Laboratorní cvičení

Laboratorní cvičení je absolvováno v těžké laboratoři hydraulických strojů Odboru fluidního inženýrství Viktora Kaplana. Laboratoř se nachází v budově C3.

Bezpečnost a ochrana zdraví při práci

Před vstupem do laboratoře si prosím přečtěte text ke školení o bezpečnosti a ochraně zdraví. Cvičící navíc obsah připomene a vy potvrdíte seznámení s BOZP podpisem:

Laboratorní úlohy

V laboratorních cvičeních budete řešit celkem čtyři úlohy:

Úvodní strana protokolů:

Protokoly

Termín odevzdání protokolů: dle instrukcí daného cvičícího.

Pokyny k vypracování

Protokoly zpracovávejte na počítači. Dole si stáhněte titulní stranu k protokolům a vyplňte svá jména, studijní skupinu a datum. Obecně se při vypracovávání řiďte zásadami pro odborné texty. Především se v češtině upřednostňuje trpný rod před autorským plurálem (takže se píše "průtokoměrem byly naměřeny tyto hodnoty" místo "průtokoměrem jsme naměřili tyto hodnoty"). I když to tady nebudu nutně vyžadovat, v odborných textech se číslují rovnice, dále i obrázky (grafy) a tabulky, ke kterým se navíc píše i popisek (např. Tab. 1: Vypočítané / naměřené hodnoty potřebných veličin nebo Obr. 2: Závislost měrné energie čerpadla na průtoku). Dělá se to z toho důvodu, aby se na tyto prvky dalo odkazovat (a to jak v aktuálním textu, tak i v jiných textech). Dbejte na grafickou úpravu, ať je všechno pěkně zarovnané (text by měl být zarovnán do bloku), a vyvarujte se hrubých pravopisných chyb. V grafech znázorněte naměřené hodnoty (což jsou body, takže použijete bodový graf) a proložte je vhodnou aproximační funkcí (v Excelu kliknete pravým tlačítkem na některý bod v grafu a vyberete "Přidat spojnici trendu"). Ve většině případů bude nejlepší polynom, přičemž byste se měli držet na nižších stupních tohoto polynomu. Se zvyšováním stupně polynomu se sice křivka obecně blíží k naměřeným hodnotám, my ale víme, že tyto hodnoty jsou zatížené nejistotami měření, takže skutečná závislost jimi nutně neprochází. Závislost tlaku na čase u hydraulického rázu a podobné složité průběhy se interpolují. Klíčovou částí každé odborné zprávy je závěr. Neměla by to být ani strohá věta typu "Charakteristika čerpadla byla úspěšně změřena", ani román na pokračování. Stačí tak odstavec nebo dva, ve kterých kriticky zhodnotíte dosažené výsledky. Není špatné také uvést číselně některé důležité hodnoty typu maximální účinnost (v podstatě je vypíchnete, protože jsou i ve vlastním textu - stati). Z hlediska obsahu postupujte dle pokynů k příslušné úloze níže.

Vodní paprsek

Protokol by měl obsahovat cíle práce, schéma zařízení (stačí okopírovat z návodu), postup měření (popsat stručně vlastními slovy), postup vyhodnocení s uvedením použitých vztahů (opět stručně vlastními slovy), naměřené a vypočítané hodnoty (ideálně v tabulce) a grafy uvedené v návodu*.

*možná debata ohledně osy x: číslo měření [zevrubné srovnání metod] vs. průtok z dané metody [korektnější způsob] >>> více okomentuje cvičící <<< :-)

Hydraulický ráz

Protokol by měl obsahovat cíle práce, schéma zařízení (stačí okopírovat z návodu + popsat zkratky), postup měření, postup vyhodnocení s uvedením použitých vztahů a výsledků jednotlivých výpočtů (hustota, modul objemové pružnosti, rychlost zvuku, doba reflexe, počáteční rychlost proudění, Žukovského hodnota přírůstku tlaku, perioda rázové vlny). U výpočtu modulu objemové pružnosti by bylo vhodné uvést tabulku podle vzoru, který si stáhnete dole. Poslední část je graf naměřeného průběhu tlaku v čase během rázu (ze snímače nejblíže k ventilu), ze kterého odečtete přírůstek tlaku po zavření ventilu a srovnáte s Žukovského hodnotou (ideálně dát do poměru teoretickou a naměřenou hodnotu a vyjádřit v procentech). Stejně tak odečtěte periodu rázových vln a srovnejte s teoretickou hodnotou. Výsledky zhodnoťte v závěru.

Hydraulické ztráty

Protokol by měl obsahovat cíle práce, schéma zařízení (stačí okopírovat z návodu + popsat zkratky), postup měření (popsat stručně vlastními slovy), postup vyhodnocení s uvedením použitých vztahů (opět stručně vlastními slovy), naměřené a vypočítané hodnoty (ideálně v tabulce) a grafy závislosti ztrátového součinitele na Reynoldsově čísle pro jednotlivé prvky. Výsledky zhodnoťte v závěru.

Odstředivé čerpadlo

Protokol by měl obsahovat cíle práce, schéma zařízení (stačí okopírovat z návodu + popsat zkratky), postup měření (popsat stručně vlastními slovy), postup vyhodnocení s uvedením použitých vztahů (opět stručně vlastními slovy), naměřené a vypočítané hodnoty (ideálně v tabulce) a grafy závislosti měrné energie, účinnosti a příkonu čerpadla na průtoku. Závislosti aproximujte polynomem vhodného stupně a z něj dopočtěte optimální provozní bod (tam, kde účinnost dosahuje maxima). Nezapomeňte uvést otáčky, při kterých měření proběhlo. Výsledky zhodnoťte v závěru.

Nepovinné: korekce na předrotaci

Následující část není povinná, protože není součástí učiva hydromechaniky, nicméně pokud chcete mít v protokolu korektní výsledky (a navíc se i naučit něco navíc), je potřeba ji provést. V opačném případě by bylo dobré do závěru napsat, že nebyla provedena korekce na předrotaci.

Předrotace je jev, kdy oběžné kolo čerpadla roztáčí kapalinu v sacím potrubí. Přenos obvodové složky rychlosti (rotace) z oběžného kola dále do kapaliny se děje prostřednictvím smykových sil – vzpomeňte na viskozitu, Newtonův zákon smykového napětí a rychlostní profily. Rozrotovaná kapalina v sacím potrubí má za následek, že hodnota tlaku naměřená snímačem, a v konečmém důsledku i vypočítaná měrná energie čerpadla, je zatížena chybou (vlivem rotace je tlak u stěny vyšší než je střední průřezová hodnota). Čím je snímač blíže k čerpadlu, tím je tato chyba větší. Předrotace se obecně projevuje tím víc, čím nižší je průtok, nejvíce tedy v závěrném bodě. Pokud si napíšeme Bernoulliho rovnici mezi hladinou nádrže (kde je v = 0 a p – přetlak = 0) a vstupem do čerpadla, pak zjistíme, že závislost tlaku na vstupu do čerpadla na druhé mocnině rychlosti nebo průtoku je lineární – grafem je přímka. Na obrázku je pro ilustraci znázorněn graf naměřených hodnot tlaku na vstupu do jistého čerpadla v závislosti na oné druhé mocnině průtoku. Můžeme si všimnout, že tato závislost je u vyšších průtoků opravdu lineární, ovšem tlak v závěrném bodě se od ní výrazně odchyluje. Korekce na předrotaci spočívá v tom, že tlaky naměřené při několika nejvyšších průtocích proložíme přímkou a při výpočtu měrné energie čerpadla poté používáme hodnoty z této přímky namísto naměřených hodnot. Díky nižší hodnotě tlaku na vstupu pak vyjde v závěrném bodě měrná energie čerpadla vyšší, což má za následek, že charakteristika po korekci není tak nestabilní jako nekorigovaná charakteristika (obrázek zde).

Ing. Ondřej Urban