1. A járókerék-rés meghatározása és főbb hatásai

A járókerék-rés a járókerék és a szivattyúház (vagy a vezetőlapátgyűrű) közötti radiális hézagra vonatkozik, amely jellemzően 0.2 mm és 0.5 mm között van. Ez a különbség jelentősen befolyásolja a teljesítményt  többfokozatú függőleges turbinás szivattyúk két fő szempont szerint:

● Hidraulikus veszteségek: A túlzott hézagok növelik a szivárgási áramlást, csökkentve a térfogati hatékonyságot; a túl kicsi rések súrlódási kopást vagy kavitációt okozhatnak.

● Áramlási jellemzők: A rés mérete közvetlenül befolyásolja az áramlás egyenletességét a járókerék kimeneténél, ezáltal befolyásolja a magassági és hatásfok görbéit.

2. A járókerék-rés optimalizálásának elméleti alapjai

2.1 A térfogati hatékonyság javítása

A térfogati hatásfok (ηₛ) a tényleges kimeneti áramlás és az elméleti áramlás aránya:

ηₛ = 1 − QQszivárgás

ahol Qleak a járókerék rés által okozott szivárgási áramlás. A rés optimalizálása jelentősen csökkenti a szivárgást. Például:

● A rés 0.3 mm-ről 0.2 mm-re való csökkentése 15-20%-kal csökkenti a szivárgást.

● A többfokozatú szivattyúknál a többlépcsős kumulatív optimalizálás 5–10%-kal javíthatja a teljes hatékonyságot.

2.2 A hidraulikus veszteségek csökkentése

A rés optimalizálása javítja az áramlás egyenletességét a járókerék kimeneténél, csökkenti a turbulenciát, és így minimalizálja a fejveszteséget. Például:

● A CFD-szimulációk azt mutatják, hogy a rés 0.4 mm-ről 0.25 mm-re történő csökkentése 30%-kal csökkenti a turbulens kinetikus energiát, ami 4-6%-os tengelyteljesítmény-csökkenést jelent.

2.3 Kavitációs teljesítmény javítása

A nagy rések fokozzák a nyomás pulzációját a bemenetnél, növelve a kavitáció kockázatát. A rés optimalizálása stabilizálja az áramlást és növeli az NPSHr (nettó pozitív szívómagasság) határt, ami különösen hatékony alacsony áramlási körülmények között.

3. Kísérleti ellenőrzési és tervezési esetek

3.1 Laboratóriumi vizsgálati adatok

Egy kutatóintézet összehasonlító vizsgálatokat végzett a többfokozatú függőleges turbinás szivattyú (paraméterek: 2950 ford./perc, 100 m³/h, 200 m magasság).

3.2 Ipari alkalmazási példák

● Petrolkémiai keringető szivattyú utólagos felszerelése: Egy finomító a járókerék rését 0.4 mm-ről 0.28 mm-re csökkentette, így évi 120 kW·h energiamegtakarítást és 8%-os működési költségeket ért el.

● Offshore platform befecskendező szivattyú optimalizálása: A lézeres interferometria segítségével a rés szabályozására (±0.02 mm) a szivattyú térfogati hatásfoka 81%-ról 89%-ra javult, megoldva a túlzott hézagok okozta vibrációs problémákat.

4. Optimalizálási módszerek és megvalósítási lépések

4.1 Matematikai modell a hézagoptimalizáláshoz

A centrifugálszivattyú hasonlósági törvényei és a korrekciós együtthatók alapján a hézag és a hatásfok közötti összefüggés a következő:

η = η₀(1 − k·δD)

ahol δ a résérték, D a járókerék átmérője, k pedig egy tapasztalati együttható (általában 0.1–0.3).

4.2 Kulcsfontosságú megvalósítási technológiák

●Precíziós gyártás: A CNC gépek és csiszolószerszámok mikrométeres pontosságot (IT7–IT8) érnek el a járókerekek és a házak esetében.

●Helyszíni mérés: A lézeres beállító eszközök és az ultrahangos vastagságmérők figyelik a hézagokat az összeszerelés során, hogy elkerüljék az eltéréseket.

● Dinamikus beállítás: Magas hőmérsékletű vagy korrozív közegekhez cserélhető tömítőgyűrűket használnak csavaros finomhangolással.

4.3 Megfontolások

● Súrlódás-kopás egyensúly: Az alulméretezett rések növelik a mechanikai kopást; Az anyagkeménységnek (pl. Cr12MoV járókerekeknél, HT250 házaknál) és az üzemi feltételeknek egyensúlyban kell lenniük.

● Hőtágulási kompenzáció: Fenntartott rések (0.03–0.05 mm) szükségesek a magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz (pl. forróolaj-szivattyúk).

5. Jövőbeli trendek

●Digitális tervezés: Az AI-alapú optimalizálási algoritmusok (pl. genetikai algoritmusok) gyorsan meghatározzák az optimális hézagokat.

●Adalékanyag gyártás: A fém 3D nyomtatás lehetővé teszi a járókerékház integrált kialakítását, csökkentve az összeszerelési hibákat.

●Intelligens felügyelet: A digitális ikrekkel párosított száloptikai érzékelők valós idejű résfigyelést és teljesítményromlás előrejelzést tesznek lehetővé.

Következtetés

A járókerék-rés optimalizálása az egyik legközvetlenebb módszer a többlépcsős függőleges turbinás szivattyú hatékonyságának növelésére. A precíziós gyártás, a dinamikus beállítás és az intelligens monitorozás kombinálásával 5–15%-os hatékonyságnövekedés érhető el, csökkenthető az energiafogyasztás és a karbantartási költségek. A gyártás és az analitika fejlődésével a hézagoptimalizálás a nagyobb pontosság és intelligencia felé fejlődik, és a szivattyúenergia utólagos felszerelésének alapvető technológiájává válik.

Jegyzet: A gyakorlati mérnöki megoldásoknak integrálniuk kell a közepes tulajdonságokat, az üzemeltetési feltételeket és a költségkorlátokat, amelyeket életciklus-költség (LCC) elemzéssel kell érvényesíteni.