Aký je hlavný zdroj axiálnej sily v horizontálnom odstredivom čerpadle

Horizontálne odstredivé čerpadlá sú najbežnejšie používané zariadenia na dopravu tekutín v priemyselných procesoch a ich prevádzková spoľahlivosť priamo ovplyvňuje efektívnosť výroby. V tomto profesionálnom odbore je axiálny ťah zásadným konštrukčným a prevádzkovým parametrom. Pochopenie mechanizmu tvorby axiálneho ťahu a spôsobu vyváženia je rozhodujúce pre výber čerpadla, inštaláciu, riešenie problémov a predĺženie životnosti ložísk a mechanických tesnení.

1. Zdroj jadra axiálnej sily: Rozdiel tlaku v obežníku

Základnou príčinou axiálnej sily je nerovnováha tlaku tekutiny na oboch stranách obežného kolesa. Toto je primárny a často najväčší zdroj axiálnej sily.

Najtypickejším príkladom je jednostupňové jednotlivé obežné koleso. Keď je prevádzkované odstredivé čerpadlo:

Na strane prednej krytiny obežného plášťa (sacia strana): Stredná plocha obežného kolesa je nízkotlaková zóna, s tlakom blízko alebo pod atmosférickým tlakom (v závislosti od NPSH).

Strana zadnej krytiny obežného plášťa (dozadu): Keď tekutina tečie z obežného kolesa a do voluty, časť vysokotlakovej kvapaliny prenikne alebo preteká späť cez medzery v nosiacich krúžkoch do zadnej časti obežného kolesa. Ďalej vysoký tlak na výtoku volutu tiež vyvíja tlak na zadnú časť obežného kolesa. Preto je priemerný tlak na zadnej strane obežného kolesa zvyčajne oveľa vyšší ako vpredu.

Tento tlakový rozdiel medzi prednou a zadnou časťou obežného kolesa, ktorý sa premieta do efektívnej oblasti, vytvára reakčnú silu zameranú na sačný port - axiálnu silu. Rozsah tejto sily priamo súvisí s hlavou čerpadla, priemerom obežného kolesa a medzerou na nosení. Vyššia hlava zvyšuje rozdiel tlaku a následne axiálnu silu.

2. Účinok zmeny hybnosti pri priechode prietoku obežného kolesa

Druhým dôležitým zdrojom axiálnej sily je reakčná sila zmeny hybnosti generovaná, keď tekutina zmení smer a rýchlosť v priechode vnútorného prietoku obežného kolesa.

Keď kvapalina vstúpi do obehu z sacieho portu, prietok sa mení z axiálnych (rovnobežných s osou čerpadla) na radiálne (kolmo na osi čerpadla). Podľa Newtonovho druhého zákona, keď tekutina prechádza touto smerovou zmenou v obehu, nevyhnutne vytvára reakčnú silu na obežné koleso. Zložka tejto reakčnej sily, ktorá pôsobí pozdĺž hriadeľa čerpadla, predstavuje axiálnu silu v opačnom smere.

Vo väčšine konštrukcií obežného kolesa s jednou bunkou je smer tejto axiálnej sily indukovanej hybnosti oproti axiálnej sile spôsobenej tlakovým diferenciálom, ale jeho veľkosť je typicky menšia ako axiálna sila spôsobená tlakovým diferenciálom.

3. Vplyv tesnení hriadeľa a vyváženia otvorov: Distribúcia miestneho tlaku

Konštrukčné a prevádzkové podmienky oblasti tesnenia hriadeľa tiež ovplyvňujú distribúciu lokálnej axiálnej sily.

Mechanická oblasť tesnenia/vypchávky: Pri tesnení hriadeľa je sila pôsobiaca na hriadeľ čerpadla kombinovanou silou tlaku kvapaliny v tesnenej komore a atmosférickým tlakom. Ak je tlak v tesnenej komore vysoký, tlačí hriadeľ smerom von pozdĺž hriadeľa čerpadla.

Vyvážené otvory: Pre obežné kolesá, ktoré používajú vyvážené diery na vyváženie axiálnych síl, je funkciou vyvážených dier účinne znížiť tlak za obežníkom nasmerovaním vysokotlakovej kvapaliny na zadnej strane obežného kolesa späť do sacieho portu alebo nízkej tlakovej oblasti. Dizajn priemeru a čísla vyváženého otvoru priamo určuje stupeň, do akej miery je vylúčený rozdiel tlaku medzi prednými a zadnými povrchmi obežného kolesa.

4. Dvojité riadiace obežné kolesá a inherentná rovnováha axiálnych síl

Je potrebné poznamenať, že v odstredivých čerpadlách s dvojitou súpravou sú obežné kolesá navrhnuté s bilaterálne symetrickým saním.

Symetrická štruktúra: Kvapalina vstupuje do stredu obežného kolesa súčasne a symetricky z oboch strán.

Mechanické zrušenie: To znamená, že geometria prietokovej dráhy týchto dvoch obežníkov je úplne symetrická a distribúcia tlaku na oboch stranách je tiež v podstate symetrická. Počas prevádzky sú axiálne sily generované dvoma obežné kolesá rovnaké v rozsahu a opačný v smere, pričom teoreticky dosahujú automatickú vyváženie axiálnej sily. Toto je jedna z kľúčových štrukturálnych výhod čerpadiel s dvojitou bunkou, ktoré im umožňujú zvládnuť vysoké tokové podmienky.

5. Dôležitosť vyváženia a protiopatrení axiálnej sily

Pri konštrukcii odstredivého čerpadla je rozhodujúce elimináciu alebo minimalizácia zvyškových axiálnych síl. V opačnom prípade môžu nadmerné axiálne sily viesť k:

Preťaženie ložiska: Kontinuálne axiálne sily kladú významné zaťaženie na pružnom ložisku, zrýchlenie opotrebenia a zlyhania. Toto je jeden z najbežnejších režimov zlyhania v odstredivých čerpadlách.

Poškodenie mechanického tesnenia: Ostré zmeny v axiálnych silách môžu spôsobiť nadmernú kompresiu alebo oddelenie medzi rotujúcimi a stacionárnymi krúžkami mechanického tesnenia, čo má za následok únik alebo silné opotrebenie.

Preto sa okrem inžinierskeho návrhu na vyváženie axiálnych síl často používajú tieto špecializované mechanizmy, okrem inžinierskeho návrhu na vyváženie axiálnych síl:

Vyvážené otvory a zadné lopatky: používané v jednotlivých čerpadlách.

Vyvážené disky/bubny: bežne používané zariadenia na vyváženie vysokotlaku vo viacstupňových čerpadlách.

Presne ovládanie axiálnych síl horizontálnych odstredivých čerpadiel a zabezpečenie stability hriadeľa čerpadla sú základnými technickými požiadavkami na zabezpečenie dlhodobej a spoľahlivej prevádzky zariadenia.