1. Načela generiranja aksialne sile in uravnoteženja

Aksialne sile v več stopnjah  vertikalne turbinske črpalke  so sestavljeni predvsem iz dveh komponent:

● Komponenta centrifugalne sile:Radialni tok tekočine zaradi centrifugalne sile ustvari razliko v tlaku med sprednjim in zadnjim pokrovom rotorja, kar ima za posledico aksialno silo (običajno usmerjeno proti sesalnemu vstopu).

● Učinek diferenčnega tlaka:Kumulativna tlačna razlika med vsako stopnjo dodatno poveča aksialno silo.

Metode uravnoteženja:

● Simetrična razporeditev rotorja:Uporaba rotorjev z dvojnim sesanjem (tekočina vstopa z obeh strani) zmanjša enosmerno razliko v tlaku in zmanjša aksialno silo na sprejemljive ravni (10%-30%).

● Zasnova luknje za uravnoteženje:Radialne ali poševne luknje v zadnjem pokrovu rotorja preusmerijo visokotlačno tekočino nazaj na dovod in tako izravnajo razlike v tlaku. Velikost luknje je treba optimizirati z izračuni dinamike tekočin, da se prepreči izguba učinkovitosti.

● Zasnova vzvratnega rezila:Dodajanje vzvratnih lopatic (nasproti glavnih lopatic) v zadnji fazi ustvari proticentrifugalno silo za izravnavo osnih obremenitev. Običajno se uporablja v črpalkah z visokim pritiskom (npr. večstopenjske vertikalne turbinske črpalke).

2. Generiranje radialne obremenitve in uravnoteženje

Radialne obremenitve izvirajo iz vztrajnostnih sil med vrtenjem, neenakomerne porazdelitve dinamičnega tlaka tekočine in preostalega neravnovesja v masi rotorja. Akumulirane radialne obremenitve v večstopenjskih črpalkah lahko povzročijo pregrevanje ležajev, vibracije ali neusklajenost rotorja.

Strategije uravnoteženja:

● Optimizacija simetrije rotorja:

o Ujemanje lihih in sodih rezil (npr. 5 rezil + 7 rezil) enakomerno porazdeli radialne sile.

o Dinamično uravnoteženje zagotavlja, da je težišče vsakega propelerja poravnano z rotacijsko osjo, kar zmanjša preostalo neravnovesje.

● Strukturna ojačitev:

o Toga ohišja vmesnih ležajev omejujejo radialni premik.

o Kombinirani ležaji (npr. dvoredni aksialni kroglični ležaji + cilindrični valjčni ležaji) prenašajo aksialne in radialne obremenitve ločeno.

● Hidravlična kompenzacija:

o Vodilne lopatice ali povratne komore v odprtinah rotorja optimizirajo pretočne poti, zmanjšujejo lokalne vrtince in nihanja radialne sile.

3. Prenos obremenitve v večstopenjskih tekačih

Aksialne sile se kopičijo stopenjsko in jih je treba upravljati, da preprečimo koncentracije napetosti:

● Stopenjsko uravnoteženje:Namestitev izravnalne plošče (npr. v večstopenjskih centrifugalnih črpalkah) uporablja razlike v tlaku aksialne reže za samodejno prilagajanje aksialnih sil.

● Optimizacija togosti:Gredi črpalk so narejene iz zlitin visoke trdnosti (npr. 42CrMo) in potrjene z analizo končnih elementov (FEA) za mejne vrednosti upogiba (običajno ≤ 0.1 mm/m).

4. Študija inženirskega primera in preverjanje izračuna

primer:Kemična večstopenjska navpična turbinska črpalka (6 stopenj, skupna višina 300 m, pretok 200 m³/h):

● Izračun aksialne sile:

o Začetna zasnova (propeler z enim sesanjem): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), rezultat je 1.8×106N.

o Po pretvorbi v rotor z dvojnim sesanjem in dodajanju izravnalnih lukenj: aksialna sila zmanjšana na 5 × 105 N, kar ustreza standardom API 610 (≤1.5 × nazivni navor moči).

● Simulacija radialne obremenitve:

o ANSYS Fluent CFD je razkril lokalne vrhove tlaka (do 12 kN/m²) v neoptimiziranih tekačih. Uvedba vodilnih lopatic je zmanjšala vrhove za 40 % in dvig temperature ležaja za 15 °C.

5. Ključna merila in vidiki načrtovanja

● Omejitve aksialne sile: običajno ≤ 30 % natezne trdnosti gredi črpalke s temperaturo potisnega ležaja ≤ 70 °C.

● Nadzor zračnosti rotorja: Ohranja se med 0.2–0.5 mm (premajhna povzroča trenje; prevelika povzroči puščanje).

● Dinamično testiranje: Preizkusi uravnoteženja pri polni hitrosti (razred G2.5) zagotavljajo stabilnost sistema pred zagonom.

zaključek

Uravnavanje aksialnih in radialnih obremenitev v večstopenjskih vertikalnih turbinskih črpalkah je zapleten sistemski inženirski izziv, ki vključuje dinamiko tekočin, mehansko načrtovanje in znanost o materialih. Optimiziranje geometrije rotorja, integracija naprav za uravnoteženje in natančni proizvodni procesi znatno povečajo zanesljivost in življenjsko dobo črpalke. Prihodnji napredek v numeričnih simulacijah, ki jih poganja umetna inteligenca, in aditivni proizvodnji bo dodatno omogočil prilagojeno zasnovo rotorja in optimizacijo dinamične obremenitve.

Opomba: Prilagojena zasnova za posebne aplikacije (npr. lastnosti tekočine, hitrost, temperatura) mora biti v skladu z mednarodnimi standardi, kot sta API in ISO.