1. Ašinių jėgų generavimo ir balansavimo principai

Ašinės jėgos daugiapakopės  vertikalios turbinos siurbliai  pirmiausia susideda iš dviejų komponentų:

● Išcentrinės jėgos komponentas:Skysčio radialinis srautas dėl išcentrinės jėgos sukuria slėgio skirtumą tarp priekinio ir galinio sparnuotės dangtelių, todėl susidaro ašinė jėga (paprastai nukreipta į įsiurbimo angą).

● Slėgio skirtumo efektas:Sukauptas slėgio skirtumas kiekviename etape dar labiau padidina ašinę jėgą.

Balansavimo metodai:

● Simetriškas sparnuotės išdėstymas:Naudojant dvigubo siurbimo sparnuotės (skystis patenka iš abiejų pusių) sumažėja vienakryptis slėgio skirtumas, sumažinant ašinę jėgą iki priimtino lygio (10%-30%).

● Balanso angos dizainas:Radialinės arba įstrižos skylės sparnuotės galiniame dangtelyje nukreipia aukšto slėgio skystį atgal į įleidimo angą, subalansuodamos slėgio skirtumus. Skylės dydis turi būti optimizuotas atliekant skysčio dinamikos skaičiavimus, kad būtų išvengta efektyvumo praradimo.

● Atbulinės eigos ašmenų konstrukcija:Paskutiniame etape pridėjus atbulinės eigos ašmenis (priešingai nei pagrindiniams), sukuriama priešpriešinė išcentrinė jėga, kompensuojanti ašines apkrovas. Dažniausiai naudojamas didelio slėgio siurbliuose (pvz., daugiapakopiuose vertikaliuose turbininiuose siurbliuose).

2. Radialinės apkrovos generavimas ir balansavimas

Radialinės apkrovos atsiranda dėl inercijos jėgų sukimosi metu, netolygaus skysčio dinaminio slėgio pasiskirstymo ir liekamojo rotoriaus masės disbalanso. Susikaupusios radialinės apkrovos daugiapakopiuose siurbliuose gali sukelti guolio perkaitimą, vibraciją arba rotoriaus iškrypimą.

Balansavimo strategijos:

● Darbaračio simetrijos optimizavimas:

o Nelyginis ir lyginis ašmenų suderinimas (pvz., 5 peiliai + 7 peiliai) tolygiai paskirsto radialines jėgas.

o Dinaminis balansavimas užtikrina, kad kiekvienos sparnuotės centroidas susilygintų su sukimosi ašimi, taip sumažinant liekamąjį disbalansą.

● Struktūrinis sutvirtinimas:

o Tvirti tarpiniai guolių korpusai riboja radialinį poslinkį.

o Kombinuoti guoliai (pvz., dviejų eilių traukos rutuliniai guoliai + cilindriniai ritininiai guoliai) atlaiko ašines ir radialines apkrovas atskirai.

● Hidraulinis kompensavimas:

o kreipiamosios mentės arba grąžinimo kameros sparnuotės tarpuose optimizuoja srauto kelius, sumažindamos vietinius sūkurius ir radialinius jėgos svyravimus.

3. Apkrovos transmisija daugiapakopėse sparnuotėse

Ašinės jėgos kaupiasi pakopomis ir turi būti valdomos, kad būtų išvengta įtempių koncentracijos:

● Pakopinis balansavimas:Įrengiant balansinį diską (pvz., daugiapakopiuose išcentriniuose siurbliuose), naudojami ašinio tarpo slėgio skirtumai, kad būtų automatiškai reguliuojamos ašinės jėgos.

● Standumo optimizavimas:Siurblio velenai yra pagaminti iš didelio stiprumo lydinių (pvz., 42CrMo) ir patvirtinti baigtinių elementų analize (FEA) dėl deformacijos ribų (paprastai ≤ 0.1 mm/m).

4. Inžinerinis atvejo tyrimas ir skaičiavimo patikrinimas

Pavyzdys:Cheminis daugiapakopis vertikalus turbininis siurblys (6 etapai, bendras aukštis 300 m, debitas 200 m³/h):

● Ašinės jėgos skaičiavimas:

o Pradinė konstrukcija (vieno siurbimo sparnuotė): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), todėl gaunamas 1.8×106N.

o Pakeitus į dvigubo siurbimo sparnuotę ir pridėjus balansavimo angas: ašinė jėga sumažinta iki 5×105N, atitinkanti API 610 standartus (≤1.5× nominalios galios sukimo momentas).

● Radialinės apkrovos modeliavimas:

o ANSYS Fluent CFD atskleidė vietinius slėgio smailes (iki 12 kN/m²) neoptimizuotuose sparnuotėse. Pristačius kreipiamąsias mentes, smailės sumažėjo 40%, o guolių temperatūra pakilo 15°C.

5. Pagrindiniai projektavimo kriterijai ir svarstymai

● Ašinės jėgos ribos: paprastai ≤ 30 % siurblio veleno tempimo stiprio, kai traukos guolio temperatūra ≤ 70°C.

● Darbaračio tarpo kontrolė: palaikoma 0.2–0.5 mm (per mažas sukelia trintį; per didelis – nuotėkis).

● Dinaminis testavimas: viso greičio balansavimo testai (G2.5 klasė) užtikrina sistemos stabilumą prieš pradedant eksploatuoti.

Išvada

Ašinių ir radialinių apkrovų balansavimas daugiapakopiuose vertikaliuose turbininiuose siurbliuose yra sudėtingas sistemų inžinerijos iššūkis, susijęs su skysčių dinamika, mechaniniu projektavimu ir medžiagų mokslu. Optimizavus sparnuotės geometriją, integruotus balansavimo įrenginius ir tikslius gamybos procesus, žymiai padidėja siurblio patikimumas ir tarnavimo laikas. Ateities DI pagrįstų skaitmeninių modeliavimų ir priedų gamybos pažanga dar labiau leis individualizuoti sparnuotės dizainą ir optimizuoti dinaminę apkrovą.

Pastaba: Konkrečioms reikmėms pritaikytas dizainas (pvz., skysčio savybės, greitis, temperatūra) turi atitikti tarptautinius standartus, tokius kaip API ir ISO.