Bomba de fluxo axial: um guia abrangente de teoria, tipos e aplicações

Um bomba fluxo axial Move a água da maneira como a hélice do barco move um barco: o impulsor gira dentro de um tubo e o fluido viaja paralelamente ao eixo em vez de ser fundido para fora como em uma bomba centrífuga Esta mudança de geometria coloca bombas de fluxo axial em uma janela específica (taxa de fluxo muito alta em cabeçotes muito baixos, onde os projetos centrífugos se tornam impraticáveis Este guia explica o que é uma bomba de fluxo axial, como a hélice produz pressão, a classificação de velocidade específica que a distingue de outras bombas rotodinâmicas, NPSH e comportamento de cavitação, layouts típicos, as indústrias que dependem deste projeto e uma estrutura de cinco etapas para pensar na seleção da bomba de fluxo axial.

O que é uma bomba de fluxo axial?

Uma bomba de fluxo axial (às vezes escrita como bomba de fluxo axial) é uma bomba rotodinâmica na qual o fluido se move paralelamente ao eixo através de um impulsor axial tipo hélice encerrado em um invólucro de seção de tubo Como o fluido entra e sai do impulsor ao longo do mesmo eixo, não há componente de fluxo radial (uma distinção fundamental das bombas centrífugas, onde o impulsor joga o fluido para fora ao longo das palhetas radiais.

Dentro da taxonomia de bombas rotodinâmicas publicada pelo Instituto Hidráulico (ANSI/HI 1.1-1.2), as bombas são classificadas por velocidade específica (Ns).As bombas centrífugas ficam na extremidade inferior da faixa, as bombas de fluxo axial ocupam a extremidade superior e as bombas de fluxo misto ficam entre. Consequência prática: cada tipo de bomba se destaca em uma região diferente do envelope de fluxo-cabeça (uma bomba centrífuga para cabeça alta com vazão modesta, uma bomba de fluxo axial para o oposto (vazão muito alta em baixa altura).

Uma bomba de fluxo axial também é chamada de bomba hélice (porque o impulsor se assemelha a uma hélice de barco) ou a um bomba cotovelo (um termo usado por Sulzer e em partes da Europa, referindo-se ao invólucro de descarga em forma de cotovelo comum em muitos layouts verticais) Todos os três termos referem-se à mesma classe de bomba.

Como funciona uma bomba de fluxo axial? Teoria Mecânica

Dentro do invólucro, um impulsor com 3 a 6 pás angulares gira em um eixo acionado por um motor ou motor A geometria da lâmina está mais próxima de uma asa de aeronave do que de uma palheta centrífuga: cada pá tem uma face de pressão e uma face de sucção, e à medida que o impulsor gira, a pá gera levantar pelo mesmo princípio do aerofólio que levanta um avião Essa elevação, projetada ao longo do eixo, empurra o fluido para a frente através do invólucro.

A jusante do impulsor, estacionário palhetas difusoras (às vezes chamado de vanes guia) recuperar o componente de velocidade de turbilhão e convertê-lo em aumento de pressão adicional Elevação combinada da lâmina mais conversão de velocidade-pressão é o que dá uma bomba de fluxo axial sua cabeça total desenvolvida 12 m tipicamente em um único estágio Isso é modesto em comparação com uma bomba centrífuga de vários estágios, mas é combinado com uma passagem de fluxo muito grande que permite milhares de metros cúbicos por hora para se mover através do mesmo invólucro.

Lâmina passo (blade pitch) O ângulo de entrada em que as lâminas de entrada encontram o passo de entrada (in) é imputado uma das variáveis primárias de ajuste Os impulsores de passo fixo são usinados um ponto de serviço Os projetos de passo ajustável permitem que os operadores girem cada lâmina em seu próprio eixo enquanto a bomba é parada, deslocando a curva de desempenho para que uma bomba possa servir vários pontos de serviço (por exemplo, carga de irrigação de verão vs inverno).Custo dessa flexibilidade: um cubo mais complexo e uma pequena perda de eficiência de pico.

Velocidade específica e curvas características: por que o fluxo axial é diferente

Velocidade específica (Ns) é o único número que informa a um engenheiro se deve especificar uma bomba centrífuga, de fluxo misto ou de fluxo axial para um determinado serviço Em unidades dos EUA, a fórmula é Ns = N·· Q/H^0.75, onde N é a velocidade do eixo em rpm, Q é o fluxo em gpm e H é cabeça em pés.

• Bombas centrífugas: Ns 50004,000
• Bombas de fluxo misto: Ns 4.000 9.000
• Bombas de fluxo axial: Ns 9.000 15.000

A forma característica da curva muda com Ns. Uma bomba de fluxo axial produz uma curva cabeça-vs-fluxo que cai abruptamente à medida que o fluxo diminui e, mais surpreendentemente, uma potência de freio (BHP, normalmente expressa em hp) curva que sobe à medida que o fluxo diminui Isso é o oposto de uma bomba centrífuga, onde o BHP aumenta com a taxa de fluxo Para uma instalação industrial, essa característica invertida governa como você especifica o motor e como você projeta o trem de força hidráulico Implicação operacional: se você acelera uma bomba de fluxo axial em direção ao desligamento, você desenha mais corrente do motor e corre o risco de sobrecarregar, não menos.

Um artigo de 2022 em Nature Scientific Reports sobre as características hidrodinâmicas de sistemas de bombas de fluxo axial teste usado de CFD e em escala real para mapear a pulsação de pressão e o comportamento do campo de fluxo sob condições fora do projeto, confirmando que as bombas de fluxo axial operam dentro de uma banda relativamente estreita em torno de seu Melhor Ponto de Eficiência (BEP) antes que o desempenho hidráulico se degrade A melhor eficiência de fluxo axial da classe é 751TP3 T no BEP, caindo acentuadamente em ambos os lados desse ótimo.

NPSH e Cavitação em Bombas de Fluxo Axial

A Cabeça de Sucção Positiva Líquida (NPSH) governa se uma bomba pode aspirar fluido sem que a pressão de sucção caia abaixo da pressão de vapor. Se cair abaixo, bolhas de vapor se formam e colapsam no impulsor ("impulsor") cavitação 0 erodir metal da lâmina, aumenta a eficiência dos cortes e, eventualmente, falha no impulsor.

As bombas de fluxo axial são mais sensíveis ao NPSH do que as bombas centrífugas que operam a uma vazão comparável A razão é geométrica: a velocidade do líquido na entrada axial do impulsor é maior do que em uma entrada centrífuga, que cai a pressão absoluta e aproxima o líquido de sua pressão de vapor Os valores típicos de NPSHr (obrigatório) para bombas de fluxo axial caem na faixa de 48 m, em comparação com 24 m para bombas centrífugas equivalentes sob serviço de correspondência.

Três opções de projeto mitigam o risco de cavitação e mantêm estável a operação da bomba de fluxo axial:

• Profundidade de submersão adequada (demergence) manter o impulsor abaixo da superfície livre pela distância vertical mínima especificada pelo fabricante
• A geometria do sino de sucção a entrada gradualmente alargada reduz a perda de entrada
• O material do impulsor resistente à cavitação (cavitation-resistant impuller) (aço de grau 304, 316 ou CF3 M) resiste à erosão muito melhor do que o ferro fundido onde qualquer cavitação é esperada

No local, o NPSH disponível (NPSHa) deve exceder o NPSHr por uma margem de segurança de aproximadamente 1 m. Margens estreitas produzem bombas que parecem funcionar, mas proporcionam redução da cabeça, vibram e desgastam-se prematuramente.

Tipos de Bombas de Fluxo Axial: Configurações em Geral

As bombas de fluxo axial vêm em quatro layouts amplos, cada um combinado com uma restrição de instalação diferente. Estas são categorias gerais da indústria. Não são linhas de produtos específicas.

Poço úmido vertical

O impulsor e a bacia são submersos em um reservatório; o eixo de transmissão sobe através de uma coluna até um motor montado acima da placa do convés. Comum em grandes estruturas de admissão, forebays de água de resfriamento e poços úmidos com controle de enchentes. Layout mecânico simples e bom desempenho NPSH, mas a manutenção requer desidratação parcial do reservatório.

Poço seco vertical

Impulsor senta-se em uma câmara de bomba selada abaixo da placa de piso, com tubulação de sucção e descarga correndo de reservatórios adjacentes Motor e vedação são acessíveis a partir do piso de operações sem desidratação Usado onde o tempo de inatividade de manutenção de um projeto de poço molhado seria proibitivo (proibitive) estações de controle de inundação municipais, dever crítico de água de resfriamento.

Submersível

O motor é selado em uma caixa de pressão à prova d'água diretamente acoplada ao impulsor, e todo o conjunto fica no reservatório. Pegada compacta e não há eixo de transmissão longo, mas a rejeição de calor do motor depende da água circundante, e a carcaça do motor pressurizado adiciona custo de capital Popular para drenagem portátil e implantação temporária de resposta a inundações.

Horizontal

Eixo da bomba corre a seção da tubulação Menos comum do que layouts verticais mas headroom é limitado horizontal para um exemplo, refrigerar-industrial, in-line evaporação recirculação, transferência de lastro marinho. Requer uma linha de sucção separada com disposição de escorva.

Em todos os quatro layouts, as pás podem ser especificadas em passo fixo ou passo ajustável. A contagem de pás do impulsor varia de 3 (para os Ns mais altos, tarefas de cabeça mais baixa) a 6 (para circulação industrial mais pesada).Para um catálogo selecionado compatível com pontos de irrigação, drenagem e controle de enchentes, As bombas de fluxo axial da BBP cobrem um envelope de 5.000 AHW da série 8.000 m³/h em layouts verticais de poço úmido, poço seco e submersível.

Onde são usadas bombas de fluxo axial: aplicações da indústria

Como as bombas de fluxo axial se destacam em mover volumes muito grandes contra cabeçotes modestos, elas dominam o serviço de água a granel em vários setores:

Irrigação e Drenagem Agrícola

Estações de bombeamento de irrigação em escala de campo, elevadores de drenagem de arrozais e sistemas de transferência rio-a-pode Fluxos de 1.000 m 20.000 m ³/h com elevadores estáticos abaixo de 10 m são o ponto ideal As bombas axiais de irrigação geralmente funcionam com motores elétricos ou acionamentos de motores elétricos sizados na faixa de 300300 hp.

Controle Municipal de Inundações e Águas Pluviais

Estações de bombeamento permanentes atrás de paredões, instalações combinadas de esgoto-transbordamento (CSO) e estações de elevação de águas pluviais Grandes bombas verticais de fluxo axial de poço seco são a configuração padrão onde a disponibilidade da estação durante eventos de chuva é de missão crítica.

Água de resfriamento da usina

As centrais térmicas e nucleares circulam enormes fluxos de água de resfriamento entre condensadores, torres de resfriamento e entradas de corpo natural. A baixa altura manométrica (principalmente atrito e perda de elevação) e o fluxo extremo (dezenas de milhares de m³/h por unidade) mapeiam exatamente no envelope de fluxo axial.

Tratamento de Esgotos e Recirculação de Águas Residuais

Recirculação de licor misto em instalações de lodo ativado, bombas de lodo ativado retornado (RAS), transferência de efluente primário. As variantes de manuseio de sólidos usam impulsores semiabertos com grandes passagens.

Circulação Química e de Processos

Loops de circulação de evaporadores e cristalizadores em fábricas de produtos químicos, refinarias de açúcar e produção de sal. A circulação contínua de alto volume em baixa altura é necessária para manter os coeficientes de transferência de calor; bombas de fluxo axial em um layout de seção horizontal de tubo são uma escolha comum.

Aquicultura e Aplicações Marinhas

A circulação de água da exploração piscícola, a transferência de água de lastro a bordo e as bombas de água de refrigeração em grandes embarcações. Uma combinação de opções de materiais de serviço corrosivo (impulsores de aço inoxidável, tigelas de bronze) e pegada compacta atende às restrições de instalação marítima.

Fundamentos de seleção: como pensar sobre a escolha da bomba de fluxo axial

Antes de pedir uma cotação a um fornecedor, trabalhe através dessa lógica de cinco etapas Aplica-se a qualquer projeto de fluxo axial, independentemente da indústria ou escala.

1. Confirme se o seu ponto de serviço está em território de fluxo axial Calcule a velocidade específica Ns para o seu projeto Q e H a uma velocidade prática do eixo Se Ns cair acima de aproximadamente 9.000 (unidades dos EUA), o fluxo axial é a classe certa Se Ns estiver abaixo de 4.000, você precisa de uma bomba centrífuga; no meio, considere o fluxo misto.
2. Escolha a configuração nas restrições do local. Poço úmido se a desidratação de manutenção for barata; poço seco se o tempo de atividade da estação for importante; submersível se a pegada estiver apertada; horizontal se o eixo do tubo já estiver especificado.
3. Tamanho do motor (especificado em hp ou kW) contra o pico da curva BHP, não o ponto de serviço de projeto O fluxo axial BHP aumenta à medida que o fluxo cai, de modo que um motor dimensionado para o ponto de projeto pode disparar em sobrecarga se o sistema alguma vez estrangular em direção ao desligamento. Projete para o pior caso que seu sistema de controle pode criar.
4. Combine materiais ao serviço fluido Água limpa: tigela de ferro fundido, impulsor de bronze Abrasivo ou corrosivo: graus de aço inoxidável (304/316/CF3 M) com peças de desgaste de face dura Esgoto ou sólidos-carregado: impulsor semi-aberto com folga generosa da lâmina.
5. Margem NPSH do orçamento Especifique NPSHa pelo menos 1 m acima do NPSHr do fornecedor em todos os pontos de operação Margens apertadas parecem baratas na folha de dados e caras no orçamento de manutenção.

Duas ferramentas BBP traduzem a estrutura em uma cotação de fornecedor: a ferramenta seletora bomba fluxo axial corresponde ao seu ponto de serviço Q/H com uma configuração BBP; o calculadora TCO bomba projeta custo total de propriedade de 5 anos em relação aos insumos da tarifa de energia. Depois de corrigir as restrições de Q, H e local, Série de bombas de fluxo de fluxo AHW 5.000 AHW da BBP 6 sub³ axial 000/h em layouts verticais, mersíveis e horizontais 0 shortlist comercial directo.

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Perguntas frequentes