1. Generació de forces axials i principis d'equilibri

Les forces axials en fases múltiples  bombes de turbina verticals  es componen principalment de dos components:

● Component de la força centrífuga:El flux radial líquid a causa de la força centrífuga crea un diferencial de pressió entre les cobertes frontal i posterior de l'impulsor, donant lloc a una força axial (normalment dirigida cap a l'entrada d'aspiració).

● Efecte diferencial de pressió:La diferència de pressió acumulada a cada etapa augmenta encara més la força axial.

Mètodes d'equilibri:

● Disposició de l'impulsor simètric:L'ús d'impulsors de doble succió (líquid entra per ambdós costats) redueix la pressió diferencial unidireccional, reduint la força axial a nivells acceptables (10%-30%).

● Disseny del forat d'equilibri:Els forats radials o oblics de la coberta posterior de l'impulsor redirigeixen el líquid d'alta pressió cap a l'entrada, equilibrant les diferències de pressió. La mida del forat s'ha d'optimitzar mitjançant càlculs de dinàmica de fluids per evitar pèrdues d'eficiència.

● Disseny de fulla inversa:L'addició de fulles inverses (oposades a les fulles principals) en l'última etapa genera força contracentrífuga per compensar les càrregues axials. S'utilitza habitualment en bombes de gran altura (per exemple, bombes de turbina vertical multietapa).

2. Generació i equilibri de càrrega radial

Les càrregues radials s'originen per forces d'inèrcia durant la rotació, distribució desigual de la pressió dinàmica del líquid i desequilibri residual en la massa del rotor. Les càrregues radials acumulades a les bombes de diverses etapes poden provocar un sobreescalfament dels coixinets, vibracions o desalineació del rotor.

Estratègies d'equilibri:

● Optimització de la simetria de l'impulsor:

o La concordança de fulles parelles i imparells (per exemple, 5 fulles + 7 fulles) distribueix les forces radials de manera uniforme.

o L'equilibri dinàmic garanteix que el centroide de cada impulsor s'alinea amb l'eix de rotació, minimitzant el desequilibri residual.

● Reforç estructural:

o Les carcasses de coixinets intermedis rígids restringeixen el desplaçament radial.

o Els coixinets combinats (per exemple, coixinets de boles d'empenta de doble fila + coixinets de rodets cilíndrics) gestionen les càrregues axials i radials per separat.

● Compensació hidràulica:

o Les pales de guia o les cambres de retorn en els espais lliures dels impulsors optimitzen els camins de flux, reduint els vòrtexs locals i les fluctuacions de la força radial.

3. Transmissió de càrrega en impulsors multietapa

Les forces axials s'acumulen per etapes i s'han de gestionar per evitar concentracions d'estrès:

● Equilibri per escenaris:La instal·lació d'un disc d'equilibri (per exemple, en bombes centrífugues multietapa) utilitza diferències de pressió axial per ajustar automàticament les forces axials.

● Optimització de la rigidesa:Els eixos de les bombes estan fets d'aliatges d'alta resistència (per exemple, 42CrMo) i validats mitjançant anàlisi d'elements finits (FEA) per als límits de deflexió (normalment ≤ 0.1 mm/m).

4. Cas pràctic d'enginyeria i verificació de càlculs

Exemple:Una bomba de turbina vertical multietapa química (6 etapes, alçada total 300 m, cabal 200 m³/h):

● Càlcul de la força axial:

o Disseny inicial (impulsor d'aspiració simple): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), resultant 1.8×106N.

o Després de convertir a un impulsor de doble succió i afegir forats d'equilibri: la força axial es redueix a 5 × 105 N, complint amb els estàndards API 610 (parell de potència nominal ≤1.5 ​​×).

● Simulació de càrrega radial:

o ANSYS Fluent CFD va revelar pics de pressió locals (fins a 12 kN/m²) en impulsors no optimitzats. La introducció de pales guia va reduir els pics en un 40% i l'augment de la temperatura del coixinet en 15 °C.

5. Criteris i consideracions clau del disseny

● Límits de força axial: normalment ≤ 30% de la resistència a la tracció de l'eix de la bomba, amb temperatura del coixinet d'empenta ≤ 70 °C.

● Control de joc de l'impulsor: Mantingut entre 0.2-0.5 mm (massa petit provoca fricció; massa gran provoca fuites).

● Proves dinàmiques: les proves d'equilibri a tota velocitat (grau G2.5) garanteixen l'estabilitat del sistema abans de la posada en marxa.

Conclusió

L'equilibri de càrregues axials i radials en bombes de turbina verticals multietapa és un repte complex d'enginyeria de sistemes que implica la dinàmica de fluids, el disseny mecànic i la ciència dels materials. L'optimització de la geometria de l'impulsor, la integració de dispositius d'equilibri i els processos de fabricació precisos milloren significativament la fiabilitat i la vida útil de la bomba. Els futurs avenços en simulacions numèriques impulsades per IA i fabricació additiva permetran encara més el disseny de l'impulsor personalitzat i l'optimització de la càrrega dinàmica.

Nota: El disseny personalitzat per a aplicacions específiques (per exemple, propietats del fluid, velocitat, temperatura) ha de complir amb els estàndards internacionals com ara API i ISO.