منحني مشخصه ( H – Q ) پمپهاي گريز از مرکز در شرايط ايده آل
بررسي تئوري عملکرد پمپهاي گريز از مرکز مبحث پيچيده اي از علم مکانيک سيالات بوده که به طور مفصل در کتابها و مقالات بدان اشاره شده است . لئونارد اولر ( Leonard Euler ) دانشمند و
رياضيدان نامي سوئيسي ( 1783- 1707 ) در تحليل هاي خود در اين زمينه و با فرض اينکه پروانه قطعه اي است که از تعداد زيادي تيغه شعاعي با عرض ناچيز و فاصله نزديک به صفر ساخته شده ، ثابت کرد که اگر پروانه اي به شعاع r و عرض b ، با سرعت زاويه اي ( راديان بر ثانيه ) در پوسته پمپي بچرخد ، به طوري که زاويه بين لبه تيغه پروانه وخط مماس بر دايره اي که لبه پروانه روي آن دوران مي کند 2ß باشد . در اين صورت ارتفاع قابل دسترس توسط پمپ برابر است با :
که در آن g شتاب ثقل زمين ، A و B مقادير ثابت مي باشند . براي90 > 2ß ، پروانه را اصطلاحا ً روبه عقب و براي 90<2ß پروانه را رو به جلو مي نامند . همانطوري که از رابطه ( 1- 2 ) پيداست ، H و Q با هم رابطه خطي داشته بر حسب مقادير مختلف 2ß مي تواند نزولي ، صعودي و يا موازي محور طولها باشد .
مقدار 2ß براي پمپهاي واقعي مي تواند بين 15 تا 35 درجه تغيير کند ولي غالبا ً آن را بين 20 تا 25 درجه در نظر مي گيرند . در طراحي پروانه ، زاويه ورودي مايع به درون پروانه (1 ß) نيز غالبا ً بين 15 تا 50 درجه منظور مي گردد . انرژي داده شده به مايع با رابطه کلي ( 2- 2 ) نمايش داده مي شود .
اسب بخار
K 1 , K 2 = مقادير ثابت که به طراحي پمپ بستگي دارند
Q = متر مکعب در ساعت دبي پمپ
اگر 90 = 2ß باشد تغييرات توان داده شده به مايع نسبت به دبي پمپ يک خط مستقيم بوده که از مرکز مختصات مي گذرد . براي 90<2ß ، منحني توان مصرفي ، سهمي شکل و مماس بر خط فوق که در قسمت فوقاني آن قرار داشته و براي 90 > 2ß منحني توان مصرفي سهمي شکل و مماس بر خط فوق که در قسمت زير آن قرار مي گيرد .
همانطوري که از رابطه ( 1- 2 ) پيداست ، ارتفاع ايجاد شده توسط پمپ گريز از مرکز مستقل از وزن مخصوص مايع مورد پمپاژ بوده ، در صورتي که فشار مايع به وزن مخصوص بستگي دارد . به همين دليل براي راه اندازي پمپهاي گريز از مرکز نخست بايد آن را هواگيري کرد . اگر در هنگام راه اندازي پمپ ، پوسته آن پر از هوا باشد ، فشار دهش پمپ به نسبت وزن مخصوص هوا به آب کاهش يافته و به همين خاطر قادر به غلبه بر مقاومت موجود در قسمت دهش پمپ نبوده و پمپ نمي تواند مايعي را جبجا نمايد .
از دست رفت ارتفاع در پمپ هاي گريز از مرکز
در تحليل هايي که در قسمت قبل بر روي عملکرد پمپهاي گريز از مرکز انجام شد ، پمپ گريز از مرکز يک ماشين ايده آل فرض گرديده و از دست رفت انرژي در آن ناچيز در نظر گرفته شد .
ولي در پمپهاي واقعي همواره مقداري از انرژي در داخل آن به شکل هاي مختلف بهدر رفته و موجب مي شود تا منحني مشخصه H – Q واقعي پمپ در زير منحني مشخصه تئوريک پمپ گريز از مرکز در شرايط ايده آل قرار گيرد .
شناخت عوامل موثر در از دست رفت ارتفاع در پمپ ، ضمن اينکه مي تواند در شناخت منحني مشخصه واقعي آن کمک کند ، بلکه در زيمنه اعمال اصلاحات لازم در طاحي و ساخت پمپ و کاهش از دست رفت ارتفاع و افزايش راندمان آن نيز نفيد واقع شود . به طوري که امروزه راندمان پمپهاي گريز از مرکز به بيش از 90 درصد رسانيده شده است . عمده ترين عوامل از دست رفت ارتفاع در پمپهاي گريز از مرکز عبارتند از :
از دست رفت ناشي از اصطکاک
همانطوري که در قسمت ( 3-5-1 ) اشاره شد ، از دست رفت ناشي از اصطکاک در اثر عبور مايع از درون مجاري ( پوسته پمپ ) تابعي از دبي بوده که با رابطه ( 5-1 ) نشان داده شده است .
Kf = KQª ( 5-1 )
که در آن a به نوع جريان بستگي داشته ( غالبا ً a = 2 در نظر گرفته مي شود ) و K تابعي از طول مسير مايع در پمپ ، شعاع هيدروليکي ( نسبت سطح جريان مايع به محيطتر شده توسط آن ) سطح مقطع هاي جريان مايع در پمپ و نسبت آنها و ضريب اصطکاک ( و عوامل موثر بر روي آن نظير زبري سطح ، ويسکوزيته مايع و ... ) بستگي دارد .
از دست رفت ناشي از جريان گردابي
پروانه عبارت است از تعدادي تيغه که به صورت منحني در آمده تا جريان مايع در پمپ آرام و بدون اغتشاش صورت پذيرد . با افزايش تعداد تيغه ها ، هدايت جريان مايع در پمپ به نحو مطلوبتري صورت پذيرفته ، در صورتي که با کاهش آن ، از دست رفت انرژي در اثر جريان گردابي و گردشي در پروانه افزايش مي يابد . همانطوري که بعدا ً به آن اشاره خواهد شد ، زاويه لبه تيغه پروانه تاثير بسزايي بر روي عملکرد پمپهاي گريز از مرکز مي گذارد .
در هنگام طراحي پروانه و تعيين زاويه هاي ورودي و خروجي تيغه هاي آن ، دبي معيني به نام ( دبي طراحي ) در نشر گرفته شده و به دنبال آن مشخصه هاي ابعادي پروانه محاسبه و در ساخت آن مورد استفاده قرار مي گيرد . بديهي است که اگر دبي واقعي پمپ با دبي طراحي مغايرت داشته باشد ، مختلف و از جمله بهم خوردن زاويه بردار سرعت نسبي در قسمت هاي ورودي و خروجي پروانه يا به عبارت ديگر بروز پديده جريان گردابي خود را نشان مي دهد . ميزان جريان گردشي در دوسمت BEP غير قابل چشم پوشي بوده ولي در BEP به صفر مي رسد . اساسا ً هرگونه انحراف در زواياي ورودي و خروجي مايع در پروانه در مقايسه با زواياي 2ß و 1ß يا به عبارت ديگر تغيير بردار سرعت نسبي مايع به پروانه مي تواند موجب بروز جريان گردابي شده که اصطلاحا ً از دست رفت شوکي نيز ناميده مي شود .
جريان گردشي
اولر در تحليل عملکرد پمپهاي گريز از مرکز ، فرض نمود که تعداد تيغه هاي پروانه بينهايت باشد . اجراي فرضيه فوق در عمل غير ممکن بوده و تعداد تيغه هاي پروانه بين 3 تا 10 ( عموما ً 5 تا 7 ) مي باشد . کاهش تعداد تيغه هاي پروانه باعث مي شود تا زاويه واقعي بردار سرعت مايع خروجي از پروانه 2΄ß نتواند با مقدار فرض شده 2ß يکسان گردد . مغيرت فوق باعث مي شود تا مثلث سرعت در لبه خروجي پروانه تغيير کرده و مقداري مايع قبل از خروج پروانه به قسمت مکش آن برگشت مي يابد . پديده فوق مي تواند باعث کاهش بردار سرعت خروجي از پروانه و نهايتا ً کاهش ارتفاع قابل دسترس در پمپهاي واقعي در مقايسه با پمپهاي ايده آل گردد .
بديهي است در دبي هاي کم به علت بالا رفتن اختلاف فشار بين قسمتهاي مکش و دهش و وجود لقي بين پروانه و پوسته پمپ ، ميزان جريان گردشي در مقايسه با مواردي که دبي پمپ بيشتر است ، زياد تر مي باشد .
نقطه بهترين راندمان
در يک نقطه معيني از دبي بهره برداري از پمپ ، اختلاف فاصله بين دو منحني واقعي و ايده آل که همان از دست رفت ارتفاع در پمپ مي باشد به هر يک از عوامل فوق در BEP حداقل نمي باشد ، ولي به لحاظ کاهش شديد از دست رفت ارتفاع ناشي از پديده جريان گردابي ، کل از دست رفت ارتفاع در پمپ در BEP به حداقل رسيده و به همين خاطر مغايرت ارتفاع تئوريک و واقعي کمترين مقدار خود را نشان مي دهد .
تاثير ويژگيهاي پروانه بر روي شکل ظاهري منحني مشخصه پمپ
شکل ظاهري منحني آن نظير پروانه و پوسته در اختيار خريداران قرار دهد . مثلا ً تخت يا تيز بودن منحني مشخصه پمپ مي تواند ناشي از ويژگيهاي خاصي در طراحي پروانه باشد ، که عمده ترين آنها بشرح زير مي باشد :
الف : عرض پروانه :
با افزايش عرض پروانه دبي پمپ افزايش يافته و منحني مشخصه آن تخت تر مي شود .
ب: زاويه خروجي تيغه پروانه :
همانطوري که قبلا ً گفته شد ، يکي از عوامل موثر بر روي منحني مشخصه پمپهاي گريز از مرکز زاويه تيغه هاي آن مي باشد . با تيز شدن تيغه ها ، منحني مشخصه پمپ تخت تر مي شود .
ج : تعداد تيغه ها :
افزايش تعداد تيغه هاي پروانه موجب تخت شدن منحني مشخصه پمپ مي گردد . حداقل تعداد تيغه هاي پمپ هاي گريز از مرکز 3عدد بوده و بجز شرايط خاص در اغلب پمپها تعداد تيغه ها را بين 5 تا 7 عدد در نظر مي گيرند .
د : تيز کردن لبه تيغه ها :
بارگيري از لبه زيرين تيغه هاي پروانه ( Underfling ) ناميده مي شود مي تواند با عث تغيير منحني مشخصه پمپ گردد . بر حسب شرايط طراحي پروانه ، تغييرات ارتفاع پمپ مي تواند حتي تا 10 درصد ارتفاع در نقطه BEP و يا نقاط نزديک به آن صورت پذيرد . لازم به ذکر است که بررسي ويژگي هاي پروانه و تاثير آن بر عملکرد و منحني هاي مشخصه پمپهاي گريز از مرکز به کمک پارامتر سرعت مخصوص صورت مي گيرد که در قسمتهاي بعد به طور مفصل بدان اشاره خواهد شد.
از دست رفت انرژي در پمپ توان داده شده به شافت پمپ را توان ترمزي يا به اختصار BHP مي نامند . البته تمامي انرژي فوق مستقيما ً به مايع مورد پمپاژ داده نمي شود ، بلکه مقداري از آن به لحاظ وجود از دست رفت هاي هيدروليکي ( جريان گردشي ، اصطکاک و پديده شوک ) و بخشي نيز در اثر پديده هاي مکانيکي نظير نشتي ، اصطکاک مکانيکي ( يا طاقانها ، آب بند کننده ) و اصطکاک ديسکي به هدر مي رود .
راندمان پمپ
فرض مي شود که از کل دبي پمپ ( Qt ) مقداري از آن ( Ql) به لحاظ وجود لقي بين لبه نافي چشمه پروانه و پوسته پمپ از قسمت فشار قوي به قسمت فشار ضعيف ( چشمه پروانه ) برگشت نمايد . در اين صورت دبي واقعي پمپ ( Qp ) برابر است با :
Qp = Qt – Ql ( 3-2 )
بنا بر تعريف راندمان حجمي پمپ برابر است با نسبت دبي واقعي به دبي کل :
QP/Qt
همانطوري که قبلا ً گفته شد به لحاظ وجود مغايرت هايي بين شرايط بهره برداري و شرايط طراحي و حتي به صورت دقيقتر مغايرت با پيش فرضهاي اولر ، ارتفاع واقعي پمپ از ارتفاع تئوريک آن کمتر بوده که نسبت آنها را راندمان هيدروليکي پمپ مي نامند .
راندمان مکانيکي پمپ برابر است با :
Em =
Eh =
که در آن FHP از دست رفت انرژي ناشي از اصطکاک در ياطاقانها ، سيستم آبند کننده و اصطکاک ديسکي مي باشد .
راندمان کلي پمپ عبارت است از نسبت توان داده شده به مايع مورد پمپاژ ( WHP ) به توان داده شده به شافت پمپ ( BHP ) که برابر است با حاصلضرب راندمان هاي حجمي ، هيدروليکي و مکانيکي .
Ep = Ev. Eh . Em
پمپها، فنها و کمپرسورها از جمله بارهای بسیار مورد استفاده در صنایع نفت و انتقال سیالات هستند. عموما برای تغییر میزان دبی جریان در صنایع نفت و بسیاری از پروسههای صنعتی به کنترل جریان، دور و یا گشتاور نیاز است. در طی زمان روشهای کنترل از روشهایی نظیر محدود کردن خروجی با تلفات انرژی بالا و کنترل دور به وسیله ادوات مکانیکی تا جدیدترین این روشها که درایوهای دور متغیر هستند استفاده شده است.
درایوهای دور متغیر علاوه بر توانایی کنترل بهتر پروسه میتوانند مصرف انرژی را نیز کاهش دهند. به علاوه باعث بهبود مشخصههای الکتریکی نظیر ضریب توان و کاهش جریان راهاندازی و بنابراین فشار وارد شده به شبکه طی راهانداری تجهیزات نیز میشوند. در انتخاب برای استفاده از درایو دور متغیر، مسایل اقتصادی ونیازهای خاص پروسه باید در نظر گفته شود و سنجیده شود که آیا مزایای اقتصادی و صرفهجوییهای حاصل، قیمت اولیه بالای درایو را جبران میکند یا نه.
ياتا قانها
ياتاقانها تكيگاه اصلي اجزائ چرخنده پمپ بوده ومعيوب شدن آنها ممكن است موقعيت اجزاء چرخشي پمپ را تغيير دهد كه در اين صورت باعث برخورد قطعات ثابت ومتحرك پمپ مي شود معيوب شدن كلي ياتاقانها ممكن است موجب خم شدن محور پمپ شود و در نهايت موجب شكستگي محور شود و در ساير موارد باعث داغ شدن موضعي قطعات پمپ شود .
ياتاقانهاي لغزشي :
اين ياتاقانها براي تكيه نمودن وحفظ كردن اجزاء چرخشي در هر دو جهت شعاعي و محوري بكار مي روند محافظ شعاعي معمولا شامل پوستهاي سيلندر شكل از مواد و ابعاد مناسب مي باشد كه در محفظه صلب نصب وثابت شده اند.محافظ محوري معمولا ريگهاي صلبي است كه در محفظه ياتاقان نسب شده اند و بوشهاي متحريكي را بصورت سفت ومحكم به اجزاءچرخشي سوار شده ، تحمل مي كند گاهي اوقات اين بوشها را بصورت كروييا مخروطي مي سازند تا محافظت محوري و شعاعي را مهيا سازند .
ياتاقانهاي غلتشي :
ياتاقانهاي غلتشي در واقعه شامل دو عدد ريگ يا حلقه و يك سري ساچمه هستند كه بصورت مماس و به اندازهبين حلقه ها قرار گرفته اند ساچمه ها توسط قفسي كه از صفحات موازي برنجي پلاستيكي يا هر ماده مناسب ديگر ساخته شده اند جدا از هم نگه داشته مي شوند .
roller bearing: 1 outer race, 2 cage, 3 roller, 4 inner race
مزاياي ياتافانهاي لغزشي نسبت به غلتشي :
1. زماني كه محور تحت بارهاي مداوم و ثابت قرار مي گيرد قسمتهاي تحت بار ياتاقان تحت تنش ثابت قرار مي گيرند كه موجب كاهش خطر معيوب شدن در اثر خستگي مي شوند
2. چناچه ياتاقانهاي لغزشي از مواد مناسب ساخته شده باشند قادر خواهند بود در داخل مايع مورد پمپاژ كار نموده و روانكاري و خنك كاري شوند .
3. توسط روانكاري و روغنكاري مناسب در سرعت هاي بالا ياتاقانهاي لغزشي نسبت به ياتاقانهاي غلتشي مي توانند بارهاي بيشتري را تحمل كنند .
بررسي معايب ياتاقانهاي لغزشي نسبت به غلتشي :
1. ضريب اصطكاك انها 10 تا 15 برابر ياتاقانهاي غلتشي است و اين امر موجب اتلاف پر هزينه مي شود
2. غالب ضريب اصطكاك بيشتر دماي روانسازي را تا حدي افزايش مي دهد كه نسب سيستمهاي دقيق وپرهزينه خنك كاري را اجتناب ناپذير مي سازد .
بررسي علل خرابي ياتاقانهاي لغزشي
1. روغنكاري نامناسب :اين پديده شامل كيفيت روانساز مورد استفاده و همچنين دفعات تعويض روغن ميباشد.
2. خنك كاري نا مناسب روانساز :اين پديده در اثر اشكال در سيستم خنكاري يا قصور اپراتور در باز كردن شير مستقيم مايع خنك كننده قبل از راه اندازي پمپ بوجود مي ايد
3. عدم هم محوري چناچه پمپ جهت تعميير يا نگهداري پياده شود اين اشكال بعد از سوار نمودن آشكار مي شود عدم هم محوري مي تواند در اثر ماندن آلودگي بين پايه ياتاقان و محفظه پمپ ويا با توجه به ناهمواريها در اثر ضربه يا سفت نمودن غير يكسان مهره ها حاصل شود همچنين ممكن است در اثر بار هاي اضافي وارده بر ياتاقانها ،خم شدن محور يا برخورد فلزي بين قطعات ثابتوچرخيدن كه غالبا منجر به سايش زياد و گير پاژ مي شود حاصل گردد. عدم هم محوري، از بيرون خود را توسط حرارت زياد و محفظه ياتاقانآشكار مي سازد
4. پيچهاي شل: منبع ديگر مشكلات كه توسط ياتاقان بوجود مي آيد زماني است كه پيچهاي نگهدارنده پايه ياتاقان بطور يكسان و كافي سفت نشده اند و يا در حين كار پمپ شل شده اند در اين موارد ممكن است ياتاقان انقدر از محور خود جابجا شود كه تمام بار ها برروي رينگهاي پروانه يا آب بند وارد شود .
مزاياي عمده ياتاقانهاي غلتشي :
1. هزينه اوليه كم مي باشد
2. آنها ميتوانند بدون مراقبت با پريودهاي طولاني كار كنند
3. انها معمولا نيبت به ياتاقانهاي لغزشي با وظيفه مشابه محفظه هاي كوچكتر و كم هزينه اي لازم دارند
4. بمنظور تعويض سريع مي توان از منابع متنوعي استفاده كرد .
5. موجب صرفه جويي انرژي مي شوند .تعويض روانساز بدليل ضريب اصطكاك كم به دفعات بسيار كمتري نسبت به ياتاقانهاي لغزشي انجام مي شود و بيشتر ياتاقانهايغلتشي توسط روانكار داخلي با درپوش آببند تهيه شده كه براي عمر كاري انها كافي است .
معايب ياتاقانها غلتشي :
1. حلقه و تمام اجزائ چرخشي در معرض تنشهاي متناوب و سريع مي باشند كه باعث عيب ناشي از خستگي مي شود .
2. بسياري از ياتاقانهاي لغزشي هنگام منتاژ و دمنتاژ نيازمند احتياط زياد و مراقبتهاي ويژه اي هستند
3. نيازمند مراقبتهاي ويژهاي از نظر ميزان روانساز مي باشند (نه كم نه زياد )
روانكاري ياتاقانهاي غلتشي:
روانكاري نا مناسب باعث مي شود ياتاقانها خيلي سريع فرسوده شوند بطور مثال روانكاري بيش از حد مي تواند باعث كوتاه شدن عمر ياتاقان گردد.روانكاري بيش از حد سبب داغ شدن ياتاقانها مي گردد و در نتيجه ميزان اكسيد اسيون روانساز افزايش پيدا مي كند و اين پديده موجب معيوب شدن زودرس ياتاقانها مي شود .
معايب ناشي از روغنكاري نامناسب خود را به چند روش نشان ميدهد :
1. نبود روانساز در محفظه ياتاقانها
2. وجود آب در روانسازو محفظه ياتاقانها
3. تغيير جلاي حلقه ساچمه ها
4. پريدگي بر روي شيارها و ساچمه ها
5. خراشهاي موئين بر روي حلقه ها
6. و حرارت ايجاد شده در اثر نبود روانساز
براي جلوگيري از اين موارد بسياري از كارخانه هاي سازنده روانكاري با گريس و روغن را توصيه مي كنند.
مزاياي گريس:
1. گريس ميتواند بدون محفظه خاصي ابقاء شود حتي در محورهاي عمودي
2. بعضي گريسها با پايه كلسيم مي توانند عايقي براي رطوبت باشند.
3. بعضي گريسها با پايه ليتيم مي تواند ياتاقان را از خوردگي شيمياي حفظ كنند
4. گريسهاي سنگين، پوششي در برابر مواد آلوده كننده هستند
5. گريسها نسبت به روغنها به دفعات كمتري نياز به تجديد گريسكاري دارند.
معايب گريس كاري:
1. خنك كاري موثر ياتاقانهاي كه با گريس روانكاري مي شوند مشكل است و اين پديده مانعي براي استفاده از گريس در دورهاي بالا مي باشد
2. انتخاب گرانروي گريس با توجه به استفاده ان در دماهاي متغيير قابل توجه مي باشد و در نتيجه گريسها را براي محيطهايي كه نوسانات دمايي زيادي دارند مناسب نمي باشد .
3. مشخص كردن ميزان واقعي گريس براي ياتاقانها بسيار مشكل است و باعث روانكاري زياد يا كم ياتاقانها مي گردد.
روغن : مزاياي عمده روانكاري با روغن:
1. سطح روغن را براحتي مي توان كنترل نمود و ثابت نگه داشت.
2. روغن مي تواند براحتي خنك شود و در واقه استفاده از روغن در دورهاي بالا بسيار مفيد است براي خنك كاري.
3. عمده روغنها داراي گرانروي بالاي هستند و اين امر باعث استفاده انها در رنجهاي متغيير دماي مي شود.
4. تعويض روغن به مراتب اسان تر از تعويض گريس است
5. برخي روغنها ضريب اصطكاك كمتري نسبت به گريس دارند و اين خاصيت باعث كاركرد مناسب انهادر سرعتها بالا مي شود .
معايب روغن:
1. بسيار پر هزينه است چون نياز به مكتنيكال سيل دارد
2. نيازمند تعويضهاي بسيار بيشتر از گريس مي باشد
3. براي محورهاي عمودي نيازمند طراحي دقيق و پرهزينه محفظه ياتاقان مي باشد
4. براي محيطهاي مرطوب و خورنده نسبت به گريس از مرغوبيت كمتري برخودار است
