Determination of stable operating range of high speed centrifugal pump by computational fluid dynamics

Document Type : Original Article

Authors

Department of Aerospace Engineering, K. N. Tusi University of Technology

Abstract

پمپ‌های تغذیه نقش اساسی در دینامیک سامانه‌های هیدرولیکی دارند. پدیده سرج یکی از ناپایداری‌های رایج در توربوپمپ‌ها و کمپرسورها می‌باشد. این پدیده یک ناپایداری سامانه‌ای بوده و دینامیک تمام اجزاء سامانه از قبیل مخزن، شیرآلات، لوله‏های مکش و رانش و خود توربوماشین در آن دخیل می‏باشند. سرج زمانی آشکار می‏شود که پمپ در محدوده‌ی شیب مثبت منحنی هد-دبی کار ‌کند. اگر پدیده سرج با پدیده کاویتاسیون در پمپ همراه باشد، منجر به وقوع پدیده مخربی به نام خودنوسانی می‌گردد. بنابراین پیش‌بینی رفتار پمپ در نقاط خارج از طرح و به طور ویژه در نرخ‌های جریان کم حائز اهمیت است. در این مقاله منحنی مشخصه یک پمپ سانتریفوژ سرعت بالا با استفاده از تحلیل CFD برای مشخص نمودن محدوده عملکرد پایدار پمپ استخراج می‌شود. پمپ مورد مطالعه شامل ایندیوسر، ایمپلر و حلزونی بوده و به دلیل عدم وجود تقارن در هندسه، شبیه‌سازی به صورت سه‌بعدی انجام می‌شود. شبیه‌سازی‌ها در محدوده وسیعی از نرخ جریان عبوری از پمپ انجام شده و منحنی مشخصه هد بر حسب نرخ جریان جرم استخراج می‌گردد. با استفاده از منحنی مشخصه پمپ محدوده عملکرد پایدار آن تعیین می‌شود.

Keywords

Main Subjects


Article Title [فارسی]

تعیین محدوده عملکرد پایدار یک پمپ سانتریفوژ سرعت بالا با دینامیک سیالات محاسباتی

Authors [فارسی]

  • علی چراغی
  • رضا ابراهیمی
دانشکده هوافضا، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی
Abstract [فارسی]

پمپ‌های تغذیه نقش اساسی در دینامیک سامانه‌های هیدرولیکی دارند. پدیده سرج یکی از ناپایداری‌های رایج در توربوپمپ‌ها و کمپرسورها می‌باشد. این پدیده یک ناپایداری سامانه‌ای بوده و دینامیک تمام اجزاء سامانه از قبیل مخزن، شیرآلات، لوله‏‏ های مکش و رانش و خود توربوماشین در آن دخیل می‏ باشند. سرج زمانی آشکار می‏ شود که پمپ در محدوده‌ی شیب مثبت منحنی هد-دبی کار ‌کند. اگر پدیده سرج با پدیده کاویتاسیون در پمپ همراه باشد، منجر به وقوع پدیده مخربی به نام خودنوسانی می‌گردد. بنابراین پیش‌بینی رفتار پمپ در نقاط خارج از طرح و به طور ویژه در نرخ‌های جریان کم حائز اهمیت است. در این مقاله منحنی مشخصه یک پمپ سانتریفوژ سرعت بالا با استفاده از تحلیل CFD برای مشخص نمودن محدوده عملکرد پایدار پمپ استخراج می‌شود. پمپ مورد مطالعه شامل ایندیوسر، ایمپلر و حلزونی بوده و به دلیل عدم وجود تقارن در هندسه، شبیه‌سازی به صورت سه‌بعدی انجام می‌شود. شبیه‌سازی‌ها در محدوده وسیعی از نرخ جریان عبوری از پمپ انجام شده و منحنی مشخصه هد بر حسب نرخ جریان جرم استخراج می‌گردد. با استفاده از منحنی مشخصه پمپ محدوده عملکرد پایدار آن تعیین می‌شود.

Keywords [فارسی]

  • پمپ سانتریفوژ
  • ناپایداری
  • سرج
  • CFD
  • منحنی مشخصه
[1]     Brennen C.E.,“Hydrodynamics of Pumps,” Concepts NREC and Oxford University, 1994.
[2]     Grist E., “Cavitation and acentrifugal Pump (A Guide for Pump Users),” Taylor&Francis, 1998.
[3]     Coutier-Delgosha O., Reboud J. L., Fortes-Patella R., “Numerical Study of the Effect of the Leading Edge Shape on Cavitation Around Inducer Blade Sections,”JEME International Journal, Series B, Vol. 45, No. 3, 2002.
[4]     Tokumasu T., Sekino Y., Kamijo K., “The Numerical Analysis of the Effect of Flow Properties on the Thermodynamic Effect of Cavitation,” Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci., Vol. 47, No. 156, 2004.
[5]     Ugajin H., Watanabe O., Kawai M., Kobayashi S., Tomaru H., Ohta T., “Numerical Simulation of Cavitating Flow in Inducers,”40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Fort Lauderdale, 11-14 July 2004.
[6]     Pierrat D., Gros L., Pintrand G., Le Fur B., Gyomali Ph., “Experimental and Numerical Investigation of Leading Edge Cavitation in a Helico-Centifugal Pump,”12th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinary, Honolulu, Hawaii, February 17-22, 2008.
[7]     Yamamoto, K., Tsujimoto Y., “Backflow Vortex Cavitation and Its Effects on Cavitation Instabilities,”International Journal of Fluid Machinary and Systems, Vol. 2, No. 1, January-March 2009.
[8]     Kang, D., Yonezawa K., Horiguchi H., Kawata Y., Tsujimoto Y., “Cause of Cavitation Instabilities in Three Dimensional Inducer,”International Journal of Fluid Machinary and Systems, Vol. 2, No. 3, July-September 2009.
[9]     An Y. J., Shin B. R., “Numerical Investigation of Suction Vortices Behavior in Centrifugal Pump,”Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 25(3), 2011.
[10]  Somashekar D., Purushothama H. R., “Numerical Simulation of Cavitation Inception on Radial Flow Pump,”IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, Vol. 1, July-August 2012.
[11]  Campos-Amezcua R., Khelladi S., Mazur-Czerwiec Z., Bakir F., Campos-Amezcua A., Rey R., “Numerical and Experimental Study of Cavitating Flow Through an Axial Inducer Considering Tip Clearance, ”Proc ImechE Part A: J Power and Energy, Vol. 227(8), 2013.
[12]  Fu Y., Yuan J., Yuan S., Pace G., D’Agostino L., Huang P., Li X., “Numerical and Experimental Analysis of Flow Phenomena in a Centrifugal Pump Operating Under Low Flow Rates, ”Journal of Fluids Engineering, Vol. 137, January 2015.
[13] Mishra A., Ghosh P., “Predicting Performance of Axial Pump Inducer of LOX Booster Turbo-pump of Staged Combustion Cycle Based Rocket Engine Using CFD,”IOP Conf. Series: Material Science and Engineering 101, 2015.
[14] Guo X., Zhu Z., Cui B., Shi G., “Effects of the Number Blades on the Anti-Cavitation Characteristics and External Perfomancce of a Centifugal Pump,”Journall of Mechanical Science and Technology, Vol. 30 (7), 2016.
[15] ANSI/API Standard 610, “Centrifugal Pumps for Petroleum,” Petrochemical and Natural Gas Industries, 11th Edition, September 2010.
[16] CFX-ANSYS Canada Ltd, Cfx-5.7: “Solver Theory. ” Canada, 2004.
Versteegand, H. K., and Malalasekera, W.,’ “An introduction to Computational Fluid Dynamics: The finite volume method,” vol. Pearson Prentice Hall. 1995.