1. หลักการสร้างและปรับสมดุลแรงตามแนวแกน

แรงตามแนวแกนในหลายขั้นตอน  ปั๊มกังหันแนวตั้ง  ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสองส่วน:

● ส่วนประกอบแรงเหวี่ยง:การไหลในแนวรัศมีของของเหลวเนื่องจากแรงเหวี่ยงทำให้เกิดความแตกต่างของแรงดันระหว่างฝาด้านหน้าและด้านหลังของใบพัด ส่งผลให้เกิดแรงตามแนวแกน (โดยทั่วไปจะมุ่งไปที่ทางเข้าดูด)

● ผลกระทบจากความแตกต่างของความดัน:ความแตกต่างของแรงดันสะสมระหว่างแต่ละขั้นตอนทำให้แรงตามแนวแกนเพิ่มขึ้นอีก

วิธีการสร้างสมดุล:

● การจัดเรียงใบพัดแบบสมมาตร:การใช้ใบพัดดูดคู่ (ของเหลวเข้ามาจากทั้งสองด้าน) ช่วยลดความแตกต่างของแรงดันในทิศทางเดียว ทำให้แรงตามแนวแกนลดลงเหลือระดับที่ยอมรับได้ (10%-30%)

● การออกแบบรูสมดุล:รูแนวรัศมีหรือแนวเฉียงในฝาครอบด้านหลังของใบพัดช่วยเปลี่ยนทิศทางของของเหลวที่มีแรงดันสูงกลับไปยังทางเข้า โดยรักษาความแตกต่างของแรงดันให้สมดุล ขนาดรูต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยใช้การคำนวณพลศาสตร์ของไหลเพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียประสิทธิภาพ

● การออกแบบใบมีดแบบกลับด้าน:การเพิ่มใบพัดแบบย้อนกลับ (ตรงข้ามกับใบพัดหลัก) ในขั้นตอนสุดท้ายจะสร้างแรงเหวี่ยงสวนทางเพื่อชดเชยภาระแนวแกน มักใช้ในปั๊มแรงดันสูง (เช่น ปั๊มกังหันแนวตั้งหลายชั้น)

2. การสร้างและปรับสมดุลโหลดแบบเรเดียล

แรงรัศมีเกิดจากแรงเฉื่อยระหว่างการหมุน การกระจายแรงดันแบบไดนามิกของของเหลวที่ไม่สม่ำเสมอ และความไม่สมดุลที่เหลือในมวลโรเตอร์ แรงรัศมีที่สะสมในปั๊มหลายขั้นตอนอาจทำให้ลูกปืนร้อนเกินไป สั่นสะเทือน หรือโรเตอร์ไม่ตรงแนว

กลยุทธ์การสร้างสมดุล:

● การเพิ่มประสิทธิภาพสมมาตรของใบพัด:

การจับคู่ใบมีดคู่-คี่ (เช่น ใบมีด 5 ใบ + ใบมีด 7 ใบ) ช่วยกระจายแรงในแนวรัศมีอย่างสม่ำเสมอ

o การปรับสมดุลแบบไดนามิกช่วยให้แน่ใจว่าจุดศูนย์กลางของใบพัดแต่ละอันจะอยู่ในแนวเดียวกับแกนหมุน ซึ่งจะช่วยลดความไม่สมดุลที่เหลือให้เหลือน้อยที่สุด

● การเสริมความแข็งแรงโครงสร้าง:

o โครงตลับลูกปืนกลางแบบแข็งช่วยจำกัดการเคลื่อนที่ในแนวรัศมี

o ตลับลูกปืนรวม (เช่น ตลับลูกปืนกันรุนสองแถว + ตลับลูกปืนลูกกลิ้งทรงกระบอก) ทำหน้าที่รับภาระแนวแกนและแนวรัศมีแยกจากกัน

● การชดเชยไฮดรอลิก:

o ใบพัดนำทางหรือห้องส่งคืนในระยะห่างของใบพัดจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางการไหล ลดกระแสน้ำวนในพื้นที่และความผันผวนของแรงในแนวรัศมี

3. การส่งโหลดในใบพัดหลายชั้น

แรงตามแนวแกนจะสะสมเป็นระยะๆ และจะต้องได้รับการจัดการเพื่อป้องกันการรวมตัวของความเครียด:

● การปรับสมดุลตามขั้นตอน:การติดตั้งดิสก์สมดุล (เช่น ในปั๊มหอยโข่งหลายชั้น) จะใช้ความแตกต่างของแรงดันช่องว่างตามแนวแกนเพื่อปรับแรงตามแนวแกนโดยอัตโนมัติ

● การเพิ่มประสิทธิภาพความแข็ง:เพลาปั๊มทำจากโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูง (เช่น 42CrMo) และผ่านการตรวจสอบผ่านการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ (FEA) สำหรับขีดจำกัดการโก่งตัว (โดยทั่วไป ≤ 0.1 มม./ม.)

4. การศึกษาตัวอย่างทางวิศวกรรมและการตรวจสอบการคำนวณ

ตัวอย่าง:ปั๊มกังหันแนวตั้งหลายขั้นตอนแบบเคมี (6 ขั้นตอน แรงดันรวม 300 ม. อัตราการไหล 200 ม³/ชม.):

● การคำนวณแรงตามแนวแกน:

การออกแบบเบื้องต้น (ใบพัดดูดเดี่ยว): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5) ส่งผลให้ได้ 1.8×106N

o หลังจากแปลงเป็นใบพัดดูดคู่และเพิ่มรูสมดุล: แรงตามแนวแกนลดลงเหลือ 5×105N ตรงตามมาตรฐาน API 610 (แรงบิดกำลังที่กำหนด ≤1.5×)

● การจำลองการโหลดแบบเรเดียล:

o ANSYS Fluent CFD เผยให้เห็นค่าพีคของแรงดันในพื้นที่ (สูงถึง 12 kN/m²) ในใบพัดที่ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสม การนำใบพัดนำทางมาใช้ช่วยลดค่าพีคได้ 40% และอุณหภูมิของตลับลูกปืนเพิ่มขึ้น 15°C

5. เกณฑ์และข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ

● ข้อจำกัดแรงตามแนวแกน: โดยทั่วไป ≤ 30% ของความแข็งแรงแรงดึงของเพลาปั๊ม โดยอุณหภูมิของลูกปืนแรงขับ ≤ 70°C

● การควบคุมระยะห่างใบพัด: รักษาระยะห่างระหว่าง 0.2-0.5 มม. (ระยะห่างน้อยเกินไปจะทำให้เกิดแรงเสียดทาน ระยะห่างมากเกินไปจะทำให้เกิดการรั่วไหล)

● การทดสอบแบบไดนามิก: การทดสอบสมดุลความเร็วเต็มรูปแบบ (เกรด G2.5) ช่วยให้มั่นใจถึงความเสถียรของระบบก่อนการทดสอบ

สรุป

การปรับสมดุลของแรงตามแนวแกนและแนวรัศมีในปั๊มกังหันแนวตั้งหลายชั้นเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมระบบที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับพลศาสตร์ของไหล การออกแบบเชิงกล และวิทยาศาสตร์วัสดุ การปรับปรุงรูปทรงของใบพัด การผสานรวมอุปกรณ์ปรับสมดุล และกระบวนการผลิตที่แม่นยำจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานของปั๊มได้อย่างมาก ความก้าวหน้าในอนาคตในการจำลองเชิงตัวเลขที่ขับเคลื่อนด้วย AI และการผลิตแบบเติมแต่งจะช่วยให้สามารถออกแบบใบพัดแบบเฉพาะบุคคลและเพิ่มประสิทธิภาพการรับน้ำหนักแบบไดนามิกได้มากขึ้น

หมายเหตุ: การออกแบบที่กำหนดเองสำหรับการใช้งานเฉพาะ (เช่น คุณสมบัติของไหล ความเร็ว อุณหภูมิ) จะต้องเป็นไปตามมาตรฐานสากล เช่น API และ ISO