1. Eksenel Kuvvet Üretimi ve Dengeleme Prensipleri

Çok aşamalı eksenel kuvvetler  dikey türbin pompaları  temel olarak iki bileşenden oluşur:

● Merkezkaç kuvveti bileşeni:Santrifüj kuvvetinden kaynaklanan sıvı radyal akışı, çarkın ön ve arka kapakları arasında bir basınç farkı oluşturur ve bunun sonucunda eksenel bir kuvvet (genellikle emme girişine doğru yönlendirilir) oluşur.

● Basınç farkı etkisi:Her kademedeki kümülatif basınç farkı eksenel kuvveti daha da artırır.

Dengeleme Yöntemleri:

● Simetrik çark düzeni:Çift emişli çarkların (sıvı her iki taraftan girer) kullanılması tek yönlü basınç farkını azaltarak eksenel kuvveti kabul edilebilir seviyelere (10%-30%) düşürür.

● Denge deliği tasarımı:Pervane arka kapağındaki radyal veya eğik delikler, yüksek basınçlı sıvıyı girişe geri yönlendirerek basınç farklarını dengeler. Verimlilik kaybını önlemek için delik boyutu akışkan dinamiği hesaplamaları yoluyla optimize edilmelidir.

● Ters bıçak tasarımı:Son aşamada ters kanatların (ana kanatların tersi) eklenmesi, eksenel yükleri dengelemek için karşı santrifüj kuvveti oluşturur. Genellikle yüksek basınçlı pompalarda (örneğin, çok kademeli dikey türbin pompaları) kullanılır.

2. Radyal Yük Üretimi ve Dengeleme

Radyal yükler, dönüş sırasındaki atalet kuvvetlerinden, düzensiz sıvı dinamik basınç dağılımından ve rotor kütlesindeki artık dengesizlikten kaynaklanır. Çok kademeli pompalarda biriken radyal yükler, rulman aşırı ısınmasına, titreşime veya rotor hizasızlığına neden olabilir.

Dengeleme Stratejileri:

● Pervane simetri optimizasyonu:

o Tek-çift kanat eşleştirmesi (örneğin 5 kanat + 7 kanat) radyal kuvvetleri eşit olarak dağıtır.

o Dinamik dengeleme, her bir pervanenin ağırlık merkezinin dönme ekseniyle hizalanmasını sağlayarak, kalıcı dengesizliği en aza indirir.

● Yapısal güçlendirme:

o Sert ara yatak yuvaları radyal yer değiştirmeyi sınırlar.

o Kombine rulmanlar (örneğin, çift sıralı eksenel bilyalı rulmanlar + silindirik makaralı rulmanlar) eksenel ve radyal yükleri ayrı ayrı idare eder.

● Hidrolik kompanzasyon:

o Pervane boşluklarındaki kılavuz kanatlar veya dönüş odaları akış yollarını optimize ederek yerel girdapları ve radyal kuvvet dalgalanmalarını azaltır.

3. Çok Kademeli Pervanelerde Yük İletimi

Eksenel kuvvetler aşama aşama birikir ve gerilim yoğunlaşmalarını önlemek için yönetilmelidir:

● Aşama bazında dengeleme:Bir denge diski takıldığında (örneğin, çok kademeli santrifüj pompalarda) eksenel kuvvetleri otomatik olarak ayarlamak için eksenel boşluk basınç farkları kullanılır.

● Sertlik optimizasyonu:Pompa milleri yüksek mukavemetli alaşımlardan (örneğin 42CrMo) yapılır ve sapma sınırları (tipik olarak ≤ 0.1 mm/m) açısından sonlu elemanlar analizi (FEA) ile doğrulanır.

4. Mühendislik Vaka Çalışması ve Hesaplama Doğrulaması

Örnek:Kimyasal çok kademeli dikey türbin pompası (6 kademeli, toplam basma yüksekliği 300 m, debi 200 m³/h):

● Eksenel kuvvet hesabı:

o İlk tasarım (tek emişli çark): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), 1.8×106N ile sonuçlanır.

o Çift emişli çarka geçildikten ve denge delikleri eklendikten sonra: Eksenel kuvvet 5×105N'ye düşürüldü, API 610 standartları karşılandı (≤1.5× nominal güç torku).

● Radyal yük simülasyonu:

o ANSYS Fluent CFD, optimize edilmemiş çarklarda yerel basınç tepe noktalarını (12 kN/m²'ye kadar) ortaya çıkardı. Kılavuz kanatçıkların tanıtılması tepe noktalarını %40 ve yatak sıcaklık artışını 15°C azalttı.

5. Temel Tasarım Kriterleri ve Hususları

● Eksenel kuvvet sınırları: Tipik olarak pompa mili çekme dayanımının ≤ %30'u, itme yatağı sıcaklığı ≤ 70°C.

● Pervane boşluğu kontrolü: 0.2-0.5 mm arasında tutulur (çok küçük olması sürtünmeye, çok büyük olması ise sızıntıya neden olur).

● Dinamik test: Tam hızda dengeleme testleri (G2.5 sınıfı), devreye almadan önce sistemin kararlılığını garanti eder.

Sonuç

Çok kademeli dikey türbin pompalarında eksenel ve radyal yükleri dengelemek, akışkan dinamiği, mekanik tasarım ve malzeme bilimini içeren karmaşık bir sistem mühendisliği sorunudur. Pervane geometrisini optimize etmek, dengeleme cihazlarını entegre etmek ve hassas üretim süreçleri pompa güvenilirliğini ve ömrünü önemli ölçüde artırır. Yapay zeka destekli sayısal simülasyonlar ve katkı maddesi üretimindeki gelecekteki gelişmeler, kişiselleştirilmiş pervane tasarımı ve dinamik yük optimizasyonunu daha da mümkün kılacaktır.

Not: Belirli uygulamalara (örneğin akışkan özellikleri, hız, sıcaklık) yönelik özelleştirilmiş tasarımlar API ve ISO gibi uluslararası standartlara uygun olmalıdır.