طراحی پمپ های سانتریفوژ

چکیده :
پمپ های سانتریفوژ کاربرد وسیعی در صنایع مختلف از جمله پتروشیمی، نیروگاههای حرارتی، صنایع نظامی و در مجموع هر جا نیاز به بالابردن فشار جریان سیالات باشند دارند. با توجه به کاربرد گستردۀ این پمپ نیاز به یک الگوریتم مناسب برای طراحی پمپ های سانتریفوژ احساس می شود. در پروژه حاضر یک الگوریتم برای طراحی این نوع پمپ ها ارائه شده است.

ابتدا به معرفی و محاسبات پایه ای پمپ های سانتریفوژ پرداخته شده است. سپس به طراحی پمپ های سانتریفوژ و در نهایت به نکات نصب و راه اندازی و تعمیر و نگهداری این پمپ ها پرداخته شده است.

«فهرست مطالب»
عنوان : صفحه
مقدمه ۱
فصل اول : انواع پمپ ها و آشنایی مختصر با آنها ۳
مقدمه ۴
۱ . ۱ ) تقسیم بندی پمپ ها ۴
۱ . ۱ . ۱ ) پمپ های جابجایی مثبت ۵
۱ . ۱ . ۲ ) پمپ های دینامیکی ۷
۱ . ۲ ) مقایسه ای بین پمپ های جابجایی مثبت و پمپ های دینامیکی

۹
فصل دوم : معرفی پمپ های سانتریفوژ اصول کار و محاسبات پایه آنها ۱۱
۲ . ۱ ) پمپ های سانتریفوژ (گریز از مرکز) ۱۲
۲ . ۲ . ۱ ) اصول کلی و تئوری حاکم بر پمپ های سانتریفوژ ۱۳
۲ . ۲ . ۱ ) تبدیل انرژی در پمپ های سانتریفوژ ۱۳
۲ . ۲ . ۲ ) توان، تلفات و بازده ۱۵
۲ . ۲ . ۵ ) اصول فیزیکی کاویتاسیون و رفتار مکش ۲۰
۲ . ۲ . ۶ ) ارتفاع خالص مکش ثبت (NPSH) 22
2 . 2 . 7 ) NPSH در دسترس مجموعه پمپاژ (Available plant NPSH) 24
2 . 2 . 8 ) روشهای افزایش کارایی مکش ۲۴
عنوان : صفحه
۲ . ۲ . ۹ ) خوردگی کاویتاسیون ۲۵
فصل سوم : طراحی هیدرولیکی پمپ های سانتریفوژ ۲۶
مقدمه ۲۷
۳ . ۱ ) روش های مختلف طراحی پمپ های سانتریفوژ ۲۸
۳ . ۱ . ۱ ) روش مدل سازی ۲۸
۳ . ۱ . ۲ ) روش طرح ورودی ۲۸
۳ . ۱ . ۳ ) روش گردابی آزاد ۲۸
۳ . ۱ . ۴ ) روش جریان گذران ۲۹
۳ . ۱ . ۵) روش استپانوف با ضریب طرح ۲۹
۳ . ۲ ) تئوری طراحی پمپ سانتریفوژ ۲۹

۳ . ۲ . ۱ ) معادله اویلر ۳۰
۳ . ۲ . ۲ ) معادله برنولی برای یک پروانه ۳۱
۳ . ۲ . ۳ ) راندمان کلی ۳۲
۳ . ۳ . ۴ ) ضریب لغزش (Slip Factor) 32
3 . 3 ) مراحل طراحی یک پمپ سانتریفوژ ۳۵
۳ . ۳ . ۱ ) ورودی پروانه ۳۷

۳ . ۳ . ۲ ) طرح پره پروانه ۳۹
۳ . ۳ . ۲ . ۱ ) روش قوس دایره ۳۹
۳ . ۳ . ۲ . ۲ ) روش نقطه به نقطه ۴۱
عنوان : صفحه
۳ . ۴ ) حل پروژه عددی از طراحی پمپ سانتریفوژ ۴۳
فصل چهارم : نصب و راه اندازی، نگهداری و عیب یابی

پمپ های سانتریفوژ ۵۸
۱ . ۴ ) گشتاور راه اندازی در پمپ های سانتریفوژ ۵۹
۱ . ۱ . ۴ ) راه اندازی پمپ های سانتریفوژ (Start up) 62
الف ) راه اندازی پمپ در حالت شیر فلکه بسته ۶۲
ب ) راه اندازی پمپ در حالن شیر فلکه یک طرفه بسته و .. ۶۳٫
ج ) راه اندازی پمپ در حالت شیر فلکه باز و … ۶۴

د ) راه اندازی پمپ با شیر فلکه خروجی باز و … ۶۵
۲ . ۱ . ۴ ) زمان راه اندازی در پمپ های سانتریفوژ ۶۶
۳ . ۱ . ۴ ) زمان خاموش شدن یک پمپ سانتریفوژ ۶۷
۲ . ۴ ) راهنمای عیب یابی و تعمیر پمپ های سانتریفوژ ۶۸
فهرست منابع و مآخذ ۷۲

مقدمه :
امروزه پمپ ها چه در زمینه کشاورزی و چه در زمینه صنعتی، یکی از ارقام بزرگ و پرمصرف دستگاههای صنعتی را تشکیل می دهند. هم اکنون شاید بیش از دستگاههای صنعتی به یکی از ده ها نوع پمپ که در بازار وجود دارند مجهز می باشند. کاربرد و موارد استفاده گوناگون پمپ ها باعث شده که دستگاههای یاد شده، پس از موتورها، در بالاترین درجه اهمیت قرار گیرند. پمپ های متنوعی که در ابعاد و اندازه های گوناگون طراحی و به بازار عرضه می شوند، کاربرد بسیار وسیعی دارند. از پمپ های چاه عمیق که در واقع رابطی بین منابع و ذخایر آب های زیرزمینی و کشتزارها و مزارع هستند گرفته تا انواع و اقسام پمپ هایی که در صنایع شیمیایی، کاغذ سازی و غیره و به کار می روند همه و همه دستگاههایی هستند که در صنایع مزبور نقش مهمی به آنان واگذار گردیده است.
بنا به علل فوق بحث طراحی و ساخت پمپ از اهمیت ویژه ای برخوردار است به طوریکه همواره ساخت پمپ های با راندمان بالا (سرعت، دبی، جنس و سایر خواص مناسب) مدنظر بوده است. اصولاً طراحی مکانیکی پمپ به دو بخش عمده تقسیم می شود.
الف ) طراحی سازه ای یا اصطلاحاً «طراحی جامداتی» که بیشتر به مسئله شکل و جنس قطعات مختلف پمپ می پردازد.
ب ) طراحی هیدرولیکی پمپ، که مبنای اصلی در این نوع طراحی وضعیت سیال تحت پمپاژ می باشد. در این طراحی به بررسی همچون توان، تلفات، راندمان، سرعت و دبی سیال در مقاطع مختلف، شکل پروفیل سیال در ورود و خروج شکل پروفیل پره ها و تعداد آنها کاویتاسیون، خوردگی و … پرداخته می شود.
یکی از گروههای پرمصرف پمپ ها، پمپ های سانتریفوژ (گریز از مرکز) می باشند که از زیر مجموعۀ پمپ های دینامیکی محسوب می شوند. اصول کار این پمپ ها براساس استفاده از نیروی گریز از مرکز پایه گذاری شده است.
در این پروژه بیشتر به مسئله «طراحی هیدرولیکی پمپ گریز» پرداخته می شود.
در فصل اول به تقسیم بندی انواع پمپ ها و معرفی هر کدام به طور خلاص

ه پرداخته شده است.
فصل دوم مشتمل بر تعاریف اصلی، بررسی اصول حاکم بر پمپ های سانتریفوژ و محاسبات پایه و اولیه مربوط به آنها می باشد.
در فصل سوم که قسمت اصلی پروژه را تشکیل می دهد به مسئله طراحی هیدرولیکی پمپ گریز از مرکز همراه با یک مثال عددی پرداخته شده است.
در نهایت در فصل چهارم مباحثی تکمیلی شامل نصب و راه اندازی، نگهداری و عیب یابی پمپ های گریز از مرکز آورده شده است.

 

 

فصل اول :
 انواع پمپ ها و آشنایی مختصر با آنها

فصل اول :
 انواع پمپ ها و آشنایی مختصر با آنها
فصل اول : انواع پمپ ها و آشنایی مختصر با آنها
مقدمه :
امروزه با توجه به توسعه همه جانبه فن آوری و صنعت در زمینه های مختلف و لزوم به کارگیری انواع و اقسام پمپ ها با کاربردهای متفاوت در سطح وسیعی از صنایع از قبیل کشاورزی، پتروشیمی، پالایشگاه، صنایع نظامی شبکه های انتقال و توزیع آب و صدها و شاید هزاران شاخه دیگر از صنعت باید به نقش اساسی و حساس پمپ ها در این راستا اذعان کرد.
این امر موجب توسعه فن آوری تولید پمپ و عرضه انواع و اقسام مختلف آنها (از لحاظ نحوه کار، جنس مواد، اندازه، کاربرد و حتی از نظر سیالی که می تواند پمپ نمایند) به بازار شده است.
در این فصل ضمن طبقه بندی پمپ ها به گروههای مجزا (براساس نحوه کار) معرفی و مروری راجع به هر کدام خواهیم داشت.
۱ . ۱ ) تقسیم بندی پمپ ها

ماشین های که به سیال مایع انرژی می دهند پمپ نامیده می شوند. پمپ ها را می توان به دو گروه پمپ های با جابجایی مثبت و پمپ های دینامیکی (تغییر دهنده اندازه حرکت) تقسیم بندی کرد.

۱ . ۱ . ۱ ) پمپ های جابجایی مثبت
پمپ های جابجایی مثبت مرز متحرک داشته وسیال را با تغییرات حجمی جابجایی می کنند. به این صورت که حفره ای باز شده و سیال از میان دریچه ورودی مکیده شده بعد حفره بسته شده و سیال از طریق یک دریچه خروجی رانده می شود.

مثال رایج برای این نوع پمپ ها قلب پستانداران است. انواع مکانیکی این پمپ ها استفاده وسیعی دارند. تمام پمپ های جابه جایی مثبت سیال را به صورت دوره ای یا منقطع جابجا می کنند. زیرا پس از ورد سیال به داخل خود دریچه بسته شده سیال فشرده و رانده می شود. مزیت عمده این نوع پمپ ها این است که سیال با هر درجه از جهت را جا به جا می کنند. پمپ های جابجایی مثبت را می توان مطابق شکل زیر تقسیم بندی کرد.

در شکل زیر تعدادی از انواع پمپ های جابجایی مثبت نشان داده شده است.

۱٫ ۱ . ۲ ) پمپ های دینامیکی :
پمپ های دینامیکی اندازه حرکت سیال را به وسیله پره ها یا تیغه های خود افزایش می دهند. در اینجا هیچ گونه حجم بسته وجود ندارد سیال در حین عبور از منافذ و گذرگاهها افزایش اندازه حرکت داده و سپس سرعت زیاد با گذرا از یک مقطع واگرا به افزایش فشار تبدیل می شود. پمپ های دینامیکی را می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد.

در شکل زیر انواع دورانی پمپ های دینامیکی نشان داده شده اند.

الف

ب

ج
شکل ۱ . ۲ ) انواع پمپ های دورانی (دینامیکی) الف ) سانتریفوژ؛ ب ) محوری؛ ج ) جریان مختلط
۱ . ۲ ) مقایسه ای بین پمپ های جابجایی مثبت و پمپ های دینامیکی
دبی جریان پمپ های دینامیکی عموماً بیش از پمپ های جابجایی مثبت بوده و حرکت سیال از میان آنها یکنواخت تر است ولی می توان جابجایی مایعات خیلی لزج را ندارد. قبل از استفاده از پمپ های دینامیکی باید آنها را با مایع پر کرد. در غیر این صورت نمی توانند مایع را از یک منبع پایین تر از خود بمکند. در عوض پمپ های جابجایی مثبت تقریباً برای تمام مایعات خود مکنده هستند. یک پمپ جابجایی مثبت جابجایی مثبت برای دبی کم و فشار زیاد مناسب است. در حالی که یک پمپ دینامیکی می تواند جریان با فشار کم و دبی زیاد تولید کند. شکل زیر تفاوت جالبی را در چگونگی عملکرد این دو نوع پمپ نشان می دهد. پمپ های جابجایی مثبت جریانی تقریباً ثابت را در طیف وسیعی از افزایش فشار فراهم می کنند. حال آنکه پمپ های دینامیکی برعکس افزایش فشار یکنواختی را در طیف گسترده ای از حجم های جابجایی به وجود می آورند. تاثیر لزجت بر عملکرد این دو نوع پمپ نیز از شکل قابل مشاهده است.

شکل ۱ . ۳ ) : مقايسه منحني عملكرد پمپ هاي ديناميكي و جابجايي مثبت در سرعت ثابت

فصل دوم :

 معرفی پمپ های سانتریفوژ، اصول کار، محاسبات پایه آنها

فصل دوم :
 معرفی پمپ های سانتریفوژ، اصول کار، محاسبات پایه آنها
۲ . ۱ ) پمپ سانتریفوژ (گریز از مرکز) :
مطابق شکل ۲ . ۱ این پمپ شامل پروانه دواری است که در داخل یک محفظه جای گرفته است. سال از طریق چشم بدنه به صورت محوری وارد پمپ شده از لابه لای پروانه ها لغزیده به طریق مماسی و شعاعی به سمت پیرامون پروانه می چرخد؛ تمام قسمت های محیطی پروانه را پشت سر گذاشته و به داخل قسمت واگرای محفظه پمپ رانده می شود.
سیال با عبور از پروانه فشار و سرعت پیدا می کند. شکل حلزونی محفظه باعث کاهش سرعت جریان و در نتیجه افزایش فشار می گردد. پروانه ها معمولاً با انحنای رو به پشت طراحی شده اند ولی پروانه های دارای انحنای رو به جلو نیز وجود دارند که فشار خروجی را اندکی تغییر می دهند. پره ها می توانند باز باشند یعنی تنها به وسیله یک لقی (فاصله باریک) از محفظه جلویی پمپ جدا شوند. یا بسته باشند یعنی به کمک دیواره خود پروانه از دو طرف محفظۀ پمپ جدا شوند.
قسمت های مختلف پمپ سانتریفوژ عبارتند از : پروانه، پره ها، حلزونی و چشم پمپ
.

شکل ۲ . ۱ ) یک پمپ گریز از مرکز

۲ . ۲ ) اصول کلی و تئوری پمپ های سانتریفوژ :
دراین بخش اصول حاکم بر پمپ های سانتریفوژ را با استفاده از معادلات اویلر و کاربرد قضیه اندازه حرکت و تبدیل انرژی در پمپ های سانتریفوژ را بررسی می کنیم. همچنین به بررسی روابط توان، تلفات، بازده و هدپمپ می پردازیم.
۲ . ۲ . ۱ ) تبدیل انرژی در پمپ های سانتریفوژ :

در پمپ های سانتریفوژ تبدیل انرژی به روشهای هیدرو دینامیکی صورت می گیرد. برای ارائه یک تئوری مقدماتی درباره نحوه عملکرد پمپ جریان را یک بعدی فرض کرده و بردارهای سرعت ایده آل سرعت سیال بر روی پروانه را با قضیه اندازه حرکت زاویه ای برای حجم کنترل تلفیق و هماهنگ می کنیم. شکل ۲ . ۲ نمودار سرعت ایده آل را نشان می دهد فرض می شود که سیال در شعاع با مؤلفه سرعت مماسی (مماسی بر زاویه پره ) به اضافه سرعت محیطی (مربوط به سرعت نوک پره) وارد پروانه می شود؛ بنابراین سرعت مطلق ورود ( ) برابر با جمع برداری خواهد شد. به همین ترتیب جریان در شعاع با سرعت برآیند (برابر با جمع مؤلفه به موازات زاویه پره و سرعت نوک پره ( ) خارج می شود.

شکل ۲ . ۲ ) نمودار سرعت ورودی و خروجی در پمپ سانتریفوژ
اگر قضیه اندازه حرکت زاویه ای را برای پمپ به کار ببریم به نتیجه زیر می رسیم :
(۲ . ۱ )
: گشتاور پیچشی اعمال شده به محور پمپ، ρ : چگالی سیال، : دبی پروانه

و مؤلفه های سرعت مطلق محیطی جریان هستند به این ترتیب توان داده شده به سیال برابر خواهد شد با :
(۲ . ۲ )
که در آن u = r است و سرعت زاویه ای محور پمپ است.
توان منتقل شده در واحد جرم جریان (دبی جرمی) به سیال پمپ شده، کار انجام شده بوسیله پروانه ( )تعریف می شود و از معادلۀ (۲ . ۳) به دست می آید.
(۲ . ۳ ) زر کمتر است. اثر این تلفات در بازده هیدرولیکی ( )گنجانده می شود. برای تعریف بازده هیدورلیکی معادله بر نولی را بین دو نقطۀ (۱) و (۲) خروجی می نویسیم. با چشم پوشی از کار ناشی از نیروهای حاصل از لزجت سیال و انتقال حرارت می توان تغییر هد را از معادله برنولی به دست آورد.
(۲ . ۴)
که در آن H : هد خالص ایجاد شده است. و : هد خالص ایجاد شده توسط پمپ و : عبارت مربوط به افت ها است. حال بازده هیدرولیکی ( )به صورت زیر تعریف می شود.
( ۲ . ۵ )
بنابراین با تأثیر دادن بازده هیدرولیکی داریم :
(۲ . ۶ )
بنابراین کار انجام شده تنها بستگی به طراحی اجزاء هیدرولیکی پمپ، دبی حجمی و سرعت مماسی محور پروانه دارد. و مستقل از سیال پمپ شده و شتاب گرانش می باشد. هر پمپ به خصوص مقدار معینی انرژی را به سیالات مختلفی مانند آب، روغن و یا نفت منتقل می کند.
۲ . ۲٫ ۲ ) توان، تلفات و بازده
جریان پروانه عموماً شامل سه مؤلفه است :
• نرخ جریان مفید (در نازل خروجی پمپ) Q
• نرخ جریان نشتی (از حلقه های آب بندی) پروانه
• نرخ جریان توازن (برای بالانس رانش محوری)
با در نظر گرفتن افت های هیدرولیکی با توجه به معادلۀ (۴) قدرت منتقل شده به وسیلۀ پروانه به سیال عبارت است از :

(۲ . ۷ )
توان ورودی به محور پمپ باید بیشتر از باشد به دلیل افت هایی که وجود دارد افت ها عبارتند از:
تلفات اصطکاک دیسک (دیسک یا پیستون)
تلفات مکانیکی یاتاقانها و غیره … )
تلفات اصطکاکی بالانس (دیسک یا پیستون)
با در نظر گرفتن این تلفات قدرت ورودی برای راه اندازی محور پمپ (P) برابر است با :
( ۲ . ۸ )
بازده کلی پمپ برابر نسبت توان پمپاژ (توان مفید هیدرولیکی) بر توان ورودی P در محور پمپ است یعنی :
(۲ . ۹ )

غیر از بازده هیدرولیکی در پمپ ها در بازده دیگر به نام بازده حجمی و بازده مکانیکی نیز تعریف می شود.
بازده حجمی نیز به صورت زیر تعریف می شود :
(۲ . ۱۰ )
بازده مکانیکی ( )برابر نسبت توان تلف شده مکانیکی در پمپ (حاصل از اصطکاک و … ) به توان ورودی پمپ است.
(۲ . ۱۱ )
: توان تلف شده مکانیکی
: توان ورودی بر پمپ
: توان خروجی از پمپ
بازده کلی همچنین عبارت از حاصل ضرب سه بازده تعریف شده یعنی :
( ۲ . ۱۲ )
طراح برای بهبود طرح پمپ باید روی سه بازده بالا کار کند.شده و سرعت مخصوص که به صورت (۲ . ۱۳) [n دور محور ] تعریف می شود بستگی دارد. با کاهش یافتن سزرعت مخصوص افزایش قابل ملاحظه ای در تلفات اصطکاکی دیسک و دبی های بالانسینگ و نشت به وجود می آِد. در سرعت های مخصوص بیشتر به دلیل افزایش تلفات هیدرولیکی بازده شروع به پایین آمدن می کند. شکل ۲ . ۳ حدود تغییرات بازده را که قابل دسترس است را نشان می دهد.

شکل ۲ . ۳ ) تغییرات راندمان نسبت به سرعت مخصوص و دبی

۲ . ۲ . ۳ ) مجموع هد پمپ
در طراحی پمپ معمولاً انرژی مفید منتقل شده به سیال در واحد تحت مقدار معین شتاب گرانش تعیین می کند این مقدار که واحد طول است. هد پمپ (H) نامیده می شود.

(۲ . ۱۴ )
یا
(۲ . ۱۵ )
هد را می توان از اندازه گیری فشار استاتیک در مکش و رانش بوسیلۀ اندازه گیری هندسی هد و بوسیله اندازه گیری سرعت جریانها در مکش و رانش بهدست آورد. بنابراین هد واارد و مستقل از مشخصات سیال پمپ شده است و برای یک پمپ به خصوص فقط به نرخ جریان و سرعت محیطی بستگی دارد. برخلاف این موضوع، فشار نهایی پمپاژ و توان مصرف شده به جرم حجمی سیال بستگی دارد.