1. Definícia a kľúčové vplyvy medzery obežného kolesa

Medzera obežného kolesa sa vzťahuje na radiálnu vôľu medzi obežným kolesom a skriňou čerpadla (alebo krúžkom vodiacej lopatky), zvyčajne v rozsahu od 0.2 mm do 0.5 mm. Táto medzera výrazne ovplyvňuje výkon  viacstupňové vertikálne turbínové čerpadlá v dvoch hlavných aspektoch:

● Hydraulické straty: Nadmerné medzery zvyšujú prietok pri úniku, čím sa znižuje objemová účinnosť; príliš malé medzery môžu spôsobiť opotrebenie trením alebo kavitáciu.

● Charakteristiky prietoku: Veľkosť medzery priamo ovplyvňuje rovnomernosť prietoku na výstupe obežného kolesa, čím ovplyvňuje výšku a krivky účinnosti.

2. Teoretický základ pre optimalizáciu medzery obežného kolesa

2.1 Zlepšenie objemovej účinnosti

Objemová účinnosť (ηₛ) je definovaná ako pomer skutočného výstupného prietoku k teoretickému prietoku:

ηₛ = 1 − QQleak

kde Qleak je únikový tok spôsobený medzerou obežného kolesa. Optimalizácia medzery výrazne znižuje úniky. Napríklad:

● Znížením medzery z 0.3 mm na 0.2 mm sa zníži únik o 15–20 %.

● Vo viacstupňových čerpadlách môže kumulatívna optimalizácia medzi stupňami zlepšiť celkovú účinnosť o 5–10 %.

2.2 Zníženie hydraulických strát

Optimalizácia medzery zlepšuje rovnomernosť prietoku na výstupe obežného kolesa, znižuje turbulencie a tým minimalizuje stratu hlavy. Napríklad:

● Simulácie CFD ukazujú, že zmenšenie medzery z 0.4 mm na 0.25 mm znižuje turbulentnú kinetickú energiu o 30 %, čo zodpovedá 4–6 % zníženiu spotreby energie hriadeľa.

2.3 Zlepšenie výkonu pri kavitácii

Veľké medzery zhoršujú tlakové pulzácie na vstupe a zvyšujú riziko kavitácie. Optimalizácia medzery stabilizuje prietok a zvyšuje rezervu NPSHr (čistá pozitívna sacia výška), čo je obzvlášť účinné v podmienkach nízkeho prietoku.

3. Prípady experimentálneho overovania a inžinierstva

3.1 Údaje z laboratórnych testov

Výskumný ústav vykonal porovnávacie testy na a viacstupňové vertikálne turbínové čerpadlo (parametre: 2950 ot./min., 100 m³/h, dopravná výška 200 m).

3.2 Príklady priemyselných aplikácií

● Retrofit petrochemického obehového čerpadla: Rafinéria znížila medzeru obežného kolesa z 0.4 mm na 0.28 mm, čím sa dosiahla ročná úspora energie 120 kW·h a 8 % zníženie prevádzkových nákladov.

● Optimalizácia vstrekovacieho čerpadla na mori: Pomocou laserovej interferometrie na kontrolu medzery (±0.02 mm) sa objemová účinnosť čerpadla zlepšila z 81 % na 89 %, čím sa vyriešili problémy s vibráciami spôsobenými nadmernými medzerami.

4. Optimalizačné metódy a kroky implementácie

4.1 Matematický model pre optimalizáciu medzier

Na základe zákonov podobnosti odstredivých čerpadiel a korekčných koeficientov je vzťah medzi medzerou a účinnosťou:

η = η₀ (1 − k·δD)

kde δ je hodnota medzery, D je priemer obežného kolesa a k je empirický koeficient (zvyčajne 0.1–0.3).

4.2 Kľúčové implementačné technológie

●Precízna výroba: CNC stroje a brúsne nástroje dosahujú pre obežné kolesá a plášte presnosť na úrovni mikrometrov (IT7–IT8).

●Meranie na mieste: Laserové vyrovnávacie nástroje a ultrazvukové hrúbkomery monitorujú medzery počas montáže, aby sa predišlo odchýlkam.

● Dynamická úprava: Pre vysokoteplotné alebo korozívne médiá sa používajú vymeniteľné tesniace krúžky s jemným doladením na báze skrutiek.

4.3 Úvahy

● Vyváženie trením a opotrebovaním: Poddimenzované medzery zvyšujú mechanické opotrebovanie; tvrdosť materiálu (napr. Cr12MoV pre obežné kolesá, HT250 pre plášte) a prevádzkové podmienky musia byť vyvážené.

● Kompenzácia tepelnej rozťažnosti: Vyhradené medzery (0.03–0.05 mm) sú potrebné pre vysokoteplotné aplikácie (napr. čerpadlá na horúci olej).

5. Budúce trendy

●Digitálny dizajn: Optimalizačné algoritmy založené na AI (napr. genetické algoritmy) rýchlo určia optimálne medzery.

●Výroba aditív: Kovová 3D tlač umožňuje integrované návrhy plášťa obežného kolesa, čo znižuje chyby pri montáži.

●Inteligentné monitorovanie: Senzory z optických vlákien spárované s digitálnymi dvojčatami umožnia monitorovanie medzier v reálnom čase a predikciu zníženia výkonu.

záver

Optimalizácia medzery obežného kolesa je jednou z najpriamejších metód na zvýšenie účinnosti viacstupňového vertikálneho turbínového čerpadla. Kombináciou presnej výroby, dynamického nastavenia a inteligentného monitorovania možno dosiahnuť zvýšenie účinnosti o 5–15 %, znížiť spotrebu energie a znížiť náklady na údržbu. S pokrokom vo výrobe a analytike sa optimalizácia medzier bude vyvíjať smerom k vyššej presnosti a inteligencii a stane sa základnou technológiou pre dodatočné vybavenie čerpadiel.

Poznámka: Praktické inžinierske riešenia musia integrovať vlastnosti média, prevádzkové podmienky a nákladové obmedzenia, overené analýzou nákladov na životný cyklus (LCC).