1. Principios de xeración e equilibrio de forzas axiales

As forzas axiais en varias etapas  bombas de turbina verticais  están compostos principalmente por dous compoñentes:

● Compoñente da forza centrífuga:O fluxo radial líquido debido á forza centrífuga crea un diferencial de presión entre as tapas dianteira e traseira do impulsor, o que resulta nunha forza axial (normalmente dirixida cara á entrada de succión).

● Efecto diferencial de presión:A diferenza de presión acumulada en cada etapa aumenta aínda máis a forza axial.

Métodos de equilibrio:

● Disposición simétrica do impulsor:O uso de impulsores de dobre succión (líquido entra por ambos lados) reduce o diferencial de presión unidireccional, reducindo a forza axial a niveis aceptables (10%-30%).

● Deseño do burato de equilibrio:Os buratos radiais ou oblicuos na tapa traseira do impulsor redirixen o líquido de alta presión cara á entrada, equilibrando as diferenzas de presión. O tamaño do burato debe optimizarse mediante cálculos de dinámica de fluídos para evitar a perda de eficiencia.

● Deseño da folla inversa:Engadir láminas inversas (opostas ás láminas principais) na última etapa xera unha forza contracentrífuga para compensar as cargas axiais. Úsase habitualmente en bombas de alta carga (por exemplo, bombas de turbina verticais multietapa).

2. Xeración e equilibrado de carga radial

As cargas radiais orixínanse de forzas de inercia durante a rotación, distribución desigual da presión dinámica do líquido e desequilibrio residual na masa do rotor. As cargas radiais acumuladas nas bombas de varias etapas poden causar sobrequecemento dos rodamentos, vibracións ou desalineamentos do rotor.

Estratexias de equilibrio:

● Optimización da simetría do impulsor:

o A correspondencia das láminas pares e impares (por exemplo, 5 láminas + 7 láminas) distribúe as forzas radiais uniformemente.

o O equilibrio dinámico garante que o centroide de cada impulsor se aliña co eixe de rotación, minimizando o desequilibrio residual.

● Reforzo estrutural:

o As carcasas de rodamentos intermedios ríxidos restrinxen o desprazamento radial.

o Os rodamentos combinados (por exemplo, rodamentos de esferas de dobre fila + rodamentos de rolos cilíndricos) manexan cargas axiais e radiais por separado.

● Compensación hidráulica:

o As paletas guía ou as cámaras de retorno nos espazos libres dos impulsores optimizan os camiños de fluxo, reducindo os vórtices locais e as flutuacións de forza radial.

3. Transmisión de carga en impulsores multietapa

As forzas axiais acumúlanse por etapas e deben ser xestionadas para evitar concentracións de tensión:

● Equilibrio por etapas:A instalación dun disco de equilibrio (por exemplo, en bombas centrífugas de varias etapas) utiliza diferenzas de presión de separación axial para axustar automaticamente as forzas axiais.

● Optimización da rixidez:Os eixes das bombas están feitos de aliaxes de alta resistencia (por exemplo, 42CrMo) e validados mediante análise de elementos finitos (FEA) para os límites de deflexión (normalmente ≤ 0.1 mm/m).

4. Caso práctico de enxeñería e verificación do cálculo

Exemplo:Bomba de turbina vertical multietapa química (6 etapas, altura total 300 m, caudal 200 m³/h):

● Cálculo da forza axial:

o Deseño inicial (rode de succión simple): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), resultando 1.8×106N.

o Despois de converterse en impulsor de dobre succión e engadir orificios de equilibrio: a forza axial reduciuse a 5 × 105 N, cumprindo os estándares API 610 (≤1.5 × par de potencia nominal).

● Simulación de carga radial:

o ANSYS Fluent CFD revelou picos de presión locais (ata 12 kN/m²) en impulsores non optimizados. A introdución de paletas guía reduciu os picos nun 40 % e o aumento da temperatura dos rodamentos en 15 °C.

5. Criterios e consideracións clave de deseño

● Límites de forza axial: normalmente ≤ 30 % da resistencia á tracción do eixe da bomba, cunha temperatura do rodamento de empuxe ≤ 70 °C.

● Control da holgura do impulsor: mantense entre 0.2 e 0.5 mm (un tamaño demasiado pequeno provoca rozamento; demasiado grande provoca fugas).

● Probas dinámicas: as probas de equilibrio a toda velocidade (grado G2.5) garanten a estabilidade do sistema antes da posta en servizo.

Conclusión

O equilibrio de cargas axiais e radiais en bombas de turbina verticais multietapa é un desafío complexo de enxeñaría de sistemas que inclúe a dinámica de fluídos, o deseño mecánico e a ciencia dos materiais. A optimización da xeometría do impulsor, a integración de dispositivos de equilibrio e os procesos de fabricación precisos melloran significativamente a fiabilidade e a vida útil da bomba. Os avances futuros nas simulacións numéricas e na fabricación aditiva impulsadas pola IA permitirán aínda máis o deseño personalizado do impulsor e a optimización dinámica da carga.

Nota: O deseño personalizado para aplicacións específicas (por exemplo, propiedades do fluído, velocidade, temperatura) debe cumprir as normas internacionais como API e ISO.