1. Aksiālā spēka ģenerēšanas un balansēšanas principi

Aksiālie spēki daudzpakāpju  vertikālie turbīnu sūkņi  galvenokārt sastāv no divām sastāvdaļām:

● Centrbēdzes spēka komponents:Šķidruma radiālā plūsma centrbēdzes spēka ietekmē rada spiediena starpību starp lāpstiņriteņa priekšējo un aizmugurējo vāku, kā rezultātā rodas aksiāls spēks (parasti vērsts uz iesūkšanas atveri).

● Spiediena starpības efekts:Kumulatīvā spiediena starpība katrā posmā vēl vairāk palielina aksiālo spēku.

Balansēšanas metodes:

● Simetrisks lāpstiņriteņa izvietojums:Izmantojot dubultās sūkšanas lāpstiņriteņus (šķidrums ieplūst no abām pusēm), tiek samazināta vienvirziena spiediena starpība, pazeminot aksiālo spēku līdz pieņemamam līmenim (10%-30%).

● Līdzsvara atveres dizains:Radiālie vai slīpie caurumi lāpstiņriteņa aizmugurējā vākā novirza augstspiediena šķidrumu atpakaļ uz ieplūdi, līdzsvarojot spiediena atšķirības. Lai izvairītos no efektivitātes zuduma, cauruma izmērs ir jāoptimizē, izmantojot šķidruma dinamikas aprēķinus.

● Reversā asmens dizains:Pēdējā posmā pievienojot atpakaļgaitas asmeņus (pretēji galvenajiem asmeņiem), tiek radīts pretcentrbēdzes spēks, lai kompensētu aksiālās slodzes. Parasti izmanto sūkņos ar augstu spiedienu (piemēram, daudzpakāpju vertikālās turbīnas sūkņos).

2. Radiālās slodzes ģenerēšana un balansēšana

Radiālās slodzes rodas no inerces spēkiem rotācijas laikā, nevienmērīga šķidruma dinamiskā spiediena sadalījuma un rotora masas atlikušās nelīdzsvarotības. Uzkrātās radiālās slodzes daudzpakāpju sūkņos var izraisīt gultņu pārkaršanu, vibrāciju vai rotora novirzi.

Līdzsvarošanas stratēģijas:

● Darbrata simetrijas optimizācija:

o Nepāra un pāra asmeņu saskaņošana (piemēram, 5 asmeņi + 7 asmeņi) vienmērīgi sadala radiālos spēkus.

o Dinamiskā balansēšana nodrošina, ka katra lāpstiņriteņa centroīds izlīdzinās ar rotācijas asi, samazinot atlikušo nelīdzsvarotību.

● Struktūras pastiprināšana:

o Cietie starpgultņu korpusi ierobežo radiālo nobīdi.

o Kombinētie gultņi (piem., divrindu vilces lodīšu gultņi + cilindriskie rullīšu gultņi) atsevišķi iztur aksiālās un radiālās slodzes.

● Hidrauliskā kompensācija:

o Vadošās lāpstiņas vai atgriešanas kameras lāpstiņriteņa spraugās optimizē plūsmas ceļus, samazinot lokālos virpuļus un radiālās spēka svārstības.

3. Slodzes transmisija daudzpakāpju lāpstiņriteņos

Aksiālie spēki uzkrājas pakāpeniski, un tie ir jāpārvalda, lai novērstu sprieguma koncentrāciju:

● Pakāpeniska balansēšana:Uzstādot līdzsvara disku (piemēram, daudzpakāpju centrbēdzes sūkņos), tiek izmantotas aksiālās spraugas spiediena atšķirības, lai automātiski pielāgotu aksiālos spēkus.

● Stingrības optimizācija:Sūkņu vārpstas ir izgatavotas no augstas stiprības sakausējumiem (piem., 42CrMo) un pārbaudītas, izmantojot galīgo elementu analīzi (FEA), lai noteiktu novirzes robežas (parasti ≤ 0.1 mm/m).

4. Inženiertehniskā gadījuma izpēte un aprēķinu pārbaude

Piemērs:Ķīmiskais daudzpakāpju vertikālais turbīnas sūknis (6 pakāpes, kopējais augstums 300 m, plūsmas ātrums 200 m³/h):

● Aksiālā spēka aprēķins:

o Sākotnējā konstrukcija (vienas iesūkšanas lāpstiņritenis): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), rezultātā 1.8×106N.

o Pēc pārbūves uz dubultās sūkšanas lāpstiņriteni un balansēšanas caurumu pievienošanas: Aksiālais spēks samazināts līdz 5×105N, atbilst API 610 standartiem (≤1.5× nominālā jaudas griezes moments).

● Radiālās slodzes simulācija:

o ANSYS Fluent CFD atklāja lokālos spiediena maksimumus (līdz 12 kN/m²) neoptimizētos lāpstiņriteņos. Vadošo lāpstiņu ieviešana samazināja maksimumus par 40% un gultņu temperatūras pieaugumu par 15°C.

5. Galvenie projektēšanas kritēriji un apsvērumi

● Aksiālā spēka robežas: parasti ≤ 30% no sūkņa vārpstas stiepes izturības, ar vilces gultņa temperatūru ≤ 70°C.

● Darbrata klīrensa kontrole: uzturēta starp 0.2-0.5 mm (pārāk maza rada berzi; pārāk liela rada noplūdi).

● Dinamiskā pārbaude: pilna ātruma balansēšanas testi (G2.5 pakāpe) nodrošina sistēmas stabilitāti pirms nodošanas ekspluatācijā.

Secinājumi

Aksiālo un radiālo slodžu līdzsvarošana daudzpakāpju vertikālās turbīnas sūkņos ir sarežģīts sistēmu inženierijas izaicinājums, kas ietver šķidruma dinamiku, mehānisko konstrukciju un materiālu zinātni. Darbrata ģeometrijas optimizēšana, balansēšanas ierīču integrēšana un precīzi ražošanas procesi ievērojami uzlabo sūkņa uzticamību un kalpošanas laiku. Nākotnes sasniegumi mākslīgā intelekta vadītās skaitliskās simulācijās un piedevu ražošanā turpmāk nodrošinās personalizētu lāpstiņriteņa dizainu un dinamiskas slodzes optimizāciju.

Piezīme. Pielāgotam dizainam īpašiem lietojumiem (piemēram, šķidruma īpašībām, ātrumam, temperatūrai) jāatbilst starptautiskajiem standartiem, piemēram, API un ISO.