1. คำจำกัดความและผลกระทบหลักของช่องว่างใบพัด

ช่องว่างใบพัดหมายถึงระยะห่างในแนวรัศมีระหว่างใบพัดและตัวเรือนปั๊ม (หรือวงแหวนใบพัดนำทาง) โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.2 มม. ถึง 0.5 มม. ช่องว่างนี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของ  ปั๊มกังหันแนวตั้งหลายขั้นตอน ในสองด้านหลัก:

● การสูญเสียไฮดรอลิก: ช่องว่างที่มากเกินไปจะเพิ่มการไหลของการรั่วไหล ซึ่งลดประสิทธิภาพเชิงปริมาตร ช่องว่างที่เล็กเกินไปอาจทำให้เกิดการสึกหรอจากแรงเสียดทานหรือการเกิดโพรงอากาศ

● ลักษณะการไหล: ขนาดช่องว่างส่งผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอของการไหลที่ทางออกใบพัด ส่งผลให้เส้นโค้งส่วนหัวและประสิทธิภาพได้รับผลกระทบ

2. พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพช่องว่างใบพัด

2.1 การปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงปริมาตร

ประสิทธิภาพเชิงปริมาตร (ηₛ) ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของอัตราการไหลเอาต์พุตจริงต่ออัตราการไหลตามทฤษฎี:

ηₛ = 1 − QQรั่ว

โดยที่ Qleak คือการไหลของการรั่วไหลที่เกิดจากช่องว่างใบพัด การปรับช่องว่างให้เหมาะสมจะช่วยลดการรั่วไหลได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น:

● การลดช่องว่างจาก 0.3 มม. เหลือ 0.2 มม. จะช่วยลดการรั่วไหลได้ 15–20%

● ในปั๊มหลายขั้นตอน การเพิ่มประสิทธิภาพแบบสะสมในแต่ละขั้นตอนสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมได้ 5–10%

2.2 การลดการสูญเสียของไฮดรอลิก

การปรับช่องว่างให้เหมาะสมจะช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของการไหลที่ทางออกใบพัด ช่วยลดความปั่นป่วน และลดการสูญเสียหัวให้เหลือน้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น:

● การจำลอง CFD แสดงให้เห็นว่าการลดช่องว่างจาก 0.4 มม. เหลือ 0.25 มม. จะช่วยลดพลังงานจลน์ของการปั่นป่วนลง 30% ซึ่งสอดคล้องกับการลดการใช้พลังงานของเพลาลง 4–6%

2.3 การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของการเกิดโพรงอากาศ

ช่องว่างขนาดใหญ่ทำให้แรงดันที่ทางเข้าเพิ่มขึ้น ทำให้มีความเสี่ยงต่อการเกิดโพรงอากาศมากขึ้น การปรับช่องว่างให้เหมาะสมจะช่วยให้การไหลคงที่และเพิ่มค่า NPSHr (หัวดูดสุทธิเป็นบวก) โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะการไหลต่ำ

3. การตรวจสอบการทดลองและกรณีทางวิศวกรรม

3.1 ข้อมูลการทดสอบในห้องปฏิบัติการ

สถาบันวิจัยได้ทำการทดสอบเปรียบเทียบ ปั๊มกังหันแนวตั้งแบบหลายขั้นตอน (พารามิเตอร์: 2950 รอบต่อนาที, 100 ม.³/ชม., ส่วนหัว 200 ม.)

3.2 ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

● การปรับปรุงปั๊มหมุนเวียนปิโตรเคมี: โรงกลั่นได้ลดช่องว่างใบพัดจาก 0.4 มม. เหลือ 0.28 มม. ทำให้ประหยัดพลังงานได้ปีละ 120 กิโลวัตต์ชั่วโมง และลดต้นทุนการดำเนินงานได้ 8%

● การเพิ่มประสิทธิภาพปั๊มฉีดบนแพลตฟอร์มนอกชายฝั่ง: การใช้การรบกวนด้วยเลเซอร์เพื่อควบคุมช่องว่าง (±0.02 มม.) ทำให้ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรของปั๊มได้รับการปรับปรุงจาก 81% เป็น 89% และแก้ไขปัญหาการสั่นสะเทือนที่เกิดจากช่องว่างที่มากเกินไป

4. วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพและขั้นตอนการดำเนินการ

4.1 แบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพช่องว่าง

ตามกฎความคล้ายคลึงของปั๊มหอยโข่งและค่าสัมประสิทธิ์การแก้ไข ความสัมพันธ์ระหว่างช่องว่างและประสิทธิภาพมีดังนี้:

η = η₀(1 − k·δD)

โดยที่ δ คือค่าช่องว่าง D คือเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด และ k คือค่าสัมประสิทธิ์เชิงประจักษ์ (โดยทั่วไปคือ 0.1–0.3)

4.2 เทคโนโลยีการใช้งานที่สำคัญ

●การผลิตที่แม่นยำ: เครื่องจักร CNC และเครื่องมือเจียรให้ความแม่นยำในระดับไมโครเมตร (IT7–IT8) สำหรับใบพัดและตัวเรือน

●การวัดในสถานที่: เครื่องมือจัดตำแหน่งเลเซอร์และเครื่องวัดความหนาอัลตราโซนิกตรวจสอบช่องว่างในระหว่างการประกอบเพื่อหลีกเลี่ยงการเบี่ยงเบน

● การปรับแต่งแบบไดนามิก: สำหรับสื่อที่มีอุณหภูมิสูงหรือกัดกร่อน จะใช้แหวนปิดผนึกแบบเปลี่ยนได้พร้อมการปรับแต่งละเอียดแบบใช้สลักเกลียว

4.3 ข้อควรพิจารณา

● ความสมดุลของแรงเสียดทานและการสึกหรอ: ช่องว่างขนาดเล็กเกินไปจะเพิ่มการสึกหรอทางกล ความแข็งของวัสดุ (เช่น Cr12MoV สำหรับใบพัด HT250 สำหรับตัวเรือน) และสภาวะการทำงานจะต้องสมดุลกัน

● การชดเชยการขยายตัวจากความร้อน: จำเป็นต้องมีช่องว่างที่สำรองไว้ (0.03–0.05 มม.) สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง (เช่น ปั๊มน้ำมันร้อน)

5. แนวโน้มในอนาคต

●การออกแบบดิจิทัล: อัลกอริธึมการเพิ่มประสิทธิภาพที่ใช้ AI (เช่น อัลกอริธึมทางพันธุกรรม) จะกำหนดช่องว่างที่เหมาะสมได้อย่างรวดเร็ว

●การผลิตสารเติมแต่ง: การพิมพ์โลหะแบบ 3 มิติช่วยให้สามารถออกแบบตัวเรือนใบพัดแบบบูรณาการได้ ซึ่งช่วยลดข้อผิดพลาดในการประกอบ

●การตรวจสอบอัจฉริยะ: เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกที่จับคู่กับฝาแฝดทางดิจิทัลจะทำให้สามารถตรวจสอบช่องว่างแบบเรียลไทม์และทำนายการลดลงของประสิทธิภาพได้

สรุป

การเพิ่มประสิทธิภาพช่องว่างใบพัดเป็นหนึ่งในวิธีที่ตรงไปตรงมามากที่สุดในการปรับปรุงประสิทธิภาพของปั๊มกังหันแนวตั้งหลายขั้นตอน การผสมผสานการผลิตที่แม่นยำ การปรับแบบไดนามิก และการตรวจสอบอัจฉริยะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ 5–15% ลดการใช้พลังงาน และลดต้นทุนการบำรุงรักษา ด้วยความก้าวหน้าในการผลิตและการวิเคราะห์ การเพิ่มประสิทธิภาพช่องว่างจะพัฒนาไปสู่ความแม่นยำและความชาญฉลาดที่สูงขึ้น ซึ่งจะกลายเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการปรับปรุงพลังงานของปั๊ม

หมายเหตุ โซลูชันทางวิศวกรรมในทางปฏิบัติจะต้องบูรณาการคุณสมบัติของวัสดุ เงื่อนไขการทำงาน และข้อจำกัดด้านต้นทุน โดยต้องผ่านการตรวจยืนยันผ่านการวิเคราะห์ต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน (LCC)