1. Определение и ключови въздействия на междината на работното колело

Хлабината на работното колело се отнася до радиалната хлабина между работното колело и корпуса на помпата (или пръстена на водещата лопатка), обикновено в диапазона от 0.2 mm до 0.5 mm. Тази празнина значително влияе върху производителността на  многостъпални вертикални турбинни помпи в два основни аспекта:

● Хидравлични загуби: Прекомерните пропуски увеличават потока на течове, намалявайки обемната ефективност; прекалено малките междини могат да причинят износване чрез триене или кавитация.

● Характеристики на потока: Размерът на междината пряко влияе върху равномерността на потока на изхода на работното колело, като по този начин влияе върху кривите на напора и ефективността.

2. Теоретична основа за оптимизиране на междината на работното колело

2.1 Подобряване на обемната ефективност

Обемна ефективност (ηₛ) се определя като съотношението на действителния изходен поток към теоретичния поток:

ηₛ = 1 − QQтеч

където Qleak е потокът на утечка, причинен от празнината на работното колело. Оптимизирането на празнината значително намалява изтичането. Например:

● Намаляването на празнината от 0.3 mm на 0.2 mm намалява изтичането с 15–20%.

● При многостъпалните помпи кумулативната оптимизация между етапите може да подобри общата ефективност с 5–10%.

2.2 Намаляване на хидравличните загуби

Оптимизирането на междината подобрява равномерността на потока на изхода на работното колело, намалявайки турбуленцията и по този начин минимизирайки загубата на напор. Например:

● CFD симулациите показват, че намаляването на разстоянието от 0.4 mm до 0.25 mm намалява турбулентната кинетична енергия с 30%, съответстващо на 4–6% намаление на консумацията на енергия на вала.

2.3 Подобряване на ефективността на кавитацията

Големите пролуки засилват пулсациите на налягането на входа, увеличавайки риска от кавитация. Оптимизирането на междината стабилизира потока и повишава маржа на NPSHr (нетна положителна всмукателна височина), особено ефективен при условия на нисък поток.

3. Експериментална проверка и инженерни случаи

3.1 Данни от лабораторни изследвания

Изследователски институт проведе сравнителни тестове на a многостъпална вертикална турбинна помпа (параметри: 2950 rpm, 100 m³/h, 200 m напор).

3.2 Примери за индустриално приложение

● Модернизация на нефтохимическа циркулационна помпа: Рафинерия намали хлабината на работното колело от 0.4 mm на 0.28 mm, постигайки годишно спестяване на енергия от 120 kW·h и 8% намаление на оперативните разходи.

● Оптимизиране на помпата за впръскване на офшорна платформа: Използвайки лазерна интерферометрия за контролиране на пролуката (±0.02 mm), обемната ефективност на помпата се подобри от 81% на 89%, разрешавайки проблемите с вибрациите, причинени от прекомерни пролуки.

4. Методи за оптимизация и стъпки за внедряване

4.1 Математически модел за оптимизиране на пропуски

Въз основа на законите за подобие на центробежните помпи и корекционните коефициенти, връзката между празнина и ефективност е:

η = η₀(1 − k·δD)

където δ е стойността на междината, D е диаметърът на работното колело и k е емпиричен коефициент (обикновено 0.1–0.3).

4.2 Ключови технологии за внедряване

●Прецизно производство: Машините с ЦПУ и шлифовъчните инструменти постигат прецизност на ниво микрометър (IT7–IT8) за работни колела и корпуси.

●Измерване на място: Инструментите за лазерно подравняване и ултразвуковите дебеломери следят празнините по време на монтажа, за да се избегнат отклонения.

● Динамично регулиране: За високотемпературни или корозивни среди се използват сменяеми уплътнителни пръстени с фина настройка на базата на болтове.

4.3 Съображения

● Баланс триене-износване: Малките пролуки увеличават механичното износване; твърдостта на материала (напр. Cr12MoV за работните колела, HT250 за корпусите) и работните условия трябва да бъдат балансирани.

● Компенсация на термично разширение: Запазените междини (0.03–0.05 mm) са необходими за приложения с висока температура (напр. помпи за горещо масло).

5. Бъдещи тенденции

●Дигитален дизайн: Алгоритмите за оптимизация, базирани на AI (напр. генетични алгоритми), бързо ще определят оптималните пропуски.

●Адитивно производство: Металният 3D печат позволява интегрирани дизайни на работно колело и корпус, намалявайки грешките при сглобяване.

●Интелигентно наблюдение: Оптични сензори, съчетани с цифрови близнаци, ще позволят наблюдение в реално време и прогнозиране на влошаване на производителността.

Заключение

Оптимизирането на междината на работното колело е един от най-директните методи за подобряване на ефективността на многостъпалната вертикална турбинна помпа. Комбинирането на прецизно производство, динамична настройка и интелигентно наблюдение може да постигне повишаване на ефективността от 5–15%, намаляване на потреблението на енергия и по-ниски разходи за поддръжка. С напредъка в производството и анализа, оптимизирането на празнините ще се развие към по-висока прецизност и интелигентност, превръщайки се в основна технология за модернизиране на енергията на помпата.

Забележка: Практическите инженерни решения трябва да интегрират средни свойства, експлоатационни условия и ограничения на разходите, валидирани чрез анализ на разходите за жизнения цикъл (LCC).