Post on 13-Feb-2020
transcript
CERCETĂRI PRIVIND REDUCEREA ZONEI DE INSTABILITATE A CURBELOR CARACTERISTICE LA
POMPELE AXIALE Petrişor STĂNESCU1 Eugen Constantin ISBĂŞOIU2 Victor BURCHIU3 Rezumat: Reglarea parametrilor de funcţionare la pompele axiale, prin modificarea unghiului de aşezare al paletelor rotorice, corelat şi cu cerinţele de extindere a domeniului de funcţionare al acestor pompe în condiţii de securitate, pentru aplicaţii în energetica clasică şi nucleară, impune cunoaşterea de către proiectanţii pompelor a parametrilor geometrici care determină atenuarea gradului de instabilitate a caracteristicii Q-H. 1. INTRODUCERE Stabilitatea curbelor caracteristice la pompele axiale este determinată de multiple
influenţe de natură constructiv - dimensională. Întrucât în exploatarea pompelor axiale,
deseori este necesară funcţionarea la debite mai mici decât debitul nominal, în prezenta
lucrare s-a propus identificarea principalelor mărimi geometrice care asigură atenuarea
gradului de instabilitate al caracteristicii Q-H.
S-a cercetat, pentru o hidraulică având nq = 224, influenţa următorilor parametrii
constructivi asupra alurei curbelor caracteristice în zona de instabilitate:
- numărul de palete;
- unghiul de aşezare al paletei şi unghiul β (răsucirea paletei);
1 Ing. SC AVERSA SA Bucureşti 2 Prof.dr.ing. Univ. Politehnica Bucureşti, Fac. Energetică, Şef Catedra Hidraulică şi Maşini Hidraulice 3 Prof.dr.ing. Univ. de Ştiinţe Agricole Bucureşti, Fac. de Îmbunătaţiri Funciare
A PATRA CONFERINŢĂ A HIDROENERGETICIENILOR DIN ROMÂNIA,
Dorin Pavel
- efectul de scară.
2. CURGEREA FLUIDULUI ÎN POMPELE AXIALE LA DEBITUL NOMINAL
ŞI LA DEBITE PARŢIALE Prin definiţie, curbele caracteristice se consideră stabile, dacă de la debitul zero la
debitul maxim, înălţimea de pompare este permanent descrescătoare. Conform acestei
definiţii, segmentul A-B al curbei Q-H din figura 1, este stabil şi poate asigura o
funcţionare normală a pompei. Segmentul de curbă B-C reprezintă zona de desprindere
a caracteristicii Q-H de segmentul stabil al curbei, funcţionarea fiind însoţită de
zgomote şi vibraţii peste valorile admise de standarde. Funcţionarea de durată în această
zonă este interzisă. Segmentul de curbă C-D corespunde funcţionării liniştite dacă
presiunea în aspiraţie este suficientă pentru a se evita cavitaţia datorită unui NPSHA
neadecvat.
Figura 1 – Curba caracteristică a unei pompe axiale
Pe cât posibil, segmentul de curbă B-C, trebuie diminuat ca extindere prin măsuri de
dimensionare corespunzătoare, adoptate prin proiectul celulei hidraulice.
Domeniul de debite aparţinând caracteristicii Q-H, cuprins între debitul zero şi debitul
corespunzător randamentului maxim defineşte domeniul debitelor parţiale. Curgerea
prin rotor la diferite regimuri este reprezentată în figura 2 (a, b, c şi d)
Figura 2 – Regimuri de curgerea prin rotorul unei pompe axiale
Curgerea prin rotor la regimul corespunzător randamentului maxim este neperturbată,
paralelă cu suprafaţa paletelor (a se vedea figura 2a).
Când debitul scade forţele centrifuge acţionează asupra fluidului din rotor şi devin mai
mari decât forţele de presiune de pe direcţia radială, liniile de curent fiind deviate spre
periferie, local, la ieşirea din rotor. Ca urmare, rezultă la ieşirea din rotor. o creştere a
vitezei spre periferie şi o scădere a vitezei lângă butucul rotorului. Ca rezultat lichidul
curge înapoi în rotor, lângă butuc în zona muchiei de ieşire a paletei (a se vedea figura
2b) şi determină o creştere rapidă a presiunii pe spatele paletei cu separarea curgerii.
Pierderile de sarcină cresc brusc având ca urmare blocarea curgerii. Aceasta
corespunde segmentului B-C al curbei caracteristice H-Q.
La scăderea în continuare a debitului se iniţiază şi se dezvoltă curgerea inversă şi la
intrarea in rotor (a se vedea figura 2c). În momentul apariţiei curentului de întoarcere la
intrarea în rotor se modifică semnificativ modelul curgerii în tot canalul hidraulic al
rotorului. Viteza curentului lângă butuc, în partea de aspiraţie, în direcţie pozitivă, creşte
datorită formării curentului de întoarcere lângă periferie (în direcţie negativă), ceea ce
elimină fenomenul de blocare a curgerii. După iniţierea curgerii inverse în aspiraţie,
nivelele de zgomot şi de vibraţii încep să scadă comparativ cu funcţionarea în domeniul
B-C al curbei caracteristice. La scăderea în continuare a debitului, curgerea în rotor
devine turbulentă şi provoacă din nou creşterea nivelelor de zgomot şi de vibraţii ale
pompei.
La vană închisă, debitul este zero, curgerea inversă la intrarea şi la ieşirea din palete se
dezvoltă pe întreaga lăţime a canalului ceea ce produce în rotor o curgere radială
puternică (a se vedea figura 2d).
La ieşirea din rotor, curentul de recirculare este orientat spre butuc şi loveşte paletele în
direcţie opusă sensului de rotaţie. La intrarea în rotor, curentul de întoarcere se roteşte în
aceeaşi direcţie cu sensul de rotaţie.
Funcţionarea pompelor axiale pe segmentul B-C al curbei caracteristice, trebuie evitată
existând pericolul distrugerii pompelor prin cavitaţie şi vibraţii excesive. Funcţionarea
în acest regim este însoţită de un zgomot puternic caracteristic.
3. POMPA SUPORT UTILIZATĂ PENTRU EFECTUAREA CERCETĂRII Cercetarea s-a efectuat utilizând hidraulica pompelor destinate răcirii condensatoarelor
la centralele termoelectrice.
Caracteristicile nominale ale pompei:
Q = 5,85 m3/s; H = 7,3 m; n = 420 rot/min; nq = 224
Încercările s-au efectuat pe un model la scară redusă utilizând λ = 1/5. Turaţia de
încercare pentru modelul la scară redusă a fost 2100 rot/min şi a rezultat prin
similitudine din condiţia de a avea triunghiuri de viteze egale, respectiv înălţimi de
pompare egale, între modelul la scară redusă şi pompa reală
λ = 5420
2100==
nnm , 1
2222 =⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
m
m
mM nn
nn
nn
HH λ .
Rezultatele încercărilor pe model la scară redusă s-au reconfirmat prin încercarea
pompei la scară reală.
Reprezentare spaţială a profilului paletei rotorice şi statorice este dată în figura 3. Se
poate observa că paleta este răsucită spre exterior astfel încât unghiurile β pe diametrul
exterior sunt mai mari decât unghiurile β pe diametrul interior, ca o particularitate faţă
de paletele pompelor axiale din fabricaţia curenta. Profilul paletei rotorice în diferite
secţiuni caracteristice este prezentat în figura 4.
Figura 3 – Piesele de canal hidraulic reprezentate în 3D
Figura 4 – Secţiuni caracteristice prin paletă
4. PREZENTAREA INSTALAŢIEI DE ÎNCERCARE A MODELULUI LA SCARĂ REDUSĂ ŞI A POMPEI REALE Modelul la scară redusă şi instalaţia de încercare sunt prezentate în figura 5.
Figura 5 – Modelul la scară redusă montat în instalaţia de încercare
Paleta AVV1301
-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10
0102030405060708090
100110120130
-55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Figura 6 – Secţiune prin celula hidraulică a pompei reale Instalaţia de testare a pompei reale este prezentată în figura 7.
Figura 7 – Instalaţia de testare a pompei la scară reală.
STAND NMV 1000
INSTALATIE PROBA AVV 1301
~ 5112
2075
7000
3300
3300
2690
2000
1465
2320
1865
2500
2480
2220
930
1185
25
9,10,11,12
13,14,15,16
1000
2000
23(E)
8
1240
(E)
(E)
27 **
895
1500
3155
1540
1
Ø1950
1100
1105
714
2280
3115
2350
2,3
4
5
2170
Ø2215
2600
1750
*
3500
Ø1400
30°
(1960)
(300)
200
1500
950
17,18,19,20
6,7
7801017
(E)24
21
26 (E)
22
6. VARIANTE CONSTRUCTIVE TESTATE ÎN STAND PE MODELUL LA SCARĂ REDUSĂ
În principal testarea s-a limitat la determinarea experimentală a influenţei numărului de
palete asupra stabilităţii caracteristici Q-H a pompei prin testarea a două rotoare având 3
respectiv 6 palete cât şi influenţa unghiului de incidenţă al paletelor. De asemenea
încercările experimentale au permis evaluarea şi a efectul de scară rezultat prin
compararea rezultatelor modelului (transpuse prin similitudine la pompa reală) faţă de
încercările de ştand ale pompei reale.
6.1 Teste de stand efectuate cu rotorul cu 3 palete S-au ridicat caracteristicile energetice ale pompei la scară redusă pentru următoarele
unghiuri de aşezare ale paletelor:
α = 170, 200, 240. Caracteristicile Q-H sunt prezentate în figura 8.
Figura 8 – Caracteristica Q-H pentru rotorul cu 3 palete Marcaje - romb, puncte măsurate prin închiderea vanei
- triunghi, puncte măsurate prin deschiderea vanei 6.2 Teste de stand efectuate cu rotorul cu 6 palete S-au ridicat caracteristicile energetice ale pompei model la scară redusă, pentru
următoarele unghiuri de aşezare ale paletelor:
α = 130, 170, 200, 240.Caracteristicile Q-H sunt prezentate în figura 9.
0
5
10
15
20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Q[mc/h]
H[m
]
α = 17 grd α = 20 grdα = 24 grd
Figura 9 – Caracteristica Q-H pentru rotorul cu 6 palete Marcaje - romb, puncte măsurate prin închiderea vanei
- triunghi, puncte măsurate prin deschiderea vanei
Diferenţele privind caracteristicile funcţionale obţinute cu rotorul cu 6 palete faţă de
rotorul cu 3 palete sunt prezentate în figura10 (a, b şi c).
a)
0
5
10
15
20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Q[mc/h]
H[m
]
α = 20
α = 24 grd
α = 13 grd α = 17
17grade
0
5
10
15
20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Q[mc/h]
H[m]
6palete
3palete
b)
c) Figura 10 – Comparaţie între rotorul cu 3 palete şi rotorul cu 6 palete
20grade
0
5
10
15
20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Q[mc/h]
H[m]
3 palete
6 palete
24grade
0
5
10
15
20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Q[mc/h]
H[m]6 palete
3 palete
7. TESTE DE STAND EFECTUATE PE POMPA LA SCARĂ REALĂ S-au ridicat curbele H = f1(Q), P = f2(Q) şi η = f3(Q) pentru unghiurile de aşezare
α=14 , 20 şi 24 .
Rezultatele sunt prezentate în figura 11 (a, b şi c).
a)
b)
24° = max.20°14° = min.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Q (m3/h)
H (m
)
20°
14°
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Q (m3/h)
P (k
W)
24°
c)
Figura 11- Curbe caracteristice de stand ridicate la pomparea reală 8. INTERPRETAREA REZULTATELOR DE STAND 8.1 Indicatori privind comportarea pompei în zona de instabilitate Caracteristica pompei axiale este prezentat în figura 1, utilizând în ordonată coeficientul
de presiune şi în abscisă coeficientul de debit. Gradul de instabilitate al unei curbe
caracteristice se poate defini conform notaţiilor din figura 1, prin următoarele mărimi:
ψrelativ = B
instB
ψψψ .−
tg θ = B
inst
ψψψ .0 −
Interpretarea rezultatelor se face având în vedere următoarele:
-cu cât ψrelativ este mai mic cu atât curba caracteristică se apropie de curba stabilă;
- cu cât θ este mai mic cu atât curba caracteristică este mai stabilă.
24°20°14°
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Q (m3/h)
Eta
(%)
8.2 Analiza rezultatelor încercărilor sub aspectul gradului de stabilitate al curbelor caracteristice
Nr. palete 3 palete 6 palete
α 17 20 24 13 17 20 24
ψ 0 0.03 0.063 0 0 0 0.05
θ 33 46 47 - - - 36.57
Concluzii:
- unghiurile mai mici de aşezare a paletelor conduc la micşorarea gradului de
instabilitate al curbelor caracteristice;
- unghiurile β mai mici conduc la micşorarea gradului de instabilitate al curbelor
caracteristice;
- un număr de palete mai mare, micşorează extinderea zonei de instabilitate;
8.3 Histerezis Pe baza încercărilor de stand s-a constatat că la unghiurile de incidenţă mari (α = 24 )
apare la curba Q-H fenomenul de histerezis (procedând la închiderea continuă a vanei,
curba Q-H obţinută este în stânga curbei Q-H obţinute prin deschiderea vanei). La
aceiaşi înălţime de pompare prin scăderea sarcinii se obţine un debit mai mare cu până
la max. 3% în apropierea punctului nominal pentru rotorul cu 3 palete şi circa 6% pentru
rotorul cu 6 palete (a se vedea figurile 8 şi 9). La micşorarea unghiului de aşezare α,
fenomenul de histerezis dispare.
În concluzie un număr de palete mai mare măreşte amplitudinea fenomenului de
histerezis.
8.4 Alura curbelor Q-H Din analiza rezultatelor încercărilor prezentate în figura 10 se constată că prin mărirea
unghiurilor de incidenţă al paletelor rotorice la acelaşi număr de palete panta curbelor
Q-H scade crescând zona de instabilitate. De asemenea prin scăderea numărului de
palete, panta curbelor Q-H scade crescând zona de instabilitate.
8.5 Analiza rezultatelor încercărilor de stand pentru pompa reală având 6 palete
Datorită pericolului deteriorării pompei în cazul funcţionării în zona de
instabilitate a curbelor caracteristice, încercările s-au efectuat numai pe segmentul stabil
al curbelor caracteristice. Caracteristicile la scară reală practic se suprapun cu rezultatele
obţinute prin transpunerea prin similitudinea curbelor de la modelul la scară redusă cu
excepţia fenomenului de histerezis care la scară reală este atenuat.
9. BIBLIOGRAFIE [1] PFLEIDERER Carl – Die Kreiselpumpen fur Flussigkeiten und Gase. 4. Aufl. Berlin [2] FUCHSLOCHER und H. SCHULZ – Die Pumpen. 10. Aufl. Berlin