W wielu przypadkach w przepompowywanych cieczach znajdują się ciała stałe, które mogą bardzo różnić się: postacią (trwałą – np. bryły, okruchy, ziarna; lub zmienną – np. ścinki, płaty, włókna), wielkością, kształtem (np. kuliste, płytkowe, graniaste, liniowe) i gęstością, ale też oddziaływaniem erozyjnym w stosunku do elementów pompy. Pompy wirowe, które zwykle w podobnych sytuacjach są stosowane, powinny więc charakteryzować się następującymi cechami:

--obszernymi przekrojami przepływowymi, umożliwiającymi przepuszczanie ciał stałych o oczekiwanych rozmiarach (często dość znacznych), z czym wiąże się niewrażliwość na zatykanie,

-- możliwie korzystną sprawnością,

-- odpornością na zużycie erozyjne,

a często również:

-- ograniczoną wydajnością (w stosunku do wielkości przekrojów przepływowych),

-- relatywnie znaczną wysokością podnoszenia,

-- charakterystyką mocy z punktem maksymalnego poboru.    

Niektóre z wymienionych oczekiwań są często wzajemnie przeciwstawne.

W wielu konkretnych przypadkach stosuje się pompy o swobodnym przepływie, które w znacznej mierze te wymagania spełniają.

Zjawiska hydrodynamiczne w pompie o swobodnym przepływie

Pompy o swobodnym przepływie obecnie są najczęściej produkowane z wirnikami otwartymi (przeważnie z łopatkami wygiętymi wstecz ), usytuowanymi w obrębie komory przepływowej korpusu (rys. 1). Takie rozwiązanie pozwala osiągnąć większą wysokość podnoszenia i wyższą sprawność w porównaniu z wcześniejszymi konstrukcjami pomp o swobodnym przepływie (tzw. typu TURO), w których wirnik był umieszczony w cylindrycznej wnęce kadłuba, położonej poza komorą przepływową. Jednakże wspomniane korzyści osiąga się przy wyraźnym zmniejszeniu odstępu między wirnikiem a przednią ścianką (lub pokrywą) korpusu [1,2].

W trakcie pracy pompy o swobodnym przepływie, występują dwa odrębne strumienie cieczy, które poglądowo przedstawiono na rysunku 2. Strumień tranzytowy cieczy dopływa do pompy, przepływa przez kanały międzyłopatkowe wirnika i wypływa z pompy przez króciec tłoczny. Natężenie objętościowe tego strumienia jest równe wydajności objętościowej pompy. Przez kanały międzyłopatkowe wirnika przepływa jednak także strumień krążący, cyrkulujący w obiegu zamkniętym, w związku z czym łączne natężenie przepływu cieczy przez wirnik jest 3-4 krotnie większe od wydajności pompy [1]. Strumień krążący, opuszczający wirnik, kieruje się przez komorę przepływową w kierunku jej osi, sukcesywnie wpływając do kanałów międzyłopatkowych, zarazem jednak ciecz w komorze bezłopatkowej wiruje z prędkością kątową nieco mniejszą od prędkości kątowej wirnika, która jednak sukcesywnie zwiększa się w stronę osi. W okolicy wlotu do komory przepływowej pompy, strumienie tranzytowy i krążący częściowo mieszają się, przy czym następuje wymiana pędu między nimi. Ponieważ ciśnienie w cieczy na poszczególnych promieniach w komorze przepływowej korpusu jest nieco większe od ciśnienia w kanałach wirnika, więc ciecz z komory przepływowej wpływa do kanałów międzyłopatkowych. Strata mocy związana z krążeniem cieczy wewnątrz pompy jest znamienna dla pomp o swobodnym przepływie.

Jednocześnie jednak w kanałach międzyłopatkowych wirnika, w rezultacie oddziaływania przyspieszenia Coriolisa na ciecz poruszającą się względem kanału, powstaje różnica prędkości i ciśnień między stronami czynnymi i biernymi łopatek (rys.3). Ta różnica ciśnień po obu stronach łopatek wywołuje przepływ cieczy „nad łopatkami” (od strony czynnej na stronę bierną łopatki), co jeszcze bardziej komplikuje mieszanie się strumieni w kanałach międzyłopatkowych. Stanowi to przyczynę drugiej charakterystycznej straty mocy, znamiennej dla pomp o swobodnym przepływie. Zjawiska te powodują, że przepływ cieczy w pompach o swobodnym przepływie jest nadzwyczaj złożony i trudny do opisania, mimo że ukształtowanie ich części przepływowej cechuje prostota.

Analizując, nawet tylko w ujęciu jakościowym, zjawiska hydrodynamiczne w pompach o swobodnym przepływie, można uznać, że należy je zaliczyć do pomp odśrodkowych.

Wirniki pomp o swobodnym przepływie o częściowo przesłoniętych kanałach międzyłopatkowych 

Omówione wyżej straty, charakterystyczne dla pomp o swobodnym przepływie, można ograniczać, zaopatrując łopatki wirnika po ich stronie biernej w przesłony, które częściowo zakrywają powierzchnię dopływu cieczy do kanałów międzyłopatkowych (rys.4). Wówczas ciecz wpływa do kanału międzyłopatkowego przez łukowato wygiętą przestrzeń (prześwit) o szerokości s, która może zwiększać się wzdłuż długości łopatki.

Zastosowanie przesłon pozwala osiągnąć następujące korzystne efekty:

-- zmniejszenie powierzchni, przez którą dopływa ciecz do kanałów międzyłopatkowych wirnika od strony komory bezłopatkowej pompy, co utrudnia „wpływanie” strumienia krążącego do kanałów międzyłopatkowych wirnika,

-- zmniejszenie różnicy ciśnień między komorą przepływową a odsłoniętą częścią kanału międzyłopatkowego po stronie czynnej łopatki (gdzie ciśnienie jest większe niż po stronie biernej), co powoduje zmniejszenie natężenia strumienia krążącego wpływającego z komory przepływowej do kanałów wirnika,

-- zmniejszenie natężenia „strumienia nadłopatkowego” przepływającego między stroną czynną a stroną bierną łopatki, gdyż różnica ciśnień między stroną czynną łopatki a odsłoniętą częścią kanału międzyłopatkowego jest mniejsza.

Wymienione efekty nakładają się na siebie i powodują zarówno zmniejszenie natężenia strumienia krążącego cieczy, jak i zmniejszenie natężenia przepływu „strumieni nadłopatkowych”. Powoduje to ograniczenie strat energetycznych związanych z przepływem strumienia krążącego, jak i zmniejszenie strat powodowanych występowaniem strumieni „nadłopatkowych”, co prowadzi do polepszenia parametrów pracy pompy (zwiększenia wysokości podnoszenia oraz wzrostu sprawności). Wirniki takie są od lat często stosowane w pompach zatapialnych o małej liczbie łopatek (z = 2-3).

Aby potwierdzić podobne efekty w pompach z wirnikami o większej liczbie łopatek (z = 6-9), przeprowadzono dość szeroko zakrojone badania pomp o swobodnym przepływie z wirnikami zaopatrzonymi w przesłony, przy zróżnicowanych cechach geometrycznych układów przepływowych. Badania te wykazały, że obecność przesłon zawsze (chociaż w różnym stopniu) powoduje polepszenie parametrów pompy, a w szczególności wzrost wysokości podnoszenia i zwiększenie sprawności pompy oraz zmniejszenie wydajności optymalnej pompy [3]. Obecność przesłon ułatwia także osiąganie tzw. charakterystyki „nieprzeciążalnej” mocy.

 

Cały artykuł czytaj w "Pompy. Pompownie" nr 1/2021.