1. Визначення та основні впливи зазору робочого колеса

Зазор між робочим колесом означає радіальний зазор між робочим колесом і корпусом насоса (або кільцем направляючої лопатки), який зазвичай становить від 0.2 мм до 0.5 мм. Цей розрив істотно впливає на продуктивність  багатоступінчасті вертикальні турбінні насоси у двох основних аспектах:

● Гідравлічні втрати: надмірні зазори збільшують потік витоку, знижуючи об'ємну ефективність; надмірно малі зазори можуть спричинити тертя або кавітацію.

● Характеристики потоку: розмір зазору безпосередньо впливає на рівномірність потоку на виході з робочого колеса, тим самим впливаючи на криві напору та ефективності.

2. Теоретичні основи оптимізації зазору робочого колеса

2.1 Підвищення об’ємної ефективності

Об'ємний ККД (ηₛ) визначається як відношення фактичної вихідної витрати до теоретичної:

ηₛ = 1 − QQвитік

де Qleak – потік витоку, спричинений зазором робочого колеса. Оптимізація зазору значно зменшує витік. Наприклад:

● Зменшення зазору з 0.3 мм до 0.2 мм зменшує витік на 15–20%.

● У багатоступінчастих насосах кумулятивна оптимізація між ступенями може підвищити загальну ефективність на 5–10%.

2.2 Зменшення гідравлічних втрат

Оптимізація зазору покращує рівномірність потоку на виході з робочого колеса, зменшуючи турбулентність і таким чином мінімізуючи втрати напору. наприклад:

● CFD моделювання показує, що зменшення зазору з 0.4 мм до 0.25 мм знижує турбулентну кінетичну енергію на 30%, що відповідає зменшенню споживання енергії на валу на 4–6%.

2.3 Покращення ефективності кавітації

Великі зазори посилюють пульсації тиску на вході, збільшуючи ризик кавітації. Оптимізація зазору стабілізує потік і підвищує запас NPSHr (чиста позитивна висота всмоктування), що особливо ефективно в умовах низького потоку.

3. Експериментальна перевірка та інженерні випадки

3.1 Дані лабораторних досліджень

Науково-дослідний інститут провів порівняльні випробування на a багатоступінчастий вертикальний турбінний насос (параметри: 2950 об/хв, 100 м³/год, напір 200 м).

3.2 Приклади промислового застосування

● Модернізація нафтохімічного циркуляційного насоса: нафтопереробний завод зменшив зазор між робочим колесом з 0.4 мм до 0.28 мм, досягнувши щорічної економії енергії 120 кВт·год і 8% зниження експлуатаційних витрат.

● Оптимізація насоса для нагнітання морської платформи: за допомогою лазерної інтерферометрії для контролю зазору (±0.02 мм) об’ємна ефективність насоса покращилася з 81% до 89%, вирішуючи проблеми вібрації, спричинені надмірними зазорами.

4. Методи оптимізації та етапи реалізації

4.1 Математична модель для оптимізації розривів

На основі законів подібності відцентрових насосів і поправкових коефіцієнтів залежність між зазором і ККД виглядає так:

η = η₀(1 − k·δD)

де δ — величина зазору, D — діаметр робочого колеса, а k — емпіричний коефіцієнт (зазвичай 0.1–0.3).

4.2 Ключові технології впровадження

●Точність виробництва: Верстати з ЧПК та шліфувальні інструменти досягають мікрометрової точності (IT7–IT8) для робочих коліс і корпусів.

●Вимірювання на місці: Інструменти лазерного вирівнювання та ультразвукові товщиноміри контролюють зазори під час складання, щоб уникнути відхилень.

● Динамічне налаштування: Для високотемпературних або корозійних середовищ використовуються змінні ущільнювальні кільця з тонким налаштуванням на болтах.

4.3 Міркування

● Баланс тертя та зносу: Занижені зазори збільшують механічний знос; твердість матеріалу (наприклад, Cr12MoV для крильчаток, HT250 для корпусів) і умови експлуатації повинні бути збалансовані.

● Компенсація теплового розширення: Зарезервовані зазори (0.03–0.05 мм) необхідні для високотемпературних застосувань (наприклад, насоси для гарячого масла).

5. Майбутні тенденції

●Цифровий дизайн: Алгоритми оптимізації на основі ШІ (наприклад, генетичні алгоритми) швидко визначать оптимальні прогалини.

●Виробництво добавок: Металевий 3D-друк дозволяє створювати інтегровані конструкції робочого колеса та корпусу, зменшуючи помилки при складанні.

●Розумний моніторинг: Волоконно-оптичні датчики в парі з цифровими близнюками дозволять відстежувати розрив у реальному часі та прогнозувати погіршення продуктивності.

Висновок

Оптимізація зазору робочого колеса є одним із найбільш прямих методів підвищення ефективності багатоступінчастого вертикального турбінного насоса. Поєднання точного виробництва, динамічного регулювання та інтелектуального моніторингу може досягти підвищення ефективності на 5–15%, зменшити споживання енергії та знизити витрати на обслуговування. З удосконаленням у виробництві та аналітиці оптимізація зазорів розвиватиметься в бік вищої точності та інтелекту, ставши основною технологією для модернізації енергопостачання насосів.

Примітка: Практичні інженерні рішення повинні інтегрувати властивості середовища, умови експлуатації та обмеження вартості, підтверджені аналізом вартості життєвого циклу (LCC).