1. Definicja i kluczowe skutki szczeliny wirnika

Szczelina wirnika odnosi się do luzu promieniowego między wirnikiem a obudową pompy (lub pierścieniem łopatki kierującej), zwykle wynoszącego od 0.2 mm do 0.5 mm. Szczelina ta znacząco wpływa na wydajność  pompy turbinowe pionowe wielostopniowe w dwóch głównych aspektach:

● Straty hydrauliczne: Nadmierne szczeliny zwiększają przepływ nieszczelności, zmniejszając wydajność objętościową; zbyt małe szczeliny mogą powodować zużycie cierne lub kawitację.

● Charakterystyka przepływu: Wielkość szczeliny ma bezpośredni wpływ na równomierność przepływu na wylocie wirnika, oddziałując tym samym na krzywe wysokości podnoszenia i wydajności.

2. Podstawy teoretyczne optymalizacji szczeliny wirnika

2.1 Poprawa wydajności objętościowej

Sprawność objętościowa (ηₛ) jest definiowana jako stosunek rzeczywistego przepływu wyjściowego do przepływu teoretycznego:

ηₛ = 1 − QQwyciek

gdzie Qleak to przepływ wycieku spowodowany szczeliną wirnika. Optymalizacja szczeliny znacznie zmniejsza wyciek. Na przykład:

● Zmniejszenie szczeliny z 0.3 mm do 0.2 mm zmniejsza przeciek o 15–20%.

● W pompach wielostopniowych skumulowana optymalizacja na różnych etapach może poprawić całkowitą wydajność o 5–10%.

2.2 Redukcja strat hydraulicznych

Optymalizacja szczeliny poprawia jednorodność przepływu na wylocie wirnika, zmniejszając turbulencje i tym samym minimalizując utratę ciśnienia. Na przykład:

● Symulacje CFD pokazują, że zmniejszenie szczeliny z 0.4 mm do 0.25 mm obniża energię kinetyczną turbulencji o 30%, co odpowiada 4–6% redukcji zużycia energii przez wał.

2.3 Poprawa wydajności kawitacji

Duże szczeliny zaostrzają pulsacje ciśnienia na wlocie, zwiększając ryzyko kawitacji. Optymalizacja szczeliny stabilizuje przepływ i podnosi margines NPSHr (netto positive whisper head), co jest szczególnie skuteczne w warunkach niskiego przepływu.

3. Weryfikacja eksperymentalna i przypadki inżynieryjne

3.1 Dane z badań laboratoryjnych

Instytut badawczy przeprowadził testy porównawcze na wielostopniowa pionowa pompa turbinowa (parametry: 2950 obr./min, 100 m³/h, wysokość podnoszenia 200 m).

3.2 Przykłady zastosowań przemysłowych

● Modernizacja pompy obiegowej w przemyśle petrochemicznym: Rafineria zmniejszyła szczelinę wirnika z 0.4 mm do 0.28 mm, co pozwoliło zaoszczędzić 120 kW·h rocznie i obniżyć koszty operacyjne o 8%.

● Optymalizacja pompy wtryskowej na platformie morskiej: Zastosowanie interferometrii laserowej do kontrolowania szczeliny (±0.02 mm) pozwoliło na poprawę wydajności objętościowej pompy z 81% do 89%, co rozwiązało problem wibracji spowodowanych przez nadmierne szczeliny.

4. Metody optymalizacji i etapy wdrażania

4.1 Model matematyczny optymalizacji luk

Na podstawie praw podobieństwa pomp odśrodkowych i współczynników korekcyjnych, zależność między szczeliną a wydajnością jest następująca:

η = η₀(1 − k·δD)

gdzie δ jest wartością szczeliny, D jest średnicą wirnika, a k jest współczynnikiem empirycznym (zwykle 0.1–0.3).

4.2 Kluczowe technologie wdrażania

●Produkcja precyzyjna: Maszyny CNC i narzędzia szlifierskie osiągają precyzję na poziomie mikrometrów (IT7–IT8) w przypadku wirników i obudów.

●Pomiary in-situ: Narzędzia do ustawiania laserowego i ultradźwiękowe mierniki grubości monitorują szczeliny podczas montażu, aby uniknąć odchyleń.

● Dynamiczna regulacja: W przypadku mediów o wysokiej temperaturze lub agresywnych stosuje się wymienne pierścienie uszczelniające z precyzyjną regulacją za pomocą śrub.

4.3 Rozważania

● Równowaga tarcia i zużycia: Zbyt małe szczeliny zwiększają zużycie mechaniczne; twardość materiału (np. Cr12MoV w przypadku wirników, HT250 w przypadku obudów) i warunki eksploatacji muszą być zrównoważone.

● Kompensacja rozszerzalności cieplnej: W przypadku zastosowań w wysokich temperaturach (np. pompy oleju gorącego) konieczne jest zachowanie zarezerwowanych odstępów (0.03–0.05 mm).

5. Przyszłe trendy

●Projekt cyfrowy: Algorytmy optymalizacyjne oparte na sztucznej inteligencji (np. algorytmy genetyczne) pozwolą szybko określić optymalne luki.

●Produkcja dodatkowa: Druk 3D metali umożliwia tworzenie zintegrowanych konstrukcji wirnika i obudowy, co redukuje liczbę błędów montażowych.

●Inteligentne monitorowanie: Czujniki światłowodowe w połączeniu z cyfrowymi bliźniakami umożliwią monitorowanie luk w czasie rzeczywistym i przewidywanie degradacji wydajności.

Podsumowanie

Optymalizacja szczeliny wirnika jest jedną z najbardziej bezpośrednich metod zwiększania wydajności wielostopniowej pionowej pompy turbinowej. Połączenie precyzyjnej produkcji, dynamicznej regulacji i inteligentnego monitorowania może osiągnąć wzrost wydajności o 5–15%, zmniejszyć zużycie energii i obniżyć koszty konserwacji. Dzięki postępom w produkcji i analityce optymalizacja szczeliny będzie ewoluować w kierunku większej precyzji i inteligencji, stając się podstawową technologią modernizacji energetycznej pomp.

Uwaga: Praktyczne rozwiązania inżynieryjne muszą uwzględniać właściwości ośrodka, warunki eksploatacji i ograniczenia kosztowe, weryfikowane poprzez analizę kosztów cyklu życia (LCC).