1. Prinsip Pembangkitan dan Penyeimbangan Gaya Aksial

Gaya aksial dalam multitahap  pompa turbin vertikal  terutama terdiri dari dua komponen:

● Komponen gaya sentrifugal:Aliran radial cair akibat gaya sentrifugal menciptakan perbedaan tekanan antara penutup depan dan belakang impeler, yang menghasilkan gaya aksial (biasanya diarahkan ke saluran masuk hisap).

● Efek perbedaan tekanan:Perbedaan tekanan kumulatif di setiap tahap selanjutnya meningkatkan gaya aksial.

Metode Penyeimbangan:

● Susunan impeller simetris:Menggunakan impeller hisap ganda (cairan masuk dari kedua sisi) mengurangi perbedaan tekanan searah, menurunkan gaya aksial ke tingkat yang dapat diterima (10%-30%).

● Desain lubang keseimbangan:Lubang radial atau miring pada penutup belakang impeller mengalihkan cairan bertekanan tinggi kembali ke saluran masuk, sehingga menyeimbangkan perbedaan tekanan. Ukuran lubang harus dioptimalkan melalui perhitungan dinamika fluida untuk menghindari hilangnya efisiensi.

● Desain bilah terbalik:Penambahan bilah terbalik (berlawanan dengan bilah utama) pada tahap terakhir menghasilkan gaya sentrifugal balik untuk mengimbangi beban aksial. Umumnya digunakan pada pompa dengan tekanan tinggi (misalnya, pompa turbin vertikal multitahap).

2. Pembangkitan dan Penyeimbangan Beban Radial

Beban radial berasal dari gaya inersia selama rotasi, distribusi tekanan dinamis cairan yang tidak merata, dan ketidakseimbangan sisa pada massa rotor. Beban radial yang terakumulasi pada pompa multi-tahap dapat menyebabkan bantalan menjadi terlalu panas, getaran, atau ketidaksejajaran rotor.

Strategi Penyeimbangan:

● Optimasi simetri impeller:

o Pencocokan bilah ganjil-genap (misalnya, 5 bilah + 7 bilah) mendistribusikan gaya radial secara merata.

o Penyeimbangan dinamis memastikan setiap titik berat impeller sejajar dengan sumbu putar, sehingga meminimalkan ketidakseimbangan sisa.

● Penguatan struktural:

o Rumah bantalan perantara yang kaku membatasi perpindahan radial.

o Bantalan gabungan (misalnya, bantalan bola dorong baris ganda + bantalan rol silinder) menangani beban aksial dan radial secara terpisah.

● Kompensasi hidrolik:

o Baling-baling pemandu atau ruang pengembali dalam jarak bebas impeler mengoptimalkan jalur aliran, mengurangi pusaran lokal dan fluktuasi gaya radial.

3. Transmisi Beban pada Impeller Multi-Tahap

Gaya aksial terakumulasi secara bertahap dan harus dikelola untuk mencegah konsentrasi tegangan:

● Penyeimbangan tahap demi tahap:Memasang cakram keseimbangan (misalnya, pada pompa sentrifugal multi-tahap) menggunakan perbedaan tekanan celah aksial untuk menyesuaikan gaya aksial secara otomatis.

● Optimasi kekakuan:Poros pompa terbuat dari paduan berkekuatan tinggi (misalnya, 42CrMo) dan divalidasi melalui analisis elemen hingga (FEA) untuk batas defleksi (biasanya ≤ 0.1 mm/m).

4. Studi Kasus Teknik dan Verifikasi Perhitungan

Contoh:Pompa turbin vertikal multitahap kimia (6 tahap, total head 300 m, laju aliran 200 m³/jam):

● Perhitungan gaya aksial:

o Desain awal (impeller hisap tunggal): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), menghasilkan 1.8×106N.

o Setelah mengonversi ke impeller hisap ganda dan menambahkan lubang keseimbangan: Gaya aksial berkurang menjadi 5×105N, memenuhi standar API 610 (≤1.5× torsi daya terukur).

● Simulasi beban radial:

o ANSYS Fluent CFD mengungkap puncak tekanan lokal (hingga 12 kN/m²) pada impeller yang tidak dioptimalkan. Pengenalan baling-baling pemandu mengurangi puncak hingga 40% dan kenaikan suhu bantalan hingga 15°C.

5. Kriteria dan Pertimbangan Desain Utama

● Batas gaya aksial: Biasanya ≤ 30% dari kekuatan tarik poros pompa, dengan suhu bantalan dorong ≤ 70°C.

● Kontrol jarak bebas impeller: Dipertahankan antara 0.2-0.5 mm (terlalu kecil menyebabkan gesekan; terlalu besar menyebabkan kebocoran).

● Pengujian dinamis: Pengujian penyeimbangan kecepatan penuh (tingkat G2.5) memastikan stabilitas sistem sebelum commissioning.

Kesimpulan

Menyeimbangkan beban aksial dan radial pada pompa turbin vertikal multitahap merupakan tantangan rekayasa sistem yang kompleks yang melibatkan dinamika fluida, desain mekanis, dan ilmu material. Mengoptimalkan geometri impeller, mengintegrasikan perangkat penyeimbang, dan proses manufaktur yang presisi secara signifikan meningkatkan keandalan dan masa pakai pompa. Kemajuan masa depan dalam simulasi numerik berbasis AI dan manufaktur aditif akan semakin memungkinkan desain impeller yang dipersonalisasi dan pengoptimalan beban dinamis.

Catatan: Desain khusus untuk aplikasi tertentu (misalnya, sifat fluida, kecepatan, suhu) harus mematuhi standar internasional seperti API dan ISO.