૧. અક્ષીય બળ નિર્માણ અને સંતુલન સિદ્ધાંતો

બહુસ્તરીયમાં અક્ષીય બળો  વર્ટિકલ ટર્બાઇન પંપ  મુખ્યત્વે બે ઘટકોથી બનેલા છે:

● કેન્દ્રત્યાગી બળ ઘટક:કેન્દ્રત્યાગી બળને કારણે પ્રવાહી રેડિયલ પ્રવાહ ઇમ્પેલરના આગળના અને પાછળના કવર વચ્ચે દબાણ તફાવત બનાવે છે, જેના પરિણામે અક્ષીય બળ (સામાન્ય રીતે સક્શન ઇનલેટ તરફ નિર્દેશિત) બને છે.

● દબાણ વિભેદક અસર:દરેક તબક્કામાં સંચિત દબાણ તફાવત અક્ષીય બળમાં વધુ વધારો કરે છે.

સંતુલન પદ્ધતિઓ:

● સપ્રમાણ ઇમ્પેલર ગોઠવણી:ડબલ-સક્શન ઇમ્પેલર્સ (બંને બાજુથી પ્રવાહી પ્રવેશે છે) નો ઉપયોગ એકદિશાત્મક દબાણ વિભેદક ઘટાડે છે, અક્ષીય બળને સ્વીકાર્ય સ્તર (10%-30%) સુધી ઘટાડે છે.

● બેલેન્સ હોલ ડિઝાઇન:ઇમ્પેલરના બેક કવરમાં રેડિયલ અથવા ઓબ્લિક છિદ્રો ઉચ્ચ-દબાણવાળા પ્રવાહીને ઇનલેટમાં પાછું રીડાયરેક્ટ કરે છે, દબાણના તફાવતોને સંતુલિત કરે છે. કાર્યક્ષમતાના નુકસાનને ટાળવા માટે છિદ્રનું કદ પ્રવાહી ગતિશીલતા ગણતરીઓ દ્વારા ઑપ્ટિમાઇઝ કરવું આવશ્યક છે.

● રિવર્સ બ્લેડ ડિઝાઇન:છેલ્લા તબક્કામાં રિવર્સ બ્લેડ (મુખ્ય બ્લેડની વિરુદ્ધ) ઉમેરવાથી અક્ષીય ભારને સરભર કરવા માટે પ્રતિ-કેન્દ્રત્યાગી બળ ઉત્પન્ન થાય છે. સામાન્ય રીતે હાઇ-હેડ પંપ (દા.ત., મલ્ટીસ્ટેજ વર્ટિકલ ટર્બાઇન પંપ) માં વપરાય છે.

2. રેડિયલ લોડ જનરેશન અને બેલેન્સિંગ

રેડિયલ લોડ પરિભ્રમણ દરમિયાન જડતા બળો, અસમાન પ્રવાહી ગતિશીલ દબાણ વિતરણ અને રોટર માસમાં અવશેષ અસંતુલનથી ઉદ્ભવે છે. મલ્ટી-સ્ટેજ પંપમાં સંચિત રેડિયલ લોડ બેરિંગ ઓવરહિટીંગ, કંપન અથવા રોટર ખોટી ગોઠવણીનું કારણ બની શકે છે.

સંતુલન વ્યૂહરચનાઓ:

● ઇમ્પેલર સમપ્રમાણતા ઑપ્ટિમાઇઝેશન:

o ઓડ-ઇવન બ્લેડ મેચિંગ (દા.ત., 5 બ્લેડ + 7 બ્લેડ) રેડિયલ ફોર્સને સમાનરૂપે વિતરિત કરે છે.

o ગતિશીલ સંતુલન ખાતરી કરે છે કે દરેક ઇમ્પેલરનું સેન્ટ્રોઇડ પરિભ્રમણ અક્ષ સાથે સંરેખિત થાય છે, શેષ અસંતુલનને ઘટાડે છે.

● માળખાકીય મજબૂતીકરણ:

o કઠોર મધ્યવર્તી બેરિંગ હાઉસિંગ રેડિયલ ડિસ્પ્લેસમેન્ટને પ્રતિબંધિત કરે છે.

o સંયુક્ત બેરિંગ્સ (દા.ત., ડબલ-રો થ્રસ્ટ બોલ બેરિંગ્સ + નળાકાર રોલર બેરિંગ્સ) અક્ષીય અને રેડિયલ લોડને અલગથી હેન્ડલ કરે છે.

● હાઇડ્રોલિક વળતર:

o ઇમ્પેલર ક્લિયરન્સમાં ગાઇડ વેન અથવા રીટર્ન ચેમ્બર ફ્લો પાથને ઑપ્ટિમાઇઝ કરે છે, સ્થાનિક વમળો અને રેડિયલ ફોર્સના વધઘટને ઘટાડે છે.

3. મલ્ટી-સ્ટેજ ઇમ્પેલર્સમાં લોડ ટ્રાન્સમિશન

અક્ષીય બળો તબક્કાવાર એકઠા થાય છે અને તણાવની સાંદ્રતાને રોકવા માટે તેનું સંચાલન કરવું આવશ્યક છે:

● તબક્કાવાર સંતુલન:બેલેન્સ ડિસ્ક ઇન્સ્ટોલ કરવા (દા.ત., મલ્ટી-સ્ટેજ સેન્ટ્રીફ્યુગલ પંપમાં) અક્ષીય બળોને આપમેળે સમાયોજિત કરવા માટે અક્ષીય ગેપ દબાણ તફાવતોનો ઉપયોગ કરે છે.

● કઠોરતા ઑપ્ટિમાઇઝેશન:પંપ શાફ્ટ ઉચ્ચ-શક્તિવાળા એલોય (દા.ત., 42CrMo) થી બનેલા હોય છે અને વિચલન મર્યાદા (સામાન્ય રીતે ≤ 0.1 mm/m) માટે મર્યાદિત તત્વ વિશ્લેષણ (FEA) દ્વારા માન્ય કરવામાં આવે છે.

૪. એન્જિનિયરિંગ કેસ સ્ટડી અને ગણતરી ચકાસણી

ઉદાહરણ:એક રાસાયણિક મલ્ટીસ્ટેજ વર્ટિકલ ટર્બાઇન પંપ (6 સ્ટેજ, કુલ હેડ 300 મીટર, પ્રવાહ દર 200 m³/કલાક):

● અક્ષીય બળ ગણતરી:

o પ્રારંભિક ડિઝાઇન (સિંગલ-સક્શન ઇમ્પેલર): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), પરિણામે 1.8×106N.

o ડબલ-સક્શન ઇમ્પેલરમાં રૂપાંતરિત થયા પછી અને બેલેન્સ હોલ્સ ઉમેર્યા પછી: અક્ષીય બળ ઘટાડીને 5×105N કરવામાં આવ્યું, જે API 610 ધોરણો (≤1.5× રેટેડ પાવર ટોર્ક) ને પૂર્ણ કરે છે.

● રેડિયલ લોડ સિમ્યુલેશન:

o ANSYS ફ્લુએન્ટ CFD એ અનઓપ્ટિમાઇઝ્ડ ઇમ્પેલર્સમાં સ્થાનિક દબાણ શિખરો (12 kN/m² સુધી) જાહેર કર્યા. ગાઇડ વેન રજૂ કરવાથી શિખરો 40% ઘટ્યા અને બેરિંગ તાપમાનમાં 15°C વધારો થયો.

5. મુખ્ય ડિઝાઇન માપદંડ અને વિચારણાઓ

● અક્ષીય બળ મર્યાદા: સામાન્ય રીતે પંપ શાફ્ટની તાણ શક્તિના ≤ 30%, થ્રસ્ટ બેરિંગ તાપમાન ≤ 70°C સાથે.

● ઇમ્પેલર ક્લિયરન્સ નિયંત્રણ: 0.2-0.5 મીમી વચ્ચે જાળવવામાં આવે છે (ખૂબ ઓછું ઘર્ષણનું કારણ બને છે; ખૂબ મોટું લીકેજ તરફ દોરી જાય છે).

● ગતિશીલ પરીક્ષણ: પૂર્ણ-ગતિ સંતુલન પરીક્ષણો (G2.5 ગ્રેડ) કમિશનિંગ પહેલાં સિસ્ટમ સ્થિરતા સુનિશ્ચિત કરે છે.

ઉપસંહાર

મલ્ટીસ્ટેજ વર્ટિકલ ટર્બાઇન પંપમાં અક્ષીય અને રેડિયલ લોડને સંતુલિત કરવું એ એક જટિલ સિસ્ટમ એન્જિનિયરિંગ પડકાર છે જેમાં પ્રવાહી ગતિશીલતા, યાંત્રિક ડિઝાઇન અને ભૌતિક વિજ્ઞાનનો સમાવેશ થાય છે. ઇમ્પેલર ભૂમિતિને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા, સંતુલન ઉપકરણોને એકીકૃત કરવા અને ચોક્કસ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ પંપ વિશ્વસનીયતા અને આયુષ્યમાં નોંધપાત્ર વધારો કરે છે. AI-સંચાલિત સંખ્યાત્મક સિમ્યુલેશન અને એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગમાં ભાવિ પ્રગતિ વ્યક્તિગત ઇમ્પેલર ડિઝાઇન અને ગતિશીલ લોડ ઑપ્ટિમાઇઝેશનને વધુ સક્ષમ બનાવશે.

નોંધ: ચોક્કસ એપ્લિકેશનો (દા.ત., પ્રવાહી ગુણધર્મો, ગતિ, તાપમાન) માટે કસ્ટમાઇઝ્ડ ડિઝાઇન API અને ISO જેવા આંતરરાષ્ટ્રીય ધોરણોનું પાલન કરતી હોવી જોઈએ.