1. Генерисање аксијалне силе и принципи балансирања

Аксијалне силе су вишестепене  вертикалне турбинске пумпе  првенствено се састоје од две компоненте:

● Компонента центрифугалне силе:Радијални ток течности услед центрифугалне силе ствара разлику притиска између предњег и задњег поклопца радног кола, што резултира аксијалном силом (обично усмереном према усисном отвору).

● Ефекат диференцијалног притиска:Кумулативна разлика притиска у свакој фази додатно повећава аксијалну силу.

Методе балансирања:

● Симетричан распоред радног кола:Коришћење импелера са двоструким усисом (течност улази са обе стране) смањује једносмерну разлику притиска, снижавајући аксијалну силу на прихватљиве нивое (10%-30%).

● Дизајн балансне рупе:Радијални или коси отвори на задњем поклопцу радног кола преусмеравају течност под високим притиском назад на улаз, балансирајући разлике притиска. Величина рупе мора бити оптимизована помоћу прорачуна динамике флуида како би се избегао губитак ефикасности.

● Реверзни дизајн сечива:Додавање обрнутих лопатица (супротно од главних лопатица) у последњој фази генерише контрацентрифугалну силу за отклањање аксијалних оптерећења. Обично се користи у пумпама са високим напоном (нпр. вишестепене вертикалне турбинске пумпе).

2. Генерисање радијалног оптерећења и балансирање

Радијална оптерећења потичу од инерционих сила током ротације, неравномерне динамичке расподеле притиска течности и преостале неравнотеже у маси ротора. Акумулирана радијална оптерећења у вишестепеним пумпама могу изазвати прегревање лежаја, вибрације или неусклађеност ротора.

Стратегије балансирања:

● Оптимизација симетрије радног кола:

о Непарно-парно подударање сечива (нпр. 5 ножева + 7 ножева) равномерно распоређује радијалне силе.

о Динамичко балансирање осигурава да је центар ротације сваког радног кола поравнат са осом ротације, минимизирајући заосталу неравнотежу.

● Структурно ојачање:

о Чврста средња кућишта лежаја ограничавају радијално померање.

о Комбиновани лежајеви (нпр. дворедни потисни куглични лежајеви + цилиндрични ваљкасти лежајеви) подносе аксијална и радијална оптерећења одвојено.

● Хидраулична компензација:

о Водиће лопатице или повратне коморе у зазорима радног кола оптимизују путеве протока, смањујући локалне вртлоге и флуктуације радијалне силе.

3. Пренос оптерећења у вишестепеним радним колима

Аксијалне силе се акумулирају по фазама и морају се управљати како би се спречиле концентрације напрезања:

● Постепено балансирање:Инсталирање диска за баланс (нпр. у вишестепеним центрифугалним пумпама) користи разлике притиска у аксијалном зазору за аутоматско подешавање аксијалних сила.

● Оптимизација крутости:Осовине пумпе су направљене од легура високе чврстоће (нпр. 42ЦрМо) и валидиране су анализом коначних елемената (ФЕА) за границе угиба (обично ≤ 0.1 мм/м).

4. Инжењерска студија случаја и верификација прорачуна

primer:Хемијска вишестепена вертикална турбинска пумпа (6 степени, укупна висина 300 м, проток 200 м³/х):

● Прорачун аксијалне силе:

о Почетни дизајн (једноусисно радно коло): Ф=К⋅ρ⋅г⋅К2⋅Х (К=1.2−1.5), што резултира 1.8×106Н.

о Након претварања у двоусисно радно коло и додавања балансних рупа: Аксијална сила смањена на 5×105Н, испуњавајући стандарде АПИ 610 (≤1.5× називни обртни момент снаге).

● Симулација радијалног оптерећења:

о АНСИС Флуент ЦФД је открио локалне пикове притиска (до 12 кН/м²) у неоптимизованим радним колима. Увођењем водећих лопатица смањени су врхови за 40% и пораст температуре лежаја за 15°Ц.

5. Кључни критеријуми дизајна и разматрања

● Границе аксијалне силе: Типично ≤ 30% затезне чврстоће вратила пумпе, са температуром потисног лежаја ≤ 70°Ц.

● Контрола зазора радног кола: Одржава се између 0.2-0.5 мм (премало изазива трење; превелико доводи до цурења).

● Динамичко тестирање: Тестови балансирања при пуној брзини (Г2.5) обезбеђују стабилност система пре пуштања у рад.

Zakljucak

Балансирање аксијалних и радијалних оптерећења у вишестепеним вертикалним турбинским пумпама је сложен изазов за инжењеринг система који укључује динамику флуида, механички дизајн и науку о материјалима. Оптимизација геометрије радног кола, интеграција уређаја за балансирање и прецизни производни процеси значајно повећавају поузданост и животни век пумпе. Будући напредак у нумеричким симулацијама вођеним вештачком интелигенцијом и адитивној производњи додатно ће омогућити персонализовани дизајн радног кола и динамичку оптимизацију оптерећења.

Напомена: Прилагођени дизајн за специфичне примене (нпр. својства течности, брзина, температура) мора бити у складу са међународним стандардима као што су АПИ и ИСО.