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Tipos de impulsores em bombas centrífugas

O design do impulsor é o fator mais significativo para determinar o desempenho de uma bomba centrífuga. Um impulsor adequadamente projetado otimiza o fluxo , minimizando a turbulência e maximizando a eficiência .

O impulsor de uma bomba centrífuga pode ser de três tipos básicos :

• Impulsor aberto.  Os impulsores abertos têm as pás livres nos dois lados. Os impulsores abertos são estruturalmente fracos. Eles são normalmente usados ​​em bombas de baixo diâmetro e de baixo custo e bombas que manuseiam sólidos em suspensão.
• Impulsor semiaberto . As palhetas são livres de um lado e fechadas do outro. A cobertura acrescenta força mecânica. Eles também oferecem maior eficiência do que impulsores abertos. Eles podem ser usados ​​em bombas de diâmetro médio e com líquidos contendo pequenas quantidades de sólidos em suspensão. Devido à minimização da recirculação e outras perdas, é muito importante que exista uma pequena folga entre as palhetas do impulsor e a carcaça.
• Impulsor fechado . As palhetas estão localizadas entre os dois discos, todos em uma única peça fundida. Eles são usados ​​em bombas grandes com alta eficiência e baixa cabeça de sucção positiva líquida necessária . As bombas centrífugas com impulsor fechado são as bombas mais usadas no manuseio de líquidos transparentes. Eles contam com anéis de desgaste de folga estreita no impulsor e na carcaça da bomba. O impulsor fechado é um projeto mais complicado e caro, não apenas por causa do impulsor, mas também são necessários anéis de desgaste adicionais.

As pás do impulsor podem ser:

• Design da lâmina com curvatura para trás (design preferido devido à inclinação negativa da curva de desempenho)
• Design radial da lâmina
• Projeto de lâmina com curvatura para a frente (devido às condições de inclinação positiva, esse projeto pode causar oscilação da bomba)

Os impulsores podem ser:

• Sucção única . Um impulsor de sucção única permite que o líquido entre no centro das pás apenas de uma direção.
• Sucção dupla . Um impulsor de sucção dupla permite que o líquido entre no centro das pás do impulsor de ambos os lados simultaneamente. Isso reduz as forças exercidas no eixo.

A pressão de saída muda levemente de acordo com o design usado. As lâminas podem estar abertas ou fechadas. Além disso, o difusor pode ser equipado com palhetas fixas para ajudar a guiar o fluxo em direção à saída. A energia transferida para o líquido corresponde à velocidade na borda do impulsor. Quanto mais rápido o impulsor gira ou quanto maior o impulsor, maior será a velocidade.

Em geral, as bombas centrífugas podem ser classificadas com base na maneira pela qual o fluido flui através da bomba. Não é uma classificação baseada apenas no impulsor, mas sim no projeto da carcaça da bomba e do impulsor . Os três tipos de fluxo através de uma bomba centrífuga são:

• fluxo radial
• fluxo misto (parte radial, parte axial)
• fluxo axial (tipo hélice)

Partes principais de uma bomba centrífuga

Cada bomba centrífuga é composta por centenas de peças. Existem alguns componentes que praticamente todas as bombas centrífugas têm em comum. Esses componentes podem ser subdivididos na extremidade úmida e na extremidade mecânica .

A extremidade úmida da bomba inclui as peças que determinam o desempenho hidráulico da bomba . As duas extremidades úmidas primárias são o impulsor e a carcaça . Em alguns casos, o primeiro rolamento radial pode ser lubrificado com água. Neste caso, também a lata de rolamentos pertence a extremidades úmidas.

A extremidade mecânica inclui as peças que suportam o impulsor dentro da carcaça . A extremidade mecânica da bomba inclui o eixo , a vedação, os rolamentos e a luva do eixo .

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

Teoria das Bombas – Equações de turbomáquinas de Euler

A equação da turbomáquina de Euler , ou às vezes chamada de equação da bomba de Euler , desempenha um papel central na turbomáquina , pois conecta o trabalho específico Y e a geometria e velocidades no impulsor. A equação é baseada nos conceitos de conservação do momento angular e conservação de energia .

As equações da turbomáquina de Euler são:

Torque do eixo: T _eixo     = ρQ (r ₂ V _t2 – r ₁ V _t1 )

Cavalos-força da água: P _w         = ω. _Eixo        T = ρQ (u ₂ V _t2 – u ₁ V _t1 )

Cabeça da bomba: H = P _w / ρgQ = (u ₂ V _t2 – u ₁ V _t1 ) / g

Onde

• r ₁e r ₂ são os diâmetros do impulsor na entrada e na saída, respectivamente.
• u ₁ e u ₂são as velocidades absolutas do impulsor (u ₁ = r _1. ω) na entrada e na saída, respectivamente.
• V _t1 e V _t2 são as velocidades tangenciais do fluxo na entrada e na saída, respectivamente.

As equações da turbomáquina de Euler podem ser usadas para prever o impacto da alteração da geometria do impulsor na cabeça . Não importa quando lidamos com uma bomba ou uma turbina. Se o torque e a velocidade angular tiverem o mesmo sinal , o trabalho está sendo realizado no fluido (uma bomba ou compressor). Se o torque e a velocidade angular são de sinal oposto, o trabalho está sendo extraído do fluido (uma turbina). Assim, para o aspecto de projeto de turbinas e bombas , as equações de Euler são extremamente úteis.

Instabilidade de fluxo

Em geral, existem várias instabilidades que podem ocorrer em sistemas de duas fases . Na engenharia nuclear , o estudo da estabilidade de fluxo multifásico é importante no gerenciamento de acidentes de reatores de água pressurizada e da maior importância em condições normais / anormais em reatores de água fervente .

Em PWRs em operação normal, o fluxo é considerado monofásico. Porém, muitos estudos foram realizados sobre a instabilidade do fluxo em caso de transientes e acidentes (como o acidente com perda de refrigerante – LOCA ou o disparo de RCPs com presença de circulação natural ) , em que oscilações ou reversões de fluxo podem ocorrer. ocorrer.

As oscilações de fluxo são variações no fluxo causadas especialmente por formações vazias e são indesejáveis ​​por várias razões.

• As oscilações de fluxo podem causar tensões mecânicas indesejáveis nos componentes do combustível (como grades espaçadoras). Isso pode levar à falha desses componentes devido à fadiga.
• As oscilações de fluxo afetam as características locais de transferência de calor . No caso de PWRs , a questão crítica de segurança é denominada DNB ( partida da ebulição nucleada ), que causa a formação de uma camada de vapor local , causando uma redução drástica na capacidade de transferência de calor. Verificou-se através de testes que o fluxo de calor crítico (CHF) necessário para a saída da ebulição nucleada (DNB) pode ser reduzido em até 40% quando o fluxo está oscilando. Isso reduz severamente o limite térmico e a densidade de potência ao longo do comprimento do núcleo do reator .

As oscilações de fluxo podem ser um problema durante operações de circulação natural (por exemplo, após o disparo de todos os RCPs). A circulação natural é uma característica importante do projeto e o melhor mecanismo de remoção de calor. Devido às baixas taxas de vazão, pode ocorrer uma ebulição do líquido refrigerante e isso pode formar oscilações de fluxo. Durante a circulação natural, as bolhas de vapor formadas durante uma oscilação de fluxo podem ter efeito suficiente para realmente causar a reversão completa do fluxo no canal afetado.

Nos BWRs, a evaporação do líquido refrigerante ocorre em operação normal e é um fenômeno muito desejado. Por outro lado, a evaporação convectiva no canal de combustível faz com que o padrão de fluxo seja alterado ao longo do canal de combustível, dependendo da taxa de fluxo e da energia térmica. Verificou-se que existem regiões de instabilidade , nas quais podem surgir instabilidades de fluxo em duas fases. Essas instabilidades de fluxo bifásicas são indesejáveis, pois podem resultar em vibrações mecânicas e problemas de controle do sistema, afetar a operação normal, restringir os parâmetros operacionais e influenciar a segurança do reator. Deve-se notar que a estabilidade do fluxo nos BWRs não é uma questão importante há muitos anos, porque é um fenômeno bem conhecido.

Em geral, existem muitas classificações de instabilidades de fluxo. A seguinte classificação é baseada em mecanismos fundamentais termo-hidráulicos:

As instabilidades estáticas são:

• Excursão de fluxo
• Crise fervente
• Tipos de relaxamento, incluindo transição do padrão de fluxo

As instabilidades dinâmicas são:

• Oscilações de ondas de densidade
• Oscilações de queda de pressão
• Oscilações térmicas .

A caracterização adequada das instabilidades e as condições para sua ocorrência podem determinar a operação ideal e segura dos sistemas. A explicação mais aceita para a ocorrência do tipo dinâmico de instabilidades denominadas oscilações de ondas de densidade (DWO) .

A onda de densidade causa um atraso na queda de pressão local causada por uma mudança no fluxo de entrada. Devido a esse atraso, a soma de todas as quedas de pressão locais pode resultar em uma queda total que está fora de fase com o fluxo de entrada. O mecanismo básico que causa instabilidades de fluxo nos BWRs é a onda de densidade. Os períodos característicos dessas oscilações estão associados ao tempo necessário para uma partícula de fluido percorrer todo o loop.

Tipos de instabilidades observadas nos BWRs

• Instabilidades do sistema de controle. As instabilidades do sistema de controle estão relacionadas à ação dos controladores que, através de atuadores, tentam regular algumas das variáveis ​​do reator.
• Instabilidades de fluxo de canal. Este tipo de instabilidade pode ser descrito da seguinte forma: Vamos assumir uma perturbação do fluxo. Essa perturbação causa uma “onda” de vazios viajando para cima através do canal, produzindo uma queda de pressão em duas fases (a queda de pressão aumenta significativamente à medida que a fração de vazios aumenta) que é atrasada em relação à perturbação original. Um aumento na queda de pressão do canal (onda de densidade) pode levar à instabilidade na taxa de fluxo.
• Instabilidade neutrônica-termo-hidráulica acoplada. O tipo dominante de instabilidades nos BWRs comerciais é a instabilidade neutrônica-termo-hidráulica acoplada (também conhecida como instabilidade da reatividade ). A geração de energia em BWRs está diretamente relacionada ao fluxo de nêutrons de combustível , que está fortemente relacionado à fração média de vazios nos canais principais. Esse efeito é conhecido como feedback de reatividade . O feedback de reatividade causado por alterações na fração de vazio ( coeficiente de vazio ) é atrasado à medida que os vazios viajam para cima através do canal de combustível. Em alguns casos, o atraso pode ser longo o suficiente e o feedback nulopode ser forte o suficiente para que a configuração do reator se torne instável. Nesse caso, o fluxo de nêutrons pode oscilar.

Referências especiais:

• Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sessão IX – Documento 26
• Dag Strømsvåg, Mecanismos fundamentais das oscilações das ondas de densidade e o efeito do sub-resfriamento, NTNU, 2011.
• J. March-Leuba, Instabilidades de ondas de densidade em reatores de água fervente. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.

Correlação de Lockhart-Martinelli

Uma abordagem alternativa para calcular a queda de pressão bifásica é o modelo de fases separadas.

Neste modelo, as fases são consideradas fluindo separadamente no canal, cada uma ocupando uma determinada fração da seção transversal do canal e cada uma com uma determinada velocidade . É óbvio que a previsão da fração de vazio é muito importante para esses métodos. Inúmeros métodos estão disponíveis para prever a fração nula.

O método de Lockhart e Martinelli é o método original que previa a queda de pressão de atrito bifásica com base em um multiplicador de atrito para a fase líquida ou a fase vapor :

Ap _{atrito contra aço} = Φ _ltt ² . Lp _l (fase líquida ∆p)

Ap _{atrito contra aço} = Φ _gtt ² . Gp _g (fase de vapor ∆p)

Os fatores de atrito monofásicos do líquido f _le do vapor f _g são baseados na fase monofásica que flui sozinha no canal, em regimes laminar viscoso (v) ou turbulento (t).

∆p _l pode ser calculado classicamente, mas com a aplicação de (1-x) ² na expressão e ∆p _g com aplicação da qualidade de vapor x ^2, respectivamente.

Os multiplicadores bifásicos & Phi _ltt ² e Φ _gtt ²são iguais a:

onde X _tté o parâmetro de Martinelli definido como:

e o valor de C nessas equações depende dos regimes de fluxo do líquido e do vapor. Esses valores estão na tabela a seguir.

A correlação de Lockhart-Martinelli foi considerada adequada para fluxos bifásicos a pressões baixas e moderadas. Para aplicações com pressões mais altas, são recomendados os modelos revisados ​​de Martinelli e Nelson (1948) e Thom (1964).

Queda de Pressão – Modelo de Fluxo Homogêneo

A abordagem mais simples para a previsão de fluxos bifásicos é tratar todo o fluxo bifásico como se fosse líquido , exceto o fluxo na velocidade da mistura bifásica . As quedas de pressão bifásicas para fluxos dentro de tubulações e canais são a soma de três contribuições:

• a queda de pressão estática staticp _estática( cabeça de elevação )
• o momento de queda de pressão momp _mãe ( aceleração de fluidos )
• a queda de pressão de atrito ∆p _frito

A queda de pressão total do fluxo bifásico é então:

Totalp _total = staticp _estático + _momp mãe + _{frp frito}

As quedas de pressão estáticas e de momento podem ser calculadas da mesma forma que no caso de fluxo monofásico e usando a densidade homogênea da mistura :

O termo mais problemática é a queda de pressão de atrito Ap _{atrito contra aço} , o qual é baseado na queda de pressão de fase única que é multiplicado pelo factor de correcção de duas fases ( de atrito homogénea multiplicador – Φ _Lo ² ). Por essa abordagem, o componente de atrito da queda de pressão bifásica é:

onde (dP / dz) _2f  é gradiente de pressão de atrito do fluxo bifásico e (dP / dz) _1f  é gradiente de pressão de atrito se o fluxo inteiro (da taxa de fluxo de massa total G) fluir como líquido no canal ( pressão monofásica padrão gota ). O termo Φ _lo ²  é o multiplicador de atrito homogêneo , que pode ser derivado de acordo com vários métodos. Um dos multiplicadores possíveis é igual a Φ _lo ²  = (1 + x _g (ρ _l / ρ _g – 1))  e, portanto:

Como pode ser visto, este modelo simples sugere que as perdas por atrito bifásicas são, de qualquer forma, superiores às perdas por atrito monofásico. O multiplicador de atrito homogêneo aumenta rapidamente com a qualidade do fluxo .

As qualidades típicas de fluxo em geradores de vapor e núcleos BWR são da ordem de 10 a 20%. A perda de fricção bifásica correspondente seria então 2 a 4 vezes a de um sistema monofásico equivalente.