1. Aksialkraftgenerering og balanceringsprincipper

De aksiale kræfter i multifase  vertikale turbinepumper  er primært sammensat af to komponenter:

● Centrifugalkraftkomponent:Væske radialstrøm på grund af centrifugalkraft skaber en trykforskel mellem for- og bagdækslerne på pumpehjulet, hvilket resulterer i en aksial kraft (typisk rettet mod sugeindløbet).

● Trykdifferenseffekt:Den kumulative trykforskel over hvert trin øger den aksiale kraft yderligere.

Balanceringsmetoder:

● Symmetrisk pumpehjulsarrangement:Brug af dobbeltsugende skovlhjul (væske trænger ind fra begge sider) reducerer ensrettet trykforskel, hvilket sænker aksialkraften til acceptable niveauer (10%-30%).

● Udformning af balancehul:Radiale eller skrå huller i pumpehjulets bagdæksel omdirigerer højtryksvæske tilbage til indløbet, hvilket udligner trykforskelle. Hulstørrelse skal optimeres via væskedynamikberegninger for at undgå effektivitetstab.

● Omvendt bladdesign:Tilføjelse af omvendte blade (modsat hovedblade) i det sidste trin genererer modcentrifugalkraft for at udligne aksiale belastninger. Anvendes almindeligvis i højtrykspumper (f.eks. flertrins vertikalturbinepumper).

2. Radial belastningsgenerering og balancering

Radiale belastninger stammer fra inertikræfter under rotation, ujævn væskedynamisk trykfordeling og resterende ubalance i rotormasse. Akkumulerede radiale belastninger i flertrinspumper kan forårsage overophedning af lejer, vibrationer eller rotorforskydning.

Balancestrategier:

● Løbehjulssymmetrioptimering:

o Ulige-lige knivtilpasning (f.eks. 5 knive + 7 knive) fordeler radiale kræfter jævnt.

o Dynamisk balancering sikrer, at hvert pumpehjuls tyngdepunkt flugter med rotationsaksen, hvilket minimerer resterende ubalance.

● Strukturel forstærkning:

o Stive mellemlejehuse begrænser radial forskydning.

o Kombinerede lejer (f.eks. dobbeltrækkede trykkuglelejer + cylindriske rullelejer) håndterer aksiale og radiale belastninger separat.

● Hydraulisk kompensation:

o Styreskovle eller returkamre i løbehjulsafstande optimerer strømningsveje, hvilket reducerer lokale hvirvler og radiale kraftudsving.

3. Belastningstransmission i flertrinshjul

Aksiale kræfter akkumuleres trinvist og skal styres for at forhindre spændingskoncentrationer:

● Trinvis afbalancering:Installation af en balanceskive (f.eks. i flertrins centrifugalpumper) bruger aksiale spaltetrykforskelle til automatisk at justere aksiale kræfter.

● Stivhedsoptimering:Pumpeaksler er lavet af højstyrkelegeringer (f.eks. 42CrMo) og valideret via finite element-analyse (FEA) for afbøjningsgrænser (typisk ≤ 0.1 mm/m).

4. Teknisk casestudie og beregningsbekræftelse

Eksempel:En kemisk flertrins turbinepumpe (6 trin, samlet løftehøjde 300 m, flowhastighed 200 m³/h):

● Beregning af aksial kraft:

o Indledende design (enkeltsugende pumpehjul): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), hvilket resulterer i 1.8×106N.

o Efter konvertering til dobbeltsugende pumpehjul og tilføjelse af balancehuller: Aksialkraft reduceret til 5×105N, opfylder API 610-standarderne (≤1.5× nominelt effektmoment).

● Radial belastningssimulering:

o ANSYS Fluent CFD afslørede lokale trykspidser (op til 12 kN/m²) i uoptimerede pumpehjul. Introduktion af styreskovle reducerede toppe med 40% og lejetemperaturstigning med 15°C.

5. Nøgledesignkriterier og -overvejelser

● Aksialkraftgrænser: Typisk ≤ 30 % af pumpeakslens trækstyrke, med tryklejetemperatur ≤ 70°C.

● Løbehjulsafstandskontrol: Opretholdt mellem 0.2-0.5 mm (for lille forårsager friktion; for stor fører til lækage).

● Dynamisk test: Balancetests med fuld hastighed (G2.5-kvalitet) sikrer systemstabilitet før idriftsættelse.

Konklusion

Balancering af aksiale og radiale belastninger i multitrins vertikale turbinepumper er en kompleks systemteknisk udfordring, der involverer væskedynamik, mekanisk design og materialevidenskab. Optimering af pumpehjulsgeometri, integration af balanceringsenheder og præcise fremstillingsprocesser forbedrer pumpens pålidelighed og levetid markant. Fremtidige fremskridt inden for AI-drevne numeriske simuleringer og additiv fremstilling vil yderligere muliggøre personligt løbehjulsdesign og dynamisk belastningsoptimering.

Bemærk: Skræddersyet design til specifikke applikationer (f.eks. væskeegenskaber, hastighed, temperatur) skal overholde internationale standarder såsom API og ISO.