1. اصول تولید و تعادل نیروی محوری

نیروهای محوری چند مرحله ای هستند  پمپ های توربین عمودی  اصولاً از دو جزء تشکیل شده اند:

● جزء نیروی گریز از مرکز:جریان شعاعی مایع به دلیل نیروی گریز از مرکز، اختلاف فشاری بین پوشش جلو و پشت پروانه ایجاد می‌کند و در نتیجه نیروی محوری (معمولاً به سمت ورودی مکش هدایت می‌شود).

● اثر اختلاف فشار:اختلاف فشار تجمعی در هر مرحله باعث افزایش بیشتر نیروی محوری می شود.

روش های متعادل سازی:

● آرایش پروانه متقارن:استفاده از پروانه های دو مکش (مایع از هر دو طرف وارد می شود) اختلاف فشار یک جهته را کاهش می دهد و نیروی محوری را به سطوح قابل قبول (10-30%) کاهش می دهد.

● طراحی سوراخ تعادل:سوراخ های شعاعی یا مورب در پوشش پشتی پروانه، مایع پرفشار را به سمت ورودی هدایت می کند و اختلاف فشار را متعادل می کند. اندازه سوراخ باید از طریق محاسبات دینامیک سیالات بهینه شود تا از کاهش کارایی جلوگیری شود.

● طراحی تیغه معکوس:افزودن تیغه‌های معکوس (برعکس تیغه‌های اصلی) در آخرین مرحله، نیروی ضد گریز از مرکز برای جبران بارهای محوری ایجاد می‌کند. معمولاً در پمپ های هد بالا (مثلاً پمپ های توربین عمودی چند مرحله ای) استفاده می شود.

2. تولید و تعادل بار شعاعی

بارهای شعاعی از نیروهای اینرسی در حین چرخش، توزیع ناهموار فشار دینامیکی مایع و عدم تعادل باقیمانده در جرم روتور منشا می گیرند. بارهای شعاعی انباشته شده در پمپ های چند مرحله ای می تواند باعث گرم شدن بیش از حد یاتاقان، لرزش یا ناهماهنگی روتور شود.

استراتژی های متعادل سازی:

● بهینه سازی تقارن پروانه:

o تطبیق تیغه زوج و فرد (مثلاً 5 تیغه + 7 تیغه) نیروهای شعاعی را به طور مساوی توزیع می کند.

o بالانس پویا تضمین می کند که مرکز هر پروانه با محور چرخشی همسو می شود و عدم تعادل باقیمانده را به حداقل می رساند.

● تقویت سازه:

o محفظه های یاتاقان میانی صلب جابجایی شعاعی را محدود می کند.

o یاتاقان های ترکیبی (به عنوان مثال، بلبرینگ های دو ردیفه رانش + غلتک استوانه ای) بارهای محوری و شعاعی را جداگانه مدیریت می کنند.

● جبران هیدرولیک:

o پره‌های راهنما یا محفظه‌های برگشتی در فاصله‌های پروانه، مسیرهای جریان را بهینه می‌کنند، گرداب‌های موضعی و نوسانات نیروی شعاعی را کاهش می‌دهند.

3. انتقال بار در پروانه های چند مرحله ای

نیروهای محوری به صورت مرحله ای جمع می شوند و باید برای جلوگیری از تمرکز استرس مدیریت شوند:

● تعادل مرحله ای:نصب دیسک تعادل (مثلاً در پمپ های گریز از مرکز چند مرحله ای) از اختلاف فشار شکاف محوری برای تنظیم خودکار نیروهای محوری استفاده می کند.

● بهینه سازی سختی:محورهای پمپ از آلیاژهای با استحکام بالا (مثلاً 42CrMo) ساخته شده‌اند و از طریق آنالیز اجزای محدود (FEA) برای محدودیت‌های انحراف (معمولاً ≤ 0.1 میلی‌متر بر متر) تأیید می‌شوند.

4. مطالعه موردی مهندسی و تأیید محاسبات

مثال:یک پمپ توربین چند مرحله ای شیمیایی (6 مرحله، کل هد 300 متر، سرعت جریان 200 متر مکعب در ساعت):

● محاسبه نیروی محوری:

o طراحی اولیه (پروانه تک مکش): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2-1.5)، که منجر به 1.8×106N می شود.

o پس از تبدیل به پروانه دو مکش و افزودن سوراخ های تعادل: نیروی محوری به 5×105N کاهش می یابد، مطابق با استانداردهای API 610 (≤1.5× گشتاور توان نامی).

● شبیه سازی بار شعاعی:

o ANSYS Fluent CFD پیک های فشار موضعی (تا 12 کیلونیوتن بر متر مربع) را در پروانه های بهینه نشده نشان داد. معرفی پره های راهنما پیک ها را تا 40 درصد کاهش داد و دمای یاتاقان را تا 15 درجه سانتی گراد افزایش داد.

5. معیارها و ملاحظات کلیدی طراحی

● محدودیت نیروی محوری: معمولاً ≤ 30٪ استحکام کششی محور پمپ، با دمای یاتاقان رانش ≤ 70 درجه سانتیگراد.

● کنترل فاصله پروانه: بین 0.2-0.5 میلی متر حفظ می شود (کوچک بودن باعث اصطکاک می شود؛ خیلی بزرگ منجر به نشتی می شود).

● تست دینامیک: تست های متعادل کننده با سرعت کامل (درجه G2.5) ثبات سیستم را قبل از راه اندازی تضمین می کند.

نتیجه

متعادل کردن بارهای محوری و شعاعی چند مرحله ای پمپ های توربین عمودی یک چالش مهندسی سیستم های پیچیده است که شامل دینامیک سیالات، طراحی مکانیکی و علم مواد است. بهینه سازی هندسه پروانه، یکپارچه سازی دستگاه های متعادل کننده و فرآیندهای ساخت دقیق به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان و طول عمر پمپ را افزایش می دهد. پیشرفت‌های آینده در شبیه‌سازی‌های عددی مبتنی بر هوش مصنوعی و ساخت افزودنی، طراحی شخصی‌شده پروانه و بهینه‌سازی بار پویا را بیشتر می‌سازد.

توجه: طراحی سفارشی برای کاربردهای خاص (به عنوان مثال، خواص سیال، سرعت، دما) باید با استانداردهای بین المللی مانند API و ISO مطابقت داشته باشد.