Lực đẩy dọc trục là gì

Lực đẩy dọc trục, một yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành bơm ly tâm, đề cập đến lực ròng tác dụng song song với trục bơm. Bài viết này đi sâu vào nguyên nhân, hậu quả và chiến lược quản lý lực đẩy dọc trục trong máy bơm ly tâm, cung cấp những hiểu biết sâu sắc có giá trị cho các kỹ sư cũng như người sử dụng máy bơm.

Các thành phần chính góp phần tạo ra lực đẩy dọc trục

1. Lực thủy lực hướng trục lên vỏ bánh công tác: Sự phân bố áp suất ở mặt trước và mặt sau của bánh công tác tạo ra lực dọc trục.
2. Động lượng do sự thay đổi vận tốc dọc trục của chất lỏng: Khi chất lỏng tăng tốc hoặc giảm tốc theo hướng dọc trục, nó sẽ tác dụng một lực lên bánh công tác, góp phần tạo ra lực đẩy dọc trục.
3. Lực từ chênh lệch áp suất giữa vòng đệm và vòng bi: Sự mất cân bằng áp suất giữa phốt trục và ổ trục có thể tạo ra lực dọc trục bổ sung lên rôto máy bơm.
4. Trọng lượng các bộ phận cánh quạt (đối với máy bơm trục đứng): Trong cấu hình máy bơm trục đứng, trọng lượng của cụm rôto, bao gồm cánh quạt, trục và các bộ phận khác, góp phần tạo ra lực đẩy dọc trục tổng thể.

Công thức tính lực đẩy dọc trục

Lực đẩy dọc trục (F) tác dụng lên cánh quạt bơm ly tâm có thể được tính theo phương trình sau:

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

Ở đâu:

• P1 và P2 lần lượt là áp suất tác dụng lên mặt trước và mặt sau của bánh công tác
• A là diện tích vỏ cánh quạt
• ρ là mật độ chất lỏng
• Q là tốc độ dòng thể tích
• V1 và V2 lần lượt là vận tốc dọc trục của chất lỏng ở đầu vào và đầu ra của bánh công tác

Phương trình này tính đến cả lực áp suất và lực động lượng tác dụng lên bánh công tác theo phương dọc trục.

Nguyên nhân gây ra lực đẩy dọc trục trong các thiết kế máy bơm khác nhau

Máy bơm một tầng

Trong máy bơm ly tâm một tầng, lực đẩy dọc trục chủ yếu phát sinh từ sự chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau của bánh công tác. Áp suất cao hơn ở phía xả của bánh công tác tạo ra một lực đẩy bánh công tác về phía hút. Lực đẩy dọc trục này có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như thiết kế cánh quạt, điều kiện vận hành và độ hở của vòng mài mòn.

Máy bơm đa tầng

Máy bơm ly tâm nhiều tầng có nhiều cánh quạt được sắp xếp nối tiếp, phải đối mặt với những thách thức bổ sung trong việc quản lý lực đẩy dọc trục. Áp suất tăng lên trên từng hợp chất giai đoạn, dẫn đến lực dọc trục cao hơn đáng kể so với máy bơm một giai đoạn. Ngoài ra, sự hiện diện của trống cân bằng, đĩa cân bằng hoặc piston cân bằng, được sử dụng để chống lại lực đẩy dọc trục, làm tăng thêm độ phức tạp cho hệ thống.

Hậu quả của lực đẩy trục quá mức

1. Quá tải và hư hỏng sớm của vòng bi chặn: Lực dọc trục cao có thể khiến vòng bi chặn hoạt động vượt quá công suất định mức, dẫn đến mài mòn nhanh và hỏng hóc sớm.
2. Độ lệch trục và độ rung quá mức: Lực dọc trục không cân bằng có thể làm cho trục bơm bị lệch, dẫn đến mức độ rung tăng lên và tuổi thọ ổ trục giảm.
3. Độ hở bên trong của máy bơm bị mài mòn nhanh hơn: Lực đẩy dọc trục có thể gây ra sự tiếp xúc giữa các bộ phận quay và bộ phận đứng yên, chẳng hạn như vòng mòn và trống cân bằng, dẫn đến mài mòn nhanh hơn và tăng độ hở.
4. Rò rỉ và hư hỏng phốt cơ khí: Chuyển động dọc trục quá mức của rôto máy bơm có thể khiến phốt cơ khí bị rò rỉ hoặc hỏng sớm.
5. Giảm hiệu suất và độ tin cậy của máy bơm: Các tác động kết hợp của việc tăng độ rung, mài mòn và hư hỏng bộ phận do lực đẩy dọc trục quá mức có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của máy bơm và độ tin cậy tổng thể.

Phương pháp cân bằng và kiểm soát lực đẩy dọc trục

1. Vòng bi chặn và kích thước của chúng: Vòng bi chặn được chọn và có kích thước phù hợp, chẳng hạn như vòng bi tiếp xúc góc hoặc vòng bi đệm nghiêng, có thể hỗ trợ hiệu quả tải trọng dọc trục do máy bơm tạo ra. Phải xem xét cẩn thận về khả năng chịu tải, tốc độ định mức và yêu cầu bôi trơn của ổ trục.
2. Bố trí cánh quạt: Việc sử dụng cánh quạt hút kép hoặc bố trí cánh quạt quay lưng vào nhau có thể giúp cân bằng lực dọc trục tác dụng lên rôto máy bơm, giảm lực đẩy dọc trục thực.
3. Cân bằng trống, đĩa và piston: Các thiết bị này, được gắn trên trục bơm, tạo ra lực dọc trục phản tác dụng bằng cách tận dụng chênh lệch áp suất giữa bơm xả và hút.
4. Lỗ cân bằng và cánh đảo chiều trên cánh quạt: Các lỗ hoặc cánh đảo chiều được bố trí một cách chiến lược trên vỏ bánh công tác có thể giúp cân bằng sự phân bổ áp suất, giảm lực dọc trục thực tác động lên bánh công tác.
5. Thiết bị cân bằng thủy lực tự động: Các thiết bị cân bằng thủy lực tự điều chỉnh, chẳng hạn như hệ thống “Cân bằng dòng chảy” của Máy bơm ITT Goulds, có thể tự động duy trì cân bằng lực đẩy dọc trục tối ưu trong các điều kiện vận hành khác nhau.
6. Ảnh hưởng của độ hở vòng mài mòn: Duy trì độ hở vòng mài mòn thích hợp là điều cần thiết để kiểm soát lực đẩy dọc trục. Khi độ hở của vòng mài mòn tăng do mài mòn thông thường, sự phân bố áp suất xung quanh bánh công tác sẽ thay đổi, có khả năng làm tăng lực đẩy dọc trục.

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt giữa vòng bi lực đẩy hướng trục và hướng tâm là gì?

Vòng bi hướng trục (lực đẩy) được thiết kế để hỗ trợ tải tác dụng song song với trục trục, trong khi vòng bi hướng tâm hỗ trợ tải tác dụng vuông góc với trục trục.

Trong máy bơm ly tâm, vòng bi chặn hướng trục được sử dụng để chống lại lực dọc trục do cánh bơm tạo ra và sự phân bổ áp suất trong vỏ bơm. Vòng bi hướng tâm hỗ trợ trọng lượng của rôto máy bơm và bất kỳ lực hướng tâm nào phát sinh từ tương tác giữa vỏ bánh công tác hoặc độ lệch trục.

Phần kết luận

Hiểu và quản lý hiệu quả lực đẩy dọc trục là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả của máy bơm ly tâm. Bằng cách xem xét các yếu tố khác nhau góp phần tạo ra lực đẩy dọc trục, chẳng hạn như thiết kế cánh quạt, cấu hình máy bơm và điều kiện vận hành, các kỹ sư có thể thiết kế và lựa chọn chiến lược cân bằng lực đẩy thích hợp.

Việc giám sát, bảo trì thường xuyên và tuân thủ các phương pháp vận hành tốt nhất có thể giúp giảm thiểu tác động của lực đẩy dọc trục đến hiệu suất và tuổi thọ của máy bơm.