1. Telgjõu tekitamise ja tasakaalustamise põhimõtted

Teljelised jõud mitmeastmelised  vertikaalsed turbiinpumbad  koosnevad peamiselt kahest komponendist:

● Tsentrifugaaljõu komponent:Tsentrifugaaljõust tingitud vedeliku radiaalne vool tekitab tiiviku esi- ja tagakaane vahel rõhuerinevuse, mille tulemuseks on aksiaalne jõud (tavaliselt suunatud imemisava poole).

● Rõhu erinevuse efekt:Kumulatiivne rõhuerinevus igas etapis suurendab veelgi aksiaaljõudu.

Tasakaalustamise meetodid:

● Tööratta sümmeetriline paigutus:Kahekordse imemisega tiivikute kasutamine (vedelik siseneb mõlemalt poolt) vähendab ühesuunalist rõhuerinevust, alandades aksiaaljõu vastuvõetavale tasemele (10%-30%).

● Tasakaaluava kujundus:Radiaalsed või kaldus augud tiiviku tagakaanes suunavad kõrgsurvevedeliku tagasi sisselaskeavasse, tasakaalustades rõhuerinevusi. Tõhususe vähenemise vältimiseks tuleb augu suurust optimeerida vedeliku dünaamika arvutuste abil.

● Tagurpidi tera disain:Tagurpidi labade lisamine (vastupidiselt põhilabadele) tekitab viimases etapis tsentrifugaaljõu vastassuunas, et kompenseerida aksiaalseid koormusi. Tavaliselt kasutatakse kõrge kõrgusega pumpades (nt mitmeastmelised vertikaalturbiinpumbad).

2. Radiaalkoormuse genereerimine ja tasakaalustamine

Radiaalsed koormused tulenevad pöörlemisel tekkivatest inertsjõududest, vedeliku ebaühtlasest dünaamilise rõhu jaotusest ja rootori massi jääktasakaalustatusest. Mitmeastmeliste pumpade akumuleerunud radiaalkoormused võivad põhjustada laagrite ülekuumenemist, vibratsiooni või rootori nihket.

Tasakaalustamise strateegiad:

● Tööratta sümmeetria optimeerimine:

o Paaritu-paar tera sobitamine (nt 5 tera + 7 tera) jaotab radiaaljõud ühtlaselt.

o Dünaamiline tasakaalustamine tagab iga tiiviku tsentroidi joondamise pöörlemisteljega, minimeerides jääktasakaalu.

● Struktuurne tugevdamine:

o Jäigad vahelaagrite korpused piiravad radiaalset nihet.

o Kombineeritud laagrid (nt kaherealised tõukejõu kuullaagrid + silindrilised rull-laagrid) taluvad telg- ja radiaalkoormust eraldi.

● Hüdrauliline kompensatsioon:

o Tööratta lõtkudes olevad juhtlabad või tagasivoolukambrid optimeerivad vooluteid, vähendades kohalikke keerise ja radiaaljõu kõikumisi.

3. Koorma ülekanne mitmeastmelistes tiivikutes

Aksiaalsed jõud kogunevad järk-järgult ja neid tuleb juhtida, et vältida pingete kontsentratsiooni:

● Etapipõhine tasakaalustamine:Tasakaaluketta paigaldamisel (nt mitmeastmelistes tsentrifugaalpumpades) kasutatakse aksiaalsete jõudude automaatseks reguleerimiseks aksiaalse vahe rõhu erinevusi.

● Jäikuse optimeerimine:Pumba võllid on valmistatud ülitugevatest sulamitest (nt 42CrMo) ja läbipaindepiiride jaoks (tavaliselt ≤ 0.1 mm/m) on kinnitatud lõplike elementide analüüsiga (FEA).

4. Tehniline juhtumiuuring ja arvutuste kontrollimine

Näide:Keemiline mitmeastmeline vertikaalne turbiinpump (6 etappi, kogukõrgus 300 m, voolukiirus 200 m³/h):

● Aksiaaljõu arvutamine:

o Esialgne projekt (ühe imemisega tiivik): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), tulemuseks 1.8×106N.

o Pärast kahekordse imemisega tiivikule üleminekut ja tasakaalustusaukude lisamist: telgjõud on vähendatud 5×105N-ni, vastab API 610 standarditele (≤1.5× nimivõimsuse pöördemoment).

● Radiaalkoormuse simulatsioon:

o ANSYS Fluent CFD näitas optimeerimata tiivikutel lokaalseid rõhupiike (kuni 12 kN/m²). Juhtlabade kasutuselevõtt vähendas piike 40% ja laagrite temperatuuri tõusu 15 °C võrra.

5. Peamised projekteerimiskriteeriumid ja -kaalutlused

● Aksiaaljõu piirid: tavaliselt ≤ 30% pumba võlli tõmbetugevusest, tõukejõu laagri temperatuur ≤ 70°C.

● Tööratta kliirensi kontroll: hoitakse vahemikus 0.2-0.5 mm (liiga väike põhjustab hõõrdumist; liiga suur põhjustab lekkeid).

● Dünaamiline testimine: täiskiirusega tasakaalustustestid (G2.5 klass) tagavad süsteemi stabiilsuse enne kasutuselevõttu.

Järeldus

Mitmeastmeliste vertikaalsete turbiinpumpade aksiaal- ja radiaalkoormuse tasakaalustamine on keeruline süsteemitehniline väljakutse, mis hõlmab vedeliku dünaamikat, mehaanilist disaini ja materjaliteadust. Tööratta geomeetria optimeerimine, tasakaalustusseadmete integreerimine ja täpsed tootmisprotsessid suurendavad oluliselt pumba töökindlust ja eluiga. Tulevased edusammud tehisintellektiga juhitavates numbrilistes simulatsioonides ja lisatootmises võimaldavad veelgi isikupärastatud tiiviku disaini ja dünaamilise koormuse optimeerimist.

Märkus. Konkreetsete rakenduste jaoks kohandatud disain (nt vedeliku omadused, kiirus, temperatuur) peab vastama rahvusvahelistele standarditele, nagu API ja ISO.