Qual è la principale fonte di forza assiale in una pompa centrifuga orizzontale

Pompe centrifughe orizzontali sono le apparecchiature per il trasporto di fluidi più comunemente utilizzate nei processi industriali e la loro affidabilità operativa incide direttamente sull'efficienza produttiva. In questo ambito professionale la spinta assiale è un parametro progettuale e operativo cruciale. Comprendere il meccanismo di generazione della spinta assiale e come bilanciarla è fondamentale per la selezione, l'installazione, la risoluzione dei problemi della pompa e per prolungare la durata dei cuscinetti e delle tenute meccaniche.

1. Fonte principale della forza assiale: differenza di pressione attraverso la girante

La causa fondamentale della forza assiale è lo squilibrio della pressione del liquido su entrambi i lati della girante. Questa è la fonte primaria e spesso la più grande di forza assiale.

Una girante monostadio e ad aspirazione singola è l'esempio più tipico. Quando è in funzione una pompa centrifuga:

Sul lato del rivestimento anteriore della girante (lato di aspirazione): l'area centrale della girante è una zona a bassa pressione, con pressione vicina o inferiore alla pressione atmosferica (a seconda dell'NPSH).

Lato copertura posteriore della girante (posteriore): quando il liquido fuoriesce dalla girante e entra nella voluta, parte del liquido ad alta pressione filtra o rifluisce attraverso gli spazi negli anelli di usura sul retro della girante. Inoltre, l'alta pressione all'uscita della voluta esercita pressione anche sul retro della girante. Pertanto, la pressione media nella parte posteriore della girante è generalmente molto più elevata rispetto a quella anteriore.

Questa differenza di pressione tra la parte anteriore e quella posteriore della girante, proiettata sull'area effettiva, crea una forza di reazione diretta verso la porta di aspirazione, una forza assiale. L'entità di questa forza è direttamente correlata alla testa della pompa, al diametro della girante e allo spazio tra gli anelli di usura. Una prevalenza maggiore aumenta la differenza di pressione e, di conseguenza, la forza assiale.

2. Effetto della variazione della quantità di moto nel passaggio del flusso della girante

Una seconda importante fonte di forza assiale è la forza di reazione al cambiamento di momento generata quando il fluido cambia direzione e velocità all'interno del passaggio del flusso interno della girante.

Quando il liquido entra nella girante dalla porta di aspirazione, il flusso cambia da assiale (parallelo all'asse della pompa) a radiale (perpendicolare all'asse della pompa). Secondo la seconda legge di Newton, quando il fluido subisce questo cambiamento di direzione all'interno della girante, genera inevitabilmente una forza di reazione sulla girante. La componente di questa forza di reazione, agente lungo l'albero della pompa, costituisce una forza assiale nella direzione opposta.

Nella maggior parte dei progetti di giranti ad aspirazione singola, la direzione di questa forza assiale indotta dalla quantità di moto è opposta alla forza assiale causata dal differenziale di pressione, ma la sua entità è generalmente inferiore alla forza assiale causata dal differenziale di pressione.

3. Influenza delle tenute dell'albero e dei fori di bilanciamento: distribuzione locale della pressione

Anche la progettazione e le condizioni operative dell'area della tenuta meccanica influiscono sulla distribuzione locale della forza assiale.

Area della tenuta meccanica/premistoppa: in corrispondenza della tenuta meccanica, la forza che agisce sull'albero della pompa è la forza combinata della pressione del liquido all'interno della camera di tenuta e della pressione atmosferica. Se la pressione all'interno della camera di tenuta è elevata, spinge l'albero verso l'esterno lungo l'albero della pompa.

Fori di bilanciamento: per le giranti che utilizzano fori di bilanciamento per bilanciare le forze assiali, la funzione dei fori di bilanciamento è quella di ridurre efficacemente la pressione dietro la girante indirizzando il liquido ad alta pressione sul retro della girante verso la porta di aspirazione o l'area a bassa pressione. Il design del diametro e del numero dei fori di bilanciamento determina direttamente il grado in cui viene eliminata la differenza di pressione tra le superfici anteriore e posteriore della girante.

4. Giranti a doppia aspirazione ed equilibrio intrinseco delle forze assiali

Vale la pena notare che nelle pompe centrifughe a doppia aspirazione, le giranti sono progettate con aspirazione bilateralmente simmetrica.

Struttura simmetrica: il liquido entra nel centro della girante contemporaneamente e simmetricamente da entrambi i lati.

Cancellazione meccanica: ciò significa che la geometria del percorso del flusso delle due giranti è completamente simmetrica e anche la distribuzione della pressione su entrambi i lati è essenzialmente simmetrica. Durante il funzionamento, le forze assiali generate dalle due giranti sono uguali in grandezza e opposte in direzione, ottenendo teoricamente un bilanciamento automatico della forza assiale. Questo è uno dei principali vantaggi strutturali delle pompe a doppia aspirazione che consente loro di gestire condizioni di flusso elevato.

5. L'importanza del bilanciamento delle forze assiali e delle contromisure

Nella progettazione delle pompe centrifughe è fondamentale eliminare o ridurre al minimo le forze assiali residue. Altrimenti, forze assiali eccessive possono portare a:

Sovraccarico del cuscinetto: le forze assiali continue esercitano carichi significativi sul cuscinetto reggispinta, accelerando l'usura e il cedimento. Questa è una delle modalità di guasto più comuni nelle pompe centrifughe.

Danni alla tenuta meccanica: bruschi cambiamenti nelle forze assiali possono causare un'eccessiva compressione o separazione tra gli anelli rotanti e fissi della tenuta meccanica, con conseguenti perdite o grave usura.

Pertanto, oltre al design autobilanciante delle giranti a doppia aspirazione, nei progetti ingegneristici vengono spesso utilizzati i seguenti meccanismi specializzati per bilanciare le forze assiali:

Fori di equilibrio e palette posteriori: utilizzati nelle pompe a singola aspirazione.

Dischi/tamburi di bilanciamento: dispositivi di bilanciamento ad alta pressione comunemente usati nelle pompe multistadio.

Il controllo preciso delle forze assiali delle pompe centrifughe orizzontali e la garanzia della stabilità dell'albero della pompa sono requisiti tecnici fondamentali per garantire un funzionamento affidabile e a lungo termine dell'apparecchiatura.