ساخت پمپ دندهای سوخت مایع توربینهای گازی GE-F5

بخش اول

کلمات کلیدی:

پمپ دنده­ای – توربین گازی GE-F5 – پروفیل دنده – یاتاقان لغزشی – سیل آلومینیومی

چکیده :

یکی از مشخصه¬های مهم توربینهای GE-F5، امکان¬ کار با سوخت مایع وگاز است. برای بهره¬برداری از توربین با سوخت مایع، نیاز به تزریق سوخت به محفظه¬های احتراق می¬باشد. این کار توسط یک پمپ جابجایی مثبت انجام می¬شود که کارکرد مناسب آن اثر مستقیمی روی عملکرد توربین دارد. در این مقاله، چگونگی عملکرد پمپ دنده¬ای مورد استفاده در توربینهای GE-F5 شرح داده شده و درادامه، تکنولوژی تدوین شده برای ساخت آن به تفصیل آمده است. صافی سطح مناسب در قطعات، دقتهای بسیار بالای طولی و شعاعی، تلرانسهای هندسی بسیار بسته و از همه مهمتر پروفیل دنده¬ها، از مهمترین چالشهای ساخت این پمپ¬ها می¬باشد. شرکت ارشیا ضمن دستیابی به روش تولید منحصر به فرد برای این دنده¬ها و مجموعه کامل پمپ، به روابط ریاضی حاکم بر هندسه دنده¬ها دست یافته، که در این مقاله توضیح آن آمده است.

۱. مقدمه

پمپهای دندهای گونه ای از پمپهای جابجایی مثبت هستند که در بسیاری از صنایع استفاده می شوند. این پمپها از سیالات غلیظ تا بسیار رقیق را پمپ می کنند. و البته هرچه سیالیت سیال پمپ شونده بیشتر باشد، انطباقات بسته تری در ساخت پمپ لحاظ می شود.
مهمترین مشخصات این پمپها چندمورد زیر می باشد:
  • استفاده از مکانیزمی مطمئن برای تامین همراستایی دنده¬های محرک و متحرک با محفظه فشارسازی. (استفاده از بالانس هیدرو دینامیکی یا بیرینگ های مناسب)
  • استفاده از آب بندهای فنری که نقش بالانس محوری را نیز برعهده دارند.
  • استفاده از منحنی¬های خاص در پروفیل دنده¬ها برای به تله انداختن سیال و ایجاد فشار.
  • حساسیت بالا نسبت به فاصله محورهای محرک و متحرک که باتوجه به اندازه دنده ها و پروفیل آنها تعیین می¬شود.
باتوجه به حساسیت¬های بالا، برای ساخت پمپهای دنده¬ای، رعایت چند مورد الزامی است.
  • دقت ابعادی بالا برای ساخت تک تک اجزاء پمپ
  • دقت بالا و رعایت تلرانسهای هندسی هنگام مونتاژ پمپ
  • استفاده از آب بندهای مناسب (مخصوصا در این نوع پمپ، آب بندهای مقاوم در برابر گازوئیل)
  • رعایت دقیق الزامات تولید قطعات از قبیل جنس، سختی، عملیات حرارتی و صافی سطح

ساخت پمپ دنده¬ای مذکور، طی چند مرحله انجام شد که اهم آن عبارت¬اند از تعیین متریال و خواص، تعیین تلرانسهای هندسی و ابعادی، تعیین پروفیل دنده¬ها، تعیین وضعیت آب بندی.

سپس قطعات براساس دانش به دست آمده مدل¬سازی و پس از مونتاژ کامپیوتری، تولید شد. نهایتا با درنظرگرفتن کلیه الزامات فنی، پمپ مونتاژ گردید و آماده بهره¬برداری شد.

تصویر ۱ – تصویر کلی پمپ

ساخت پمپ

برای ساخت پمپ دنده¬ای لازم بود دانش فنی مربوط به این پمپها به دست آید.

براین اساس مطالعات گسترده­ای در این زمینه انجام شد و باتوجه به اندازه­گیری و بررسی دقیق نمونه خارجی پمپ (ساخت شرکت ژاپنیShimadzu) و نیز تئوری عملکرد پمپهای دنده­ای، دانش فنی پمپها تدوین گردید.

دانش به دست آمده به طور خلاصه در چند محور تدوین شد:

  • آنالیز شیمیایی اجزاء پمپ و تعیین خواص مکانیکی و سایشی مورد نیاز
  • تعیین ابعاد و تلرانسهای هندسی و نیز انطباقات مربوط به مونتاژ
  • تعیین پروفیل دنده ها
  • تعیین وضعیت و مشخصات سیلهای آب بندی

برای تعیین آنالیز شیمیایی قطعات، علاوه بر انجام آزمایش روی نمونه خارجی، از منابع علمی که در مورد پمپها وجود دارد و نیز تحلیلهای انجام شده روی عملکرد پمپ استفاده شد. همچنین باتوجه به عملکرد پمپ و خصوصیات مورد نیاز اجزاء، خواص مکانیکی و در مواردی عملیات حرارتی مناسب جهت اجزاء پمپ تعیین گردید.

پوسته پمپ و متعلقات آن از جنس آلیاژ آلومینیم (۶۰۶۱) ساخته شدند. این آلیاژ خواص مکانیکی مناسبی دارد (جدول ۱) و در برابر محیطهای خورنده مانند گازوئیل و رطوبت کاملا مقاوم است.

پوسته های پمپ با استفاده از دو پین نسبت به هم ثابت می شوند که این پینها از جنس فولادهای قالبسازی تهیه شدند.

جدول ۱- خواص مکانیکی

Hardness

(HB)

Elongation

(%)

Tensile

(MPa)

Yield

(MPa)

Alloy

۹۵

۱۲

۳۱۰

۲۷۶

AA6061

۲۴۱

۱۱

۱۱۰۰

۷۵۰

۱.۷۲۲۵

شفتهای محرک و متحرک از جنس فولاد عملیات حرارتی پذیر (۱.۷۲۲۵) ساخته شدند. سختی و خواص مکانیکی این فولاد در جدول ۱ آمده است. برای ساخت پمپ، سختی مناسب در قطعات ساخته شده ایجاد شد.

مهمترین پارامتری که هنگام ساخت و مونتاژ یک پمپ دنده­ای باید مدنظر قرار گیرد، انطباقات و تلرانسهای هندسی اجزاء پمپ است. پمپهای دنده­ای برای سیالات مختلفی (از سیالهای غلیظ تا سیال­هایی با گرانروی بسیار کم) استفاده می شود. هرچه سیال، گرانروی کمتری داشته باشد، انطباقات اجزاء پمپ بسته­تر می­ شود.

برای سیال گازوئیل، اختلاف بین دنده­ها و دیواره پوسته، کمتر از ۰۳/۰ میلیمتر است. همچنین شافتهای پمپ بابوشها (بیرینگها) انطباقی در حد ۰۵/۰ میلیمتر دارند. در محور طولی، میزان لقی مجاز کمتر از ۰۳/۰ میلیمتر است که با کمک آب بندهای عینکی شکل و سیلهای آب بندی، این میزان لقی حفظ می شود.

شکل ۲- پروفیل نامتقارن دنده ها

برای تعیین پروفیل دنده­ها، مطالعات علمی گسترده­ای انجام شد. ابتدا بررسی چشمی و اندازه­گیری­های اولیه انجام شد. سپس تئوری چرخ دنده­ها (اعم از چرخ دنده­های انتقال قدرت و چرخ دنده­های مورد استفاده در پمپاژ سیالات) به طور کامل بررسی شد. با این کار، مشخص شد که دنده های مورد استفاده در پمپهای دنده­ای از نوع دنده های انتقال قدرت نبوده و با اینکه از اصول مکانیکی و ریاضی حاکم بر چرخ­دنده­های محرک و متحرک پیروی می­کند، پروفیل متفاوتی دارد.

همانطورکه در شکلهای ۲ تا ۴ دیده می­شود، دنده های مورد استفاده در پمپ چند ویژگی دارند که متقارن نبودن دوسمت دنده ها، فاصله دو محور محرک و متحرک، فضای خالی برای به تله انداختن سیال در پای دنده ها و ایجاد خط آب بند ( به جای سطح آب بند) هنگام درگیری دنده­ها از مهمترین آنهاست.

شکل ۳-مراحل تولید دنده ها

شکل ۴- فضای به تله افتادن سیال

نامتقارن بودن دنده­ها باعث می شود تولید این قطعات به روشهای معمول دنده­زنی قابل انجام نباشد. شرکت ارشیا پس از دستیابی به روابط ریاضی پروفیل دنده­ها، اقدام به تولید آنها به روشی منحصر به فرد نموده است.

شکل ۵- قطعات بدنه پمپ

شکل ۶- سیلهای آلومینیمی

همانطورکه ذکر شد میزان لقی مجاز پمپ در امتداد طول شفتها ۰۳/۰ میلیمتر است. این لقی با کمک سیل­های فولادی و آلومینیومی (شکل ۶) و نیز آب بندهای لاستیکی تامین می­شود. برای رسیدن به شرایط مطلوب، کلیه قطعات مذکور با دقت ۰۱/۰± میلیمتر تولید شد.

شکل ۷- بیرینگهای لغزشی (بوش)

شکل ۸- مراحل ساخت بخشی از مکانیکال سیل