حلزونی پمپ پمپیران و تأثیر آن بر فشار خروجی
حلزونی پمپ پمپیران و تأثیر آن بر فشار خروجی (علم دینامیک سیالات در محفظه جریان)
حلزونی (Volute Casing) در پمپهای گریز از مرکز صرفاً یک پوشش یا محفظه نیست؛ بلکه یک مبدل انرژی هیدرولیکی است که وظیفه حیاتی تبدیل بیشترین مقدار ممکن از انرژی جنبشی (سرعت بالا) تولید شده توسط پروانه به انرژی فشاری (هد) را بر عهده دارد. عملکرد این قطعه ارتباط تنگاتنگی با طراحی پروانه و نقاط کاری بهینه دارد.
۱. فرآیند تبدیل انرژی: اصل برنولی در عمل
هنگامی که سیال با سرعت بالا از نوک پرههای پروانه خارج میشود، انرژی آن عمدتاً جنبشی است. اگر این سیال مستقیماً به یک دهانه خروجی با قطر کوچک هدایت شود، سرعت بالا حفظ شده و فشار استاتیک کمی خواهیم داشت. وظیفه حلزونی این است که سطح مقطع جریان را به تدریج افزایش دهد تا سرعت کاهش یافته و فشار افزایش یابد.
بر اساس اصل برنولی، در یک جریان ایدهآل، مجموع فشار استاتیک، فشار دینامیکی (سرعت) و فشار هیدرواستاتیکی ثابت میماند. در حلزونی:
حلزونی با افزایش مساحت جریان، فشار دینامیکی (مرتبط با سرعت) را به فشار استاتیک (مرتبط با هد تولیدی پمپ) تبدیل میکند.
۲. هندسه حلزونی و راندمان تبدیل
هندسه حلزونی باید با مشخصات پروانه تطابق کامل داشته باشد. دو پارامتر کلیدی در طراحی آن عبارتند از:
الف) زاویه محفظه (Wrap Angle):
زاویه پیچش دیواره حلزونی حول مرکز پروانه تعیینکننده این است که انرژی سیال تا چه میزان به فشار تبدیل شود. اگر زاویه کم باشد (حلزونی باز)، تبدیل انرژی ضعیف است و فشار خروجی کاهش مییابد. پمپیران برای دستیابی به راندمانهای بالا، زوایایی را انتخاب میکند که انتقال از سرعت بالا به سرعت پایین، به شکلی همگن و بدون ایجاد تلاطمهای مخرب (مانند جدایش جریان یا جریان گردابی) صورت پذیرد.
ب) فاصله بین پروانه و حلزونی (Tip Clearance):
این فاصله مستقیماً بر راندمان حجمی تأثیر میگذارد. در ناحیه مکش حلزونی (نزدیک به چشم پروانه)، اختلاف فشار بین پشت پروانه و مرکز پمپ بسیار زیاد است. هرگونه شکاف بزرگ بین نوک پرهها و دیواره حلزونی باعث جریان مجدد (Recirculation) سیال از منطقه خروجی به منطقه ورودی پروانه میشود. این نشتی داخلی، دبی مفیدی که به خروجی میرسد را کاهش داده و راندمان کلی پمپ را پایین میآورد.
۳. تأثیر کار خارج از نقطه طراحی (Off-Design Operation)
اثر حلزونی زمانی آشکار میشود که پمپ خارج از نقطه راندمان بهینه (BEP) کار کند:
دبی بیش از حد: اگر دبی بسیار زیاد شود، سیال با سرعت بالاتری وارد حلزونی میشود. در این حالت، سرعت خروج سیال از حلزونی به قدری بالا میرود که فضای کافی برای تبدیل کامل انرژی جنبشی به فشار وجود ندارد. در نتیجه، بخشی از انرژی به صورت سرعت (و نه فشار) از پمپ خارج میشود و راندمان کاهش مییابد.
دبی بسیار کم: در دبیهای بسیار پایین، سیال ورودی به حلزونی زاویهای نامناسب با مسیر حلزونی پیدا میکند. این امر منجر به برخورد سیال با دیوارهها و ایجاد تلاطمهای شدید (مانند شوک هیدرولیکی) میشود. این تلاطمها نه تنها فشار خروجی را کاهش میدهند، بلکه نیروی شعاعی بسیار زیادی به شافت و یاتاقانها وارد میکنند.
بنابراین، مهندسی دقیق حلزونی پمپهای پمپیران تضمین میکند که در یک بازه وسیع از دبیها، تبدیل انرژی به صورت کارآمد انجام شود و پمپ در برابر تنشهای ناشی از کارکرد غیرعادی مقاوم باشد.
