عنوان پایان‌نامه
تغییر هندسه حلزونی پمپ سانتریفوژ جهت کاهش نیروهای شعاعی در حالت های کارکرد مستقیم و معکوس
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3147;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72290;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3147;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72290
- تاریخ دفاع
- ۳۱ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- حامد عالمی آرانی
- استاد راهنما
- سیداحمد نوربخش, مهرداد رئیسی دهکردی
- چکیده
- در این رساله تاثیر تغییرات مشخصه‌های هندسی حلزونی روی منحنی‌های عملکردی پمپ در حالت کارکرد مستقیم و معکوس (توربینی) با استفاده از روش‌های عددی و تجربی مورد بررسی قرار می‌گیرد. در طراحی پمپ‌ها فرض بر عملکرد پمپ در نقاط نزدیک به نقطه طراحی می‌باشد. از این رو هندسه حلزونی به گونه‌ای طراحی می‌گردد که توزیع فشار دور تا دور پروانه ثابت مانده و در نتیجه نیروهای شعاعی وارد بر پمپ در نزدیکی این نقطه از مقدار کمینه برخوردار باشد. در شرایط واقعی با توجه به محدودیت‌های موجود در انتخاب پمپ و همچنین امکان تغییر شرایط مدار، گرفتگی لوله‌ها، فرسودگی و خوردگی چرخ و انحراف پره‌ها از پروفیل نامی ممکن است پمپ در شرایط خارج از نقطه طراحی به کار گرفته شود. کارکرد پمپ در نقاط خارج از نقطه طراحی موجب افزایش قابل توجه نیروهای شعاعی و به تبع آن اعمال نیروی بیش از حد به محور و یاتاقان‌ها، ایجاد ارتعاش و سر و صدا شده و در نهایت باعث تخریب پمپ می‌گردد. از عوامل دیگر دور شدن از شرایط طراحی، استفاده از پمپ در کارکرد توربینی (معکوس) است. از این رو در این تحقیق شرایط هیدرولیکی پمپ در کارکرد مستقیم و معکوس مورد بررسی تجربی و عددی قرارگرفته و با بررسی جامع تاثیر تغییر در مشخصه‌های هندسه حلزونی پمپ سعی می‌گردد نیروهای شعاعی هیدرولیکی وارد بر پمپ در محدوده دور از شرایط طراحی کاهش یابد. البته به موازات این امر تغییر مشخصه‌های عملکردی پمپ شامل ارتفاع و بازده نیز باید رصد گردد تا از شرایط مطلوب خود فاصله نگیرد. جهت حصول اطمینان از صحت روش عددی به کار گرفته شده در این پژوهش، در ابتدا، جریان سه بعدی در یک پمپ، با حلزونی دارای سطح مقطع مستطیلی با سه مدل معروف توربولانس شبیه‌سازی شد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی با داده‌های تجربی موجود مقایسه گردید و تطابق خوبی میان آنها مشاهده شد. در ادامه، چندین هندسه حلزونی با مشخصات هندسی مختلف طراحی گردید. در این طرح‌ها دو روش طراحی بر مبنای سرعت ثابت و ممنتوم زاویه‌ای ثابت، سه شکل سطح مقطع مختلف، دو شکل متفاوت دیفیوزر، سه شکل متفاوت زبانه، زاویه‌های مختلف زبانه و تغییرات میزان فاصله زبانه از پروانه مورد استفاده قرار گرفت. همچنین سه حلزونی هم مرکز در فرم‌های 180، 270 و 360 درجه و حلزونی‌های دوگانه و چندگانه برای اولین بار مورد ارزیابی قرار گرفت. تاثیر استفاده از حلزونی‌های مختلف طراحی شده روی ارتفاع، بازده و نیروهای شعاعی پمپ، مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. در این هندسه، نتایج مشخص نمود که موثرترین هندسه برای کاهش نیروی شعاعی با حفظ شرایط ارتفاع و بازده استفاده از حلزونی سه گانه می‌باشد. این هندسه نیروی شعاعی را در دبی 140% طراحی تا حدود 80% کاهش می‌دهد. در مراحل انجام این رساله، دستگاه آزمون مورد نیاز طراحی شده و با ساخت قسمت‌های مختلف مدار و استفاده از تجهیزات دقیق اندازه‌گیری، نصب و راه‌اندازی گردید. با استفاده از مدار آزمون ساخته شده، اندازه‌گیری‌های لازم جهت استخراج منحنی‌های مشخصه و نیروی شعاعی یک نمونه پمپ دیگر (ساخت شرکت ابارا مدل FS4HA 50×40) در حالت کارکرد مستقیم و معکوس صورت پذیرفت. با مقایسه نتایج تجربی با نتایج عددی از درستی روش عددی مورد استفاده در این هندسه اطمینان حاصل شد. پس از حصول اطمینان، با بررسی جامع تاثیر مشخصه‌های هندسی مختلف روی کارکرد پمپ در هر دو وضعیت مستقیم و معکوس هندسه‌های مناسب حلزونی طراحی و ارائه گردید. در هندسه پمپ ابارا، طرح حلزونی سه گانه علی رغم بهبود شرایط ارتفاع و بازده، کاهش نیروی شعاعی را در حالت مستقیم و معکوس به همراه نداشت. در عوض موثرترین عوامل طراحی حلزونی بر مبنای نقطه بیشینه بازده پمپ معکوس و همچنین شرایط هندسی زبانه شناخته شد. با توجه به نتایج نهایی حاصل شده یک هندسه مشترک برای حالت مستقیم و معکوس ارائه شد. در استفاده از این هندسه حلزونی، می‌توان هم نیروی شعاعی را کاهش داده و هم شرایط ارتفاع، توان و بازده را در مجموع برای هر دو حالت عملکردی مستقیم و معکوس تنها با تعویض زبانه، که چگونگی آن در این تحقیق ارائه و اجرایی شده، بهبود بخشید. با استفاده از هندسه جدید طراحی شده، نیروی شعاعی در دبی بالا در حالت مستقیم و معکوس به ترتیب 76% و 54% کاهش یافته و بازده پمپ نیز به ترتیب %5/10 و 4% افزایش می یابد.
- Abstract
- The present work is aimed to investigate experimentally and numerically the effect of volute geometry parameters on the performance of pump working in direct and reverse modes. Pumps are mostly designed to work in adjacent to their BEP. Therefore, volute is designed so that the pressure distribution on the impeller periphery in BEP is in the most uniform form thus the radial force is minimized. However, in practice due to limitations on pump selection, change in hydraulic circuit, pipe blockage, wear and corrosion of impeller besides deviation of blades from design, pumps operate in off-design conditions. In such conditions, radial force is considerably increased and as a consequence greater forces are exerted on shaft and bearings, more noised is generated and finally pump is damaged. Another factor forcing pump to work in off-design condition is exploiting it in PAT mode. Thus, in this study, hydraulic characteristic of pump in both modes is studied numerically and experimentally and with a comprehensive investigation on the effect of volute geometrical characteristics, attempts to reduce hydraulic radial force in off-design conditions were made. Concurrently, performance parameters namely head and efficiency ought to be monitored so that pump does not deviate from desired conditions. To investigate the validity of the numerical method used in this study, 3D flow in pump, with volute of rectangular cross section was first simulated with three well-known turbulence models. Numerical results were validated against available experimental results in the literature and good agreement between them was found. Next, several volutes with a variety of geometries were designed. In the proposed models, velocity-constant and momentum-constant volute design methods, three shapes of cross section, two types of diffusers, three tongues of various shapes, different tongue angles, and different cutwater gaps were considered. Three concentric volutes in forms of 180 ?, 270 ?, and 360 ? were also studied. Additionally, triple-volute and tetravolute, for the first time were investigated. Effects of proposed volutes on head, efficiency and radial force of pump were studied. It was demonstrated that the best method to reduce radial force (about 80% at 140% of design capacity), accompanying with preservation of head and efficiency is utilizing triple-volute. In the present study, a test rig was designed and built and along with, several measurement instruments were installed. Using the aforementioned test setup, required measurements to obtain performance characteristics and radial force on another pump (FSHA 50×40, EBARA Co.) in direct and reverse modes were conducted. Validation of the numerical method was provided by comparing obtained experimental results with numerical simulations. Thereafter, with a thorough study on the effect of geometrical parameters of volute on the pump performance in both modes, appropriate volute geometries were designed and presented. In this pump, triple-volute, if increasing head and efficiency, has no marked and noticeable effect on radial force in both modes. On the other hand, volute design based on BEP of PAT mode and tongue geometry were recognized as the most effective parameters for this pump. Analyzing all obtained results, a common geometry for both direct and reverse mode was devised. This novel design can reduce radial force and improve head, power and efficiency for both modes merely by changing the tongue which is represented and used practically in the study. New volute designs led to incredible 76% and 54% reduction in radial force in direct and reverse mode at high capacity as well as 10.5% and 4% improvement of efficiency respectively.
