Cos'è la spinta assiale

La spinta assiale, un fattore critico nella progettazione e nel funzionamento delle pompe centrifughe, si riferisce alla forza netta che agisce parallelamente all'albero della pompa. Questo articolo approfondisce le cause, le conseguenze e le strategie di gestione della spinta assiale nelle pompe centrifughe, fornendo preziosi spunti sia per gli ingegneri che per gli utenti delle pompe.

Componenti chiave che contribuiscono alla spinta assiale

1. Forze idrauliche assiali sulle protezioni della girante: La distribuzione della pressione sulle protezioni anteriore e posteriore della girante crea una forza assiale.
2. Forze di quantità di moto derivanti dalla variazione della velocità assiale del fluido: Quando il fluido accelera o decelera nella direzione assiale, esercita una forza sulla girante, contribuendo alla spinta assiale.
3. Forze derivanti dalle differenze di pressione tra guarnizioni e cuscinetti: Gli squilibri di pressione tra le guarnizioni dell'albero e i cuscinetti possono generare ulteriori forze assiali sul rotore della pompa.
4. Peso dei componenti del rotore (per pompe verticali): Nelle configurazioni della pompa verticale, il peso del gruppo rotore, comprese le giranti, l'albero e altri componenti, contribuisce alla spinta assiale complessiva.

Equazione per il calcolo della spinta assiale

La spinta assiale (F) agente sulla girante di una pompa centrifuga può essere calcolata utilizzando la seguente equazione:

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

Dove:

• P1 e P2 sono le pressioni che agiscono rispettivamente sulle protezioni anteriore e posteriore della girante
• A è l'area della copertura della girante
• ρ è la densità del fluido
• Q è la portata volumetrica
• V1 e V2 sono le velocità assiali del fluido rispettivamente all'ingresso e all'uscita della girante

Questa equazione tiene conto sia delle forze di pressione che delle forze di momento che agiscono sulla girante in direzione assiale.

Cause della spinta assiale in diversi modelli di pompe

Pompe monostadio

In fase singola pompe centrifughe, la spinta assiale deriva principalmente dalla differenza di pressione tra le coperture anteriore e posteriore della girante. La pressione più elevata sul lato di scarico della girante crea una forza netta che spinge la girante verso il lato di aspirazione. Questa spinta assiale può essere influenzata da fattori quali la progettazione della girante, le condizioni operative e i giochi degli anelli di usura.

Pompe multistadio

Le pompe centrifughe multistadio, che presentano più giranti disposte in serie, affrontano ulteriori sfide nella gestione della spinta assiale. La pressione aumenta in ogni composto dello stadio, determinando una forza assiale significativamente più elevata rispetto alle pompe a stadio singolo. Inoltre, la presenza di tamburi di bilanciamento, dischi di bilanciamento o pistoni di bilanciamento, utilizzati per contrastare la spinta assiale, introduce ulteriore complessità nel sistema.

Conseguenze di un'eccessiva spinta assiale

1. Sovraccarico e cedimento prematuro dei cuscinetti reggispinta: Forze assiali elevate possono far sì che i cuscinetti reggispinta funzionino oltre la loro capacità nominale, provocando un'usura accelerata e guasti prematuri.
2. Flessione eccessiva dell'albero e vibrazione: Forze assiali sbilanciate possono causare la flessione dell'albero della pompa, con conseguente aumento dei livelli di vibrazione e riduzione della durata dei cuscinetti.
3. Usura accelerata dei giochi interni della pompa: La spinta assiale può causare il contatto tra componenti rotanti e fissi, come anelli di usura e tamburi di bilanciamento, provocando un'usura accelerata e un aumento dei giochi.
4. Tenuta meccanica perdite e guasti: Un movimento assiale eccessivo del rotore della pompa può causare perdite o guasti prematuri delle tenute meccaniche.
5. Efficienza e affidabilità della pompa ridotte: Gli effetti combinati di maggiori vibrazioni, usura e danni ai componenti dovuti a un'eccessiva spinta assiale possono ridurre significativamente l'efficienza e l'affidabilità complessiva della pompa.

Metodi per bilanciare e controllare la spinta assiale

1. Cuscinetti reggispinta e loro dimensionamento: I cuscinetti reggispinta opportunamente dimensionati e selezionati, come i cuscinetti a sfere a contatto obliquo o i cuscinetti a pattino inclinabile, possono supportare efficacemente i carichi assiali generati dalla pompa. È necessario prestare particolare attenzione alla capacità di carico del cuscinetto, alla velocità nominale e ai requisiti di lubrificazione.
2. Disposizioni delle giranti: L'uso di giranti a doppia aspirazione o di disposizioni di giranti addossate può aiutare a bilanciare le forze assiali che agiscono sul rotore della pompa, riducendo la spinta assiale netta.
3. Bilanciare tamburi, dischi e pistoni: Questi dispositivi, montati sull'albero della pompa, creano una forza assiale contrastante sfruttando la differenza di pressione tra la mandata e l'aspirazione della pompa.
4. Fori di bilanciamento e contropalette sulle giranti: Fori o contropalette posizionati strategicamente sulle protezioni della girante possono aiutare a equalizzare la distribuzione della pressione, riducendo la forza assiale netta che agisce sulla girante.
5. Dispositivi di bilanciamento idraulico automatico: I dispositivi di bilanciamento idraulico autoregolanti, come il sistema “Balanced-Flow” di ITT Goulds Pumps, possono mantenere automaticamente un equilibrio ottimale della spinta assiale in condizioni operative variabili.
6. Effetto dei giochi degli anelli di usura: Il mantenimento del gioco corretto degli anelli di usura è essenziale per il controllo della spinta assiale. Quando il gioco degli anelli di usura aumenta a causa della normale usura, la distribuzione della pressione attorno alla girante cambia, aumentando potenzialmente la spinta assiale.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra cuscinetti assiali e radiali?

I cuscinetti assiali (reggispinta) sono progettati per supportare carichi che agiscono parallelamente all'asse dell'albero, mentre i cuscinetti radiali supportano carichi che agiscono perpendicolarmente all'asse dell'albero.

Nelle pompe centrifughe, i cuscinetti assiali vengono utilizzati per contrastare le forze assiali generate dalle giranti della pompa e la distribuzione della pressione all'interno del corpo della pompa. I cuscinetti radiali supportano il peso del rotore della pompa e qualsiasi forza radiale derivante dalle interazioni girante-alloggiamento o dal disallineamento dell'albero.

Conclusione

Comprendere e gestire in modo efficace la spinta assiale è fondamentale per garantire il funzionamento affidabile ed efficiente delle pompe centrifughe. Considerando i vari fattori che contribuiscono alla spinta assiale, come il design della girante, la configurazione della pompa e le condizioni operative, gli ingegneri possono progettare e selezionare strategie appropriate di bilanciamento della spinta.

Il monitoraggio regolare, la manutenzione e il rispetto delle migliori pratiche operative possono ulteriormente contribuire a ridurre al minimo l'impatto della spinta assiale sulle prestazioni e sulla longevità della pompa.