Wat is axiale stuwkracht

Axiale stuwkracht, een kritische factor bij het ontwerp en de werking van centrifugaalpompen, verwijst naar de netto kracht die parallel aan de pompas werkt. Dit artikel gaat in op de oorzaken, gevolgen en beheerstrategieën voor axiale stuwkracht in centrifugaalpompen en biedt waardevolle inzichten voor zowel ingenieurs als pompgebruikers.

Belangrijkste componenten die bijdragen aan axiale stuwkracht

1. Axiale hydraulische krachten op de waaiermantels: De drukverdeling op de voor- en achtermantels van de waaier zorgt voor een axiale kracht.
2. Momentumkrachten door verandering in de axiale snelheid van de vloeistof: Terwijl de vloeistof in axiale richting versnelt of vertraagt, oefent deze een kracht uit op de waaier, wat bijdraagt aan de axiale stuwkracht.
3. Krachten van drukverschillen tussen afdichtingen en lagers: Drukonevenwichtigheden over asafdichtingen en lagers kunnen extra axiale krachten op de pomprotor genereren.
4. Gewicht rotorcomponenten (voor verticale pompen): In verticale pompconfiguraties draagt het gewicht van de rotorconstructie, inclusief de waaiers, as en andere componenten, bij aan de algehele axiale stuwkracht.

Vergelijking voor het berekenen van de axiale stuwkracht

De axiale stuwkracht (F) die op een centrifugaalpompwaaier inwerkt, kan worden berekend met behulp van de volgende vergelijking:

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

Waar:

• P1 en P2 zijn de drukken die respectievelijk op de voor- en achtermantels van de waaier inwerken
• A is het oppervlak van de waaiermantel
• ρ is de vloeistofdichtheid
• Q is het volumetrische debiet
• V1 en V2 zijn respectievelijk de axiale snelheden van de vloeistof bij de inlaat en uitlaat van de waaier

Deze vergelijking houdt rekening met zowel de drukkrachten als de momentumkrachten die in axiale richting op de waaier inwerken.

Oorzaken van axiale stuwkracht bij verschillende pompontwerpen

Eentrapspompen

In een enkelvoudige fase centrifugaalpompen, axiale stuwkracht ontstaat voornamelijk door het drukverschil tussen de voorste en achterste omhulsels van de waaier. De hogere druk aan de afvoerzijde van de waaier creëert een netto kracht die de waaier naar de aanzuigzijde duwt. Deze axiale stuwkracht kan worden beïnvloed door factoren zoals het ontwerp van de waaier, bedrijfsomstandigheden en speling van de slijtring.

Meertrapspompen

Meertraps centrifugaalpompen, die zijn voorzien van meerdere in serie geschakelde waaiers, worden geconfronteerd met extra uitdagingen bij het beheersen van de axiale stuwkracht. De druk neemt over elke fase toe, wat resulteert in een aanzienlijk hogere axiale kracht vergeleken met eentrapspompen. Bovendien introduceert de aanwezigheid van balanstrommels, balansschijven of balanszuigers, die worden gebruikt om de axiale stuwkracht tegen te gaan, extra complexiteit in het systeem.

Gevolgen van overmatige axiale stuwkracht

1. Overbelasting en voortijdig falen van druklagers: Hoge axiale krachten kunnen ervoor zorgen dat druklagers boven hun nominale capaciteit gaan werken, wat leidt tot versnelde slijtage en voortijdige uitval.
2. Overmatige asdoorbuiging en trilling: Ongebalanceerde axiale krachten kunnen ervoor zorgen dat de pompas doorbuigt, wat resulteert in verhoogde trillingsniveaus en een kortere levensduur van de lagers.
3. Versnelde slijtage van de interne spelingen van de pomp: Axiale stuwkracht kan contact veroorzaken tussen roterende en stationaire componenten, zoals slijtringen en balanstrommels, wat leidt tot versnelde slijtage en grotere spelingen.
4. Mechanische afdichting lekkage en falen: Overmatige axiale beweging van de pomprotor kan ertoe leiden dat mechanische afdichtingen gaan lekken of voortijdig defect raken.
5. Verminderde pompefficiëntie en betrouwbaarheid: De gecombineerde effecten van verhoogde trillingen, slijtage en schade aan componenten als gevolg van overmatige axiale stuwkracht kunnen de pompefficiëntie en algehele betrouwbaarheid aanzienlijk verminderen.

Methoden voor het balanceren en beheersen van axiale stuwkracht

1. Druklagers en hun maatvoering: Druklagers met de juiste maat en keuze, zoals hoekcontactkogellagers of kantellagers, kunnen de door de pomp gegenereerde axiale belastingen effectief ondersteunen. Er moet zorgvuldig rekening worden gehouden met het draagvermogen, het toerental en de smeringsvereisten van het lager.
2. Waaieropstellingen: Het gebruik van dubbele zuigwaaiers of rug-aan-rug-waaieropstellingen kan helpen bij het balanceren van de axiale krachten die op de pomprotor inwerken, waardoor de netto axiale stuwkracht wordt verminderd.
3. Balanceer trommels, schijven en zuigers: Deze apparaten, gemonteerd op de pompas, creëren een tegenwerkende axiale kracht door gebruik te maken van het drukverschil tussen de pompafvoer en de aanzuiging.
4. Balanceergaten en tegenvinnen op waaiers: Strategisch geplaatste gaten of tegenschoepen op de waaiermantels kunnen helpen de drukverdeling gelijk te maken, waardoor de netto axiale kracht die op de waaier inwerkt, wordt verminderd.
5. Automatische hydraulische balanceerapparaten: Zelfinstellende hydraulische balanceerapparaten, zoals het ITT Goulds Pumps “Balanced-Flow” -systeem, kunnen automatisch een optimale axiale stuwkrachtbalans handhaven onder variërende bedrijfsomstandigheden.
6. Effect van speling van de slijtring: Het handhaven van de juiste speling van de slijtringen is essentieel voor het beheersen van de axiale stuwkracht. Naarmate de speling van de slijtringen toeneemt als gevolg van normale slijtage, verandert de drukverdeling rond de waaier, waardoor mogelijk de axiale stuwkracht toeneemt.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen axiale en radiale druklagers?

Axiale (tuw)lagers zijn ontworpen om belastingen te ondersteunen die parallel aan de as van de as werken, terwijl radiale lagers belastingen ondersteunen die loodrecht op de as van de as werken.

Bij centrifugaalpompen worden axiale druklagers gebruikt om de axiale krachten tegen te gaan die worden gegenereerd door de pompwaaiers en de drukverdeling in het pomphuis. Radiale lagers ondersteunen het gewicht van de pomprotor en eventuele radiale krachten die voortkomen uit interacties tussen waaier en behuizing of een verkeerde uitlijning van de as.

Conclusie

Het begrijpen en effectief beheren van axiale stuwkracht is cruciaal voor het garanderen van de betrouwbare en efficiënte werking van centrifugaalpompen. Door rekening te houden met de verschillende factoren die bijdragen aan de axiale stuwkracht, zoals het ontwerp van de waaier, de pompconfiguratie en de bedrijfsomstandigheden, kunnen ingenieurs geschikte strategieën voor stuwkrachtbalancering ontwerpen en selecteren.

Regelmatige monitoring, onderhoud en naleving van operationele best practices kunnen de impact van axiale stuwkracht op de pompprestaties en levensduur verder helpen minimaliseren.