1. مبادئ توليد القوة المحورية والموازنة

القوى المحورية في المراحل المتعددة  مضخات توربينية عمودية  تتكون في المقام الأول من عنصرين:

● مكون القوة الطاردة المركزية:يؤدي التدفق الشعاعي للسائل بسبب القوة الطاردة المركزية إلى خلق فرق ضغط بين الغطاء الأمامي والخلفي للمكره، مما يؤدي إلى قوة محورية (تتجه عادة نحو مدخل الشفط).

● تأثير فرق الضغط:ويؤدي فرق الضغط التراكمي عبر كل مرحلة إلى زيادة القوة المحورية بشكل أكبر.

طرق التوازن:

● ترتيب المكره المتماثل:يؤدي استخدام مكرهات الشفط المزدوجة (يدخل السائل من كلا الجانبين) إلى تقليل فرق الضغط أحادي الاتجاه، وخفض القوة المحورية إلى مستويات مقبولة (10% -30%).

● تصميم ثقب التوازن:تُعيد الثقوب الشعاعية أو المائلة في الغطاء الخلفي للمروحة توجيه السائل عالي الضغط إلى المدخل، مما يُوازن فروق الضغط. يجب تحسين حجم الثقوب من خلال حسابات ديناميكا الموائع لتجنب انخفاض الكفاءة.

● تصميم الشفرة العكسية:إضافة شفرات عكسية (مقابلة للشفرات الرئيسية) في المرحلة الأخيرة تُولّد قوة طرد مركزي معاكسة لموازنة الأحمال المحورية. تُستخدم عادةً في المضخات عالية الضغط (مثل المضخات التوربينية العمودية متعددة المراحل).

2. توليد الحمل الشعاعي وموازنته

تنشأ الأحمال الشعاعية من قوى القصور الذاتي أثناء الدوران، والتوزيع غير المتساوي للضغط الديناميكي للسائل، واختلال التوازن المتبقي في كتلة الدوار. قد تؤدي الأحمال الشعاعية المتراكمة في المضخات متعددة المراحل إلى ارتفاع درجة حرارة المحمل، أو اهتزازه، أو عدم محاذاة الدوار.

استراتيجيات التوازن:

● تحسين تناسق المكره:

o يؤدي مطابقة الشفرات الفردية والزوجية (على سبيل المثال، 5 شفرات + 7 شفرات) إلى توزيع القوى الشعاعية بالتساوي.

يضمن التوازن الديناميكي أن يتماشى مركز كل مروحة مع المحور الدوراني، مما يقلل من عدم التوازن المتبقي.

● التعزيزات الهيكلية:

o تعمل أغلفة المحمل الوسيطة الصلبة على تقييد الإزاحة الشعاعية.

o تتعامل المحامل المركبة (على سبيل المثال، محامل كروية دفعية مزدوجة الصف + محامل أسطوانية) مع الأحمال المحورية والشعاعية بشكل منفصل.

● التعويض الهيدروليكي:

o تعمل ريش التوجيه أو حجرات العودة في خلوص المكره على تحسين مسارات التدفق، مما يقلل من الدوامات المحلية وتقلبات القوة الشعاعية.

3. نقل الحمل في المكرهات متعددة المراحل

تتراكم القوى المحورية على مراحل ويجب إدارتها لمنع تركيزات الإجهاد:

●الموازنة على مستوى المرحلة:يستخدم تركيب قرص التوازن (على سبيل المثال، في المضخات الطاردة المركزية متعددة المراحل) فروق ضغط الفجوة المحورية لضبط القوى المحورية تلقائيًا.

● تحسين الصلابة:تتكون أعمدة المضخة من سبائك عالية القوة (على سبيل المثال، 42CrMo) ويتم التحقق من صحتها من خلال تحليل العناصر المحدودة (FEA) لحدود الانحراف (عادة ≤ 0.1 مم / م).

4. دراسة الحالة الهندسية والتحقق من الحسابات

على سبيل المثال:مضخة توربينية عمودية متعددة المراحل كيميائية (6 مراحل، ارتفاع إجمالي 300 متر، معدل تدفق 200 متر مكعب/ساعة):

● حساب القوة المحورية:

o التصميم الأولي (مروحة شفط واحدة): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5)، مما أدى إلى 1.8×106 نيوتن.

o بعد التحويل إلى مروحة شفط مزدوجة وإضافة فتحات التوازن: تم تقليل القوة المحورية إلى 5×105 نيوتن، لتتوافق مع معايير API 610 (≤1.5× عزم دوران الطاقة المقدر).

● محاكاة الحمل الشعاعي:

كشف برنامج ANSYS Fluent CFD عن ذروة ضغط محلية (تصل إلى ١٢ كيلو نيوتن/متر مربع) في المراوح غير المُحسّنة. أدى استخدام ريش التوجيه إلى خفض ذروة الضغط بنسبة ٤٠٪، وانخفاض درجة حرارة المحمل بمقدار ١٥ درجة مئوية.

5. معايير واعتبارات التصميم الرئيسية

● حدود القوة المحورية: عادة ≤ 30% من قوة شد عمود المضخة، مع درجة حرارة محمل الدفع ≤ 70 درجة مئوية.

● التحكم في خلوص المكره: يتم الحفاظ عليه بين 0.2-0.5 مم (الحجم الصغير جدًا يسبب احتكاكًا؛ والحجم الكبير جدًا يؤدي إلى التسرب).

● الاختبار الديناميكي: اختبارات الموازنة بالسرعة الكاملة (الدرجة G2.5) تضمن استقرار النظام قبل التشغيل.

وفي الختام

تُعدّ موازنة الأحمال المحورية والشعاعية في مضخات التوربينات العمودية متعددة المراحل تحديًا هندسيًا معقدًا يشمل ديناميكيات الموائع والتصميم الميكانيكي وعلوم المواد. يُحسّن تحسين هندسة المكره، ودمج أجهزة الموازنة، وعمليات التصنيع الدقيقة من موثوقية المضخة وعمرها الافتراضي بشكل كبير. ستُمكّن التطورات المستقبلية في المحاكاة العددية المدعومة بالذكاء الاصطناعي والتصنيع الإضافي من تصميم المكره حسب الطلب وتحسين الأحمال الديناميكية.

ملاحظة: يجب أن يتوافق التصميم المخصص لتطبيقات محددة (على سبيل المثال، خصائص السوائل، والسرعة، ودرجة الحرارة) مع المعايير الدولية مثل API و ISO.