1. Aksiaalivoiman muodostus- ja tasapainotusperiaatteet

Aksiaaliset voimat monivaiheiset  pystysuorat turbiinipumput  koostuvat pääasiassa kahdesta osasta:

● Keskipakovoimakomponentti:Keskipakovoimasta johtuva nestemäinen radiaalinen virtaus luo paine-eron siipipyörän etu- ja takakannen välille, mikä johtaa aksiaaliseen voimaan (tyypillisesti suunnattu imuaukkoa kohti).

● Paine-eron vaikutus:Kumulatiivinen paine-ero kussakin vaiheessa lisää edelleen aksiaalista voimaa.

Tasapainotusmenetelmät:

● Symmetrinen juoksupyöräjärjestely:Kaksoisimupyörien käyttö (nestettä tulee sisään molemmilta puolilta) vähentää yksisuuntaista paine-eroa ja alentaa aksiaalivoimaa hyväksyttävälle tasolle (10-30 %).

● Tasapainoreiän rakenne:Juoksupyörän takakannessa olevat säteittäiset tai vinot reiät ohjaavat korkeapaineisen nesteen takaisin tuloaukkoon tasapainottaen paine-erot. Reiän koko on optimoitava nesteen dynamiikkalaskelmien avulla tehon menettämisen välttämiseksi.

● Käänteinen terärakenne:Käänteisten terien lisääminen (vastapäätä pääteriä) viimeisessä vaiheessa tuottaa vastakeskipakovoiman aksiaalikuormien kompensoimiseksi. Käytetään yleisesti korkeakorkeisissa pumpuissa (esim. monivaiheisissa pystyturbiinipumpuissa).

2. Radial Load Generation ja tasapainotus

Säteittäiset kuormat johtuvat pyörimisen aikaisista hitausvoimista, epätasaisesta nesteen dynaamisesta paineen jakautumisesta ja roottorin massan jäännösepätasapainosta. Monivaiheisiin pumppuihin kertyneet radiaalikuormat voivat aiheuttaa laakerien ylikuumenemista, tärinää tai roottorin suuntausvirheitä.

Tasapainotusstrategiat:

● Juoksupyörän symmetrian optimointi:

o Pariton-parillinen teräsovitus (esim. 5 terää + 7 terää) jakaa säteittäiset voimat tasaisesti.

o Dynaaminen tasapainotus varmistaa, että jokaisen juoksupyörän painopiste on linjassa pyörimisakselin kanssa, mikä minimoi jäännösepätasapainon.

● Rakenteellinen vahvistus:

o Jäykät välilaakeripesät rajoittavat radiaalista siirtymää.

o Yhdistetyt laakerit (esim. kaksiriviset painekuulalaakerit + sylinterirullalaakerit) käsittelevät aksiaaliset ja radiaaliset kuormat erikseen.

● Hydraulinen kompensointi:

o Juoksupyörän välyksissä olevat ohjaussiivet tai paluukammiot optimoivat virtausreitit vähentäen paikallisia pyörteitä ja säteittäisten voiman vaihteluita.

3. Kuormita vaihteisto monivaiheisissa juoksupyörissä

Aksiaaliset voimat kerääntyvät vaiheittain ja niitä on hallittava jännityskeskittymien estämiseksi:

● Vaiheittainen tasapainotus:Tasapainolevyn asentaminen (esim. monivaiheisiin keskipakopumppuihin) käyttää aksiaalisia paine-eroja aksiaalisten voimien automaattiseen säätämiseen.

● Jäykkyyden optimointi:Pumpun akselit on valmistettu lujista metalliseoksista (esim. 42CrMo) ja ne on validoitu elementtianalyysillä (FEA) taipumarajojen (tyypillisesti ≤ 0.1 mm/m) osalta.

4. Teknisen tapaustutkimuksen ja laskennan todentaminen

Esimerkiksi:Kemiallinen monivaiheinen pystyturbiinipumppu (6 vaihetta, kokonaiskorkeus 300 m, virtausnopeus 200 m³/h):

● Aksiaalivoiman laskenta:

o Alkusuunnittelu (yksiimuinen juoksupyörä): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), tuloksena 1.8×106N.

o Kun se on muutettu kaksoisimupyörään ja lisätty tasapainotusreiät: Aksiaalivoima vähennetty 5×105N:iin, joka täyttää API 610 -standardit (≤1.5× nimellistehomomentti).

● Radiaalikuorman simulointi:

o ANSYS Fluent CFD paljasti paikallisia painepiikkejä (jopa 12 kN/m²) optimoimattomissa juoksupyörissä. Ohjaussiipien käyttöönotto vähensi huippuja 40 % ja laakerien lämpötilan nousua 15°C.

5. Keskeiset suunnittelukriteerit ja huomiot

● Aksiaalivoiman rajat: Tyypillisesti ≤ 30 % pumpun akselin vetolujuudesta, painelaakerin lämpötila ≤ 70°C.

● Juoksupyörän välyksen säätö: Säilytetty välillä 0.2-0.5 mm (liian pieni aiheuttaa kitkaa; liian suuri aiheuttaa vuotoja).

● Dynaaminen testaus: Täyden nopeuden tasapainotestit (G2.5-luokka) varmistavat järjestelmän vakauden ennen käyttöönottoa.

Yhteenveto

Monivaiheisten pystyturbiinipumppujen aksiaalisten ja säteittäisten kuormien tasapainottaminen on monimutkainen järjestelmätekninen haaste, joka sisältää nestedynamiikan, mekaanisen suunnittelun ja materiaalitieteen. Siipipyörän geometrian optimointi, tasapainotuslaitteiden integrointi ja tarkat valmistusprosessit lisäävät merkittävästi pumpun luotettavuutta ja käyttöikää. Tulevat edistysaskeleet tekoälyyn perustuvissa numeerisissa simulaatioissa ja lisäainevalmistuksessa mahdollistavat entisestään yksilöllisen juoksupyörän suunnittelun ja dynaamisen kuormituksen optimoinnin.

Huomautus: Räätälöidyn suunnittelun tiettyihin sovelluksiin (esim. nesteen ominaisuudet, nopeus, lämpötila) on noudatettava kansainvälisiä standardeja, kuten API ja ISO.