طراحی ساختار CFD پمپ دنده‌ای چگونه است؟

مفهوم پمپ‌های دنده‌ای مارپیچی با تماس مداوم (CCHGP) در گذشته اخیر ارائه و با موفقیت تجاری شده است. به لطف طراحی مشخصات روتور با تماس مداوم و ساختار دنده‌ای مارپیچ‌، این طرح نوسان جریان سینماتیک را از بین می‌برد. این پیامدهای مهمی در تولید سر و صدا منتقل شده توسط مایع دارد‌، که به عنوان یکی از منابع اصلی انتشار صدا و ارتعاشات مکانیکی برای ماشین‌های جابجایی مثبت در نظر گرفته می‌شود. اگرچه موفقیت تجاری مفهوم CCHGP است‌، اما مطالعات کمی در مورد فیزیک زیر مجموعه اساس کار منتشر شده است.
از این نوع طراحی این بیشتر به دلیل پیچیدگی حوزه سیال است که عملکرد واحدهای CCHGP را مشخص می‌کند. در این مقاله‌، یک مطالعه CFD 3D گذرا برای یک واحد مرجع CCHGP برای کاربردهای قدرت مایع فشار بالا (تا 200 بار) انجام شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی 3D CFD با آنچه در مدل پارامتر توده‌ای تهیه شده در مرکز تحقیقات قدرت سیالات Maha از دانشگاه پردو (ایالات متحده آمریکا) مقایسه شده است مقایسه می‌شود، که قبلاً در برابر نتایج تجربی تأیید شده بود. نتایج نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با یک گسسته سازی مناسب از حوزه سیال‌، از روش شبیه سازی CFD برای مورد واحدهای مارپیچی CCHGP استفاده کرد.
هر دو مدل توصیف خوبی از ویژگی‌های اصلی عملکرد واحد را ارائه می‌دهند. مدل پارامتر توده‌ای سریعتر است‌، بنابراین برای مطالعات بهینه سازی سریع مناسب است. با این حال، نتایج CFD نه تنها می‌تواند برای پشتیبانی از مفروضات اصلی انجام شده در مدل پارامتر توده‌ی مورد استفاده قرار گیرد، بلکه اجازه می‌دهد تا بینش بیشتری در مورد عملکرد واحد CCHGP، به ویژه با توجه به ویژگی‌های جریان فرآیند مشبک شدن، بدست آوریم.

در میان طراحی‌های موجود برای پمپ‌های جابجایی مثبت، پمپ دنده ای خارجی (EGP) در کاربردهایی که به ماشین‌های جابجایی ثابت قوی و ارزان نیاز دارند‌، بسیار موفق هستند. این برنامه‌ها شامل سیستم‌های کنترل هیدرولیک‌، تزریق سوخت‌، سیستم‌های روغن کاری و انتقال روغن‌، شستشو با فشار بالا و سیستم‌های انتقال مایعات هستند. از مزایای اصلی طراحی EGP می توان به هزینه کم تولید‌، بسته جمع و جور‌، قابلیت کار در فشارهای گسترده و سرعت شافت‌، در محدوده وسیعی از ویسکوزیته سیال اشاره کرد.
EGP همچنین به دلیل استحکام و تحمل زیاد در برابر آلودگی مایعات و حفره دهی شناخته می شوند. EGP های معمولی که از طراحی دنده ای استفاده می کنند با یکنواختی جریان حرکتی مشخص می شود که توسط ویژگی های هندسی محفظه‌های داخلی که حجم را به درگاه خروجی جابجا می‌کنند‌، داده می‌شود [1].
برای یک EGP، عدم یکنواختی جریان حرکتی از هندسه مشخصات دنده ناشی می‌شود و منجر به سرعت جریان خروجی نوسانی می‌شود که منجر به ارتعاشات مکانیکی و انتشار صدا می‌شود. اگرچه طراحی دندانه دار دندانه دار چرخشی راه حلی برای EGPs است که پیچیدگی طراحی و هزینه‌های تولید را به حداقل می‌رساند، اما در برخی از برنامه‌های کاربردی که به انتشار سر و صدای کم نیاز دارند، این عدم یکنواختی جریان قابل قبول نیست. تقاضای شدید برای EGP های کم صدا، تحقیقات را به سمت توسعه راه حل‌های طراحی نوآورانه سوق داده است که بتواند موج جریان سینماتیک را به حداقل برساند. در میان آن‌ها، برخی از راه حل‌ها مفهوم استاندارد طراحی دنده مضر را بهبود می‌بخشند.
مثال قابل توجه در این زمینه راه حل دو طرفه است که ابتدا توسط Negrini [2] معرفی شده است، یا پروفیل‌های دندان نامتقارن است که توسط کیتا و همکاران معرفی شده است. [3]، مورسلی [4]، و ژائو و واکا [5]. این طرح‌ها وارث پمپ‌های دنده‌ای مضر هستند، مانند هزینه ساخت پایین. با این حال، غیر یکنواختی جریان حرکتی فقط می‌تواند کاهش یابد‌، اما کاملاً از بین نمی‌رود. جهت دیگری که هر دو تحقیق دانشگاهی و صنعتی در EGP دنبال می‌کنند، راه حل‌های مبتنی بر مشخصات دندان‌های غیر متعارف است.

طراحی ساختار CFD پمپ دنده‌ای

یکی از اولین کارهای منتشر شده در مورد EGP با استفاده از مشخصات قوس دایره‌ای، اثر چن و یانگ است [6]. با این حال، مفهوم معمولاً مورد استفاده در راه حل‌های تجاری ابتدا در حق ثبت اختراع مورسلی شرح داده شد [7].
در سال‌های اخیر، برخی از تولید کنندگان پمپ طرح‌های پمپ دنده Helical-Contact Helical Gear (CCHGP) را بر اساس اصل طراحی فوق الذکر معرفی کرده‌اند [7]. ثابت شده است که این واحدها میزان انتشار سر و صدا را با توجه به
EGP‌های سنتی بسیار کاهش می‌دهند. کانسپت CCHGP از مشخصات روتور کاملاً مزدوج و چرخ دنده‌های مارپیچ استفاده می‌کند و می‌تواند
از بین بردن یکنواختی جریان حرکتی. شکل 1 نمونه‌ای از طراحی پمپ CCHGP را نشان می‌دهد. طرح CCHGP اولین بار توسط مورسلی در [8،9] ارائه شد. در جزئیات بیشتر، ژائو و واکا در کارهای اخیر خود [10] مشخصات پروفیل‌های دنده با تماس مداوم را خلاصه کرده و شرایط طراحی را توصیف کرده‌اند که اجازه می‌دهد حذف کامل یکنواختی جریان حرکتی را از بین ببرد. y علاوه بر این، در کار خود [10]‌، آن‌ها همچنین یک مدل پارامتر توده‌ای پویا برای سیالات را ارائه می‌دهند که اجازه می‌دهد تا تجزیه و تحلیل جریان حرکتی را به یک ابزار شبیه سازی کامل پویای سیال برای CCHGP‌ها گسترش دهید.
در این کار گذشته، آن‌ها همچنین نتایج خود را از آزمایشات انجام شده در یک واحد تجاری تأیید می‌کنند. مفروضات ارائه شده در یک مدل شبیه سازی دینامیکی پارامتر توده‌ای مانند آنچه در [10] پیشنهاد شده است. که در مطالعه حاضر نیز به عنوان مرجع در نظر گرفته شده است. به ویژه مربوط به پیش بینی رفتارهای دینامیکی سیال واحد بسیار قوی هستند. این امر به ویژه برای مطالعه ویژگی‌های دینامیکی سیال فرآیند مش بندی درست است، جایی که جنبه‌های هندسه‌، اثرات هوادهی و حفره  و همچنین ویژگی‌های جریان سه بعدی مهم می‌شوند. به همین دلیل، اگرچه در [10] برای کارایی کلی حجمی و موج‌دار شدن فشار خروجی مطابقت خوبی بین داده‌های تجربی و نتایج شبیه سازی حاصل شد، نویسندگان تصمیم گرفتند که یک مطالعه گسترده‌تر شبیه سازی سه بعدی را برای یک واحد CCHGP دنبال کنند. محیط شبیه سازی انتخاب شده برای رویکرد کامل CFD کد CFD تجاری Simerics MP + است (همچنین به عنوان PumpLinx شناخته می‌شود)، که قبلاً در گذشته با موفقیت برای تجزیه و تحلیل EGP‌های غیرمعمول سنتی، از هر دو نوع خار و مارپیچ استفاده شده بود]