1. Aksialkraftgenerering og balanseprinsipper

Aksialkreftene i flere trinn  vertikale turbinpumper  består hovedsakelig av to komponenter:

● Sentrifugalkraftkomponent:Væske radiell strømning på grunn av sentrifugalkraft skaper en trykkforskjell mellom front- og bakdekselet på pumpehjulet, noe som resulterer i en aksial kraft (vanligvis rettet mot sugeinntaket).

● Trykkdifferanseeffekt:Den kumulative trykkforskjellen over hvert trinn øker den aksiale kraften ytterligere.

Balansemetoder:

● Symmetrisk impellerarrangement:Bruk av doble sugehjul (væske kommer inn fra begge sider) reduserer ensrettet trykkforskjell, og senker aksialkraften til akseptable nivåer (10%-30%).

● Utforming av balansehull:Radiale eller skrå hull i impellerens bakdeksel omdirigerer høytrykksvæske tilbake til innløpet, og balanserer trykkforskjeller. Hullstørrelse må optimaliseres via fluiddynamikkberegninger for å unngå effektivitetstap.

● Omvendt bladdesign:Å legge til reversblader (motsatt til hovedblader) i siste trinn genererer motsentrifugalkraft for å forskyve aksialbelastninger. Vanligvis brukt i høytrykkspumper (f.eks. flertrinns vertikalturbinpumper).

2. Generering av radiell belastning og balansering

Radielle belastninger stammer fra treghetskrefter under rotasjon, ujevn væskedynamisk trykkfordeling og gjenværende ubalanse i rotormasse. Akkumulerte radielle belastninger i flertrinnspumper kan forårsake overoppheting av lager, vibrasjoner eller feiljustering av rotorer.

Balanseringsstrategier:

● Impellersymmetrioptimalisering:

o Odd-even bladtilpasning (f.eks. 5 blader + 7 blader) fordeler radielle krefter jevnt.

o Dynamisk balansering sikrer at hvert løpehjuls tyngdepunkt er på linje med rotasjonsaksen, og minimerer gjenværende ubalanse.

● Strukturell forsterkning:

o Stive mellomlagerhus begrenser radiell forskyvning.

o Kombinerte lagre (f.eks. dobbeltrads aksialkulelager + sylindriske rullelagre) håndterer aksiale og radielle belastninger separat.

● Hydraulisk kompensasjon:

o Føreskovler eller returkamre i impellerklaringer optimerer strømningsveier, reduserer lokale virvler og radielle kraftsvingninger.

3. Lastoverføring i flertrinns impellere

Aksiale krefter akkumuleres trinnvis og må håndteres for å forhindre spenningskonsentrasjoner:

● Scenisk balansering:Installering av en balanseskive (f.eks. i flertrinns sentrifugalpumper) bruker aksiale gaptrykkforskjeller for å automatisk justere aksiale krefter.

● Stivhetsoptimalisering:Pumpeaksler er laget av høyfaste legeringer (f.eks. 42CrMo) og validert via finite element-analyse (FEA) for nedbøyningsgrenser (typisk ≤ 0.1 mm/m).

4. Teknisk casestudie og beregningsbekreftelse

Eksempel:En kjemisk flertrinns turbinpumpe (6 trinn, total trykkhøyde 300 m, strømningshastighet 200 m³/t):

● Beregning av aksialkraft:

o Opprinnelig design (enkeltsugende impeller): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), som resulterer i 1.8×106N.

o Etter konvertering til dobbeltsugende impeller og tilsetning av balansehull: Aksialkraft redusert til 5×105N, oppfyller API 610-standarder (≤1.5× nominelt kraftmoment).

● Simulering av radiell belastning:

o ANSYS Fluent CFD avslørte lokale trykktopper (opptil 12 kN/m²) i uoptimerte impellere. Innføring av ledeskovler reduserte topper med 40 % og lagertemperaturøkning med 15 °C.

5. Nøkkeldesignkriterier og vurderinger

● Aksialkraftgrenser: Typisk ≤ 30 % av pumpeakselens strekkfasthet, med trykklagertemperatur ≤ 70°C.

● Impellerklaringskontroll: Opprettholdt mellom 0.2-0.5 mm (for liten forårsaker friksjon; for stor fører til lekkasje).

● Dynamisk testing: Balansetester i full hastighet (G2.5-grad) sikrer systemstabilitet før igangkjøring.

Konklusjon

Å balansere aksiale og radielle belastninger i flertrinns vertikale turbinpumper er en kompleks systemteknisk utfordring som involverer fluiddynamikk, mekanisk design og materialvitenskap. Optimalisering av impellergeometri, integrering av balanseringsenheter og presise produksjonsprosesser forbedrer pumpens pålitelighet og levetid betydelig. Fremtidige fremskritt innen AI-drevne numeriske simuleringer og additiv produksjon vil ytterligere muliggjøre personlig løpehjuldesign og dynamisk lastoptimalisering.

Merk: Tilpasset design for spesifikke bruksområder (f.eks. væskeegenskaper, hastighet, temperatur) må være i samsvar med internasjonale standarder som API og ISO.