Qual é a principal fonte de força axial em uma bomba centrífuga horizontal

Bombas centrífugas horizontais são os equipamentos de transporte de fluidos mais utilizados em processos industriais e sua confiabilidade operacional impacta diretamente a eficiência da produção. Neste campo profissional, o empuxo axial é um parâmetro crucial de projeto e operação. Compreender o mecanismo de geração de empuxo axial e como equilibrá-lo é crucial para a seleção, instalação, solução de problemas e prolongamento da vida útil dos rolamentos e vedações mecânicas da bomba.

1. Fonte central da força axial: diferença de pressão no impulsor

A causa fundamental da força axial é o desequilíbrio da pressão do líquido em ambos os lados do impulsor. Esta é a principal e muitas vezes a maior fonte de força axial.

Um impulsor de estágio único e sucção única é o exemplo mais típico. Quando uma bomba centrífuga está operando:

No lado da cobertura frontal do impulsor (lado de sucção): A área central do impulsor é uma zona de baixa pressão, com pressão próxima ou inferior à pressão atmosférica (dependendo do NPSH).

Lado da cobertura traseira do impulsor (parte traseira): À medida que o líquido flui para fora do impulsor e para dentro da voluta, parte do líquido de alta pressão irá vazar ou fluir de volta através das aberturas nos anéis de desgaste para a parte traseira do impulsor. Além disso, a alta pressão na saída da voluta também exerce pressão na parte traseira do impulsor. Portanto, a pressão média na parte traseira do impulsor é normalmente muito maior do que na parte frontal.

Esta diferença de pressão entre a parte frontal e traseira do impulsor, projetada na área efetiva, cria uma força de reação direcionada à porta de sucção – uma força axial. A magnitude desta força está diretamente relacionada à altura manométrica da bomba, ao diâmetro do impulsor e à folga do anel de desgaste. Uma altura manométrica mais alta aumenta a diferença de pressão e, conseqüentemente, a força axial.

2. Efeito de mudança de impulso na passagem do fluxo do impulsor

Uma segunda fonte importante de força axial é a força de reação de mudança de momento gerada quando o fluido muda de direção e velocidade dentro da passagem de fluxo interna do impulsor.

Quando o líquido entra no impulsor pela porta de sucção, o fluxo muda de axial (paralelo ao eixo da bomba) para radial (perpendicular ao eixo da bomba). De acordo com a segunda lei de Newton, quando o fluido sofre esta mudança direcional dentro do impulsor, gera inevitavelmente uma força de reação no impulsor. A componente desta força de reação, atuando ao longo do eixo da bomba, constitui uma força axial na direção oposta.

Na maioria dos projetos de impulsores de sucção única, a direção desta força axial induzida pelo momento é oposta à força axial causada pelo diferencial de pressão, mas sua magnitude é normalmente menor que a força axial causada pelo diferencial de pressão.

3. Influência das vedações do eixo e dos furos de balanceamento: distribuição local da pressão

O projeto e as condições operacionais da área da vedação do eixo também afetam a distribuição local da força axial.

Área do selo mecânico/caixa de empanque: Na vedação do eixo, a força que atua no eixo da bomba é a força combinada da pressão do líquido dentro da câmara de vedação e da pressão atmosférica. Se a pressão dentro da câmara de vedação for alta, ela empurra o eixo para fora ao longo do eixo da bomba.

Orifícios de equilíbrio: Para impulsores que utilizam orifícios de equilíbrio para equilibrar as forças axiais, a função dos orifícios de equilíbrio é reduzir efetivamente a pressão atrás do impulsor, direcionando o líquido de alta pressão na parte traseira do impulsor de volta para a porta de sucção ou área de baixa pressão. O projeto do diâmetro e número do furo de balanceamento determina diretamente o grau em que a diferença de pressão entre as superfícies frontal e traseira do impulsor é eliminada.

4. Rotores de dupla sucção e equilíbrio inerente de forças axiais

Vale ressaltar que nas bombas centrífugas de dupla sucção, os impulsores são projetados com sucção bilateralmente simétrica.

Estrutura simétrica: O líquido entra no centro do impulsor simultaneamente e simetricamente de ambos os lados.

Cancelamento mecânico: Isto significa que a geometria do caminho de fluxo dos dois impulsores é completamente simétrica e a distribuição de pressão em ambos os lados também é essencialmente simétrica. Durante a operação, as forças axiais geradas pelos dois impulsores são iguais em magnitude e opostas em direção, alcançando teoricamente um equilíbrio automático de forças axiais. Esta é uma das principais vantagens estruturais das bombas de sucção dupla que lhes permite lidar com condições de alto fluxo.

5. A importância do equilíbrio da força axial e das contramedidas

No projeto de bombas centrífugas, é crucial eliminar ou minimizar as forças axiais residuais. Caso contrário, forças axiais excessivas podem levar a:

Sobrecarga do rolamento: Forças axiais contínuas colocam cargas significativas no rolamento axial, acelerando o desgaste e a falha. Este é um dos modos de falha mais comuns em bombas centrífugas.

Danos no selo mecânico: Mudanças bruscas nas forças axiais podem causar compressão excessiva ou separação entre os anéis rotativos e estacionários do selo mecânico, resultando em vazamento ou desgaste severo.

Portanto, além do projeto de autoequilíbrio de impulsores de dupla sucção, os seguintes mecanismos especializados são frequentemente usados ​​em projetos de engenharia para equilibrar as forças axiais:

Orifícios de equilíbrio e palhetas traseiras: utilizados em bombas de sucção simples.

Discos/tambores de equilíbrio: dispositivos de balanceamento de alta pressão comumente usados ​​em bombas multiestágios.

Controlar com precisão as forças axiais das bombas centrífugas horizontais e garantir a estabilidade do eixo da bomba são requisitos técnicos essenciais para garantir a operação confiável e de longo prazo do equipamento.