High Speed Impeller
توربوماشین را به عنوان وسیله ای که از جریان پیوسته سیال انرژی می گیرد یا به آن انرژی میدهد، به شکلی که انتقال انرژی ناشی از عمل دینامیکی یک یا چند ردیف تیغه چرخنده روی محور ماشین باشد، میتوان تعریف کرد. کاربرد این تجهیزات در صنایع هوایی، نیروگاهی و پالایشگاهی، نفت و گاز، خطوط انتقال و بسیاری زمینه های دیگر می باشند. از جمله مهمترین و اصلیترین بخشهای توربوماشینها ایمپلرها یا پروانهها میباشد که جزء اصلي بخش دوار است كه با عمل آيروديناميكي اندازه حركت لازم را به سیال اعمال ميكند. در واقع پروانه یا ایمپلر با افزايش مقدار انرژي سيال از طريق چرخاندن آن به سمت بيرون باعث افزايش اندازه حركت سیال میشود.
ایمپلرهای سرعت بالا
ایمپلرهایی که نرخ جریان بالا به همراه یک هد نسبتا پایینی دارند ایمپلرهای سرعت بالا نامیده میشوند. یک ایمپلر با سرعت مکش زیاد در واقع به گونهای طراحی میشود که قطر ورودی آن که چشمی(eye) ایمپلر نامیده میشود در مقایسه با قطر بیرونی آن بسیار بزرگتر باشد. این یک واقعیت اثبات شده است که هر چه سرعت مخصوص ایمپلرها بیشتر باشد، بازده بیشتری در دسترس خواهد بود. در واقع سرعت مخصوص یک شاخص برای پیشبینی و تعیین خصوصیات ایمپلر توربوماشینها میباشد. همانطور که در نمودار مربوطه نشان داده شده است سرعت ایمپلر ارتباط مستقیم با سرعت شفت و جریان عبوری دارد.
اين نوع پروانهها داراي تعدادي پره بدون داشتن ديواره هستند و معمولا براي انتقال حجم زياد سیال مورد استفاده قرار ميگيرند. به دليل نداشتن صفحه نگهدارنده براي پرهها مقاومت مكانيكي اين نوع پروانهها نسبت به انواع ديگر كمتر است و مورد كاربرد آنها براي فشارهاي پايين و فلوي زياد است.
ساختمان اين پروانهها به اين صورت است كه تعدادي پره در بين دو صفحه شرود كه به فاصله معيني از يكديگر قرار گرفته اند نصب شدهاند. پره ها از هر دو طرف مسدود شده اند و هوا نميتواند از طرفين آنها خارج شود. از اين نوع پروانهها معمولا در فشارهاي بالا استفاده میشود.
در این نوع ایمپلرها پرهها در یک سمت به یک دیسک دایروی متصل و از سمت دیگر باز هستند. به این نوع از ایمپلرها، ایمپلرهای نیمهباز گفته میشود. از اين نوع پروانه براي جابجايي حجم زياد گاز با فشار پايين و متوسط استفاده میشود.
مواد مورد استفاده برای ساخت ایمپلر(پروانه)ها معمولا از فولادهای کم آلیاژ مانند AISI 4140 یا AISI 4340 استفاده میشود. AISI 4140 برای اکثر کاربردها مناسب است؛ AISI 4340 برای پروانههای بزرگتر که نیاز به مقاومت بیشتری دارند استفاده میشود. برای گازهای خورنده از فولاد ضد زنگAISI 410 (حدود 12٪ کروم) استفاده میشود. مونل K-500 به علت مقاومت در برابر جرقه در محیطهای دارای گاز هالوژن و کمپرسورهای اکسیژن کار میکند. ایمپلر با جنس تیتانیوم در chlorine service مورد استفاده قرار میگیرد. پروانههای با جنس آلیاژ آلومینیوم درموارد بزرگتر، مخصوصا در دماهای پایینتر(کمتر از 300 فارنهایت) مورد استفاده قرار میگیرند. با پیشرفتهای جدید در آلیاژهای آلومینیومی، این محدوده در حال افزایش است. آلومینیوم و تیتانیوم گاهی اوقات به دلیل چگالی کم انتخاب میشوند. این چگالی کم میتواند باعث تغییر در سرعت بحرانی روتور شود که ممکن است سودمند باشد.
دو روش غالب برای طراحی قطعات توربو ماشینها از جمله ایمپلرها وجود دارد:
تکنیکهای مختلفی برای انجام این کار وجود دارد که هر کدام از آنها محدودیتهای و هزینههای خود را دارند. یک عیب اولیه برای ریختهگری این است که بهطور کلی بههمان کیفیت مورد نظر (از نظر تلرانس و سطح نهایی) به عنوان قطعات نهایی دست نیافتنی است. محصول تمامشده به علت انبساط و حرکت سازههای تیغه جدار نازک دشوار است. هزینه راهاندازی اولیه برای ریختهگری، تنها برای تولید حجم بالا عملی است.
این روش نقش بزرگی در تولید قطعات توربوماشینها دارد. این امر به ویژه برای ایمپلرها نیز صحیح میباشد. دو روش پر کاربرد در این فرآیند ساخت مورد استفاده قرار می گیرد.
با استفاده از یک ابزار برشی (معمولا بصورت مستقیم) برای فرمدهی سطح تیغه در یک پاس عمل میکند. این سطوح تیغه به وسیله مجموعهای از خطوط مستقیم که در فضای سهبعدی بهصورت خم هستند، تعریف میشوند. از روشهای تولید به کمک کامپیوتر (CAM) برای هدایت ابزار برش در یک دستگاه فرز ۵ محور استفاده میشود، که ابزار به طور تقریبی مطابق با المانهای خط مستقیم است.
در این استراتژی ساخت، ماشینکاری با حرکت پیوسته و مارپیچی در حالی که در هر مرحله فقط با یک نقطه از تیغه تماس دارد عمل میکند. این روش ساخت نسبت به روش قبلی آهستهتر عمل میکند ولی هزینه ساخت در این روش گرانتر است، اما دقت ساخت بالایی داشته و انحنای تیغهها را به شکلی دقیق ایجاد میکند. هدف این روش کاهش تعداد پاس ابزار ساخت بوده در حالی که سطح نهایی کیفیت خود را حفظ میکند.
هر ایمپلر سرعت بالا از دو بخش اصلی ایندیوسر و پره های شعاعی که (انرژی خود را از نیروی گریز از مرکز به سیال وارد میکند) تشکیل شده است. جریان به صورت محوری وارد چشمی ایمپلر شده و به صورت جریان شعاعی خارج میشود. تغییرات سرعت از هاب(Hub) به سمت شرود ناشی از همین تغییر جریان است که باعث پیچیدگی طراحی ایمپلرهای سرعت بالا میشود. مبنای اساسی محاسبات تحلیلی و عددی جهت طراحی این تجهیز طبق شکل زیر بر روی دو سطح اصلی نشان داده شده است.
مراجع
Centrifugal Compressor/WILLEMJANSEN AND ANDREAS M.KIRSCHN-Northern Research and Engineering Corporation
finding the effect of parameters such as Splitter,
number of Impeller fins, and number of Diffuser
Under Supervision of Dr. Mohammad Reza Ali Goodarz
Environmental Impact Comparison of Different Impeller
Manufacturing Methods
Shitong Peng,1 Tao Li,1 Xinlin Wang,1 Mengmeng Dong, Zhichao Liu,2 Junli Shi,1 and Hongchao Zhang
THE CENTRIFUGAL IMPELLER Abraham Engeda
Turbomachinery Lab Mechanical Engineering Department
Michigan State University
گردآورنده: عرفان سیفی – دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان