1. Princípios de geração e balanceamento de força axial

As forças axiais em multiestágios  bombas de turbina verticais  são compostos principalmente de dois componentes:

● Componente da força centrífuga:O fluxo radial de líquido devido à força centrífuga cria um diferencial de pressão entre as tampas frontal e traseira do impulsor, resultando em uma força axial (normalmente direcionada para a entrada de sucção).

● Efeito diferencial de pressão:A diferença de pressão cumulativa em cada estágio aumenta ainda mais a força axial.

Métodos de balanceamento:

● Disposição simétrica do impulsor:O uso de impulsores de sucção dupla (o líquido entra por ambos os lados) reduz o diferencial de pressão unidirecional, diminuindo a força axial para níveis aceitáveis ​​(10%-30%).

● Design do furo de equilíbrio:Furos radiais ou oblíquos na tampa traseira do impulsor redirecionam o líquido de alta pressão de volta para a entrada, equilibrando as diferenças de pressão. O tamanho do furo deve ser otimizado por meio de cálculos de dinâmica de fluidos para evitar perda de eficiência.

● Design de lâmina reversa:Adicionar lâminas reversas (opostas às lâminas principais) no último estágio gera força contracentrífuga para compensar cargas axiais. Comumente usado em bombas de alta altura manométrica (por exemplo, bombas de turbina vertical multiestágio).

2. Geração e balanceamento de carga radial

Cargas radiais se originam de forças de inércia durante a rotação, distribuição desigual de pressão dinâmica líquida e desequilíbrio residual na massa do rotor. Cargas radiais acumuladas em bombas multiestágio podem causar superaquecimento do mancal, vibração ou desalinhamento do rotor.

Estratégias de equilíbrio:

● Otimização da simetria do impulsor:

o A correspondência de lâminas pares e ímpares (por exemplo, 5 lâminas + 7 lâminas) distribui as forças radiais uniformemente.

o O balanceamento dinâmico garante que o centroide de cada impulsor esteja alinhado com o eixo de rotação, minimizando o desequilíbrio residual.

● Reforço estrutural:

o Caixas de mancais intermediárias rígidas restringem o deslocamento radial.

o Rolamentos combinados (por exemplo, rolamentos axiais de esferas de duas carreiras + rolamentos de rolos cilíndricos) lidam com cargas axiais e radiais separadamente.

● Compensação hidráulica:

o Palhetas guia ou câmaras de retorno nas folgas do impulsor otimizam os caminhos do fluxo, reduzindo vórtices locais e flutuações de força radial.

3. Transmissão de carga em impulsores multiestágios

As forças axiais acumulam-se por etapas e devem ser geridas para evitar concentrações de tensões:

● Balanceamento por etapas:A instalação de um disco de balanceamento (por exemplo, em bombas centrífugas multiestágios) usa diferenças de pressão de folga axial para ajustar automaticamente as forças axiais.

● Otimização da rigidez:Os eixos das bombas são feitos de ligas de alta resistência (por exemplo, 42CrMo) e validados por meio de análise de elementos finitos (FEA) para limites de deflexão (normalmente ≤ 0.1 mm/m).

4. Estudo de caso de engenharia e verificação de cálculo

Exemplo:Uma bomba de turbina química multiestágio vertical (6 estágios, altura manométrica total de 300 m, vazão de 200 m³/h):

● Cálculo da força axial:

o Projeto inicial (impulsor de sucção única): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), resultando em 1.8×106N.

o Após a conversão para impulsor de sucção dupla e adição de furos de balanceamento: Força axial reduzida para 5×105N, atendendo aos padrões API 610 (≤1.5× torque de potência nominal).

● Simulação de carga radial:

o ANSYS Fluent CFD revelou picos de pressão locais (até 12 kN/m²) em impulsores não otimizados. A introdução de palhetas-guia reduziu os picos em 40% e o aumento da temperatura do mancal em 15°C.

5. Principais critérios e considerações de design

● Limites de força axial: Normalmente ≤ 30% da resistência à tração do eixo da bomba, com temperatura do mancal de encosto ≤ 70°C.

● Controle de folga do impulsor: mantido entre 0.2-0.5 mm (muito pequeno causa atrito; muito grande leva a vazamento).

● Testes dinâmicos: testes de balanceamento em velocidade máxima (grau G2.5) garantem a estabilidade do sistema antes do comissionamento.

Conclusão

Balancear cargas axiais e radiais em bombas de turbina verticais multiestágio é um desafio complexo de engenharia de sistemas que envolve dinâmica de fluidos, design mecânico e ciência de materiais. Otimizar a geometria do impulsor, integrar dispositivos de balanceamento e processos de fabricação precisos aumentam significativamente a confiabilidade e a vida útil da bomba. Avanços futuros em simulações numéricas orientadas por IA e manufatura aditiva permitirão ainda mais o design personalizado do impulsor e a otimização dinâmica da carga.

Observação: o projeto personalizado para aplicações específicas (por exemplo, propriedades do fluido, velocidade, temperatura) deve estar em conformidade com padrões internacionais, como API e ISO.