1. Generarea forțelor axiale și principiile de echilibrare

Forțele axiale în mai multe etape  pompe verticale cu turbină  sunt compuse în principal din două componente:

● Componentă forță centrifugă:Fluxul radial de lichid datorat forței centrifuge creează o diferență de presiune între capacul frontal și posterior al rotorului, rezultând o forță axială (îndreptată de obicei către orificiul de admisie).

● Efect diferențial de presiune:Diferența de presiune cumulată în fiecare treaptă crește și mai mult forța axială.

Metode de echilibrare:

● Dispunerea simetrică a rotorului:Utilizarea rotoarelor cu aspirație dublă (lichidul intră din ambele părți) reduce diferența de presiune unidirecțională, scăzând forța axială la niveluri acceptabile (10%-30%).

● Design găuri de echilibrare:Găurile radiale sau oblice din capacul din spate al rotorului redirecționează lichidul de înaltă presiune înapoi la admisie, echilibrând diferențele de presiune. Dimensiunea găurii trebuie optimizată prin calcule de dinamică a fluidelor pentru a evita pierderea eficienței.

● Design inversat al lamei:Adăugarea lamelor inversate (opus lamelor principale) în ultima etapă generează forță contra-centrifugă pentru a compensa sarcinile axiale. Folosit în mod obișnuit în pompele cu înălțime mare (de exemplu, pompe cu turbină verticală cu mai multe etape).

2. Generarea și echilibrarea sarcinii radiale

Sarcinile radiale provin din forțele de inerție în timpul rotației, distribuția neuniformă a presiunii dinamice a lichidului și dezechilibrul rezidual al masei rotorului. Sarcinile radiale acumulate în pompele cu mai multe trepte pot cauza supraîncălzirea rulmentului, vibrații sau alinierea greșită a rotorului.

Strategii de echilibrare:

● Optimizarea simetriei rotorului:

o Potrivirea lamelor par-impar (de exemplu, 5 lame + 7 lame) distribuie forțele radiale uniform.

o Echilibrarea dinamică asigură alinierea centrului rotorului cu axa de rotație, minimizând dezechilibrul rezidual.

● Armare structurală:

o Carcasele lagărelor intermediare rigide limitează deplasarea radială.

o Rulmenții combinați (de exemplu, rulmenți axiali cu bile cu două rânduri + rulmenți cu role cilindrice) suportă sarcinile axiale și radiale separat.

● Compensare hidraulică:

o Paletele de ghidare sau camerele de retur în spațiul rotorului optimizează traseele de curgere, reducând vortexurile locale și fluctuațiile forței radiale.

3. Transmisia sarcinii în rotoare cu mai multe etape

Forțele axiale se acumulează treptat și trebuie gestionate pentru a preveni concentrarea tensiunilor:

● Echilibrare pe etape:Instalarea unui disc de echilibru (de exemplu, în pompele centrifuge cu mai multe etape) folosește diferențele de presiune a spațiului axial pentru a regla automat forțele axiale.

● Optimizarea rigidității:Arborii pompei sunt fabricați din aliaje de înaltă rezistență (de exemplu, 42CrMo) și validați prin analiză cu elemente finite (FEA) pentru limitele de deformare (de obicei ≤ 0.1 mm/m).

4. Studiu de caz de inginerie și verificare de calcul

Exemplu:O pompă chimică cu turbină verticală în mai multe trepte (6 trepte, înălțime totală 300 m, debit 200 m³/h):

● Calculul forței axiale:

o Proiectare inițială (rotor cu o singură aspirație): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), rezultând 1.8×106N.

o După trecerea la rotor cu aspirație dublă și adăugarea găurilor de echilibrare: Forța axială redusă la 5×105N, respectând standardele API 610 (≤1.5× cuplul de putere nominală).

● Simularea sarcinii radiale:

o ANSYS Fluent CFD a evidențiat vârfuri locale de presiune (până la 12 kN/m²) în rotoarele neoptimizate. Introducerea paletelor de ghidare a redus vârfurile cu 40% și creșterea temperaturii lagărului cu 15°C.

5. Criterii și considerații cheie de proiectare

● Limitele forței axiale: De obicei ≤ 30% din rezistența la tracțiune a arborelui pompei, cu temperatura lagărelor de tracțiune ≤ 70°C.

● Controlul jocului rotorului: Menținut între 0.2-0.5 mm (prea mic provoacă frecare; prea mare duce la scurgere).

● Testare dinamică: testele de echilibrare la viteză maximă (gradul G2.5) asigură stabilitatea sistemului înainte de punere în funcțiune.

Concluzie

Echilibrarea sarcinilor axiale și radiale în pompele cu turbină verticale în mai multe etape este o provocare complexă de inginerie a sistemelor care implică dinamica fluidelor, proiectarea mecanică și știința materialelor. Optimizarea geometriei rotorului, integrarea dispozitivelor de echilibrare și procesele de fabricație precise îmbunătățesc semnificativ fiabilitatea și durata de viață a pompei. Progresele viitoare în simulările numerice bazate pe inteligență artificială și fabricarea aditivă vor permite în continuare proiectarea personalizată a rotorului și optimizarea dinamică a sarcinii.

Notă: Designul personalizat pentru aplicații specifice (de exemplu, proprietățile fluidului, viteza, temperatura) trebuie să respecte standardele internaționale precum API și ISO.