1. Generování axiálních sil a principy vyvažování

Axiální síly jsou vícestupňové  vertikální turbínová čerpadla  se skládají především ze dvou složek:

● Složka odstředivé síly:Radiální proudění kapaliny v důsledku odstředivé síly vytváří tlakový rozdíl mezi předním a zadním krytem oběžného kola, což má za následek axiální sílu (typicky směrovanou k sacímu vstupu).

● Efekt tlakového rozdílu:Kumulativní tlakový rozdíl v každém stupni dále zvyšuje axiální sílu.

Metody vyvažování:

● Symetrické uspořádání oběžného kola:Použití oběžných kol s dvojitým sáním (kapalina vstupuje z obou stran) snižuje jednosměrný tlakový rozdíl a snižuje axiální sílu na přijatelnou úroveň (10%-30%).

● Konstrukce vyvažovacího otvoru:Radiální nebo šikmé otvory v zadním krytu oběžného kola přesměrovávají vysokotlakou kapalinu zpět na vstup a vyrovnávají tlakové rozdíly. Velikost otvoru musí být optimalizována pomocí výpočtů dynamiky tekutin, aby se zabránilo ztrátě účinnosti.

● Reverzní provedení čepele:Přidání reverzních lopatek (naproti hlavním lopatkám) v poslední fázi generuje protiodstředivou sílu pro kompenzaci axiálního zatížení. Běžně se používá u vysokotlakých čerpadel (např. vícestupňová vertikální turbínová čerpadla).

2. Generování a vyvažování radiálního zatížení

Radiální zatížení pocházejí ze setrvačných sil během rotace, nerovnoměrného rozložení dynamického tlaku kapaliny a zbytkové nevyváženosti hmoty rotoru. Akumulovaná radiální zatížení ve vícestupňových čerpadlech mohou způsobit přehřátí ložisek, vibrace nebo nesouosost rotoru.

Strategie vyvažování:

● Optimalizace symetrie oběžného kola:

o Přizpůsobení lopatek liché a sudé (např. 5 lopatek + 7 lopatek) rozděluje radiální síly rovnoměrně.

o Dynamické vyvážení zajišťuje, že těžiště každého oběžného kola je vyrovnáno s osou otáčení, čímž se minimalizuje zbytková nevyváženost.

● Konstrukční výztuž:

o Pevná mezilehlá ložisková pouzdra omezují radiální posuv.

o Kombinovaná ložiska (např. dvouřadá axiální kuličková ložiska + válečková ložiska) zvládají axiální a radiální zatížení odděleně.

● Hydraulická kompenzace:

o Vodící lopatky nebo vratné komory ve vůli oběžného kola optimalizují průtokové cesty, snižují místní víry a kolísání radiální síly.

3. Přenos zatížení ve vícestupňových oběžných kolech

Axiální síly se hromadí postupně a musí být řízeny, aby se zabránilo koncentracím napětí:

● Postupné vyvažování:Instalace vyvažovacího kotouče (např. u vícestupňových odstředivých čerpadel) využívá tlakové rozdíly v axiální mezeře k automatickému nastavení axiálních sil.

● Optimalizace tuhosti:Hřídele čerpadel jsou vyrobeny z vysokopevnostních slitin (např. 42CrMo) a ověřeny pomocí analýzy konečných prvků (FEA) na limity průhybu (typicky ≤ 0.1 mm/m).

4. Inženýrská případová studie a ověření výpočtu

Příklad:Chemické vícestupňové vertikální turbínové čerpadlo (6 stupňů, celková dopravní výška 300 m, průtok 200 m³/h):

● Výpočet axiální síly:

o Počáteční návrh (oběžné kolo s jedním sáním): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), výsledkem je 1.8×106N.

o Po přestavbě na oběžné kolo s dvojitým sáním a přidání vyvažovacích otvorů: Axiální síla snížena na 5×105N, splňující normy API 610 (≤1.5× jmenovitý výkon točivého momentu).

● Simulace radiálního zatížení:

o ANSYS Fluent CFD odhalil místní tlakové špičky (až 12 kN/m²) v neoptimalizovaných oběžných kolech. Zavedení vodicích lopatek snížilo špičky o 40 % a zvýšení teploty ložiska o 15 °C.

5. Klíčová kritéria návrhu a úvahy

● Mezní hodnoty axiální síly: Obvykle ≤ 30 % pevnosti v tahu hřídele čerpadla, s teplotou axiálního ložiska ≤ 70 °C.

● Kontrola vůle oběžného kola: Udržuje se mezi 0.2-0.5 mm (příliš malá způsobuje tření; příliš velká vede k úniku).

● Dynamické testování: Testy vyvážení při plné rychlosti (třída G2.5) zajišťují stabilitu systému před uvedením do provozu.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Vyvažování axiálního a radiálního zatížení u vícestupňových vertikálních turbínových čerpadel je složitou systémovou inženýrskou výzvou zahrnující dynamiku tekutin, mechanický design a materiálové vědy. Optimalizace geometrie oběžného kola, integrace vyvažovacích zařízení a přesné výrobní procesy výrazně zvyšují spolehlivost a životnost čerpadla. Budoucí pokrok v numerických simulacích řízených umělou inteligencí a aditivní výrobě dále umožní personalizovaný návrh oběžného kola a optimalizaci dynamického zatížení.

Poznámka: Přizpůsobený design pro specifické aplikace (např. vlastnosti kapaliny, rychlost, teplota) musí vyhovovat mezinárodním standardům, jako jsou API a ISO.