1. अक्षीय बल उत्पादन और संतुलन सिद्धांत

बहुस्तरीय अक्षीय बल  ऊर्ध्वाधर टरबाइन पंप  मुख्यतः दो घटकों से बने होते हैं:

● केन्द्रापसारी बल घटक:केन्द्रापसारी बल के कारण तरल रेडियल प्रवाह, प्ररितक के आगे और पीछे के आवरणों के बीच दबाव का अंतर पैदा करता है, जिसके परिणामस्वरूप एक अक्षीय बल उत्पन्न होता है (जो आमतौर पर चूषण इनलेट की ओर निर्देशित होता है)।

● दबाव अंतर प्रभाव:प्रत्येक चरण में संचयी दबाव अंतर अक्षीय बल को और अधिक बढ़ा देता है।

संतुलन विधियाँ:

● सममित प्ररितक व्यवस्था:डबल-सक्शन इम्पेलर्स (द्रव दोनों ओर से प्रवेश करता है) का उपयोग करने से एकदिशीय दबाव अंतर कम हो जाता है, तथा अक्षीय बल स्वीकार्य स्तर (10%-30%) तक कम हो जाता है।

● संतुलन छेद डिजाइन:प्ररित करनेवाला के पिछले कवर में रेडियल या तिरछे छेद उच्च दबाव वाले तरल को वापस इनलेट में भेजते हैं, जिससे दबाव के अंतर को संतुलित किया जाता है। दक्षता हानि से बचने के लिए द्रव गतिकी गणना के माध्यम से छेद के आकार को अनुकूलित किया जाना चाहिए।

● रिवर्स ब्लेड डिज़ाइन:अंतिम चरण में रिवर्स ब्लेड (मुख्य ब्लेड के विपरीत) जोड़ने से अक्षीय भार को संतुलित करने के लिए काउंटर-सेंट्रीफ्यूगल बल उत्पन्न होता है। आमतौर पर हाई-हेड पंप (जैसे, मल्टीस्टेज वर्टिकल टर्बाइन पंप) में उपयोग किया जाता है।

2. रेडियल लोड जनरेशन और संतुलन

रेडियल भार घूर्णन के दौरान जड़त्व बलों, असमान तरल गतिशील दबाव वितरण और रोटर द्रव्यमान में अवशिष्ट असंतुलन से उत्पन्न होते हैं। बहु-चरण पंपों में संचित रेडियल भार बीयरिंग के अधिक गर्म होने, कंपन या रोटर के गलत संरेखण का कारण बन सकता है।

संतुलन रणनीतियाँ:

● प्ररितक समरूपता अनुकूलन:

o विषम-सम ब्लेड मिलान (जैसे, 5 ब्लेड + 7 ब्लेड) रेडियल बलों को समान रूप से वितरित करता है।

o गतिशील संतुलन सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक प्ररितक का केन्द्रक घूर्णन अक्ष के साथ संरेखित हो, जिससे अवशिष्ट असंतुलन न्यूनतम हो।

● संरचनात्मक सुदृढ़ीकरण:

o कठोर मध्यवर्ती बेयरिंग आवास रेडियल विस्थापन को प्रतिबंधित करते हैं।

o संयुक्त बीयरिंग (जैसे, डबल-पंक्ति थ्रस्ट बॉल बीयरिंग + बेलनाकार रोलर बीयरिंग) अक्षीय और रेडियल भार को अलग-अलग संभालते हैं।

● हाइड्रोलिक क्षतिपूर्ति:

o प्ररितक क्लीयरेंस में गाइड वेन या रिटर्न चैंबर प्रवाह पथों को अनुकूलित करते हैं, स्थानीय भंवर और रेडियल बल उतार-चढ़ाव को कम करते हैं।

3. मल्टी-स्टेज इम्पेलर्स में लोड ट्रांसमिशन

अक्षीय बल चरण-दर-चरण संचित होते हैं और तनाव सांद्रता को रोकने के लिए उनका प्रबंधन किया जाना चाहिए:

● चरणवार संतुलन:संतुलन डिस्क स्थापित करने (जैसे, बहु-चरणीय केन्द्रापसारक पंपों में) में अक्षीय बलों को स्वचालित रूप से समायोजित करने के लिए अक्षीय अंतराल दबाव अंतर का उपयोग किया जाता है।

● कठोरता अनुकूलन:पंप शाफ्ट उच्च-शक्ति मिश्रधातुओं (जैसे, 42CrMo) से बने होते हैं और विक्षेपण सीमाओं (आमतौर पर ≤ 0.1 मिमी/मी) के लिए परिमित तत्व विश्लेषण (FEA) के माध्यम से मान्य होते हैं।

4. इंजीनियरिंग केस स्टडी और गणना सत्यापन

उदाहरण:एक रासायनिक बहुस्तरीय वर्टिकल टर्बाइन पंप (6 चरण, कुल हेड 300 मीटर, प्रवाह दर 200 m³/h):

● अक्षीय बल गणना:

o प्रारंभिक डिजाइन (एकल-सक्शन प्ररित करनेवाला): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), जिसके परिणामस्वरूप 1.8×106N होता है।

o डबल-सक्शन इम्पेलर में परिवर्तित करने और संतुलन छेद जोड़ने के बाद: अक्षीय बल 5×105N तक कम हो जाता है, जो API 610 मानकों (≤1.5× रेटेड पावर टॉर्क) को पूरा करता है।

● रेडियल लोड सिमुलेशन:

o ANSYS फ़्लूएंट CFD ने अनऑप्टिमाइज़्ड इम्पेलर्स में स्थानीय दबाव शिखर (12 kN/m² तक) का पता लगाया। गाइड वेन के इस्तेमाल से शिखर 40% तक कम हो गए और बियरिंग तापमान में 15°C की वृद्धि हुई।

5. प्रमुख डिज़ाइन मानदंड और विचार

● अक्षीय बल सीमाएँ: आमतौर पर पंप शाफ्ट तन्य शक्ति का ≤ 30%, थ्रस्ट बेयरिंग तापमान ≤ 70°C के साथ।

● प्ररितक निकासी नियंत्रण: 0.2-0.5 मिमी के बीच बनाए रखा जाता है (बहुत छोटा घर्षण का कारण बनता है; बहुत बड़ा रिसाव की ओर जाता है)।

● गतिशील परीक्षण: पूर्ण गति संतुलन परीक्षण (G2.5 ग्रेड) कमीशनिंग से पहले सिस्टम स्थिरता सुनिश्चित करते हैं।

निष्कर्ष

मल्टीस्टेज वर्टिकल टर्बाइन पंप में अक्षीय और रेडियल भार को संतुलित करना एक जटिल सिस्टम इंजीनियरिंग चुनौती है जिसमें द्रव गतिकी, यांत्रिक डिजाइन और सामग्री विज्ञान शामिल है। इम्पेलर ज्यामिति को अनुकूलित करना, संतुलन उपकरणों को एकीकृत करना और सटीक विनिर्माण प्रक्रियाएं पंप की विश्वसनीयता और जीवनकाल को काफी हद तक बढ़ाती हैं। एआई-संचालित संख्यात्मक सिमुलेशन और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में भविष्य की प्रगति व्यक्तिगत इम्पेलर डिजाइन और गतिशील भार अनुकूलन को और सक्षम करेगी।

नोट: विशिष्ट अनुप्रयोगों (जैसे, द्रव गुण, गति, तापमान) के लिए अनुकूलित डिज़ाइन को API और ISO जैसे अंतर्राष्ट्रीय मानकों का अनुपालन करना होगा।