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