1. Juoksupyörävälin määritelmä ja keskeiset vaikutukset

Juoksupyörän rako viittaa siipipyörän ja pumpun kotelon (tai ohjaussiiven renkaan) väliseen radiaaliseen välykseen, joka on tyypillisesti 0.2 mm - 0.5 mm. Tämä ero vaikuttaa merkittävästi suorituskykyyn  monivaiheiset pystyturbiinipumput kahdessa pääasiassa:

● Hydrauliset häviöt: Liialliset välit lisäävät vuotovirtausta ja vähentävät tilavuustehokkuutta; liian pienet välit voivat aiheuttaa kitkakulumista tai kavitaatiota.

● Virtausominaisuudet: Raon koko vaikuttaa suoraan virtauksen tasaisuuteen juoksupyörän ulostulossa, mikä vaikuttaa nosto- ja tehokäyriin.

2. Teoreettinen perusta juoksupyörävälin optimoinnille

2.1 Volumetrisen tehokkuuden parantaminen

Tilavuushyötysuhde (ηₛ) määritellään todellisen ulostulovirtauksen suhteeksi teoreettiseen virtaukseen:

ηₛ = 1 − QQvuoto

missä Qleak on juoksupyörän raon aiheuttama vuotovirtaus. Raon optimointi vähentää merkittävästi vuotoja. Esimerkiksi:

● Raon pienentäminen 0.3 mm:stä 0.2 mm:iin vähentää vuotoa 15–20 %.

● Monivaihepumpuissa kumulatiivinen optimointi vaiheiden välillä voi parantaa kokonaishyötysuhdetta 5–10 %.

2.2 Hydraulisten häviöiden vähentäminen

Raon optimointi parantaa virtauksen tasaisuutta juoksupyörän ulostulossa, vähentää turbulenssia ja minimoi siten painehäviön. Esimerkiksi:

● CFD-simulaatiot osoittavat, että etäisyyden pienentäminen 0.4 mm:stä 0.25 mm:iin alentaa turbulenttia kineettistä energiaa 30 %, mikä vastaa 4–6 %:n vähennystä akselin tehonkulutuksessa.

2.3 Kavitaatiosuorituskyvyn parantaminen

Suuret raot pahentavat paineen pulsaatiota tuloaukossa, mikä lisää kavitaatioriskiä. Raon optimointi stabiloi virtauksen ja nostaa NPSHr-marginaalia (positiivinen nettoimukorkeus), mikä on erityisen tehokasta alhaisen virtauksen olosuhteissa.

3. Kokeellinen tarkastus ja suunnittelutapaukset

3.1 Laboratoriotestitiedot

Tutkimuslaitos teki vertailevia testejä a monivaiheinen pystyturbiinipumppu (parametrit: 2950 rpm, 100 m³/h, 200 m pää).

3.2 Esimerkkejä teollisista sovelluksista

● Petrokemian kiertovesipumpun jälkiasennus: Jalostamo pienensi juoksupyörän etäisyyttä 0.4 mm:stä 0.28 mm:iin, mikä saavutti 120 kW·h:n vuosittaisen energiansäästön ja 8 %:n alennuksen käyttökustannuksissa.

● Offshore-alustan ruiskutuspumpun optimointi: Käyttämällä laserinterferometriaa etäisyyden (±0.02 mm) ohjaamiseen, pumpun tilavuushyötysuhde parani 81 %:sta 89 %:iin, mikä ratkaisi liiallisten rakojen aiheuttamat tärinäongelmat.

4. Optimointimenetelmät ja toteutusvaiheet

4.1 Matemaattinen malli aukon optimointiin

Keskipakopumpun samankaltaisuuslakeihin ja korjauskertoimiin perustuen raon ja hyötysuhteen välinen suhde on:

η = η₀(1 − k·δD)

missä δ on aukon arvo, D on juoksupyörän halkaisija ja k on empiirinen kerroin (tyypillisesti 0.1–0.3).

4.2 Tärkeimmät toteutustekniikat

●Tarkkuusvalmistus: CNC-koneet ja hiomatyökalut saavuttavat mikrometrin tarkkuuden (IT7–IT8) juoksupyörille ja koteloille.

●Mittaus paikan päällä: Laserkohdistustyökalut ja ultraäänipaksuusmittarit tarkkailevat aukkoja asennuksen aikana poikkeamien välttämiseksi.

● Dynaaminen säätö: Korkean lämpötilan tai syövyttäviä materiaaleja varten käytetään vaihdettavia tiivisterenkaita pulttipohjaisella hienosäädöllä.

4.3 Huomioita

● Kitkan ja kulumisen tasapaino: Alimittaiset raot lisäävät mekaanista kulumista; materiaalin kovuuden (esim. Cr12MoV juoksupyörille, HT250 koteloille) ja käyttöolosuhteiden on oltava tasapainossa.

● Lämpölaajenemisen kompensointi: Varatut raot (0.03–0.05 mm) ovat välttämättömiä korkeissa lämpötiloissa (esim. kuumaöljypumput).

5. Tulevaisuuden trendit

●Digitaalinen suunnittelu: Tekoälypohjaiset optimointialgoritmit (esim. geneettiset algoritmit) määrittävät nopeasti optimaaliset aukot.

●Lisäainevalmistus: Metallinen 3D-tulostus mahdollistaa integroidun juoksupyörän kotelon suunnittelun, mikä vähentää kokoonpanovirheitä.

●Älykäs valvonta: Kuituoptiset anturit, jotka on yhdistetty digitaalisten kaksosten kanssa, mahdollistavat reaaliaikaisen aukon seurannan ja suorituskyvyn heikkenemisen ennustamisen.

Yhteenveto

Juoksupyörävälin optimointi on yksi suorimmista menetelmistä monivaiheisen pystyturbiinipumpun tehokkuuden parantamiseksi. Tarkkuusvalmistuksen, dynaamisen säädön ja älykkään valvonnan yhdistäminen voi parantaa tehokkuutta 5–15 %, vähentää energiankulutusta ja alentaa ylläpitokustannuksia. Valmistuksen ja analytiikan edistymisen myötä aukkojen optimointi kehittyy kohti parempaa tarkkuutta ja älykkyyttä, ja siitä tulee ydinteknologia pumppuenergian jälkiasennuksessa.

Huomautus: Käytännön suunnitteluratkaisuissa on integroitava keskitason ominaisuudet, käyttöolosuhteet ja kustannusrajoitukset, jotka on validoitu elinkaarikustannusanalyysillä (LCC).