१. अक्षीय बल निर्मिती आणि संतुलन तत्त्वे

बहुस्तरीय अक्षीय बल  उभ्या टर्बाइन पंप  प्रामुख्याने दोन घटकांनी बनलेले असतात:

● केंद्रापसारक बल घटक:केंद्रापसारक बलामुळे द्रव रेडियल प्रवाह इंपेलरच्या पुढील आणि मागील कव्हरमध्ये दाब फरक निर्माण करतो, परिणामी अक्षीय बल (सामान्यत: सक्शन इनलेटकडे निर्देशित) निर्माण होतो.

● दाब भिन्नता प्रभाव:प्रत्येक टप्प्यातील संचयी दाब फरक अक्षीय बल आणखी वाढवतो.

संतुलन पद्धती:

● सममितीय इंपेलर व्यवस्था:डबल-सक्शन इम्पेलर्स (दोन्ही बाजूंनी द्रव आत प्रवेश करतो) वापरल्याने एकदिशात्मक दाबाचा फरक कमी होतो, ज्यामुळे अक्षीय बल स्वीकार्य पातळीपर्यंत (१०%-३०%) कमी होते.

● बॅलन्स होल डिझाइन:इम्पेलरच्या मागील कव्हरमधील रेडियल किंवा तिरकस छिद्रे उच्च-दाब द्रव परत इनलेटकडे पुनर्निर्देशित करतात, दाबातील फरक संतुलित करतात. कार्यक्षमता कमी होऊ नये म्हणून छिद्राचा आकार द्रव गतिमान गणनाद्वारे ऑप्टिमाइझ करणे आवश्यक आहे.

● उलट ब्लेड डिझाइन:शेवटच्या टप्प्यात रिव्हर्स ब्लेड (मुख्य ब्लेडच्या विरुद्ध) जोडल्याने अक्षीय भार कमी करण्यासाठी प्रति-केंद्रापसारक बल निर्माण होते. सामान्यतः हाय-हेड पंपमध्ये (उदा., मल्टीस्टेज व्हर्टिकल टर्बाइन पंप) वापरले जाते.

२. रेडियल लोड जनरेशन आणि बॅलन्सिंग

रेडियल भार हे रोटेशन दरम्यान जडत्व बल, असमान द्रव गतिमान दाब वितरण आणि रोटर वस्तुमानातील अवशिष्ट असंतुलन यामुळे उद्भवतात. मल्टी-स्टेज पंपमध्ये जमा झालेले रेडियल भार बेअरिंग ओव्हरहाटिंग, कंपन किंवा रोटर चुकीचे संरेखन होऊ शकतात.

संतुलन धोरणे:

● इंपेलर सममिती ऑप्टिमायझेशन:

o विषम-सम ब्लेड जुळवणी (उदा., ५ ब्लेड + ७ ब्लेड) रेडियल फोर्स समान रीतीने वितरीत करते.

o डायनॅमिक बॅलन्सिंगमुळे प्रत्येक इंपेलरचा सेंट्रॉइड रोटेशनल अक्षाशी संरेखित होतो, ज्यामुळे अवशिष्ट असंतुलन कमी होते.

● स्ट्रक्चरल मजबुतीकरण:

o कडक इंटरमीडिएट बेअरिंग हाऊसिंग रेडियल विस्थापन प्रतिबंधित करतात.

o एकत्रित बेअरिंग्ज (उदा., डबल-रो थ्रस्ट बॉल बेअरिंग्ज + दंडगोलाकार रोलर बेअरिंग्ज) अक्षीय आणि रेडियल भार स्वतंत्रपणे हाताळतात.

● हायड्रॉलिक भरपाई:

o इम्पेलर क्लिअरन्समधील मार्गदर्शक व्हॅन किंवा रिटर्न चेंबर्स प्रवाह मार्गांना अनुकूल करतात, स्थानिक व्हर्टिसेस आणि रेडियल फोर्स चढउतार कमी करतात.

३. मल्टी-स्टेज इम्पेलर्समध्ये लोड ट्रान्समिशन

अक्षीय बल टप्प्याटप्प्याने जमा होतात आणि ताणाचे प्रमाण रोखण्यासाठी त्यांचे व्यवस्थापन करणे आवश्यक आहे:

● टप्प्यानुसार संतुलन:बॅलन्स डिस्क बसवताना (उदा., मल्टी-स्टेज सेंट्रीफ्यूगल पंपमध्ये) अक्षीय बल आपोआप समायोजित करण्यासाठी अक्षीय अंतर दाब फरकांचा वापर केला जातो.

● कडकपणा ऑप्टिमायझेशन:पंप शाफ्ट उच्च-शक्तीच्या मिश्रधातूंपासून बनलेले असतात (उदा., 42CrMo) आणि विक्षेपण मर्यादा (सामान्यत: ≤ 0.1 मिमी/मीटर) साठी मर्यादित घटक विश्लेषण (FEA) द्वारे प्रमाणित केले जातात.

४. अभियांत्रिकी केस स्टडी आणि गणना पडताळणी

उदाहरण:एक रासायनिक बहुस्तरीय उभ्या टर्बाइन पंप (६ टप्पे, एकूण डोके ३०० मीटर, प्रवाह दर २०० मीटर³/तास):

● अक्षीय बल गणना:

o सुरुवातीची रचना (सिंगल-सक्शन इम्पेलर): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), परिणामी 1.8×106N.

o डबल-सक्शन इम्पेलरमध्ये रूपांतरित केल्यानंतर आणि बॅलन्स होल जोडल्यानंतर: अक्षीय बल 5×105N पर्यंत कमी केले, API 610 मानकांची पूर्तता केली (≤1.5× रेटेड पॉवर टॉर्क).

● रेडियल लोड सिम्युलेशन:

o ANSYS फ्लुएंट CFD ने अनऑप्टिमाइज्ड इम्पेलर्समध्ये स्थानिक दाब शिखर (१२ kN/m² पर्यंत) आढळले. मार्गदर्शक व्हॅन सादर केल्याने शिखर ४०% कमी झाले आणि बेअरिंग तापमान १५°C ने वाढले.

५. मुख्य डिझाइन निकष आणि विचार

● अक्षीय बल मर्यादा: सामान्यतः पंप शाफ्टच्या तन्य शक्तीच्या ≤ 30%, थ्रस्ट बेअरिंग तापमान ≤ 70°C असते.

● इंपेलर क्लिअरन्स नियंत्रण: ०.२-०.५ मिमी दरम्यान राखले जाते (खूप कमी असल्यास घर्षण होते; खूप जास्त असल्यास गळती होते).

● डायनॅमिक चाचणी: पूर्ण-गती संतुलन चाचण्या (G2.5 ग्रेड) कमिशनिंगपूर्वी सिस्टम स्थिरता सुनिश्चित करतात.

निष्कर्ष

मल्टीस्टेज व्हर्टिकल टर्बाइन पंपमध्ये अक्षीय आणि रेडियल भार संतुलित करणे हे द्रव गतिमानता, यांत्रिक डिझाइन आणि भौतिक विज्ञान यांचा समावेश असलेले एक जटिल सिस्टम अभियांत्रिकी आव्हान आहे. इम्पेलर भूमिती ऑप्टिमायझेशन, बॅलेंसिंग डिव्हाइसेस एकत्रित करणे आणि अचूक उत्पादन प्रक्रिया पंप विश्वासार्हता आणि आयुष्यमान लक्षणीयरीत्या वाढवतात. एआय-चालित संख्यात्मक सिम्युलेशन आणि अॅडिटीव्ह मॅन्युफॅक्चरिंगमधील भविष्यातील प्रगती वैयक्तिकृत इम्पेलर डिझाइन आणि डायनॅमिक लोड ऑप्टिमायझेशनला अधिक सक्षम करेल.

टीप: विशिष्ट अनुप्रयोगांसाठी (उदा. द्रव गुणधर्म, वेग, तापमान) सानुकूलित डिझाइन API आणि ISO सारख्या आंतरराष्ट्रीय मानकांचे पालन करणे आवश्यक आहे.