Разбиране на хидравличните сили в помпите
Хидравлични сили са силите, които течащата течност упражнява върху компонентите на помпата: натоварвания, предизвикани от налягането върху лопатките на работното колело, аксиално усилие, дължащо се на разликата в налягането от двете страни на работното колело, радиални сили, произтичащи от асиметричното разпределение на налягането, и пулсиращи сили, породени от турбулентност на потока и взаимодействието между лопатките и спиралата. Те се различават коренно от механичните сили, създавани от дисбаланс или несъосност, тъй като те се дължат на налягането на флуида и промените в импулса, а не на въртящата се маса — и се проявяват в спектъра като честота на преминаване на лопатката и свързаните с тях хармоници. Разбирането им е от съществено значение за надеждността на помпата: хидравличните сили предизвикват натоварване на лагерите, изкривяване на вала и вибрация които се променят в зависимост от работните условия — дебит, налягане и свойства на течността — което кара помпата да се държи съвсем различно от машините, чиито сили са чисто механични.
1. Определение: Какво представляват хидравличните сили?
При идеална помпа течността би упражнявала равномерно налягане върху всяка част от работното колело и корпуса, а единствените сили, действащи върху вала, биха били механични. Реалността е по-сложна. Налягането е по-високо при изпускането, отколкото при всмукването, разпределя се неравномерно по периферията на работното колело и пулсира всеки път, когато лопатката минава покрай езика на корпуса. Сумата от тези ефекти е набор от постоянни, бавно променящи се и бързо пулсиращи натоварвания, които действат върху ротора и конструкцията. От решаващо значение е, че техният размер зависи от когато помпата работи в рамките на работната си крива — факт, който предоставя на инженера по диагностика мощно средство, тъй като промяната на дебита води до промяна на силите.
2. Видове хидравлични сили
2.1 Аксиално усилие (хидравлично усилие)
Нетната аксиална сила, възникваща в резултат на разликата в налягането от двете страни на работното колело:
- Механизъм: налягането на изхода действа от едната страна на работното колело, а налягането на всмукването – от другата.
- Посока: обикновено към всмукателната страна (задната част на работното колело).
- Величина: може да достигне хиляди паунда сила дори при помпи със среден размер.
- Ефект: loads the аксиален лагер and can cause аксиални вибрации.
- Зависи от: дебит, налягане и конструкция на работното колело.
Методи за балансиране на тягата
- Balance holes: отвори в кожуха на работното колело, които изравняват налягането от двете му страни.
- Back vanes: лопатките на задния кожух, които изтласкват течността навън, за да понижат налягането от задната страна.
- Работни колела с двойно всмукване: симетрична конструкция, при която силите на двете страни се неутрализират взаимно.
- Противоположни ротори: многостъпални помпи, при които роторите са разположени в противоположни посоки.
2.2 Радиални сили
Странични сили, предизвикани от асиметричното разпределение на налягането около работното колело:
В точката на максимална ефективност (BEP)
- Разпределението на налягането е относително симетрично около работното колело.
- Радиалните сили са в равновесие и до голяма степен се неутрализират.
- Нетната радиална сила е минимална.
- Това е състоянието с най-ниска вибрация.
Извън BEP — нисък дебит
- Разпределението на налягането във спиралата става асиметрично.
- Възниква нетна радиална сила, насочена към езика на спиралата (водоразделител).
- Неговата величина нараства с намаляването на дебита.
- При изключване тя може да достигне 20–40 % от теглото на работното колело.
- Въртящата се радиална сила се проявява като вибрация с честота 1×.
Извън BEP — висок дебит
- Развива се различен модел на асиметрия.
- Налице е радиална сила, но обикновено тя е по-малка, отколкото при нисък дебит.
- Турбулентността на потока добавя към това и компоненти на случайни сили.
2.3 Пулсации при преминаване на лопатките
Периодични импулси на налягане, които възникват при всяко преминаване на лопатката покрай предния обтекател:
- Честота: брой лопатки × обороти в минута / 60.
- Механизъм: всяка перка, която минава покрай езика, генерира импулс на налягане.
- Сили: действа върху работното колело, спираловидния корпус и корпуса.
- Вибрация: доминираща при честотата на преминаване на лопатката.
- Величина: зависи от разстоянието до носа, работната точка и конструкцията.
2.4 Сили на рециркулация
- Нискочестотни нестационарни сили от нестабилности на потока
- Възникват при много ниски — а понякога и при много високи — дебити.
- Честотата обикновено е 0,2–0,8 пъти по-висока от скоростта на движение, в субсинхронен band.
- Може да предизвика силни нискочестотни вибрации.
- Ясен признак за работа далеч от точката на икономическа ефективност — виж рециркулация.
3. Въздействие върху работата на помпата
Натоварване на лагерите
- Хидравличните радиални сили се прибавят към механичните натоварвания върху лагерите.
- Променливи сили предизвикват циклично натоварване.
- Натоварването е най-голямо при нисък дебит.
- При избора на лагери трябва да се вземе предвид хидравличният компонент.
- Експлоатационният срок на лагера намалява рязко с нарастването на натоварването (срокът е пропорционален на 1/(натоварване)³), така че умерено Изчисляване на експлоатационния срок на лагера L10 може да покаже до каква степен радиалната сила при нисък дебит съкращава експлоатационния срок.
Деформация на вала
- Радиалните сили изкривяват вала.
- Това променя зазорите на уплътненията и прилягането на износващите се пръстени.
- Това може да понижи ефективността.
- В крайни случаи това води до търкайте.
Генериране на вибрации
- 1× component: от постоянната или бавно променящата се радиална сила.
- Компонент VPF: от пулсациите на налягането.
- Low-frequency: от рециркулация и други нестабилности.
- Зависи от работната точка: цялостната картина се променя в зависимост от дебита.
Механично напрежение
- Цикличните сили оказват въздействие умора loading.
- Лопатките на работното колело са подложени на натоварване от разликите в налягането.
- Валът е подложен на умора от огъващи моменти.
- Корпусът е подложен на напрежение от пулсациите на налягането.
4. Намаляване на хидравличните сили
Работа в близост до границата на икономическата ефективност
- Най-ефективната стратегия за намаляване на хидравличните сили.
- Когато е възможно, се стремете да работите в диапазона 80–110 % от дебита при BEP.
- Радиалните сили са най-малки в точката на оптимална ефективност.
- Вибрациите и натоварването на лагерите се свеждат до минимум едновременно.
Конструкционни характеристики
- Помпи дифузьори: по-симетрично разпределение на налягането в сравнение с една спирална камера.
- Двойна спирала: два водноотбивателя, разположени под ъгъл 180°, които уравновесяват радиалните сили.
- Повишени клиренси: да се намалят импулсите на налягането при преминаване през лопатките (за сметка на известна загуба на ефективност).
- Избор на брой лопатки: избрани с цел избягване на акустични резонанси.
System design
- Осигурете защита срещу рециркулация при минимален дебит за помпите за основно натоварване.
- Изберете помпа с подходящ размер за конкретната задача и избягвайте избор на прекалено голям размер.
- Използвайте регулатор на скоростта, за да поддържате оптималната работна точка.
- Проектирайте входния отвор така, че да се сведе до минимум предварителното завихряне и турбулентността.
5. Диагностично приложение
Характеристични криви и хидравлични сили
- Начертайте графиката на зависимостта между вибрациите и дебита.
- Минималната вибрация обикновено се наблюдава при или в близост до точката на оптимална ефективност.
- Повишената вибрация при нисък дебит е признак за големи радиални сили.
- Графиката помага за определянето на разумен работен диапазон.
VPF analysis
- Амплитудата на VPF показва степента на хидравличните пулсации.
- Повишаването на VPF сочи за влошаване на разстоянията или за промяна в работната точка.
- ВПФ хармоници посочват наличието на турбулентно, неравномерно течение.
Отделянето на тези хидравлични характеристики от чисто механичните е в основата на диагностиката на помпите и именно тук преносимият анализатор доказва своята полезност на място. Balanset-1A улавя вибрационен спектър върху корпусите на лагерите и разграничава 1×, VPF и нискочестотните компоненти, така че инженерът да може да прецени дали високата стойност на показанията налага балансиране на място (механично отстраняване) или промяна на работната точка (хидравлично отстраняване) — а когато диагнозата сочи наличието на дисбаланс, балансирайте ротора и проверете резултата на място.
6. Съображения, свързани с измерването
Места за измерване на вибрациите
- Корпуси на лагери: да се отчитат съвкупните механични и хидравлични сили.
- Pump casing: по-чувствителни към хидравлични пулсации.
- Тръбопроводи за всмукване и изпускане: пренасят пулсациите на подаваното налягане.
- Няколко места: Сравнението им помага да се разграничат хидравличните от механичните източници.
Измерване на пулсациите на налягането
- Монтирайте датчици за налягане на входа и изхода.
- Те измерват хидравличните пулсации директно.
- Свържете данните за пулсациите с вибрациите.
- Използвайте комбинацията, за да определите акустичните резонанси.
Хидравличните сили са от основно значение за принципа на действие на помпата и представляват основен източник на нейните вибрации и натоварване. Разбирането на това как тези сили се променят в зависимост от работните условия, разпознаването на техните характеристики в спектъра на вибрациите, както и проектирането и експлоатацията на помпите с цел поддържане на ниски нива на тези сили — главно чрез работа в близост до точката на оптимална ефективност (BEP) — са от съществено значение за постигането на надеждна и дълготрайна работа на помпите в промишлената експлоатация. За по-подробна информация относно повредите, причинени от тези сили, вижте дефекти на центробежните помпи и дефекти в работното колело.
