Pompy jednokanałowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu sektorach przemysłowych, a zwłaszcza w transporcie hydraulicznym, w tym gospodarce wodno-ściekowej. Ich zaletą jest przenoszenie hydromieszanin, przy jednoocznej redukcji prawdopodobieństwa zatykania się pompy ze względu na dużą szerokość kanału przepływowego maszyny, przy względnie akceptowalnym poziomie sprawności. Takie rozwiązanie geometrii przepływowej prowadzi do wielu problemów konstrukcyjnych, z których najistotniejszym, obok osiąganych parametrów energetycznych, jest sposób kompensacji siły promieniowej.

Złożoność procesu projektowania wirnika jednokanałowego, jak również elementu odprowadzenia cieczy, prowadzi często do niepowodzeń konstrukcyjnych. Pomimo wielu testów laboratoryjnych nie istnieje obecnie wystarczająco dokładna metoda projektowania tego rodzaju elementów przepływowych. Najbardziej skuteczny sposób obliczania nowej pompy polega na przeliczeniach istniejącej jednostki modelowej za pomocą praw podobieństwa hydrodynamicznego z pewnymi dodatkowymi korektami. W ostatnich latach badania i modernizacja pomp jednokanałowych dokonywane były z wykorzystaniem metod numerycznych wspartych badaniami rzeczywistymi. Stosowane powszechnie podejście do obliczania pomp wirowych za pomocą numerycznej mechaniki płynów wskazuje na pewne problemy walidacyjne, podczas gdy liczba łopat w wirniku maleje.

Analizując dostępną literaturę, należy zauważyć próby modelowania, z różnym skutkiem, pomp jednokanałowych. Schiffer i in. (Schiffer, Bodner, Jaberg, Korupp, Runte, 2016) osiągnęli najlepsze wyniki zbieżności symulacji numerycznych z pracami eksperymentalnymi, choć wartość zbieżności budzi wątpliwości. Souza i in. (Souza, Niven, Daly, 2008) opisują optymalizację wirników jednołopatowych za pomocą procesu projektowania bazującego na eksperymencie rzeczywistym i metodach CFD. Kim i in. (Kim, Cho, Kim, Choi, Kim, Kim, Cho, 2016) zaproponowali nową metodę projektowania wirnika pompy z pojedynczą łopatką, ponadto poprawili sprawność hydrauliczną pompy. Parametry energetyczne, pola ciśnień, rozkład prędkości i moment obrotowy w oparciu o rezultaty niestacjonarnych symulacji numerycznych oraz wyniki prac eksperymentalnych przeanalizowano w artykułach (Ala-Juusela, 2017), (Pei, Yuan, Benra, Dohmen, 2012), (Pei J., Yuan S.and Yuan J. 2013), (Pei, Yuan, Benra, Dohmen, 2012), (Souza, Daly, Niven, Frawley, 2006), (Ji, ShouQi, JianPing, 2013). Ze względu na niesymetryczną geometrię wirnika, oprócz przewidywania energetycznych parametrów pracy pompy, proces projektowy powinien uwzględniać rozkład siły promieniowej. Gulich (Gülich, 2011) przedstawił wyniki pomiarów siły promieniowej wirników jednołopatowych oraz określił zalecenia przewidywania i minimalizowania jej działania. Nishi i in. (Nishi, Fukutomi, Fujiwara, 2012) zidentyfikowali wpływ kąta wylotowego na działanie siły promieniowej i ustalili, że większy kąt skorelowany jest nie tylko z większą wartością wysokości podnoszenia, ale również ze wzrostem siły promieniowej i zmian jej wartości w funkcji obrotu wirnika. Benra (Benra, 2006) badał zależność sił hydraulicznych od prędkości obrotowej wirnika i natężenia przepływu, a także wpływ sił hydraulicznych na drgania pompy.

Przeprowadzony przegląd literatury wskazuje, że rozbieżności między wynikami eksperymentów numerycznych i rzeczywistych są mocno zmienne, a autorzy nie wskazują przyczyn tej sytuacji. Prowadzone prace badawcze są często bardzo ogólnie opisywane lub wręcz pomijane w odniesieniu do tworzonego modelu numerycznego. Powoduje to brak jednoznacznych wzorców obliczeniowych, co skłoniło autorów do przeprowadzenia odpowiednich weryfikacji. Głównym celem niniejszej pracy jest analiza struktur przepływu w jednołopatowych pompach i określenie zbieżności modelowania numerycznego z wynikami rzeczywistymi.

Przedmiot rozważań. Badania rzeczywiste

Celem identyfikacji struktury przepływu w kanale pompy jednołopatowej wzięto pod uwagę zatapialną jednostkę monoblokową w dwóch wariantach, której model przedstawiono na rys. 1. Analizowane pompy charakteryzują się parametrami eksploatacyjnymi i geometrycznymi przedstawionymi w tabeli 1.

W celu porównania zbieżności modelu numerycznego analizowanych pomp z rzeczywistością zbudowano stanowisko testowe, przedstawione na rys. 2. Pompę umieszczono poziomo w otwartym zbiorniku, całkowicie wypełnionym wodą. Średni poziom i temperatura wody były monitorowane podczas testów. Charakterystyki badanych pomp wyznaczono zgodnie z normą ISO (EN ISO 9906: 2012 (E), 2012). Podczas badań mierzono następujące parametry:

•    wydajność – Q – przepływomierz elektromagnetyczny w klasie dokładności 0,1,

•    ciśnienie tłoczenia – pd  – elektroniczny przetwornik ciśnienia w klasie dokładności 0,5,

•    pobór mocy elektrycznej – P – miernik parametrów sieci w klasie dokładności 0,5.

 Badania rzeczywiste przeprowadzono w celu określenia właściwości hydraulicznych pomp.

Model numeryczny

Identyfikację struktury przepływu w pompach jednokanałowych wykonano przy zastosowaniu numerycznej mechaniki płynów. Głównym celem tego etapu prac było uzyskanie rozkładu ciśnienia i prędkości przepływu cieczy w wybranych przekrojach pomp. Model numeryczny zawierał cztery domeny płynu, zgodnie z kierunkiem przepływu: rurociąg ssawny, wirnik, spirala i rurociąg tłoczny. W uproszczonej strukturze modele zaprezentowano na rys. 3. Długość rur ssawnych równa była czterokrotności średnic wlotu wirnika, rur tłocznych – czterokrotności średnic tłocznych. Podczas testów eksperymentalnych podobną rurę wlotową dodano do jednostki badawczej po stronie ssawnej. W obu modelach zastosowano niestrukturalne siatki obliczeniowe. Elementy tetrahedralne wykonano w środku bryły przepływowej, a elementy pryzmatyczne naniesiono w pobliżu ścian. Gęstość siatki wzrastała w pobliżu łopatki. Całkowita liczba elementów dyskretnych została przyjęta zgodnie z testem niezależności siatki i wyniosła 6 mln i 5,6 mln. Jako interfejs łączący nieruchomą i wirującą domeną zastosowano średnią prędkość w komórkach. Hydrauliczne warunki brzegowe zdefiniowano jako masowy przepływ na wlocie i ciśnienie statyczne na wylocie. Symulacje numeryczne przeprowadzono jako stacjonarne i niestacjonarne. Czynnikiem pompowanym była woda o temperaturze 25oC. Do obliczeń wykorzystano standardowe, dwurównaniowe modele turbulencji oraz otwarty kod obliczeniowy.

Cały artykuł został opublikowany w nr 2/2018 magazynu Pompy, Pompownie.