1. Principes van axiale krachtgeneratie en balancering

De axiale krachten in meertraps  verticale turbinepompen  bestaan ​​voornamelijk uit twee componenten:

● Component van de middelpuntvliedende kracht:Door de centrifugale kracht ontstaat er een drukverschil tussen de voor- en achterdeksels van het waaierblad, wat resulteert in een axiale kracht (meestal gericht op de aanzuigopening).

● Drukverschil-effect:Het cumulatieve drukverschil over elke trap vergroot de axiale kracht nog verder.

Balanceringsmethoden:

● Symmetrische waaieropstelling:Door het gebruik van dubbele aanzuigwaaiers (vloeistof stroomt van beide kanten binnen) wordt het unidirectionele drukverschil verminderd, waardoor de axiale kracht tot een acceptabel niveau (10%-30%) wordt verlaagd.

● Balansgatontwerp:Radiale of schuine gaten in de achterklep van de waaier leiden vloeistof onder hoge druk terug naar de inlaat, waardoor drukverschillen worden gecompenseerd. De gatgrootte moet worden geoptimaliseerd via vloeistofdynamische berekeningen om efficiëntieverlies te voorkomen.

● Omgekeerd mesontwerp:Het toevoegen van omgekeerde bladen (tegenovergesteld aan hoofdbladen) in de laatste fase genereert tegencentrifugale kracht om axiale belastingen te compenseren. Wordt vaak gebruikt in hoge-koppompen (bijv. meertraps verticale turbinepompen).

2. Radiale belastinggeneratie en balancering

Radiale belastingen ontstaan ​​door traagheidskrachten tijdens rotatie, ongelijkmatige vloeistofdynamische drukverdeling en restonevenwicht in rotormassa. Geaccumuleerde radiale belastingen in meertrapspompen kunnen leiden tot oververhitting van lagers, trillingen of verkeerde uitlijning van de rotor.

Balanceringsstrategieën:

● Optimalisatie van de waaiersymmetrie:

o Even-oneven bladaanpassing (bijvoorbeeld 5 bladen + 7 bladen) verdeelt de radiale krachten gelijkmatig.

o Dynamisch balanceren zorgt ervoor dat het zwaartepunt van elke waaier is uitgelijnd met de rotatieas, waardoor resterende onbalans tot een minimum wordt beperkt.

● Structurele versterking:

o Stijve tussenlagerhuizen beperken de radiale verplaatsing.

Gecombineerde lagers (bijvoorbeeld dubbelrijige kogeltaatslagers + cilinderrollagers) kunnen axiale en radiale belastingen afzonderlijk verwerken.

● Hydraulische compensatie:

o Geleidebladen of retourkamers in de waaierspeling optimaliseren de stromingspaden, waardoor lokale wervelingen en radiale krachtfluctuaties worden verminderd.

3. Belastingsoverdracht in meertrapswaaiers

Axiale krachten stapelen zich stapsgewijs op en moeten worden beheerd om spanningsconcentraties te voorkomen:

● Balanceren per fase:Bij het installeren van een balanceerschijf (bijvoorbeeld in meertraps centrifugaalpompen) worden de axiale krachten automatisch aangepast aan de hand van drukverschillen in de axiale opening.

● Stijfheidsoptimalisatie:Pompassen worden gemaakt van hoogwaardige legeringen (bijv. 42CrMo) en gevalideerd via eindige-elementenanalyse (FEA) voor doorbuigingslimieten (meestal ≤ 0.1 mm/m).

4. Engineering Case Study en Verificatie van de Berekening

Voorbeeld:Een chemische meertraps verticale turbinepomp (6 trappen, totale opvoerhoogte 300 m, debiet 200 m³/u):

● Axiale krachtberekening:

o Initieel ontwerp (enkele-aanzuigwaaier): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), resulterend in 1.8×106N.

o Na overstap naar dubbelzuigwaaier en toevoeging van balansgaten: Axiale kracht verlaagd tot 5×105N, voldoet aan de API 610-normen (≤1.5× nominaal vermogenskoppel).

● Simulatie van radiale belasting:

o ANSYS Fluent CFD onthulde lokale drukpieken (tot 12 kN/m²) in niet-geoptimaliseerde waaiers. Het introduceren van geleideschoepen verminderde de pieken met 40% en de stijging van de lagertemperatuur met 15°C.

5. Belangrijkste ontwerpcriteria en overwegingen

● Axiale krachtlimieten: Meestal ≤ 30% van de treksterkte van de pompas, met een druklagertemperatuur ≤ 70°C.

● Regeling van de waaierspeling: wordt gehandhaafd tussen 0.2-0.5 mm (te klein veroorzaakt wrijving, te groot leidt tot lekkage).

● Dynamische tests: Balanceringstesten op volledige snelheid (G2.5-klasse) zorgen voor de stabiliteit van het systeem vóór ingebruikname.

Conclusie

Het balanceren van axiale en radiale belastingen in verticale turbinepompen met meerdere fasen is een complexe uitdaging op het gebied van systeemtechniek, waarbij vloeistofdynamica, mechanisch ontwerp en materiaalkunde een rol spelen. Optimalisatie van de waaiergeometrie, integratie van balanceerapparaten en nauwkeurige productieprocessen verbeteren de betrouwbaarheid en levensduur van de pomp aanzienlijk. Toekomstige ontwikkelingen in AI-gestuurde numerieke simulaties en additieve productie zullen gepersonaliseerd waaierontwerp en dynamische belastingoptimalisatie verder mogelijk maken.

Let op: Een aangepast ontwerp voor specifieke toepassingen (bijv. vloeistofeigenschappen, snelheid, temperatuur) moet voldoen aan internationale normen zoals API en ISO.