1. Darbrata spraugas definīcija un galvenā ietekme

Darbrata sprauga attiecas uz radiālo atstarpi starp lāpstiņriteni un sūkņa korpusu (vai vadošās lāpstiņas gredzenu), kas parasti ir no 0.2 mm līdz 0.5 mm. Šī atšķirība būtiski ietekmē veiktspēju  daudzpakāpju vertikālie turbīnu sūkņi divos galvenajos aspektos:

● Hidrauliskie zudumi: pārmērīgas spraugas palielina noplūdes plūsmu, samazinot tilpuma efektivitāti; pārāk mazas spraugas var izraisīt berzes nodilumu vai kavitāciju.

● Plūsmas raksturlielumi: spraugas lielums tieši ietekmē plūsmas vienmērīgumu pie lāpstiņriteņa izejas, tādējādi ietekmējot augstuma un efektivitātes līknes.

2. Darbrata spraugas optimizācijas teorētiskais pamatojums

2.1. Tilpuma efektivitātes uzlabošana

Tilpuma efektivitāte (ηₛ) tiek definēta kā faktiskās izejas plūsmas attiecība pret teorētisko plūsmu:

ηₛ = 1 − QQ noplūde

kur Qleak ir noplūdes plūsma, ko izraisa lāpstiņriteņa sprauga. Atstarpes optimizēšana ievērojami samazina noplūdi. Piemēram:

● Samazinot atstarpi no 0.3 mm līdz 0.2 mm, noplūde samazinās par 15–20%.

● Daudzpakāpju sūkņiem kumulatīvā optimizācija pa posmiem var uzlabot kopējo efektivitāti par 5–10%.

2.2 Hidraulisko zudumu samazināšana

Atstarpes optimizēšana uzlabo plūsmas vienmērīgumu pie lāpstiņriteņa izejas, samazinot turbulenci un tādējādi samazinot spiediena zudumu. Piemēram:

● CFD simulācijas liecina, ka, samazinot atstarpi no 0.4 mm līdz 0.25 mm, turbulentā kinētiskā enerģija samazinās par 30%, kas atbilst vārpstas jaudas patēriņa samazinājumam par 4–6%.

2.3. Kavitācijas veiktspējas uzlabošana

Lielas spraugas pastiprina spiediena pulsāciju pie ieplūdes atveres, palielinot kavitācijas risku. Atstarpes optimizēšana stabilizē plūsmu un palielina NPSHr (tīrās pozitīvās sūkšanas galvas) rezervi, kas ir īpaši efektīva zemas plūsmas apstākļos.

3. Eksperimentālās verifikācijas un inženiertehniskās lietas

3.1. Laboratorijas testu dati

Pētniecības institūts veica salīdzinošus testus a daudzpakāpju vertikālais turbīnas sūknis (parametri: 2950 apgr./min., 100 m³/h, 200 m augstumā).

3.2. Rūpnieciskā lietojuma piemēri

● Naftas ķīmijas cirkulācijas sūkņa modernizēšana: rafinēšanas rūpnīca samazināja lāpstiņriteņa atstarpi no 0.4 mm līdz 0.28 mm, panākot ikgadēju enerģijas ietaupījumu 120 kW·h un par 8% samazinājumu ekspluatācijas izmaksās.

● Offshore platformas iesmidzināšanas sūkņa optimizācija: izmantojot lāzera interferometriju, lai kontrolētu spraugu (± 0.02 mm), sūkņa tilpuma efektivitāte uzlabojās no 81% līdz 89%, atrisinot vibrācijas problēmas, ko izraisīja pārmērīgas spraugas.

4. Optimizācijas metodes un ieviešanas soļi

4.1. Matemātiskais modelis spraugu optimizēšanai

Pamatojoties uz centrbēdzes sūkņa līdzības likumiem un korekcijas koeficientiem, attiecība starp spraugu un efektivitāti ir:

η = η₀(1 − k·δD)

kur δ ir spraugas vērtība, D ir lāpstiņriteņa diametrs un k ir empīrisks koeficients (parasti 0.1–0.3).

4.2. Galvenās ieviešanas tehnoloģijas

●Precīzā ražošana: CNC mašīnas un slīpēšanas instrumenti nodrošina mikrometru līmeņa precizitāti (IT7–IT8) lāpstiņriteņiem un korpusiem.

●Mērīšana uz vietas: Lāzera izlīdzināšanas instrumenti un ultraskaņas biezuma mērītāji montāžas laikā uzrauga spraugas, lai izvairītos no novirzēm.

● Dinamiskā pielāgošana: Augstas temperatūras vai korozīvām vidēm tiek izmantoti nomaināmi blīvgredzeni ar precīzo regulēšanu uz skrūvēm.

4.3 Apsvērumi

● Berzes un nodiluma līdzsvars: Nelielas spraugas palielina mehānisko nodilumu; materiāla cietībai (piemēram, Cr12MoV lāpstiņriteņiem, HT250 korpusiem) un ekspluatācijas apstākļiem jābūt līdzsvarotiem.

● Termiskās izplešanās kompensācija: Rezervētas spraugas (0.03–0.05 mm) ir nepieciešamas izmantošanai augstā temperatūrā (piemēram, karstās eļļas sūkņi).

5. Nākotnes tendences

●Digitālais dizains: Uz AI balstīti optimizācijas algoritmi (piemēram, ģenētiskie algoritmi) ātri noteiks optimālās nepilnības.

●Piedevu ražošana: Metāla 3D drukāšana nodrošina integrētu lāpstiņriteņa korpusa dizainu, samazinot montāžas kļūdas.

●Viedā uzraudzība: Optisko šķiedru sensori, kas savienoti pārī ar digitālajiem dvīņiem, ļaus reāllaikā uzraudzīt atstarpes un prognozēt veiktspējas pasliktināšanos.

Secinājumi

Darbrata spraugas optimizācija ir viena no tiešākajām metodēm daudzpakāpju vertikālā turbīnas sūkņa efektivitātes uzlabošanai. Apvienojot precīzu ražošanu, dinamisku regulēšanu un inteliģentu uzraudzību, var sasniegt efektivitātes pieaugumu par 5–15%, samazināt enerģijas patēriņu un zemākas uzturēšanas izmaksas. Pateicoties ražošanas un analītikas attīstībai, atstarpes optimizācija attīstīsies uz augstāku precizitāti un inteliģenci, kļūstot par galveno tehnoloģiju sūkņa enerģijas modernizēšanai.

Piezīme:  Praktiskajos inženiertehniskajos risinājumos ir jāintegrē vidējas īpašības, darbības apstākļi un izmaksu ierobežojumi, kas apstiprināti ar dzīves cikla izmaksu (LCC) analīzi.