بخشی از مقاله
چکیده
امروزه پروفیلهای مختلفی برای طراحی روتورهای پمپ لوب استفاده میشود که از جمله آنها میتوان به پروفیلهای اینولوت و دایرهای اشاره نمود. روش تابع انحراف، روش جدیدی است که در سالیان اخیر مورد توجه قرار گرفته است و بر مبنای این روش میتوان پروفیلهای متنوعی برای روتورهای پمپ لوب با گامهای دایرهای و غیردایرهای طراحی نمود. در تحقیقات قبلی پروفیلهای مختلفی با این روش طراحی شده است اما ارزیابی عملکرد آنها در فشار و سرعت دورانی کاری انجام نشده است.
در این مقاله، طراحی پروفیل پمپ لوب با گام دایرهای و با یک تابع انحراف کسینوسی ارائه شده است و در ادامه شبیهسازی عددی جریان با فشار خروجی 4 بار و سرعتهای دورانی 600 تا 3000 دور بر دقیقه در این پمپ به صورت گذرا انجام شده است. رفتار جریان شامل خطوط جریان و بردارهای سرعت در زوایای مختلف روتور در این پمپ بررسی شده است و مقدار نرخ جرمی جریان آب در سرعت های دورانی مختلف مقایسه گردید. نتایج نشان داده است که میزان دبی جرمی جریان وابسته به زمان است و به عبارت دیگر با تغییر مکان زاویهای روتورها، به صورت تناوبی نوسان میکند؛ همچنین در این پمپ با افزایش سرعت دورانی به صورت قابل توجهی مقدار میانگین دبی جرمی آب افزایش مییابد.
-1 مقدمه
پمپهای لوب امروزی از نوع پمپهای روتاری بدون تماس هستند و بازدهی و صرفه جویی انرژی قابل توجهی دارند و توانایی کار به صورت مداوم با قابلیت اطمینان بالا را خواهند داشت. در رابطه با انتقال جرم و حرارت این نکته باید ذکر گردد که این پمپها قادر به پمپاژ سیالات مختلف با ویسکوزیته پایین مانند آب و ویسکوزیته بالا مانند روغن و خمیرها و سیالات غلیظ میباشند. بنابراین کاربرد گستردهای در صنعت غذایی، انتقال نفت و روغن، تصفیه فاضلاب، تولیدات کشاورزی، صنعت دارو و بیوتکنولوژی دارند.
از لحاظ ساختاری این پمپها شامل دو روتور، درپوشها، پوسته پمپ، آب بندها و چرخ دندههای محرک میباشد. شماتیک یک پمپ لوب در شکل 1 نمایش داده شده است. هر روتور پمپ لوب میتواند یک یا چند گوشواره - لوب - داشته باشد و سیال را همانند پمپهای دندهای انتقال دهد. یعنی دو روتور با یکدیگر درگیر شده و در جهات مختلف به چرخش در میآیند. در نتیجه سیال در اثر ایجاد خلا، مکش شده و در فضای بین روتور و پوسته پمپ محبوس و فشرده میشود و انرژی روتور به سیال منتقل میگردد و سیال با دبی و فشار خاصی ار آن خارج میشود.
شکل -1شکل شماتیک پمپ لوب
از گذشته تا به امروز تحقیقات زیادی در مورد طراحی پروفیل روتور پمپهای لوب انجام شده است. در حال حاضر از دو نوع پمپ اینولوت و اپیتروکویدال به طور گسترده در صنعت استفاده میشود. مقدار نرخ جریان پمپ-های اینولوت یک تابع سهموی متناوب - متغیر بر حسب زاویه چرخش - است. پمپهای اپیتروکویدال نوع خاصی از پمپهای لوب هستند که پروفیل روتور آنها شامل منحنی های دایرهای و منحنی اپیتروکویدال است. مقدار دبی این نوع پمپها ثابت میباشد
ساختار و نحوه عملکرد دمندههای لوب هوا نیز مانند پمپهای لوب میباشد. لیتوین اولین بار در سال 1994 طراحی روتورهای دمنده هوا با پروفیل سیکلوئید را ارائه کرده است. در این پژوهش طراحی روتورهای یک دمنده اسکرو لوب با منحنی سیکلوئید ارائه شده است و در ادامه بهبود طراحی آن برای جلوگیری از درگیری سطوح دندهها انجام شده است. هم چنین برای بیان بهتر نحوه طراحی یک برنامه کامپیوتری توسعه داده شده است.[6] زانگ الزامات و روش طراحی بهینه روتورهایی با پروفیلهای سیکلوئید را معرفی نموده است.
هدف از این کار طراحی سبک و کمینه نمودن نشتی جریان بین روتورها بوده است[2] سانگ جانگ با استفاده از ترکیب منحنیهای بیضوی و اینولوت روتورهای مختلفی را با هدف داشتن منحنیهای پیوسته و هموار طراحی نمود. از جمله آنها میتوان به منحنی ترکیبی بیضوی-اینولوت-بیضوی اشاره نمود.[7] پمپهای لوب امروزی دارای منحنیهای گام دایرهای هستند اما یانگ روشی جدید به نام تابع انحراف برای طراحی پمپهای لوب ارائه نمود. با این روش روتورهای با پروفیلهای مختلف را میتوان طراحی نمود. در ادامه رابطهای برای محاسبه دبی مخصوص پمپهای لوب بر حسب توابع انحراف و تابع گام ارائه شد که قابل استفاده برای پمپهای لوب با گام های دایرهای و غیر دایرهای میباشد. در ادامه آنها روشی برای طراحی پمپهای لوب جدید با استفاده از توابع نرخ جریان مخصوص ارائه دادند.
جهت تحلیل و ارزیابی عملکرد پمپهای لوب و بهبود عملکرد آنها نیاز است که ویژگیهای جزئی و کلی جریان شناخته شوند. باید توجه گردد که در پمپهای لوب حوزه کاری سیال به دلیل چرخش روتورها دائما در حال تغییر است و فهم فیزیک جریان در چنین حوزه کاری پیچیدهای بسیار مشکل است. از طرف دیگر لازم است رابطه بین هد، دبی، ابعاد پمپ و روتورها و سرعت دورانی آنها را بدانیم.
برای این منظور روشهای مختلفی را میتوان دنبال کرد. روش تجربی یکی از روش هاست اما این روش در بسیاری از موارد هزینه زمانی و مادی بالایی دارد و یا اینکه از لحاظ عملی بسیار مشکل است و یا امکان پذیر نیست. در کارهای پژوهشی مانند بهینهسازی و مقایسه پمپهای مختلف، این روش هزینه و زمان بسیار بالایی نیاز دارد. یک روش جایگزین رایج برای آن، اجرای روش تجربی در مقیاس کوچکتر است. این روش اگر چه هزینه و زمان کمتری را میطلبد اما باز هم در بسیاری از موارد تمام ویژگیهای جریان مسئله واقعی را به درستی پیش بینی نمیکند و ممکن است خطاهای قابل توجهی را به وجود آورد. روش دیگر انجام شبیهسازیهای عددی با کامپیوترها است.
تکنیکهای دینامیک سیالات محاسباتی روش های عددی هستند که در آنها میتوان رفتار جریان را برای شرایط تنظیم شده در ورودی و خروجی با دقت خوبی شبیهسازی نماید. با پیشرفت روشهای عددی و همچنین پیشرفتهای سختافزاری و افزایش سرعت کامپیوترها، تکنیک های عددی به دلیل صرفه جویی در هزینه و زمان بیش از پیش مورد توجه قرار گرفتند. این روشها در مقایسه با روشهای تجربی، مجموعه گستردهای از اطلاعات و نتایج را با کمترین هزینه در اختیار کاربر قرار میدهند.[10] در گذشته مقالاتی با روش های عددی در مورد عملکرد پمپهای روتاری از جمله پمپهای لوب، پمپهای دندهای و gerotor ارائه شده است.
چوهسیه نوع جدیدی از پروفیل های بیضوی را برای پمپ های لوب طراحی کرده است. بعد از طراحی جهت ارزیابی عملکردی این نوع پمپ یک مدل آنالیز جریان سه بعدی توسعه داده است و در ادامه بررسی پارامتری پروفیلهای با نسبتهای بیضوی مختلف جهت به دست آوردن بهترین مشخصات جریان در خروج انجام گردید.[11] مونترو و همکاران شبیه سازی عددی جریان روغن در پمپهای ژیروتور را انجام دادند. پمپ های ژیروتور به طور گسترده در صنعت خودرو برای پمپاژ روغن روانکار استفاده میشود و بسیار مهم است که عملکرد مداوم و ساکتی داشته باشد. در این تحقیق مطالعه پارامتری پمپ ژیروتور با فاصله لقیهای مختلف بین دندانه ها انجام شده است.
کامپو و دوستان شبیه سازی عددی پمپ های دندهای را به منظور یافتن نقطه کاری بهینه انجام دادند. در این تحقیق در سرعتهای دورانی مختلف، الگوی جریان، بازده حجمی پمپ و روی دادن کاویتاسیون مورد بررسی قرار گرفته است.[13] کانگ در پژوهش خود منحنیهای مختلف را با استفاده از روشهای دینامیک سیالات محاسباتی مورد ارزیابی قرار داده است.
در این تحقیق پروفیلهای سنتی و پروفیلهای ترکیبی شبیهسازی شده و عملکرد آنها مقایسه شده است. نتایج نشان داده که پمپ لوب با پروفیل ترکیبی سیکلوئیدی-دایره ای-سیکلوئیدی عملکرد بسیار خوبی دارد. همچین طبق این تحقیق، افزایش تعداد لوبهای هر روتور عملکرد پمپ را فقط از لحاظ پایداری جریان، بهبود میبخشد.
هانگ و همکاران، شبیه سازی عددی رفتار جریان ناپایای تراکم پذیر را در یک دمنده جابهجایی مثبت انجام دادند. پروفیل روتورهای این دمنده به صورت اینولوت طراحی شده و دارای 3 لوب میباشد. آنها شبیه سازی جریان دمنده را در یک پریود کاری انجام دادند و کانتورهای فشار و سرعت جریان، نوسانات و نرخ تخلیه جریان را در لحظات مختلف بررسی نمودند.[14] کانگ و همکاران در تحقیقشان شبیه سازی عددی دینامیک جریان حول روتورهای پمپ های لوب با پروفیل دایره ای و سیکلوئیدی را ارائه دادند. همچنین آنها تاثیر عوامل مختلف همچون پروفیل روتور، تعداد لوب، فاصله لقی بین روتور و پوسته و لقی بین روتورها را مورد مطالعه قرار دادند
روش تابع انحراف یک روش مناسب برای توسعه پروفیلهای جدید پمپهای لوب است. در تحقیقات قبلی با استفاده از این روش، روتورهای با پروفیلهای مختلف طراحی و ارائه شده است اما ارزیابی عملکرد پمپ لوب با این پروفیلها در فشار و سرعت دورانی کاری انجام نشده است. در این مقاله، شبیهسازی عددی و بررسی میزان هد و دبی پمپ لوب با روتورهای جدید ارائه شده است. به عبارت دیگر عملکرد یک پمپ لوب با تابع انحراف کسینوسی و تابع گام دایرهای بررسی شده است.
-2 طراحی پمپ لوب با روش تابع انحراف
در این پروژه، قبل از طراحی پروفیل روتورهای پمپ لوب باید طراحی گامهای آنها صورت گیرد. پمپهای لوب صنعتی امروزی همگی دارای گام دایرهای میباشند و تولید گامهای غیر دایرهای در مرحله تحقیقات است. در این پروژه طراحی منحنی مورد بررسی با یک منحنی گام دایرهای صورت گرفته است. شعاع گام هر روتور 40 میلیمتر و طول روتور برابر 62 میلیمتر میباشد.
برای طراحی پروفیل روتورها از روش تابع انحراف استفاده شده است که در این بخش، مختصرا توضیح داده می-شود. طبق شکل 2 در نقطه تماس روتورهای درگیر G لغزش روی میدهد.
