Wat is de belangrijkste bron van axiale kracht in een horizontale centrifugaalpomp

Horizontale centrifugaalpompen zijn de meest gebruikte apparatuur voor vloeistoftransport in industriële processen, en hun operationele betrouwbaarheid heeft een directe invloed op de productie-efficiëntie. In dit vakgebied is axiale stuwkracht een cruciale ontwerp- en bedieningsparameter. Het begrijpen van het mechanisme van de opwekking van axiale stuwkracht en hoe dit in evenwicht te brengen, is van cruciaal belang voor de pompselectie, installatie, probleemoplossing en verlenging van de levensduur van lagers en mechanische afdichtingen.

1. Kernbron van axiale kracht: drukverschil over de waaier

De fundamentele oorzaak van axiale kracht is de onbalans van de vloeistofdruk aan beide zijden van de waaier. Dit is de primaire en vaak de grootste bron van axiale kracht.

Een eentrapswaaier met enkele zuiging is het meest typische voorbeeld. Wanneer een centrifugaalpomp in werking is:

Aan de voorzijde van de waaier (aanzuigzijde): Het centrale gebied van de waaier is een lagedrukzone, met een druk dichtbij of onder de atmosferische druk (afhankelijk van de NPSH).

Achterzijde van de waaier (achterkant): Wanneer de vloeistof uit de waaier en in het slakkenhuis stroomt, zal een deel van de vloeistof onder hoge druk door de openingen in de slijtringen naar de achterkant van de waaier sijpelen of terugstromen. Bovendien oefent de hoge druk bij de slakkenhuisuitlaat ook druk uit op de achterkant van de waaier. Daarom is de gemiddelde druk aan de achterkant van de waaier doorgaans veel hoger dan aan de voorkant.

Dit drukverschil tussen de voor- en achterkant van de waaier, geprojecteerd op het effectieve gebied, creëert een reactiekracht die naar de zuigpoort is gericht: een axiale kracht. De grootte van deze kracht houdt rechtstreeks verband met de pompkop, de waaierdiameter en de slijtringopening. Een hogere opvoerhoogte vergroot het drukverschil en daarmee de axiale kracht.

2. Momentumveranderingseffect in de waaierstroompassage

Een tweede belangrijke bron van axiale kracht is de reactiekracht die wordt gegenereerd wanneer de vloeistof van richting en snelheid verandert binnen de interne stroomdoorgang van de waaier.

Wanneer vloeistof via de aanzuigpoort de waaier binnenkomt, verandert de stroom van axiaal (parallel aan de pompas) naar radiaal (loodrecht op de pompas). Volgens de tweede wet van Newton genereert de vloeistof, wanneer deze deze richtingsverandering binnen de waaier ondergaat, onvermijdelijk een reactiekracht op de waaier. De component van deze reactiekracht, die langs de pompas werkt, vormt een axiale kracht in de tegenovergestelde richting.

Bij de meeste waaierontwerpen met enkele zuigkracht is de richting van deze door momentum geïnduceerde axiale kracht tegengesteld aan de axiale kracht die wordt veroorzaakt door het drukverschil, maar de grootte ervan is doorgaans kleiner dan de axiale kracht die wordt veroorzaakt door het drukverschil.

3. Invloed van asafdichtingen en balanceergaten: lokale drukverdeling

Het ontwerp en de bedrijfsomstandigheden van het asafdichtingsgebied hebben ook invloed op de lokale axiale krachtverdeling.

Gebied mechanische afdichting/pakkingbus: Bij de asafdichting is de kracht die op de pompas inwerkt de gecombineerde kracht van de vloeistofdruk in de afdichtingskamer en de atmosferische druk. Als de druk in de afdichtingskamer hoog is, duwt deze de as langs de pompas naar buiten.

Balansgaten: Voor waaiers die balansgaten gebruiken om axiale krachten te balanceren, is de functie van de balansgaten het effectief verminderen van de druk achter de waaier door vloeistof onder hoge druk aan de achterkant van de waaier terug te leiden naar de aanzuigpoort of het lagedrukgebied. Het ontwerp van de diameter en het aantal van de balansgaten bepaalt rechtstreeks de mate waarin het drukverschil tussen de voor- en achteroppervlakken van de waaier wordt geëlimineerd.

4. Waaiers met dubbele zuigkracht en inherent evenwicht van axiale krachten

Het is vermeldenswaard dat bij dubbelzuigende centrifugaalpompen de waaiers zijn ontworpen met bilateraal symmetrische zuigkracht.

Symmetrische structuur: Vloeistof komt gelijktijdig en symmetrisch van beide kanten het midden van de waaier binnen.

Mechanische opheffing: Dit betekent dat de geometrie van het stroompad van de twee waaiers volledig symmetrisch is en dat de drukverdeling aan beide zijden ook in wezen symmetrisch is. Tijdens bedrijf zijn de door de twee waaiers gegenereerde axiale krachten even groot en tegengesteld in richting, waardoor theoretisch een automatische axiale krachtenbalans wordt bereikt. Dit is een van de belangrijkste structurele voordelen van dubbelzuigpompen, waardoor ze hoge debietomstandigheden aankunnen.

5. Het belang van evenwicht van de axiale krachten en tegenmaatregelen

Bij het ontwerpen van centrifugaalpompen is het elimineren of minimaliseren van resterende axiale krachten cruciaal. Anders kunnen overmatige axiale krachten leiden tot:

Overbelasting van lagers: Continue axiale krachten oefenen aanzienlijke belastingen uit op het druklager, waardoor slijtage en defecten worden versneld. Dit is een van de meest voorkomende faalwijzen bij centrifugaalpompen.

Schade aan mechanische afdichting: Scherpe veranderingen in axiale krachten kunnen overmatige compressie of scheiding tussen de roterende en stationaire ringen van de mechanische afdichting veroorzaken, wat kan leiden tot lekkage of ernstige slijtage.

Daarom worden, naast het zelfbalancerende ontwerp van waaiers met dubbele zuiging, de volgende gespecialiseerde mechanismen vaak gebruikt in technische ontwerpen om axiale krachten te balanceren:

Balansgaten en achterschoepen: gebruikt in enkelzuigerpompen.

Balansschijven/trommels: veelgebruikte hogedruk-balanceerapparaten in meertrapspompen.

Het nauwkeurig controleren van de axiale krachten van horizontale centrifugaalpompen en het garanderen van de stabiliteit van de pompas zijn technische kernvereisten voor het garanderen van een langdurige, betrouwbare werking van de apparatuur.