1. Generowanie siły osiowej i zasady równoważenia

Siły osiowe w wielostopniowym  pionowe pompy turbinowe  składają się głównie z dwóch komponentów:

● Składowa siły odśrodkowej:Przepływ promieniowy cieczy spowodowany siłą odśrodkową wytwarza różnicę ciśnień między przednią i tylną pokrywą wirnika, co skutkuje powstaniem siły osiowej (zwykle skierowanej w stronę wlotu ssącego).

● Efekt różnicy ciśnień:Skumulowana różnica ciśnień na każdym etapie dodatkowo zwiększa siłę osiową.

Metody równoważenia:

● Symetryczny układ wirnika:Zastosowanie wirników dwustronnie ssących (ciecz wpływa z obu stron) redukuje jednokierunkową różnicę ciśnień, obniżając siłę osiową do akceptowalnego poziomu (10%–30%).

● Konstrukcja otworu wyrównoważającego:Otwory promieniowe lub skośne w tylnej pokrywie wirnika przekierowują ciecz pod wysokim ciśnieniem z powrotem do wlotu, równoważąc różnice ciśnień. Rozmiar otworu musi zostać zoptymalizowany za pomocą obliczeń dynamiki płynów, aby uniknąć utraty wydajności.

● Konstrukcja ostrza odwróconego:Dodanie łopatek odwrotnych (przeciwnych do łopatek głównych) na ostatnim etapie generuje siłę przeciwśrodkową, aby zrównoważyć obciążenia osiowe. Powszechnie stosowane w pompach o dużej wysokości podnoszenia (np. wielostopniowych pompach turbinowych).

2. Generowanie i równoważenie obciążeń promieniowych

Obciążenia promieniowe pochodzą z sił bezwładności podczas obrotu, nierównomiernego rozkładu ciśnienia dynamicznego cieczy i resztkowej nierównowagi masy wirnika. Skumulowane obciążenia promieniowe w pompach wielostopniowych mogą powodować przegrzanie łożysk, drgania lub rozosiowanie wirnika.

Strategie równoważenia:

● Optymalizacja symetrii wirnika:

o Dopasowanie ostrzy parzystych i nieparzystych (np. 5 ostrzy + 7 ostrzy) zapewnia równomierne rozłożenie sił promieniowych.

o Dynamiczne wyważanie zapewnia wyrównanie środka ciężkości każdego wirnika z osią obrotu, minimalizując resztkowe niewyważenie.

● Wzmocnienie konstrukcyjne:

o Sztywne obudowy łożysk pośrednich ograniczają przemieszczenie promieniowe.

o Łożyska kombinowane (np. dwurzędowe łożyska kulkowe wzdłużne + łożyska wałeczkowe walcowe) oddzielnie przenoszą obciążenia osiowe i promieniowe.

● Kompensacja hydrauliczna:

o Łopatki kierownicze lub komory powrotne w szczelinach wirnika optymalizują ścieżki przepływu, redukując lokalne zawirowania i wahania sił promieniowych.

3. Przenoszenie obciążenia w wirnikach wielostopniowych

Siły osiowe kumulują się etapami i należy nimi zarządzać, aby zapobiec koncentracji naprężeń:

● Wyważanie etapowe:Montaż tarczy równoważącej (np. w wielostopniowych pompach odśrodkowych) polega na wykorzystaniu różnic ciśnień w szczelinie osiowej w celu automatycznej regulacji sił osiowych.

● Optymalizacja sztywności:Wały pomp wykonane są ze stopów o wysokiej wytrzymałości (np. 42CrMo) i sprawdzone metodą analizy elementów skończonych (MES) pod kątem dopuszczalnych ugięcia (zwykle ≤ 0.1 mm/m).

4. Studium przypadku inżynierskiego i weryfikacja obliczeń

Przykład:Pompa turbinowa chemiczna wielostopniowa pionowa (6 stopni, całkowita wysokość podnoszenia 300 m, wydajność 200 m³/h):

● Obliczanie siły osiowej:

o Projekt początkowy (wirnik jednossący): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), co daje 1.8×106N.

o Po przejściu na wirnik z podwójnym ssaniem i dodaniu otworów wyrównoważających: siła osiowa zmniejszona do 5×105N, co spełnia normy API 610 (≤1.5× znamionowy moment obrotowy).

● Symulacja obciążenia promieniowego:

o ANSYS Fluent CFD ujawnił lokalne szczyty ciśnienia (do 12 kN/m²) w niezoptymalizowanych wirnikach. Wprowadzenie łopatek kierujących zmniejszyło szczyty o 40%, a wzrost temperatury łożysk o 15°C.

5. Kluczowe kryteria i zagadnienia projektowe

● Ograniczenia siły osiowej: Zwykle ≤ 30% wytrzymałości na rozciąganie wału pompy, przy temperaturze łożyska oporowego ≤ 70°C.

● Kontrola luzu wirnika: Utrzymywany w granicach 0.2–0.5 mm (zbyt mały luz powoduje tarcie, zbyt duży prowadzi do wycieku).

● Testowanie dynamiczne: testy wyważania przy pełnej prędkości (klasa G2.5) zapewniają stabilność systemu przed uruchomieniem.

Podsumowanie

Wyważanie obciążeń osiowych i promieniowych w wielostopniowych pionowych pompach turbinowych to złożone wyzwanie inżynierii systemów obejmujące dynamikę płynów, projektowanie mechaniczne i materiałoznawstwo. Optymalizacja geometrii wirnika, integracja urządzeń wyważających i precyzyjne procesy produkcyjne znacznie zwiększają niezawodność i żywotność pompy. Przyszłe postępy w symulacjach numerycznych opartych na sztucznej inteligencji i produkcji addytywnej umożliwią jeszcze bardziej spersonalizowaną konstrukcję wirnika i optymalizację obciążenia dynamicznego.

Uwaga: Projekty dostosowane do konkretnych zastosowań (np. właściwości cieczy, prędkość, temperatura) muszą być zgodne z normami międzynarodowymi, takimi jak API i ISO.