1. Principi di generazione e bilanciamento della forza assiale

Le forze assiali in multistadio  pompe a turbina verticale  sono composti principalmente da due componenti:

● Componente della forza centrifuga:Il flusso radiale del liquido dovuto alla forza centrifuga crea una differenza di pressione tra la copertura anteriore e quella posteriore della girante, generando una forza assiale (tipicamente diretta verso l'ingresso di aspirazione).

● Effetto differenziale di pressione:La differenza di pressione cumulativa in ogni fase aumenta ulteriormente la forza assiale.

Metodi di bilanciamento:

● Disposizione simmetrica della girante:L'utilizzo di giranti a doppia aspirazione (il liquido entra da entrambi i lati) riduce la differenza di pressione unidirezionale, abbassando la forza assiale a livelli accettabili (10%-30%).

● Progettazione del foro di bilanciamento:I fori radiali o obliqui nel coperchio posteriore della girante reindirizzano il liquido ad alta pressione all'ingresso, bilanciando le differenze di pressione. La dimensione del foro deve essere ottimizzata tramite calcoli di dinamica dei fluidi per evitare perdite di efficienza.

● Design della lama invertita:L'aggiunta di pale inverse (opposte alle pale principali) nell'ultimo stadio genera una forza controcentrifuga per compensare i carichi assiali. Comunemente utilizzata nelle pompe ad alta prevalenza (ad esempio, pompe a turbina verticali multistadio).

2. Generazione e bilanciamento del carico radiale

I carichi radiali hanno origine dalle forze di inerzia durante la rotazione, dalla distribuzione non uniforme della pressione dinamica del liquido e dallo squilibrio residuo nella massa del rotore. I carichi radiali accumulati nelle pompe multistadio possono causare surriscaldamento dei cuscinetti, vibrazioni o disallineamento del rotore.

Strategie di bilanciamento:

● Ottimizzazione della simmetria della girante:

o L'abbinamento delle pale pari-dispari (ad esempio 5 pale + 7 pale) distribuisce le forze radiali in modo uniforme.

o Il bilanciamento dinamico garantisce che il baricentro di ogni girante sia allineato con l'asse di rotazione, riducendo al minimo lo squilibrio residuo.

● Rinforzo strutturale:

o Gli alloggiamenti rigidi dei cuscinetti intermedi limitano lo spostamento radiale.

o I cuscinetti combinati (ad esempio cuscinetti assiali a doppia fila di sfere + cuscinetti a rulli cilindrici) gestiscono separatamente i carichi assiali e radiali.

● Compensazione idraulica:

o Le palette direzionali o le camere di ritorno nei giochi della girante ottimizzano i percorsi del flusso, riducendo i vortici locali e le fluttuazioni della forza radiale.

3. Trasmissione del carico nelle giranti multistadio

Le forze assiali si accumulano in più fasi e devono essere gestite per evitare concentrazioni di stress:

● Bilanciamento per fasi:L'installazione di un disco di bilanciamento (ad esempio nelle pompe centrifughe multistadio) sfrutta le differenze di pressione assiale per regolare automaticamente le forze assiali.

● Ottimizzazione della rigidità:Gli alberi delle pompe sono realizzati in leghe ad alta resistenza (ad esempio 42CrMo) e convalidati tramite analisi agli elementi finiti (FEA) per i limiti di flessione (in genere ≤ 0.1 mm/m).

4. Studio di casi di ingegneria e verifica dei calcoli

Esempio:Una pompa chimica multistadio a turbina verticale (6 stadi, prevalenza totale 300 m, portata 200 m³/h):

● Calcolo della forza assiale:

o Progetto iniziale (girante ad aspirazione singola): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), con conseguente 1.8×106N.

o Dopo la conversione alla girante a doppia aspirazione e l'aggiunta di fori di bilanciamento: forza assiale ridotta a 5×105 N, conforme agli standard API 610 (≤1.5× coppia di potenza nominale).

● Simulazione del carico radiale:

o ANSYS Fluent CFD ha rivelato picchi di pressione locali (fino a 12 kN/m²) in giranti non ottimizzate. L'introduzione di palette di guida ha ridotto i picchi del 40% e l'aumento della temperatura dei cuscinetti di 15°C.

5. Criteri e considerazioni chiave di progettazione

● Limiti di forza assiale: in genere ≤ 30% della resistenza alla trazione dell'albero della pompa, con temperatura del cuscinetto reggispinta ≤ 70°C.

● Controllo del gioco della girante: mantenuto tra 0.2 e 0.5 mm (troppo piccolo causa attrito, troppo grande porta a perdite).

● Test dinamici: test di bilanciamento a piena velocità (grado G2.5) garantiscono la stabilità del sistema prima della messa in servizio.

Conclusione

Il bilanciamento dei carichi assiali e radiali nelle pompe a turbina verticale multistadio è una sfida di ingegneria di sistemi complessa che coinvolge fluidodinamica, progettazione meccanica e scienza dei materiali. L'ottimizzazione della geometria della girante, l'integrazione di dispositivi di bilanciamento e processi di produzione precisi migliorano significativamente l'affidabilità e la durata della pompa. I futuri progressi nelle simulazioni numeriche basate sull'intelligenza artificiale e nella produzione additiva consentiranno ulteriormente la progettazione personalizzata della girante e l'ottimizzazione del carico dinamico.

Nota: la progettazione personalizzata per applicazioni specifiche (ad esempio, proprietà del fluido, velocità, temperatura) deve essere conforme agli standard internazionali quali API e ISO.