ما هو الدفع المحوري

يشير الدفع المحوري، وهو عامل حاسم في تصميم وتشغيل مضخة الطرد المركزي، إلى القوة الصافية التي تعمل بالتوازي مع عمود المضخة. تتعمق هذه المقالة في الأسباب والعواقب واستراتيجيات الإدارة للدفع المحوري في مضخات الطرد المركزي، مما يوفر رؤى قيمة للمهندسين ومستخدمي المضخة على حد سواء.

المكونات الرئيسية المساهمة في الدفع المحوري

1. القوى الهيدروليكية المحورية على أغطية المكره: توزيع الضغط على الأغطية الأمامية والخلفية للمكره يخلق قوة محورية.
2. قوى الزخم الناتجة عن التغير في السرعة المحورية للمائع: عندما يتسارع السائل أو يتباطأ في الاتجاه المحوري، فإنه يؤثر بقوة على المكره، مما يساهم في الدفع المحوري.
3. القوى الناتجة عن اختلافات الضغط عبر الأختام والمحامل: يمكن أن تؤدي اختلالات الضغط عبر أختام العمود والمحامل إلى توليد قوى محورية إضافية على دوار المضخة.
4. وزن مكونات الدوار (للمضخات العمودية): في تكوينات المضخة العمودية، يساهم وزن مجموعة الدوار، بما في ذلك الدفاعات والعمود والمكونات الأخرى، في الدفع المحوري الإجمالي.

معادلة لحساب الدفع المحوري

يمكن حساب الدفع المحوري (F) المؤثر على دافعة مضخة الطرد المركزي باستخدام المعادلة التالية:

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

أين:

• P1 وP2 هما الضغطان المؤثران على الأغطية الأمامية والخلفية للمكره، على التوالي
• A هي مساحة كفن المكره
• ρ هي كثافة السائل
• Q هو معدل التدفق الحجمي
• V1 وV2 هما السرعتان المحوريتان للسائل عند مدخل ومخرج المكره، على التوالي

تمثل هذه المعادلة كلا من قوى الضغط وقوى الزخم المؤثرة على المكره في الاتجاه المحوري.

أسباب الدفع المحوري في تصاميم المضخات المختلفة

مضخات مرحلة واحدة

في مضخات الطرد المركزي أحادية المرحلة، ينشأ الدفع المحوري في المقام الأول من فرق الضغط بين الأغطية الأمامية والخلفية للمكره. يؤدي الضغط العالي على جانب التفريغ للمكره إلى إنشاء قوة صافية تدفع المكره نحو جانب الشفط. يمكن أن يتأثر هذا الدفع المحوري بعوامل مثل تصميم المكره، وظروف التشغيل، وخلوص حلقة التآكل.

مضخات متعددة المراحل

تواجه مضخات الطرد المركزي متعددة المراحل، والتي تتميز بدفاعات متعددة مرتبة في سلسلة، تحديات إضافية في إدارة الدفع المحوري. يزداد الضغط عبر كل مركب مرحلة، مما يؤدي إلى قوة محورية أعلى بكثير مقارنة بالمضخات أحادية المرحلة. بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود أسطوانات التوازن أو أقراص التوازن أو مكابس التوازن، والتي تستخدم لمواجهة الدفع المحوري، يؤدي إلى تعقيد إضافي للنظام.

عواقب الدفع المحوري المفرط

1. الحمولة الزائدة والفشل المبكر لمحامل الدفع: يمكن أن تتسبب القوى المحورية العالية في عمل محامل الدفع بما يتجاوز قدرتها المقدرة، مما يؤدي إلى التآكل المتسارع والفشل المبكر.
2. الإفراط في انحراف العمود والاهتزاز: يمكن أن تتسبب القوى المحورية غير المتوازنة في انحراف عمود المضخة، مما يؤدي إلى زيادة مستويات الاهتزاز وتقليل عمر المحمل.
3. التآكل المتسارع للخلوصات الداخلية للمضخة: يمكن أن يتسبب الدفع المحوري في حدوث تلامس بين المكونات الدوارة والثابتة، مثل حلقات التآكل وأسطوانات التوازن، مما يؤدي إلى تآكل سريع وزيادة الخلوصات.
4. تسرب الختم الميكانيكي والفشل: يمكن أن تؤدي الحركة المحورية المفرطة لدوار المضخة إلى تسرب الأختام الميكانيكية أو فشلها قبل الأوان.
5. انخفاض كفاءة المضخة وموثوقيتها: يمكن أن تؤدي التأثيرات المجمعة لزيادة الاهتزاز والتآكل وتلف المكونات بسبب الدفع المحوري المفرط إلى تقليل كفاءة المضخة والموثوقية بشكل كبير.

طرق لتحقيق التوازن والتحكم في الدفع المحوري

1. محامل الدفع وتحجيمها: يمكن لمحامل الدفع ذات الحجم المناسب والمختارة، مثل محامل كروية التلامس الزاوي أو محامل الوسادة المائلة، أن تدعم الأحمال المحورية التي تولدها المضخة بشكل فعال. يجب النظر بعناية في سعة تحميل المحمل ومعدل السرعة ومتطلبات التشحيم.
2. ترتيبات المكره: يمكن أن يساعد استخدام دافعات الشفط المزدوجة أو ترتيبات الدفاعة المتتالية في موازنة القوى المحورية المؤثرة على دوار المضخة، مما يقلل من صافي الدفع المحوري.
3. توازن الطبول والأقراص والمكابس: تعمل هذه الأجهزة المثبتة على عمود المضخة على إنشاء قوة محورية ذات تأثير مضاد من خلال الاستفادة من فرق الضغط بين تفريغ المضخة والشفط.
4. موازنة الثقوب والدوارات المضادة على الدفاعات: يمكن للثقوب أو الريش المضادة الموضوعة بشكل استراتيجي على أغطية المكره أن تساعد في معادلة توزيع الضغط، مما يقلل من صافي القوة المحورية المؤثرة على المكره.
5. أجهزة الموازنة الهيدروليكية الأوتوماتيكية: يمكن لأجهزة التوازن الهيدروليكي ذاتية الضبط، مثل نظام "التدفق المتوازن" لمضخات ITT Goulds، أن تحافظ تلقائيًا على توازن الدفع المحوري الأمثل في ظل ظروف التشغيل المختلفة.
6. تأثير خلوص حلقة التآكل: يعد الحفاظ على خلوص حلقة التآكل المناسبة أمرًا ضروريًا للتحكم في الدفع المحوري. مع زيادة خلوص حلقة التآكل بسبب التآكل الطبيعي، يتغير توزيع الضغط حول المكره، مما قد يؤدي إلى زيادة الدفع المحوري.

الأسئلة الشائعة

ما هو الفرق بين محامل الدفع المحورية والشعاعية؟

تم تصميم المحامل المحورية (الدفعية) لدعم الأحمال التي تعمل بالتوازي مع محور العمود، بينما تدعم المحامل الشعاعية الأحمال التي تعمل بشكل عمودي على محور العمود.

في مضخات الطرد المركزي، يتم استخدام محامل الدفع المحورية لمواجهة القوى المحورية الناتجة عن دافعات المضخة وتوزيع الضغط داخل غلاف المضخة. تدعم المحامل الشعاعية وزن دوار المضخة وأي قوى شعاعية تنشأ عن تفاعلات غلاف المكره أو اختلال العمود.

خاتمة

يعد فهم الدفع المحوري وإدارته بشكل فعال أمرًا بالغ الأهمية لضمان التشغيل الموثوق والفعال لمضخات الطرد المركزي. من خلال النظر في العوامل المختلفة التي تساهم في الدفع المحوري، مثل تصميم المكره، وتكوين المضخة، وظروف التشغيل، يمكن للمهندسين تصميم واختيار استراتيجيات موازنة الدفع المناسبة.

يمكن أن تساعد المراقبة المنتظمة والصيانة والالتزام بأفضل الممارسات التشغيلية في تقليل تأثير الدفع المحوري على أداء المضخة وطول عمرها.