1. Генерація осьової сили та принципи балансування

Осьові сили вбагатоступінчатих  вертикальні турбінні насоси  в основному складаються з двох компонентів:

● Складова відцентрової сили:Радіальний потік рідини завдяки відцентровій силі створює різницю тиску між передньою та задньою кришками робочого колеса, що призводить до осьової сили (зазвичай спрямованої до входу всмоктування).

● Ефект перепаду тиску:Сукупна різниця тиску на кожному ступені ще більше збільшує осьову силу.

Методи балансування:

● Симетричне розташування робочого колеса:Використання робочих коліс подвійного всмоктування (рідина надходить з обох сторін) зменшує односпрямований перепад тиску, знижуючи осьову силу до прийнятного рівня (10%-30%).

● Дизайн отвору балансу:Радіальні або косі отвори в задній кришці робочого колеса перенаправляють рідину під високим тиском назад до входу, врівноважуючи різницю тиску. Розмір отвору необхідно оптимізувати за допомогою розрахунків гідродинаміки, щоб уникнути втрати ефективності.

● Дизайн зворотного леза:Додавання зворотних лопатей (протилежних до основних лопатей) на останньому етапі генерує протицентрову силу для компенсації осьових навантажень. Зазвичай використовується в насосах з високим напором (наприклад, багатоступінчастих вертикальних турбінних насосах).

2. Створення та балансування радіального навантаження

Радіальні навантаження походять від сил інерції під час обертання, нерівномірного розподілу динамічного тиску рідини та залишкового дисбалансу маси ротора. Накопичені радіальні навантаження в багатоступінчастих насосах можуть спричинити перегрів підшипників, вібрацію або зміщення ротора.

Стратегії балансування:

● Оптимізація симетрії робочого колеса:

o Узгодження парних і непарних лопатей (наприклад, 5 лопатей + 7 лопатей) рівномірно розподіляє радіальні сили.

o Динамічне балансування гарантує, що центр тяги кожного робочого колеса вирівнюється з віссю обертання, мінімізуючи залишковий дисбаланс.

● Конструкційне посилення:

o Жорсткі корпуси проміжних підшипників обмежують радіальне зміщення.

o Комбіновані підшипники (наприклад, дворядні упорні кулькові підшипники + циліндричні роликові підшипники) витримують осьові та радіальні навантаження окремо.

● Гідравлічна компенсація:

o Напрямні лопатки або зворотні камери в зазорах робочого колеса оптимізують шляхи потоку, зменшуючи локальні завихрення та радіальні коливання сили.

3. Передача навантаження в багатоступінчастих робочих колесах

Осьові сили накопичуються поетапно, і ними необхідно керувати, щоб запобігти концентрації напруг:

● Поетапне балансування:Встановлення балансувального диска (наприклад, у багатоступінчастих відцентрових насосах) використовує різницю тиску осьового зазору для автоматичного регулювання осьових сил.

● Оптимізація жорсткості:Вали насосів виготовлені з високоміцних сплавів (наприклад, 42CrMo) і перевірені за допомогою аналізу кінцевих елементів (FEA) на межі прогину (зазвичай ≤ 0.1 мм/м).

4. Технічне дослідження та перевірка розрахунків

приклад:Хімічний багатоступінчастий вертикальний турбінний насос (6 ступенів, загальний напір 300 м, витрата 200 м³/год):

● Розрахунок осьової сили:

o Початкова конструкція (робоче колесо з одним всмоктуванням): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), що призводить до 1.8×106Н.

o Після переходу на робоче колесо з подвійним всмоктуванням і додавання балансувальних отворів: осьове зусилля зменшено до 5 × 105 Н, що відповідає стандартам API 610 (≤1.5 × номінальний крутний момент).

● Моделювання радіального навантаження:

o ANSYS Fluent CFD виявив локальні піки тиску (до 12 кН/м²) у неоптимізованих робочих колесах. Запровадження напрямних лопаток зменшило піки на 40% і підвищення температури підшипників на 15°C.

5. Основні критерії та міркування проектування

● Обмеження осьового зусилля: зазвичай ≤ 30% міцності на розтяг вала насоса з температурою упорного підшипника ≤ 70°C.

● Контроль зазору робочого колеса: підтримується в межах 0.2-0.5 мм (занадто малий спричиняє тертя; надто великий призводить до витоку).

● Динамічне тестування: тести балансування на повній швидкості (клас G2.5) забезпечують стабільність системи перед введенням в експлуатацію.

Висновок

Балансування осьових і радіальних навантажень у багатоступеневих вертикальних турбінних насосах є складною системною інженерною проблемою, що включає динаміку рідин, механічне проектування та матеріалознавство. Оптимізація геометрії робочого колеса, інтеграція балансувальних пристроїв і точні виробничі процеси значно підвищують надійність і термін служби насоса. Майбутні досягнення в числовому моделюванні на основі штучного інтелекту та адитивному виробництві ще більше забезпечать персоналізовану конструкцію робочого колеса та оптимізацію динамічного навантаження.

Примітка. Спеціальна конструкція для конкретних застосувань (наприклад, властивості рідини, швидкість, температура) має відповідати міжнародним стандартам, таким як API та ISO.