اگر می خواهید طراحی پروانه های پمپ گریز از مرکز را بهینه کنید. بنابراین، لازم است هدف بهینه سازی روشن شود: بهبود عملکرد استنشاق؟ راندمان پمپ را بهبود می بخشد؟ دامنه افزایش منحنی Q-H را تنظیم کنید و سپس آن را بر اساس نیازهای خاص بهینه کنید. جزء هیدرولیکی اصلی که بر عملکرد پمپهای گریز از مرکز تأثیر میگذارد، پروانه است، علاوه بر اجزای جریان مانند پیچها/پرههای راهنما که با آن مطابقت دارند.
مکانیک سیالات یک رشته نیمه نظری و نیمه تجربی است و هنوز زمینه های زیادی وجود دارد که نمی توان آنها را به طور دقیق طراحی، شبیه سازی و پیش بینی کرد، مانند عدم توانایی در شبیه سازی دقیق وضعیت جریان واقعی سیالات و تاثیر آنها بر عملکرد پمپ در ساختارها، دماها و رسانه های مختلف پمپاژ. بنابراین، این مقاله تنها می تواند به طور خلاصه نحوه بهینه سازی پروانه پمپ گریز از مرکز را برای بهبود مکش و عملکرد هیدرولیکی آن از منظر کیفی همراه با تجربه توضیح دهد. فقط برای مرجع.
1. بهبود عملکرد استنشاق
دو نوع خمش برای تیغه های پروانه وجود دارد: خمش به جلو و خمش به عقب. پمپ های گریز از مرکز به دلیل کارایی آن در به حداکثر رساندن توان، ایجاد نیروی چرخشی بالا به سیال و جلوگیری از جداسازی جریان، معمولاً از پروانه های پره خمیده عقب استفاده می کنند.
برای بدنه پمپ، رفتار کاویتاسیون و عملکرد مکش پمپ تا حد زیادی تحت تأثیر شکل هندسی و مساحت ورودی پروانه است. بسیاری از عوامل هندسی در ورودی پروانه می توانند بر کاویتاسیون تأثیر بگذارند، مانند قطر ورودی و توپی، زاویه ورودی تیغه و زاویه برخورد جریان بالادست، تعداد و ضخامت تیغه، ناحیه گلوگاه تیغه، ناهمواری سطح، پروفیل لبه جلویی تیغه، و غیره. (برای پمپ های حلزونی).
1) قطر ورودی / سطح ورودی پروانه
به منظور بهبود عملکرد مکش پمپ های گریز از مرکز، طراحان عموماً با افزایش قطر ورودی پروانه به این امر دست می یابند. امروزه این روش طراحی همچنان در طراحی مهندسی پمپ های گریز از مرکز استفاده می شود.
هنگامی که قطر شفت یکسان است و فاصله قطر در حلقه دهانه پروانه یکسان است، عملکرد مکش بهتر است (هرچه سطح ورودی پروانه بزرگتر باشد، مقدار سرعت ویژه مکش بیشتر می شود)، ناحیه فاصله در حلقه دهانه پروانه بزرگتر است، که به این معنی است که مقدار نشتی بیشتر است و راندمان پمپ کمتر است.
اما برای روش بهبود عملکرد مکش با افزایش قطر ورودی پروانه باید به موارد زیر توجه ویژه ای داشت:
مجاز نیست که مقدار سرعت ویژه مکش به میزان قابل توجهی از مقادیر مشخص شده در استانداردها و مشخصات مربوطه بیشتر شود، در غیر این صورت باعث ایجاد محدوده عملکرد باریک و پایدار پمپ می شود.
2) شکل لبه جلویی تیغه
ارضای محدودیت های مکانیکی و تولیدی ضخامت تیغه لبه جلویی، اتخاذ یک پروفایل سهموی می تواند عملکرد مکش پروانه را بهبود بخشد. عملکرد مکش کانتور بیضوی دوم است، و این شکل انتخاب کانتور پیش فرض برای لبه جلو است، زیرا می تواند به راحتی محدودیت های مکانیکی و تولیدی ضخامت لبه جلویی تیغه را برآورده کند.
3) شعاع انحنای قسمت ورودی صفحه پوشش پروانه
به دلیل نیروی گریز از مرکز وارد بر جریان مایع در ورودی پروانه در نقطه عطف، فشار کم و سرعت جریان در نزدیکی صفحه پوشش جلویی زیاد است و در نتیجه توزیع سرعت در ورودی پروانه ناهموار است. افزایش مناسب شعاع انحنای قسمت ورودی صفحه پوششی برای کاهش سرعت مطلق در صفحه پوشش جلویی (کمی جلوتر از ورودی تیغه) و بهبود یکنواختی توزیع سرعت، کاهش افت فشار در قسمت ورودی پمپ و در نتیجه کاهش NPSHR و بهبود عملکرد ضد کاویتاسیون مفید است.
4) موقعیت لبه ورودی تیغه و شکل قسمت ورودی
لبه ورودی تیغه به صورت جانبی به سمت درگاه مکش امتداد می یابد، با استفاده از لبه ورودی تیغه پشتی جارو شده (لبه ورودی در همان محور نیست و لبه بیرونی با زاویه خاصی به سمت عقب جابجا می شود)، که به جریان مایع در سمت توپی اجازه می دهد تا عمل تیغه را از قبل دریافت کند و فشار را افزایش دهد.
لبه ورودی تیغه به سمت جلو کشیده شده و کج می شود و باعث ایجاد سرعت های محیطی متفاوت در هر نقطه می شود. به طور کلی، سرعت محوری تقریباً به طور یکنواخت در امتداد لبه ورودی توزیع می شود و در نتیجه زوایای جریان نسبی متفاوتی در هر نقطه از لبه ورودی ایجاد می شود. به منظور پاسخگویی به این وضعیت جریان و کاهش تلفات ضربه، ورودی تیغه باید به شکل فضایی تابیده شود، به همین دلیل است که بسیاری از قطعات ورودی تیغه پروانه با سرعت کم نیز به تیغه های پیچ خورده تبدیل می شوند.
5) زاویه ورودی تیغه
شرایط طراحی یک زاویه حمله مثبت کمی بزرگتر برای افزایش زاویه ورودی تیغه ها، کاهش خمش در ورودی تیغه ها، کاهش جابجایی تیغه ها، افزایش سطح جریان ورودی تیغه ها و در نتیجه بهبود عملکرد مکش اتخاذ می کند. در عین حال، محیط عملیاتی تحت ترافیک بالا را نیز برای کاهش تلفات ترافیک بهبود می بخشد. با این حال، زاویه حمله نباید خیلی زیاد باشد، در غیر این صورت روی کارایی تأثیر می گذارد.
6) ضخامت و صافی ورودی تیغه
ضخامت ورودی تیغه را به طور مناسب کاهش دهید و آن را گرد کنید تا به شکل ساده نزدیکتر شود. کاهش ضخامت تیغه نه تنها مساحت کانال مکش پروانه را گسترش می دهد، سرعت جریان را کاهش می دهد و فشار را افزایش می دهد (شکل ورودی تیغه نسبت به افت فشار بسیار حساس است)، بلکه صافی سطح پروانه و ورودی تیغه را بهبود می بخشد و تلفات مقاومت را کاهش می دهد. این اقدامات همگی برای بهبود عملکرد مکش پمپ مفید هستند.
7) سوراخ تعادل
سوراخ تعادل روی پروانه اثر مخرب خاصی بر جریان اصلی ورودی به پروانه به دلیل نشتی دارد (مساحت سوراخ بالانس نباید کمتر از 5 برابر سطح شکاف آب بندی باشد تا دبی نشتی کاهش یابد و در نتیجه تاثیر آن بر جریان اصلی به حداقل برسد). تحقیقات نشان داده است که وقتی یک سوراخ تعادل روی پروانه باز می شود، شدت گرداب در پشت پروانه کاهش می یابد و حتی ممکن است برخی از گرداب ها ناپدید شوند و عملکرد مکش پمپ بهبود یابد.
8) قطر خروجی پروانه
یک کاهش کوچک در قطر پروانه فقط اندکی NPSHR را افزایش می دهد. اما هنگامی که قطر 5% تا 10% کاهش می یابد، NPSHR به طور قابل توجهی افزایش می یابد، زیرا کاهش طول تیغه بارهای خاص تیغه را افزایش می دهد و در نتیجه بر توزیع سرعت در ورودی پروانه تأثیر می گذارد.
یادداشت ها:
1) سعی کنید از روش افزایش سطح ورودی پروانه برای بهبود عملکرد مکش خودداری کنید و از تجاوز شدید از سرعت مخصوص مکش خودداری کنید، در غیر این صورت ایجاد رفلاکس ورودی و گسترش ناحیه عملکرد ناپایدار پمپ آسان است.
2) از بروز حفره سندرم کانال تیغه ای باید اجتناب شود. این نوع آسیب کاویتاسیون به دلیل شکاف کوچک بین پره های راهنما (برای پمپ های پره راهنما) یا پیچ ها (برای پمپ های پیچشی) و قطر خارجی تیغه های پروانه ایجاد می شود. هنگامی که مایع از کانال کوچک عبور می کند، افزایش سرعت مایع باعث کاهش فشار مایع، تبخیر موضعی و تولید حباب می شود که سپس در فشارهای بالاتر پاره می شود و منجر به کاویتاسیون می شود.
2. بهبود عملکرد هیدرولیک
عوامل زیادی بر عملکرد هیدرولیکی پمپ ها تأثیر می گذارند و عوامل اصلی تأثیرگذار بر راندمان هیدرولیکی پروانه ها تلفات مختلف است. به طور خاص، وجود دارد:
1) تعداد برگ
برای پمپ های گریز از مرکز، افزایش تعداد پره ها به طور کلی می تواند جریان مایع را بهبود بخشد و هد پمپ را به طور مناسب افزایش دهد. با این حال، افزایش تعداد پره ها باعث کاهش سطح جریان کانال می شود که منجر به افزایش سرعت جریان و کاهش اصطکاک تیغه ها می شود.
بنابراین، افزایش بیش از حد در تعداد پره ها نه تنها باعث کاهش راندمان و بدتر شدن عملکرد کاویتاسیون پروانه می شود، بلکه ممکن است باعث ایجاد قوز در منحنی عملکرد پمپ شود. علاوه بر این، افزایش تعداد تیغه ها، روند صعودی منحنی مشخصه سر (از نقطه نامی) را به نقطه مرده بحرانی صاف می کند. در مقابل، با کاهش تعداد تیغه ها، منحنی مشخصه سر شیب دارتر می شود. معمولاً برای پروانه های پمپ گریز از مرکز با تعداد پره های زیاد، 5-7 پره انتخاب می شود.
2) برگ های بلند و کوتاه
تحقیقات نشان داده است که هر ترکیبی از تیغههای کوتاه و بلند در پروانه پمپ برای بهبود راندمان پمپ مفید خواهد بود، زیرا میتواند به طور موثری از ایجاد جریان پیای ناشی از توزیع سرعت ناهموار در نزدیکی ورودی پروانه جلوگیری کند.
3) تیغه های پیچ خورده
آزمایشها نشان دادهاند که پمپهای با پرههای پیچ خورده در نزدیکی نقطه عملیاتی طراحی و در نواحی جریان بالا در مقایسه با پمپهای با تیغههای منحنی راندمان بالاتری دارند. در عین حال، پمپهای با تیغههای پیچ خورده دارای سر بالاتری در نقطه بحرانی نسبت به پمپهای دارای تیغههای منحنی هستند (که میتواند روند صعودی منحنی مشخصه سر را در نقطه بحرانی تغییر دهد، بهویژه برای پمپهای گریز از مرکز با سرعت خاص پایین، که میتواند به طور موثری قوز را بهبود بخشد/حذف کند).
4) قطر خروجی پروانه
استاندارد API 610 اجازه نمی دهد پمپ ها به حداکثر قطر پروانه برسند و برای برآوردن عملکرد مورد نیاز پمپ، باید پروانه را برش دهید. اگر انتخاب پمپ بیش از حد بزرگ باشد، برش پروانه یک روش نسبتا اقتصادی و موثر برای کاهش فشار و جریان تولید شده است. اگرچه برش پروانه کارآمدتر از استفاده از دریچه دریچه گاز برای برآوردن شرایط عملیاتی مورد نیاز است، اما راندمان آن معمولاً کمتر از یک پروانه با اندازه کامل است زیرا تیغه های پروانه کوتاه شده و شکاف بین تیغه های پروانه و محفظه پمپ افزایش می یابد.
برای پروانه های جریان شعاعی، قطر آنها نباید به بیش از 70 درصد حداکثر قطر طراحی کاهش یابد. کاهش قطر پروانه پمپ همچنین عرض کانال خروجی، زاویه خروجی تیغه و طول تیغه را تغییر می دهد. هرچه قطر پروانه از حداکثر قطر کمتر شود، با برش پروانه، راندمان پمپ کاهش می یابد و بالاترین نقطه راندمان به سمت دبی کمتر تغییر می کند.
3. تأثیر سایر پارامترها بر عملکرد پمپ
1) عرض تیغه پروانه
با افزایش عرض تیغه، فشار مایع کاهش می یابد، بنابراین با افزایش عرض تیغه پروانه، سر کاهش می یابد. تأثیر عرض تیغه بر بازده نقطه بازده بهینه معمولاً قابل توجه نیست (با افزایش عرض تیغه، راندمان نقطه کارایی بهینه ممکن است کمی افزایش یابد)، اما با کاهش عرض تیغه، ناحیه بازده بالا به سمت نرخهای جریان پایینتر تغییر میکند. تأثیر راندمان در دبیهای حجمی بزرگتر قابل توجهتر است، به عبارت دیگر، با افزایش عرض تیغه، منحنی راندمان به سرعت در سمت راست نقطه بازده بهینه کاهش مییابد.
2) زاویه تیغه خروجی پروانه
هر چه زاویه تیغه خروجی بزرگتر باشد، سر با سرعت معین بالاتر می رود، اما به قیمت راندمان و عملکرد سایش کمتر. زاویه تیغه خروجی پایین تر، کارایی و طول تیغه را افزایش می دهد، اما به قیمت کاهش هد. بنابراین، معمولاً برای دستیابی به تعادل بین این عوامل، زاویه تیغه صادراتی باید بهینه شود. هد با افزایش زاویه تیغه خروجی افزایش مییابد، که میتواند با افزایش اندازه مقطع{3}}خروجی نسبت به افزایش زاویه تیغه خروجی توضیح داده شود و در نتیجه افت فشار مایع در کانال جریان بین تیغهها کاهش مییابد.
این مطالعه نشان می دهد که مقدار حداکثر بازده با افزایش زاویه تیغه خروجی کاهش می یابد. هنگامی که زاویه تیغه خروجی کوچک باشد، راندمان پمپ در سمت راست بالاترین نقطه بازده به سرعت کاهش می یابد.
3) تیغه شکاف خروجی پروانه
افزودن پره های شکاف در سمت خروجی پروانه باعث افزایش هد و راندمان هیدرولیکی پمپ می شود و با افزایش طول پره های شکاف، افزایش هد و راندمان بیشتر می شود. طول تیغه های شکاف بسته به اندازه پروانه، شکل تیغه ها و تعداد تیغه ها معمولاً از 0.5 برابر طول تیغه اصلی تجاوز نمی کند.
4) برش لبه خروجی تیغه پروانه
سنگ زنی پشت تیغه های خروجی پروانه، ناحیه کانال جریان خروجی پروانه را گسترش می دهد و در نتیجه سرعت جریان پروانه را افزایش می دهد. همانطور که ناحیه کانال خروجی گسترش می یابد، هد نیز افزایش می یابد و نقطه بازده بهینه پمپ به سمت جریان بالا تغییر می کند.