Apa sumber utama gaya aksial pada pompa sentrifugal horizontal

Pompa sentrifugal horisontal adalah peralatan transportasi fluida yang paling umum digunakan dalam proses industri, dan keandalan operasionalnya berdampak langsung pada efisiensi produksi. Dalam bidang profesional ini, gaya dorong aksial merupakan parameter desain dan pengoperasian yang penting. Memahami mekanisme pembangkitan gaya dorong aksial dan cara menyeimbangkannya sangat penting untuk pemilihan pompa, pemasangan, pemecahan masalah, dan memperpanjang umur bantalan dan segel mekanis.

1. Sumber Inti Gaya Aksial: Perbedaan Tekanan pada Impeller

Penyebab mendasar gaya aksial adalah ketidakseimbangan tekanan cairan pada kedua sisi impeler. Ini adalah sumber gaya aksial yang utama dan sering kali terbesar.

Impeler satu tahap dengan hisap tunggal adalah contoh yang paling umum. Saat pompa sentrifugal beroperasi:

Pada sisi selubung depan impeler (sisi hisap): Area tengah impeler merupakan zona bertekanan rendah, dengan tekanan mendekati atau di bawah tekanan atmosfer (tergantung NPSH).

Sisi selubung belakang impeler (belakang): Saat cairan mengalir keluar dari impeler dan masuk ke dalam volute, sebagian cairan bertekanan tinggi akan merembes atau mengalir kembali melalui celah pada cincin aus ke bagian belakang impeler. Selain itu, tekanan tinggi pada saluran keluar volute juga memberikan tekanan pada bagian belakang impeler. Oleh karena itu, tekanan rata-rata di bagian belakang impeler biasanya jauh lebih tinggi dibandingkan di bagian depan.

Perbedaan tekanan antara bagian depan dan belakang impeler, yang diproyeksikan ke area efektif, menciptakan gaya reaksi yang diarahkan ke lubang hisap—gaya aksial. Besarnya gaya ini berhubungan langsung dengan head pompa, diameter impeller, dan celah ring keausan. Head yang lebih tinggi meningkatkan perbedaan tekanan dan, akibatnya, gaya aksial.

2. Efek Perubahan Momentum pada Saluran Aliran Impeller

Sumber gaya aksial penting kedua adalah gaya reaksi perubahan momentum yang dihasilkan ketika fluida mengubah arah dan kecepatan dalam saluran aliran internal impeler.

Ketika cairan memasuki impeller dari lubang hisap, aliran berubah dari aksial (sejajar dengan sumbu pompa) menjadi radial (tegak lurus dengan sumbu pompa). Menurut hukum kedua Newton, ketika fluida mengalami perubahan arah di dalam impeler, hal ini pasti akan menghasilkan gaya reaksi pada impeler. Komponen gaya reaksi ini, yang bekerja sepanjang poros pompa, membentuk gaya aksial dengan arah berlawanan.

Pada sebagian besar desain impeler hisap tunggal, arah gaya aksial yang diinduksi oleh momentum ini berlawanan dengan gaya aksial yang disebabkan oleh perbedaan tekanan, namun besarnya biasanya lebih kecil daripada gaya aksial yang disebabkan oleh perbedaan tekanan.

3. Pengaruh Segel Poros dan Lubang Penyeimbang: Distribusi Tekanan Lokal

Desain dan kondisi pengoperasian area segel poros juga mempengaruhi distribusi gaya aksial lokal.

Area Segel Mekanis/Kotak Isian: Pada segel poros, gaya yang bekerja pada poros pompa adalah gaya gabungan dari tekanan cairan di dalam ruang segel dan tekanan atmosfer. Jika tekanan di dalam ruang segel tinggi, maka poros akan terdorong keluar sepanjang poros pompa.

Lubang Keseimbangan: Untuk impeler yang menggunakan lubang penyeimbang untuk menyeimbangkan gaya aksial, fungsi lubang penyeimbang adalah secara efektif mengurangi tekanan di belakang impeler dengan mengarahkan cairan bertekanan tinggi di bagian belakang impeler kembali ke lubang hisap atau area bertekanan rendah. Desain diameter dan jumlah lubang penyeimbang secara langsung menentukan sejauh mana perbedaan tekanan antara permukaan depan dan belakang impeler dihilangkan.

4. Impeler hisap ganda dan keseimbangan gaya aksial yang melekat

Perlu dicatat bahwa pada pompa sentrifugal hisap ganda, impeler dirancang dengan hisap simetris bilateral.

Struktur simetris: Cairan memasuki pusat impeler secara bersamaan dan simetris dari kedua sisi.

Pembatalan mekanis: Artinya geometri jalur aliran kedua impeler sepenuhnya simetris, dan distribusi tekanan pada kedua sisi juga pada dasarnya simetris. Selama operasi, gaya aksial yang dihasilkan oleh kedua impeler sama besarnya dan berlawanan arah, secara teoritis mencapai keseimbangan gaya aksial otomatis. Ini adalah salah satu keunggulan struktural utama pompa hisap ganda yang memungkinkannya menangani kondisi aliran tinggi.

5. Pentingnya Penyeimbangan dan Penanggulangan Gaya Aksial

Dalam desain pompa sentrifugal, menghilangkan atau meminimalkan gaya aksial sisa sangatlah penting. Jika tidak, gaya aksial yang berlebihan dapat menyebabkan:

Beban berlebih pada bantalan: Gaya aksial yang terus menerus memberikan beban yang signifikan pada bantalan dorong, sehingga mempercepat keausan dan kegagalan. Ini adalah salah satu mode kegagalan yang paling umum pada pompa sentrifugal.

Kerusakan segel mekanis: Perubahan gaya aksial yang tajam dapat menyebabkan kompresi atau pemisahan yang berlebihan antara cincin segel mekanis yang berputar dan yang diam, yang mengakibatkan kebocoran atau keausan parah.

Oleh karena itu, selain desain impeler hisap ganda yang menyeimbangkan diri, mekanisme khusus berikut sering digunakan dalam desain teknik untuk menyeimbangkan gaya aksial:

Lubang penyeimbang dan baling-baling belakang: digunakan pada pompa hisap tunggal.

Cakram/drum penyeimbang: perangkat penyeimbang tekanan tinggi yang umum digunakan pada pompa multi-tahap.

Mengontrol gaya aksial pompa sentrifugal horizontal secara tepat dan memastikan stabilitas poros pompa merupakan persyaratan teknis inti untuk memastikan pengoperasian peralatan dalam jangka panjang dan andal.