ما هو المصدر الرئيسي للقوة المحورية في مضخة الطرد المركزي الأفقية

مضخات الطرد المركزي الأفقية هي معدات نقل السوائل الأكثر استخدامًا في العمليات الصناعية، وتؤثر موثوقيتها التشغيلية بشكل مباشر على كفاءة الإنتاج. في هذا المجال المهني، يعد الدفع المحوري عاملاً حاسماً في التصميم والتشغيل. إن فهم آلية توليد الدفع المحوري وكيفية موازنة ذلك أمر بالغ الأهمية لاختيار المضخة وتركيبها واستكشاف الأخطاء وإصلاحها وإطالة عمر المحامل والأختام الميكانيكية.

1. المصدر الأساسي للقوة المحورية: فرق الضغط عبر المكره

السبب الأساسي للقوة المحورية هو عدم توازن ضغط السائل على جانبي المكره. هذا هو المصدر الأساسي وغالبًا ما يكون أكبر مصدر للقوة المحورية.

تعتبر المكره ذات المرحلة الواحدة أحادية الشفط هي المثال الأكثر شيوعًا. عندما تعمل مضخة الطرد المركزي:

على جانب الكفن الأمامي للمكره (جانب الشفط): المنطقة المركزية للمكره هي منطقة ضغط منخفض، حيث يكون الضغط قريبًا من الضغط الجوي أو أقل منه (اعتمادًا على NPSH).

جانب الكفن الخلفي للمكره (الخلف): عندما يتدفق السائل من المكره إلى الحلزون، فإن بعض السائل عالي الضغط سوف يتسرب من خلال الفجوات الموجودة في حلقات التآكل إلى الجزء الخلفي من المكره. علاوة على ذلك، فإن الضغط المرتفع عند المخرج الحلزوني يمارس أيضًا ضغطًا على الجزء الخلفي من المكره. ولذلك، فإن متوسط ​​الضغط في الجزء الخلفي من المكره يكون عادة أعلى بكثير منه في الأمام.

يؤدي فرق الضغط هذا بين الجزء الأمامي والخلفي من المكره، المسقط على المنطقة الفعالة، إلى إنشاء قوة رد فعل موجهة نحو منفذ الشفط - وهي قوة محورية. يرتبط حجم هذه القوة ارتباطًا مباشرًا برأس المضخة وقطر المكره وفجوة حلقة التآكل. يزيد الرأس الأعلى من فرق الضغط وبالتالي القوة المحورية.

2. تأثير تغير الزخم في مرور تدفق المكره

المصدر الثاني المهم للقوة المحورية هو قوة رد فعل تغير الزخم المتولدة عندما يغير السائل اتجاهه وسرعته داخل ممر التدفق الداخلي للدافع.

عندما يدخل السائل إلى المكره من منفذ الشفط، يتغير التدفق من محوري (موازي لمحور المضخة) إلى نصف قطري (عمودي على محور المضخة). وفقا لقانون نيوتن الثاني، عندما يخضع السائل لهذا التغيير في الاتجاه داخل المكره، فإنه يولد حتما قوة رد فعل على المكره. يشكل مكون قوة رد الفعل هذه، الذي يعمل على طول عمود المضخة، قوة محورية في الاتجاه المعاكس.

في معظم تصميمات المكره أحادية الشفط، يكون اتجاه هذه القوة المحورية الناتجة عن الزخم معاكسًا للقوة المحورية الناتجة عن فرق الضغط، ولكن حجمها عادة ما يكون أصغر من القوة المحورية الناتجة عن فرق الضغط.

3. تأثير أختام العمود وفتحات الموازنة: توزيع الضغط المحلي

تؤثر ظروف التصميم والتشغيل لمنطقة ختم العمود أيضًا على توزيع القوة المحورية المحلية.

منطقة الختم الميكانيكي/صندوق الحشو: عند ختم العمود، القوة المؤثرة على عمود المضخة هي القوة المشتركة لضغط السائل داخل حجرة الختم والضغط الجوي. إذا كان الضغط داخل حجرة الختم مرتفعًا، فإنه يدفع العمود للخارج على طول عمود المضخة.

فتحات التوازن: بالنسبة للدفاعات التي تستخدم فتحات التوازن لموازنة القوى المحورية، فإن وظيفة فتحات التوازن هي تقليل الضغط خلف الدفاعة بشكل فعال عن طريق توجيه السائل عالي الضغط في الجزء الخلفي من الدفاعة إلى منفذ الشفط أو منطقة الضغط المنخفض. يحدد تصميم قطر ثقب الموازنة ورقمه بشكل مباشر الدرجة التي يتم بها التخلص من فرق الضغط بين الأسطح الأمامية والخلفية للمكره.

4. الدفاعات ذات الشفط المزدوج والتوازن الكامن للقوى المحورية

ومن الجدير بالذكر أنه في مضخات الطرد المركزي مزدوجة الشفط، يتم تصميم الدفاعات مع شفط متماثل ثنائي.

البنية المتماثلة: يدخل السائل إلى مركز المكره في وقت واحد وبشكل متماثل من كلا الجانبين.

الإلغاء الميكانيكي: وهذا يعني أن هندسة مسار التدفق للدافعتين متناظرة تمامًا، كما أن توزيع الضغط على كلا الجانبين متماثل أيضًا بشكل أساسي. أثناء التشغيل، تكون القوى المحورية المتولدة بواسطة الدفاعتين متساوية في الحجم ومتعاكسة في الاتجاه، مما يحقق نظريًا توازن القوة المحورية التلقائي. هذه هي إحدى المزايا الهيكلية الرئيسية لمضخات الشفط المزدوج التي تمكنها من التعامل مع ظروف التدفق العالية.

5. أهمية موازنة القوة المحورية والإجراءات المضادة

في تصميم مضخة الطرد المركزي، يعد التخلص من القوى المحورية المتبقية أو تقليلها أمرًا بالغ الأهمية. خلاف ذلك، يمكن أن تؤدي القوى المحورية المفرطة إلى:

حمل زائد: القوى المحورية المستمرة تضع أحمالًا كبيرة على محمل الدفع، مما يؤدي إلى تسريع التآكل والفشل. يعد هذا أحد أوضاع الفشل الأكثر شيوعًا في مضخات الطرد المركزي.

تلف الختم الميكانيكي: يمكن أن تؤدي التغيرات الحادة في القوى المحورية إلى ضغط مفرط أو انفصال بين الحلقات الدوارة والثابتة للختم الميكانيكي، مما يؤدي إلى التسرب أو التآكل الشديد.

ولذلك، بالإضافة إلى تصميم التوازن الذاتي للدفاعات مزدوجة الشفط، غالبًا ما تستخدم الآليات المتخصصة التالية في التصميمات الهندسية لموازنة القوى المحورية:

فتحات التوازن والدوارات الخلفية: تستخدم في مضخات الشفط الأحادية.

أقراص/ براميل التوازن: أجهزة موازنة الضغط العالي شائعة الاستخدام في المضخات متعددة المراحل.

يعد التحكم الدقيق في القوى المحورية لمضخات الطرد المركزي الأفقية وضمان استقرار عمود المضخة من المتطلبات الفنية الأساسية لضمان التشغيل الموثوق والطويل الأجل للمعدات.