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Principes fondamentaux des turbomachines

Les appareils turbomachines injectent la vie dans les fluides. Les principes des turbomachines forment les outils de conception préliminaire dans leur conception.Principes de la turbomachine

Envisager de suivre les machines turbo. Une turbine axiale, une machine centrifuge ou une roue de pelton, vous pouvez prédire la performance de tout cela à partir des mêmes fondamentaux machines turbo.

Euler Turbomachine Equation(centrifuge)

Pour développer les fondamentaux machines turbo considérer fluide à travers le canal montré ci-dessous. La vitesse d'entrée V1 devient la vitesse de sortie V2. La vitesse du fluide peut être divisée en composantes tangentielles et radiales. Ceci est illustré dans la figure suivante.

Pour faire circuler le fluide, il doit y avoir un couple externe agissant dessus. Ce couple peut être dérivé de la 2ème loi de Newton du mouvement, qui agit comme l'équation fondamentale de turbo machines. Le couple est donné par l'équation suivante, qui est également appelée équation de la turbomachine d'Euler.

Pompe ou turbine?

Si le canal tourne à une vitesse angulaire omega, la puissance requise pour maintenir le débit de fluide sera le couple multiplié par la vitesse angulaire.

ω fois le rayon devient la vitesse du canal ou la vitesse de la lame. Ainsi, la puissance requise pour ce mouvement de fluide peut être considérée comme une différence dans le produit de la vitesse de la lame en fonction de la vitesse tangentielle du fluide.

Vθ est positif, si elle est dans le même sens de vitesse de pale. Sinon c'est négatif.

Si nous divisons la puissance par le poids du fluide qui coule, nous obtiendrons quelle est la tête d'énergie nécessaire pour maintenir ce flux.


Si la puissance requise par le fluide est positive, cela signifie que le fluide absorbe de l'énergie. Ou l'appareil agit comme un compresseur. Sinon, le fluide perd de l'énergie, donc l'appareil agit comme une turbine.

Vθ signifie plus précisément, composante de la vitesse du fluide qui est parallèle à la vitesse de la lame.


Vθ est la composante qui est parallèle à la vitesse de la lame


Mais la détermination de la vitesse du fluide est une affaire délicate dans les machines turbo, puisque nous avons affaire à des composants rotatifs. Pour cela, nous devons comprendre le concept des triangles de vitesse.

Concept de vitesse relative et de triangle de vitesse

L'idée clé dans les machines turbo est le concept de vitesse relative. Supposons que vous êtes debout sur cette machine turbo tournante. La vitesse du fluide que vous éprouvez en vous déplaçant avec elle est appelée vitesse relative. Si le fluide a une vitesse absolue V et que la lame se déplace avec une vitesse U, la vitesse relative que vous expérimentez sera la suivante.

Pour un dispositif stationnaire afin d'avoir un fonctionnement régulier, le débit doit être tangentiel à la lame. De même, dans un dispositif mobile, la vitesse relative doit être tangente au profil de lame. Avec la connaissance de la direction de la vitesse relative et la représentation vectorielle de la vitesse relative, ces 3 vitesses pourraient être dessinées comme montré ci-dessous. C'est ce qu'on appelle un triangle de vitesse.


Triangle de vitesse dans une turbomachine

Un triangle de vitesse similaire peut être réalisé sur l'entrée de la machine turbo. La beauté des machines turbo est que l'utilisation d'une analyse relativement simple des vitesses d'entrée et de sortie que vous pouvez prédire la performance de toute machine turbo.

Performance de la pompe centrifuge

Nous allons voir, comment prédire la performance d'une pompe centrifuge en utilisant les concepts que nous avons développés. Ici nous avons montré la turbine d'une pompe centrifuge. Si vous connaissez la géométrie de la lame, vous pouvez connaître l'angle de la lame à l'entrée et à la sortie. L'angle de la lame est défini comme l'angle opposé à la vitesse de la lame. Ainsi nous pouvons facilement fixer le sens de la vitesse relative. Ceci est montré sur la Fig.


La composante radiale de la vitesse d'écoulement détermine la quantité de débit qui quitte la roue. Vous pouvez donc déterminer Vr à la sortie de cette équation. Ici b2 signifie la largeur de la roue.


Maintenant la construction du triangle de vitesse est facile. Vous pouvez tracer des lignes parallèles à ces composantes de vitesse. Ces lignes sont dessinées en couleur grise sur la Fig. dessus. A partir du parallélogramme construit à la Fig. dessus la vitesse absolue d'écoulement peut être facilement tirée. Ceci est montré sur la Fig. dessous. De là, nous pouvons trouver la composante tangentielle de la vitesse d'écoulement, celle-ci est marquée comme Vθ2 dans la Fig. dessous.

A l'entrée de la pompe centrifuge, la vitesse d'écoulement sera radiale. Ainsi, la composante tangentielle de la vitesse est nulle.

Ainsi la tête d'énergie développée par la pompe se simplifie comme ceci.

De la figure dessus), l'angle de la pale de sortie peut être facilement représenté comme suit.

Vous pouvez substituer les valeurs de Vθ2 de cette équation à l'équation de la tête. Après avoir remplacé la valeur de Vr2 également en cela, nous obtenons l'équation de performance la plus importante de la pompe centrifuge. Comment la tête d'énergie est variée avec le débit.

L'importance de cette équation dans la prédiction des performances d'une pompe centrifuge est élaborée plus bas. Nous pouvons prédire la performance d'un dispositif d'écoulement axial et d'une roue pelton en utilisant les mêmes concepts que nous avons développés auparavant.

Lames courbées vers l'arrière

Premier cas, si bêta est inférieure à 90 degrés. Puisque le second terme dans LHS de la tête vs l'équation du débit est positif dans ce cas, la tête de pression diminue avec l'augmentation du débit. Ces types d'impulseurs sont appelés reculés.

Fig. Tête vs Courbe de débit pour une turbine à lame
courbées vers l'arrière

Lames radiales

Si bêta est de 90 degrés, avec le débit, il n'y a pas de changement dans la montée de la pression. Parce que le second terme dans LHS de tête vs équation de débit est nul ici. Ils sont appelés type radial.

Figue. Tête vs courbe de débit pour une turbine à lame radiale

Lames courbées vers l'avant

Si la bêta est supérieure à 90 degrés, la pression augmente avec l'augmentation du débit. De telles lames sont appelées lames courbes en avant.

Fig. Tête vs courbe de débit pour une turbine à lame courbe vers l'avant

Lame la plus adaptée à une utilisation industrielle

La grande question est que sur ces profils de lame, lequel est le plus adapté pour une utilisation industrielle? Pour obtenir une réponse à cette question, voyons comment la consommation d'énergie varie avec la décharge pour chacun de ces cas. Pour les lames courbes vers l'arrière comme la tête d'énergie diminue avec la puissance de décharge la consommation se stabilise avec le débit. Dans les pales radiales puisque la tête n'a pas de connexion avec le débit, la consommation augmente linéairement. Dans les lames courbées vers l'avant puisque la tête d'énergie augmente avec la puissance d'écoulement la consommation augmente exponentiellement. Cela rendra l'opération instable et conduira finalement à l'épuisement du moteur.

Fig. Consommation en différentes géométries de pale

Donc les lames courbes vers l'arrière qui a obtenu des caractéristiques d'auto-stabilisation dans la consommation d'énergie est le plus préféré dans l'industrie.

Impeller Design

Comme nous l'avons vu précédemment, la turbine est la partie la plus vitale d'une pompe centrifuge. Des roues à succès ont été développées avec de nombreuses années d'analyse et de développement. Figue. Ci-dessous montre une de ces roues avec une seule plaque de carénage retirée pour une meilleure vue des aubes.

Ces aubes sont recourbées vers l'arrière. Les aubes incurvées vers l'arrière ont l'angle de pale inférieur à 90 degrés. Les aubes incurvées vers l'arrière sont le type d'aube préféré dans l'industrie en raison de ses caractéristiques de consommation d'énergie auto-stabilisantes. Cela signifie que l'augmentation de la consommation de puissance de débit de la pompe se stabilise après une limite. Les lames avant et radiales sont moins fréquentes dans l'industrie. La configuration de l'oeil de la roue à aubes représentée est l'état de la technique. Cette pale est extraite d'un modèle de pompe WMH. Une telle section d'oeil en saillie induit un meilleur tourbillon d'écoulement et garantit une pression négative élevée à l'aspiration.

Les courbes de notre roue ... Lames courbées vers l'arrière(le plus préféré dans l'industrie.)

Perte d'énergie dans la réduction de la tête de pompe

La tête d'énergie développée par la pompe courbe vers l'arrière diminue linéairement avec le débit. Mais c'est théoriquement la tête d'énergie maximum possible. Obtenu en supposant que l'alimentation en énergie de l'arbre entier a été transformée en énergie fluide. Cela est vrai, seulement pour les cas idéaux. En pratique, il y aura beaucoup de pertes d'énergie associées au débit de la pompe.

Perte de friction

Une des principales pertes d'énergie est due à l'effet de la friction dans le flux. Cette perte augmente quadratiquement avec la vitesse. Une perte similaire se produit quand il ya expansion ou contraction soudaine.

L'amplitude de celle-ci est également proportionnelle à la vitesse carrée. Ainsi la courbe de la tête descendra comme montré dans la figure.

Recirculation

Ensuite est due à l'effet de recirculation dans le flux. Lorsque le débit est inférieur au débit prévu, les pertes de recirculation deviennent prédominantes comme le montre la figure. Lorsque la pompe fonctionne à son débit prévu, la perte de recirculation est presque nulle.

L'incidence

S'il y a une différence dans l'angle de la pale et l'angle d'écoulement, cela entraînera une perte supplémentaire. Ici, la perte d'énergie se produit en raison de l'impact de flux et de l'effet de recirculation. Ceci est de nouveau important dans les conditions de débit de conception hors circuit. Donc, il tend à avoir des pertes plus élevées que nous nous éloignons de point de débit conçu.


Les pertes d'énergie que nous avons discutées jusqu'à présent, qui réduisent la tête de l'écoulement est connu sous le nom de pertes hydrauliques.

Notre courbe final donc tinuer compte de Hydraulic Loss = Friction Loss + Recirculation Loss + Incidence Loss

Courbe de performance de la pompe

La courbe de débit de la tête versée est illustrée à la Fig.

La forme pourrait être comme dans la Fig. En fonction des paramètres de la pompe. Ces courbes sont connues sous le nom de courbes de performance de la pompe. Veuillez noter qu'il est assez difficile de déterminer théoriquement la courbe de performance de la pompe, mais plutôt de la déterminer expérimentalement.

Augmentation de pression à travers la pompe

En utilisant la courbe de performance de la pompe on peut facilement prédire quelle est la hausse de pression à travers la pompe, en appliquant l'équation d'énergie à travers elle.


Lorsque la valeur de h est déterminée à partir de la courbe de performance de la pompe pour le débit correspondant.

Puissance obtenue par le fluide

La puissance gagnée par le fluide sera inférieure à la puissance fournie.


Un facteur principal est la perte hydraulique comme nous l'avons discuté. D'autres facteurs sont la perte volumétrique et la perte mécanique. Ainsi, l'efficacité d'une pompe peut être définie comme la puissance gagnée par le fluide par la puissance fournie à la pompe.


Pour une pompe centrifuge typique, l'efficacité varie comme le montre la figure ci-dessous.

La variation correspondante de la puissance de l'arbre est également indiquée. Vous pouvez noter qu'il ya un point de fonctionnement dans la pompe, où l'efficacité est maximale. Il est connu comme meilleur point d'efficacité. Le point correspondant est marqué sur les courbes d'entrée de puissance de la tête et de l'arbre.

Sélection du Roue.

Pour un boîtier particulier, nous pourrions installer des roues de différentes tailles. Les courbes de performance des roues de différentes tailles sont indiquées sur le même graphique. Les meilleurs points d'efficacité sont également marqués.

Revenons donc à la question de base, comment choisir une pompe centrifuge pour cette application. La condition principale est que le fluide doit être pompé à un débit particulier à une hauteur spécifiée.

La caractéristique de performance du système est donnée dans une courbe système. Cela signifie que la chute de pression varie dans le système avec le débit. Selon les pertes mineures, les pertes majeures et l'altitude du réseau, il pourrait varier comme le montre la figure ci-dessous. Veuillez noter que la courbe du système changera drastiquement en fonction de l'ouverture de la vanne. On suppose que la courbe d'un système est suivie à une ouverture de soupape particulière. Le débit requis est également indiqué.


Le point de fonctionnement de la pompe sera le point d'intersection de la courbe du système et la courbe de performance de la pompe.

Ainsi, en fonction de la sélection de la roue, la pompe pourrait fonctionner n'importe où aux points pointillés. Mais nous avons exigence, une exigence de débit spécifié. Sur ces points de fonctionnement, le bleu est le plus proche du débit requis. Nous sélectionnons donc l'impulseur correspondant. Dans le même graphe, nous pouvons représenter des courbes d'iso-efficacité.


Ainsi, l'efficacité à l'état de fonctionnement peut également être déterminée. La puissance d'arbre requise peut être calculée en utilisant l'équation suivante.


La connaissance de l'exigence d'entrée de puissance conduira à une sélection correcte du moteur électrique.

Utilisation de l'enveloppe

D'après les illustrations de la pompe jusqu'à présent, une spécialité de l'enveloppe est claire. Il a une zone croissante le long de la direction d'écoulement. Cette zone croissante aidera à accueillir le courant d'eau nouvellement ajouté, et aidera également à réduire la vitesse d'écoulement de sortie. La réduction de la vitesse d'écoulement entraînera une augmentation de la pression statique, qui est nécessaire pour surmonter la résistance du système de pompage.


Conception contre cavitation


Comment Surmonter le problème de la cavitation

Si la pression du côté aspiration de la turbine est inférieure à la pression de vapeur de l'eau, un phénomène dangereux pourrait se produire. L'eau commencera à bouillir en formant des bulles de vapeur. Ces bulles vont se déplacer le long de l'écoulement et se briser dans une région à haute pression. En cas de rupture, les bulles envoient des ondes de choc impulsionnelles élevées et gâchent les heures supplémentaires des roues. Ce phénomène est connu sous le nom de cavitation. Plus la tête d'aspiration, moins devrait être la pression au côté d'aspiration pour soulever l'eau. Ce fait met une limite à la tête d'aspiration maximale qu'une pompe peut avoir.

Toutefois, la cavitation peut être complètement évitée grâce à une sélection minutieuse de la pompe. Le terme NPSH (Net Positive Suction Head) aide le concepteur à choisir la bonne pompe qui évitera complètement la cavitation. NPSH est défini comme suit.

Où Pv est la pression de vapeur de l'eau V est la vitesse de l'eau au côté aspiration.


Pour un système de pompage donné, il aura un NPSH appelé «NPSH disponible».
Le fabricant de la pompe spécifiera le NPSH minimum requis pour chaque pompe pour son fonctionnement sûr, appelé «NPSH requis». Si la pompe doit fonctionner sans cavitation, le «NPSH disponible» doit être supérieur à «NPSH requis».

Last Updated on Friday, 10 March 2017 09:37  

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Bio Diesel à partir de graisse animale, examiner les faits:


Considérons les faits:
L'indice de cétane et les émissions: L'indice de cétane mesure la qualité du carburant d'allumage. Plus le nombre, le meilleur. Biodiesel à base de graisses entre 40 et 52. animal huile de soja à base de moyennes de biodiesel entre 46 et 52, tandis que celle du diesel classique tombe se situe entre 56 et 60. Les indices de cétane inadéquates entraînent une mauvaise qualité de l'allumage et de retard,