1. Принципи за генерирање и балансирање на аксијална сила

Аксијалните сили се повеќестепени  вертикални турбински пумпи  првенствено се состојат од две компоненти:

● Компонента на центрифугална сила:Течниот радијален проток поради центрифугалната сила создава диференцијален притисок помеѓу предниот и задниот капак на работното коло, што резултира со аксијална сила (обично насочена кон влезот за вшмукување).

● Ефект на диференцијален притисок:Кумулативната разлика во притисокот низ секоја фаза дополнително ја зголемува аксијалната сила.

Методи за балансирање:

● Симетричен распоред на работното коло:Користењето на работното коло со двојно вшмукување (течноста влегува од двете страни) го намалува еднонасочниот диференцијал на притисокот, намалувајќи ја аксијалната сила на прифатливи нивоа (10%-30%).

● Дизајн на дупка за рамнотежа:Радијалните или коси дупки во задниот капак на работното коло ја пренасочуваат течноста под висок притисок назад кон влезот, балансирајќи ги разликите во притисокот. Големината на дупката мора да се оптимизира преку пресметки за динамиката на течноста за да се избегне губење на ефикасноста.

● Дизајн на обратно сечило:Додавањето обратни ножеви (спротивно на главните ножеви) во последната фаза генерира контрацентрифугална сила за да се поместат аксијалните оптоварувања. Најчесто се користи во пумпи со висока глава (на пример, повеќестепени вертикални турбински пумпи).

2. Генерирање и балансирање на радијално оптоварување

Радијалните оптоварувања потекнуваат од силите на инерција за време на ротацијата, нерамномерната распределба на течниот динамички притисок и преостанатата нерамнотежа во масата на роторот. Акумулираните радијални оптоварувања во повеќестепените пумпи може да предизвикаат прегревање на лежиштето, вибрации или неусогласеност на роторот.

Стратегии за балансирање:

● Оптимизација на симетријата на работното коло:

o Поклопувањето на непарните и парните сечила (на пр. 5 сечила + 7 сечила) рамномерно ги распределува радијалните сили.

o Динамичкото балансирање осигурува дека центроидот на секое работно коло се усогласува со ротационата оска, минимизирајќи ја преостанатата нерамнотежа.

● Структурно засилување:

o Крутите средно куќишта на лежиштето го ограничуваат радијалното поместување.

o Комбинираните лежишта (на пр. топчести лежишта со два реда + цилиндрични валчести лежишта) одделно се справуваат со аксијалните и радијалните оптоварувања.

● Хидраулична компензација:

o Водечките лопатки или повратните комори во празнините на работното коло ги оптимизираат патеките на проток, намалувајќи ги локалните вртлози и флуктуациите на радијалната сила.

3. Пренос на оптоварување во повеќестепени работни кола

Аксијалните сили се акумулираат етапно и мора да се управуваат за да се спречат концентрациите на стрес:

● Етапно балансирање:Инсталирањето на диск за рамнотежа (на пример, во повеќестепени центрифугални пумпи) користи разлики во притисокот во аксијалниот јаз за автоматско прилагодување на аксијалните сили.

● Оптимизација на вкочанетост:Оските на пумпите се направени од легури со висока јачина (на пр., 42CrMo) и се потврдуваат преку анализа на конечни елементи (FEA) за граници на отклонување (обично ≤ 0.1 mm/m).

4. Инженерска студија на случај и верификација на пресметка

Пример:Хемиска повеќестепена турбинска пумпа (6 етапи, вкупна глава 300 m, проток 200 m³/h):

● Пресметка на аксијална сила:

o Почетен дизајн (работно коло со едно вшмукување): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), што резултира со 1.8×106N.

o По конвертирање во работно коло со двојно вшмукување и додавање на дупки за рамнотежа: аксијалната сила е намалена на 5×105N, исполнувајќи ги стандардите API 610 (≤1.5× номинален вртежен момент на моќност).

● Симулација на радијално оптоварување:

o ANSYS Fluent CFD откри локален врв на притисок (до 12 kN/m²) во неоптимизирани работни кола. Воведувањето на водечките лопатки ги намали врвовите за 40% и зголемувањето на температурата на лежиштето за 15°C.

5. Клучни критериуми за дизајн и размислувања

● Ограничувања на аксијалната сила: Обично ≤ 30% од цврстината на затегнување на вратилото на пумпата, со температура на лежиштето на потисок ≤ 70°C.

● Контрола на клиренсот на работното коло: Одржана помеѓу 0.2-0.5 mm (премногу мало предизвикува триење; преголемото доведува до истекување).

● Динамично тестирање: Тестовите за балансирање со целосна брзина (одделение G2.5) обезбедуваат стабилност на системот пред пуштањето во работа.

Заклучок

Балансирањето на аксијалните и радијалните оптоварувања во повеќестепените вертикални турбински пумпи е комплексен инженерски предизвик на системи што вклучува динамика на течности, механички дизајн и наука за материјалите. Оптимизирањето на геометријата на работното коло, интегрирањето на уредите за балансирање и прецизните процеси на производство значително ја зголемуваат доверливоста и животниот век на пумпата. Идните достигнувања во нумеричките симулации управувани од вештачка интелигенција и производството на адитиви дополнително ќе овозможат персонализиран дизајн на работно коло и динамична оптимизација на оптоварувањето.

Забелешка: Приспособениот дизајн за специфични апликации (на пример, својства на течност, брзина, температура) мора да одговара на меѓународните стандарди како API и ISO.