1. Načela stvaranja aksijalne sile i uravnoteženja

Aksijalne sile u više stupnjeva  vertikalne turbinske pumpe  prvenstveno se sastoje od dvije komponente:

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

● Učinak razlike tlaka:Kumulativna razlika tlaka u svakom stupnju dodatno povećava aksijalnu silu.

Metode balansiranja:

● Simetričan raspored impelera:Korištenje impelera s dvostrukim usisom (tekućina ulazi s obje strane) smanjuje jednosmjernu razliku tlaka, snižavajući aksijalnu silu na prihvatljive razine (10%-30%).

● Dizajn rupe za ravnotežu:Radijalne ili kose rupe na stražnjem poklopcu impelera preusmjeravaju visokotlačnu tekućinu natrag na ulaz, uravnotežujući razlike tlaka. Veličina otvora mora se optimizirati proračunima dinamike fluida kako bi se izbjegao gubitak učinkovitosti.

● Dizajn obrnute oštrice:Dodavanje obrnutih lopatica (nasuprot glavnim lopaticama) u posljednjoj fazi generira protucentrifugalnu silu za pomicanje aksijalnih opterećenja. Obično se koristi u crpkama s visokim pritiskom (npr. višestupanjske vertikalne turbinske pumpe).

2. Generiranje i balansiranje radijalnog opterećenja

Radijalna opterećenja potječu od sila inercije tijekom rotacije, neravnomjerne raspodjele dinamičkog tlaka tekućine i zaostale neravnoteže u masi rotora. Akumulirana radijalna opterećenja u višestupanjskim pumpama mogu uzrokovati pregrijavanje ležajeva, vibracije ili neusklađenost rotora.

Strategije balansiranja:

● Optimizacija simetrije rotora:

o Usklađivanje neparnih i parnih noževa (npr. 5 noževa + 7 noževa) ravnomjerno raspoređuje radijalne sile.

o Dinamičko balansiranje osigurava da je težište svakog rotora poravnato s rotacijskom osi, smanjujući zaostalu neravnotežu.

● Strukturno ojačanje:

o Kruta međuležajna kućišta ograničavaju radijalni pomak.

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

● Hidraulička kompenzacija:

o Vodeće lopatice ili povratne komore u zazorima rotora optimiziraju putove protoka, smanjujući lokalne vrtloge i fluktuacije radijalne sile.

3. Prijenos opterećenja u višestupanjskim impelerima

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

● Stage-wise balansiranje:Instaliranje diska za ravnotežu (npr. u višestupanjskim centrifugalnim crpkama) koristi razlike u tlaku aksijalnog raspora za automatsko podešavanje aksijalnih sila.

● Optimizacija krutosti:Osovine pumpi izrađene su od legura visoke čvrstoće (npr. 42CrMo) i validirane analizom konačnih elemenata (FEA) za granice otklona (obično ≤ 0.1 mm/m).

4. Inženjerska studija slučaja i verifikacija proračuna

Primjer:Kemijska višestupanjska vertikalna turbinska pumpa (6 stupnjeva, ukupna visina visine 300 m, protok 200 m³/h):

● Izračun aksijalne sile:

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

o Nakon pretvorbe u rotor s dvostrukim usisavanjem i dodavanja rupa za ravnotežu: aksijalna sila smanjena na 5×105N, u skladu sa standardima API 610 (≤1.5× nazivni okretni moment).

● Simulacija radijalnog opterećenja:

o ANSYS Fluent CFD otkrio je lokalne vršne pritiske (do 12 kN/m²) u neoptimiziranim impelerima. Uvođenje vodećih lopatica smanjilo je vrhove za 40% i porast temperature ležaja za 15°C.

5. Ključni kriteriji dizajna i razmatranja

● Ograničenja aksijalne sile: Tipično ≤ 30% vlačne čvrstoće vratila pumpe, s temperaturom potisnog ležaja ≤ 70°C.

● Kontrola zazora rotora: Održava se između 0.2-0.5 mm (premala uzrokuje trenje; prevelika dovodi do curenja).

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

Zaključak

Balansiranje aksijalnih i radijalnih opterećenja u višestupanjskim vertikalnim turbinskim pumpama složen je inženjerski izazov sustava koji uključuje dinamiku fluida, mehanički dizajn i znanost o materijalima. Optimiziranje geometrije rotora, integriranje uređaja za balansiranje i precizni proizvodni procesi značajno povećavaju pouzdanost i vijek trajanja crpke. Budući napredak u numeričkim simulacijama vođenim umjetnom inteligencijom i aditivnoj proizvodnji dodatno će omogućiti personalizirani dizajn impelera i optimizaciju dinamičkog opterećenja.

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