بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تحلیل سیستم رانش دریایی پمپ جت مورد بررسی قرار گرفته است. سیستم رانش پمپ جت ترکیبی از سیستم رانش پروانهای و تئوری حاکم بر پمپ ها می باشد. ابتدا با استفاده از تئوری ممنتوم پروفیل مناسب برای تیغه های روتور و استاتور استخراج و سپس با استفاده از روش حجم محدود مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
بر اساس داده های بدست آمده در شرایط مشابه با پروانه های معمولی و معکوس گرد دارای راندمان هیدرودینامیکی بسیار بالایی می باش بطوری که حتی با طراحی مناسب راندمان می تواند به بیشتر از 95 درصد برسد. با توجه به اینکه داکت پیرامون روتور و استاتور کاهنده می باشد جریان در خروجی یکنواخت و میزان اغتشاشات در پایین دست جریان بسیار کم می باشد.
مقدمه
سیستم پمپ جت یک سیستم رانش دریایی می باشد که تراست لازم را با ایجاد یک جت آب برای شناورهای دریایی در کاربردهای خاص و مورد نظر تولید می کند.ترکیب بندی مکانیکی آن شامل یک پمپ و بدنبال آن یک نازل می باشد.از فوایدی که می توان برای آن در نظر گرفت اینست که پمپ در در سرعت ثابت ، دبی و بنابراین راندمان بالایی با نازل های مختلفی جهت کنترل سرعت و عملکرد در عمق های متفاوت می تواند کار کند. سیستم رانش پمپ جت شامل یک ورودی جریان ، قسمت پمپ و یک سیستم نازل در انتها جهت هموار کردن جریان خروجی و کنترل سیال خروجی می باشد.
هندرسون و همکاران[1] 1 بکمک طراحی سیستم رانش پمپ جت مسائل مختلفی را بررسی کردند. آنها یک سری داده توسعه یافته را مورد بررسی قرار دادند اما تاثیر داکت را بر راندمان لحاظ نکردند. وسپر و براون[2] 2نتایج مربوط به نصب یک سیستم رانش پمپ جت بر روی یک زیردریایی - UK - را گزارش نمودند.
مک کورمیک و همکاران[3] 3 طراحی پروانه های معکوس گرد و پمپ جت ها را با توجه به راندمان و کاویتاسیون آنها مورد مطالعه قرار دادند.
داس و همکاران[4] 4تحلیل و آنالیز دینامیک سیالات محاسباتی بر اساس روش حجم محدود با استفاده از مدل توربولانسی انجام دادند. عملکرد مورد پیش بینی با استفاده از روش عددی تطابق بسیار خوبی با داده های تجربی داشت.
استفان ایوانل[5] 5 شبیه سازی عددی حجم محدود بصورت ریز و با جزییات حول اژدر و سیستم رانش پمپ جت در ارتباط با M/s SAAB Bofors انجام داده است. سوریانارایانا و همکاران[6] 6تکنیک هایی تجربی جهت تست سیستم رانش پمپ جت در تونل باد ارائه داده اند.
هیونجین و هادونگ کیم[7] 7 در سال 2011 مطالعه عددی بر روی پارامترهای کنترلی سیستم رانش پمپ جت را کورد بررسی قرار دادند.
سیستم رانش پمپ جت
سیستم رانش پمپ جت از روتور ، استاتور ، داکت ، هاب و در صورت نیاز نازل خروجی تشکیل شده است. سیستم رانش پمپ جت از دیدگاه موقعیت قرارگیری روتور و استاتور نسبت به هم به سه دسته تقسیم می شوند که در ذیل به آنها پرداخته می شود :
· پیش چرخش
· پس چرخش
· معکوس گرد
در این مقاله از سیستم رانش پمپ جت نوع Post-Swirl استفاده شده است. در این نوع سیستم رانش پمپ جت استاتور پشت روتور قرار گرفته است و همانگونه که در شکل مشاهده می شود استاتور نزدیک به قسمت خروجی داکت قرار دارد. در این نوع سیستم رانش پمپ جت نیز تعادل گشتاور تنها در یک نقطه عملکردی سیستم رانش پمپ جت اتفاق می افتد . این نوع سیستم رانش پمپ جت نسبت به سیستم رانش Pre-Swirl دارای راندمان بالاتری می باشد. این سیستم رانش نسبت به سیستم رانش پمپ جت معکوس گرد دارای ساختار بسیار ساده تری می باشد. از این نوع سیستم رانش جهت کاربرد در پرتابهها و اجسام زیر سطحی تندرو استفاده می شود.
شکل:2 شماتیک دستگاه مختصات سه بعدی کلی حول پمپ جت .
اثر متقابل پمپ و سیستم
تغییرات جریان در اطراف و پایین دست پمپ بر روی شرایط عملکردی آن تاثیر میگذارد. تلفات در سیستم خارجی متناسب با مربع نرخ جریان و همچنین ممکن است نیاز به بالا بردن h استاتیک نیز داشته باشند. بنابراین در ترم هایی از حل H وQ مورد نیاز پمپ ، سیستم خارجی یک رابطه برای H وQ ارائه خواهد داد. که در آن h لیفت استاتیکی مورد نیاز در سیستم و ترم a به تلفات سیستم نسبت داده می شود. به هر حال پمپ یک رابطه دومی مابین H وQ از نقطه نظر منحنی مشخصه پمپ ارائه میدهد. اینها باید بطور همزمان جهت استخراج نقطه کاری حل شوند.
شکل:3 نقطه عملکردی پمپ.
در سیستم خارجی پمپ - نازل برای مطالعه و امکان سنجی هیچ هد استاتیکی مورد نیاز نیست زیرا هیچگونه بالاروی جریان در خلاف جهت گرانش زمین وجود ندارد. اما هنور یک ترم هد ایزومتریک مورد نیاز می باشد جهت فائق آمدن بر تلفات ناشی از اصطکاک ویسکوز سیستم خارجی. برای دستیابی به ماکزیمم راندمان پمپ می بایستی در یک نرخ قدرت ثابت عمل کند، P بنابراین همواره یک هد ثابت H تولید می شود. بنابراین اگر میزان تلفات در سیستم ، a، بخاطر افزایش سرعت جریان خروجی افزایش یابد سپس متعاقباً نرخ جریان Q باید کاهش یابد که این موضوع کاهش تراست را بدنبال دارد که در این مورد در انتهای فصل بیشتر توضیح داده خواهد شد . بنابراین با توجه به تئوری های قبلی روی تلفات مربوط به سیستم خارجی منحنی های مشخصه سیستم خارجی می توانند به صورت زیر بیان شوند:
کاربرد معادله برنولی - انرژی -
با بکار بردن معادله انرژی در حالت جریان پایا - برنولی - با فرض اینکه چگالی ثابت می باشد:
که در آن تلفات انرژی مفید بخاطر درگ اصطکاکی می باشد. با نشان دادن سرعت ها در ترم های نرخ جریان Q ، که با انتخاب نقطه عملکردی پمپ مشخص می شوند داریم :
با استفاده از تلفات فشار محاسبه شده در قبل تلفات در نازل و لوله بصورت ترم هد بر اساس متر بدست آمده است. فشار خروجی پمپ،P1 - مطابق شکل - 4 با استفاده از هد تولید شده توسط پمپ - H - در نقطه عملکردی پمپ مشخص می باشد. با در نظر گرفتن فشار نسبی فشار نسبی در ورودی معلوم و برابر صفر می باشد بنابراین P1 فقط بصورت تابعی از فشار استاتیکی تولید شده می باشد و با استفاده از رابطه فوق براحتی P2 قابل محاسبه می باشد.
کاربرد معادله ممنتوم
معادله ممنتوم جهت محاسبه نیروهای هیدرودینامیکی و تراست می تواند بکار برده شود همچنین جهت استخراج نیروهای وارد بر سیستم خارجی. یک حجم کنترل مطابق شکل 4-3 از ورودی جریان تا خروجی نازل در نظر گرفته شده است که از ورودی تا خروجی را در بر میگیرد.
شکل :4 حجم کنترل برای معادلات ممنتوم و انرژی
