1. Прынцыпы генерацыі восевай сілы і балансіроўкі

Восевыя сілы ў шматступеньчатых  вертыкальныя турбінныя помпы  у асноўным складаецца з двух кампанентаў:

● Складнік цэнтрабежнай сілы:Радыяльны паток вадкасці з-за цэнтрабежнай сілы стварае перапад ціску паміж пярэдняй і задняй вечкамі крыльчаткі, у выніку чаго ўзнікае восевая сіла (звычайна накіраваная да ўваходу ўсмоктвання).

● Эфект перападу ціску:Кумулятыўная розніца ціску на кожнай ступені яшчэ больш павялічвае восевую сілу.

Метады балансавання:

● Сіметрычнае размяшчэнне крыльчаткі:Выкарыстанне крыльчатак падвойнага ўсмоктвання (вадкасць паступае з абодвух бакоў) зніжае аднанакіраваны перапад ціску, зніжаючы восевую сілу да прымальнага ўзроўню (10%-30%).

● Дызайн балансірнай адтуліны:Радыяльныя або касыя адтуліны ў задняй вечку крыльчаткі перанакіроўваюць вадкасць пад высокім ціскам назад на ўваход, ураўнаважваючы перапад ціску. Памер адтуліны павінен быць аптымізаваны з дапамогай разлікаў дынамікі вадкасці, каб пазбегнуць страты эфектыўнасці.

● Дызайн зваротнага ляза:Даданне зваротных лопасцей (насупраць асноўных лопасцей) на апошняй стадыі стварае супрацьцэнтрабежную сілу для кампенсацыі восевых нагрузак. Звычайна выкарыстоўваецца ў помпах з вялікім напорам (напрыклад, у шматступеністых вертыкальных турбінных помпах).

2. Стварэнне і балансіроўка радыяльнай нагрузкі

Радыяльныя нагрузкі ўзнікаюць з-за сіл інэрцыі падчас кручэння, нераўнамернага размеркавання дынамічнага ціску вадкасці і рэшткавага дысбалансу масы ротара. Назапашаныя радыяльныя нагрузкі ў шматступеністых помпах могуць выклікаць перагрэў падшыпнікаў, вібрацыю або зрушэнне ротара.

Стратэгіі балансавання:

● Аптымізацыя сіметрыі працоўнага кола:

o Супастаўленне няцотных і цотных лопасцей (напрыклад, 5 лопасцей + 7 лопасцей) раўнамерна размяркоўвае радыяльныя сілы.

o Дынамічная балансіроўка забяспечвае супадзенне цэнтра цягі кожнага крыльчаткі з воссю кручэння, зводзячы да мінімуму рэшткавы дысбаланс.

● Структурнае ўзмацненне:

o Жорсткія карпусы прамежкавых падшыпнікаў абмяжоўваюць радыяльнае зрушэнне.

o Камбінаваныя падшыпнікі (напрыклад, двухрадковыя ўпорныя шарыкавыя падшыпнікі + цыліндрычныя ролікавыя падшыпнікі) апрацоўваюць восевыя і радыяльныя нагрузкі асобна.

● Гідраўлічная кампенсацыя:

o Накіроўвалыя лопасці або зваротныя камеры ў зазорах крыльчаткі аптымізуюць шляхі патоку, памяншаючы мясцовыя завіхрэнні і радыяльныя ваганні сілы.

3. Перадача нагрузкі ў шматступеністых працоўных колах

Восевыя сілы назапашваюцца паэтапна, і імі трэба кіраваць, каб прадухіліць канцэнтрацыю напружання:

● Паэтапная балансіроўка:Пры ўсталёўцы ўраўнаважваючага дыска (напрыклад, у шматступеністых цэнтрабежных помпах) для аўтаматычнага рэгулявання восевых сіл выкарыстоўваецца розніца ціску ў восевым зазоры.

● Аптымізацыя калянасці:Валы помпаў зроблены з высокатрывалых сплаваў (напрыклад, 42CrMo) і правераны з дапамогай аналізу канечных элементаў (FEA) на межы прагіну (звычайна ≤ 0.1 мм/м).

4. Інжынернае тэматычнае даследаванне і праверка разліку

прыклад:Турбінны помпа хімічны шматступеньчаты (6 прыступак, агульны напор 300 м, расход 200 м³/г):

● Разлік восевай сілы:

o Пачатковая канструкцыя (рабочае кола з адным усмоктваннем): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), у выніку 1.8×106N.

o Пасля пераўтварэння на працоўнае кола з падвойным усмоктваннем і дадання балансірных адтулін: восевая сіла паменшана да 5×105 Н, што адпавядае стандартам API 610 (≤1.5× намінальны крутоўны момант).

● Мадэляванне радыяльнай нагрузкі:

o ANSYS Fluent CFD выявіў лакальныя пікі ціску (да 12 кН/м²) у неаптымізаваных працоўных колах. Увядзенне накіроўвалых лопасцей знізіла пікі на 40% і павышэнне тэмпературы падшыпнікаў на 15°C.

5. Асноўныя крытэрыі праектавання і меркаванні

● Межы восевай сілы: звычайна ≤ 30% трываласці на расцяжэнне вала помпы з тэмпературай упорнага падшыпніка ≤ 70°C.

● Кантроль зазору працоўнага кола: падтрымліваецца ў межах 0.2-0.5 мм (занадта малы выклікае трэнне; занадта вялікі прыводзіць да ўцечкі).

● Дынамічнае тэсціраванне: Выпрабаванні балансавання на поўнай хуткасці (клас G2.5) забяспечваюць стабільнасць сістэмы перад уводам у эксплуатацыю.

Conclusion

Ураўнаважванне восевых і радыяльных нагрузак у шматступеністых вертыкальных турбінных помпах - складаная сістэмная інжынерная задача, якая ўключае дынаміку вадкасці, механічны дызайн і матэрыялазнаўства. Аптымізацыя геаметрыі крыльчаткі, інтэграцыя балансавальных прылад і дакладныя вытворчыя працэсы значна павышаюць надзейнасць і працягласць службы помпы. Будучыя дасягненні ў галіне лічбавага мадэлявання і адытыўнай вытворчасці на аснове штучнага інтэлекту яшчэ больш дазволяць персаналізаваць канструкцыю крыльчаткі і аптымізаваць дынамічную нагрузку.

Заўвага: індывідуальны дызайн для канкрэтных прыкладанняў (напрыклад, уласцівасці вадкасці, хуткасць, тэмпература) павінен адпавядаць міжнародным стандартам, такім як API і ISO.