1. Nguyên lý tạo lực trục và cân bằng

Lực dọc trục trong nhiều giai đoạn  máy bơm tuabin đứng  chủ yếu bao gồm hai thành phần:

● Thành phần lực ly tâm:Dòng chảy hướng tâm của chất lỏng do lực ly tâm tạo ra chênh lệch áp suất giữa nắp trước và nắp sau của cánh quạt, tạo ra lực dọc trục (thường hướng về phía cửa hút).

● Hiệu ứng chênh lệch áp suất:Sự chênh lệch áp suất tích lũy ở mỗi giai đoạn làm tăng thêm lực dọc trục.

Phương pháp cân bằng:

● Bố trí cánh quạt đối xứng:Sử dụng cánh quạt hút kép (chất lỏng đi vào từ cả hai phía) giúp giảm chênh lệch áp suất một chiều, giảm lực dọc trục xuống mức chấp nhận được (10%-30%).

● Thiết kế lỗ cân bằng:Các lỗ hướng tâm hoặc xiên ở nắp sau cánh quạt chuyển hướng chất lỏng áp suất cao trở lại cửa vào, cân bằng chênh lệch áp suất. Kích thước lỗ phải được tối ưu hóa thông qua tính toán động lực học chất lưu để tránh mất hiệu suất.

● Thiết kế lưỡi dao ngược:Việc thêm các cánh đảo ngược (ngược với các cánh chính) ở giai đoạn cuối cùng sẽ tạo ra lực ly tâm ngược để bù trừ tải trọng trục. Thường được sử dụng trong các máy bơm có cột áp cao (ví dụ: máy bơm tuabin đứng nhiều tầng).

2. Tạo và cân bằng tải hướng tâm

Tải trọng hướng tâm bắt nguồn từ lực quán tính trong quá trình quay, phân bố áp suất động của chất lỏng không đồng đều và mất cân bằng khối lượng rôto còn lại. Tải trọng hướng tâm tích tụ trong bơm nhiều tầng có thể gây ra tình trạng quá nhiệt ổ trục, rung động hoặc rôto không thẳng hàng.

Chiến lược cân bằng:

● Tối ưu hóa tính đối xứng của cánh quạt:

o Việc ghép lưỡi lẻ-chẵn (ví dụ: 5 lưỡi + 7 lưỡi) phân bổ lực hướng tâm đều.

o Cân bằng động đảm bảo trọng tâm của mỗi cánh quạt thẳng hàng với trục quay, giảm thiểu mất cân bằng còn lại.

● Gia cố kết cấu:

o Vỏ ổ trục trung gian cứng hạn chế chuyển dịch hướng kính.

o Vòng bi kết hợp (ví dụ, vòng bi bi chặn hai dãy + vòng bi con lăn trụ) xử lý tải trọng hướng trục và hướng kính riêng biệt.

● Bù thủy lực:

o Các cánh dẫn hướng hoặc buồng hồi lưu trong khe hở của cánh quạt giúp tối ưu hóa đường dẫn dòng chảy, giảm các dòng xoáy cục bộ và biến động lực hướng tâm.

3. Truyền tải trong cánh quạt nhiều tầng

Lực dọc trục tích tụ theo từng giai đoạn và phải được kiểm soát để ngăn ngừa sự tập trung ứng suất:

● Cân bằng theo từng giai đoạn:Việc lắp đặt đĩa cân bằng (ví dụ, trong máy bơm ly tâm nhiều tầng) sử dụng chênh lệch áp suất khe hở trục để tự động điều chỉnh lực dọc trục.

● Tối ưu hóa độ cứng:Trục bơm được làm bằng hợp kim cường độ cao (ví dụ: 42CrMo) và được xác nhận thông qua phân tích phần tử hữu hạn (FEA) về giới hạn độ lệch (thường là ≤ 0.1 mm/m).

4. Nghiên cứu trường hợp kỹ thuật và xác minh tính toán

Ví dụ:Máy bơm tuabin đứng nhiều tầng hóa chất (6 tầng, tổng cột áp 300 m, lưu lượng 200 m³/h):

● Tính toán lực dọc trục:

o Thiết kế ban đầu (cánh quạt hút đơn): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), kết quả là 1.8×106N.

o Sau khi chuyển đổi sang cánh quạt hút kép và thêm lỗ cân bằng: Lực dọc trục giảm xuống còn 5×105N, đạt tiêu chuẩn API 610 (≤1.5× mô-men xoắn định mức).

● Mô phỏng tải trọng hướng tâm:

o ANSYS Fluent CFD cho thấy các đỉnh áp suất cục bộ (lên đến 12 kN/m²) trong các cánh quạt chưa được tối ưu hóa. Việc đưa các cánh dẫn hướng vào đã làm giảm các đỉnh xuống 40% và nhiệt độ ổ trục tăng lên 15°C.

5. Tiêu chí thiết kế chính và những cân nhắc

● Giới hạn lực dọc trục: Thông thường ≤ 30% độ bền kéo của trục bơm, với nhiệt độ ổ trục đẩy ≤ 70°C.

● Kiểm soát khe hở cánh quạt: Duy trì trong khoảng 0.2-0.5 mm (quá nhỏ sẽ gây ma sát; quá lớn sẽ gây rò rỉ).

● Kiểm tra động: Kiểm tra cân bằng tốc độ đầy đủ (cấp G2.5) đảm bảo tính ổn định của hệ thống trước khi đưa vào vận hành.

Kết luận

Cân bằng tải trọng hướng trục và hướng tâm trong máy bơm tuabin đứng nhiều tầng là một thách thức kỹ thuật hệ thống phức tạp liên quan đến động lực học chất lưu, thiết kế cơ khí và khoa học vật liệu. Tối ưu hóa hình học cánh quạt, tích hợp các thiết bị cân bằng và quy trình sản xuất chính xác giúp tăng đáng kể độ tin cậy và tuổi thọ của máy bơm. Những tiến bộ trong tương lai trong mô phỏng số do AI điều khiển và sản xuất bồi đắp sẽ cho phép thiết kế cánh quạt được cá nhân hóa và tối ưu hóa tải trọng động.

Lưu ý: Thiết kế tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể (ví dụ: tính chất chất lỏng, tốc độ, nhiệt độ) phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như API và ISO.