انواع پروانه
پروانهها دستگاههای چرخانی هستند که برای تغییر جریان و/یا فشار مایعات، گازها و بخارها طراحی شدهاند . پروانهها از پرههای مختلف - که اغلب به شکل تیغه هستند - تشکیل شدهاند که در اطراف یک محور مرکزی کوتاه قرار گرفتهاند . هنگامی که محور و پرهها میچرخند، سیالات یا گازها را به داخل میکشند و آنها را از طرف دیگر بیرون میرانند . تصویر زیر عملکرد اولیه پروانه را نشان میدهد .
طراحی تئوری پایه پروانه، نشان دهنده چشم (محور)، مجموعه پره و جهت جریان .
پروانهها به طور معمول در پمپها، مخازن همزن، ماشینهای لباسشویی و سایر دستگاههایی که نیاز به حرکت مایعات یا گازها در یک جهت خاص دارند، یافت میشوند و جزء جداییناپذیر آنها هستند . تصویر زیر موقعیت و عملکرد یک پروانه را در یک پمپ پروانهای نشان میدهد . در این مثال، سیال از طریق روزنه سمت راست وارد میشود و با استفاده از ترکیبی از مکش و فشار از طریق پمپ حرکت میکند تا زمانی که سیال از روزنه خروجی سمت چپ خارج شود . توجه داشته باشید که این پروانه خاص برای چرخش در جهت عقربههای ساعت طراحی شده است، برخلاف پروانهای که در تصویر بالا قرار دارد؛ این چرخش همراه با طراحی پرهها باعث میشود که پروانه پمپ سیال را تقریباً در جهت عقربههای ساعت حرکت دهد .
پروانهپمپ ها در مقابل پروانههای کشتی
در نگاه اول، پروانهها بسیار شبیه (یا حتی یکسان) به پروانههای کشتی به نظر میرسند و این دو اغلب به جای هم در صنعت نیروی سیالات استفاده میشوند . در واقع، دو اصطلاح پایه درگیر - پیشران (propel) و محرک (impel) - هر دو به عنوان "رانش یا حرکت به جلو" تعریف میشوند . با این حال، در کاربردهای صنعتی، از این دو برای توصیف دو دستگاه مختلف که دو شیء یا ماده مختلف را هدایت میکنند، استفاده میشود .
پروانهها معمولاً به دستگاههایی اشاره میکنند که یک شی متصل را حرکت میدهند . برای مثال، پروانه کشتی خود کشتی را به جلو یا عقب حرکت میدهد . از سوی دیگر، پروانهها برای حرکت ماده - سیال یا گاز - طراحی شدهاند که از آن عبور میکند بدون اینکه شیئی را که به آن متصل است حرکت دهد .
خلاصه:
- پروانه پمپها: برای حرکت سیالات یا گازها استفاده میشوند .
- پروانههای کشتی: برای حرکت خود کشتی استفاده میشوند .
به عبارت دیگر، پروانهها برای حرکت سیالات یا گازها درون دستگاهها استفاده میشوند، در حالی که پروانههای کشتی برای حرکت خود دستگاه استفاده میشوند .
کاربردها
در حالی که همه پروانهها از عناصر طراحی مشابهی تشکیل شدهاند، ممکن است بسته به کاربرد مورد نظر خود، عملیات کمی متفاوتی انجام دهند .
پروانهها در پمپها
پروانهها جزء جداییناپذیر پمپهای گریز از مرکز و پمپهای خلأ، در میان سایر دستگاههای پمپاژ هستند . پروانههای پمپ بر اساس اصل برنولی کار میکنند - که بیان میکند افزایش سرعت سیال با کاهش فشار یا انرژی بالقوه (و برعکس) همراه است .
هنگامی که سیال یا گاز وارد پمپ پروانهای میشود، بین پرههای پروانه و دیواره پمپ به دام میافتد و با حرکت از چشم پروانه (مرکز) به سمت قطر خارجی پروانه، سرعت آن افزایش مییابد . هنگامی که رسانه به نقطهای نزدیک به قطر خارجی میرسد، به طور ناگهانی سرعت آن کاهش مییابد و فشار آن به طور مساوی افزایش مییابد (طبق اصل برنولی) . با تخلیه سیال از پروانه و خارج از دهانه پمپ، فشار آن بیشتر میشود . بر اساس این اصول عملکرد، میتوان تشخیص داد که سرعت چرخش پروانه پمپ (بر سرعت تأثیر میگذارد) و ارتفاع پره (بر فشار و احتمال تشکیل خلأ تأثیر میگذارد) تا حد زیادی فشار خروجی و جریان پمپ را تعیین میکنند .
پروانهها برای مخلوط کردن
پروانهها اغلب در مخازن همزن به عنوان وسیلهای برای مخلوط کردن مایعات و دوغابها استفاده میشوند . پروانههای همزن معمولاً از یک طراحی باز استفاده میکنند و روی یک محور مرکزی نصب میشوند که در مرکز مخزن قرار گرفته است .
هنگام نصب یک پروانه در یک مخزن، انتخاب بین جریان محوری و شعاعی بسیار مهم است . پروانههای شعاعی - که معمولاً دارای پرههای مستطیلی هستند - زمانی استفاده میشوند که محیط مخزن بسیار ویسکوز یا از دو ماده نامحلول تشکیل شده است . انواع پروانههای جریان شعاعی عبارتند از:
- لنگر جریان شعاعی (Radial Flow Anchor): این پروانه طراحی شده برای مخلوط کردن محصولات با ویسکوزیته بالاتر . لنگر معمولاً به شکل "U" است و از شکل مخزن پیروی میکند . پروانههای لنگر به طور خاص برای تناسب با فرایند طراحی شدهاند و برای جارو کردن کل ناحیه محیطی مخزن - هر دو دیوار و کف - استفاده میشوند .
- پره جریان شعاعی (Radial Flow Paddle): برای مخلوط کردن استفاده میشود . پروانههایی که محیط را به سمت دیواره مخزن منتقل میکنند . پروانههای بزرگتر با سرعت
- پایین، با دو تا چهار تیغه، به عنوان پره شناخته میشوند . پرهها در سرعتهای پایین استفاده میشوند و اغلب برای مخلوط کردن مقیاس بزرگ تعلیق جامد/مایع استفاده میشوند .
- توربین جریان شعاعی (Radial Flow Turbine): برای مخلوط کردن استفاده میشود . توربینها نوعی پروانه چند تیغه هستند که محیط را به سمت دیواره مخزن منتقل میکنند . توربینها، که انواع مختلفی دارند، گردش عالی سیال در کل مخزن را فراهم میکنند .
پروانههای محوری برای همگنسازی و مخلوط کردن مناسب هستند که نیاز به حرکت انبوهی دارند . پروانههای تیغه شیبدار جریان محوری دارای یک یا چند پره هستند . آنها محیط پمپ شده را در جهت محور چرخش پروانه منتقل میکنند . پروانههای جریان محوری در سرعتهای بالا برای ترویج پراکندگی سریع استفاده میشوند و در سرعتهای پایین برای نگه داشتن جامدات در تعلیق استفاده میشوند .
ویژگیهای جریان
پروانهها میتوانند برای القای ویژگیهای جریان مختلف به محیط پمپ یا مخزن طراحی شوند . طرحهای جریان پروانه میتوانند سه نوع متمایز داشته باشند: محوری، شعاعی و مختلط . از آنجا که پمپهای گریز از مرکز نیز به این روش طبقهبندی میشوند، انتخاب پروانه بستگی به تطبیق ویژگی جریان پمپ با ویژگی جریان پروانه دارد .
- پروانههای جریان محوری، محیط را موازی با پروانه حرکت میدهند .
- پروانههای جریان شعاعی، محیط را در زاویه قائم نسبت به خود پروانه حرکت میدهند .
- پروانههای جریان مختلط دارای ویژگیهای جریان محوری و شعاعی هستند . آنها ممکن است محیط را در زاویهای متفاوت از جریان شعاعی قائم حرکت دهند .
طراحی پروانه
پروانهها میتوانند به طور کلی به دو طراحی مختلف طبقهبندی شوند: باز و بسته .
اطلاعات زیر این طراحیها، مزایا و معایب مربوطه آنها، و ملاحظات کاربرد را توصیف میکند .
Three impeller designs: (l to r) open, semi-closed, and enclosed (shrouded) .
I یا R که در این طبقهبندی به کار میرود، معمولاً به جریان سیال اشاره دارد:
- I: نشاندهنده جریان محوری (Axial Flow) است . در این نوع جریان، سیال به صورت موازی با محور چرخش پروانه حرکت میکند . پروانههای با جریان محوری معمولاً در پمپهایی استفاده میشوند که نیاز به هد کم و دبی بالا دارند .
- R: نشاندهنده جریان شعاعی (Radial Flow) است . در این نوع جریان، سیال به صورت شعاعی از مرکز پروانه به سمت بیرون حرکت میکند . پروانههای با جریان شعاعی معمولاً در پمپهایی استفاده میشوند که نیاز به هد بالا و دبی متوسط دارند .
بنابراین، با توجه به این اطلاعات، میتوانیم انواع پروانهها را به صورت زیر طبقهبندی کنیم:
- پروانههای باز با جریان I (Axial): این نوع پروانهها برای ایجاد جریان محوری به کار میروند و معمولاً در پمپهای سانتریفیوژ با هد کم استفاده میشوند .
- پروانههای نیمه بسته با جریان R (Radial): این نوع پروانهها برای ایجاد جریان شعاعی به کار میروند و در پمپهای سانتریفیوژ با هد متوسط استفاده میشوند .
- پروانههای بسته با جریان R (Radial): این نوع پروانهها نیز برای ایجاد جریان شعاعی به کار میروند و در پمپهای سانتریفیوژ با هد بالا استفاده میشوند .
| توجه: برخی از پروانهها ممکن است ترکیبی از جریان محوری و شعاعی داشته باشند که در این صورت با نمادهای دیگری مانند IM یا RM نشان داده میشوند . |
طراحی باز
پروانههای باز به سادگی از یک سری پره متصل به یک "هاب" مرکزی تشکیل شدهاند که برای نصب روی یک شفت طراحی شده است . با قرار دادن انتهای پرهها بسیار نزدیک به محفظه پمپ، پروانه باز میتواند از بازگشت مقادیر زیادی از سیال یا گاز به داخل چشم جلوگیری کند .
یک عیب عمده پروانههای باز، نتیجه تحملهای تنگ پره/محفظه مورد نیاز برای حفظ راندمان است . با افزایش دما، مشخص شده است که شفتها هم در قطر و هم در طول افزایش مییابند (تقریباً 0 .001 اینچ در هر دو جهت برای هر اینچ شفت برای هر افزایش 100 درجه فارنهایت نسبت به دمای محیط) . بنابراین، یک پمپ انتقال حرارت گریز از مرکز معمولی که در 600 درجه فارنهایت کار میکند، افزایش قطر شفت را تجربه خواهد کرد که به اندازه کافی بزرگ است تا پرههای پروانه را مجبور به تماس با محفظه کند، باعث ایجاد جرقه و آسیب به پروانه شود . (در حالی که محفظه نیز ممکن است به دلیل گرمای محیط افزایش اندازه داشته باشد، اغلب از مواد مختلفی نسبت به پروانه ساخته میشود و بنابراین ممکن است با سرعتهای مختلف یا غیرقابل پیشبینی منبسط شود .) به همین دلیل، پروانههای باز در کاربردهای نفت و گاز استفاده نمیشوند، زیرا جرقههای درون پروانه احتمالاً باعث یک انفجار فاجعهبار خواهند شد . در حالی که ممکن است پروانههای باز با استفاده از مواد نرم برای جلوگیری از جرقه ساخته شوند، این مواد معمولاً برای محیط ساینده پمپ شده در کاربردهای نفت و گاز نامناسب هستند .
جدول زیر مزایا و معایب دیگر طراحیهای پروانه باز را توصیف میکند .
مزایا
- نگهداری آسان - راندمان را میتوان از طریق تنظیم مکرر پرهها حفظ کرد . طراحی باز امکان تمیز کردن و رفع گرفتگی را آسان میکند . نیازی به جداسازی پمپ برای تنظیم یا نگهداری نیست .
- فاصله پروانه تا محفظه - باید آستانه تحمل را به صورت دستی برای جبران گرما تنظیم کرد . این تنظیم باید در دمای کار انجام شود، که ممکن است خطرناک باشد اینجا نقش قطع کن حرارتی اهمیت پیدا می کند.
- ساخت و بازرسی ارزانتر به دلیل طراحی باز .
- استفاده از مواد نرم - مواد نرم ضد جرقه مورد نیاز در تعداد کمی از کاربردها عملی هستند .
- تغییر پره (بریدن و پر کردن برای افزایش ظرفیت) امکانپذیر و اقتصادی است .
معایب
- فاصله پروانه تا محفظه - باید تحملها را به صورت دستی برای جبران گرما تنظیم کرد . این تنظیم باید در دمای کار انجام شود، که ممکن است خطرناک باشد .
- استفاده از مواد نرم - مواد نرم ضد جرقه مورد نیاز در تعداد کمی از کاربردها عملی هستند .
طراحی بسته
پروانههای بسته دارای دو صفحه جامد متصل به هر دو طرف تیغهها هستند . پس از ورود محیط پروانه به چشم و عبور از پرهها، آن را به یک نازل کشیده و بیرون میریزند . از آنجا که پروانههای بسته نیازی به در نظر گرفتن تحمل پره/محفظه ندارند، راندمان آنها از استفاده حلقههای سایش برای جلوگیری از بازگشت محیط به چشم حاصل میشود .
همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، پروانههای بسته (خط آبی تیره) نسبت به طراحیهای باز (خط آبی روشن) کارآمدتر هستند و برای محیطهای انفجاری بسیار مناسبتر هستند . به دلیل بسته بودن پروانه، دسترسی به آن برای نگهداری معمول دشوارتر است؛ با این حال، از آنجا که پروانههای بسته در واقع به دلیل نیاز به تعویض دوره ای حلقههای سایش، نیاز به نگهداری بیشتری دارند، هزینههای نگهداری بالاتری را متحمل میشوند اما به طور کلی ارزانتر هستند .
اما نوع دیگری از پروانه ها وجود دارد که در صنعت پمپ سازی پرکاربرد است:
پروانههای نیمه باز: تعادل بین کارایی و مقاومت
پروانههای نیمه باز، نوعی از پروانههای پمپ هستند که در آنها پرهها از یک طرف به یک صفحه یا دیواره متصل هستند و از طرف دیگر آزاد میباشند . این نوع پروانهها ترکیبی از ویژگیهای پروانههای باز و بسته را دارند و به همین دلیل در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرند .
مزایای پروانههای نیمه باز
- توانایی جابجایی سیالات حاوی ذرات جامد: به دلیل باز بودن یک طرف پرهها، این نوع پروانهها میتوانند ذرات جامد معلق در سیال را به راحتی عبور دهند . به همین دلیل، آنها در پمپهای اسلاری و لجنکش کاربرد فراوانی دارند .
- تعادل بین راندمان و مقاومت در برابر سایش: پروانههای نیمه باز، راندمان بالاتری نسبت به پروانههای باز دارند، اما در عین حال مقاومت آنها در برابر سایش نیز بیشتر از پروانههای باز است .
- هزینه ساخت کمتر: به دلیل ساختار سادهتر نسبت به پروانههای بسته، هزینه ساخت پروانههای نیمه باز کمتر است .
- تعمیر و نگهداری آسانتر: دسترسی به پرهها برای تمیز کردن و تعمیر در پروانههای نیمه باز آسانتر است .
معایب پروانههای نیمه باز
- راندمان کمتر نسبت به پروانههای بسته: به دلیل وجود فضای خالی بین پرهها و محفظه پمپ، بخشی از انرژی سیال هدر میرود و راندمان پمپ کاهش مییابد .
- محدودیت در اندازه: به دلیل اینکه یک طرف پرهها آزاد است، پروانههای نیمه باز نمیتوانند به اندازه پروانههای بسته بزرگ ساخته شوند .
- احتمال ایجاد کاویتاسیون بیشتر: به دلیل کاهش فشار در اطراف پرهها، احتمال ایجاد کاویتاسیون در پروانههای نیمه باز بیشتر است .
کاربردهای پروانههای نیمه باز
- پمپهای اسلاری و لجنکش: برای پمپاژ سیالات حاوی ذرات جامد با اندازه متوسط
- پمپهای آب آشامیدنی: برای پمپاژ آب حاوی شن و ماسه
- پمپهای صنعتی: برای پمپاژ سیالات خورنده و ساینده
انتخاب پروانه نیمه باز
انتخاب پروانه نیمه باز مناسب برای یک کاربرد خاص، به عوامل مختلفی از جمله نوع سیال، اندازه ذرات جامد، دبی مورد نیاز، هد مورد نیاز و شرایط عملیاتی بستگی دارد .
در هنگام انتخاب پروانه نیمه باز، باید به موارد زیر توجه کرد:
- جنس مواد: جنس پروانه باید با نوع سیال و شرایط کاری سازگار باشد .
- تعداد پرهها: تعداد پرهها بر روی راندمان و هد پمپ تاثیر میگذارد .
- زاویه پرهها: زاویه پرهها بر روی دبی و هد پمپ تاثیر میگذارد .
- اندازه چشمه پروانه: اندازه چشمه پروانه بر روی قابلیت عبور ذرات جامد تاثیر میگذارد .
در نهایت، انتخاب نوع پروانه مناسب برای یک کاربرد خاص، باید توسط یک متخصص انجام شود .
آیا سوال دیگری در مورد پروانههای نیمه باز دارید؟
موارد دیگری که ممکن است به آنها علاقهمند باشید:
- مقایسه پروانههای باز، نیمه باز و بسته
- تاثیر جنس مواد بر عملکرد پروانه
- کاویتاسیون در پروانهها و راههای جلوگیری از آن
تأثیر تعداد پرهها (Vane) در پروانههای نیمه باز
همانطور که در پروانههای دیگر، تعداد پرهها در پروانههای نیمه باز نیز نقش بسیار مهمی در عملکرد پمپ ایفا میکند . افزایش یا کاهش تعداد پرهها، تغییرات قابل توجهی در مشخصههای پمپ ایجاد خواهد کرد .
مزایای افزایش تعداد پرهها در پروانههای نیمه باز:
- افزایش هد: با افزایش تعداد پرهها، سطح تماس سیال با پرهها بیشتر شده و انرژی بیشتری به سیال منتقل میشود که منجر به افزایش هد پمپ میشود .
- کاهش نوسانات فشار: افزایش تعداد پرهها، توزیع فشار را در اطراف محیط پروانه یکنواختتر کرده و در نتیجه، نوسانات فشار و صدای تولید شده توسط پمپ کاهش مییابد .
- کاهش کاویتاسیون: با افزایش تعداد پرهها، سرعت سیال در اطراف پرهها کاهش یافته و در نتیجه، احتمال ایجاد کاویتاسیون کمتر میشود .
- افزایش پایداری: پروانههایی با تعداد پرههای بیشتر، پایداری بیشتری در برابر نیروهای جانبی دارند .
معایب افزایش تعداد پرهها در پروانههای نیمه باز:
- کاهش دبی: با افزایش تعداد پرهها، مساحت عبور سیال کاهش یافته و در نتیجه، دبی پمپ کاهش مییابد .
- افزایش تلفات اصطکاکی: افزایش تعداد پرهها، سطح تماس سیال با پرهها را افزایش داده و در نتیجه، تلفات اصطکاکی و کاهش راندمان پمپ را به دنبال دارد .
- افزایش هزینه ساخت: ساخت پروانههایی با تعداد پرههای بیشتر، هزینه ساخت را افزایش میدهد .
- افزایش وزن: افزایش تعداد پرهها، وزن پروانه را افزایش داده و در نتیجه، بار وارد شده به شفت پمپ بیشتر میشود .
تعداد بهینه پرهها در پروانههای نیمه باز
انتخاب تعداد بهینه پرهها برای پروانههای نیمه باز، به عوامل مختلفی از جمله:
- نوع سیال: ویسکوزیته، چگالی، خوردگی و دمای سیال
- هد مورد نیاز: ارتفاعی که سیال باید پمپ شود
- دبی مورد نیاز: حجم سیالی که باید در واحد زمان پمپ شود
- شرایط کاری: فشار، دما، محیط و . . .
- اندازه ذرات جامد: در صورتی که سیال حاوی ذرات جامد باشد، تعداد پرهها باید به گونهای انتخاب شود که امکان عبور ذرات از بین پرهها وجود داشته باشد .
بستگی دارد . به طور کلی، تعداد پرههای بهینه، عددی است که در آن تعادل بین مزایا و معایب افزایش تعداد پرهها برقرار باشد .
نکات مهم در انتخاب تعداد پرهها برای پروانههای نیمه باز
- پروانههای نیمه باز به دلیل ساختار نیمه باز خود، نسبت به پروانههای بسته، تحمل بیشتری نسبت به ورود ذرات جامد دارند . بنابراین، در انتخاب تعداد پرهها برای این نوع پروانهها، باید به اندازه ذرات جامد موجود در سیال نیز توجه شود .
- زاویه پرهها نیز بر روی تعداد پرههای بهینه تأثیرگذار است . زاویه پرههای بیشتر، منجر به افزایش هد و کاهش دبی میشود .
- جنس مواد پروانه نیز بر روی انتخاب تعداد پرهها تاثیرگذار است . مواد با مقاومت سایشی بیشتر، امکان استفاده از تعداد پرههای بیشتری را فراهم میکند .
نتیجهگیری:
انتخاب تعداد پرههای مناسب برای یک پروانه نیمه باز، یک تصمیم مهندسی است که باید با توجه به شرایط خاص هر کاربرد انجام شود . برای انتخاب بهترین تعداد پرهها، توصیه میشود که از نرمافزارهای شبیهسازی سیالات محاسباتی (CFD) استفاده شود .
پروانه گردابی (Vortex Impeller)
بر خلاف سه نوع پروانه قبلی که مورد بحث قرار گرفتند، پروانه های گردابی کانال های جریان نیستند . ظاهر آنها مشابه پروانه نیمه باز است اما فضای بیشتری در محفظه دارند و عملکرد متفاوتی دارند .
طراحی آن برای سیالات کثیف حاوی زباله و مواد جامد رشته ای ایده آل است، زیرا گردابی ایجاد می کند که هر گونه جامد را دور از پروانه نگه می دارد و از آسیب به قسمت های داخلی جلوگیری می کند . خطر گرفتگی آن بسیار کم است و قابلیت های آن در زمینه جابجایی جامدات عالی است، اما راندمان آن پایین تر است . به همین دلیل، پروانه های گردابی فقط در صورت لزوم انتخاب می شوند .
5 . پروانه برش دهنده (Cutter Impeller)
مانند پروانه گردابی، پروانه های برش دهنده برای جابجایی جامدات طراحی شده اند . با این حال، آنها با پروانه های گردابی متفاوت هستند، زیرا به جای عبور جامدات مانند پروانه های گردابی، دارای پره های تیز و قیچی مانند هستند که برای خرد کردن و نابود کردن هر گونه جامد قبل از ورود به پمپ طراحی شده اند . در حالی که راندمان آنها پایین است، آنها بهترین انتخاب برای پمپاژ فاضلاب و سایر زباله هایی هستند که پروانه های کانال دار دچار گرفتگی می شوند .
تأثیر قطر پروانه
علاوه بر نوع پروانه، قطر پروانه نیز باید هنگام مشخص کردن یک پمپ سانتریفیوژ در نظر گرفته شود، زیرا می تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذارد . همانطور که در نمودار زیر مشاهده می کنید، منحنی های چندگانه پمپ نشان دهنده اندازه های مختلف پروانه و تأثیر آنها بر جریان و هد مدل پمپ مورد نظر هستند .
چند نمونه از پروانه های پمپ های سیالات