)

(8.41)

(8.42)

Redukované napČtí: , @ f, K , K d , sxlo j>G, K , K d wMH

(8.43)

f#hye


.

sxlo

ff

(8.44)

- 58 -



4) PrĤĜez EX4 (osazení u ložiska 2) Vstupní hodnoty: PolomČr zaoblení: PrĤmČr hĜídele: PrĤmČr hĜídele: Vrubový souþinitel:

r = 1 mm D = 65 mm d = 55 mm

/ ######## = ################ rVstu

R < ########## = ################ r|}~

Ohybový moment:

hL\ DEa >m@ d >@ f_% hLa DE\ >m@ d >@ 0f_%

, , @ hLxlo j>hL\ K hLa f, K 0f, 00_%

NapČtí v ohybu:

hGxl4 d hGxl4 d 00 r|}~ d d o v -d

- d o hye

Gxl4 r|}~ d

NapČtí v krutu:

hV d hV d rVstu d d o vV -d

- d o #hye

wMH xl4 rVstu d

(8.45) (8.46) (8.47)

(8.48)

(8.49)

Redukované napČtí: , @ , K d , 0#hye sxl4 j>G, K d wMH

(8.50)


.

sxl4

0

(8.51)

5) PrĤĜez EX5 (osazení u ložiska 1) Vstupní hodnoty: PolomČr zaoblení: r = 1 mm PrĤmČr hĜídele: D = 46 mm PrĤmČr hĜídele: d = 35 mm - 59 -



Vrubový souþinitel:

/ ######## = ############ rVstu

R < 0 0######## = ############ r|}~

Ohybový moment: hL\ DEa >m@ d >@ _% hLa DE\ >m@ d >@ _%

, , @ hLxlo j>hL\ K hLa _%, K , 0f0 f0_%

NapČtí v ohybu:

hGxl d hGxl d 0f0 r|}~ d d o v -d

- d o hye hye

Gxl r|}~ d

(8.52) (8.53) (8.54)

(8.55)

Bezpeþnost vĤþii meznímu stavu pružnosti: zV

.

Gxl

(8.56)

8.5 Návrh perového spoje, kontrola na stĜih st a otlaþení Pro hĜídel o prĤmČru ru d = 38 mm je normalizováno pero 10e7 x 8 x L ýSN SN 02 2562 Vstupní hodnoty: Hloubka drážky: Hloubka drážky: ŠíĜka pera: Dovolený tlak

t1=3,3 mm t=4,7 mm b = 10 mm pD = 80MPa

1G>&* *(-( 1G>&* *(-(803:

Kontrola na smyk: DS d

hV d f0#_

(8.57)

- 60 -



Mez kluzu ve smyku dle podmínky HMH:

. 00 d . 00 d #hye

(8.58)

Volím bezpeþnost kk = 1,5 w w

00# Du 3 d MT

#MT

=> volíme l = 20mm

Du f0 0#%% 3 d w d 00

(8.59) (8.60) (8.61)

Kontrola na tlak: • mezi bokem drážky v hĜídeli a perem (

(

ff# 0

D( ff# #hye####### d d 0

(8.62)

(8.63)

I( # ## I{# #################O •

mezi bokem drážky v náboji a perem , ,

00# ( K K

D, 00## f0#hye# > 3@ d ( > @ d

(8.64)

(8.65)

I, = I{ ###################_O Minimální délka pera: =

D, 00 K3 K % I{ d ( d

(8.66)

= #%%

Volíme pero 10e7 x 8 x 63 ýSN 02 2562 z dĤvodu zachování pĤvodního hĜídele þerpadla.

- 61 -



8.6 Výpoþet, volba a ovČĜení trvanlivosti ložisek 8.6.1 Volba ložiska v podpoĜe C V podpoĜe C bylo zvoleno dvouĜadé kuliþkové ložisko s kosoúhlým stykem SKF 3311A dle katalogu výrobce SKF. Toto ložisko je schopné zachycovat i axiální zatížení, které v tomto místČ pĤsobí. Jeho parametry jsou: PrĤmČr: D = 120 mm PrĤmČr: d = 55 mm ŠíĜka: B = 49,2 mm Výpoþtové souþinitele: e = 1,34; X = 0,54; Y1= 0,47; Y2= 0,81 Dynamická únosnost: c = 112 kN Statická únosnost: co = 81,5 kN Exponent: ak = 3 (bodový styk) Provozní souþinitel: af = 1,3 Požadovaná trvanlivost ložisek: Ln = 175200 hod (24h/dennČ po dobu 20 let) Parametr: V = 1 (je pohyblivý vnitĜní kroužek ložiska) Výsledná radiální reakce v C: FRC = 135,047 N Axiální síla v C: FC,ax= 412,77 N Výpoþet základní dynamické únosnosti ložiska: D]H = d D^]

(8.67)

00 = 0

# = #####y__ Ekvivalentní dynamické zatížení:

D d d D^] K O, d D]H d d 0 K d 00 00#_

Základní dynamická únosnost ložiska: (L]

(

(

d T d H£ d 0 d o e d D d ¢ d 00 ¢ ¡ ¡ 0#z_

(8.68)

(8.69)

(L]

8.6.2 Volba ložiska v podpoĜe A V podpoĜe A bylo zvoleno jednoĜadé kuliþkové ložisko SKF NU 307 ECP dle katalogu výrobce ložisek SKF. Jeho parametry jsou: PrĤmČr: D = 80 mm PrĤmČr: d = 35 mm ŠíĜka: B = 21 mm - 62 -



Dynamická únosnost: Statická únosnost: Exponent: Provozní souþinitel: Požadovaná trvanlivost ložisek: Parametr: Výsledná radiální reakce v A:

c = 75 kN co = 63 kN ak = (10/3) (liniový styk) af = 1,3 Ln = 175200 hod (24h/dennČ po dobu 20 let) V = 1 (je pohyblivý vnitĜní kroužek ložiska) FRA = 52,188 N

Výpoþet základní dynamické únosnosti ložiska: (LE

(

(

d T d H£ d 0 d (L e d DÊ d ¢ d ¢o ¡ ¡ #z_

(8.70)

(Li

ObČ ložiska jsou na první pohled pomČrnČ pĜedimenzovaná, je to z dĤvodu toho, že pĜi použití pĤvodního obČžného kola mohla vznikat vČtší zatížení. 8.6.3 Kontrola trvanlivosti ložisek Vstupní hodnoty: Souþinitel pravdČpodobnosti havárie: Souþinitel materiálu ložiska: Souþinitel mazání: Souþinitel užiteþné trvanlivosti: Ložisko A:

a1 = 0,965 a2 = 1 a3 = 0,9116 a4 = 1 (L

¡ ¦ o f d ¤ ¥ ( d , d o d 4 d ¢ d § d ¨¥ d ©

(8.71)

(L

o 0 f d ¡ ##### f d d f d d ¢ d d d

##### d (o ª« Ložisko B:

(L

¡ ¦ o f d ¤ ¬ ( d , d o d 4 d ¢ d § d d ©

(8.72) (L

o f d ¡ ##### f d d f d d ¢ d d 00 d

##### d (L ª«

- 63 -



9. CHARAKTERISTIKY ýERPADLA S JEDNOTLIVÝMI OBċŽNÝMI KOLY Touto kapitolou zaþíná tzv. postprocessing, což mĤžeme chápat jako vyhodnocení a zobrazení výsledkĤ získaných z vlastního CFD výpoþtu. V této kapitole se budeme vČnovat zejména stanoveným charakteristikám þerpadla pro jednotlivé konstrukþní Ĝešení obČžných kol. V praxi se jedná o zjištČní prĤbČhĤ 3 základních charakteristik mČĜených þi vypoþtených pĜi konstantních otáþkách n = 1450 min-1, jimiž jsou: závislost mČrné energie Y na prĤtoku Q závislost úþinnosti Ș na prĤtoku Q závislost pĜíkonu P na prĤtoku Q Hodnoty výše uvedených veliþin ve zvolených prĤtocích, jsme vypoþítali dle známých výpoþetních vztahĤ: • MČrná energie þerpadla: O •

•

I, I( ,, (, K K >, ( @

(9.55)

PĜíkon þerpadla

y hV d - d

(9.56)

Úþinnost þerpadla ®

ddO d ¯ y

(9.57)

9.1 ObČžné kolo Turo

# / * (- $+ ,/ L8N@ :

!- I8@: 1;9C* / LMDFI2(/+ 6$

- 64 -



# ( $ (- $+ ! !8Q:

!"#

!- I8@: 1;3! * !MDFI2(/+ 6$

# K" , (- $+

7" O8P:

!- I8@: 1;0C* K" ,MDFI2(/+ 6$

Z teorie víme, že charakteristiku þerpadla mĤže ve výsledku ovlivĖovat více veliþin a mĤžeme ji považovat za stabilní, když je splnČno: °O °

(9.58)

Když je podmínka, uvedená v rovnici 9.4, splnČna po celém rozmezí uvažovaného prĤtoku, mĤžeme charakteristiku þerpadla považovat za stabilní. V pĜípadČ, že by tato podmínka nebyla splnČna, mohlo by docházet pĜi urþité hodnotČ mČrné energie Y k pĜeskakování mezi dvČma pracovními prĤtoky Q. Tento jev tedy ve výsledku zpĤsobuje tlakové a prĤtokové pulsace, což je z hlediska provozu þerpadla nežádoucí. Takto pracující þerpadla nemohou být kvĤli jejich nestabilnímu provozu použita pĜi nároþných operacích v provozech, kde je spolehlivost a pĜesnost na prvním místČ (jaderné elektrárny, chemický prĤmysl atp.) [22] - 65 -



Z grafĤ vyobrazených na obr. 60, 61, 62 mĤžeme vidČt charakteristiky þerpadla s použitým obČžným kolem typu Turo. Z tČchto grafĤ a výše uvedených podmínek je patrné, že charakteristika mČrné energie þerpadla je stabilní. PĜíkonová charakteristika má témČĜ lineární prĤbČh, aþkoliv v blízkosti závČrného bodu je patrné mírné vyboþení od prĤbČhu pĜímky. MĤže to být zpĤsobeno nepĜesností pĜi výpoþtu ve Fluentu pĜi takto nízké hodnotČ prĤtoku. PrĤbČh všech tĜí charakteristik se dá posoudit dle obecné teorie prĤbČhĤ tČchto kĜivek jako správný. V návrhovém optimu, pro které jsme samotné þerpadlo navrhovali, dosahujeme hodnot dopravní výšky H = 22,23 m, pĜíkonu P = 13385 W a úþinnosti Ș = 58,4 %, což jsou hodnoty vyšší resp. u pĜíkonu nižší než návrhové a jsou tedy zachovány provozní parametry stroje.

9.2 ObČžné kolo Turo s ostruhou

,/ L8N@ :

# / L(- $I

!- I8@: 1;4C* / LMDFI2( 6$$*$

# ( $!(- $I

! !8Q:

!"#

!- I8@: 1;5! * !MDFI2( 6$$*$

- 66 -



# K" O (- $I

7" O8P:

!- I8@: 1;GR" * ,MDFI2( 6$$*$

Zobrazené charakteristiky pro obČžné kolo Turo s ostruhou jsou v zásadČ podobné charakteristikám zobrazeným v prvním konstrukþním Ĝešení. Lze zde ale pozorovat pokles mČrné energie þerpadla a tudíž i dopravní výšky. Charakteristika mČrné energie je pro obČžné kolo Turo s ostruhou strmČjší, což by mohlo potvrzovat teorii, kterou uvádí i výrobce obČžných kol Supervortex firma Grundfos. Tato charakteristika se jeví témČĜ jako pĜímka. U ostatních charakteristik mĤžeme vidČt urþitý pokles oproti hodnotám z výpoþtu pro obČžné kolo typu Turo. V návrhovém optimu, pro které jsme samotné þerpadlo navrhovali, dosahujeme hodnot dopravní výšky H = 20,47 m, pĜíkonu P = 12843 W a úþinnosti Ș = 56,1 %, což je oproti návrhovým hodnotám pokles. Na obr. 67 je vidČt rozdíl mČrných energií u jednotlivých Ĝešení, který v návrhovém bodČ þiní pĜibližnČ $Y=17 J.kg-1.

9.3 Porovnání výsledkĤ u jednotlivých konstrukþních Ĝešení

# / L(- $I ,/ L8N@ :

!$ I8@: 1;;AD(-/*$ / LMDFI2(/ $ "B

- 67 -



. /)* SL8N@ :

. /)* -*6$ T 6$$*$

%&"'()* "

!$ I8@: 1;< D / (/B

! !8Q:

# ( $!(- $I

!"#

!"#

!$ I8@: 1;=AD(-/*$( $!MDFI2(/ $ "B

# K" O (- $I

R" O8P:

!$ I8@: 1;>AD(-/*$K" OMDFI2(/ $ "B

- 68 -



9.4 MČrné energie v jednotlivých þástech þerpadla V této kapitole si uvedeme charakteristiky mČrné energie zobrazené pro jednotlivé pracovní prostory, tak jak jsme si je pĜi p i modelování daného problému rozdČlili, rozd viz. kapitola 6.1.2. Vykreslíme si tedy prĤbČ ĤbČhy kĜivek mČrných energií v pracovním prostoru nad obČžným ob kolem, kole, spirále, sacím a výtlaþném výtla potrubí. Hodnoty mČrné rné energie resp. diference mČrných energií v jednotlivých výše uvedených oblastech, ob , byly stanoveny následujícím zpĤsobem: vee Fluentu jsme si vždy vytvoĜili vytvo Ĝezy, které odpovídali výstupu a vstupu pro danou oblast a zjistili v nich hodnotu hodn totálního tlaku pt, poté jsme stanovili tlakovou diferenci mezi výstupem a vstupem $p $ t a jednoduchým pĜepoþtem tem (viz. rovnice 9. 55) stanovili hodnotu mČrné rné energie pro danou oblast. Tento postup jsme opakovali opakovali pro všechny výpo výpoþtové body a následnČ z vyjádĜených ených hodnot sestrojili níže uvedené charakteristiky. charakteristik 9.4.1

ýerpadlo s obČžným Čžným kolem Turo

,/ ' )*" *"( 6$ ,/ ' )*" *"(T

,/ L8N@ :

+'

,& #'(

-'#./

!- I8@:

1<9# / L(- $I

,/ ' )*" *"( 6$ ,/ ' )*" *"(T

,/ L8N@ :

0"

2)',#

01',

!- I8@:

1<3# / L(- $I 1<3# / L(- $I' )*" *"(

- 69 -



7 mĤžeme pozorovat prĤbČhy hy závislostí mČ mČrných energií na Z uvedených obr. 70 a 71 prĤtoku v jednotlivých pracovních oblastech þerpadla. Je vidČt, t, že celková charakteristika þerpadla má stabilní prĤbČh. Čh. Zajímavý je pr prĤbČh v prostoru obČžného žného kola a spirály. Pr PrĤbČh charakteristiky obČžného žného kola je pom pomČrnČ hodnČ nestabilní, což negativnČČ ovliv ovlivĖuje celkovou charakteristiku þerpadla. Oproti proti tomu charakteristika spirály dle zobrazených výsledkĤ výsledk spíše pĜispívá ke stabilitČ celkové charakteristiky charakteristiky. U bČžných žných hydrodynamických þerpadel tomu bývá ve vČtšinČ pĜípadĤ naopak a k nestabilitČ v þerpadle þasto pĜispívá spirála. 9.4.2

ýerpadlo s obČžným Čžným kolem Turo s ostruhou

,/ L8N@ :

+'

,& #'(

-'#.

,/ ' )*" *"(T 6$ ,/ ' )*" *"( $*$

!- I8@: 1<0# / L(- $I 1<0# / L(- $I' )*" *"(

,/ ' )*" *"(T 6$ ,/ ' )*" *"( $*$

,/ L8N@ :

01',

0"

2)',#

!- I8@: 1<4# / L(- $I L(- $I' )*" *"(

Charakteristiky a jejich prĤbČh pr pro jednotlivé oblasti þerpadla s použitým kolem Turo s ostruhou se víceménČ shodují s prĤbČhy výše zmínČného obČžného bez této konstrukþní konstruk úpravy. - 70 -



10. PRģTOK JEDNOTLIVÝMI OBċŽNÝMI KOLY Po výše uvedených výpoþtech výpoþ jsme se zamČĜili na oblast obČžného žného kola, cílem této kapitoly bylo prozkoumat chování kapaliny na vstupu a výstupu u námi navržených obČžných ob kol. Dále jsme chtČli li stanovit pom pomČrný prĤtok obČžným kolem v závislosti závislost na prĤtoku þerpadlem a prozkoumat, jestli se v porovnání s pĤvodním variantou kola Turo jakkoli projeví ostruha u druhé konstrukþní varianty. Za pomocí výpoþtového tového modelování proudČní byly zjištČny ny jednotlivé pr prĤtoky obČžnými koly. Vlastní zjištČní jednotlivých otlivých prĤtokĤ pr bylo stanoveno ze dvou ĜezĤ. Ĥ. První jsme vytvo vytvoĜili na vstupu do obČžného žného kola tj. tČsnČ pod þelní hranou lopatek a následnČČ jsme vytvo vytvoĜili druhý válcový Ĝez na výstupu z kola. Jednotlivé Ĝezy jsou vyobrazeny v kap. 13.1 na obr. 92. Po té jsme si v námi použitém softwaru Fluent nechali vypsat hodnoty hodnoty hmotnostních tok tokĤ %± jednotlivými Ĝezy a pĜepoþítali þítali je na prĤtok. Na obr. 74 je graficky zobrazen prĤbČh pr prĤtoku na vstupu Qk,vs a výstupu Qk,vý z kola k celkovému prĤtoku þerpadlem erpadlem Q. Z grafu je patrné že pomČrný prĤtok tok kolem vĤþi v celkovému prĤtoku stoupá smČrem k závČrnému závČ bodu þerpadla a prĤbČhh této závislosti má hyperbolický charakter.

%*(- -$($)$($/+* %*(- -$($)$($/+*

.)1

! /(- -I@I

.)1

IM43@

.1

.1

IM0G@

!- I8@: 1<5# ( /$(- $/+) 1<5# ( /$(- $/+) (- $"(

Z hlediska zhodnocení klasického þerpadla s kanálovým obČžným žným kolem, kde se dá Ĝíct, že celý prĤtok prochází obČžným Čžným kolem, je v optimu u þerpadla s vírovým obČžným ob kolem, prĤtok obČžným žným kolem menší než celkový prĤtok pr þerpadlem. Toto potvrzuje závČry, které - 71 -



jsme si uvedli v teoretické þásti této práce. Princip tohoto þerpadla totiž spoþívá v tvorbČ intenzivního víru, pĜiþemž v dĤsledku jeho pĤsobení odchází þást kapaliny z prostoru þerpadla spolu s neþistotami dĜíve a nedojde tedy k vzájemné interakci s obČžným kolem. Charakteristika pro obČ konstrukþní Ĝešení se víceménČ shoduje, jediný rozdíl mezi hodnotami se nachází v blízkosti závČrného bodu. Toto je zpĤsobeno nepĜesnostmi v CFD výpoþtu pĜi takto malých hodnotách prĤtoku. V grafické závislosti jsou dále vyneseny pĜímky, které odpovídají hodnotČ, kdy se prĤtok obČžným kolem rovná prĤtoku þerpadlem. Z uvedených hodnot je na vstupu oproti výstupu patrný posun smČrem k nižším hodnotám prĤtoku. Tento rozdíl je zpĤsoben zejména faktem, že kapalina nevstupuje do prostoru obČžného kola, v celém pĤvodnČ uvažovaném Ĝezu, ale od urþité hodnoty polomČru obČžného kola zaþíná pĤvodnČ uvažovaným Ĝezem vystupovat.

- 72 -



11. DISIPACE A PRģBċH DISIPAýNÍ FUNKCE Další pomČrnČ rozsáhlou þástí diplomové práce bylo vyhodnocení disipace a disipaþní funkce pro naše konstrukþní Ĝešení. V této kapitole si tedy uvedeme bližší informace k teorii této problematiky a následnČ zobrazíme prĤbČhy disipaþních funkcí pro naše konkrétní Ĝešení. Disipací rozumíme nevratnou pĜemČnu (ztrátu) energie, která se pĜemČĖuje nejþastČji v energii tepelnou. V této problematice ji mĤžeme oznaþovat jako tzv. ztrátový pĜíkon. Ten se pĜi provozu þerpadla spotĜebuje a vČtšinou vlivem tĜení pĜemČní na teplo. Disipaþní funkcí rozumíme závislost disipace na jiné veliþinČ a tedy to jak energii ztrácíme v závislosti na dané veliþinČ, v našem pĜípadČ napĜíklad prĤtoku. Z teorie [23] víme, že prĤbČh disipaþní funkce má vliv na ostatní charakteristiky þerpadla, zejména na charakteristiku mČrné energie þerpadla Y=f(Q). Díky tomu, že u þerpadel s nízkými specifickými rychlostmi je závislost pĜíkonu þerpadla P na prĤtoku Q vČtšinou lineární mĤžeme vyvodit následující vztahy. Disipaþní funkce se dá rozdČlit na dvČ složky: / /L K /²

(11.55)

pĜiþemž ve výše uvedené rovnici odpovídá složka D0 statické složce disipaþní funkce a složka DQ složce závislé na prĤtoku. NáslednČ je možné vyjádĜit podmínku stability þerpadla v závislosti na prĤbČhu disipaþní funkce. PĜi prĤtoku Q = 0 se dá stanovit podmínka stability charakteristiky odstĜedivého þerpadla: ° , /² °/² = ####ȁ#### ° °

(11.56)

V pĜípadČ, že uvedené podmínky neplatí je výsledná charakteristika þerpadla nestabilní [23]. Ve výsledku mĤžeme tedy Ĝíci, že úhel sklonu kĜivky mČrné energie koresponduje se sklonem kĜivky disipaþní funkce. Aby charakteristika þerpadla Y=f(Q) byla stabilní, musí se vyskytovat v blízkosti závČrného bodu pokles disipaþní funkce a musí tedy splĖovat výše uvedenou podmínku, že první derivace disipaþní funkce musí být záporná. ObecnČ platí, že þím strmČjší je v blízkosti závČrného bodu pokles disipaþní funkce 2D=f(Q), tím je charakteristika þerpadla Y=f(Q) stabilnČjší. PrĤbČh disipaþní funkce dále mĤže dávat informace o zdaĜilosti hydraulického návrhu þerpadla. ýím blíže se nachází optimální bod ve kterém má charakteristika Ș=f(Q) maximální hodnotu úþinnosti, bodu v kterém má disipaþní funkce minimum, tím je zdaĜilejší hydraulický návrh þerpadla. V praxi se vČtšinou vyskytuje minimum disipace posunuto o vČtší þi menší kousek vlevo na ose x oproti maximu úþinnosti. CelkovČ se dá tedy posoudit prĤbČh disipace z hlediska posouzení kvality návrhu jako pomČrnČ dĤležitý, protože souvisí se stabilitou charakteristiky þerpadla, což je jedna z nejdĤležitČjších vČcí pĜi vlastním návrhu. Nestabilita þerpadla vede k prĤtokovým a tlakovým pulzacím, þehož se v provozu þerpadla snažíme vždy vyvarovat. Hodnoty disipaþní funkce 2D jsme zjišĢovali pomocí CFD výpoþtu ve Fluetu. Pomocí pĜíkazu „custom field function“ jsme si nadefinovali vztah, díky kterému mĤžeme následnČ zjistit hodnotu disipaþní funkce: / ® d ,

(11.57)

PĜiþemž veliþiny ve vztahu jsou dynamická viskozita Ș [N.s.m-2] a rychlost deformace S. Pro vlastní zjištČní hodnoty disipaþní funkce 2D bylo následnČ nutné provést ve Fluentu objemovou integraci námi definované funkce 2Df pĜes jednotlivé objemy. Tento postup byl proveden pro každý výpoþetní prĤtok ve všech definovaných objemech (viz. kap. 6.1.2) a následnČ byly stanoveny níže uvedené charakteristiky. Rychlost deformace najdeme ve Fluentu v kategorii derivátĤ a v 3D kartézském souĜadném systému se dá definovat jako: - 73 -

VUT Brno 2011 FSI – Energetický Ústav ³ ³ ³


°+ °+ °+ °+ °+ ° °+ °+ ° K ¢K K ¢K K ¢¶¶ K °m °m °m °´ °´ °m °µ °µ °m

° ° °+ ° ° ° ° ° ° K ¢K K ¢K K ¢¶¶ K °m °m °´ °´ °´ °´ °µ °µ °´

° ° °+ ° ° ° ° ° ° K ¢K K ¢K K ¢¶¶ °m °m °µ °´ °´ °µ °µ °µ °µ

(11.58)

Ve vztahu pro výpoþet S odpovídají složky u, v, w složkám rychlostí v jednotlivých smČrech vx, vy, vz. Dalším vztahem, který si zde uvedeme, je vztah pro výpoþet et hydraulické úúþinnosti þerpadla. erpadla. Za pomocí disipace se dá napsat následovnČ: následovn ®|

dd d d K /

(11.59)

11.1 Vyhodnocení disipace pro obČžné kolo typu Turo

# ( /$ (0(- $I 3 +'4

(0@0U(8T:

3

,& #'(4

3

0"4

3

01',4

3

-'#.4

!$ I8@:

1
žeme vidČ vidČt funkþní závislost pomČru disipace k prĤtoku v jednotlivých Na obr. 75 mĤžeme oblastech námi navrženého a zkoumaného þerpadla. Z jednotlivých prĤbČhĤ prĤb je patrné, že celková charakteristika kteristika disipaþní disipaþ funkce þerpadla erpadla odpovídá teorii o stabilit stabilitČ charakteristiky mČrné energie. V blízkosti závČrného záv bodu tedy klesá, á, což koresponduje s výše uvedenou stabilní charakteristikou þerpadla. erpadla. V nČkterých oblastech jako napĜ. u obČžného Čžného kola þi spirály nejsou prĤbČhy pĜíliš pĜesvČdþ Čdþivé a vykazují lehké rozdíly vĤþii uvedené teorii. Minimum celkové disipace se nacházíí pĜi pĜ hodnotČ prĤtoku pĜibližnČ Q = 12 l/s,, což je pomČrnČ pom daleko od úþinnostního innostního maxima. Tento posun je nejspíše zp zpĤsoben soben tvarem a ko konstrukcí obČžného kola, které dle prĤbČhu hu charakteristik z nejvČtší þásti pĜispívá v þerpadle k nestabilitČ, aþkoliv celková charakteristika nestabilní není. není Je nutno podotknout, že minimum disipace u þerpadla - 74 -



žným kolem, leží v prostoru, u, kde výsledky CFD výpoþtu výpo nemusí být s námi navrženým obČžným úplnČ korektní. Jedná se o oblast, kdy þerpadlem protékají pomČrnČ nízké pr prĤtoky a hodnoty CFD výpoþtu tu mohou být zkreslené. Pro takto extrémní pĜípad, ípad, kdy se minimum disipace nachází v oblastech velmi nízkých prĤtokĤ, pr by nemusela být tato metoda, metoda vyhodnocení stability z hlediska disipace, vždy využitelná. Na obr. 76 jsou zobrazeny souþtové charakteristiky prĤbČhĤ mČrné Črné energie a disipace pro prostory obČžného kola spolu s pracovním prostorem nad obČžným obČ kolem. PrĤbČh charakteristiky mČrné Črné energie je v tČchto dvou pracovních oblastech nestabilní, þemuž odpovídá klesající kĜivka ivka disipa disipaþní funkce, která v blízkosti závČrného rného bodu nestoupá. Hodnoty zjištČné né pomocí CFD výpoþ výpoþtu jsou ve vČtšinČ pĜípadĤ prokládány polynomicky pro p co nejpĜehlednČjší zobrazení. Na obr. 77 je zobrazeno již výše zmínČné né posunutí minima disipa disipaþní ní charakteristiky oproti maximu úþinnostní ú charakteristiky.

# LMDFI20@0U(MDFI2

3

3

3

3

3

3

3

3

!$ I8@:

! / (0@0U( 8T:

,/ L8N@ :

5#'61 ,&#'(7

41,*5#' 61,& #'(7

1<;AD . / L( /$ (0@0U((- $I(( 1<;AD . / L( /$ ( (

# O OMDFI20@0U(MDFI2

3

3 3

3

3

7" O8P:

(0@0U(8T:

3

8 41,*

!- I8@: 1<
- 75 -



11.2 Vyhodnocení disipace pro obČžné ob kolo Turo s ostruhou Na obr. 78 a 79 mĤžeme žeme vid vidČt výše uvedené charakteristiky teristiky i pro obČžné ob kolo Turo s ostruhou. ObČ zmínČná Ĝešení dosahují obdobných o výsledkĤ a výsledné pr prĤbČhy charakteristik se tedy výraznČ neliší. Minimum celkové disipacee leží na hodnotČ hodnot prĤtoku Q = 14 l/s. U charakteristiky disipace pro pracovní prostor nad kolem spolu s prostorem obČžného kola je v blízkosti závČrného záv bodu patrné menší vyrovnání kĜivky. Ĝivky.

# (0(- $I

! / (0@0U(8T:

3 3

+'

3

,& #'( 0"

3 3

01',

3

-'#.

3 3

!- I8@: 1<=AD. ( /$ ((- $( 1<=AD. ( /$ ((- $(/+ 6$$*$

3

3

3 3

3

3

3

3

3

! / (0@0U(8T:

,/ L8N@ :

# LMDFI20@0U(MDFI2

5#'61 ,&#'(7

41,*5#' 61,& #'(7

!$ I8@: 1<>AD . / L( /$ (0@0U((- $I(( 1<>AD . / L( /$ (

- 76 -



# # OMDFI20@0 U(MDFI2

3

3

3

7" O8P:

(0@0U(8T:

3

8 41,*

3

3

!- I8@: 1=9AD . ./ * 1=9AD . ./ * OMDFI2* 0@0 U(MDFI2

11.3 Rozdíly u jednotlivých konstrukþních konstruk Ĝešení U jednotlivých zkoumaných konstrukþních návrhĤ obČžných žných kol nejsou viditelné velké rozdíly. Uvedeme si zde porovnání dvou základních prostorĤ, p , které jsou z hlediska stability charakteristiky þerpadla erpadla nejvýznamn nejvýznamnČjší.

!-/* (0/+ ! / (0@0U(8T:

3 3 3 3

+'

3 3

+'

3 3 3 3

!- I8@: 1=3!-/* ("D$ 1=3!-/* ("D$ ($/+*

- 77 -



!-/* (0 !-/* (0($ ! / (0@0U(8T:

3 3 3

,& #'( #'(

3 3

,& +'( +'(

3 3 3

!- I8@: 1=0!-/* ("D$ 1=0!-/* ("D$ ($/+)

Z uvedených charakteristik je patrné, že v prostoru obČžného žného kola vychází pĜi p konstrukþní úpravČ obČžného žného kola s ostruhou vyšší disipace energie. Oproti tomu ale tato ta varianta vykazuje pro prostor nad kolem disipace energie en nižší než bez ostruhy. Vlastní prĤbČhy hy charakteristik nevykazují mimo výše uvedené záv závČry žádné vČtší Čtší rozdíly. Pro lepší prozkoumání vlivĤ vliv jednotlivých oblastí na dosahované vlastnosti þerpadla se následující þásti ásti práce se budeme zabývat vyhodnocením tlakových tlak diferencí v jednotlivých oblastech þerpadla. erpadla.

- 78 -



12. TLAKOVÁ DIFERENCE V JEDNOTLIVÝCH OBLASTECH Jak už jsme si v práci uvedli, model þerpadla byl rozdČlen na nČkolik kolik samostatných þástí. V tČchto þástech jsme kromČČ výše zmínČných zmín veliþin in zkoumali i diferenc diference statických tlakĤ mezi výstupem a vstupem v jednotlivých oblastech. Jednotlivé body stanovené pĜi p zvolených prĤtocích tocích byly proloženy polynomy 2. stupn stupnČ.

12.1 Diference statických tlakĤ tlak pro obČžné kolo Turo

C* S( MDFI2

. )* -S( 8!:

+'

,&#'(

01',

!- I8@: 1=4# D )* -( )* -((- $I

C* S( MDFI2 . )* -S(8!:

0"

2)',#

!- I8@:

1=5# D )* -((- $I

- 79 -



12.2 Diference statických tlakĤ tlak pro obČžné kolo Turo s ostruhou

C* S( MDFI2 . )* -S(8!:

+'

,& #'(

01',

!- I8@:

1=G# D )* -((- $I

C* S( MDFI2 . )* -S(8!:

0" 2)',#

!- I8@:

1=;# D )* -((- $I

Z uvedených charakteristik je názornČ názorn vidČt správná funkce spirály v námi navrhovaném þerpadle resp. obČžných žných kolech þerpadla. Spirální tČleso spotĜebovává þást kinetické energie kapaliny a mČní ní ji na energii tlakovou. V našem pĜípadČ je rozdíl mezi vstupn vstupní þástí spirály a výtlaþným hrdlem v obou uvažovaných pĜípadech p pĜibližnČ $ps= 70 kPa (pro návrhový prĤtok). Spirála tedy plní v þerpadle erpadle svou funkci a generuje podstatnou þást celkové tlakové energie þerpadla. Další velice dĤležitou þástí práce, kterou jjsme se zabývali v následující kapitole, bylo zobrazení a následné vyhodnocení vlastního víĜivého ví v pracovních prostorech þerpadla. - 80 -



13. VYHODNOCENÍ VÍěIVÉHO POHYBU V TċLESE ýERPADLA V této kapitole si uvedeme a blíže popíšeme proudČní, které probíhá uvnitĜ pracovního prostoru þerpadla. Toto je pro pochopení dČjĤ, které probíhají uvnitĜ þerpadla velmi podstatné. Pomocí grafické interpretace si zobrazíme vektory rychlostí proudící kapaliny, z kterých budeme moci porovnat jednotlivé rozdíly u obou konstrukþních Ĝešení obČžného kola þerpadla. Provedené vyhodnocení nám dává pĜesnČjší pĜedstavu o vlastním proudČní uvnitĜ tČlesa þerpadla a obČžného kola. Grafické vyhodnocení v CFD softwaru Fluent nám dále dává možnost napĜ. zviditelnit jednotlivé víry vyskytující se v našem výpoþetním prostoru.

13.1

ObČžné kolo Turo

Z hlediska složitosti námi modelovaného prostoru a celkové velikosti výpoþetní sítČ nebylo grafické zobrazení veliþin a hodnot ve Fluentu zcela jednoduché. Pro pĜehlednČjší zobrazení vektorĤ rychlostí jsme si vytvoĜili v jednotlivých prostorech þerpadla výseþe z válcových ĜezĤ, pro jeden lopatkový kanál. Pro vytvoĜení bližší pĜedstavy, jak rozdČlení lopatkového kanálu a prostoru nad kolem vypadalo, mĤžeme námi vytvoĜené Ĝezy na jednotlivých polomČrech obČžného kola vidČt na obr. 87. Stejným postupem byly vytvoĜeny Ĝezy i v prostoru nad kolem. NáslednČ byly vykresleny vektory rychlostí pro jednotlivé Ĝezy. 1=<#.)* .-' )*( /* (

Ze zobrazených prĤbČhĤ vektorĤ relativních rychlostí v jednotlivých Ĝezech mĤžeme názornČ vidČt prĤbČh víĜení v lopatkovém kanále. Je zajímavé, všimnout si rotace kapaliny v Ĝezu 2, která má protibČžný smČr oproti Ĝezu 4, z tohoto je patrné, že lokální vír kapaliny pĜi prĤchodu mezilopatkovým prostorem vlivem rotace obČžného kola mČní svoji orientaci. V Ĝezu 3 je viditelný samotný princip zmČny rotace, zpoþátku se kapalina toþí ve smČru hodinových ruþiþek a následnČ se vlivem natékající kapaliny do prostoru obČžného kola a samotné rotace kola zmČní svoji orientaci. V Ĝezu 3 jsou patrné dva víry, které se projevují v rozích mezi lopatkou a diskem obČžného kola, následnČ se vlivem výše zmínČných faktorĤ stává dominantním vír, jehož smČr jde proti smČru hodinových ruþiþek. Dále je vidČt, že velikosti relativních rychlostí jsou nejvyšší v blízkosti Ĝezu 1 a postupnČ se smČrem k výstupu z kola zmenšují. - 81 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem 1 == % * * $ /+* .$3

1 => % * * $ /+* .$0

1 >9 % * * $ /+* .$4

- 82 -



1 >3 % * * $/+* .*5G

Další þástí bylo vyhodnocení víĜivého pohybu v prostoru nad obČžným kolem. V práci jsou obdobnČ jako pro pĜedchozí þást uvedeny prĤbČhy vektorĤ absolutních rychlostí v jednotlivých Ĝezech (obr. 93, 94, 95, 96). Z obr. 97 je vidČt celkové rozložení a prĤbČh absolutních rychlostí po polomČru obČžného kola. Podle prĤbČhĤ vektorĤ v jednotlivých Ĝezech je zĜejmé, že kapalina nenatéká do obČžného kola po celém pĤvodnČ uvažovaném vstupním prĤĜezu. Z poþátku jsme uvažovali jako vstupní prostor do obČžného kola plochu Ĝezu vytvoĜeného na þelech lopatek. ěez je pro lepší názornost uveden na obr. 92. Z interpretovaných poznatkĤ mĤžeme tedy konstatovat, že nátok probíhá pouze v pĜední þásti v blízkosti náboje obČžného kola. PostupnČ se vlivem geometrie tČlesa, rotace a víĜivého pohybu smČrem k výstupnímu polomČru kola mČní i smČr protékající kapaliny a zaþíná pĤvodnČ uvažovanou vstupní plochou i vytékat. Na tento jev už poukazovaly výsledky v kapitole 10, kde jsme zkoumali pomČrný prĤtok obČžným kolem. SouþastnČ dochází k výraznému navýšení rychlostí smČrem od osy rotace k výstupnímu polomČru obČžného kola.

1>0#..-)*(-/$+ $($ )$($./+* F$(" V W)$(" V"/2

- 83 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem 1 >4 !-/* - $* * ($ .$3

1>5!-/* - $* * ($ .$0

1 >G !-/* - $* * ($ .$4

- 84 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem 1 >; !-/* - $* * ($ .$5G

1 >< C ) (* * B*.*

Dále jsme pozorovali prĤbČhy vektorĤ rychlostí v „meridiálním“ Ĝezu vedeném skrz þerpadlo oblastí mezi lopatkami. Z obr. 98 a 99 je vidČt rozložení vektorĤ pro oblast tekutiny náležející prostoru obČžného kola a dále prostoru nad kolem. Z detailu na uvedeném na obr. 100 je vidČt jak kapalina vystupuje z obČžného kola a jaký vliv má na proudČní v této oblasti geometrie boþní spáry mezi obČžným kolem a tČlesem þerpadla. V našem pĜípadČ byla použita spára se sklonem 15°. Na obr. 99 jsou vidČt dva vČtší víry, které se tvoĜí z dĤvodu interakce kapaliny rotující nad obČžným kolem a kapaliny z obČžného kola vystupující.

- 85 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem 1 >= % * *

.$( (/+*

1 >> % $* *

.$ ($

1 399 % * )$($ ./+*

- 86 -



Z dalšího vyobrazení Ĝezu obr. 101, který prochází obČžným kolem kolmo na osu z, mĤžeme pozorovat vznik protibČžného proudČní. V tomto prostoru je pomČrnČ dobĜe pozorovatelný vznik proudČní, které se stáþí ve smČru hodinových ruþiþek, pĜiþemž samotné obČžné kolo se z tohoto pohledu otáþí proti smČru hodinových ruþiþek. Na obr. 102 jsou zviditelnČné proudnice uvnitĜ mezilopatkového prostoru. Tyto proudnice jsou vypuštČné z kĜivky, která se nachází v nátokové þásti obČžného kola. Na obr. 103 jsou zobrazeny vektory výstupních rychlostí po obvodu obČžného kola. 1 393 % .$ . ( /+* ($/( $

1 390 #. ($ ( *.'* .($ $($/+*

V dalším bodČ jsme se snažili zjistit velikosti relativních rychlostí a úhel, pod kterým vstupuje kapalina do obČžného kola. Hodnoty jsme zjišĢovali u 5 – ti vytvoĜených kĜivek na vstupu do obČžného kola, vytvoĜené kĜivky jsou zobrazeny na obr. 104. Z Fluentu jsme získali stĜední hodnotu rychlosti a úhlu po vybrané kĜivce, získané hodnoty jsou uvedeny v tab. 4. Úhel odpovídá hodnotČ mezi smČrem stĜední hodnoty vektorĤ rychlostí na dané kĜivce a kolmicí na kĜivku v kladném smČru osy z. Pro pĜehlednost je na obr. 104 þervenou šipkou schematicky znázornČn smČr kladných hodnot vstupního úhlu kapaliny. - 87 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem 1 394 % ** .$ )$($ ./+*

1395% ( .' B/ * * $($ ($ .. U ) ' .+ K* ( ) ( $($'

615 **K*-$($/+* 6$

KĜivka 1. 2. 3. 4. 5.

Relativní rychlost (m.s-1) 7,1648 7,0744 4,1921 3,3953 4,0225

Úhel relativní rychlosti (°) 139,9 118,4 137,8 -49,6 50,4

- 88 -


13.2


ObČžné kolo Turo s ostruhou

ObdobnČ jako pro první konstrukþní Ĝešení obČžného kola byly stanoveny a vykresleny pomocí CFD analýzy výsledky pro obČžné kolo s ostruhou. Ve Fluentu jsme vytvoĜili Ĝezy na odpovídajících polomČrech, stejnČ tak jako v pĜedchozí kapitole. Ze zobrazených vizualizací proudČní vidíme, že u prĤbČhu vektorĤ v lopatkovém kanále nenastávají nikterak výrazné zmČny. Malé odchylky u jednotlivých konstrukþních Ĝešení mĤžeme pozorovat u nČkterých prĤbČhĤ vektorĤ. V Ĝezech 4 a 5 se zdá být tok kapaliny u obČžného kola s použitou konstrukþní úpravou v podobČ krycí ostruhy o nČco ménČ zavíĜený. Je ovšem nutné doplnit, že hodnoty nejsou natolik vypovídající, aby toto šlo brát jako obecnČ platný závČr. U vektorĤ rychlostí vyobrazených v Ĝezech náležejících prostoru nad kolem nelze pozorovat žádné odlišnosti. Pouze bych zmínil negativní vliv ostruhy ve vstupní þásti obČžného kola, který je vidČt na obr. 112. Je patrné, že zde ostruha zmenšuje vstupní prostor pro kapalinu. 1 39G % * * $/+* $*$(.3

1 39; % * * $ /+* $*$(.0

- 89 -



1 39< % * * $ /+* $*$(.4

1 39= % * * $ /+* $*$(.5G

1 39> C ) (* $* * ($

- 90 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem 1399!-/* - *(( .*5G

1333!-/* - *(( .*04

1330!-/* - *(( .$3

- 91 -



V uvedeném „meridiálním“ Ĝezu na obr. 114 je patrný po obou stranách vznikající lokální vír uprostĜed lopatkového kanálu. Z hlediska vyhodnocení protibČžného proudČní a ostatních zobrazených hodnot není viditelná výrazná zmČna oproti pĜedchozímu konstrukþnímu Ĝešení. Z obr. 117, na kterém jsou zviditelnČné proudnice je vidČt, že þást kapaliny odchází do vedlejšího kanálu, což je zpĤsobeno zejména výše zmínČným pĜekrytím lopatkového kanálu ostruhou. 1 334 !* .+ - *

.$ ( (

1 335 % *

.$ ($ /+* $*$

- 92 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem 133G% * )$($ ./+* $*$

1 33; #. ( /+* ($/ ( $ ( /+ $*$

1 33< % $* (-/* ($ $ ( * $

- 93 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem 1 33= % * .$ )$( " /+* $*$

Hodnoty vstupních a výstupních rychlostí jsou spolu se smČrem, pod kterým vystupují nebo vstupují do kanálu obČžného kola, pro konstrukþní Ĝešení Turo s ostruhou pĜehlednČ uvedeny v tab. 5. 61G **K*-$($/+* 6$$*$

KĜivka 1. 2. 3. 4. 5.

Relativní rychlost (m.s-1) 8,291 8,017 6,084 2,321 4,692

Úhel relativní rychlosti (°) 125,91 130,85 139,67 -76,6 4,81

- 94 -


13.3


Vliv ostruhy na prĤbČh proudČní

Podle firemní literatury od firmy Grundfos, která vyrábí þerpadla s obČžnými koly SuperVortex by mČla ostruha na obČžném kole zamezovat výskytu rušivých vírĤ v oblasti kolem obČžného kola. Z hlediska vyobrazených prĤbČhĤ proudČní v úzké oblasti okolo ostruhy pro obČ konstrukþní Ĝešení nelze jednoznaþnČ Ĝíci, jestli v našem pĜípadČ plní ostruha svou funkci správnČ. Na obr. 119 je zobrazena úzká oblast okolo lopatky klasického obČžného kola Turo. Dochází zde k malému vychýlení smČru proudící kapaliny. Naopak na obr. 120 u obČžného kola s ostruhou tento jev není patrný a proudČní v blízkosti ostruhy se jeví jako rovnomČrné. Vlivem tĜení kapaliny o þelní plochu lopatek dochází ke zpomalení kapaliny v blízké oblasti lopatek, toto zpomalení se samozĜejmČ projevuje více u konstrukþního Ĝešení s ostruhou, protože þelní plocha tČchto lopatek je výraznČ vČtší. 1 33> #. - * ( K. $ ( . ( /+* 6$

1 309 #. - * ( K. $ ( . ( /+* 6$ $*$

- 95 -



14.VYHODNOCENÍ VLIVU BOýNÍ SPÁRY V poslední þásti této práce jsme pozorovali vliv boþní spáry mezi tČlesem þerpadla a obČžným kolem na výsledné charakteristiky þerpadla. Snažili jsme se namodelovat odlišné pĜípady tvarĤ a rozmČrĤ tČchto prostor. V poþáteþní fázi práce jsme tuto spáru modelovali sklonČnou pod úhlem 15°. Proto jsme pro ovČĜení funkce boþní spáry a jejího vlivu na samotné charakteristiky þerpadla s obČžným kolem Turo zvolili 2 extrémní pĜípady velikosti a tvaru této spáry. V první variantČ jsme zvolili nulovou šíĜku spáry a modelovali tak pĜípad kdy by þerpadle byla pouze minimální velikost spáry mezi obČžným kolem a tČlesem þerpadla. Druhá varianta obsahovala naopak návrh spáry, která byla oproti pĤvodní výraznČ zvČtšena a nebyla sklonČna pod žádným úhlem. Ve výsledku situace vypadala tak, že mezi tČlesem a obČžným kolem vznikla po obou stranách válcová spára o velikosti 10,5 mm. Všechny 3 konstrukþní Ĝešení boþní spáry mezi tČlesem þerpadla a obČžným kolem jsou pro pĜehlednost zobrazeny na obr. 121. Na obr. 122, 123 a 124 jsou uvedeny rozdíly ve výsledných charakteristikách þerpadla, odpovídající využití všech tĜí konstrukþních Ĝešení boþních prostor. 2

2

2

1303N $ "B"*( . & &"/012 . & & . & &

# / * (- $+

1,1& 8'( 9

,/ L8N@ :

:% 1;

.'# 1,

!- I8@: 1300.* LMDFI2( ($+ -.)*B"( . / "(/+)

- 96 -



# ( $ (- $+

1, 1&8'( 9

! !8Q:

:% 1;

.'# 1,

!- I8@:

1304.* !MDFI2( ($+ -.)*B"( . / "(/+)

# K" , (- $+

1, 1&8'( 9

7" O8P:

:% 1;

.'# 1,

!- I8@:

1305.* OMDFI2( ($+ -.)*B"( . / "(/+)

Dále jsme pozorovali zmČnu prĤbČhu disipace u þerpadla, pĜi použití této konstrukþní úpravy. Jsou zde uvedené pouze prĤbČhy celkové disipaþní funkce u jednotlivých variant. Ostatní prĤbČhy v jednotlivých þástech þerpadla se výraznČji nelišily. Z obr. 125, kde jsou výsledné prĤbČhy zobrazeny je opČt patrný urþitý vztah mezi prĤbČhy charakteristiky mČrné energie Y=f(Q) a prĤbČhem disipaþní funkce. Je vidČt, že u obou zkoumaných variant je sklon kĜivky disipaþní funkce v blízkosti závČrného bodu þerpadla ponČkud ménČ strmý, což ve výsledku odpovídá i prĤbČhu mČrné energie, kde se charakteristika oproti pĤvodnímu prĤbČhu zaþíná jevit jako nestabilní þi na pomezí stability jako u pĜípadu s velkou spárou viz obr. 122.

- 97 -



# (0(- $I 3

(0@0U(8T:

3

4 #' :%:" 1;

4 #' 1 1& 8'( 9 4 #' .'# 1

3 3 3 3

!$ I8@: 130G!-/*( /$ ("D$ . (- $(-.("*( 130G!-/*( /$ ("D$ . (- $(-.("*(

- 98 -



15. ZÁVċR Tato práce byla zamČĜena zejména na konstrukþní studii návrhu vírového obČžného kola, které by mohlo být dále využitelné v kalovém þerpadle pro þerpání zneþistČných vod. V práci je uveden obecný úvod do problematiky hydrodynamických þerpadel s detailnČjším zamČĜením na skupinu kalových þerpadel. Z hlediska zadání byl primární návrh vírového obČžného kola, které by mČlo být zasazeno do stávající spirální skĜínČ použitého þerpadla. Tohoto cíle bylo v práci dosaženo, byl proveden hydraulický návrh obČžného kola Turo, který byl následnČ doplnČn CFD výpoþty v software Fluent. Ze získaných hodnot, které byly v práci interpretovány, mĤžeme Ĝíci, že požadavky na zachování provozních parametrĤ daného þerpadla byly zcela zachovány. Práce byla následnČ doplnČna a rozšíĜena nad stanovený rámec o modifikaci tohoto obČžného kola. Nové konstrukþní Ĝešení bylo založeno na principu obČžného kola SuperVortex, které na trh dodává firma Grundfos. Tato varianta kola byla pro výzkum vlivu ostruh na víĜivý pohyb kapaliny zjednodušenČ namodelována zalomením lopatek. Je nutné Ĝíci, že se tedy nejednalo pĜímo o obČžné kolo Supervortex, ale pouze o úpravu klasického obČžného kola Turo, která byla založena na jeho principu a konstrukci. U této varianty, stejnČ tak jako u pĤvodní, byly provedeny všechny náležitosti CFD výpoþtu a následnČ získané poznatky vyhodnoceny. Ze zjištČných hodnot jsme pozorovali oproti pĤvodnímu konstrukþnímu Ĝešení pokles hodnot mČrných energií a tím i dopravních výšek þerpadla. DĤvod této skuteþnosti vidím zejména z faktu, že ostruha byla konstruována tak, že pĜekrývala i þást lopatkového kanálu v místech kde docházelo k nátoku kapaliny. Kapalina tedy do prostoru obČžného kola nemohla proudit stejnČ, jako u pĜedchozí varianty. Z hlediska návrhu ostruhy jsme postupovali þistČ podle našeho úsudku, k obČžnému kolu SuperVortex jsme nemČli žádné konstrukþní podklady, zejména protože jsou „duševním“ majetkem firmy Grundfos. Samotné kolo, které firma dodává na trh má i ponČkud jinou geometrii, je konstruováno se zakĜivenými lopatkami a ostruha není vedena po celé délce lopatky. Pro vylepšení stávajícího Ĝešení bych navrhoval ostruhu konstruovat tak, že by nevycházela pĜímo od náboje obČžného kola a nebyla tedy vedena po celé délce lopatky, ale zaþínala by se postupnČ rozšiĜovat napĜíklad od poloviny lopatek. Vyhnuli bychom se nežádoucímu uzavírání lopatkového kanálu v oblasti nátoku kapaliny a výsledné kolo by teoreticky mČlo vykazovat lepší výsledky. Na vlastní funkþnost ostruhy se nám pomocí interpretovaných hodnot nepodaĜilo zcela poukázat. K detailnČjšímu zobrazení by bylo nejspíše potĜeba výraznČ upravit výpoþetní síĢ zejména navýšením poþtu bunČk v oblasti okolo ostruhy. Už i tak jsme byli v našem výpoþtu a vlastním vyhodnocování lehce limitováni možnostmi výpoþetní techniky a pĜi stávajícím poþtu bunČk výpoþetní sítČ cca 7 milionĤ se jednalo o témČĜ hraniþící hodnotu pro vyhodnocování na poþítaþích umístČných v poþítaþové uþebnČ Ústavu fluidního inženýrství VUT v BrnČ. PĜesto bych chtČl podotknout, že pro vČtšinu vyhodnocovaných veliþin byla použitá výpoþetní síĢ dostaþující. Vlastní návrh byl doplnČn o výrobní výkresy adaptovaných souþástí, jimiž ve výsledku byli pouze odlitek tČlesa þerpadla spolu s obČžným kolem. RozmČry stávající hĜídele se povedlo zachovat a samotná hĜídel byla v práci doplnČna pevnostním výpoþtem. Z hlediska posouzení bezpeþnosti hĜídele vĤþi meznímu stavu pružnosti splnila hĜídel všechny potĜebné náležitosti. Spirální tČleso þerpadla bylo dle požadavku zachováno, pouze by oproti variantČ, kdy bylo uvnitĜ umístČno kanálové obČžné kolo, nedošlo k vysoustružení osazení pro umístČní tČsnících kruhĤ. Z hlediska axiální síly pĤsobící na obČžné kolo u obou konstrukþních variant by bylo možné navrhnout nČkterou z nejþastČji používaných úprav za úþelem jejího snížení. V tomto - 99 -



pĜípadČ je jednoznaþnČ nejvíce vhodné použití vyrovnávacích lopatek v zadní þásti nosného disku. Grafické závislosti vyobrazené v kapitole 9.4, kde jsou uvedeny prĤbČhy kĜivek mČrných energií pro námi definované oblasti þerpadla, vykazují pro urþité oblasti zajímavé prĤbČhy. Aþkoliv celkové mČrné energie u obou typĤ obČžných kol mají stabilní prĤbČh, což je pro nás z hlediska nežádoucích tlakových a prĤtokových pulzací velice podstatné, tak prĤbČhy v nČkterých þástech þerpadla poukazují spíše na to, že by mohly pĜispívat k nestabilitČ v þerpadle. Vyhodnocení disipace pomohlo v rozboru funkþních þástí a prostor þerpadla a zjištČní, které þásti mohou pĜispívat k nestabilitČ nebo naopak mají stabilizaþní charakter. Zajímavé jsou zejména prĤbČhy kĜivek mČrných energií pro prostory náležející obČžnému kolu a spirálnímu tČlesu. PrĤbČhy tČchto kĜivek by ve výsledku znamenaly, že k pĜípadné nestabilitČ v þerpadle nejvíce pĜispívá obČžné kolo, pĜiþemž samotná spirála pĜispívá k stabilitČ systému. Tento jev je u klasických hydrodynamických þerpadel vČtšinou opaþný a na nestabilitu v þerpadle má þasto vliv právČ spirála. Dále je nutné zmínit, že ve skuteþnosti se jednotlivé prostory vzájemnČ ovlivĖují, tento jev se týká pĜedevším prostoru obČžného kola spolu s pracovním prostorem nad kolem. Vyhodnocení disipace u námi zkoumaného þerpadla potvrzuje teorii uvedenou v kap. 11 o prĤbČhu kĜivek disipaþní funkce v závislosti na prĤbČhu kĜivek mČrné energie. Grafy s vynesenými závislostmi disipace na prĤtoku pro jednotlivé prostory ve vČtšinČ pĜípadĤ korespondují s charakteristikami mČrných energií. NázornČ je tato skuteþnost vidČt nejlépe na prĤbČhu celkové disipace þerpadla. V blízkosti závČrného bodu má kĜivka strmý pokles, neboli první derivace disipace podle prĤtoku je záporná, což odpovídá stabilní charakteristice þerpadla. Jednotlivé prĤbČhy se pro obČ konstrukþní Ĝešení výraznČ neliší. Z grafĤ na obr. 77 a 80 jsou vidČt polohy extrémĤ pro prĤbČhy disipaþní funkce a mČrné energie v závislosti na prĤtoku. Jak z teorie víme, vzdálenost mezi jednotlivými extrémy dává informaci o kvalitČ hydraulického návrhu þerpadla. Zde je nutno podotknout, že výpoþet disipace by v tomto pĜípadČ nemusel být zcela korektní, zejména z dĤvodu polohy minima disipace v blízkosti závČrného bodu, kde vlastní CFD výpoþet nemusí být zcela pĜesný. Ve výsledku nám tedy takto malé hodnoty prĤtokĤ brání v dĤkladnČjším prĤzkumu pro nás pomČrnČ dĤležité oblasti okolo minima disipaþní funkce. V našem pĜípadČ je také nutno dodat, že výsledná kvalita hydraulického návrhu nemusí pĜesnČ odpovídat výsledným charakteristikám. U naší varianty þerpadla je velký rozdíl mezi maximem úþinnosti a minimem disipaþní funkce zpĤsoben vlastním principem zkoumaného þerpadla. V poslední ĜadČ jsme u námi navrhnutého konstrukþního uspoĜádání u obČžného kola Turo pozorovali vliv tvaru a velikosti boþní spáry mezi tČlesem þerpadla a obČžným kolem. Z výsledkĤ zobrazených v kap. 14 je viditelné do jaké míry je schopná boþní spára ovlivnit charakteristiky þerpadla. U varianty s minimální spárou mezi jednotlivými komponentami þerpadla je patrný celkový pokles charakteristiky mČrné energie, pĜiþemž se tato charakteristika stává nestabilní, což je pro provoz þerpadla naprosto nežádoucí. V porovnání s pĤvodním konstrukþním Ĝešením je vidČt i pokles úþinnostní charakteristiky a naopak nárĤst pĜíkonové. U varianty s velkou válcovou spárou mezi obČžným kolem a tČlesem þerpadla se dosahuje obdobných hodnot, pĜiþemž charakteristika mČrné energie nevykazuje takovou nestabilitu. Dle uvedeného prĤbČhu by se dala zhodnotit jako hraniþní prĤbČh mezi stabilní a nestabilní charakteristikou. OpČt je viditelný pokles mČrné energie a s tím spojený pokles dopravní výšky dodávané þerpadlem. U pĜíkonové charakteristiky si lze všimnout jisté odchylky od lineárního prĤbČhu. Výše zmínČné výsledky poukazují na skuteþnost, že použití takto navržených boþních spár u tohoto typu obČžného kola by bylo velice neefektivní. Z dosažených výsledkĤ se námi pĤvodnČ navržená spára se sklonem 15° jednoznaþnČ jeví jako nejlepší varianta pĜi konstrukþním Ĝešení odpovídajícího prostoru þerpadla.

- 100 -



SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1]

BLÁHA, Jaroslav; BRADA, Karel. Hydraulické stroje. Praha : SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1992. 747 s.

[2]

BLÁHA, Jaroslav; BRADA, Karel. PĜíruþka þerpací techniky. Praha : Vydavatelství ýVUT, 1997. 289 s. ISBN 80-01-01626-9.

[3]

ýERMÁK, Oskar; BARLOKOVÁ, Danica; SOKÁý, Marek. ýerpadlá a þerpacie stanice. Bratislava : Slovenská technická univerzita, 2001. 138 s. ISBN 80-227-1465-8.

[4]

BRETTSCHNEIDER, A., et al. PĜíruþka þerpací techniky. Praha : SNTL Nakladatelství technické literatury, 1968. 448 s. ISBN 04-219-68.

[5]

BRADA, Karel; BLÁHA, Jaroslav. ýerpací technika. Praha : ýVUT, 1987. 157 s.

[6]

BRADA, Karel; HLAVÍNEK, Petr. ýerpadla ve vodním hospodáĜství. Brno : NOEL 2000, 2004. 195 s. ISBN 80-86020-43-6.

[7]

Grundfos. Splaškové a odpadní vody. [Online] 2006. [cit. 2010-10-24]. Dostupné z WWW:.

[8]

K+H ýerpací technika. Ponorná þerpadla. [Online] 2008. [cit. 2010-10-24]. Dostupné z WWW:.

[9]

H+K ýerpací technika. Ponorná kalová þerpadla HCP. [online]. 2008 [cit. 2010-10-24]. Dostupné z WWW: .

[10] FERANEC, Marcel. Aplikácie þerpadiel systemu Turo na þerpanie zneþistených kvapalín. Olomouc : Sigma - výzkumný ústav, 200?. 132 s. [11] EGGER, Emile & Cie SA. Turo vortex pumps [online]. 2008 [cit. 2010-11-7]. Egger. Dostupné z WWW: . [12] Grundfos. Splaškové a odpadní vody. [Online] 2006. [cit. 2010-10-24]. Dostupné z WWW:. [13] Grundfos. ýerpadla pro vodní hospodáĜství. [Online] [cit. 2010-11-7]. Dostupné z WWW:. [14] LK pump servis - vodní hospodáĜství [online]. 200? [cit. 2011-11-03]. Kalová a procesní þerpadla. Dostupné z WWW: . - 101 -



[15] LK pump servis - vodní hospodáĜství [online]. 200? [cit. 2010-11-08]. OdvodĖovací a stavební þerpadla. Dostupné z WWW: . [16] Grundfos. Splaškové a odpadní vody. [Online] 2006. [cit. 2010-10-25]. Dostupné z WWW:. [17] H+K ýerpací technika. Ponorná þerpadla s Ĝezacím zaĜízením. [online]. 2008 [cit. 2010-10-25]. Dostupné z WWW: < http://www.k-h.cz/catalogs/hcp_gf.pdf >. [18] H+K ýerpací technika. Ponorná þerpadla s chlazeným pláštČm a víĜiþem. [online]. 2008 [cit. 2010-10-25]. Dostupné z WWW: < http://www.k-h.cz/catalogs/hcp_as-ag.pdf >. [19] VOLK, Michael, P.E. Pump Characteristics and Applications. Oakland : Taylor and Francis Group, 2005. 0-8247-2755-X. [20] GANýO, Martin. Axiálna sila hydrodynamických þerpadiel s radiálnym obežným kolesom. Bratislava: Slovenská technická univerzita v BratislavČ, 1999. 66 s. [21] KALÁB, KvČtoslav. Katedra þástí a mechanismĤ strojĤ [online]. 8.2.2011 [cit. 201105-15]. Vysoká škola báĖská. Dostupné z WWW: . [22] POCHYLÝ, František; HALUZA, Miloslav; DRÁBKOVÁ, Sylva. 2009 “Stability of Q-Y characteristic of centrifugal pump”. In Engineering Mechanics 2009 – book of extended abstract, Svratka, Czech Republic, May 11-14, 2009, ISBN 978-80-86246-352, pp. 989-996. [23] POCHYLÝ, František; HALUZA, Miloslav; KLAS, Roman. 2009 “The stability of Y(Q) characteristic curve”. IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Timisoara, Romania, September 20-24, 2010, pp. 1-6.

- 102 -



SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLģ A ZNAýEK Název veliþiny Energie mechanická Energie hydraulická Tlak (v sání þerpadla, na výtlaku z þerpadla) Tlak - totální MČrné otáþky Otáþky Specifické otáþky MČrná energie Viskozita – kinematická Viskozita – dynamická Hustota PrĤtok Návrhový prĤtok PrĤtok obČžným kolem PĜíkon Dopravní výška Návrhová dopravní výška Úþinnost PrĤmČr Gravitaþní zrychlení Poþet lopatek Vstupní a výstupní úhel lopatky Souþinitel pro dimenzování spirální skĜínČ Tlakové þíslo Výstupní obvodová rychlost PrĤmČr obČžného kola ŠíĜka spirály PrĤmČr sacího hrdla ŠíĜka obČžného kola PrĤmČr spirální skĜínČ Parametr výpoþetní sítČ Celková axiální síla Axiální síla pĤsobící na disky obČžného kola Axiální síla závislá na smČru proudČní Axiální síla pĤsobící na nosný disk Axiální síla pĤsobící na krycí disk Úhlová rychlost Úhlová rychlost obČžného kola PolomČr tČsnícího kruhu PolomČr náboje Meridiální rychlost na vstupu do obČžného kola Pevnost v tahu

Symbol Em Eh p (p1, p2) pt nq n ns Y Ȟ Ș ȡ Q Qn Qk P H Hn Ș d g z ȕ1,ȕ2 K Ȍ u2 D2 b4 DS´ b2 D4 y+ FA Fa Fo Fv Fs Ȧ ȦOK rT rN cmo Rm

Jednotka [J] [J] [Pa] [Pa] [s-1] [s-1] [s-1] [J.kg-1] [m2.s-1] [N.m.s-2] [kg.m-3] [m3.s-1], [l.s-1] [m3.s-1], [l.s-1] [m3.s-1], [l.s-1] [W] [m] [m] [%] [mm] [m.s-2] [-] [°] [-] [-] [m.s-1] [m] [m] [m] [m] [m] [-] [N] [N] [N] [N] [N] [rad.s-1] [rad.s-1] [m] [m] [m.s-1] [MPa]

- 103 -


VUT – EU – ODDI – 13303 – 03 - 11 Studie návrhu kalového þerpadla s víĜivým kolem Re (Rp 0,2) Res ıc ıco Ĳck pdov EX(1-5) a, b, c, x FRY FRZ FR,ax Mk Mo F T Į Wo Wk Ĳmax ıo ıN kk S FT l c co C10 Fe FRC FRA FC,ax af ak Ln a1, a2, a3, a4 2D 2Df D0 DQ S Șh ps ¨ps %± ʌ

Mez kluzu v tahu Mez kluzu ve smyku Mez únavy v tahu Mez únavy v ohybu Mez únavy v krutu Dovolený mČrný tlak Oznaþení nebezpeþného prĤĜezu Vzdálenost Radiální síla pĤsobící na kolo v ose y Radiální síla pĤsobící na kolo v ose z Axiální síla pĤsobící na obČžné kolo Kroutící moment Ohybový moment Síla Smyková síla Vrubový souþinitel PrĤĜezový modul v ohybu PrĤĜezový modul v krutu Maximální napČtí v krutu NapČtí v ohybu NapČtí v tlaku Bezpeþnost Plocha Smyková síla Délka pera Dynamická únosnost ložiska Statická únosnost ložiska Základní dynamická únosnost ložiska Ekvivalentní dynamické zatížení Výsledná radiální reakce v podpoĜe C Výsledná radiální reakce v podpoĜe A Axiální síla pĤsobící v podpoĜe C Provozní souþinitel Exponent (bodový, liniový styk) Požadovaná trvanlivost ložisek Souþinitele pĜi výpoþtu ložisek Disipace - celková Pomocná disipaþní funkce Disipace – statická složka Disipace – složka závislá na prĤtoku Rychlost deformace Hydraulická úþinnost Statický tlak Rozdíl statických tlakĤ Hmotnostní tok Ludolfovo þíslo

[MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [Pa] [-] [m] [N] [N] [N] [N.m] [N.m] [N] [N] [-] [mm3] [mm3] [Mpa] [Mpa] [Mpa] [-] [mm2] [N] [mm] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [-] [-] [hod] [-] [W] [W] [W] [W] [-] [%] [Pa] [Pa] [kg.s-1] [-]

- 104 -



SEZNAM PěÍLOH PĜíloha þ.1 PĜíloha þ.2

DVD (diplomová práce ve formátu PDF, data z Gambitu, dwg soubory, data z Fluentu) Diagramy pro volbu vrubových souþinitelĤ

PĜíloha þ.3

Výrobní výkresy modifikovaných souþástí

- 105 -

STUDIE NÁVRHU KALOVÉHO ČERPADLA S VÍŘIVÝM KOLEM

Recommend Documents