1. تعريف فجوة المكره وتأثيراتها الرئيسية

فجوة المكره هي الخلوص الشعاعي بين المكره وغلاف المضخة (أو حلقة ريشة التوجيه)، وتتراوح عادةً بين 0.2 مم و0.5 مم. تؤثر هذه الفجوة بشكل كبير على أداء  مضخات توربينية عمودية متعددة المراحل في جانبين رئيسيين:

● الخسائر الهيدروليكية: تؤدي الفجوات المفرطة إلى زيادة تدفق التسرب، مما يقلل من الكفاءة الحجمية؛ وقد تؤدي الفجوات الصغيرة للغاية إلى تآكل الاحتكاك أو التجويف.

● خصائص التدفق: يؤثر حجم الفجوة بشكل مباشر على انتظام التدفق عند مخرج المكره، وبالتالي يؤثر على منحنيات الرأس والكفاءة.

2. الأساس النظري لتحسين فجوة المكره

2.1 تحسين الكفاءة الحجمية

يتم تعريف الكفاءة الحجمية (ηₛ) على أنها نسبة تدفق الإخراج الفعلي إلى التدفق النظري:

ηₛ = 1 − QQleak

حيث Qleak هو تدفق التسرب الناتج عن فجوة المكره. تحسين الفجوة يقلل التسرب بشكل ملحوظ. على سبيل المثال:

● يؤدي تقليل الفجوة من 0.3 مم إلى 0.2 مم إلى تقليل التسرب بنسبة 15-20%.

● في المضخات متعددة المراحل، يمكن للتحسين التراكمي عبر المراحل تحسين الكفاءة الإجمالية بنسبة تتراوح بين 5% إلى 10%.

2.2 تقليل الخسائر الهيدروليكية

يؤدي تحسين الفجوة إلى تحسين انتظام التدفق عند مخرج المكره، مما يقلل من الاضطراب، وبالتالي يقلل من فقدان الضغط. على سبيل المثال:

● تظهر عمليات محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية أن تقليل الفجوة من 0.4 ملم إلى 0.25 ملم يقلل من الطاقة الحركية المضطربة بنسبة 30%، وهو ما يتوافق مع انخفاض استهلاك طاقة العمود بنسبة 4-6%.

2.3 تحسين أداء التجويف

تُفاقم الفجوات الكبيرة نبضات الضغط عند المدخل، مما يزيد من خطر التجويف. يُسهم تحسين هذه الفجوة في استقرار التدفق ويرفع هامش NPSHr (رأس الشفط الإيجابي الصافي)، وهو فعال بشكل خاص في ظروف التدفق المنخفض.

3. التحقق التجريبي وحالات الهندسة

3.1 بيانات الاختبارات المعملية

أجرى معهد أبحاث اختبارات مقارنة على مضخة توربينية عمودية متعددة المراحل (المعلمات: 2950 دورة في الدقيقة، 100 متر مكعب/ساعة، 200 متر رأس).

3.2 أمثلة للتطبيقات الصناعية

● تحديث مضخة الدورة البتروكيماوية: نجحت إحدى المصافي في تقليص فجوة الدافع من 0.4 ملم إلى 0.28 ملم، مما أدى إلى تحقيق وفورات سنوية في الطاقة بلغت 120 كيلووات ساعة وانخفاض بنسبة 8% في تكاليف التشغيل.

● تحسين مضخة حقن المنصات البحرية: باستخدام قياس التداخل بالليزر للتحكم في الفجوة (±0.02 مم)، تحسنت الكفاءة الحجمية للمضخة من 81% إلى 89%، مما أدى إلى حل مشكلات الاهتزاز الناجمة عن الفجوات المفرطة.

4. طرق التحسين وخطوات التنفيذ

4.1 النموذج الرياضي لتحسين الفجوة

بناءً على قوانين تشابه مضخة الطرد المركزي ومعاملات التصحيح، فإن العلاقة بين الفجوة والكفاءة هي:

η = η₀(1 − k·δD)

حيث δ هي قيمة الفجوة، وD هو قطر المكره، وk هو معامل تجريبي (عادة 0.1–0.3).

4.2 تقنيات التنفيذ الرئيسية

●التصنيع الدقيق: تحقق ماكينات CNC وأدوات الطحن دقة على مستوى الميكرومتر (IT7–IT8) للمكرهات والأغطية.

●القياس في الموقع: تعمل أدوات محاذاة الليزر ومقاييس السُمك بالموجات فوق الصوتية على مراقبة الفجوات أثناء التجميع لتجنب الانحرافات.

● التعديل الديناميكي: بالنسبة للوسائط ذات درجة الحرارة العالية أو المسببة للتآكل، يتم استخدام حلقات الختم القابلة للاستبدال مع الضبط الدقيق القائم على البراغي.

4.3 الاعتبارات

● توازن الاحتكاك والتآكل: تؤدي الفجوات الصغيرة إلى زيادة التآكل الميكانيكي؛ لذا يجب موازنة صلابة المواد (على سبيل المثال، Cr12MoV للمروحيات، وHT250 للغلافات) وظروف التشغيل.

● تعويض التمدد الحراري: تكون الفجوات المحجوزة (0.03–0.05 ملم) ضرورية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية (على سبيل المثال، مضخات الزيت الساخن).

5. الاتجاهات المستقبلية

●تصميم رقمي: ستعمل خوارزميات التحسين المعتمدة على الذكاء الاصطناعي (على سبيل المثال، الخوارزميات الجينية) على تحديد الفجوات المثالية بسرعة.

●التصنيع الإضافي: تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن تصميم غلاف المكره المتكامل، مما يقلل من أخطاء التجميع.

●المراقبة الذكية: ستتيح أجهزة استشعار الألياف الضوئية المقترنة بالتوائم الرقمية مراقبة الفجوة في الوقت الفعلي والتنبؤ بتدهور الأداء.

وفي الختام

يُعد تحسين فجوة المكره من أكثر الطرق المباشرة لتحسين كفاءة مضخات التوربينات العمودية متعددة المراحل. ويمكن من خلال الجمع بين التصنيع الدقيق والتعديل الديناميكي والمراقبة الذكية تحقيق مكاسب في الكفاءة تتراوح بين 5% و15%، وتقليل استهلاك الطاقة، وخفض تكاليف الصيانة. ومع التقدم في التصنيع والتحليلات، سيتطور تحسين الفجوة نحو دقة وذكاء أعلى، ليصبح تقنية أساسية في تحديث طاقة المضخات.

ملحوظة: يجب أن تتكامل الحلول الهندسية العملية مع خصائص الوسائط، وظروف التشغيل، والقيود المتعلقة بالتكلفة، والتي يتم التحقق من صحتها من خلال تحليل تكلفة دورة الحياة (LCC).