بخشی از مقاله
چکیده
در خلأهای بالا و نیز فوق خلأ، به طور گستردهای از پمپهای توربومولکولی محوری استفاده میشود. در بیشتر این پمپ ها از پره تخت در روتور و استاتور استفاده شده است. تاکنون تحقیقات مختلفی روی جریان سیال در این پمپها صورت گرفته است. تاثیر پروفیلهای مختلف پره روتور بر عملکرد سیالاتی - حداکثر نسبت تراکم و حداکثر دبی عبوری - اینگونه پمپها ارائه شده است.
با توجه به تاثیر متقابل عملکرد سیالاتی بر عملکرد جامداتی یا سازهای و بلعکس، در این پژوهش تاثیر پروفیلهای مختلف پره بر عملکرد سازهای و جامداتی پمپ توربومولکولی محوری، پس از شبیهسازی به روش المان محدود با برنامه انسیس ورک بنچ، پره روتور این پمپ مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است و بهترین پروفیل هم از نظر عملکرد سیالاتی و هم از نظر عملکرد سازهای معرفی شده است.
مقدمه
برای ایجاد شرایط خلأ معمولاً از پمپهای مختلف که هر یک با استفاده از روش به خصوص و در یک محدوده فشاری معین قابلیت انجام کار دارند، استفاده میشود. از انواع این پمپها می توان به پمپ خلأ با پروانه چرخنده ، پمپ دیفیوژن، پمپ کریوژنیک، پمپ یونی و پمپهای توربومولکولی محوری و شیاردار اشاره کرد. در خلأ های بالا و نیز فوق خلأ، به طور گستردهای از پمپهای توربو مولکولی محوری استفاده می شود.
مزیت استفاده از پمپ های توربومولکولی ایجاد خلأ عاری از هر گونه بخار روغن، کوتاه بودن فاصله بین روشن شدن پمپ تا رسیدن آن به سرعت نامی و نیز توان و هزینه کمتر نسبت به پمپ کریوژنیک میباشد. مهمترین نقاط ضعف این پمپ، پایین بودن خالص جریان عبوری، قیمت بالا و پایین بودن عملکرد آن در مقابل گازهای سبک میباشد.
در شکل 1 یک نمونه از پمپ توربومولکولی محوری و در شکل 2، یک طبقه از پمپ توربومولکولی شامل یک ردیف روتور و یک ردیف استاتور یک پمپ توربومولکولی محوری به نمایش در آمده است. اساس کار این پمپ بدین صورت است که مولکولهای جریان در قسمت ورودی به طبقه اول پرهها که با سرعت بالا در حال چرخش هستند. برخورد کرده و در اثر این برخورد، مومنتوم این ذرات تغییر میکند.
این تغییر مومنتوم به گونهای است که احتمال برگشت مولکول را به سمت بالادست جریان به حداقل میرساند. همین عمل به هنگام ورود مولکولها به تیغههای ثابت تکرار شده و این تیغهها مولکول را به سمت طبقهی بعدی هدایت میکند در نهایت مولکولها پس از عبور از تمامی طبقههای پمپ به سمت خروجی پمپ هدایت میشوند.
شکل :1 نمایش طبقات مختلف پمپ توربومولکولی محوری
شکل :2 نمایش یک طبقه از پمپ توربومولکولی محوری
تاکنون تحقیقات فراوانی در زمینهی شبیهسازی جریان سیال در پمپهای توربومولکولی محوری انجام شده است
در سال 2012 سنجیل، تاثیر پروفیلهای مختلف پره روتور و استاتور را بر عملکرد سیالاتی پمپ توربومولکولی محوری مورد بررسی قرار داد.
در سال 2012 موناور و همکاران با تغییر پروفیل پره پمپ توربومولکولی و کاهش قابل توجه بیشترین تنش نرمال، تنش برشی، تنش اصلی، تنش معادل و تغییر شکل، موجب افزایش عملکرد پمپ توربومولکولی محوری شدند
در این تحقیق سعی بر آن است که تاثیر پروفیلهای مختلف پره بر عملکرد سازه ای[7] و جامداتی پمپ توربومولکولی محوری، پس از شبیهسازی پره روتور این پمپ با روش المان محدود با برنامه تجاری انسیس ورک بنچ، مورد بررسی و تحلیل قرار گیرد و بهترین پروفیل هم از نظر عملکرد سیالاتی و هم از نظر عملکرد سازهای معرفی گردد.
بررسی تاثیر پروفیل مختلف پره روتور بر عملکرد سیالاتی پمپ توربومولکولی محوری
در این بخش تاثیر پروفیل مختلف پره بر نتایج حاصل از شبیهسازی جریان سیال در پمپ توربومولکولی محوری ارائه خواهد شد. در شکل 3 نمای دو بعدی از دو پره متوالی روتور پمپ توربومولکولی محوری نشان داده شده است که S فاصله بین دو پره در ریشه، b طول پره و α زاویه پره میباشد.
شکل :3 نمایش دو بعدی از دو پره متوالی روتور پمپ توربومولکولی محوری
در شکل 4 چهار پروفیل تخت1 ، درجه دوم در جهت چرخش2، درجه دوم در خلاف جهت چرخش3 و درجه سوم4، به صورت ریاضی و در شکل 5 به صورت مدلسازی ارائه شدهاند.
در شکل 6 و شکل 7 نتایج حاصل از بررسی و شبیهسازی جریان در پمپ توربومولکولی محوری با پروفیل تخت، درجه دوم در جهت چرخش، درجه دوم در خلاف جهت چرخش و درجه سوم، پرههای روتور پمپ توربومولکولی محوری از مرجع [5] ارائه شده است.
شکل :4 نمایش پروفیلهای مختلف پره روتور پمپ توربومولکولی محوری به صورت ریاضی
شکل :5 نمایش پروفیلهای مختلف پره روتور پمپ توربومولکولی محوری: الف - پروفیل تخت، ب - پروفیل درجه دوم در جهت چرخش پره، ج - پروفیل درجه دوم در جهت خلاف چرخش پره، د - پروفیل درجه سوم پره 11،شکل 12 و شکل 13 نمونه نتایج حاصل از شبیه سازی پره روتور پمپ توربومولکولی محوری به عنوان نمونه ارائه شده است.
همانطور که از شکل 8 مشاهده میشود، مجموعه پره با سرعت زاویهای RPM 18000 تحت نیروی گریز از مرکز قرار گرفته است و از سطح داخلی به روتور متصل شده است، به عبارتی پره از سطح داخلی ثابت شده است و فقط تاثیر چرخش - نیروی گریز از مرکز - لحاظ شده است. همچنین لازم به ذکر است جهت المانبندی از المان نوع Solid 187 استفاده شده است.
شکل :6 حداکثر نسبت تراکم در رژیمهای مختلف با پروفیلهای مختلف
شکل :7 حداکثر سرعت پمپاژ در رژیمهای مختلف با پروفیلهای مختلف
شکل :8 نمایش شرایط تکیهگاهی پرههای روتور پمپ توربومولکولی محوری
نتایج ارائه شده، با سرعت پره vb= 285 متر بر ثانیه، زاویه پره α=40◦، طول پره b= 0/01 متر و فاصله بین دو پره در ریشه S=0/02 متر میباشد .[5] همانطور که در مشاهده میشود پره با پروفیل تخت عملکرد سیالاتی بهتری نسبت به دیگر پروفیلهای پره در همه رژیم های جریانی دارا میباشد.
تاثیر پروفیل مختلف پره روتور بر عملکرد سازهای پمپ توربومولکولی محوری
در این بخش نتایج حاصل از شبیهسازی پره روتور پمپ توربومولکولی محوری با پروفیلهای مختلف ارائه و مورد مقایسه قرار خواهد گرفت. و با توجه به عملکرد سیالاتی هر پروفیل، پروفیل مطلوب، هم از نظر عملکرد سیالاتی و هم از نظر عملکرد جامداتی معرفی خواهد شد.
