نيروی محوری

نيروی محوری

نيروی محوری (axial thrust)

لقی مابين پروانه و پوسته درپشت پروانه،باعث جريان يافتن سيال ازدهانه discharge به پشت پروانه می شود.با استفاده از رينگ های سايشی (wear ring) در پشت پروانه،می توان ميزان نشتی را کاهش داد،ولی هنوز مقداری نشتی وجود دارد.از انجا که سيال موجود در پشت پروانه راهی برای داخل شدن به پروانه ندارد فشارش به تدريج زياد می شود و به فشاری معادل فشار discharge می رسد . با تجمع سيال در پشت پروانه،فشار وارد به پشت پروانه که اندازه فشار discharge است از فشار وارد بر جلوی پروانه که معادل فشار suction است بيشتر می شود،بنابراين نيروی محوری به طرف دهانه suction ايجاد خواهد شد.

روشهای مقابله با نيروی محوری

الف)برای پمپهای يک مرحله ای :

1- ايجاد سوراخ در پشت پروانه به طرف دهانه ورودی

برای پروانه های يک مشکه يا single suction،سوراخ هايی درنواحی مرکزی پروانه درجهت مخالف ايجاد می شود و با استفاده از اين سواخ ها،مايع نشتی در پشت پروانه به دهانه مکش جريان می يابد. باآين عمل امکان بوجود آمدن فشاری به اندازه discharge در پشت پروانه از بين رفته و درنهايت نيروی محوری درجهت مکش نخواهيم داشت .

2- استفاده از پره هايی در پشت پروانه

درپروانه های تک مکشه ياsingle suction که فقط درسمت ورودی دارای رينگ سايشی می باشند ،برای جلوگيری ازنيروی محوری ازپره هايی درپشت پروانه،استفاده می شود.اين پره ها،مايع نشت کننده به پشت پروانه را به طرف خارج پرتاب خواهد کرد.با اين روش،فشار مايع نشتی درپشت پروانه بسيار کم می شود ولی از بين نمی رود .پره ها با اين روش نيمه متعادل می شوند .

ب)برای پمپ های چند مرحله ای :

در پمپ های،چند پروانه بر روی يک شافت نصب شده است و خروجی يک مرحله،ورودی مرحله ديگر خواهد بود .

روشهای مقابله با نيروی محوری

ازآنجاکه تغييرفشار درطول شافت وجودداردبنابراين نيروی محوری نيز وجودخواهدداشت.برای مقابله axial thrust

می توان به شرح ذيل عمل نمود:

1- آرايش پروانه ها به نحوی که در نهايت نيروی محوری در شافت از بين برود.

2- صفحه متعادل کننده

برای حذف نيروی محوری درپمپ های چند مرحله ای از صفحه متعادل کننده استفاده می شود .

صفحه متعادل کننده در محفظه c قرار دارد که به دهانه suction متصل است . فاصله sl،فاصله مابين صفحات متعادل کننده وپشت بندصفحه متعادل کننده می باشدکه اين دوصفحه درکنارهم محفظهBرابوجود می آورند اين محفظه درحقيقت بامسير S2 در ارتباط است مسير S2 فاصله بين پوسته وپشت آخرين پروانه می باشد.گشادی فاصله sl فقط به اندازه ای است که فشارمحفظه B رابرای متعادل کرن شافت بالا ببرد.اگر اندازهsl زياد شود،مقداری از مايع ازBبه C نشت می کند.بنابراين فشار محفظه B کم شده و اين امر موجب حرکت شافت به طرف suction می شود .

چنانچه sl کم شود،فشار در B زياد و شافت در جهت مخالف suction حرکت خواهد کرد. برای اين که از حرکت شافت به سمت چپ و راست جلوگيری شود،بايد اندازه صفحه متعادل کننده به دقت انتخاب شود .

روشهای مقابله با نيروی محوری

به پشت صفحه موازنه،فشارمحفظه موازنه ©وبه سطح جلوی آن فشارهای متغيری واردمی شود.اين فشاردر کوچکترين قطر مساوی discharge ودرمحيط ديسک مساوی فشار محفظه است .

3- پيستون موازنه در نيروی محوری

درپمپهای چندطبقه ای که تمامی پروانه ها هم جهت با هم نصب می شوند،برای حذف نيروی محوری ازپيستون موازنه استفاده می شود.پيستون درپشت پروانه آخرين مرحله،نصب می شود.نيروی های واردبرپيستون عبارت هستند از :

1- نيروی fl که از حاصضرب فشار discharge درسطح موازنه جلوی پيستون يا همان سطح b بدست می آيد .

2- نيرویflکه از حاصلضرب فشار محفظه موازنه در سطح موازنه عقب پيستون يا همان سطح C بدست می آيد .

Fl>F2 بنابراين نيروی محوری ناشی از پروانه های يک طرف خنثی می شود .

کاويتاسيون

سطح مقطع چشمه پمپ از سطح مقطه دهانه مکش پمپ و مساحت ما بين تيغه های پروانه که سيال درآن حرکت می کند،کوچکتراست. سيالی که می خواهد پمپ شودابتداواردچشمه پمپ می شود. کاهش درسطح مقطع باعث افزايش سرعت و در نهايت فشار خواهد شد.

هرچه دبی بيشتر باشد افت فشار در چشمه پمپ بيشتر خواهد شد.در صورت زياد بودن افت فشار ويا بالابودن دمای سيال،امکان بخارشدن سيال زياد می شود .

اگر فشارمحلی درچشمه پمپ کمتر از فشار بخار اشباع باشدحبابهای بخار به علت افت فشاردرچشمه پمپ تشکيل می شوند . سپس حبابهای بخار بوسيله جريان سيال در طول پروانه برده می شوند و بارسيدن به ناحيه ی که فشار محلی آن ازفشاربخاربيشتر باشد،حبابها خواهندوبارسيدن به ناحيه ای که فشار محلی آن ازفشار بخار بيشتر باشد،حبابها خواهند ترکيد.پروسه تشکيل حبابها و ترکيدن آن در يک پمپ،کاويتاسيون ناميده ميشود.

کاويتاسيون در پمپهای سانتريفوژ،باعث نوسانات دبی و فشار خروجی،ارتعاش و خرابی اجزاء داخل پمپ می شود .

ترکيدن حبابها موجب ايجاد شوک و ضربه بر پروانه خواهد شد.هر چند که هر کدام ازاين حبابها باعث ايجاد حفره هايی درابعاد ميکروسکوپی می شوند اما تعداد زيادی از اين حفره ها در طی زمان طولانی می تواند پروانه پمپ را سوراخ کند.کاويتاسيون همچنين باعث ايجاد ارتعاش می شود که اين ارتعاش باعث خرابی بيرنيگ ها،سيستم آب بندی ورينگ های سايشی پمپ می شود.برای جلوگيری از وقوع کاويتاسيون فشار سيال درتمامی نقاط بايد از فشار بخار سيال بيشتر باشد.

 کاويتاسيون

NPSH

 مقداری که تعيين کننده وقوع کننده وقوع يا عدم وقوع کاويتاسيون است عمق مکش مجاز يا NPSHav می باشد .

در حقيقت NPSHav تفاوت فشار کلی در دهانه مکش پمپ و فشار بخار سيال است .

NPSHave =P(total in Suction)-PV

فشار کلی در دهانه Ptotal=

معادل انرژی بين سطح سيال و دهانه مکش پمپ:

NPSH reqمی نيم عمق مکش مجاز لازم برای اين که درپمپ کاويتاسيون وجود نداشته باشد،می باشد ودر کاتالوگ سازنده پمپ مقدارآن داده می شود. برای جلوگيری از کاويتاسيون بايد داشته باشيم :

NPSHav>NPSHreq +2 ft

            روشهای مقابله باکاويتاسيون

الف) افزايش NPSHava در نيروی محوری

جهت افزايش NPSHav،بايد فشار کلی در دهانه مکش افزايش يابد ويا فشار بخار کاهش يابد.جهت افزايش NPSHava می توان روش های ذيل را انجام داد:

  • افزايش Hst ( افزايش ارتفاع مايع داخل مخزن )

در بيشتر موارد افزايش هد استاتيکی منبع غير ممکن است،زيرا سيال در منبع در ارتفاع max است و افزايش ارتفاع مايع بيشتر از آن امکانپذير نيست .

  • افزايش فشار مخزن (درصورتی که سيال از يک مخزن بسته پمپ شود)

اگر سيال از يک vessel پمپ شود با افزايش فشار منبع می توان مانع بروز کاويتاسيون شد.ولی افزايش فشار به مقدار زياد بر روی compoundسيال اثر گذاشته و باعث تغيير آن می شود . بناراين برای انجام اين روش محدوديت وجود دارد جهت افزايش فشار منبع ،گاز به بالای سطح مايع تزريق می شود . گاز مورد استفاده بايد با مايع سازگاری داشته باشد. درشرايط عادی معمولا ازهواودرشرايط خاص که لازم است گاز مورد استفاده خنثی باشد ازازت استفاده می شود .

روشهای مقابله با کاويتاسيون

  • کاهش دمای سيال

کاهش دمای سيال باعث کاهش فشار بخار و افزايش NPSHav می شود

فشار بخار معايعات تابعی از دمای آنها بوده و با افزايش درجه حرارات افزايش می يابد و بالعکس درمواقعی که کاهش درجه مواد انتقال ،مجاز باشد،با استفاده از مبدل حرارتی ويا تزريق مايع سرد به قسمت مکش پمپ،می توان درجه حرارت مايع و در نتيجه فشار بخار آن را کاهش دادعبور مايع مورد انتقال از درون مبدل حرارتی،باعث کاهش فشار مايع در قسمت مکش پمپ می شود که چندان مطلوب نمی باشد،بنابراين مبدل حرارتی بايد طوری طراحی شود که افت فشار مايع به هنگام عبور از آن حتی الامکان کم بوده و در حدی باشد که نتايج حاصل از کاهش دمای مايع را که منجر به کاهش فشار بخار می شود،خنثی نسازد .

تزريق مايع سرد به مايع مورد انتقال،حتی در مقادير کم می تواند نتايج بسيار مطلوبی را در پی داشته و به همين خاطر در اکثر موارد برای کاهش فشار بخار مايع از اين روش استفاده می شود

  • کاهش افت فشار

روشهای مقابله با کاويتاسيون

باافزايش قطرلوله ازمخزن تادهانه مکش پمپ،کاهش طول لوله،کاهش تعدادزانوئی ها وشيرهامی توان افت فشار را کاهش داد.

افت فشار ناشی از وجود اصطکاک در لوله

همانطور که از فرمول مشخص است افت فشار ناشی از اصطکاک با طول لوله نسبت مستقيم و باقطر نسبت عکس دارد بنابراين در طراحی سيستم لوله کشی بويژه در مواردی که احتمال بروز کاويتاسيون زياد می باشد،اکيدا توصيه می شود که پمپ در نزديکترين محل به منبعی که سيال از آن پمپاژ می شود ، نصب گردد. به همين علت،قطردهانه suctionاز دهانه discharge بزرگتر در نظر گرفته می شود همانطور که از فرمول مشخص است با افزايش قطر ميزان افت فشار کاهش می يابد

افت فشار ناشی از زانوئی ها وشيرها

جهت جلوگيری ازوقوع کاويتاسيون،انتخاب شيرها و اتصالات برای مسيرمکش،باتوجه به ضريب k بايستی اتصالاتی را انتخاب کردکه افت فشار در آنها کمتر می باشد .

روشهای مقابله با کاويتاسيون

  • استفاده از پوستر پمپ قبل از پمپ اصلی

پمپهای تقويتی ،پمپهايی تک مرحله ای،با سرعت و هد پايين می باشند وNPSHreq در آنها کم می باشد بوستر پمپها قبل ازپمپ اصلی افزايش داده ومانع بروزکاويتاسيون شوند البته بايد در هنگام نصب پوستر پمپ به يک نکته توجه کرد وآن اين است که برای افزايش فشار محدوديت وجود دارد فشار کاری مکانيکال سيل حدودا bar 5،1تا 2 از فشار suctionبيشتر بوده و برای اين شرايط فشاری طراحی شده ،در صورت استفاده از بوستر پمپ،فشار زيادترازحد طراحی شده،درصورت استفاده از بوستر پمپ،فشار زيادتر ازحد طراحی شده بر مکانيکال سيل وارد خواهد شد.

  • پايين بردن پمپ

در پاره ای موارد پايين بردن محل پمپ عملی بوده و می تواند راه حل قابل قبولی باشد.اگر پمپ ازيک منبع پمپاژ راانجام دهد،پايين بردن پمپ باعث افزايش Hstمی شوددرصورتی که پمپاژ از يک چاه صورت گيرد،پايين بردن پمپ باعث کاهش عمق مکش می شود که درهردوصورت NPSHava کاهش خواهد يافت .

روشهای مقابله با کاويتاسيون

ب)کاهش NPSHreq

  • کاهش سرعت دورانی

يکی از راههای کاهش NPSHreqکاهش دورانی پمپ است . اما در صورت استفاده از پمپ با سرعت دورانی پايين،دبی وهدافت خواهد کرد،در نتيجه برای رسيدن به شرايط عملياتی بايد از يک پمپ بزرگتر استفاده  کرد.از طرفی کاهش سرعت دورانی باعث کاهش راندمان پمپ نيز خواهد شدبنابراين کاهش سرعت دورانی از نظر اقتصادی نمی تواند راه حل مناسبی برای مشکل کاويتاسيون باشد.

  • استفاده از پروانه با چشمه (eye) وسيع تر

افزايش سطح چشمه پروانه موجب کاهش NPSHreq می گردد.افزايش سطح مقطع باعث کاهش سرعت جريان مايع به درون پروانه مرحله اول توصيه می شود و تغيير چشمه پروانه مراحل بعدی تاثيری روی NPSHreq ندارد.

  • استفادهاز پمپ بزرگتر (Over Sizing)

NPSHreq در پمپ های گريز ازمرکزی که با هم تشابه دارند،بابزرگتر شدن ابعاد پمپ کاهش می يابددر مواردی خاص برای حل مشکل کاويتاسيون و کاهش NPSHreq ترجيح داده می شودکه ازپمپ بزرگتر استفاده شود قيمت پمپ بيشتر

روشهای مقابله با کاويتاسيون

است،ازطرفی اگر بنابه دلايلی لازم شد که ازپمپ دردبی پايين استفاده شود،ازآنجائی که سيال درداخل پمپ مرتبا می چرخد،بنابراين گرم خواهد شد که درنهايت منجر به گرم شدن اجزاءداخلی پمپ و قفل شدن شافت و خرابی پمپ می شود،بنابراين با در نظر گرفتن قيمت خريد و هزينه تعميرات،در صورتی که استفاده از پمپ بزرگتر توجيه اقتصادی داشته باشد،جهت کاهش NPSHreq می توان از اين روش استفاده نمود.

  • استفاده از INDUCER

Inducer ها،پروانه های جريان محوری با هدپايين وتعداد کمی تيغه،بين 2تا 4 عددمی باشندکه درجلوی پروانه اصلی نصب می شوندودارای NPSHreq کم هستند.با افزايش جزئی فشارمايعی که به سمت پروانه اصلی در جريان است،NPSHreq پروانه کاهش می يابد.

 لازم به ذکر است که استفاده از inducerدردبی های زياد باعث می شود NPSHreq به شدت افزايش يافته و به همين خاطر بهره برداری از پمپ با inducerدردبی های زيادمجاز نمی باشد.

اين موضوع درمورددبی های کم نيزصدق می کند.بنابراين inducer فقط دريک دامنه محدودی ازدبی می تواندباعث کاهش NPSHreq شود.درخارج ازاين محدوده استفاده از inducer نه تنها باعث کاهش NPSHreq نميشود.بلکه حتی موجب افزايش آن شده وهمين امرموجب محدوديت دربکارگيری inducer می شود.

ضربه قوچ در نيروی محوری

همانطور که می دانيد جسم در حال حرکت تمايل دارد که همانطور به حرکت خود ادامه دهد.با توجه بااصل فوق انسدادمسيرحرکت سيال درلوله باعث تغيير ناگهانی سرعت سيال وبوجودآمدن ضربه قوچی می گردد. به عبارت ديگرباتوجه به رابطه معکوس سرعت وفشارسيال،کاهش يا افزايش ناگهانی سرعت سيال  و بوجود آمدن ضربه قوچی می گردد.به عبارت ديگرباتوجه به رابطه معکوس سرعت وفشار سيال،کاهش يا افزايش ناگهانی سرعت،منجر به تغييرات فشار در لوله و نهايتا water hammer می شود .

water hammerبا سروصداو ارتعاش همراه.ضربه های ايجاد شده ناشی از ارتعاش می تواند باعث ايجاد خسارت درsupportهاوديگر قسمتهای مسير سيال گردد.لذاتمهيداتی برای جلوگيری از وقوع اين پديده درنظر می گيرند.

بطور مثال در همين راستادر دستورالعمل راه اندازی پمپها تاکيد می شود که قبل از روشن کردن يک پمپ شير خروجی بسته بوده وبعداز استارت زدن پمپ،آرام آرام باز شود ويا قبل از خاموش کردن پمپ اول شير خروجی آرام آرام بسته شود و سپس پمپ خاموش گردد.بعد از خاموش کردن پمپ،سرعت در لوله discharge سريعا کاهش می يابد،در اثر اين تغيير سرعت ناگهانی پديده ضربه قوچی در لوله  مذکور اتفاق می افتدو امواج فشاری ايجادشده درامتدادلوله dischargeبه سمت جلو حرکت کرده و پس از برخوردبا مانع،منعکس می شوند.موج برگشتی بعد از رسيدن به پمپ و در صورت باز بودن شير خروجی  به پروانه رسيده و منجر به برعکس چرخيدن پروانه و باز شدن مهره آن و خرابی های ديگر می گردد.

بنابراين بابستن شيرdischargeدرهنگام خاموش کردن پمپ می توان ازپمپ درمقابلwaterhammerمحافظت کرد.امااين روش روشی موثر برای مقابله با water hammer

          ضربه قوچ در نيروی محوری

در شرايط قطع ناگهانی نخواهد بود.برای محافظت پمپ بايد تمهيدات لازم و دائمی اتخاذ شود.

درسال 1900 ميلادی تروکوفوسکی فرمولی راباری محاسبه حداکثر تغييرات فشار ناشی ازتغييرات ناگهانی سرعت ارائه کرد.طبق اين فرمول حداکثر تغيير فشار ناشی از ضربه قوچی

عبارت هست از :

DVتغييرات سرعت وaسرعت انتشار موج فشار می باشد .

فرض کنيد که پمپ به طور ناگهانی از کار می افتد،سرعت سيال در لوله در مدت کوتاهی به صفر می رسد.اگر سرعت اوليه سيال Vباشدبرطبق رابطه تروکوفوسکی           خواهد بود.نوسانات فشاری ايجاد شده به صورت مشاهده شده می باشد و روند رفت و برگشت موج فشاری تا زمان استهلاک کامل موج فشاری ادامه يافته و سپس متوقف می شود .

External gear pump

اساس و عملکرد در  نيروی محوری :

زمان شروع استفاده از gear pumpها به قرن 16ميلادی برمی گردد .در بين پمپهای روتاری ميزان استفاده  از gear pumpها بسيار زياد است .

External gear pump از يک پوسته ثابت ويک قسمت دوار تشکيل شده است در اين نوع پمپها افزايش فشار بوسيله قسمت دوار صورت می گيرد .قسمت دوار دو چرخ دنده است که يکی از چرخ دنده ها بوسيله يک محور به محرک خارجی متصل است و به آن Drive gearگفته می شود .چرخ دنده دوم در اثر درگيری با چرخ دنده  اول به گردش در می آيد. و به آن idler gear يا چرخ دنده هرزگرد می گويند. دو چرخ دنده در خلاف جهت يکديگر گردش می کنند. اکثر پمپهای دنده ای راست گرد هستند .اگر از سمت موتور به پمپ نگاه شود،محور در جهت عقربه های ساعت در حال چرخش است . در تجهيزات خاص ممکن است از پمپهای دنده ای چپ گرد نيز استفاده شود از بيشتر پمپهای دنده ای در دو  جهت می توان استفاده نمود که اين عمل با تغيير جهت دوران موتور انجام می شود . در ناحيه مکش دنده ها از يکديگر فاصله و فضای خالی بين آنها زياد می شود که اين امر باعث ايجاد خلاءشده و اين فرايند در ورودی باعث مکش می شود در ناحيه خروجی دنده ها به يکديگر نزديک شده و فضای بين آنها در اثر فرورفتن دنده ها دريکديگر کاهش می يابد و از آن جهت که اجازه نشتی سيال از بين دنده ها به دهانه مکش وجود ندارد بنابراين سيال به دهانه dischargeريخته می شود.انتقال سيال به صورت محيطی صورت می گيرد .

اصول کاری کلی پمپ های external gear به اين شکل است که مقداری از مايع بين قسمت های دوار به تله افتاده و با حرکت دورانی اين قسمت ها به سمت خروجی

External gear pump

فرستاده می شود.دراين پمپ ها امکان برگشت سيال به دهانه suction بسيارزياد است.برای جلوگيری از پديده slippage يا برگشت سيال به suctionلازم است که لقی بين قسمت های دورانی وثابت در يک حالت می نيمم نگه داشته شود . بنابراين به علت لقی کم از اين پمپ ها در سرعت دورانی پايين استفاده می شود .

استفاده از پمپهای external gearدر سرعت دورانی پايين دو فايده دارد: اول اين که از تماس قسمت های ثابت و دوارکه منجر به فرسايش درآنها و افزايش سرعت سيال در نوک دنده ها، از فرسايش دنده ها به علت سرعت زياد سيال جلوگيری می شود .

اين نوع پمپها برای سيالات بسيار لزج مناسب هستندزيراسيالات لزج به علت لزجتشان فضای لقی راپر می کنندولقی کمتر باعث می شودکه پمپ بهترکار کند.دريک قاعده کلی می توان گفت که بازده پمپهای external gearبرای سيالات لزج از سيالات غير لزج به علت جلوگيری از پديده slippageبيشتر است .

پمپهای دنده ای برای سيالاتی که عاری از ذرات جامد می باشند مناسبند،چون ذرات در فواصل لقی های بسيار کم بين قطعات می چسبند و باعث فرسايش قطعات و خرابی پمپ می شوند .

يکی از کاربردهای مهم external gear pumpها تزريق رووغن به قسمتهای مورد نياز کمپرسورها و توربينهای گازی و موتورهای الکتريکی که نياز به روغنکاری دارند،می باشد. تجهيزات دوار بزرگ معمولا در سرعت های بالايی کارمی کنندودارای ياتاقانهای بزرگی هستند که روانکاری مداوم آنها عملی اجتناب ناپذير است . برای اين منظور از سيستم روانکاری با گردش روغن استفاده می شود .درسيستم روانکاری با گردش روغن ،از آنجا که روغن يک سيکل بسته را طی می کند و روانکاری تحت فشار انجام می شود،

External gear pump

بنابراين نياز به وجود پمپ می باشد.جهت تزريق روغن معمولا از پمپهای جابجايی مثبت استفاده می شود .در بين پمپهای جابجايی مثبت،دبی خروجی پمپهای gearبا ضربان کمتری توام است،بنابراين برای روانکاری مناسب تر هستند.روغن از مخزن پمپاژ شده  از اين قسمتها دوباره به مخزن روغن برگشت می شود واين سيکل مرتبا تکرار می شود .روغن می شود روغن خروجی ا ياتاقان معمولا داغ است .افزايش دما موجب کاهش لزجت روغن می شود بنابراين بايستی از افزايش دمای روغن جلوگيری نمود . برای خنک کردن روغن از مبدلهای حرارتی يا همان کولرها استفاده می شود .

نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری ” نيروی محوری “