Jakie jest główne źródło siły osiowej w poziomej pompie odśrodkowej

Poziome pompy odśrodkowe są najczęściej stosowanymi urządzeniami do transportu płynów w procesach przemysłowych, a ich niezawodność eksploatacyjna bezpośrednio wpływa na efektywność produkcji. W tej dziedzinie zawodowej nacisk osiowy jest kluczowym parametrem konstrukcyjnym i operacyjnym. Zrozumienie mechanizmu wytwarzania ciągu osiowego i sposobu jego równoważenia ma kluczowe znaczenie przy doborze pompy, instalacji, rozwiązywaniu problemów i wydłużaniu żywotności łożysk i uszczelnień mechanicznych.

1. Podstawowe źródło siły osiowej: różnica ciśnień na wirniku

Podstawową przyczyną siły osiowej jest brak równowagi ciśnienia cieczy po obu stronach wirnika. Jest to główne i często największe źródło siły osiowej.

Najbardziej typowym przykładem jest jednostopniowy wirnik o pojedynczym ssaniu. Gdy pracuje pompa odśrodkowa:

Po stronie przedniej osłony wirnika (strona ssawna): Środkowy obszar wirnika to strefa niskiego ciśnienia, o ciśnieniu bliskim lub niższym od ciśnienia atmosferycznego (w zależności od NPSH).

Strona tylnej osłony wirnika (tył): Gdy ciecz wypływa z wirnika do spirali, część cieczy pod wysokim ciśnieniem przedostaje się lub przepływa z powrotem przez szczeliny w pierścieniach ślizgowych do tyłu wirnika. Ponadto wysokie ciśnienie na wylocie spiralnym wywiera również nacisk na tylną część wirnika. Dlatego średnie ciśnienie z tyłu wirnika jest zazwyczaj znacznie wyższe niż z przodu.

Ta różnica ciśnień pomiędzy przodem i tyłem wirnika, rzutowana na powierzchnię efektywną, wytwarza siłę reakcji skierowaną w stronę króćca ssawnego – siłę osiową. Wielkość tej siły jest bezpośrednio związana z głowicą pompy, średnicą wirnika i szczeliną pierścienia ścieralnego. Większa wysokość podnoszenia zwiększa różnicę ciśnień, a co za tym idzie, siłę osiową.

2. Efekt zmiany pędu w przejściu przepływu wirnika

Drugim ważnym źródłem siły osiowej jest siła reakcji na zmianę pędu, generowana, gdy płyn zmienia kierunek i prędkość w wewnętrznym kanale przepływu wirnika.

Gdy ciecz wpływa do wirnika przez króciec ssący, przepływ zmienia się z osiowego (równoległego do osi pompy) na promieniowy (prostopadły do ​​osi pompy). Zgodnie z drugim prawem Newtona, gdy płyn ulega zmianie kierunku w wirniku, nieuchronnie generuje siłę reakcji na wirniku. Składowa tej siły reakcji, działająca wzdłuż wału pompy, stanowi siłę osiową skierowaną w przeciwnym kierunku.

W większości konstrukcji wirników z pojedynczym ssaniem kierunek tej siły osiowej wywołanej pędem jest przeciwny do siły osiowej spowodowanej różnicą ciśnień, ale jej wielkość jest zazwyczaj mniejsza niż siła osiowa spowodowana różnicą ciśnień.

3. Wpływ uszczelnień wału i otworów wyważających: Lokalny rozkład ciśnienia

Konstrukcja i warunki pracy obszaru uszczelnienia wału wpływają również na lokalny rozkład sił osiowych.

Powierzchnia uszczelnienia mechanicznego/dławnicy: Na uszczelnieniu wału siła działająca na wał pompy jest sumą ciśnienia cieczy w komorze uszczelnienia i ciśnienia atmosferycznego. Jeśli ciśnienie w komorze uszczelnienia jest wysokie, wypycha wał na zewnątrz wzdłuż wału pompy.

Otwory równoważące: W przypadku wirników, które wykorzystują otwory wyważające do równoważenia sił osiowych, funkcją otworów wyważających jest skuteczne zmniejszanie ciśnienia za wirnikiem poprzez kierowanie cieczy pod wysokim ciśnieniem z tyłu wirnika z powrotem do króćca ssawnego lub obszaru niskiego ciśnienia. Konstrukcja średnicy i liczby otworów wyważających bezpośrednio określa stopień, w jakim eliminowana jest różnica ciśnień pomiędzy przednią i tylną powierzchnią wirnika.

4. Wirniki z podwójnym ssaniem i nieodłączna równowaga sił osiowych

Warto zauważyć, że w pompach odśrodkowych o podwójnym ssaniu wirniki są zaprojektowane z dwustronnie symetrycznym ssaniem.

Struktura symetryczna: Ciecz wpływa do środka wirnika jednocześnie i symetrycznie z obu stron.

Tłumienie mechaniczne: Oznacza to, że geometria ścieżki przepływu dwóch wirników jest całkowicie symetryczna, a rozkład ciśnienia po obu stronach jest również zasadniczo symetryczny. Podczas pracy siły osiowe generowane przez dwa wirniki są równe pod względem wielkości i przeciwne w kierunku, teoretycznie osiągając automatyczną równowagę sił osiowych. Jest to jedna z kluczowych zalet konstrukcyjnych pomp o podwójnym ssaniu, która umożliwia im pracę w warunkach dużego przepływu.

5. Znaczenie równoważenia sił osiowych i środków zaradczych

W konstrukcji pomp odśrodkowych kluczowe znaczenie ma eliminacja lub minimalizacja resztkowych sił osiowych. W przeciwnym razie nadmierne siły osiowe mogą prowadzić do:

Przeciążenie łożyska: Ciągłe siły osiowe powodują znaczne obciążenia łożyska wzdłużnego, przyspieszając zużycie i awarie. Jest to jeden z najczęstszych trybów awarii pomp odśrodkowych.

Uszkodzenie uszczelnienia mechanicznego: Ostre zmiany sił osiowych mogą spowodować nadmierne ściskanie lub oddzielanie obrotowych i nieruchomych pierścieni uszczelnienia mechanicznego, co może skutkować wyciekiem lub poważnym zużyciem.

Dlatego oprócz samorównoważącej się konstrukcji wirników z podwójnym ssaniem, w projektach inżynieryjnych często stosuje się następujące wyspecjalizowane mechanizmy w celu zrównoważenia sił osiowych:

Otwory równoważące i łopatki tylne: stosowane w pompach jednossących.

Tarcze/bębny równoważące: powszechnie stosowane wysokociśnieniowe urządzenia równoważące w pompach wielostopniowych.

Precyzyjne kontrolowanie sił osiowych poziomych pomp odśrodkowych i zapewnienie stabilności wału pompy to podstawowe wymagania techniczne zapewniające długoterminową, niezawodną pracę sprzętu.