1. Axialkraftgenerering och balanseringsprinciper

De axiella krafterna i flera steg  vertikala turbinpumpar  består huvudsakligen av två komponenter:

● Centrifugalkraftskomponent:Flytande radiellt flöde på grund av centrifugalkraften skapar en tryckskillnad mellan de främre och bakre kåporna på pumphjulet, vilket resulterar i en axiell kraft (vanligtvis riktad mot suginloppet).

● Tryckskillnadseffekt:Den kumulativa tryckskillnaden över varje steg ökar den axiella kraften ytterligare.

Balanseringsmetoder:

● Symmetriskt impellerarrangemang:Användning av dubbla sughjul (vätska kommer in från båda sidor) minskar den enkelriktade tryckskillnaden, vilket sänker axiell kraft till acceptabla nivåer (10%-30%).

● Balanshålsdesign:Radiella eller sneda hål i pumphjulets bakre kåpa omdirigerar högtrycksvätska tillbaka till inloppet, vilket balanserar tryckskillnaderna. Hålstorleken måste optimeras via vätskedynamikberäkningar för att undvika effektivitetsförluster.

● Omvänd bladdesign:Att lägga till omvända blad (motsatta till huvudblad) i det sista steget genererar motcentrifugalkraft för att kompensera för axiella belastningar. Används vanligtvis i högtryckspumpar (t.ex. flerstegs vertikalturbinpumpar).

2. Generering av radiell belastning och balansering

Radiella belastningar härrör från tröghetskrafter under rotation, ojämn vätskedynamisk tryckfördelning och kvarvarande obalans i rotormassan. Ackumulerade radiella belastningar i flerstegspumpar kan orsaka överhettning av lagren, vibrationer eller felinställning av rotorn.

Balanseringsstrategier:

● Impellersymmetrioptimering:

o Matchande av udda jämnt blad (t.ex. 5 blad + 7 blad) fördelar radiella krafter jämnt.

o Dynamisk balansering säkerställer att varje impellers tyngdpunkt är i linje med rotationsaxeln, vilket minimerar kvarvarande obalans.

● Strukturell förstärkning:

o Stela mellanlagerhus begränsar radiell förskjutning.

o Kombinerade lager (t.ex. dubbelradiga axialkullager + cylindriska rullager) hanterar axiella och radiella belastningar separat.

● Hydraulisk kompensation:

o Ledskovlar eller returkammare i pumphjulsspel optimerar flödesvägar, vilket minskar lokala virvlar och radiella kraftfluktuationer.

3. Lastöverföring i flerstegspumphjul

Axiella krafter ackumuleras stegvis och måste hanteras för att förhindra spänningskoncentrationer:

● Scenisk balansering:Installation av en balansskiva (t.ex. i flerstegs centrifugalpumpar) använder axiella gaptryckskillnader för att automatiskt justera axiella krafter.

● Styvhetsoptimering:Pumpaxlar är gjorda av höghållfasta legeringar (t.ex. 42CrMo) och validerade via finita elementanalys (FEA) för nedböjningsgränser (typiskt ≤ 0.1 mm/m).

4. Teknisk fallstudie och beräkningsverifiering

Exempelvis:En kemisk flerstegs turbinpump (6 steg, total lyfthöjd 300 m, flödeshastighet 200 m³/h):

● Axialkraftberäkning:

o Initial design (ensugande pumphjul): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), vilket resulterar i 1.8×106N.

o Efter omvandling till dubbelsugande impeller och tillsats av balanshål: Axialkraft reducerad till 5×105N, uppfyller API 610-standarderna (≤1.5× nominellt effektmoment).

● Simulering av radiell belastning:

o ANSYS Fluent CFD avslöjade lokala trycktoppar (upp till 12 kN/m²) i ooptimerade pumphjul. Införandet av ledskenor minskade topparna med 40 % och lagertemperaturen steg med 15°C.

5. Viktiga designkriterier och överväganden

● Axiella kraftgränser: Typiskt ≤ 30 % av pumpaxelns draghållfasthet, med axiallagertemperatur ≤ 70°C.

● Impellerspelningskontroll: Bibehålls mellan 0.2-0.5 mm (för liten orsakar friktion; för stor leder till läckage).

● Dynamisk testning: Balanstest i full hastighet (G2.5-klass) säkerställer systemstabilitet före idrifttagning.

Slutsats

Att balansera axiella och radiella belastningar i vertikala turbinpumpar i flera steg är en komplex systemteknisk utmaning som involverar vätskedynamik, mekanisk design och materialvetenskap. Optimering av impellergeometrin, integrering av balanseringsanordningar och exakta tillverkningsprocesser förbättrar pumpens tillförlitlighet och livslängd avsevärt. Framtida framsteg inom AI-drivna numeriska simuleringar och additiv tillverkning kommer ytterligare att möjliggöra personlig impellerdesign och dynamisk lastoptimering.

Obs: Anpassad design för specifika applikationer (t.ex. vätskeegenskaper, hastighet, temperatur) måste uppfylla internationella standarder som API och ISO.