1. Génération de force axiale et principes d'équilibrage

Les forces axiales en plusieurs étapes  pompes à turbine verticale  sont principalement composés de deux éléments :

● Composante de la force centrifuge :L'écoulement radial du liquide dû à la force centrifuge crée un différentiel de pression entre les couvercles avant et arrière de la roue, ce qui entraîne une force axiale (généralement dirigée vers l'entrée d'aspiration).

● Effet différentiel de pression :La différence de pression cumulée à chaque étage augmente encore la force axiale.

Méthodes d'équilibrage :

● Disposition symétrique de la roue :L'utilisation de turbines à double aspiration (le liquide entre des deux côtés) réduit la différence de pression unidirectionnelle, abaissant la force axiale à des niveaux acceptables (10 à 30 %).

● Conception du trou d'équilibrage :Des trous radiaux ou obliques dans le couvercle arrière de la turbine redirigent le liquide haute pression vers l'admission, équilibrant ainsi les différences de pression. La taille des trous doit être optimisée par des calculs de dynamique des fluides afin d'éviter toute perte d'efficacité.

● Conception de lame inversée :L'ajout de pales inversées (opposées aux pales principales) au dernier étage génère une force contre-centrifuge compensant les charges axiales. Ce dispositif est couramment utilisé dans les pompes à haute pression (par exemple, les pompes à turbine verticale multicellulaires).

2. Génération et équilibrage de charges radiales

Les charges radiales proviennent des forces d'inertie pendant la rotation, de la répartition inégale de la pression dynamique du liquide et du déséquilibre résiduel de la masse du rotor. L'accumulation de charges radiales dans les pompes multicellulaires peut entraîner une surchauffe des roulements, des vibrations ou un désalignement du rotor.

Stratégies d'équilibrage :

● Optimisation de la symétrie de la roue :

o L'appariement des lames paires et impaires (par exemple, 5 lames + 7 lames) répartit uniformément les forces radiales.

o L'équilibrage dynamique garantit que le centroïde de chaque roue s'aligne avec l'axe de rotation, minimisant ainsi le déséquilibre résiduel.

● Renforcement structurel :

o Les boîtiers de palier intermédiaires rigides limitent le déplacement radial.

o Les roulements combinés (par exemple, les roulements à billes à double rangée + les roulements à rouleaux cylindriques) gèrent les charges axiales et radiales séparément.

● Compensation hydraulique :

o Les aubes directrices ou les chambres de retour dans les jeux de la roue optimisent les chemins d'écoulement, réduisant les tourbillons locaux et les fluctuations de force radiale.

3. Transmission de charge dans les roues à plusieurs étages

Les forces axiales s'accumulent par étapes et doivent être gérées pour éviter les concentrations de contraintes :

● Équilibrage par étapes :L'installation d'un disque d'équilibrage (par exemple, dans les pompes centrifuges à plusieurs étages) utilise les différences de pression de l'espace axial pour ajuster automatiquement les forces axiales.

● Optimisation de la rigidité :Les arbres de pompe sont fabriqués à partir d'alliages à haute résistance (par exemple, 42CrMo) et validés par analyse par éléments finis (FEA) pour les limites de déflexion (généralement ≤ 0.1 mm/m).

4. Étude de cas d'ingénierie et vérification des calculs

Mise en situation :Une pompe à turbine verticale multi-étages chimique (6 étages, hauteur manométrique totale 300 m, débit 200 m³/h) :

● Calcul de la force axiale :

o Conception initiale (roue à simple aspiration) : F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), ce qui donne 1.8×106N.

o Après conversion en turbine à double aspiration et ajout de trous d'équilibrage : Force axiale réduite à 5×105N, conforme aux normes API 610 (≤1.5× couple de puissance nominal).

● Simulation de charge radiale :

o ANSYS Fluent CFD a révélé des pics de pression locaux (jusqu'à 12 kN/m²) dans les roues non optimisées. L'introduction d'aubes directrices a réduit ces pics de 40 % et l'augmentation de la température des roulements de 15 °C.

5. Critères et considérations de conception clés

● Limites de force axiale : Généralement ≤ 30 % de la résistance à la traction de l'arbre de la pompe, avec une température de butée ≤ 70 °C.

● Contrôle du jeu de la turbine : maintenu entre 0.2 et 0.5 mm (une valeur trop petite provoque des frottements ; une valeur trop grande entraîne des fuites).

● Tests dynamiques : les tests d'équilibrage à pleine vitesse (grade G2.5) garantissent la stabilité du système avant la mise en service.

Conclusion

L'équilibrage des charges axiales et radiales dans les pompes à turbine verticale multicellulaires constitue un défi d'ingénierie système complexe impliquant la dynamique des fluides, la conception mécanique et la science des matériaux. L'optimisation de la géométrie de la roue, l'intégration de dispositifs d'équilibrage et des procédés de fabrication précis améliorent considérablement la fiabilité et la durée de vie des pompes. Les avancées futures en matière de simulations numériques pilotées par l'IA et de fabrication additive permettront une conception personnalisée de la roue et une optimisation des charges dynamiques.

Remarque : la conception personnalisée pour des applications spécifiques (par exemple, propriétés du fluide, vitesse, température) doit être conforme aux normes internationales telles que API et ISO.