منبع:راسخون
از دست رفت ارتفاع در پمپهای گریزازمرکز
در تحلیلهائی که در قسمت قبل برروی عملکرد پمپهای گریز ازمرکز انجام شد، پمپ گریز از مرکز یک ماشین ایده ال فرض گردیده و از دست رفت انرژی (ارتفاع) در آن ناچیز در نظر گرفته شد.
ولی درپمپهای واقعی همواره مقداری از انرژی (ارتفاع) در داخل آن بشکلهای مختلف بهدر رفته و موجب میشود تا منحنی مشخصه H-Q واقعی پمپ درزیرمنحنی مشخصه تئوریک پمپ گریزازمرکزدرشرایط ایده ال قرار گیرد.
شناخت عوامل مؤثر در از دست رفت ارتفاع در پمپ، ضمن اینکه میتواند در شناخت منحنی مشخصه واقعی آن کمک کند، بلکه در زمینه اعمال اصلاحات لازم در طراحی و ساخت پمپ و کاهش از دست رفت ارتفاع و افزایش راندمان آن نیز مفید واقع شود. بطوری که امروزه راندمان پمپهای گریزازمرکزبه پیش از 90 درصد نیز رسانیده شدهاست. عمدهترین عوامل ازدست رفت ارتفاع در پمپهای گریزازمرکز عبارتند از:
از دست اتلاف ناشی از اصطکاک
همانطوری می دانیم، ازدست رفت ناشی از اصطکاک در اثر عبور مایع از درون مجاری (پوسته پمپ) تابعی از دبی بوده که با رابطه ی زیر نشان داده شدهاست:
که در آن n به نوع جریان بستگی داشته (غالباً n=2 در نظر گرفته میشود) و K تابعی از طول مسیر مایع در پمپ، شعاع هیدرولیکی (نسبت سطح مقطع جریان مایع به محیطتر شده توسط آن)، سطح مقطعهای جریان مایع در پمپ و نسبت آنها و ضریب اصطکاک (و عوامل مؤثر برروی آن نظیر زبری سطح، ویسکوزیته مایع و...) بستگی دارد.
ازدست رفت ناشی از جریان گردابی
پروانه عبارتاست از تعدادی تیغه که بصورت منحنی در آمده تا جریان مایع در پمپ آرام و بدرون اغتشاش صورت پذیرد. با افزایش تعداد تیغهها، هدایت جریان مایع در پمپ بنحو مطلوبتری صورت پذیرفته، در صورتی که با کاهش آن، از دست رفت انرژی در اثر جریان گردابی و گردشی در پروانه افزایش مییابد. همانطوری که بعداً به آن اشاره خواهد شد، زاویه لبه تیغه پروانه تأثیر بسزائی برروی عملکرد پمپ های گریزازمرکز میگذارد.
درهنگام طراحی پروانه و تعیین زاویههای ورودی و خروجی تیغههای آن، دبی معینی بنام “دبی طراحی”در نظر گرفته شده وبدنبال آن مشخصههای ابعادی پروانه محاسبه ودرساخت آن مورداستفاده قرار میگیرد. بدیهیاست که اگر دبی واقعی پمپ با دبی طراحی مغایرت داشته باشد، پمپ نمیتواند رفتاری مشابه با شرایط طراحی داشته باشد، که عوارض آن بصورت مختلف و ازجمله بهم خوردن زاویه بردار سرعت نسبی در قسمتهای ورودی وخروجی پروانه یا بعبارت دیگر بروز پدیده جریان گردابی خود را نشان میدهد. همانطوری که در شکل 1 مشاهده میشود میزان جریان گردشی در دو سمت BEP غیر قابل چشم پوشی بوده ولی در BEP به صفر میرسد. اساساًهرگونه انحراف در زوایای ورودی و خروجی مایع در پروانه در مقایسه با زوایای
یا بعبارت دیگر تغییر بردار سرعت نسبی مایع به پروانه میتواند موجب بروز جریان گردابی شده که اصطلاحاً اتلاف شوکی نیز نامیده میشود.
جریان گردشی
اولر در تحلیل عملکرد پمپهای گریزازمرکز، فرض نمود که تعداد تیغههای پروانه بینهایت باشد. اجرای فرضیه فوق در عمل غیر ممکن بوده و تعداد تیغههای پروانه بین 3 تا 10 (عموماً 5 تا 7)میباشد. کاهش تعداد تیغههای پروانه باعث میشود تا زاویه واقعی بردار سرعت مایع خروجی از پروانه β_2^" نتواند با مقدار فرض شده β_2 یکسان گردد. مغایرت فوق باعث میشود تا مثلث سرعت در لبه خروجی پروانه تغییر کرده (شکل 2) و مقداری مایع قبل ازخروج ازپروانه مجدداً به قسمت مکش آن برگشت مییابد(شکل 3).
پدیده فوق میتواند باعث کاهش بردار سرعت خروجی از پروانه و نهایتاً کاهش ارتفاع قابل دسترس در پمپهای واقعی در مقایسه با پمپهای ایده ال گردد.
بدیهیاست در دبیهای کم بعلت بالا رفتن اختلاف فشار بین قسمتهای مکش و دهش و وجود لقی بین پروانه و پوسته پمپ، میزان جریان گردشی در مقایسه با مواردی که دبی پمپ بیشتراست، زیادتر میباشد.
نقطه بهترین راندمان
همانطوری که مشاهده شد، در یک نقطه معینی از دبی بهره برداری از پمپ، اختلاف فاصله بین دو منحنی واقعی و ایده ال که همان از دست رفت ارتفاع در پمپ میباشد به حداقل خود رسیده یا بعبارت دیگر راندمان پمپ در این نقطه به حداکثر مقدارخود میرسد. این نقطه را نقطه بهترین راندمان یا باختصار BEP مینامند. بنابر یکی از اصول اساسی علوم مهندسی هرماشین هنگامیدارای حداکثر راندماناست که در شرایط طراحی خود بکارگرفته شود. بنابراین BEP را میتوان همان نقطه طراحی پمپ دانست. هرچند که بلحاظ ویژگیهای خاص جریان گردشی و اصطکاک، مقادیر ازدست رفتهای ارتفاع مربوط به هریک ازعوامل فوق در BEP حداقل نمیباشد ، ولی بلحاظ کاهش شدید از دست رفت ارتفاع ناشی از پدیده جریان گردابی، کل ازدست رفت ارتفاع در پمپ در BEP به حداقل رسیده و به همین خاطر مغایرت ارتفاع تئوریک و واقعی کمترین مقدار خود را نشان میدهد.
راندمان پمپ
فرض میشودکه ازکل دبی پمپ
، مقداری ازآن (Q_l ) بلحاظ وجود لقی بین لبه نافی چشمه پروانه و پوسته پمپ از قسمت فشار قوی به قسمت فشار ضعیف (چشمه پروانه) برگشت نماید. در این صورت دبی واقعی پمپ
برابراست با:
بنا بر تعریف راندمان حجمیپمپ برابراست با نسبت دبی واقعی به دبی کل:
همانطوری که قبلاً گفته شد به لحاظ وجود مغایرتهائی بین شرایط بهره برداری و شرایط طراحی وحتی بصورت دقیقتر مغایرت با پیش فرضهای اولر، ارتفاع واقعی پمپ
ازارتفاع تئوریک
آن کمتر بوده که نسبت آنهارا راندمان هیدرولیکی پمپ مینامند:
راندمان مکانیکی پمپ برابراست با:
که در آن FHP از دست رفت انرژی ناشی از اصطکاک در یاطاقانها، سیستم آب بندی کننده و اصطکاک دیسکی می باشد.
راندمان کلی پمپ عبارتاست از نسبت توان داده شده به مایع مورد پمپاژ (WHP) به توان داده شده به شافت پمپ (BHP) که برابراست با حاصلضرب راندمانهای حجمی، هیدرولیکی و مکانیکی.
کاویتاسیون
فشار بخار
بنا بر تعریف دمائی که مایع به گاز (و بالعکس) تبدیل میشود را دمای اشباع مینامند. دمای اشباع هر مایع به فشار آن بستگی دارد. مثلاً آب در فشار یک اتمسفر (0133/1 بار) در دمای 100 درجه سانتیگراد بجوش میآید. تعریف فوق را میتوان به صورت دو گزاره زیر بیان کرد:
الف: دمای اشباع آب در فشار 0133/1 بار، 100 درجه سانتیگراداست.
ب: فشار بخار آب در دمای 100 درجه سانتیگراد 0133/1 بار میباشد .
همانطوری که از جدول 1 پیداست دمای اشباع آب با کاهش فشار کاهش مییابد (و بالعکس) ویا فشار بخار آب با کاهش درجه حرارت کاهش مییابد (و بالعکس). فشار بخار جزء خواص فیزیکی هر سیال میباشد. پدیده کاویتاسیون در پمپها هنگامیبوقوع میپیوندد که فشار مایع در قبل از چشمه پروانه، (وحتی در مواردی در داخل پروانه) از فشار بخار آن در دمای پمپاژ کمتر گردد (شکل 4).
در شکل 4a، حداقل فشار در چشمه پروانه و بخش ابتدائی تیغهها در حدیاست که از فشار بخار مایع در دمای انتقال بالاتر بوده و لذا پمپ فارغ از بروز پدیده کاویتاسیون بکار خود ادامه میدهد. ولی در شکل 4b در مناطقی از قسمت مکش و یا چشمه پروانه و حتی در قسمتهای ابتدائی تیغههای پروانه، فشار مایع میتواند آنقدر کاهش یابد که از فشار بخار آن در دمای پمپاژ کمتر گردیده و همین امر میتواند موجب بروز پدیده کاویتاسیون شود. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که بروز پدیده کاویتاسیون در انتقال هرمایع در درجه نخست به دمای مایع مورد پمپاژ و میزان فشار در مسیر جریان مایع از قسمت مکش تا داخل پروانه بستگی دارد. ولی درکنار آن عوامل دیگری نظیر مشخصههای رفتاری پمپ(پروانه) نیز در بروز این پدیده مؤثر بوده که بطور جامع در قسمتهای بعد بدان اشاره خواهد شد.
خالص ارتفاع مثبت در قسمت مکش NPSH
پدیده کاویتاسیون در پمپهای گریزازمرکز هنگامیبوقوع میپیوندد که خالص ارتفاع مثبت در قسمت مکش پمپ از آنچه که شرکت سازنده پمپ توصیه نمودهاست کمتر شده باشد. بنا براین برای تحلیل شرایط بروز این پدیده در پمپهای گریزازمرکز لازماست که هم شرایط قسمت مکش پمپ از نظر فشار (ارتفاع) و هم مشخصههای پمپ مورداستفاده از نظر وجود حداقل شرایط مورد نیاز جهت ممانعت از بروز این پدیده مورد بررسی قرار گیرد.
جهت سهولت در تحلیل فوق NPSH به دو دسته تقسیم میشود:
خالص ارتفاع مثبت قابل دسترس در قسمت مکش پمپ (NPSHA)
خالص ارتفاع مثبت مورد نیاز در قسمت مکش پمپ (NPSHR)
NPSHA جزء مشخصههای سیستم پمپاژ بوده و به عوامل متعددی نظیر فشار جو، خواص فیزیکی مایع مورد پمپاژ (درجه حرارت، وزن مخصوص، فشار بخار در دمای انتقال، ویسکوزیته و... .)، اختلاف سطح انرژی پتانسیل (فشار یا ارتفاع) در منبع مکش تا دهانه چشمه پروانه، تعداد و نوع اتصالات مورداستفاده در قسمت مکش، طول و قطر لوله مکش، دبی جریان و... بسنگی دارد. بنابراین تعیین آن بعهده طراحان سیستم پمپاژمیباشد.
NPSHR به مشخصههای رفتاری و طراحی، دبی جریان، سرعت دورانی و... پمپ بستگی داشته که از سوی شرکت سازنده پمپ و بصورت یک دسته منحنی سهمیگونه صعودی برای قطرهای مختلف پروانههای مورداستفاده در پمپ بر حسب تغییرات دبی پمپ تهیه شده و در اختیار مشتریان قرار داده میشود (شکل 5) . وجه مشترک NPSHR با NPSHA وابستگی هر دو آنها به دبی جریان مایع میباشد. با این تفاوت، در حالی که NPSHR با افزایش دبی افزایش مییابد، NPSHA با افزایش دبی کاهش یافته و همین مغایرت رفتاری باعث میشود که بتوان اذهان داشت که یکی از عوامل اصلی بروز کاویتاسیون در پمپهای گریزازمرکز بالا بودن دبی جریان میباشد.