O que é impulso axial

O empuxo axial, um fator crítico no projeto e operação da bomba centrífuga, refere-se à força resultante que atua paralelamente ao eixo da bomba. Este artigo investiga as causas, consequências e estratégias de gerenciamento do empuxo axial em bombas centrífugas, fornecendo informações valiosas para engenheiros e usuários de bombas.

Principais componentes que contribuem para o impulso axial

1. Forças hidráulicas axiais nas coberturas do impulsor: A distribuição de pressão nas coberturas dianteira e traseira do impulsor cria uma força axial.
2. Forças de momento decorrentes da mudança na velocidade axial do fluido: À medida que o fluido acelera ou desacelera na direção axial, ele exerce uma força no impulsor, contribuindo para o empuxo axial.
3. Forças provenientes de diferenças de pressão entre vedações e rolamentos: Os desequilíbrios de pressão nas vedações do eixo e nos rolamentos podem gerar forças axiais adicionais no rotor da bomba.
4. Peso dos componentes do rotor (para bombas verticais): Em configurações de bombas verticais, o peso do conjunto do rotor, incluindo os impulsores, o eixo e outros componentes, contribui para o empuxo axial geral.

Equação para calcular o empuxo axial

O empuxo axial (F) atuando no impulsor de uma bomba centrífuga pode ser calculado usando a seguinte equação:

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

Onde:

• P1 e P2 são as pressões que atuam nas coberturas dianteira e traseira do impulsor, respectivamente
• A é a área da cobertura do impulsor
• ρ é a densidade do fluido
• Q é a vazão volumétrica
• V1 e V2 são as velocidades axiais do fluido na entrada e na saída do impulsor, respectivamente

Esta equação leva em conta tanto as forças de pressão quanto as forças de momento que atuam no impulsor na direção axial.

Causas do impulso axial em diferentes projetos de bombas

Bombas de estágio único

Em bombas centrífugas de estágio único, o empuxo axial surge principalmente da diferença de pressão entre as coberturas dianteira e traseira do impulsor. A pressão mais elevada no lado de descarga do impulsor cria uma força resultante que empurra o impulsor em direção ao lado de sucção. Este impulso axial pode ser influenciado por fatores como projeto do impulsor, condições de operação e folgas do anel de desgaste.

Bombas Multiestágios

As bombas centrífugas multiestágio, que apresentam múltiplos impulsores dispostos em série, enfrentam desafios adicionais no gerenciamento do empuxo axial. A pressão aumenta em cada composto de estágio, resultando em uma força axial significativamente maior em comparação com bombas de estágio único. Além disso, a presença de tambores de equilíbrio, discos de equilíbrio ou pistões de equilíbrio, que são usados para neutralizar o empuxo axial, introduz complexidade adicional ao sistema.

Consequências do impulso axial excessivo

1. Sobrecarga e falha prematura dos rolamentos axiais: Forças axiais elevadas podem fazer com que os rolamentos axiais operem além de sua capacidade nominal, levando a desgaste acelerado e falha prematura.
2. Deflexão e vibração excessivas do eixo: Forças axiais desequilibradas podem fazer com que o eixo da bomba desvie, resultando em aumento dos níveis de vibração e redução da vida útil do rolamento.
3. Desgaste acelerado das folgas internas da bomba: O impulso axial pode causar contato entre componentes rotativos e estacionários, como anéis de desgaste e tambores de equilíbrio, levando a desgaste acelerado e folgas maiores.
4. Vazamento e falha do selo mecânico: O movimento axial excessivo do rotor da bomba pode causar vazamento ou falha prematura das vedações mecânicas.
5. Eficiência e confiabilidade reduzidas da bomba: Os efeitos combinados de aumento de vibração, desgaste e danos aos componentes devido ao empuxo axial excessivo podem reduzir significativamente a eficiência da bomba e a confiabilidade geral.

Métodos para balancear e controlar o empuxo axial

1. Rolamentos axiais e seu dimensionamento: Rolamentos axiais adequadamente dimensionados e selecionados, como rolamentos de esferas de contato angular ou rolamentos de pastilhas inclináveis, podem suportar com eficácia as cargas axiais geradas pela bomba. Deve-se considerar cuidadosamente a capacidade de carga, a classificação de velocidade e os requisitos de lubrificação do rolamento.
2. Arranjos do impulsor: O uso de impulsores de sucção dupla ou arranjos de impulsores costas com costas pode ajudar a equilibrar as forças axiais que atuam no rotor da bomba, reduzindo o empuxo axial líquido.
3. Equilibre tambores, discos e pistões: Esses dispositivos, montados no eixo da bomba, criam uma força axial contrária, utilizando a diferença de pressão entre a descarga e a sucção da bomba.
4. Balanceamento de furos e contra-palhetas em impulsores: Furos ou contra-palhetas estrategicamente posicionados nas coberturas do impulsor podem ajudar a equalizar a distribuição de pressão, reduzindo a força axial resultante que atua no impulsor.
5. Dispositivos de balanceamento hidráulico automático: Dispositivos de balanceamento hidráulico autoajustáveis, como o sistema “Balanced-Flow” da ITT Goulds Pumps, podem manter automaticamente o equilíbrio de empuxo axial ideal sob diversas condições de operação.
6. Efeito das folgas dos anéis de desgaste: Manter as folgas adequadas do anel de desgaste é essencial para controlar o impulso axial. À medida que as folgas dos anéis de desgaste aumentam devido ao desgaste normal, a distribuição da pressão em torno do impulsor muda, aumentando potencialmente o empuxo axial.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre rolamentos axiais e radiais?

Os rolamentos axiais (axiais) são projetados para suportar cargas que atuam paralelamente ao eixo do eixo, enquanto os rolamentos radiais suportam cargas que atuam perpendicularmente ao eixo do eixo.

Nas bombas centrífugas, os rolamentos axiais são usados para neutralizar as forças axiais geradas pelos impulsores da bomba e a distribuição de pressão dentro da carcaça da bomba. Os rolamentos radiais suportam o peso do rotor da bomba e quaisquer forças radiais decorrentes das interações do rotor-carcaça ou do desalinhamento do eixo.

Conclusão

Compreender e gerenciar eficazmente o empuxo axial é crucial para garantir a operação confiável e eficiente das bombas centrífugas. Ao considerar os vários fatores que contribuem para o empuxo axial, como projeto do impulsor, configuração da bomba e condições operacionais, os engenheiros podem projetar e selecionar estratégias apropriadas de balanceamento de empuxo.

O monitoramento regular, a manutenção e a adesão às melhores práticas operacionais podem ajudar ainda mais a minimizar o impacto do empuxo axial no desempenho e na longevidade da bomba.