1. Generisanje aksijalne sile i principi balansiranja

Aksijalne sile su višestepene  vertikalne turbinske pumpe  prvenstveno se sastoje od dvije komponente:

● Komponenta centrifugalne sile:Radijalni tok tekućine zbog centrifugalne sile stvara razliku tlaka između prednjeg i stražnjeg poklopca radnog kola, što rezultira aksijalnom silom (obično usmjerenom prema usisnom ulazu).

● Efekat diferencijalnog pritiska:Kumulativna razlika pritiska u svakoj fazi dodatno povećava aksijalnu silu.

Metode balansiranja:

● Simetričan raspored radnog kola:Upotreba impelera sa dvostrukim usisom (tečnost ulazi sa obe strane) smanjuje jednosmernu razliku pritiska, snižavajući aksijalnu silu na prihvatljive nivoe (10%-30%).

● Dizajn balansne rupe:Radijalni ili kosi otvori na stražnjem poklopcu radnog kola preusmjeravaju tekućinu pod visokim pritiskom natrag na ulaz, uravnotežujući razlike tlaka. Veličina rupe se mora optimizirati pomoću proračuna dinamike fluida kako bi se izbjegao gubitak efikasnosti.

● Reverzni dizajn oštrice:Dodavanje obrnutih noževa (suprotno od glavnih noževa) u posljednjoj fazi stvara kontracentrifugalnu silu za otklanjanje aksijalnih opterećenja. Obično se koristi u pumpama visokog pritiska (npr. višestepene vertikalne turbinske pumpe).

2. Generisanje radijalnog opterećenja i balansiranje

Radijalna opterećenja proizlaze iz inercijskih sila tokom rotacije, neravnomjerne distribucije dinamičkog pritiska tekućine i zaostale neravnoteže u masi rotora. Akumulirana radijalna opterećenja u višestepenim pumpama mogu uzrokovati pregrijavanje ležaja, vibracije ili neusklađenost rotora.

Strategije balansiranja:

● Optimizacija simetrije radnog kola:

o Neparno-parno podudaranje oštrica (npr. 5 noževa + 7 noževa) ravnomjerno raspoređuje radijalne sile.

o Dinamičko balansiranje osigurava da se težište svakog radnog kola poravna sa osom rotacije, minimizirajući zaostalu neravnotežu.

● Konstruktivno ojačanje:

o Kruta srednja kućišta ležaja ograničavaju radijalni pomak.

o Kombinovani ležajevi (npr. dvoredni potisni kuglični ležajevi + cilindrični valjkasti ležajevi) podnose aksijalna i radijalna opterećenja odvojeno.

● Hidraulična kompenzacija:

o Vodiće lopatice ili povratne komore u zazorima radnog kola optimizuju puteve protoka, smanjujući lokalne vrtloge i fluktuacije radijalnih sila.

3. Prijenos opterećenja u višestepenim radnim kolima

Aksijalne sile se akumuliraju po fazama i njima se mora upravljati kako bi se spriječile koncentracije naprezanja:

● Postepeno balansiranje:Instaliranje diska za ravnotežu (npr. u višestepenim centrifugalnim pumpama) koristi razlike pritiska u aksijalnom razmaku za automatsko podešavanje aksijalnih sila.

● Optimizacija krutosti:Osovine pumpe su napravljene od legura visoke čvrstoće (npr. 42CrMo) i potvrđene su analizom konačnih elemenata (FEA) za granice ugiba (obično ≤ 0.1 mm/m).

4. Inženjerska studija slučaja i provjera proračuna

Primjer:Hemijska višestepena vertikalna turbinska pumpa (6 stupnjeva, ukupna visina 300 m, protok 200 m³/h):

● Proračun aksijalne sile:

o Početni dizajn (propeler sa jednim usisom): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), što rezultira 1.8×106N.

o Nakon pretvaranja u dvousisno radno kolo i dodavanja balansnih rupa: Aksijalna sila smanjena na 5×105N, zadovoljavajući standarde API 610 (≤1.5× nazivni moment snage).

● Simulacija radijalnog opterećenja:

o ANSYS Fluent CFD je otkrio lokalne vrhove pritiska (do 12 kN/m²) u neoptimiziranim impelerima. Uvođenjem vodećih lopatica smanjeni su vrhovi za 40% i porast temperature ležaja za 15°C.

5. Ključni kriteriji dizajna i razmatranja

● Granice aksijalne sile: Tipično ≤ 30% zatezne čvrstoće vratila pumpe, sa temperaturom potisnog ležaja ≤ 70°C.

● Kontrola zazora radnog kola: Održava se između 0.2-0.5 mm (premalo uzrokuje trenje; preveliko dovodi do curenja).

● Dinamičko testiranje: Testovi balansiranja pri punoj brzini (G2.5 razred) osiguravaju stabilnost sistema prije puštanja u rad.

zaključak

Balansiranje aksijalnih i radijalnih opterećenja u višestepenim vertikalnim turbinskim pumpama je složen izazov za inženjering sistema koji uključuje dinamiku fluida, mehanički dizajn i nauku o materijalima. Optimiziranje geometrije radnog kola, integracija uređaja za balansiranje i precizni proizvodni procesi značajno povećavaju pouzdanost i vijek trajanja pumpe. Budući napredak u numeričkim simulacijama vođenim umjetnom inteligencijom i aditivnoj proizvodnji dodatno će omogućiti personalizirani dizajn radnog kola i dinamičku optimizaciju opterećenja.

Napomena: Prilagođeni dizajn za specifične aplikacije (npr. svojstva fluida, brzina, temperatura) mora biti u skladu sa međunarodnim standardima kao što su API i ISO.