بخشی از مقاله
چکیده
امروزه پمپ های سانتریفیوژ رایج ترین نوع پمپ ها در کارخانه های صنعتی هستند. هدف از این مقاله طراحی پروانه پمپ جریان شعاعی و حل عددی آن توسط نرم افزار Ansys CFX است. هندسه مساله به صورت سه بعدی با استفاده از نرم افزار Ansys Vista CPD طراحی و سپس توسط نرم افزار Ansys TurboGrid شبکه بندی شده است. نرم افزار Ansys Vista CPD یک برنامه برای طراحی اولیه پروانه پمپ ها است به طوری که می تواند برای تولید طرح اولیه پروانه قبل از تولید مدل هندسی سه بعدی کامل پمپ و تجزیه و تحلیل عددی آن مورد استفاده قرار گیرد.
این نرم افزار کلیه مراحل طراحی کردن را کاملا آسان کرده است و از دقت بیشتری برخوردار است. به منظور اعتبار سنجی و صحه گذاری ، نتایج حاصل از حل عددی با نتایج تحقیق طراحی حاضر مقایسه شده است. بر اساس حل عددی ، کانتور فشار کل و کانتور فشار استاتیکی افزایش فشار بعد از پره های پروانه را نشان می دهند. هر پره یک سمت مکش و یک سمت فشار دارد و دو طرف پره دارای فشارهای متفاوت می باشد.
مشاهده می شود که فشار کل در سمت فشار پره بیشتر از سمت مکش پره است. واضح است که تولید حباب و شروع پدیده جوشش در سمت مکش که دارای فشار کمتر است رخ خواهد داد. اختلاف فشار بین سمت فشار و سمت مکش پره پروانه ، از لبه پیشرو به لبه انتهایی پره پروانه در حال افزایش است. حداقل مقدار فشار استاتیکی داخل پروانه در لبه پیشرو پره ها در سمت مکش تعیین شده است. الگوهای فشار کل در طول پروانه متفاوت هستند. فشارهای کل با مقادیر پایین در نزدیکی هاب پروانه مشاهده شده است.
.1 مقدمه
به دلیل پیچیدگی جریان سیال داخل پمپ های سانتریفیوژ ، تحلیل جریان این پمپ ها با استفاده از روش های آزمایشگاهی به تنهایی مقدور نمی باشد. در سال های اخیر با رشد سریع کامپیوترها استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - برای تحلیل جریان های پیچیده سیال مورد استقبال محققان قرار گرفته است. به دلیل دقت روش های عددی در شبیه سازی جریان داخل پمپ ها ، محققان زیادی از آن برای تحلیل جریان داخلی پمپ ها استفاده کرده اند. در اکثر تحلیل های عددی بر روی پمپ ها با توجه به پیچیدگی هندسه و به خصوص پروانه سه بعدی پمپ ها از مدل های ساده استفاده شده است.
برای انجام شبیه سازی و حل جریان درون پمپ های سانتریفیوژ نیاز به تولید یک مدل هندسی از اجزای درون آن و تولید شبکه محاسباتی است. حل عددی معادلات موجب می شود نتایجی را که رسیدن به آنها در محیط های آزمایشگاهی زمان بر و هزینه بر می باشد را در مدت زمان کوتاه و با هزینه مقرون به صرفه بدست آورد. با مقایسه کردن نتایج آزمایشگاهی و نتایج حاصل از تحلیل عددی می توان بسیاری از طراحی ها را با دقت بیشتری انجام داد.
تاکنون مطالعات زیادی جهت بررسی و پیش بینی رفتار جریان سیال درون پمپ های سانتریفیوژ انجام شده است. این پژوهش ها با استفاده از علوم طراحی به کمک کامپیوتر و دینامیک سیالات محاسباتی انجام شده اند. - Bacharoudis et al, 2008 - به مطالعه پارامتری پروانه پمپ گریز از مرکز با تغییر زاویه خروجی پره های پروانه پرداختند. نتایج بدست آمده حاکی از این بودند که همبستگی مناسبی بین پارامترهای کلی و موضعی وجود دارد. برای پروانه الگوی جریان و توزیع فشار در مسیرهای پره محاسبه شده و سرانجام منحنی های هد-دبی مقایسه شده و مورد بحث قرار گرفته اند.
- Houlin et al, 2010 - به تأثیر تعداد پره ها روی مشخصات پمپ گریز از مرکز پرداختند. تعداد پره های یک پروانه یکی از مهمترین پارامترهای طراحی پمپ ها می باشد که از مشخصات پمپ بسیار تأثیر می پذیرد. تحلیل جریان نشان دهنده این بود که تغییر تعداد پره ها تأثیر زیادی روی ناحیه کم فشار پشت پره داخلی و ساختار جت-موج در پروانه ها دارد. - Kumar et al, 2014 - بیان کردند که شکست پره های پروانه یک پمپ جریان مخلوط عموما با توجه به گسترش بیش از اندازه تنش است. به منظور جلوگیری از چنین وضعیتی در ابتدا باید پره ها را با در نظر گرفتن توزیع تنش Von Misses در پره های پروانه طراحی کرد.
حداکثر توزیع تنش Von Misses در میان وضعیت های مختلف پره مقایسه شد. وضعیت مایل پره ورودی در Meridional Annulus به عنوان توزیع تنش Von Misses مناسب تر از وضعیت ذوزنقه ای است و برای پره ورودی مایل این توزیع تنش کمتر شد. - Dazhuan et al, 2010 - به شبیه سازی جریان گذرا در یک پمپ گریز از مرکز در طی فرآیند سریع باز شدن شیر تخلیه پرداختند. نتیجه ای که طی این بررسی بدست آمده این است که عملکرد پمپ در طی سریع باز شدن شیر تخلیه از شتاب جریان و چرخش آنی ساختار گرداب بسیار متأثر می باشد.
- Sanjay et al, 2015 - روی تأثیر قطر پروانه و سرعت چرخشی بر عملکرد پمپ هایی که به عنوان توربین استفاده می شوند مطالعه کردند و نتیجه گرفتند که کاهش قطر ، کارایی را در شرایط بارگذاری بهبود می بخشد و گرد کردن تیغه 3-4 درصد بازده را افزایش می دهد. - Barrio et al, 2011 - به محاسبه و بررسی بار شعاعی در پمپ های گریز از مرکز با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی پرداختند. آنها با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به محاسبه بار شعاعی برای اجزای ناپایای موجود در پمپ پرداختند. سپس نتایج مورد نظر را با داده های موجود آزمایشگاهی مقایسه کردند.
نتایج حاکی از این بودند که اجزای ناپایای موجود در پمپ در صورتی که در شرایط خارج از طراحی کار کنند می توانند موجب به وجود آمدن باری معادل 40 تا 70 درصد مقدار میانگین شوند. - بحرینیان و همکاران، - 1391 به بررسی سرعت دورانی و دبی در تشکیل جریان گرداب های درون پروانه توربوپمپ گریز از مرکز پرداختند. نتایج حاصل از این بررسی حاکی از این بودند که در دبی های کم و سرعت دورانی بالا گردابه هایی در مجرای بین دو پره مجاور پروانه تشکیل می شود و پروانه تحت تأثیر نیروهای غیر دائمی ناشی از جریان قرار می گیرد.
این گردابه ها باعث نوسان پمپ با فرکانس های زیاد می شود. این ارتعاشات اثرات زیان باری بر روی عملکرد پمپ و مجموعه وابسته به آن به همراه دارد. - جعفرزاده و همکاران، - 1389 به شبیه سازی سه بعدی جریان آشفته برای یک پمپ سانتریفیوژ برای پیش بینی محدوده سرعت و فشار پرداختند. همچنین تأثیر تعداد پره روی بازده پمپ مطالعه شد و نشان داده شد که موقعیت پره ها نسبت به زبانه حلزونی بیشترین تأثیر را روی شروع جدایش دارد.
.2 مدل سازی هندسی
مشخصات فرآیندی مانند هد ، دبی و دور از پارامترهای تعیین کننده نوع توربوپمپ ها و نهایتا پروانه آن ها می باشد. یکی از مهمترین ضرایب که مقدار آن نشان دهنده نوع پمپ می باشد و در موقع انتخاب پمپ اهمیت دارد سرعت مخصوص است. سرعت مخصوص بر اساس فرمول - 1 - محاسبه می شود که در این رابطه واحد - RPM - N ، واحد - gpm - Q و واحد - ft - H می باشد.
همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است در هر محدوده خاص از Ns تنها نوع خاصی از پروانه پمپ راندمان مناسب را دارا است و استفاده از انواع دیگر مناسب نیست. در غیر این صورت پمپ با راندمان پایین کار خواهد کرد. با توجه به این شکل تا سرعت مخصوص 4000 پمپ های سانتریفیوژ و تا 10000 پمپ های مخلوط و از 10000 به بالا پمپ های محوری مناسب هستند. استفاده از پمپ ها در خارج از گستره شکل فوق موجب کارکرد پمپ در راندمان کمتر خواهد بود. [9]
