Hydrometrická vrtule

První hydrometrickou vrtuli (též obsoletně hydrometrické křídlo – z něm. Flügel) sestrojil roku 1787 Reinhard Woltman. Vrtule s horizontální osou byla vybavena propelerem tvaru lopatkového kola se dvěma šikmými lopatkami a již měla integrální mechanické počítadlo otáček – na ose propeleru byl šnek otáčející ozubeným kolem, palcem ovládajícím druhé kolo počítadla. Počítadlo bylo upevněno výkyvně a aktivovalo se jeho přitažením k ose pomocí lanka.

Přístroj rychle nabyl obliby a byl mnohými autory upravován a vylepšován[2]. Zásadní změnou byla změna propeleru z lopatkového kola (byť některé typy vrtulí jej používaly ještě v 1. pol. 20. stol.) na propeler šroubovicový; úpravu navrhl Trevianos kolem roku 1820. Andreas R. Harlacher, profesor pražské techniky švýcarského původu, vybavil v roce 1871 vrtuli elektrickou signalizací, na což posléze získal patent. Ve spolupráci s firmou Amsler zavedl také upevnění vrtule na lanový závěs se závažím pro měření ve velkých hloubkách nebo z mostů. Harlacher také zbudoval první evropskou kalibrační trať moderního stylu pro kalibraci vrtulí v holešovickém přístavu.

S vývojem vrtulí je nerozlučně spjato jméno Ott. Albert Ott založil spolu s Coradim roku 1873 „Mathematisch-Mechanisches Institut“ v bavorském Kemptenu a tato firma po odchodu Coradiho do Švýcarska, kde r. 1880 založil vlastní firmu, začala roku 1885 vyrábět hydrometrické vrtule vlastní konstrukce (viz stránky OTT.com a [3]). Na doporučení Harlachera, který držel patent, začala fa Ott již r. 1881 svoje vrtule vybavovat elektrickou signalizací otáček. Během let firma vyvinula řadu vrtulí; do historie se zapsal zejména Typ V, vyráběný s drobnými úpravami od 30. do počátku 70. let 20. stol. S firmou spolupracovala řada významných odborníků; jedním z nejznámějších byl Litevec Steponas Kolupaila, který u firmy pracoval v letech 1940 – 1944 a kromě jiného tam vyvinul tzv. komponentní propeler, který je nedílnou součástí moderních vrtulí.

Kromě fy Ott existovala řada jiných výrobců – Amsler, Ganser, SEBA, NEYRPIC, Valeport a další, vrtule v 50. – 60. letech 20. stol. vyráběla tuzemská Metra (typ FB-1), několik výrobců bylo i v SSSR, kusovou výrobu dělal v 80. letech i VÚVH Bratislava. Většina výrobců zanikla nebo produkci vrtulí ukončila, existují však i nové firmy, vyrábějící přístroje i poněkud netradičního provedení (viz např. Flow Probe fy Global Water).

Kromě klasických vrtulí určených pro měření na vodních tocích a vodních dílech existují i speciální vrtule pro použití při měření na fyzikálních modelech v hydraulických laboratořích – jsou malého průměru a často mívají i jiný způsob snímání otáček; dnes jsou nahrazovány měřidly elektromagnetickými a akustickými. Podobně existují speciální přístroje tohoto typu používané v oceánografii pro měření mořských proudů.

Vrtule Woltmanova typu (s horizontální osou) je typická pro Starý Svět. V Americe, resp. v U.S.A. šel vývoj poněkud jinou cestou – roku 1885 si G.W. Price patentoval svůj typ vrtule se svislou osou s propelerem podobným miskovému anemometru. Současně používaný typ (typ AA) má šest otevřených kornoutů upevněných tečně k obvodu kružnice. Kromě tohoto velkého typu se používá i "kapesní vrtule" Pygmy obdobného principu.

Podstatný rozdíl mezi oběma typy spočívá v tom, že vrtule Woltmanova typu udává správné údaje pouze pokud je postavena osou proti směru proudění (výjimku tvoří komponentní propelery – viz níže), zatímco vrtule se svislou osou reaguje správně ať je proudění (v horizontální rovině) v jakémkoliv směru. Též se udává, že vrtule s horizontální osou má zejména pro malé rychlosti větší nejistotu měření než vrtule Priceova, která je navíc konstrukčně jednodušší. [4][5]

Jak bylo zmíněno výše, vrtule Woltmanova typu má horizontální osu, obvykle volně otočnou dnes v kuličkových ložiscích, na níž je nasazen (či našroubován) šroubovicový propeler. Vložíme-li vrtuli do proudu kapaliny, je propeler hydrodynamickými silami roztáčen. Je-li stoupání šroubovice propeleru ${\displaystyle k}$ [m] a proudění má rychlost ${\displaystyle v}$ [ms⁻¹], pak vrtule za čas 1 s vykoná (za předpokladu ideální kapaliny a ideální vrtule, nevykazující žádné odpory) právě ${\displaystyle n=v/k}$ [s⁻¹] otáček. Pokud měříme počet otáček ${\displaystyle N}$ [-] za čas ${\displaystyle T}$ [s], bude rychlost proudění

${\displaystyle v=kn=k{N \over T}}$.

Vzhledem k tomu, že kapalina není ideální, stejně tak vrtule, uplatňují se hydrodynamické i mechanické odpory a frekvence otáčení je poněkud jiná (nižší) než by odpovídalo výše uvedené rovnici. Během doby bylo navrženo více empirických i teoreticky poněkud lépe podložených rovnic, vyjadřujících vztah mezi rychlostí ${\displaystyle v}$ a specifickými otáčkami (frekvencí) ${\displaystyle n}$. Koeficienty těchto rovnic je v každém případě nutné získat kalibrací vrtule.

Realizace měření spočívá v tom, že s otáčející se osou vrtule je spojen člen, který po určitém počtu otáček spíná elektrický obvod. Původně býval na ose šnek, otáčející ozubeným kolem s kolíčkem, který mechanicky po určitém počtu otáček (často i několik desítek, většinou 20, 25 nebo 50, avšak i jen po 1 nebo 2 u Ottova Typu V) sepnul kontakt. Dnes je zpravidla na ose vrtule upevněn magnet, spínající magnetický spínač při každé otáčce. Tento vývoj byl podmíněn i vývojem elektroniky – původně byla signalizace akustická, bzučákem nebo zvonkem, a čas se měřil stopkami, dnes se běžně používají elektromechanické nebo elektronické čítače, obvykle se zabudovanou časovou základnou, dovolující volbu časového intervalu měření.

Jako příklad klasických soudobých výrobků můžeme uvést vrtule firmy Ott typu C-2 a C-31. Obě mají magnetické kontakty, spínající při každé otáčce vrtule. Většina dodávaných propelerů je alespoň v omezených mezích komponentní, tj. při šikmém nátoku proudění na vrtuli snímají pouze kosinovou složku rychlosti.

Způsob upevnění vrtule k nosnému prvku se liší, a to dosti zásadně, podle toho, co a kde se měří. Běžné je upevnění na tyči (resp. tzv. soutyčí) nebo se závažím na laně. Pro speciální účely se používají pevné nebo pohyblivé konstrukce, často s více vrtulemi.

Podmínky pro kalibraci vrtulí stanovuje ČSN ISO 3455[10], resp. ISO 3455[11]. Kalibraci vrtulí zajišťují kalibrační laboratoře, v ČR je to (jako jediná v republice) akreditovaná Česká kalibrační stanice vodoměrných vrtulí při Výzkumném ústavu vodohospodářském T.G.M., v.v.i. Archivováno 4. 8. 2016 na Wayback Machine

Kalibrace se provádí vlečením vrtule konstantní rychlostí v nádrži s klidnou vodou. Tím se zanedbává případný vliv turbulence, který je v reálu při měření vždy přítomen. Vrtule musí být při kalibraci vždy upevněna tak, jak bude používána při měření. Při kalibraci se měří dráha ${\displaystyle L}$ [m] a počet otáček propeleru ${\displaystyle N}$ za určitý čas ${\displaystyle T}$, nebo dráha a čas potřebné k vykonání určitého zvoleného počtu obrátek propeleru vrtule. Měření se provede při řadě zvolených rychlostí vlečného vozíku. Aby byla zajištěna nejvyšší přesnost, i rychlost vlečení vrtule ${\displaystyle v}$ je stanovena z měřených dat, takže posléze

${\displaystyle v={L \over T},\qquad n={N \over T}}$

Tyto dvojice dat jsou posléze statistickými metodami (metodou nejmenších čtverců) zpracovány do kalibrační rovnice. ISO 3455 předepisuje kalibrační rovnici ve tvaru po částech lineární funkce

${\displaystyle v=\alpha _{i}+\beta _{i}n}$

kde ${\displaystyle \alpha _{i}}$ a ${\displaystyle \beta _{i}}$ jsou empirické kalibrační konstanty platné v rozmezí ${\displaystyle v_{i,min}<v\leq v_{i,max}}$, resp. ${\displaystyle n_{i,min}<n\leq n_{i,max}}$ kde ${\displaystyle i}$ je pořadové číslo lineárního úseku kalibrační křivky. Přitom konstanta ${\displaystyle \beta _{i}}$ je blízká stoupání propeleru vrtule ${\displaystyle k}$ (viz teoretická rovnice výše). V tuzemské praxi se při vyhodnocování kalibrační křivky standardně používají maximálně tři dílčí lineární funkce.

U hydrometrických vrtulí se podle ČSN ISO 2537 doporučuje kalibrace po 300 hodinách provozu nebo v pravidelných časových intervalech, podle toho který případ nastane dříve, a vždy je nutná rekalibrace po výměně jakékoliv součásti (ložisko, osa).

Kalibrační křivku není vhodné extrapolovat; směrem vzhůru je vhodnější použít propeler s větším stoupáním, směrem dolů je extrapolace zcela vyloučena, protože v této oblasti již mohou mechanické odpory způsobovat nerovnoměrný chod až chvilkové zastavování vrtule.

Během doby bylo navrženo několik ryze empirických i více-méně teoreticky podložených kalibračních rovnic. Normou předepsaná po částech lineární rovnice vychází z teoretického řešení L.A. Otta[12], jehož je značným zjednodušením. Výhodou je jednoduchost výpočtu rychlosti.

Pro použití musí být vrtule zkalibrována; pokud vlastníme k vrtuli více propelerů, musí být kalibrace provedena pro každý propeler zvlášť.

I přesto, že zejména větší typy vrtulí jsou dosti robustní, je třeba s nimi zacházet jako s citlivými měřicími přístroji a chránit je před nárazy a pády, které by mohly mít za následek poškození propeleru (s nutnou následnou rekalibrací) nebo ohnutí osy (s nutnou následnou výměnou a rekalibrací).

Hydrometrické vrtule se před měřením plní olejem. Je žádoucí používat olej doporučený výrobcem. V každém případě je nezbytné používat stejný olej jaký byl použit při kalibraci. Oleje musí být takové množství, aby při montáži vrtule nepatrně přetekl.

Před zahájením měření je vhodné vrtuli sestavit, kabelem spojit s počitadlem a ověřit funkčnost celého systému. Pokud systém nepracuje, je nutné v první řadě ověřit stav baterie v počitadle a funkčnost kabelu, u kterého může relativně snadno dojít k jeho přerušení. Poškození kontaktu je u vrtulí současných typů málo pravděpodobné, i když nelze vyloučit. Elektronická počitadla bývají dosti spolehlivá, značné problémy však může způsobit vniknutí vody. Některé typy mají zlepšené krytí a bez újmy přežijí i ponoření do vody.

V průběhu měření je třeba kontrolovat, zda se na propeler nezachytilo plovoucí spláví; zejména v podzimním období je třeba dávat pozor na plovoucí listy. Je nutné též neustále kontrolovat, zda se na osu vrtule nenamotaly vláknité nečistoty (tráva, vláknité řasy a pod.) a pokud ano, neprodleně je odstranit a měření v daném bodě zopakovat. Po každém ukončení měření na dané lokalitě, resp. každý den po ukončení měření, je třeba provést kontrolu propeleru (mohl být poškozen nárazem o dno), a vrtuli a propeler osušit. Po celkovém ukončení měření se vrtule rozebere, olej vylije a všechny součásti zejména osy vrtule se umyjí v technickém benzínu. Důraz je třeba klást na důkladné pročistění kuličkových ložisek – osvědčilo se jejich prostříknutí injekční stříkačkou nebo důkladné protřepání v lahvičce s benzínem. Nutné je též zkontrolovat oblast průchodu osy do těla vrtule, kde se často zachytávají vláknité nečistoty. Vrtule se nechá vyschnout a uloží. V žádném případě nelze vrtuli delší dobu skladovat naplněnou olejem – může dojít k jeho vysychání a tvorbě lepkavého filmu na povrchu součástí, který způsobuje zvýšené odpory a těžko se odstraňuje. Z počitadla se vyjmou baterie, aby v případě jejich vytečení nedošlo k poškození počitadla.