10 KROKOV vývoja a výroby čerpadiel SPIRAM podľa štandardov INDUSTRY 4.0

V predchádzajúcich krokoch série článkov o vývoji a výrobe čerpadiel SPIRAM boli predstavené princípy komplexného návrhu hydrauliky. Tie boli uskutočňované výhradne na virtuálnej úrovni v počítači.

Po dosiahnutí finálnych hydraulických parametrov a po statickom i dynamickom vyvážení obežného kolesa je možné pristúpiť k výrobe prototypu čerpadla.

Na prototypovom stroji sú za laboratórnych podmienok zmerané a zaznamenané reálne hydraulické parametre čerpadla.

Tento krok je potrebný nie len z dôvodu zistenia reálnych parametrov, ale aj pre ďalšiu optimalizáciu výpočtového CFD modelu čerpadla.

V časoch, keď ešte neboli dostupné výpočtové stanice s vysokým výkonom a zároveň potrebné softvérové vybavenie pre realizáciu CFD simulácií, bolo potrebné každú jednu verziu hydraulického návrhu čerpadla reálne vyrobiť a namerať jej reálne hydraulické parametre.

Tieto prototypy sa vyrábali vtedajšou najrýchlejšou metódou, odlievaním dvojzložkových akrylátových dielov čerpadla a to konkrétne obežného kolesa a tiež aj špirálového rozvádzača.

Tento proces trval mnohonásobne dlhšie ako v súčasnosti používaná metóda CFD návrhu.

Pri návrhu čerpadiel SPIRAM, ktoré sú charakteristické nesymetrickým obežným kolesom s jednou skrutkovitou lopatkou by bolo takmer nemožné navrhnúť hydrauliku popisovaným spôsobom z minulosti.

V súčasnosti sme sa dostali na úroveň, kedy z čerpadiel SPIRAM nie je potrebné vyrábať prototypy. Po mnohoročných skúsenostiach v odbore CFD výpočtov je totiž možné maximálne sa spoliehať na finálny hydraulický návrh vo virtuálnom prostredí a jeho výsledky.

Nebolo to tak však vždy. V počiatkoch vývoja našich čerpadiel bolo vyrobených mnoho prototypov. Išlo o nasledujúce metódy.

Výroba špirálového rozvádzača metódou zvárania zo segmentov.

Ide o metódu založenú na tvárnení jednotlivých segmentov, ktoré sú zhotovené z plechových výpalkov. Tie sú zváraním spojené do jedného celku.

Výhodou tohto prístupu je ekonomická a relatívne aj časová nenáročnosť. Nevýhodou je nízka presnosť dosiahnutia požadovaného tvaru špirály.

Z nameraných výsledkov sa však ukázalo, že špirála vyrobená zváraním spĺňala svoj účel.

Na obrázku nižšie je konkrétne prvý prototyp čerpadla SPIRAM 50A, ktoré bolo vyrobené ako prvé čerpadlo SPIRAM vôbec.

Výroba lopatky obežného kolesa metódou tvárnenia plechového výstrižku a následného zvárania na nosný kužeľ.

Na obrázku nižšie je zobrazený úplne prvý prototyp obežného kolesa vytvorený metódou tvárnenia a zvárania.

Podobne ako to bolo u špirály, aj takto vyrobené obežné koleso splnilo svoj účel.

Zároveň sme však odhalili výzvu na statické a dynamické vyváženie obežných kolies typu SPIRAM.

Tejto téme sa venujeme v Kroku číslo 3: Vyvažovanie obežného kolesa čerpadla SPIRAM.

Inovatívny prístup výroby obežného kolesa prostredníctvom 3D tlače.

Prototyp vyrábaný 3D tlačou z materiálu ABS. Tento prístup bol využitý z dôvodu potreby vyrobiť staticky a dynamicky vyvážený prototyp obežného kolesa.

Na zhotovenom prototype sa následne zisťoval vplyv pridanej „vyvažovacej“ hmoty na hydraulické parametre.

Táto hmota bola pridávaná na obežné koleso tak, aby na parametre vplývala čo najmenej.

Každá zmena sa overovala prostredníctvom CFD simulácií za účelom dosiahnutia želaného stavu.

Porovnanie výsledkov

Nevyvážená plechová lopatka obežného kolesa (Impeller A) a vyvážené obežné koleso vyrobené na 3D tlačiarni (Impeller B).

Výsledky CFD simulácií a meraní ukazujú, že pridanie hmoty pre dosiahnutie vyváženého stavu žiadnym negatívnym spôsobom neovplyvnilo hydraulické parametre čerpadla SPIRAM 50A.

Dokonca došlo k dosiahnutiu strmšej Q-H charakteristiky. To je často v praxi žiadúce.

Hydraulická účinnosť zostala zachovaná po celom spektre prietokov.

Na finálne potvrdenie a uvedenie čerpadiel do výroby sa používajú hydraulické komponenty vyrobené odlievaním.

Na obrázku nižšie je možné vidieť totožné obežné koleso čerpadla SPIRAM 50 A-A, avšak už vyrobené z tvárnej liatiny GGG40.

Modelové a ostatné zariadenia na toto obežné koleso sú vyrábané výhradne v modelárni spoločnosti PRAKTIKPUMP.

Pri všetkých laboratórnych meraniach prototypových čerpadiel SPIRAM bola aplikovaná modifikovaná meracia metóda podľa normy ISO 9906.

Vyhodnocované a zaznamenávané boli nasledovné fyzikálne parametre:

p1 - tlak na saní čerpadla

p2 - tlak na výtlaku čerpadla,

∆p - tlaková diferencia na čerpadle,

Q - objemový prietok,

Mk  - krútiaci moment na hriadeli čerpadla, n - otáčky čerpadla.

Popis jednotlivých meraných veličín – merací prístroj a prepočet na hydraulické parametre.

Objemový prietok

Je definovaný ako objem kvapaliny, ktorý čerpadlo dopraví do výtlačného hrdla na výstupe čerpadla za jednotku času.

Objemový prietok bol meraní prostredníctvom neinvazívnej metódy ultrazvukovým prietokomerom.

Ten vyhodnocuje rýchlosť prúdenia, ktorá sa skrz svetlosť potrubia prepočíta na objemový prietok.

Ultrazvukový prietokomer je v schéme označený q.

Špecifická energia čerpadla

Je definovaná ako čerpadlom na kvapalinu prenesená energia pripadajúca na jednotku hmotnosti čerpanej kvapaliny.

Rovná sa teda prírastku špecifickej energie medzi vstupným a výstupným charakteristickým prierezom čerpadla.

Špecifická energia je vypočítaná z tlakového rozdielu medzi tlakom na výstupe z čerpadla a vstupom do čerpadla.

Tento tlakový rozdiel je vyhodnocovaný diferenčným snímačom tlaku, ktorý je schéme označený Δp.

Dopravná výška čerpadla

Vypočítaná ako podiel špecifickej energie čerpadla a konštanty gravitačného zrýchlenia.

Hydraulický výkon čerpadla

Definovaný ako skutočná energia, ktorú je čerpadlo schopné odovzdať dopravovanému médiu

Príkon čerpadla

Definovaný ako spotrebovaná energia zahŕňajúca tiež objemovú a tlakovú stratovú energiu, ku ktorej dochádza v pracovnom objeme čerpadla. Rovnako aj trecie straty v ložiskách, spojke a v upchávke.

Krútiaci moment

Vyhodnocovaný je krútiaci moment Mk a otáčky čerpadla n. ktoré sú prepočítané na uhlovú rýchlosť ω

Krútiaci moment je vyhodnocovaný prostredníctvom zariadenia s tenzometrickým snímačom, ktorý sa umiestňuje na hriadele motora a čerpadla ako prepojovací element.

Otáčky sa vyhodnocujú na základe indukčného snímača. Ten je rovnako súčasťou tohto zariadenia.

Hydraulická účinnosť čerpadla

Je vypočítaná ako podiel hydraulického výkonu a hydraulického príkonu čerpadla.

Prepočet hydraulických parametrov podľa otáčok – rovnice afinity.

Pri meraniach dochádza k odchýlkam otáčok pohonného mechanizmu čerpadla voči tabuľkovej hodnote.

To má vplyv na merané hodnoty fyzikálnych veličín a preto je potrebné tieto veličiny prepočítať pomocou takzvaných rovníc afinity na konštantné otáčky.

Porovnanie nameraných charakteristík hydraulických parametrov a výsledkov z CFD simulácií.

Nasledujúce charakteristiky Q-H, Q-P a Q-η porovnávajú výsledky z nameraných údajov na prototype čerpadla SPIRAM 200A s výsledkami CFD simulácií.

Je prítomná určitá odchýlka medzi údajmi s maximálnym rozdielom 2%.

Rozdiel medzi údajmi spôsobuje viacero aspektov:

• Jednoduchý CFD model – časovo nezávislý model tzv. Steady-State
• CFD model zohľadňuje iba hydraulické straty, pričom meranie krútiaceho momentu zahŕňa aj trecie straty spojky, ložísk a upchávky.
• Odchýlky spôsobené výrobnými procesmi

Na kontrolu parametrov čerpadiel SPIRAM je využívaná naša skúšobňa čerpadiel SPIRAM vo výrobnom závode PRAKTIKPUMP v Ladomerskej Vieske.

Pre nezávislé merania tretích strán sú využívané skúšobne STU Bratislava.

Podobným spôsobom sú vykonávané kontroly síl čerpadiel SPIRAM (axiálnej a radiálnej), kde sú uvedené sily merané snímačmi osadenými na špeciálne upravenom ložiskovom domci čerpadla.

Počas jeho prevádzky meráme hodnoty v každom prevádzkovom stave. Následne dochádza k ich vyhodnocovaniu a porovnávaniu s výpočtami.

Výsledné hodnoty sú použité na konštrukčný návrh čerpadla (dimenzovanie ložísk, hriadeľa...). Jeho bližší popis môžete nájsť v Kroku číslo 4.