1. Axiális erő létrehozásának és kiegyensúlyozásának elvei

Az axiális erők többlépcsős  függőleges turbinás szivattyúk  elsősorban két összetevőből állnak:

● Centrifugális erőkomponens:A centrifugális erő hatására kialakuló folyadék sugárirányú áramlás nyomáskülönbséget hoz létre a járókerék elülső és hátsó burkolata között, ami axiális erőt eredményez (általában a szívónyílás felé irányul).

● Nyomáskülönbség hatás:Az egyes fokozatok kumulatív nyomáskülönbsége tovább növeli az axiális erőt.

Kiegyensúlyozási módszerek:

● Szimmetrikus járókerék elrendezés:A kettős szívású járókerekek használata (a folyadék mindkét oldalról belép) csökkenti az egyirányú nyomáskülönbséget, és az axiális erőt elfogadható szintre (10%-30%) csökkenti.

● Kiegyensúlyozó furat kialakítása:A járókerék hátlapján lévő radiális vagy ferde lyukak a nagynyomású folyadékot visszairányítják a bemenetbe, kiegyenlítve a nyomáskülönbségeket. A lyukméretet folyadékdinamikai számításokkal kell optimalizálni a hatékonyságvesztés elkerülése érdekében.

● Fordított penge kialakítás:Az utolsó szakaszban fordított kések hozzáadása (a fő lapátokkal szemben) ellencentrifugális erőt generál az axiális terhelések kiegyenlítésére. Általában magas emelésű szivattyúkban (pl. többfokozatú függőleges turbinás szivattyúkban) használják.

2. Radiális terhelés generálása és kiegyensúlyozása

A sugárirányú terhelések a forgás során fellépő tehetetlenségi erőkből, a folyadék dinamikus nyomáseloszlásának egyenetlenségéből és a rotor tömegének maradék kiegyensúlyozatlanságából erednek. A többfokozatú szivattyúkban felhalmozódott radiális terhelések a csapágy túlmelegedését, vibrációt vagy a forgórész eltolódását okozhatják.

Kiegyensúlyozási stratégiák:

● A járókerék szimmetria optimalizálása:

o A páratlan-páros pengeillesztés (pl. 5 penge + 7 penge) egyenletesen osztja el a radiális erőket.

o A dinamikus kiegyensúlyozás biztosítja, hogy minden járókerék súlypontja a forgástengelyhez igazodjon, minimalizálva a maradék kiegyensúlyozatlanságot.

● Szerkezeti megerősítés:

o A merev közbenső csapágyházak korlátozzák a sugárirányú elmozdulást.

o A kombinált csapágyak (pl. kétsoros nyomógolyós csapágyak + hengergörgős csapágyak) külön kezelik az axiális és radiális terhelést.

● Hidraulikus kompenzáció:

o A járókerék-hézagban lévő vezetőlapátok vagy visszatérő kamrák optimalizálják az áramlási utakat, csökkentve a helyi örvényléseket és a sugárirányú erőingadozásokat.

3. A többfokozatú járókerekek erőátviteli terhelése

Az axiális erők szakaszonként halmozódnak fel, és kezelni kell a feszültségkoncentráció megelőzése érdekében:

● Szakaszos kiegyensúlyozás:A kiegyensúlyozó tárcsa felszerelése (pl. többfokozatú centrifugálszivattyúkban) axiális nyomáskülönbségeket használ az axiális erők automatikus beállításához.

● Merevség optimalizálás:A szivattyútengelyek nagy szilárdságú ötvözetekből (pl. 42CrMo) készülnek, és végeselem elemzéssel (FEA) validálják az elhajlási határértékeket (általában ≤ 0.1 mm/m).

4. Mérnöki esettanulmány és számítási ellenőrzés

Példa:Vegyi többlépcsős vertikális turbinás szivattyú (6 fokozat, teljes emelőmagasság 300 m, áramlási sebesség 200 m³/h):

● Axiális erő számítása:

o Kezdeti kialakítás (egyszívó járókerék): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), ami 1.8×106N.

o Kettős szívású járókerékre átalakítás és kiegyensúlyozó furatok hozzáadása után: Az axiális erő 5×105N-ra csökkentve, megfelel az API 610 szabványnak (≤1.5× névleges nyomaték).

● Radiális terhelés szimuláció:

o Az ANSYS Fluent CFD helyi nyomáscsúcsokat mutatott ki (akár 12 kN/m²) a nem optimalizált járókerekekben. A vezetőlapátok bevezetése 40%-kal csökkentette a csúcsokat és 15°C-kal a csapágyhőmérséklet-emelkedést.

5. Főbb tervezési kritériumok és szempontok

● Axiális erőhatárok: Általában a szivattyú tengelyének szakítószilárdságának ≤ 30%-a, a nyomócsapágy hőmérséklete ≤ 70°C.

● Járókerék-hézagszabályozás: 0.2-0.5 mm között tartva (a túl kicsi súrlódást okoz, a túl nagy pedig szivárgást okoz).

● Dinamikus tesztelés: Teljes sebességű kiegyensúlyozási tesztek (G2.5 fokozat) biztosítják a rendszer stabilitását az üzembe helyezés előtt.

Következtetés

A többlépcsős függőleges turbinás szivattyúk axiális és radiális terheléseinek kiegyenlítése összetett rendszermérnöki kihívás, amely magában foglalja a folyadékdinamikát, a mechanikai tervezést és az anyagtudományt. A járókerék geometriájának optimalizálása, a kiegyensúlyozó eszközök integrálása és a precíz gyártási folyamatok jelentősen növelik a szivattyú megbízhatóságát és élettartamát. A mesterséges intelligencia által vezérelt numerikus szimulációk és az additív gyártás jövőbeli fejlesztései tovább teszik lehetővé a személyre szabott járókerék-tervezést és a dinamikus terhelésoptimalizálást.

Megjegyzés: A speciális alkalmazásokhoz (pl. folyadék tulajdonságai, sebesség, hőmérséklet) testreszabott tervezésnek meg kell felelnie a nemzetközi szabványoknak, mint például az API és az ISO.