1. Generovanie axiálnych síl a princípy vyvažovania

Axiálne sily sú viacstupňové  vertikálne turbínové čerpadlá  pozostávajú predovšetkým z dvoch zložiek:

● Zložka odstredivej sily:Radiálne prúdenie kvapaliny v dôsledku odstredivej sily vytvára tlakový rozdiel medzi predným a zadným krytom obežného kolesa, čo vedie k axiálnej sile (typicky smerujúcej k saciemu vstupu).

● Efekt tlakového rozdielu:Kumulatívny tlakový rozdiel v každom stupni ďalej zvyšuje axiálnu silu.

Metódy vyvažovania:

● Symetrické usporiadanie obežného kolesa:Použitie obežných kolies s dvojitým nasávaním (kvapalina vstupuje z oboch strán) znižuje jednosmerný tlakový rozdiel a znižuje axiálnu silu na prijateľnú úroveň (10%-30%).

● Dizajn vyrovnávacieho otvoru:Radiálne alebo šikmé otvory v zadnom kryte obežného kolesa presmerujú vysokotlakovú kvapalinu späť na vstup, čím sa vyrovnávajú tlakové rozdiely. Veľkosť otvoru sa musí optimalizovať pomocou výpočtov dynamiky tekutín, aby sa predišlo strate účinnosti.

● Reverzný dizajn čepele:Pridanie reverzných lopatiek (oproti hlavným lopatičkám) v poslednej fáze generuje protiodstredivú silu na kompenzáciu axiálneho zaťaženia. Bežne používané vo vysokotlakových čerpadlách (napr. viacstupňové vertikálne turbínové čerpadlá).

2. Generovanie a vyvažovanie radiálneho zaťaženia

Radiálne zaťaženie pochádza zo zotrvačných síl počas rotácie, nerovnomerného rozloženia dynamického tlaku kvapaliny a zvyškovej nevyváženosti hmoty rotora. Akumulované radiálne zaťaženia vo viacstupňových čerpadlách môžu spôsobiť prehrievanie ložísk, vibrácie alebo nesúosovosť rotora.

Stratégie vyvažovania:

● Optimalizácia symetrie obežného kolesa:

o Nepárne-párne prispôsobenie lopatiek (napr. 5 lopatiek + 7 lopatiek) rozdeľuje radiálne sily rovnomerne.

o Dynamické vyváženie zabezpečuje, že ťažisko každého obežného kolesa je zarovnané s osou otáčania, čím sa minimalizuje zvyšková nevyváženosť.

● Konštrukčné vystuženie:

o Pevné medziľahlé ložiskové puzdrá obmedzujú radiálny posun.

o Kombinované ložiská (napr. dvojradové axiálne guľkové ložiská + valčekové ložiská) zvládajú axiálne a radiálne zaťaženie oddelene.

● Hydraulická kompenzácia:

o Vodiace lopatky alebo spätné komory vo vôli obežného kolesa optimalizujú prietokové cesty, čím sa znižujú lokálne víry a kolísanie radiálnej sily.

3. Prenos zaťaženia vo viacstupňových obežných kolesách

Axiálne sily sa akumulujú postupne a musia sa riadiť, aby sa zabránilo koncentrácii napätia:

● Postupné vyvažovanie:Inštalácia vyvažovacieho kotúča (napr. vo viacstupňových odstredivých čerpadlách) využíva rozdiely tlaku v axiálnej medzere na automatické nastavenie axiálnych síl.

● Optimalizácia tuhosti:Hriadele čerpadiel sú vyrobené z vysokopevnostných zliatin (napr. 42CrMo) a overené pomocou analýzy konečných prvkov (FEA) na limity priehybu (zvyčajne ≤ 0.1 mm/m).

4. Technická prípadová štúdia a overenie výpočtov

Príklad:Chemické viacstupňové vertikálne turbínové čerpadlo (6 stupňov, celková dopravná výška 300 m, prietok 200 m³/h):

● Výpočet axiálnej sily:

o Počiatočná konštrukcia (obežné koleso s jedným nasávaním): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), výsledkom čoho je 1.8×106N.

o Po prestavbe na obežné koleso s dvojitým nasávaním a pridaní vyvažovacích otvorov: Axiálna sila znížená na 5×105N, spĺňajúce normy API 610 (≤1.5× menovitý výkonový krútiaci moment).

● Simulácia radiálneho zaťaženia:

o ANSYS Fluent CFD odhalil miestne tlakové špičky (až 12 kN/m²) v neoptimalizovaných obežných kolesách. Zavedenie vodiacich lopatiek znížilo špičky o 40 % a zvýšenie teploty ložiska o 15 °C.

5. Kľúčové kritériá návrhu a úvahy

● Hranice axiálnej sily: Zvyčajne ≤ 30 % pevnosti v ťahu hriadeľa čerpadla, s teplotou axiálneho ložiska ≤ 70 °C.

● Kontrola vôle obežného kolesa: udržiavaná medzi 0.2-0.5 mm (príliš malá spôsobuje trenie; príliš veľká vedie k úniku).

● Dynamické testovanie: Testy vyváženia pri plnej rýchlosti (trieda G2.5) zabezpečujú stabilitu systému pred uvedením do prevádzky.

záver

Vyvažovanie axiálnych a radiálnych zaťažení vo viacstupňových vertikálnych turbínových čerpadlách je komplexná výzva systémového inžinierstva zahŕňajúca dynamiku tekutín, mechanický dizajn a materiálové vedy. Optimalizácia geometrie obežného kolesa, integrácia vyvažovacích zariadení a presné výrobné procesy výrazne zvyšujú spoľahlivosť a životnosť čerpadla. Budúce pokroky v numerických simuláciách riadených AI a aditívnej výrobe ďalej umožnia personalizovaný dizajn obežného kolesa a optimalizáciu dynamického zaťaženia.

Poznámka: Prispôsobený dizajn pre špecifické aplikácie (napr. vlastnosti kvapalín, rýchlosť, teplota) musí spĺňať medzinárodné normy, ako sú API a ISO.