1. Генериране на аксиална сила и принципи на балансиране

Аксиалните сили в много етапи  вертикални турбинни помпи  основно се състоят от два компонента:

● Компонент на центробежната сила:Течният радиален поток поради центробежната сила създава разлика в налягането между предния и задния капак на работното колело, което води до аксиална сила (обикновено насочена към смукателния вход).

● Ефект на диференциално налягане:Кумулативната разлика в налягането във всеки етап допълнително увеличава аксиалната сила.

Методи за балансиране:

● Симетрично разположение на работното колело:Използването на работни колела с двойно засмукване (течността влиза от двете страни) намалява еднопосочната разлика в налягането, намалявайки аксиалната сила до приемливи нива (10%-30%).

● Дизайн на отвора за баланс:Радиални или наклонени отвори в задния капак на работното колело пренасочват течността под високо налягане обратно към входа, като балансират разликите в налягането. Размерът на отвора трябва да бъде оптимизиран чрез изчисления на динамиката на течността, за да се избегне загуба на ефективност.

● Дизайн с обратно острие:Добавянето на обратни лопатки (срещу главните лопатки) в последния етап генерира противоцентробежна сила за компенсиране на аксиалните натоварвания. Обикновено се използва в помпи с висок напор (напр. многостъпални вертикални турбинни помпи).

2. Генериране и балансиране на радиално натоварване

Радиалните натоварвания произтичат от инерционните сили по време на въртене, неравномерното разпределение на динамичното налягане на течността и остатъчния дисбаланс в масата на ротора. Натрупаните радиални натоварвания в многостъпалните помпи могат да причинят прегряване на лагерите, вибрации или разместване на ротора.

Стратегии за балансиране:

● Оптимизиране на симетрията на работното колело:

o Съвпадението на четни и нечетни ножове (напр. 5 ножа + 7 ножа) разпределя равномерно радиалните сили.

o Динамичното балансиране гарантира, че центроидът на всяко работно колело е подравнен с оста на въртене, минимизирайки остатъчния дисбаланс.

● Структурно укрепване:

o Твърдите междинни лагерни корпуси ограничават радиалното изместване.

o Комбинираните лагери (напр. двуредни аксиални сачмени лагери + цилиндрични ролкови лагери) се справят отделно с аксиални и радиални натоварвания.

● Хидравлична компенсация:

o Водещи лопатки или връщащи камери в хлабините на работното колело оптимизират пътищата на потока, намалявайки локалните завихряния и радиалните колебания на силата.

3. Предаване на натоварването в многостепенни работни колела

Аксиалните сили се натрупват поетапно и трябва да се управляват, за да се предотвратят концентрации на напрежение:

● Етапно балансиране:Инсталирането на балансиращ диск (напр. в многостепенни центробежни помпи) използва разликите в налягането на аксиалната междина за автоматично регулиране на аксиалните сили.

● Оптимизиране на твърдостта:Валовете на помпите са изработени от сплави с висока якост (напр. 42CrMo) и валидирани чрез анализ на крайните елементи (FEA) за граници на деформация (обикновено ≤ 0.1 mm/m).

4. Инженерен казус и проверка на изчисленията

Пример:Химическа многостъпална вертикална турбинна помпа (6 степени, общ напор 300 m, дебит 200 m³/h):

● Изчисляване на аксиална сила:

o Първоначален дизайн (работно колело с едно засмукване): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), което води до 1.8×106N.

o След преобразуване към работно колело с двойно засмукване и добавяне на отвори за балансиране: аксиалната сила е намалена до 5×105N, отговаряйки на стандартите API 610 (≤1.5× номинален въртящ момент на мощността).

● Симулация на радиално натоварване:

o ANSYS Fluent CFD разкри локални пикове на налягането (до 12 kN/m²) в неоптимизирани работни колела. Въвеждането на направляващи лопатки намали пиковете с 40% и повишаването на температурата на лагера с 15°C.

5. Ключови критерии и съображения за проектиране

● Граници на аксиалната сила: Обикновено ≤ 30% от якостта на опън на вала на помпата, с температура на аксиалния лагер ≤ 70°C.

● Контрол на хлабината на работното колело: Поддържа се между 0.2-0.5 mm (твърде малък причинява триене; твърде голям води до изтичане).

● Динамично тестване: Тестовете за балансиране на пълна скорост (клас G2.5) осигуряват стабилност на системата преди пускане в експлоатация.

Заключение

Балансирането на аксиални и радиални натоварвания в многостъпални вертикални турбинни помпи е сложно инженерно предизвикателство, включващо динамика на флуидите, механичен дизайн и наука за материалите. Оптимизирането на геометрията на работното колело, интегрирането на устройства за балансиране и прецизните производствени процеси значително подобряват надеждността и продължителността на живота на помпата. Бъдещият напредък в управляваните от изкуствен интелект числени симулации и адитивното производство допълнително ще позволят персонализиран дизайн на работното колело и оптимизиране на динамичното натоварване.

Забележка: Персонализираният дизайн за специфични приложения (напр. свойства на течността, скорост, температура) трябва да отговаря на международни стандарти като API и ISO.