원심 펌프 임펠러의 설계를 최적화하려는 경우. 따라서 최적화의 목적, 즉 흡입 성능을 향상시키는 것인지를 명확히 할 필요가 있습니다. 펌프의 효율성을 향상시키시겠습니까? Q-H 곡선의 상승 진폭을 조정한 다음 특정 요구 사항에 따라 최적화합니다. 원심 펌프의 성능에 영향을 미치는 주요 유압 구성 요소는 임펠러이며 이와 일치하는 볼류트/가이드 베인과 같은 흐름 구성 요소입니다.
유체 역학은 반은 이론적이고 반은 경험적인 분야이며, 유체의 실제 흐름 상태와 다양한 구조, 온도 및 펌핑 매체에서 펌프 성능에 미치는 영향을 정확하게 시뮬레이션할 수 없는 등 정확하게 설계, 시뮬레이션 및 예측할 수 없는 영역이 여전히 많습니다. 따라서 이 기사에서는 원심 펌프의 임펠러를 최적화하여 흡입 및 유압 성능을 향상시키는 방법을 질적 관점에서 경험과 결합하여 간략하게 설명할 수 있습니다. 참고용으로만 사용하세요.
1. 흡입 성능 향상
임펠러 블레이드 굽힘에는 전방 굽힘과 후방 굽힘의 두 가지 유형이 있습니다. 출력을 극대화하고 유체에 높은 회전력을 부여하며 흐름 분리를 방지하는 효과로 인해 원심 펌프는 일반적으로 후면 곡선 블레이드 임펠러를 사용합니다.
펌프 본체의 경우, 펌프의 캐비테이션 거동과 흡입 성능은 임펠러 입구의 기하학적 모양과 면적에 크게 영향을 받습니다. 입구 및 허브 직경, 블레이드 입구 각도 및 상류 흐름 입사 각도, 블레이드 수 및 두께, 블레이드 스로트 면적, 표면 거칠기, 블레이드 앞쪽 가장자리 프로파일 등과 같은 임펠러 입구의 많은 기하학적 요소가 캐비테이션에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 이는 임펠러 블레이드의 외경 및 가이드 베인(가이드 베인 펌프의 경우) 또는 볼류트(볼류트 펌프의 경우) 사이의 간격 크기와도 관련이 있습니다.
1) 임펠러 입구 직경/입구 면적
원심 펌프의 흡입 성능을 향상시키기 위해 설계자는 일반적으로 임펠러의 입구 직경을 늘려 이를 달성합니다. 오늘날에도 이 설계 방법은 원심 펌프의 엔지니어링 설계에 여전히 사용되고 있습니다.
샤프트 직경이 동일하고 임펠러 마우스 링의 직경 클리어런스가 동일한 경우 흡입 성능이 좋아집니다(임펠러 입구 면적이 클수록 흡입 비속도 값이 높아짐). 임펠러 마우스 링의 클리어런스 면적이 커지므로 누출량이 많아지고 펌프 효율이 낮아집니다.
그러나 임펠러의 입구 직경을 늘려 흡입 성능을 향상시키는 방법에서는 다음 사항에 특히 주의해야 합니다.
흡입 비속도 값이 관련 표준 및 사양에 지정된 값을 크게 초과하는 것은 허용되지 않습니다. 그렇지 않으면 펌프의 안정적인 작동 범위가 좁아집니다.
2) 블레이드 앞쪽 가장자리 모양
앞전 블레이드 두께의 기계적 및 제조적 제약을 충족하고 포물선 프로파일을 채택하면 임펠러의 흡입 성능을 향상시킬 수 있습니다. 타원형 윤곽의 흡입 성능은 두 번째이며, 이 모양은 블레이드 앞 가장자리 두께의 기계적 및 제조 한계를 쉽게 충족할 수 있으므로 앞 가장자리에 대한 기본 윤곽 선택입니다.
3) 임펠러 덮개판 입구부분의 곡률반경
전환점에서 임펠러 입구의 액체 흐름에 작용하는 원심력으로 인해 전면 커버 플레이트 근처에서 압력이 낮고 유속이 높아 임펠러 입구에서 속도 분포가 고르지 않게됩니다. 커버 플레이트 입구부의 곡률반경을 적절히 증가시키는 것은 전면 커버 플레이트(블레이드 입구보다 약간 앞선)에서의 절대 속도를 감소시키고 속도 분포의 균일성을 향상시켜 펌프 입구부에서의 압력 강하를 감소시켜 NPSHR을 감소시키고 펌프의 캐비테이션 방지 성능을 향상시키는 데 유리합니다.
4) 블레이드 입구 모서리의 위치 및 입구부의 형상
블레이드의 입구 가장자리는 스윕 백 블레이드 입구 가장자리(흡입 가장자리가 동일한 축에 있지 않고 외부 가장자리가 뒤쪽으로 특정 각도만큼 오프셋됨)를 사용하여 흡입 포트를 향해 측면으로 확장되어 허브 측의 액체 흐름이 블레이드의 작용을 미리 받아 압력을 증가시킬 수 있습니다.
블레이드의 입구 가장자리는 앞으로 확장되고 기울어지므로 각 지점에서 서로 다른 원주 속도가 발생합니다. 일반적으로 축 속도는 입구 가장자리를 따라 거의 균일하게 분포되어 입구 가장자리의 각 지점에서 상대 흐름 각도가 달라집니다. 이러한 흐름 상황을 충족하고 충격 손실을 줄이기 위해서는 블레이드 입구를 공간적으로 비틀린 형태로 만들어야 하며, 이것이 바로 많은 저속 임펠러 블레이드 입구 부품도 비틀린 블레이드로 제작되는 이유입니다.
5) 블레이드 입구 각도
설계 조건은 블레이드의 입구 각도를 증가시키고, 블레이드 입구의 굽힘을 감소시키며, 블레이드의 변위를 감소시키고, 블레이드의 입구 흐름 영역을 증가시켜 흡입 성능을 향상시키기 위해 약간 더 큰 포지티브 공격 각도를 채택합니다. 동시에 트래픽 손실을 줄이기 위해 트래픽이 많은 환경에서도 운영 환경을 개선할 것입니다. 그러나 공격 각도가 너무 커서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 효율성에 영향을 미칩니다.
6) 블레이드 입구 두께 및 매끄러움
칼날 입구의 두께를 적절하게 줄이고 둥글게 처리하여 유선형에 가깝게 만듭니다. 블레이드 두께를 줄이면 임펠러 흡입 채널의 면적이 확장되고 유속이 감소하며 압력이 증가할 뿐만 아니라(블레이드 입구의 형상은 압력 강하에 매우 민감함) 임펠러와 블레이드 입구의 표면 평활도가 향상되어 저항 손실이 줄어듭니다. 이러한 조치는 모두 펌프의 흡입 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
7) 균형 구멍
임펠러의 밸런스 구멍은 누출로 인해 임펠러로 들어가는 주 흐름에 일정한 파괴적인 영향을 미칩니다(누설 유량을 줄여 주 흐름에 미치는 영향을 최소화하려면 균형 구멍의 면적이 밀봉 간격 면적의 5배 이상이어야 합니다). 연구에 따르면 임펠러에 밸런스 구멍이 열리면 임펠러 뒤의 와류 강도가 감소하고 일부 와류가 사라져 펌프의 흡입 성능이 향상되는 것으로 나타났습니다.
8) 임펠러 출구 직경
임펠러 직경이 조금만 감소해도 NPSHR은 약간만 증가합니다. 그러나 직경이 5~10% 감소하면 NPSHR이 크게 증가합니다. 블레이드 길이가 줄어들면 특정 블레이드 부하가 증가하여 임펠러 입구의 속도 분포에 영향을 미치기 때문입니다.
참고:
1) 흡입 성능을 향상시키기 위해 임펠러의 입구 면적을 늘리는 방법을 사용하지 마십시오. 흡입 비속도를 심하게 초과하지 마십시오. 그렇지 않으면 흡입구 역류가 발생하기 쉽고 펌프의 불안정한 작동 영역이 확장됩니다.
2) 블레이드 채널 증후군 캐비테이션의 발생을 피해야 합니다. 이러한 유형의 캐비테이션 손상은 가이드 베인(가이드 베인 펌프의 경우) 또는 볼류트(볼류트 펌프의 경우)와 임펠러 블레이드의 외경 사이의 작은 간격으로 인해 발생합니다. 액체가 작은 채널을 통과할 때 액체 속도의 증가로 인해 액체 압력이 감소하고 국부적인 기화 및 기포 생성이 발생하며, 더 높은 압력에서 파열되어 캐비테이션이 발생합니다.
2. 유압 성능 향상
펌프의 유압성능에 영향을 미치는 요인은 다양하며, 임펠러의 유압효율에 영향을 미치는 주요 요인은 다양한 손실입니다. 구체적으로는 다음과 같습니다.
1) 잎의 수
원심 펌프의 경우 블레이드 수를 늘리면 일반적으로 액체의 흐름을 개선하고 펌프 헤드를 적절하게 늘릴 수 있습니다. 그러나 블레이드 수를 늘리면 채널의 유동 면적이 감소하여 블레이드의 유속 및 마찰 손실이 증가하게 됩니다.
따라서 블레이드 수를 과도하게 늘리면 효율이 감소하고 임펠러의 캐비테이션 성능이 저하될 뿐만 아니라 펌프 성능 곡선에 혹이 발생할 수 있습니다. 또한 블레이드 수가 증가하면 헤드 특성 곡선(정격점에서)의 임계 사점까지 상승 추세가 평탄해집니다. 반대로, 블레이드 수가 감소할수록 헤드 특성 곡선은 더 가파르게 됩니다. 일반적으로 블레이드 수가 많은 원심 펌프 임펠러에는 5-7개의 블레이드가 선택됩니다.
2) 긴 잎과 짧은 잎
연구에 따르면 펌프 임펠러의 짧은 블레이드와 긴 블레이드의 조합은 임펠러 입구 근처의 고르지 못한 속도 분포로 인해 발생하는 후류 흐름의 발달을 효과적으로 방지할 수 있으므로 펌프 효율을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다.
3) 뒤틀린 칼날
실험에 따르면 꼬인 블레이드가 있는 펌프는 곡선형 블레이드가 있는 펌프에 비해 설계 작동점 근처와 고유량 영역에서 더 높은 효율을 갖는 것으로 나타났습니다. 동시에, 꼬인 블레이드가 있는 펌프는 곡선 블레이드가 있는 펌프보다 임계점에서 더 높은 수두를 갖습니다(이는 임계점에서 수두 특성 곡선의 상승 추세를 변경할 수 있으며, 특히 저속 원심 펌프의 경우 험프를 효과적으로 개선/제거할 수 있음).
4) 임펠러 출구 직경
API 610 표준은 펌프가 최대 임펠러 직경에 도달하는 것을 허용하지 않으며 펌프에 필요한 성능을 충족하기 위해 임펠러를 절단해야 합니다. 펌프 선택이 너무 큰 경우 임펠러를 절단하는 것이 생성되는 압력과 유량을 줄이는 비교적 경제적이고 효과적인 방법입니다. 필요한 작동 조건을 충족하기 위해 스로틀 밸브를 사용하는 것보다 임펠러를 절단하는 것이 더 효율적이지만 임펠러 블레이드가 짧아지고 임펠러 블레이드와 펌프 하우징 사이의 간격이 증가하기 때문에 일반적으로 전체 크기 임펠러보다 효율성이 낮습니다.
방사형 흐름 임펠러의 경우 직경이 최대 설계 직경의 70% 이상 줄어들면 안 됩니다. 펌프 임펠러 직경이 감소하면 출구 채널 폭, 블레이드 출구 각도 및 블레이드 길이도 변경됩니다. 임펠러 직경이 최대 직경에서 감소할수록 임펠러 절단으로 인해 펌프 효율이 더 많이 감소하고 효율이 가장 높은 지점이 더 낮은 유속으로 이동합니다.
3. 펌프 성능에 대한 다른 매개변수의 영향
1) 임펠러의 블레이드 폭
블레이드 폭이 증가함에 따라 액체 압력이 감소하므로 임펠러 블레이드 폭이 증가함에 따라 헤드가 감소합니다. 최적 효율점의 효율에 대한 블레이드 폭의 영향은 일반적으로 크지 않지만(블레이드 폭이 증가함에 따라 최적 효율점의 효율이 약간 증가할 수 있음), 블레이드 폭이 감소함에 따라 고{0}}효율 영역은 더 낮은 유량 쪽으로 이동합니다. 효율의 영향은 체적 유량이 클수록 더 중요합니다. 즉, 블레이드 폭이 증가함에 따라 효율 곡선은 최적 효율 지점의 오른쪽으로 급격하게 감소합니다.
2) 임펠러 출구 블레이드 각도
배출구 블레이드 각도가 클수록 주어진 속도에서 헤드가 높아지지만 효율성과 마모 성능은 낮아집니다. 출구 블레이드 각도가 낮을수록 효율성과 블레이드 길이가 증가하지만 헤드가 줄어드는 단점이 있습니다. 따라서 일반적으로 수출 블레이드 각도는 이러한 요소의 균형을 이루기 위해 최적화되어야 합니다. 출구 블레이드 각도가 증가함에 따라 헤드도 증가합니다. 이는 출구 블레이드 각도가 증가함에 따라 출구 단면적 크기가 증가하여 블레이드 사이의 흐름 채널에서 액체 압력 강하가 감소하는 것으로 설명할 수 있습니다.
연구 결과에 따르면 출구 블레이드 각도가 증가함에 따라 최대 효율 값이 감소하는 것으로 나타났습니다. 토출 블레이드 각도가 작을 때, 최고 효율 지점의 오른쪽에 있는 펌프의 효율은 급격히 감소합니다.
3) 임펠러 출구 스플리터 블레이드
임펠러의 출구측에 스플리터 블레이드를 추가하면 펌프의 양정과 유압 효율이 증가하고, 스플리터 블레이드의 길이가 길어질수록 양정과 효율의 증가도 커집니다. 스플리터 블레이드의 길이는 일반적으로 임펠러의 크기, 블레이드의 모양 및 블레이드 수에 따라 원래 블레이드 길이의 0.5배를 초과하지 않습니다.
4) 임펠러 블레이드 출구 가장자리 트리밍
임펠러 출구 블레이드 뒷면을 그라인딩하면 임펠러 출구의 유로 면적이 확장되어 임펠러의 유량이 증가합니다. 출구 채널 면적이 확장됨에 따라 양정도 증가하고 펌프의 최적 효율 지점은 고유량 쪽으로 이동합니다.
