التجويف في المضخات ذات الحالة المنفصلة ذات الشفط المزدوج: الأسباب وتصميم الدفاعة والحلول

يعد التجويف أحد أكثر المشكلات الهيدروليكية شيوعًا التي تؤثر على مضخات الطرد المركزي، خاصة في التطبيقات التي تتضمن معدلات تدفق عالية، أو ظروف شفط صعبة، أو تشغيل مستمر. بالنسبة للمضخات ذات الحالة المنفصلة ذات الشفط المزدوج، يمكن أن يؤدي التجويف إلى تقليل الأداء الهيدروليكي، وزيادة الاهتزاز والضوضاء، وإتلاف أسطح المكره، وتقصير عمر خدمة المكونات المهمة.

على الرغم من أن التجويف غالبًا ما يرتبط بعدم كفاية ضغط الشفط، إلا أن المشكلة لا يتم تحديدها من خلال ظروف الشفط وحدها. تؤثر هندسة مدخل المكره وسرعة التدفق ونقطة التشغيل ودرجة حرارة السائل ومقاومة خط أنابيب الشفط على احتمالية التجويف.

وبالتالي فإن تحسين مقاومة التجويف يتطلب مجموعة من الاختيار المناسب للمضخة، وتحسين التصميم الهيدروليكي، والتشغيل الصحيح للنظام.

تشرح هذه المقالة كيفية تطور التجويف في المضخات ذات الحالة المنفصلة ذات الشفط المزدوج، وتفحص تحسينين مهمين في تصميم المكره، وتقدم طرقًا عملية لمنع التجويف في أنظمة الضخ الصناعية.

 

 

1. ما هو التجويف في المضخة المنفصلة؟

يحدث التجويف عندما ينخفض ​​الضغط المحلي للسائل إلى ما دون ضغط البخار، مما يتسبب في تبخر جزء من السائل وتكوين فقاعات بخار صغيرة.

وعندما تتحرك هذه الفقاعات إلى مناطق ذات ضغط أعلى داخل المضخة، فإنها تنهار بسرعة. يمكن أن يؤدي انهيار الفقاعات المتكرر إلى حدوث تأثيرات ضغط موضعية وإتلاف الأسطح المعدنية القريبة.

في المضخة ذات الحالة المنفصلة ذات الشفط المزدوج، يتطور التجويف عادة حول مدخل المكره، خاصة بالقرب من الحواف الأمامية للشفرات حيث يمكن أن يؤدي تسارع التدفق المحلي إلى تقليل الضغط.

تشمل الأعراض النموذجية ما يلي:

طقطقة غير عادية أو ضجيج يشبه الحصى أثناء التشغيل.

زيادة الاهتزاز والتشغيل غير المستقر.

تأليب أو تآكل على أسطح المكره.

انخفاض رأس المضخة والكفاءة الهيدروليكية.

تقلب معدل التدفق وضغط التفريغ.

تلف مبكر للمحامل والأختام الميكانيكية في الحالات الشديدة.

يجب تمييز التجويف عن الهواء الذي يدخل إلى خط أنابيب الشفط. كلاهما يمكن أن ينتج عنه ضوضاء وتشغيل غير مستقر، لكن أسبابهما وإجراءاتهما التصحيحية مختلفة. يجب أن يأخذ التشخيص الصحيح في الاعتبار ضغط الشفط، وظروف السوائل، وبيانات التشغيل، ونتائج الفحص الداخلي.

 

2. لماذا تكون المضخات ذات الشفط المزدوج عرضة للتجويف؟

عادةً ما تستخدم المضخة المقسمة ذات الشفط المزدوج غلافًا منقسمًا أفقيًا ودافعًا مزدوج الدخول. يدخل السائل إلى المكره من كلا الجانبين، ويقسم التدفق الإجمالي بين ممرين مدخلين.

يوفر هذا الترتيب مزايا لتطبيقات التدفق الكبير ويمكن أن يساعد في موازنة القوى الهيدروليكية المحورية. ومع ذلك، فإنه لا يزيل التجويف تلقائيا.

يعتمد الضغط عند مدخل المكره على عدة عوامل:

سرعة تدفق مدخل عالية

عندما يمر السائل عبر ممر مدخل مقيد أو سيئ التصميم، قد تزيد سرعته وقد ينخفض ​​الضغط الساكن المحلي. إذا انخفض الضغط المحلي عن ضغط بخار السائل، يمكن أن تتشكل فقاعات بخار.

ظروف التشغيل غير المناسبة

قد يؤدي التشغيل بعيدًا عن نطاق التشغيل الموصى به إلى حدوث أنماط تدفق غير مواتية، وزيادة الخسائر الهيدروليكية، وفصل التدفق، وتقلبات الضغط المحلي.

ظروف الشفط غير كافية

يمكن أن يؤدي رفع الشفط العالي، أو خط أنابيب الشفط الطويل، أو الأنبوب الصغير الحجم، أو الصمام المغلق جزئيًا، أو المصفاة المسدودة إلى زيادة خسائر الشفط وتقليل الضغط المتوفر عند مدخل المضخة.

ارتفاع درجة حرارة السائل

مع زيادة درجة حرارة السائل، يرتفع ضغط بخاره بشكل عام. وهذا يقلل من هامش الضغط المتاح قبل حدوث تكوين البخار.

توزيع غير متساو لتدفق المدخل

يمكن أن تؤدي ترتيبات أنابيب الشفط السيئة، أو الأكواع القريبة، أو التغيرات المفاجئة في قطر الأنبوب، أو الاضطرابات الأخرى في المنبع إلى إنتاج ملف تعريف سرعة غير منتظم. قد يتسبب هذا في ظروف تدفق غير مناسبة عند مدخل المكره، حتى عندما يبدو ضغط الشفط الإجمالي مقبولاً.

يعد فهم هذه العوامل أمرًا ضروريًا قبل تحديد ما إذا كانت المشكلة تتطلب تعديل النظام، أو إعادة تصميم المضخة، أو مزيجًا من الاثنين معًا.

 

3. اثنان من التحسينات الهامة في تصميم المكره لمقاومة التجويف

يمكن أن يساعد تحسين التصميم الهيدروليكي لمدخل المكره في تقليل تسارع التدفق المحلي وفقدان الضغط. هناك معلمتان للتصميم تستحقان التقييم هما شكل الكفن الأمامي وقطر محور المكره.

3.1 تحسين نصف قطر دوران الكفن الأمامي

الكفن الأمامي، والذي يشار إليه أيضًا بلوحة الغطاء الأمامية، يشكل جزءًا من ممر تدفق مدخل المكره.

بالقرب من الحافة الأمامية لشفرة المكره، تؤثر هندسة الكفن الأمامي على كيفية تحول السائل ودخوله إلى ممرات الشفرة. قد يساهم التحول المفاجئ أو الانحناء غير المناسب في التسارع المحلي، وفصل التدفق، وتوزيع الضغط غير المناسب.

يمكن أن يساعد تحسين نصف قطر الدوران للغطاء الأمامي في إنشاء ممر مدخل أكثر سلاسة.

تشمل الفوائد المحتملة ما يلي:

تقليل التغيرات المفاجئة في اتجاه التدفق.

تحسين توزيع سرعة السائل بالقرب من مدخل الشفرة.

تقليل الخسائر الهيدروليكية المحلية.

المساعدة في منع مناطق الضغط المنخفض غير المواتية بالقرب من مدخل المكره.

أثناء عملية التصميم، يجب تقييم نصف قطر الدوران مع عرض المدخل وهندسة الحافة الأمامية للشفرة وممر المكره الشامل.

إن نصف القطر الأكبر ليس أفضل تلقائيًا في كل مضخة. قد تؤثر التغييرات الهندسية المفرطة على مرور التدفق أو الأداء الهيدروليكي أو جدوى التصنيع. يجب تحديد المظهر الجانبي النهائي من خلال حسابات التصميم الهيدروليكي، وديناميكيات الموائع الحسابية (CFD)، واختبار الأداء المناسب.

3.2 تقليل قطر محور المكره بشكل مناسب

المحور هو الجزء المركزي من المكره الذي يتصل بعمود المضخة وينقل الطاقة الدورانية إلى المكره.

في مرحلة التصميم، قد يؤدي تقليل قطر المحور مع الحفاظ على قطر مدخل المكره دون تغيير إلى زيادة مساحة تدفق المدخل المتاحة.

يمكن أن تساعد منطقة التدفق الفعالة الأكبر في تقليل متوسط ​​سرعة الدخول في ظل ظروف مناسبة، مما يؤدي إلى تحسين توزيع الضغط بالقرب من عين المكره.

ومع ذلك، يرتبط قطر المحور أيضًا ارتباطًا وثيقًا بالقوة الميكانيكية.

يجب مراعاة العوامل التالية قبل تغيير هندسة المحور:

قطر العمود والقوة الميكانيكية.

سمك جدار المحور والسلامة الهيكلية.

مادة المكره وسرعة الدوران.

تركيز الإجهاد حول المحور واتصال العمود.

مرفق المكره ومتطلبات التجميع.

الأداء الهيدروليكي عبر نطاق التشغيل المقصود.

قد يؤدي تقليل قطر المحور دون إجراء تقييم هيكلي مناسب إلى إضعاف المكره أو التأثير على موثوقية المجموعة الدوارة.

ولذلك يجب التعامل مع هذا التعديل على أنه تحسين على مستوى التصميم بدلاً من الإصلاح الميداني الروتيني. يجب أن تلبي الأبعاد النهائية المتطلبات الهيدروليكية والميكانيكية.

 

4. أهمية NPSH في الوقاية من التجويف

هندسة المكره ليست سوى جزء واحد من منع التجويف. ويجب أيضًا تقييم العلاقة بين رأس الشفط الإيجابي الصافي المتاح للنظام ورأس الشفط الإيجابي الصافي المطلوب للمضخة.

NPSH يعنيرأس الشفط الإيجابي الصافي. يتم استخدامه لتقييم ما إذا كان الضغط الكافي متاحًا عند شفط المضخة للحد من تكوين البخار.

هناك معلمتان مهمتان:

NPSHa (صافي رأس الشفط الإيجابي متوفر):NPSH الذي يوفره نظام الضخ في ظل ظروف التشغيل الفعلية.

NPSHr (يتطلب رأس شفط إيجابي صافي):متطلبات NPSH للمضخة بمعدل تدفق وسرعة محددين، يتم تحديدهما من خلال اختبار أداء المضخة.

شرط الاختيار الأساسي هو:

NPSha > NPSHr

وفي الهندسة العملية، ينبغي أيضًا الحفاظ على هامش أمان مناسب. يعتمد الهامش المطلوب على تصميم المضخة، وظروف التشغيل، والمعايير المطبقة، وتوصيات الشركة المصنعة.

يمكن تقليل NPSHa عن طريق:

الإفراط في خسائر الاحتكاك في خط أنابيب الشفط.

رفع شفط عالي.

انخفاض مستوى السائل في خزان الإمداد.

ارتفاع درجة حرارة السائل.

صمامات الشفط المقيدة أو المرشحات المسدودة.

ظروف ضغط النظام غير المواتية.

قد تحتوي المضخة على دافعة مصممة جيدًا ولكنها لا تزال تعاني من التجويف إذا كان NPSH المتوفر غير كافٍ. لذلك، يجب مراعاة كل من متطلبات جانب المضخة وظروف جانب النظام.

 

5. التدابير العملية للحد من التجويف في أنظمة الضخ القائمة

بالإضافة إلى تحسين التصميم الهيدروليكي للمضخة، يمكن أن تساعد التعديلات المتعددة على مستوى النظام في تقليل التجويف.

تحسين خط أنابيب الشفط

استخدم أنبوب شفط بحجم مناسب لتجنب سرعة التدفق المفرطة وخسائر الاحتكاك. حافظ على خط أنابيب الشفط قصيرًا ومباشرًا قدر الإمكان، وتجنب الأكواع غير الضرورية، والتغييرات المفاجئة في القطر، والتركيبات المقيدة.

تأكد من أن صمامات الشفط مفتوحة بالكامل أثناء التشغيل العادي وأن المصافي أو المرشحات يتم فحصها وتنظيفها بانتظام.

الحفاظ على إمدادات كافية من السوائل

تحقق من مستوى السائل في خزان الإمداد وراجع ارتفاع تركيب المضخة. حيثما تسمح الظروف بذلك، يمكن أن يؤدي تقليل قوة الشفط أو زيادة مستوى السائل الثابت إلى تحسين NPSHa.

بالنسبة للأنظمة المغلقة، تأكد من أن ضغط النظام مناسب لدرجة حرارة السائل ومتطلبات التشغيل.

تعمل بالقرب من نطاق التشغيل الموصى به

تحقق من معدل التدفق الفعلي مقابل منحنى أداء المضخة الخاص بالشركة المصنعة.

تجنب التشغيل لفترات طويلة بمعدلات تدفق منخفضة أو مرتفعة بشكل مفرط حيث قد يتطور عدم الاستقرار الهيدروليكي. حدد المضخة التي تتناسب أفضل نقاط كفاءتها ونطاق التشغيل المسموح به مع واجبات النظام المتوقعة.

مراقبة درجة الحرارة وظروف السوائل

بالنسبة للسوائل الساخنة، قم بتقييم ضغط البخار عند درجة حرارة التشغيل الفعلية. قد تؤثر التغيرات في درجة حرارة السائل أو تركيبه أو لزوجته أو محتوى الغاز على أداء الشفط.

يجب تقييم متطلبات NPSH الخاصة بالمضخة بالنسبة للسوائل الفعلية وظروف التشغيل بدلاً من الاعتماد فقط على البيانات المرجعية المستندة إلى الماء.

فحص الدفاعات وممرات التدفق الداخلي

أثناء الصيانة المجدولة، قم بفحص الحواف الأمامية لشفرة المكره والأغطية والأسطح المبللة الأخرى بحثًا عن الحفر والتآكل والتآكل والرواسب.

إذا تم العثور على ضرر، فحدد ما إذا كان مرتبطًا بالتجويف أو التآكل أو التآكل أو آلية أخرى قبل تحديد طريقة الإصلاح.

 

6. كيفية اختيار مضخة مقسمة ذات مقاومة أفضل للتجويف

يعد اختيار مضخة ذات خصائص شفط مناسبة أمرًا مهمًا بشكل خاص لإمدادات المياه ذات التدفق الكبير، وتداول مياه التبريد، والري، وتطبيقات العمليات الصناعية.

قبل اختيار مضخة مزدوجة الشفط، يجب على المهندسين تقييم المعلومات التالية:

عامل الاختيار	معلومات للتأكيد
معدل التدفق	تدفق التشغيل العادي والحد الأدنى والحد الأقصى
إجمالي الرأس الديناميكي	الرأس المطلوب في ظل ظروف النظام الفعلية
خصائص السائلة	النوع ودرجة الحرارة والكثافة واللزوجة وضغط البخار
ظروف الشفط	مستوى خزان الإمداد، والضغط، ورفع الشفط، وفقدان خطوط الأنابيب
NPSH	متوفر NPSHa وNPSHr المطلوب للمضخة
سرعة المضخة	سرعة المحرك وظروف التشغيل المتوقعة
تثبيت	الأساس وترتيب الأنابيب وظروف تدفق المدخل
مواد	مقاومة التآكل وملاءمتها للسائل الذي يتم ضخه

يجب تقييم المضخة باستخدام منحنيات الأداء الكاملة، بما في ذلك التدفق والرأس والكفاءة والطاقة وNPSHr.

بالنسبة للتطبيقات ذات ضغط الشفط المحدود أو ظروف الإدخال الصعبة، قد تكون المضخة ذات الخصائص الهيدروليكية المناسبة منخفضة NPSH أكثر ملاءمة من مجرد اختيار محرك أكبر أو طراز ذو سعة أعلى.

 

خاتمة

يتأثر التجويف في المضخات ذات الحالة المنفصلة ذات الشفط المزدوج بكل من نظام الضخ والتصميم الهيدروليكي الداخلي. يمكن أن يساهم عدم كفاية NPSH، وسرعة الدخول المفرطة، وتوزيع التدفق غير المواتي، وظروف التشغيل غير المناسبة في تطويره.

على مستوى التصميم، قد يساعد تحسين نصف قطر دوران الكفن الأمامي وتقليل قطر محور المكره بشكل مناسب على تحسين ظروف تدفق المدخل. ومع ذلك، يجب تقييم هذه التعديلات جنبًا إلى جنب مع قوة المكره وتصميم العمود والأداء الهيدروليكي ومتطلبات التصنيع.

بالنسبة للمنشآت الحالية، يعد تحسين ظروف خطوط أنابيب الشفط، والحفاظ على إمدادات كافية من السوائل، والتشغيل ضمن النطاق الموصى به، ومراقبة NPSH على نفس القدر من الأهمية.

يمكن أن يساعد النهج المنهجي الذي يجمع بين التصميم الهيدروليكي السليم والاختيار الدقيق للمضخة والتشغيل السليم للنظام في تقليل أضرار التجويف وتحسين الموثوقية طويلة المدى لمضخات الطرد المركزي الصناعية.