1. יצירת כוח צירי ועקרונות איזון

הכוחות הציריים מגוונים  משאבות טורבינה אנכיות  מורכבים בעיקר משני מרכיבים:

● רכיב כוח צנטריפוגלי:זרימה רדיאלית של נוזל עקב כוח צנטריפוגלי יוצר הפרש לחץ בין הכיסוי הקדמי והאחורי של האימפלר, וכתוצאה מכך כוח צירי (מכוון בדרך כלל לכיוון כניסת היניקה).

● אפקט הפרש לחץ:הפרש הלחץ המצטבר על פני כל שלב מגדיל עוד יותר את הכוח הצירי.

שיטות איזון:

● סידור אימפלר סימטרי:שימוש באימפלרים עם יניקה כפולה (נוזל נכנס משני הצדדים) מפחית את הפרש הלחץ החד כיווני, מוריד את הכוח הצירי לרמות מקובלות (10%-30%).

● עיצוב חור איזון:חורים רדיאליים או אלכסוניים בכיסוי האחורי של האימפלר מפנים מחדש נוזל בלחץ גבוה בחזרה לכניסה, ומאזנים את הפרשי הלחץ. יש לבצע אופטימיזציה של גודל החור באמצעות חישובי דינמיקה של נוזלים כדי למנוע אובדן יעילות.

● עיצוב להב הפוך:הוספת להבים הפוכים (מנוגדים להבים הראשיים) בשלב האחרון יוצרת כוח נגדי צנטריפוגלי לקיזוז עומסים צירים. משמש בדרך כלל במשאבות בעלות ראש גבוה (למשל, משאבות אנכיות טורבינות רב-שלביות).

2. יצירת עומס רדיאלי ואיזון

עומסים רדיאליים מקורם בכוחות אינרציה במהלך סיבוב, חלוקת לחץ דינמית נוזלית לא אחידה וחוסר איזון שיורי במסת הרוטור. עומסים רדיאליים מצטברים במשאבות רב-שלביות עלולים לגרום להתחממות יתר של המסבים, רטט או אי יישור רוטור.

אסטרטגיות איזון:

● אופטימיזציה של סימטריית האימפלרים:

o התאמת להבים אי זוגיים (למשל, 5 להבים + 7 להבים) מפזרת כוחות רדיאליים באופן שווה.

o איזון דינמי מבטיח שמרכז האימפלר של כל אימפלר מתיישר עם ציר הסיבוב, וממזער את חוסר האיזון השיורי.

● חיזוק מבני:

o בתי מיסב ביניים קשיחים מגבילים תזוזה רדיאלית.

o מיסבים משולבים (למשל, מיסבי דחף דו-שוריים + מיסבי גלילה גליליים) מטפלים בעומסים צירים ורדיאליים בנפרד.

● פיצוי הידראולי:

o שבבי הדרכה או תאי החזרה במרווחי האימפלר מייעלים את נתיבי הזרימה, מפחיתים מערבולות מקומיות ותנודות כוח רדיאלי.

3. העברת עומס באימפלרים מרובי שלבים

כוחות צירים מצטברים בשלבים ויש לנהל אותם כדי למנוע ריכוזי מתח:

● איזון שלב:התקנת דיסק איזון (למשל, במשאבות צנטריפוגליות רב-שלביות) משתמשת בהפרשי לחץ מרווח צירי כדי להתאים אוטומטית כוחות צירים.

● אופטימיזציה של קשיחות:פירי המשאבה עשויים מסגסוגות בעלות חוזק גבוה (למשל, 42CrMo) ומאומתים באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים (FEA) עבור מגבלות הסטייה (בדרך כלל ≤ 0.1 מ"מ/מ').

4. תיאור מקרה הנדסי ואימות חישוב

דוגמא:משאבת טורבינה רב-שלבית כימית (6 שלבים, גובה כולל 300 מ', קצב זרימה 200 מ"ק/שעה):

● חישוב כוח צירי:

o תכנון ראשוני (אימפלר יניקה יחיד): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), וכתוצאה מכך 1.8×106N.

o לאחר המרה לאימפלר יניקה כפול והוספת חורי איזון: כוח צירי מופחת ל-5×105N, עומד בתקני API 610 (≤1.5× מומנט כוח מדורג).

● הדמיית עומס רדיאלי:

o ANSYS Fluent CFD חשף שיאי לחץ מקומיים (עד 12kN/m²) באימפלרים לא אופטימליים. הצגת שבבי הדרכה הפחיתו את הפסגות ב-40% ועליית טמפרטורת המיסבים ב-15 מעלות צלזיוס.

5. קריטריונים ושיקולים עיצוביים מרכזיים

● מגבלות כוח צירי: בדרך כלל ≤ 30% מחוזק מתיחה של גל המשאבה, עם טמפרטורת מיסב דחף ≤ 70°C.

● בקרת מרווח האימפלר: נשמר בין 0.2-0.5 מ"מ (קטן מדי גורם לחיכוך; גדול מדי מוביל לדליפה).

● בדיקות דינמיות: מבחני איזון במהירות מלאה (דרגה G2.5) מבטיחים יציבות מערכת לפני ההפעלה.

סיכום

איזון עומסים צירים ורדיאליים במשאבות טורבינות אנכיות רב-שלביות הוא אתגר הנדסי מערכות מורכב הכולל דינמיקה של נוזלים, תכנון מכני ומדעי החומר. אופטימיזציה של גיאומטריית האימפלר, שילוב התקני איזון ותהליכי ייצור מדויקים משפרים משמעותית את אמינות המשאבה ואת תוחלת החיים. התקדמות עתידית בסימולציות מספריות מונעות בינה מלאכותית ובייצור תוסף יאפשרו עוד יותר עיצוב אימפלר מותאם אישית ואופטימיזציה של עומסים דינמיים.

הערה: עיצוב מותאם אישית עבור יישומים ספציפיים (למשל, מאפייני נוזל, מהירות, טמפרטורה) חייב לעמוד בתקנים בינלאומיים כגון API ו-ISO.