Centrifugaalpomp: van hydraulisch ontwerp tot CAD-samenstelling
Vanuit een opgegeven bedrijfspunt ontwikkelde ik het hydraulisch ontwerp, de 3D-samenstelling en productietekeningen van een eentraps centrifugaalpomp. Het project verbindt berekeningen met de technische uitwerking in Solid Edge.
Projectstatus: Hydraulisch ontwerp, CAD en tekeningen gereed; nog geen prototype, CFD-analyse of experimentele prestatieverificatie.
Uitgangssituatie
De opdracht was een eentraps centrifugaalpomp vanuit een opgegeven bedrijfspunt te dimensioneren en uit te werken. Debiet, opvoerhoogte en toerental verbinden de hydraulische eisen met de resulterende geometrie.
Mijn bijdrage
Ik voerde het hydraulisch ontwerp in Excel uit volgens Gülich en zette de resultaten om in een Solid Edge-model. Dit omvat de pomponderdelen, samenstelling, technische tekeningen en stuklijsten.
Hydraulisch ontwerp: van bedrijfspunt tot waaier- en slakkenhuisgeometrie
De Excel-berekening koppelt het opgegeven bedrijfspunt aan de waaierafmetingen en -hoeken. Deze ontwerpgrootheden bepalen de meridionale contour, driedimensionale schoepcurven en slakkenhuisdoorsneden.
De opname toont een werkversie met onopgeloste celverwijzingen. De toelichting beschrijft het ontwerpproces en maakt onderscheid tussen specificaties, aannames en berekende waarden.
Bedrijfspunt en beginparameters
Het ontwerp begint met een debiet van 85 m³/h, een opvoerhoogte van 38 m en een toerental van 2 900 min⁻¹. De waterdichtheid is gesteld op 1 000 kg/m³. Dit levert een metriek specifiek toerental nq van ongeveer 29.12 en een hydraulisch vermogen van circa 8.81 kW. De opvoerhoogte is een ontwerpeis; een gemeten pompkarakteristiek is nog niet beschikbaar.
- Debiet Q
- 85 m³/h
- Opvoerhoogte H
- 38 m
- Toerental n
- 2 900 min⁻¹
- Specifiek toerental nq
- 29,12
Van debiet naar waaierafmetingen
Voor interne lekkage wordt eerst een toeslag op het waaierdebiet opgenomen. Een begintoeslag van 5.5% geeft een intern ontwerpdebiet van circa 89.68 m³/h. Inlaatdiameter, naafafmetingen en vrije doorstroomoppervlakte worden samen beoordeeld. In het getoonde ontwerp is d1 ongeveer 85.04 mm; de gekozen uitlaatdiameter is 210 mm en de uitlaatbreedte 17.85 mm.
De berekening gebruikt zes schoepen, een metalen uittredehoek van 16° en modellen voor schoepblokkering, slip en hydraulisch rendement. Samen beïnvloeden ze snelheden en opvoerhoogte. Eén gekozen waarde vervangt daarom geen beoordeling van het volledige ontwerp.
Inlaathoeken en driedimensionale schoepgeometrie
Bij de inlaat variëren omtreksnelheid en stroming over de kanaalbreedte. Daarom worden naaf, gemiddelde stroomlijn en dekschijf afzonderlijk behandeld. De verhouding van meridionale snelheid cm1 tot omtreksnelheid u1 bepaalt de stromingshoek, waaraan in de getoonde stap 2° invalshoektoeslag wordt toegevoegd. Dit geeft metalen inlaathoeken van circa 40.82° aan de naaf, 33.40° in het midden en 27.30° aan de dekschijf.
Elk van de drie meridionale contouren wordt in tien segmenten verdeeld. De schoephoek varieert van inlaat tot uitlaat. Segmentlengte en lokale hoek geven een omtreksverplaatsing die samen met de straal de hoekstap van de geprojecteerde schoepcurve bepaalt. De berekende punten verbinden het hydraulisch ontwerp met het driedimensionale CAD-schoepoppervlak.
Δu = Δm / tan(β) · Δε = Δu / r
Lekstromen en volumetrisch rendement
Een aparte berekening behandelt lekkage door de ringspleet en stroming door zes balansgaten van 4 mm. Drukverschil, spleetgeometrie en wrijving worden gekoppeld. Reynoldsgetal, wrijvingsfactor en stroomsnelheid worden in opeenvolgende stappen bijgewerkt.
Het model geeft circa 2.26 m³/h door de spleet en 2.30 m³/h door de gaten. Met het nuttige debiet resulteert circa 89.56 m³/h intern debiet en ongeveer 94.9% berekend volumetrisch rendement. Dit is een modelresultaat onder de aangenomen omstandigheden, geen gemeten pomprendement.
Dimensionering van het slakkenhuis
Het slakkenhuis verzamelt de stroming rond de waaieromtrek. Een gekozen verzamelsnelheid van circa 9.57 m/s geeft in het model een totale referentiedoorsnede van ongeveer 2 468 mm². Een breedte-hoogteverhouding van 1 geeft circa 49.68 mm in beide richtingen.
Werkblad ‘12.28’ verdeelt de doorsnede in stappen van 30° over de omtrek. Met Aε = (ε/360°) A360 neemt de toegewezen doorsnede toe met het verzamelde debietaandeel. Hoogte en buitencontourstraal volgen uit de gekozen breedte. Een hoekoffset van 12.28° en geometrische correcties bepalen de uiteindelijke plaatsing voor CAD.
Voorlopige asdimensionering en aanzuiggedrag
Werkblad ‘ShaftDiameter’ koppelt hydraulisch vermogen via een aangenomen rendement aan asvermogen en koppel. Bij 0.77 geeft dit circa 11.44 kW en 37.66 Nm. Aangenomen buiging, belastingsfactoren en veiligheid leveren een eerste sterktediameter van circa 25.86 mm; later wordt 30 mm gekozen. Dit is een voorontwerp, geen volledige vermoeiings- of doorbuigingsanalyse.
De berekening schat ook NPSHR uit een gekozen specifiek zuigtoerental. De circa 3.92 m is een ontwerpschatting. NPSHA = 8 m is opgegeven in het werkblad. De werkelijke aanzuiginstallatie en latere proeven moeten afzonderlijk worden beoordeeld.
Van berekende waarden naar schoepgeometrie
Ik verdeelde de schoepmiddellijn in tien segmenten en liet de schoephoek van inlaat tot uitlaat variëren. Het profiel werd eerst op de naafcontour opgebouwd en daarna naar de dekschijf uitgebreid. Het project laat zien hoe hydraulische ontwerpgrootheden naar driedimensionale schoepgeometrie worden vertaald.
Ontwerpen als samenhangend systeem
Samenstellings- en explosietekeningen tonen de samenhang tussen huis, waaier, as en bijbehorende onderdelen. Doorsneden maken de interne opbouw zichtbaar. De tekeningen verbinden het CAD-werk met productievoorbereiding.
Resultaat en ontwikkelingsstatus
Hydraulische berekening, 3D-samenstelling en productietekeningen zijn beschikbaar. De geometrie is een uitgewerkt eerste ontwerp. Vooral de relatief grote schoepomsluitingshoek vraagt verdere hydraulische beoordeling. Er zijn nog geen prototype, CFD-resultaten of gemeten karakteristieken.
Wat het project aantoont
De nadruk ligt op de verbinding tussen berekeningen, CAD en documentatie gedurende het ontwerp. De huidige fase maakt technische bespreking mogelijk; experimentele verificatie van de pompprestaties is een volgende ontwikkelingsstap.
