Vývoj a testování plaveckého trenažeru „Swimm Trainer“

V průběhu měsíce červen a červenec 2015 byl na výzkumném Centru AdMaS, Fakulty stavební, Vysokého učení technického v Brně (dále jen Centrum AdMaS) ve spolupráci s objednatelem vyvíjen a testován prototyp plaveckého trenažéru pro komerční použití.

Okrajové podmínky objednatele ve věci vývojového projektu byly zejména následující:

• bylo nutné zajistit, aby byl proud vody v oblasti plavce co nejrovnoměrnější v celé šířce trenažéru s co nejmenšími turbulencemi proudu a tvorbou vln,
• pohon měl být dostatečně výkonný na to, aby byla v dostatečné hloubce dosažena maximální rychlost proudu v oblasti plavce na 1,2 m.s^-1,
• regulovatelnost výkonu čerpadel dle schopností uživatele,
• minimální šířka bazénu 2,0 m, ideálně však 2,5 m,
• motor pohonu musí respektovat požadavek bezpečnosti pro plavce a to při aplikaci napojení na stejnosměrný proud,
• byl dán požadavek na max. příkon celkového pohonu 15 kW z důvodu hospodárnosti provozu a předpokladem splnění kapacity jističe u budoucích zákazníků.

Trenažér je rozdělen na dva prostory, prostor plavce a dno, oddělené mezidnem, viz obr. 1. Prostor nad mezidnem je oblast určena na plavání a má hloubku cca 1,2 m. prostor pod mezidnem je určený na umístění pohonných jednotek, které pohání vodu v plaveckém trenažéru. Jako nejvhodnější pohon byla po poradě s objednatelem vybrána paralelní soustava vrtulových čerpadel na stejnosměrný proud.

Kritéria pro testování a optimalizaci prototypu plaveckého trenažéru byly následující:

• sledování průměrných rychlostí v hloubce 0,15 a 0,30 m pod hladinou ve třech polohách po šířce (střed a ve vzdálenosti 0,35 m od středu),
• subjektivní hodnocení turbulence a síly proudu působící proti plavci.

Testováním plaveckého trenažéru bylo prováděno optimalizování proudění pomocí změny umístění poloh čerpadel, nastavení a optimalizací konstrukčních úprav hydraulicky vhodného tvaru výtokových a odtokových hran se zohledněním výšky vodního sloupce v plaveckém trenažéru vody tak, aby docházelo k co nejmenším tlakovým ztrátám a aby zařízení splňovalo definované podmínky ze zadání. Z investičních důvodů bylo přistoupeno k testování na zúženém fyzikálním modelu, který měl poloviční šířku 1,25 m a s instalovanými 3 ponornými vrtulovými čerpadly, v plné šířce 2,5 m by bylo uvažováno se šesti vrtulovými čerpadly.

Prvotní testování přeběhlo na „nultém“ prototypu s předběžně definovanými předpoklady pro splnění základních hydraulických předpokladů, ze kterého následně vyplynulo, že požadavky na rychlost proudu nebudou splněny. Proud vody dosahoval v měrných místech jenom cca 0,6 m.s^-1 a subjektivním pocitem plavce byla definována nespokojenost se silou působícího vodního proudu. Po vyhodnocení z prvního testování byla identifikována problematická místa, v kterých docházelo k největším tlakovým ztrátám a vytváření turbulencí proudu.

Jednalo se zejména o nevhodně navrhnuté výtokové a vtokové oblasti jako i v oblasti směrování proudu v mezidně, kde na ostrých hranách docházelo k odtržení vodního proudu, vzniku vírů a ztrátám kinetické energie. Dalším velkým nedostatkem bylo upevnění čerpadel, viz obr. 2, kde docházelo k zcela nevhodnému obtékání upevnění čerpadla, co se negativně projevilo na výkonu čerpadla.

Pro tyto nedostatky byly Centrem AdMaS navrhnuty další řešení k minimalizaci těchto ztrát. Některé z návrhů byly přímo implementovány během testování (např. nové úchyty čerpadel), vhodné podélné umístnění čerpadel, výškové nastavení výtokových a vtokových hran, jiné úpravy nebyly provedeny kvůli nákladnému přestavění prototypu a tyto navržené úpravy byly aplikovány do výkresové dokumentace závěrečné zprávy ve věci součinnosti na vývojovém projektu „Swimm Trainer".

I přes konečnou podobu konstrukčních rozměrů plaveckého trenažéru určeného pro komerční výrobu se podařilo stávající prototyp optimalizovat tak,  že byly stanoveny parametry definované na začátku testování. Vodní proud byl dostatečně usměrněný, s drobným vlněním hladiny, který však nenarušoval dýchání plavce při základních plaveckých stylech, s dostatečnou rychlostí a silou vodního proudu.

Po propočítání čerpaného množství, ze získaného rychlostního pole, bylo zjištěno, že „roztočením" vody v bazénu bylo dosáhnuto čerpané množství na 1 čerpadlo v hodnotě 1,6 násobek Qmax čerpadla, což bylo způsobeno postupným navyšováním rychlosti před čerpadlem, až do bodu, když se vyrovnaly tlakové ztráty s energií dodávanou čerpadly. Rychlost v optimalizovaném prototypu při výtokovém otvoru v prostoru paží plavce byla při nejvyšším výkonu čerpadel průměrně 1,21 m.s^-1.

Přestože pro testování prototypu nebyly implementovány všechny požadavky Centra AdMaS na úpravu konečné podoby trenažéru, je však možné předpokládat, že jejich implementací dojde k nárůstu rychlosti i síly vodního proudu v prostoru plavce o dalších 10-15% a to pro souvislý vodní proud s rychlostí 1,20 – 1,50 m.s^-1.

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I".