Detail předmětu

Tekutinové stroje I

FSI-MS1 Ak. rok: 2026/2027 Zimní semestr

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

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

Ing. David Štefan, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Energetický ústav

Vstupní znalosti

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

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Podmínky zápočtu : účast na cvičeních a vypracování zadaného návrhu a CFD výpočtu hydraulických částí lopatkového stroje.


Zkouška se skládá z písemné a ústní části.

Účast na cvičeních je povinná. Případná neúčast se nahrazuje dle domluvy s vyučujícím.

Učební cíle

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

Použití předmětu ve studijních plánech

Program N-SUE-P: Výpočtové simulace pro udržitelnou energetiku, magisterský navazující, povinně volitelný

Program N-ETI-P: Energetické a termofluidní inženýrství, magisterský navazující
specializace FLI: Fluidní inženýrství, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Osnova


  1. Rotující kanál a výpočet dopravní výšky oběžného kola

  2. Chování čerpadel při změně otáček. Návrh průměru a šířky oběžného kola. Návrh tvaru meridiánu a vstupní části oběžného kola.

  3. Konformní transformace a návrh střední čáry lopatky

  4. Stáčení oběžného kola, kavitační deprese a disipace.

  5. Návrh spirály a výstupního difuzoru

  6. Návrh radiálního a axiálního oběžného kola. Vícestupňová čerpadla – návrh vratného kola.

  7. Úplná 4-kvadrantová charakteristika čerpadla a výpočet čerpadla v brzdové oblasti. Turbína jako čerpadlo. Čerpadlo jako turbína.

  8. Turbíny – úvod. Francisova turbína. Kaplanova turbína.

  9. Peltonova turbína. Reverzní Francisova turbína – přečerpávací vodní elektrárna

  10. Charakteristické křivky turbíny. Hydrodynamické podobnost. Jednotkové hodnoty průtoku, otáček, momentu a výkonu.

  11. Hydraulická účinnost modelu a přepočet na prototyp.

  12. Kavitace ve vodních turbínách. Vírové copy v savce. Savka a její funkce.

  13. Rezerva – zvané přednáška z průmyslu.

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Osnova


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  11. Základní návrh lopatek axiálního čerpadla / turbíny

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

  13. Zápočet – kontrola návrhu hydrauliky