1. Αρχές δημιουργίας αξονικής δύναμης και εξισορρόπησης

Οι αξονικές δυνάμεις σε πολλαπλά βήματα  κάθετες αντλίες στροβίλου  αποτελούνται κυρίως από δύο συστατικά:

● Συστατικό φυγόκεντρης δύναμης:Η ακτινική ροή υγρού λόγω της φυγόκεντρης δύναμης δημιουργεί μια διαφορά πίεσης μεταξύ του μπροστινού και του πίσω καλύμματος της πτερωτής, με αποτέλεσμα μια αξονική δύναμη (συνήθως κατευθυνόμενη προς την είσοδο αναρρόφησης).

● Εφέ διαφορικής πίεσης:Η αθροιστική διαφορά πίεσης σε κάθε στάδιο αυξάνει περαιτέρω την αξονική δύναμη.

Μέθοδοι εξισορρόπησης:

● Συμμετρική διάταξη πτερωτής:Η χρήση πτερωτών διπλής αναρρόφησης (το υγρό εισέρχεται και από τις δύο πλευρές) μειώνει τη διαφορά πίεσης μονής κατεύθυνσης, μειώνοντας την αξονική δύναμη σε αποδεκτά επίπεδα (10%-30%).

● Σχεδιασμός οπής ισορροπίας:Ακτινικές ή λοξές οπές στο πίσω κάλυμμα της πτερωτής ανακατευθύνουν το υγρό υψηλής πίεσης πίσω στην είσοδο, εξισορροπώντας τις διαφορές πίεσης. Το μέγεθος της οπής πρέπει να βελτιστοποιηθεί μέσω υπολογισμών δυναμικής ρευστού για να αποφευχθεί η απώλεια απόδοσης.

● Σχέδιο όπισθεν λεπίδας:Η προσθήκη ανάστροφων λεπίδων (απέναντι από τις κύριες λεπίδες) στο τελευταίο στάδιο δημιουργεί αντίθετη φυγόκεντρη δύναμη για την αντιστάθμιση αξονικών φορτίων. Χρησιμοποιείται συνήθως σε αντλίες υψηλής κεφαλής (π.χ. κατακόρυφα στροβιλιστικές αντλίες πολλαπλών σταδίων).

2. Δημιουργία και εξισορρόπηση ακτινικού φορτίου

Τα ακτινικά φορτία προέρχονται από δυνάμεις αδράνειας κατά την περιστροφή, ανομοιόμορφη κατανομή δυναμικής πίεσης υγρού και υπολειπόμενη ανισορροπία στη μάζα του δρομέα. Τα συσσωρευμένα ακτινικά φορτία σε αντλίες πολλαπλών σταδίων μπορεί να προκαλέσουν υπερθέρμανση του ρουλεμάν, κραδασμούς ή κακή ευθυγράμμιση του ρότορα.

Στρατηγικές εξισορρόπησης:

● Βελτιστοποίηση συμμετρίας πτερωτής:

o Το ταίριασμα περιττών-ζυγών λεπίδων (π.χ. 5 λεπίδες + 7 λεπίδες) κατανέμει ομοιόμορφα τις ακτινικές δυνάμεις.

o Η δυναμική ζυγοστάθμιση διασφαλίζει ότι το κέντρο κάθε πτερωτής ευθυγραμμίζεται με τον άξονα περιστροφής, ελαχιστοποιώντας την υπολειπόμενη ανισορροπία.

● Δομική ενίσχυση:

o Τα άκαμπτα ενδιάμεσα περιβλήματα ρουλεμάν περιορίζουν την ακτινική μετατόπιση.

o Τα συνδυασμένα ρουλεμάν (π.χ. ρουλεμάν ώθησης διπλής σειράς + κυλινδρικά ρουλεμάν κυλίνδρων) χειρίζονται χωριστά τα αξονικά και τα ακτινικά φορτία.

● Υδραυλική αντιστάθμιση:

o Τα πτερύγια οδήγησης ή οι θάλαμοι επιστροφής στα διάκενα της πτερωτής βελτιστοποιούν τις διαδρομές ροής, μειώνοντας τις τοπικές δίνες και τις ακτινικές διακυμάνσεις της δύναμης.

3. Μετάδοση φορτίου σε φτερωτές πολλαπλών σταδίων

Οι αξονικές δυνάμεις συσσωρεύονται σταδιακά και πρέπει να αντιμετωπίζονται για να αποτρέπονται οι συγκεντρώσεις στρες:

● Σταδιακή εξισορρόπηση:Η εγκατάσταση ενός δίσκου ισορροπίας (π.χ. σε φυγόκεντρες αντλίες πολλαπλών σταδίων) χρησιμοποιεί διαφορές πίεσης αξονικού διακένου για αυτόματη ρύθμιση των αξονικών δυνάμεων.

● Βελτιστοποίηση ακαμψίας:Οι άξονες της αντλίας είναι κατασκευασμένοι από κράματα υψηλής αντοχής (π.χ. 42CrMo) και επικυρώνονται μέσω ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (FEA) για όρια παραμόρφωσης (συνήθως ≤ 0.1 mm/m).

4. Μελέτη Περίπτωσης Μηχανικής και Επαλήθευση Υπολογισμού

Παράδειγμα:Μια χημική πολυσταδιακή αντλία στροβίλου (6 βαθμίδες, συνολική κεφαλή 300 m, ταχύτητα ροής 200 m³/h):

● Υπολογισμός αξονικής δύναμης:

o Αρχικός σχεδιασμός (πτερωτή μονής αναρρόφησης): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), με αποτέλεσμα 1.8×106N.

o Μετά τη μετατροπή σε πτερωτή διπλής αναρρόφησης και την προσθήκη οπών ισορροπίας: Η αξονική δύναμη μειώθηκε στα 5×105N, πληρώντας τα πρότυπα API 610 (≤1.5× ονομαστική ροπή ισχύος).

● Προσομοίωση ακτινικού φορτίου:

o Το ANSYS Fluent CFD αποκάλυψε τοπικές κορυφές πίεσης (έως 12 kN/m²) σε μη βελτιστοποιημένες πτερωτές. Η εισαγωγή πτερυγίων οδηγών μείωσε τις κορυφές κατά 40% και αύξηση θερμοκρασίας ρουλεμάν κατά 15°C.

5. Βασικά κριτήρια σχεδιασμού και θεωρήσεις

● Όρια αξονικής δύναμης: Συνήθως ≤ 30% της αντοχής εφελκυσμού του άξονα της αντλίας, με θερμοκρασία ρουλεμάν ώσης ≤ 70°C.

● Έλεγχος διάκενου πτερωτής: Διατηρείται μεταξύ 0.2-0.5 mm (πολύ μικρό προκαλεί τριβή, πολύ μεγάλο οδηγεί σε διαρροή).

● Δυναμική δοκιμή: Οι δοκιμές εξισορρόπησης πλήρους ταχύτητας (βαθμός G2.5) διασφαλίζουν τη σταθερότητα του συστήματος πριν από τη θέση σε λειτουργία.

Συμπέρασμα

Η εξισορρόπηση αξονικών και ακτινικών φορτίων πολλαπλών σταδίων κάθετων στροβίλων αντλιών είναι μια σύνθετη πρόκληση μηχανικής συστημάτων που περιλαμβάνει δυναμική ρευστών, μηχανικό σχεδιασμό και επιστήμη υλικών. Η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας της πτερωτής, η ενσωμάτωση συσκευών εξισορρόπησης και οι ακριβείς διαδικασίες κατασκευής βελτιώνουν σημαντικά την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής της αντλίας. Οι μελλοντικές εξελίξεις στις αριθμητικές προσομοιώσεις βάσει τεχνητής νοημοσύνης και στην κατασκευή πρόσθετων θα επιτρέψουν περαιτέρω τον εξατομικευμένο σχεδιασμό πτερωτής και τη δυναμική βελτιστοποίηση φορτίου.

Σημείωση: Η προσαρμοσμένη σχεδίαση για συγκεκριμένες εφαρμογές (π.χ. ιδιότητες υγρού, ταχύτητα, θερμοκρασία) πρέπει να συμμορφώνεται με διεθνή πρότυπα όπως API και ISO.