مضخة طرد مركزي: من التصميم الهيدروليكي إلى مجموعة CAD
انطلاقاً من نقطة تشغيل محددة، أعددت التصميم الهيدروليكي والمجموعة ثلاثية الأبعاد ورسومات التصنيع لمضخة طرد مركزي أحادية المرحلة. يربط المشروع الحسابات بالتنفيذ التصميمي باستخدام Solid Edge.
حالة المشروع: أُعدت الحسابات الهيدروليكية ونموذج CAD والرسومات؛ دون نموذج أولي أو تحليل CFD أو إثبات أداء تجريبي حتى الآن.
المهمة الأساسية
كانت المهمة تحديد الأبعاد الهيدروليكية وإعداد التصميم التفصيلي لمضخة طرد مركزي أحادية المرحلة انطلاقاً من نقطة تشغيل محددة. ويربط التدفق وارتفاع الضخ وسرعة الدوران بين المتطلبات الهيدروليكية والهندسة الناتجة.
مساهمتي
أجريت التصميم الهيدروليكي في Excel وفق منهجية Gülich، ونقلت النتائج إلى تصميم CAD باستخدام Solid Edge. يشمل ذلك نمذجة مكونات المضخة وتجميعها وإعداد الرسومات الهندسية وقوائم الأجزاء.
التصميم الهيدروليكي: من نقطة التشغيل إلى هندسة الدوار والغلاف الحلزوني
تربط حسابات Excel نقطة التشغيل المحددة بأبعاد الدوار وزواياه. ومن هذه المقادير التصميمية تنشأ الحدود الميريديونية ومنحنيات الريش الفراغية ومقاطع الغلاف الحلزوني.
يوثق التسجيل نسخة عمل ما زالت تحتوي على مراجع خلايا غير مكتملة. يشرح النص التالي مسار التصميم ويميز بين القيم المطلوبة والافتراضات والمقادير المحسوبة.
نقطة التشغيل والمعاملات الأولية
يبدأ التصميم بتدفق 85 m³/h وارتفاع ضخ 38 m وسرعة دوران 2,900 min⁻¹. وتُفترض كثافة الماء 1,000 kg/m³. وينتج عن ذلك سرعة نوعية مترية nq تبلغ نحو 29.12 وقدرة هيدروليكية تقارب 8.81 kW. ارتفاع الضخ قيمة تصميمية مطلوبة؛ ولا يتوفر منحنى أداء مقاس لهذه المرحلة.
- التدفق Q
- 85 m³/h
- ارتفاع الضخ H
- 38 m
- سرعة الدوران n
- 2,900 min⁻¹
- السرعة النوعية nq
- 29,12
من التدفق إلى أبعاد الدوار
يؤخذ أولاً تدفق إضافي للتسرب الداخلي عند حساب الجريان عبر الدوار. ترفع زيادة أولية مقدارها 5.5% التدفق التصميمي الداخلي إلى نحو 89.68 m³/h. ويُدرس قطر الدخول وأبعاد الصرة ومساحة الجريان المتاحة معاً. في التصميم المعروض يبلغ d1 نحو 85.04 mm؛ واختير قطر خروج 210 mm وعرض خروج 17.85 mm.
تأخذ الحسابات في الحسبان ست ريش وزاوية خروج معدنية 16° ونماذج لتضييق المجرى بالريش والانزلاق والكفاءة الهيدروليكية. تؤثر هذه المقادير مجتمعة في السرعات وارتفاع الضخ؛ لذلك لا تغني قيمة منفردة مختارة عن مراجعة التصميم كاملاً.
زوايا الدخول وهندسة الريش الفراغية
عند الدخول تتغير السرعة المحيطية وظروف الجريان عبر عرض القناة. لذلك تُدرس الصرة وخط الانسياب الأوسط والغطاء كل على حدة. ومن نسبة السرعة الميريديونية cm1 إلى السرعة المحيطية u1 تُحدد زاوية الجريان، وتضاف إليها في الخطوة المعروضة زيادة لزاوية السقوط مقدارها 2°. وتنتج زوايا دخول معدنية تقارب 40.82° عند الصرة و33.40° في الوسط و27.30° عند الغطاء.
يُقسم كل من المنحنيات الميريديونية الثلاثة إلى عشرة مقاطع. وتُدرج زاوية الريشة من الدخول إلى الخروج. ينتج عن طول المقطع وزاويته المحلية إزاحة محيطية، ومنها مع نصف القطر المحلي تُحسب الزيادة الزاوية لمنحنى إسقاط الريشة. تربط النقاط المحسوبة التصميم الهيدروليكي ببناء سطح الريشة ثلاثي الأبعاد في CAD.
Δu = Δm / tan(β) · Δε = Δu / r
تدفقات التسرب والكفاءة الحجمية
تتناول حسابات منفصلة التسرب عبر الخلوص الحلقي والجريان عبر ستة ثقوب موازنة بقطر 4 mm. وتربط فرق الضغط بهندسة الخلوص ونموذج الاحتكاك. يُحدّث رقم رينولدز ومعامل الاحتكاك وسرعة الجريان في خطوات حسابية متعاقبة.
يعطي النموذج نحو 2.26 m³/h عبر الخلوص و2.30 m³/h عبر الثقوب. وبإضافتهما إلى التدفق المفيد ينتج تدفق داخلي يقارب 89.56 m³/h وكفاءة حجمية حسابية نحو 94.9%. هذه نتيجة نموذج وفق الشروط المفترضة، وليست كفاءة مضخة مقاسة.
تحديد أبعاد الغلاف الحلزوني
يجمع الغلاف الحلزوني التدفق الخارج من الدوار على امتداد المحيط. وباختيار سرعة تجميع نحو 9.57 m/s تنتج في النموذج المستخدم مساحة مرجعية كاملة تقارب 2,468 mm². وعند نسبة عرض إلى ارتفاع تساوي 1 يبلغ كل منهما نحو 49.68 mm.
توزع ورقة «12.28» مساحة المقطع على مواضع محيطية بخطوات 30°. ووفق العلاقة Aε = (ε/360°) A360 تزداد المساحة المخصصة مع الجزء المتجمع من التدفق. ومن العرض المختار يُشتق ارتفاع المقطع ونصف قطر الحد الخارجي. وتكمل إزاحة زاوية 12.28° وتصحيحات هندسية تموضع المقاطع لبناء CAD.
التقدير الأولي للمحور وسلوك السحب
تربط ورقة «ShaftDiameter» القدرة الهيدروليكية بقدرة المحور وعزم دورانه عبر كفاءة مفترضة. عند 0.77 ينتج نحو 11.44 kW و37.66 Nm. تؤدي فرضية الانحناء ومعاملات الحمل ومعامل الأمان إلى قطر أولي على أساس المقاومة يقارب 25.86 mm؛ ويُختار لاحقاً قطر 30 mm. هذا تقدير أولي للأبعاد، وليس فحصاً كاملاً للتعب أو الانحراف.
تقدر الحسابات أيضاً NPSHR انطلاقاً من سرعة نوعية للسحب مختارة. القيمة البالغة نحو 3.92 m تقدير تصميمي. أما NPSHA = 8 m فهي قيمة مدخلة في الورقة. يجب تقييم منظومة السحب الفعلية والتجربة اللاحقة بشكل مستقل.
من القيم المحسوبة إلى هندسة الريشة
قسمت الخط الهيكلي للريشة إلى عشرة مقاطع، وغيرت زاويتها تدريجياً من الدخول إلى الخروج عبر هذه المقاطع. بُني المقطع أولاً على حدود الصرة ثم امتد إلى حدود الغطاء. ويوضح المشروع بذلك تحويل المقادير التصميمية الهيدروليكية إلى هندسة ريشة فراغية.
التصميم كمنظومة مترابطة
توضح عروض التجميع والتفجير ترابط الغلاف والدوار والمحور والأجزاء المرتبطة بها. وتكشف المقاطع الترتيب الداخلي إلى جانب المنظر الخارجي. ويربط استخراج الرسومات عمل CAD بالتحضير لتصنيع الأجزاء.
النتيجة ومرحلة التطوير
تتوفر الحسابات الهيدروليكية والمجموعة ثلاثية الأبعاد ورسومات التصنيع. وتمثل الهندسة تصميماً أولياً مفصلاً. وتحتاج زاوية التفاف الريشة الكبيرة نسبياً تحديداً إلى مراجعة هيدروليكية إضافية. لا يتوفر حتى الآن نموذج أولي أو نتائج CFD أو منحنيات أداء مقاسة.
ما الذي يوضحه المشروع
ينصب التركيز على الربط المتكامل بين الحسابات ونمذجة CAD والوثائق التقنية. تتيح المرحلة المعروضة مناقشة التصميم فنياً؛ ويأتي إثبات أداء المضخة تجريبياً في مرحلة تطوير لاحقة.
