FRI-ONINE-1-THPE-01 MOEING THE CHARACTERISTICS OF CENTRIFUGA PUMPS 8 Eng. Salaf Ibrahim, Ph Student epartment of Heat, Hydraulics and Environmental Engineering, Angel Kanchev University of Ruse, Bulgaria Tel.: +359 8 888 766 E-mail: salaf_199@abv.bg Abstract: This work represents an overview and analysis of various methods for modeling the characteristics of centrifugal pumps, under standard and specific operating conditions: when working with clean water and two-phase mixtures, or if it is used to transport different hydromixtures, as well as in case of working with a trimmed impeller. It has been studied tha impact of the pump front seal clearance on the machine volume losses. In addition to that, it has also been analyzed the applying of modern methods for modeling the characteristics of centrifugal pumps by using CF software products. Keywords: Centrifugal pump, Performance characteristics modelling, Specific speed. ВЪВЕДЕНИЕ Центробежнте помп са сред най-шроко зползванте хдравлчн машн в областта на енергетката, промшлеността селското стопанство. Те намрат прложене във водоснабдяването; за напояване отводняване; за транспорт на хмческо-агресвн течност; за транспорт на хрантелн продукт; в цркулацонн сстем за отоплене охлаждане; в каналзацонн сстем др. Фг. 1. Работн характерстк на центробежна помпа. Порад шрокото м прложене е необходмо познаването на технте характерстк. Те представляват графчн завсмост на напора H, мощността P, коефцента на полезно действе (КПД) кавтацоння запас (NPSH), от дебта на помпата, пр постоянна честота на въртне n = const. (фг. 1). Формте на тез крв в дапазона от стартране (л нулев дебт) до максмално възможня дебт са важн за експлоатацята на помпата пр работа с нсталац - напр. пр паралелна работа л по време на стартране (Gulich, 010). 8 Докладът е представен на онлайн сесята на секця Топлотехнка, хдро пневмотехнка на 13 ноемвр 00 г. с оргнално заглаве на българск езк: МОДЕЛИРАНЕ ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА ЦЕНТРОБЕЖНИ ПОМПИ - 53 -
За осгуряване на ефектвна работа на помпенте агрегат се зсква работнят м режм да е в т. нар. работна област на характерстката H=f(), която се определя от условето КПД на помпата да не се разлчава напрмер с повече от 10% от максмалната стойност (Klimentov, Popov, Tujarov, 008). Работнте характерстк на помпте се получават чрез реално зптване на помпата на зптателен стенд, чрез промяна на дебта отчтане на стойностте на напора, мощността КПД. В редца случа се налага аналтчно зследване работата на помпен агрегат в сстем, с цел прогнозно определяне режмте на работа пр зследване енергйната ефектвност на методте за регулране, пр транспорт на хдросмес др. В тез случ е необходмо да се зползват аналтчн модел на характерсткте на помпте. В настоящата работа са разгледан разлчн начн за моделране характерсткте на съществуващ центробежн помп, както за прогнозно построяване характерсткте на помп, пр работа с чста вода, с подрязано работно колело с хдросмес. ИЗЛОЖЕНИЕ Прогнозно определяне характерсткте на центробежн помп пр работа с чст течност. Порад сложнте процес в центробежнте помп, прогнозрането на технте характерстк е възможно само с помощта на емпрчн л чслен метод. В (Gulich, 010) е предложена методка за прогнозно определяне характерсткте на турбопомп. Оптмалнте стойност на дебта максмален КПД max ( opt, напора която напорът на помпата се определя с зраза: H opt на коефцента на плъзгане opt, пр h,max ), се определят от предвартелн проектн зчсленя. Според u A d tan H = + h a 1m B g fqau tan B A1 tan 1, (1) където: е хдравлчнят КПД на помпата; u - преносната скорост пр зхода на работното колело; g - земното ускорене; - коефцент на плъзгане, отчтащ влянето на осовя вхър върху теоретчня напор на помпата, пр краен брой на лопаткте; - h теоретчнят дебт на помпата; fq = 1 - пр едностранно засмукващо работно колело; f q А = b ; А = b ; 1 пр двустранно засмукващо работно колело; 1 1 1 са даметрте пр входа зхода на работното колело, пр кото шрнте на междулопатъчня канал са съответно работното d 1m b 1 b колело; ( 1i + 1a ) ; 1 B a = - - ъгъл между абсолютната преносната скорост пред входа на -ъгъл на лопатката пр зхода на работното колело; 0.5 = - отностелен даметър пр входа на работното колело; 1i - даметър на входящя ръб на лопатката пр задня дск на работното колело; входящя ръб на лопатката пр предня дск на работното колело. 1а - даметър на За хдравлчня КПД от уравнене (1), в (Gulich, 010) е предложена емпрчната завсмост: h h,max 3 ( ) ( ) = 1 0.6 q 0.9 0.5 q 0.9, () - 54 -
където q = opt За определяне на., в (Gulich, 010) е предложена графчна завсмост от вда ( ) =f q, получена на базата на статстческ данн от оптно зследван помп. Предложен са завсмост за определяне на останалте вдове загуб на енергя в помпата обемн, от дсково трене механчн, така че да е възможно определянето на пълня КПД в завсмост от отностелня дебт q. В (Tcakarov, T., P. Rusev, K. Klimentov, I. Nikolaev, 00) е предложен подробен подход за определяне хдравлчнте загуб в работното колело на многостъпална центробежна помпа. Предложената методка дава възможност по чслен път да се збере подходяща форма на работнте лопатк на колелото да се определят общте загуб. Относно определянето на обемнте загуб в центробежн помп, в (Klimentov, K., G. Popov, K. Tujarov., P. Rusev, 010) са представен резултат от оптно зследване на протечката през предното уплътнене на едностъпалн центробежн помп пр разлчн режмн параметр. Изведен са емпрчн завсмост, кото дават възможност за определяне на протечката в завсмост от пада на напор в предното уплътнене честотата на въртене на работното колело. Аналтчно представяне характерсткте на съществуващ центробежн помп пр работа с чст течност. Изследването на енергйната ефектвост на турбопомпен сстем е актуална задача, свързана с оптмзране на работата м, с цел намаляване на разходте за транспортране на еднца обем течност в сстемата. Такъв вд зследваня са свързан с определяне на работнте режм пр ндвдуална съвместна (паралелна последователна) работа на поменте агрегат, пр работа с подрязано работно колело, както пр разлчнте метод за регулране дебта в сстемте. Удобно е такъв вд зследваня да се провеждат аналтчно. За таз цел е необходмо работнте характерстк на помпте да бъдат представен по подходящ начн. Такъв начн на представяне е предложен в (Klimentov, Popov, Tujarov, 008). В работата са зползван каталожнте характерстк H, построен пр постоянна честота на въртене n = const., на 55 центробежн помп, прозведен във ВИПОМ H f = f са представен с уравненя от вда: АД, град Вдн. Завсмостте = ( ) ( ) H = a + b + c (3) = d + e + f. (4) Напорнте характерстк на разглежданте помп са апроксмран, в работната област, с непълн полном от вда: H a b = 1 1. (5) Коефцентте 1 1 a, b, c, d, e, f, a b са определен даден в работата (Klimentov, Popov, Tujarov, 008). Показано е, че с помощта на полученте уравненя могат да се презчсляват характерсткте на центробежн помп пр честот на въртене, разлчн от номналната. Резултатте са сравнен с оптн данн. В заключене може да се добав, че уравненя (3), (4) (5) дават възможност за бърз лесен аналз на съвместната работата на турбопомп със сстема, зследване на енергйната ефектвност пр паралелна - 55 -
последователна работа на помп, както на методте за регулуране дебта на турбопомпен сстем. Моделране характерсткте на центробежн помп пр работа с хдросмес. Двуфазн теченя от течност неразтворен въздух (газ) се срещат в редца отрасл на енергетката промшлеността. За транспорт на такъв вд двуфазн смес се зползват основно центробежн помп. За прогнозране характерсткте на помпте пр таква условя на работа са разработен разлчн, най-вече CF модел. В (Klimentov, K., I. Georgiev, P. Rusev, G. Popov, B. Kostov, 010) е представен двуфазен модел за предсказване напора на работното колело на центробежн помп пр работа с водо-въздушна смес, базран на модел Minemura Uchiyama. Моделът е прложен върху центробежна помпа 6Е0 на базата на оптн данн са получен коефцент на модела, за зследваната помпа. В (Gulich, 010) е предложена методка за презчсляване характерсткте на центробежн помп пр работа с двуфазна смес от течност газ, с помощта на оптно получен коефцент. В (Klimentov, K., G. Popov, B. Kostov, 011) с помощта на таз методка, са определен коефцентте за презчсляване характерсткте на центробежна 1 помпа 1Е0, с общо предназначене спецфчна честота на въртене n = 33.6 min, пр работа с двуфазна смес от вода въздух. Характерсткте на помпата са апроксмран с уравненя от вда: = (6) a b = + +, (7) c d e където коефцентте на напора дебта се пресмятат по завсмостте: gh =, u gh = (8) - 56 - u b u =. (9) В горнте формул H, m е напорът на помпата пр работа с чста вода; q H, m - 3 напорът на помпата пр работа с двуфазна смес от течност газ;, m / s - обемнят дебт b, m - шрната на междулопатъчня канал пр зхода на работното на течната фаза;, m - външнят даметър на работното колело; u, m / s колело; скорост пр зхода на работното колело; n, mn 1 n = - преносната 60 - честотата на въртене на помпата. Обемната концентраця на газовата фаза се определя по завсмостта: където 3 G, m / s Определен са коефцентте: - за презчсляване на напора: G = + е обемнят дебт на газовата фаза. G, (10)
- за презчсляване на КПД: k = пр разлчн стойност на обемната концентраця - 57 - (11) k = (1) постоянен безразмерен дебт. С помощта на полученте коефцент е възможно да се определят прблзтелно характерсткте на помпа със същата конструкця подобна спецфчна честота на въртене n q. В (Gulich, 010) е предложена методка за презчсляване характерсткте на центробежн помп пр транспорт на хдросмес от течност твърд частц, както на смес от вода всоковскозна течност. В (Popov, G., K. Klimentov, B. Kostov, C. Puscasu,. R. Voicu, 011) методкте са прложен за центробежна помпа 6Е3. Получен са коефцентте за презчсляване на характерсткте на помпата пр работа с хдросмес вода-пясък, вода-петрол вода-въздух. От аналза на резултатте става ясно, че найзначтелно зменене на вда на характерсткте се наблюдава пр работа на помпата с водо-въздушна смес. Моделране характерсткте на центробежн помп пр подрязване на работното колело. Много често, пр необходмост от трайна промяна режма на работа на турбопомпен сстем, се прлага намаляване на външня даметър на работното колело (подрязване). В лтературата съществуват разлчн завсмост за презчсляване характерсткте на помпте пр работа с подрязано работно колело. Най-често зползванте са: където H п = ; п H H = п п = п п ; H = Hп п, (14) са дебтът напорът пр работа на помпата с работно колело с даметър ; п H п са дебтът напорът пр работа на помпата с работно колело с даметър п. В (Popov, G., B. Kostov, K. Klimentov, 010) е разработена методка за сравнтелно зследване точността на презчсляване показателте на центробежн помп, с помощта на уравненята на подобе. Обект на зследване са едностъпалн, едностранно засмукващ помп (тп Е), прозведен във ВИПОМ АД. За целте на зследването са зползван каталожнте характерстк на помпте, публкуван на сайта на фрмата. Аналзът на полученте резултат показва, че теоретчното презчсляване на характерсткте пр подрязване, в няко случа е свързано със значтелн грешк. Развтето на зчслтелната технка появата на спецалзран софтуерн продукт дават възможност за моделране характерсткте на турбопомпте, с цел получаване на завсмост между основнте показател на помпата пр работа с подрязано работно колело. В (Ibrahim, S., G. Popov, K, Klimentov, B Kostov, 00) са създаден модел на основнте елемент от проточната част на центробежна помпа 6Е0 работното колело спралното тяло, в средата на ANSYS-CFX, чрез чслен смулац са прогнозран работнте характерстк на помпата пр работа с неподрязано с подрязано работно колело. (13)
Полученте, след чслен смулац, характерстк са сравнен с каталожн. Пр работа с подрязано работно колело се наблюдава добро съвпадене на напорнте характерстк от 3 до 8 l/s (от 0,55 до 1,6 от номналня дебт; пр работа с подрязано работно колело H = 5,5 l/s). За получаване на по-точн резултат е необходмо да се моделрат обемнте загуб през предното уплътнене, както е демонстррано в (Babayigit, O., M. Aksoy, M. Ozgoren, O. Kocaaslan, 017). ЗАКЛЮЧЕНИЕ Моделрането на характерсткте на центробежн помп е актуална задача, тъй като дава възможност за аналтчно зследване работата на турбопомпенте сстем. В настоящата работата са разгледан разлчн метод за моделране характерсткте на помп, работещ пр разлчн условя с чста вода, с хдросмес, с подрязано работно колело. По-голямата част от моделте са емпрчн, базран на резултат от експерменталн зследваня. Развтето на зчслтелната технка CF софтуерте позволява провеждането на чслен експермент, което е свързано с пестене на разход време. Моделрането на процесте в елементте на центробежн помп с помощта на CF, пр налче на надеждн оптн данн за валдране на резултатте, е основна цел на бъдещ зследваня. REFERENCES Babayigit, O., M. Aksoy, M. Ozgoren, O. Kocaaslan. (017). Experimental and CF investigation of a multistage centrifugal pump including leakages and balance holes. Article in esalination and water treatment, January 017. Gulich J.F. Centrifugal pumps, (010). Second edition. Springer. Ibrahim, S., G. Popov, K, Klimentov, B Kostov. (00). CF Modeling the characteristics of a centrifugal pump working with a trimmed impeller. Proceedings, volume 59, book 1.3. Agricultural Machinery and Technologies, Agrarian Science and Veterinary Medicine & Maintenance and Reliability & Thermal, Hydro- and Pneumatic Equipment & Ecology and Conservation & Industrial esign, 00, University of Ruse Angel Kanchev, ISNN 1311-331, pp 15-1. (Оргнално заглаве: Ибрахм С., Г. Попов, Кл. Клментов, Б. Костов. CF моделране характерсткте на центробежна помпа пр работа с подрязано работно колело. Научн трудове, том 59, серя 1.3. Земеделска технка технолог, аграрн наук ветернарна медцна & Ремонт надеждност & Топлотехнка, хдравлка пневматка & Екологя опазване на околната среда & Промшлен дзайн (00), Русенск унверстет АнгелКънчев, ISNN 1311-331, стр. 15-1). Klimentov, K., G. Popov, B. Kostov. (011). Modeling the characteristics of centrifugal pumps when they work with air-water two-phase mixture, Proceedings, volume 50, book 1., Heat transfer, hydraulics and pneumatic engineering. Ecology and environmental protection. esign and ergonomics, 011, University of Ruse Angel Kanchev, Ruse, ISNN 1311-331, pp 35-39. (Оргнално заглаве: Клментов, Кл., Г. Попов, Б. Костов. Моделране на характерсткте на центробежн помп пр работа с водо-въздушна смес (011), Научн трудове, Том 50, серя 1., Топлотехнка, хдро- пневмотехнка. Екологя опазване на околната среда. Дзайн ергономя, Русенск унверстет Ангел Кънчев, Русе, ISNN 1311-331, стр. 35-39). Klimentov, K., G. Popov, K. Tujarov. (008). Equations of centrifugal pumps characteristics. Energetica, 008, value 6-7, Sofia, pp 60-63. (Оргнално заглаве: Клментов, Кл., Г. Попов, Кр. Тужаров (008). Уравненя на характерсткте на центробежн помп // Сп. Енергетка, бр. 6-7, Софя, 008, стр. 60-63). Klimentov, K., G. Popov, K. Tujarov., P. Rusev. (010). About volumetric flow rate losses in centrifugal pump. Mechanics of machines 88, ISNN 0861-977, pp 7-30. (Оргнално заглаве: - 58 -
Клментов, Кл., Г. Попов, Кр. Тужаров. Относно обемнте загуб в центробежнте помп // Механка на машнте, брой 88, ISNN 0861-977, стр. 7-30). Klimentov, K., I. Georgiev, P. Rusev, G. Popov, B. Kostov. (010). Process modeling of the centrifugal pump impeller operating with air-water-two phase flow, Toplotechnica 1, book 1, Varna, ISNN 1314-550, pp 7-30. (Оргнално заглаве: Клментов, Кл., И. Георгев, П. Русев, Г. Попов, Б. Костов. Моделране на процесте в работното колело на центробежн помп пр работа с водо-въздушнасмес // Сп. Топлотехнка 1, Варна, 010, брой 1, ISNN 1314-550, стр. 7-30). Popov, G., B. Kostov, K. Klimentov. (010). Characteristics of Bulgarian centrifugal pump with a trimmed impeller, Toplotechnica 1, book 1, Varna, 010. ISNN 1314-550, pp 31-34. (Оргнално заглаве: Попов, Г., Б. Костов, Кл. Клментов. Относно характерсткте на българск центробежн помп пр подрязване на работното колело // Сп. Топлотехнка 1, Варна, 010, брой 1, ISNN 1314-550, стр. 31-34). Popov, G., K. Klimentov, B. Kostov, C. Puscasu,. R. Voicu. (011). Characteristics of centrifugal pumps working with hidro mixtures, Agricultural engineering, book 6, Sofia, 011, ISNN 0037-1718, pp 43-50. (Оргнално заглаве: Попов, Г., Кл. Клментов, Б. Костов, К. Пушкашу, Л. Р. Войку. Характерстк на центробежн помп пр транспорт на хдравлчн смес // Сп. Селскостопанска технка, Софя, 011, брой 6, ISNN 0037-1718, стр. 43-50). Tcakarov, T., P. Rusev, K. Klimentov, I. Nikolaev. (00). Study of hydraulic losses in the impeller of a centrifugal pump, Proceedings, volume 39, book 4., Agricultural machinery and technologies. Chemical technologies and Biotechnologies. Ecology, University of Rousse Angel Kanchev, Rousse, 00, ISNN 1311-331, pp 50-53. (Оргнално заглаве: Чакъров, Т., П. Русев, Кл. Клментов, И. Нколаев. Изследване на загубте в работното колело на центробежна помпа (00), Научн трудове, Том 39, серя 4., Земеделска технка технолог. Хмчн технолог ботехнолог. Екологя, Русенск унверстет Ангел Кънчев, Русе, ISNN 1311-331, стр. 50-53). - 59 -