10 KROKOV vývoja a výroby čerpadiel SPIRAM podľa štandardov INDUSTRY 4.0

Po dôkladom odladení hydrauliky nového čerpadla v predchádzajúcom kroku sa v procese vývoja a výroby čerpadiel SPIRAM presúvame k ďalšiemu kroku, a to vyváženiu obežného kolesa.

U bežných viaclopatkových čerpadiel tento krok nehrá výraznú rolu, a to hlavne z dôvodu, že tieto obežné kolesá majú osovo symetrický tvar. Avšak to neplatí pre jednolopatkové obežné kolesá. Tie sú totiž výrazne asymetrické.

Asymetria spôsobuje statickú a dynamickú nevyváženosť, čo sa prejaví najmä na zvýšených vibráciach či hluku počas prevádzky. Rovnako má táto asymetria zásadný vplyv na zníženie životnosti čerpadla.

Vibrácie môžu dosiahnuť kritických hodnôt, spôsobiť okamžité poškodenie stroja a ujmu na zdraví obsluhujúcemu personálu.

Z hľadiska bezpečnosti prevádzky a životnosti čerpadla je preto vyvažovanie obežného kolesa zásadnou časťou pri návrhu jednolopatkového čerpadla.

Statické a dynamické vyváženie

Pojem statické vyváženie úzko súvisí s polohou ťažiska. Aby bolo rotujúce teleso staticky vyvážené, ťažisko sa musí nachádzať na osi otáčania telesa.

Dynamické vyváženie súvisí s celkovým tvarom telesa a jeho momentom zotrvačnosti I (kg ∙ m²).

Pri telesách s nespojito rozloženou hmotnosťou, čo je prípad nevyváženého jednolopatkového obežného kolesa, je nutné určenie momentu zotrvačnosti pomocou integrálneho počtu,

kde r je kolmá vzdialenosť elementu s hmotnosťou dm od osi rotácie.

Dynamické vyváženie je možné určiť pomocou tzv. deviačných osí.

Tenzor zotrvačnosti H je definovaný pomocou momentu hybnosti I a uhlovej rýchlosti ω:

Uplatnením niekoľkých zjednodušení je možné napísať rovnicu vlastných čísel,

kde 1 je matica identity, I reprezentuje vlastné čísla a ω je vektor vlastných čísel. Zavedením jednotkového vektora deviačnej osi n

sa potom dá napísať systém rovníc,

pomocou ktorého sa dajú určiť zložky deviačnej osi, t.j. n_x, n_y a n_z, pre každé vlastné číslo.

V praxi je ručný výpočet dynamického vyváženia nesmierne náročný až nemožný. Preto sa používa určenie deviačných osí pomocou softvéru.

Proces vyvažovania

Na obrázku nižšie je vidieť nevyvážené obežné koleso s vyznačeným ťažiskom a deviačnými osami.

Prvá fáza vyvažovania sa začína po hydraulickom návrhu čerpadla. Trojrozmerný model sa najprv vyvažuje v prostredí vlastného modelovacieho softvéru.

Postupným pridávaním vyvažovacej hmoty sa dosiahne staticky aj dynamicky vyvážený tvar:

Na obrázku je vidieť, že ťažisko (modrá značka) prechádza osou rotácie (čierna). To znamená, že teleso je staticky vyvážené.

Dynamické vyváženie signalizuje fakt, že jedna z deviačných osí (označená ako modrá priamka so šípkou) je takmer totožná s osou rotácie.

Počas zásahov do geometrie sa musia minimalizovať zmeny, ktoré ovplyvňujú hydraulické parametre a priechodnosť tuhých častíc.

Virtuálny 3D model by mal byť vyvážený s presnosťou prevyšujúcou výrobnú presnosť. Druhá fáza vyvažovania nastáva po vyhotovení výrobku.

Vyrobený kus musí byť nanovo vyvážený, v dôsledku možnej nevývahy spôsobenej výrobnými nepresnosťami.

Avšak, keďže bolo obežné koleso virtuálne vyvážené v prvej fáze, druhá fáza slúži len na záverečné doladenie vyrobeného obežného kolesa.

Odladené know-how

Od počiatkov nášho vývoja sme realizovali veľký počet jednolopatkových obežných kolies pre množstvo obchodných partnerov naprieč rozličnými priemyselnými aplikáciami.

Vďaka spičkovému know-how, ktoré sme dosiahli v oblasti vyvažovania jedno lopatkových obežných kolies skrutkovicového tvaru je pre náš tím SPIRAM jedna z najkomplikovanejších častí v rámci návrhu, vývoja a výroby tohto typu čerpadiel, doslova rutinnou záležitosťou.

Po vyvážení obežného kolesa čerpadiel SPIRAM sa v ich vývojom procese presúvame ku KROKU 4: VÝPOČTU SÍL ČERPADLA (tzv. CFD výpočet).