Forståelse af hydrauliske kræfter i pumper
Hydrauliske kræfter er de kræfter, som en strømmende væske udøver på pumpens komponenter: trykbelastninger på pumpehjulets skovle, aksialt tryk som følge af trykforskellen på tværs af pumpehjulet, radiale kræfter fra en asymmetrisk trykfordeling samt pulserende kræfter, der opstår som følge af strømningsturbulens og samspillet mellem vinge og spiralhus. De adskiller sig fundamentalt fra de mekaniske kræfter, der frembringes af ubalance eller forskydning, fordi de skyldes væsketryk og ændringer i impuls i stedet for roterende masse — og de viser sig i spektret som vingepassagefrekvens og de dermed forbundne harmoniske svingninger. Det er afgørende at forstå disse for at sikre pumpens pålidelighed: Hydrauliske kræfter medfører belastning af lejer, afbøjning af akslen og vibrationer som ændrer sig afhængigt af driftsforholdene — gennemstrømningshastighed, tryk og væskens egenskaber — hvilket får en pumpe til at opføre sig helt anderledes end maskiner, hvis kræfter udelukkende er mekaniske.
1. Definition: Hvad er hydrauliske kræfter?
I en ideel pumpe ville væsken udøve et jævnt tryk på alle dele af pumpehjulet og pumpehuset, og de eneste kræfter, der virkede på akslen, ville være mekaniske. Virkeligheden er mere kompliceret. Trykket er højere ved udløbet end ved indløbet, det fordeles ujævnt rundt om pumpehjulets omkreds, og det pulserer hver gang en vinge passerer forbi husets tunge. Summen af disse effekter er en række konstante, langsomt varierende og hurtigt pulserende belastninger, der virker på rotoren og konstruktionen. Af afgørende betydning er, at deres størrelse afhænger af hvor pumpen kører på sin kurve — et faktum, der giver den diagnostiske ingeniør et stærkt redskab, for når strømningen ændres, ændres kræfterne.
2. Typer af hydrauliske kræfter
2.1 Aksial trykkraft (hydraulisk trykkraft)
Den samlede aksialkraft, der skyldes trykforskellen på tværs af pumpehjulet:
- Mekanisme: Trykket på udløbssiden virker på den ene side af pumpehjulet, mens trykket på indsugningssiden virker på den anden side.
- Retning: normalt mod sugesiden (bagsiden af pumpehjulet).
- Størrelsesorden: kan nå op på flere tusinde pund i tryk, selv i pumper af moderat størrelse.
- Effekt: loads the trykleje and can cause aksial vibration.
- Varierer med: gennemstrømningshastighed, tryk og pumpehjulets udformning.
Metoder til udligning af tryk
- Balance holes: huller gennem pumpehjulets afskærmning, der udligner trykket på tværs af den.
- Back vanes: vinger på den bageste afskærmning, der pumper væske udad for at sænke trykket på bagsiden.
- Dobbeltindsugningshjul: et symmetrisk design, hvor de to sider ophæver hinandens trykkraft.
- Modsatrettede løbehjul: flertrinspumper, hvor pumpehjulene er anbragt med indløbsretninger i modsatte retninger.
2.2 Radiale kræfter
Sideværts kræfter, der opstår som følge af en asymmetrisk trykfordeling omkring pumpehjulet:
Ved det optimale effektivitetspunkt (BEP)
- Trykfordelingen er forholdsvis symmetrisk omkring løbehjulet.
- De radiale kræfter er i balance og ophæver stort set hinanden.
- Den radiale nettokraft er minimal.
- Dette er den tilstand, hvor der er mindst vibrationer.
Uden for BEP — lavt flow
- Trykfordelingen i spiralhuset bliver asymmetrisk.
- Der opstår en netto radialkraft i retning af spiralhusets tunge (skærm).
- Dens størrelse øges, når gennemstrømningen falder.
- Ved afbrydelse kan det udgøre 20–40 % af pumpehjulets vægt.
- Den roterende radiale kraft manifesterer sig som en 1×-vibration.
Uden for BEP — højt flow
- Der opstår et andet asymmetrimønster.
- Der er en radial kraft til stede, men den er typisk mindre end ved lavt gennemstrømning.
- Strømningsturbulens tilføjer tilfældige kraftkomponenter oveni.
2.3 Pulseringer forårsaget af vinger
Periodiske trykstød, der opstår, når hver vinge passerer foran skærmbrættet:
- Frekvens: antal vinger × omdrejningstal / 60.
- Mekanisme: Hver vinge, der passerer tungen, genererer en trykimpuls.
- Kræfter: virker på pumpehjulet, spiralhuset og pumpehuset.
- Vibrationer: dominerende ved vingens svingfrekvens.
- Størrelsesorden: afhænger af frihøjden ved stævnen, driftspunktet og konstruktionen.
2.4 Recirkulationskræfter
- Lavfrekvente ustabile kræfter fra strømningsinstabiliteter
- Forekommer ved meget lave — og undertiden meget høje — gennemstrømningshastigheder.
- Frekvenser på typisk 0,2–0,8 gange løbehastigheden, i subsynkron band.
- Kan forårsage kraftige lavfrekvente vibrationer.
- Et tydeligt tegn på, at driften ligger langt fra BEP — se recirkulation.
3. Indvirkning på pumpens ydeevne
Lejebelastning
- Hydrauliske radialkræfter øger den mekaniske belastning på lejerne.
- Forskellige kræfter udøver cyklisk belastning.
- Belastningen er størst ved lavt vandgennemstrømning.
- Ved valg af leje skal der tages højde for den hydrauliske komponent.
- Lejets levetid falder kraftigt med belastningen (levetiden er proportional med 1/(belastning³)), så en moderat Beregning af L10-lejelevetid kan vise, hvor meget en lav radial kraft forkorter levetiden.
Akselafbøjning
- Radialkræfter bøjer akslen.
- Dette ændrer tætningsafstanden og slibringens pasform.
- Det kan mindske effektiviteten.
- I ekstreme tilfælde fører det til en rub.
Generering af vibrationer
- 1× component: fra den konstante eller langsomt varierende radiale kraft.
- VPF-komponent: fra trykudsvingene.
- Low-frequency: fra recirkulation og andre ustabiliteter.
- Afhængigt af driftspunktet: Det samlede billede ændrer sig afhængigt af gennemstrømningshastigheden.
Mekanisk belastning
- Cykiske kræfter udøver træthed loading.
- Løbehjulets skovle udsættes for belastning som følge af trykforskellene.
- Akslen udsættes for udmattelse som følge af bøjningsmomenter.
- Kabinettet udsættes for belastning fra trykpulseringerne.
4. Minimering af hydrauliske kræfter
Drift tæt på BEP
- Den absolut mest effektive strategi til at minimere de hydrauliske kræfter.
- Sørg for at holde driften inden for 80–110 % af BEP-gennemstrømningen, hvor det er muligt.
- Radialkræfterne er mindst ved BEP.
- Vibrationer og lejebelastninger minimeres i fællesskab.
Designfunktioner
- Diffuser-pumper: en mere symmetrisk trykfordeling end ved en enkelt spiralhus.
- Dobbelt spiralhus: to bølgebrydere, der er placeret 180° fra hinanden og udligner de radiale kræfter.
- Større frirum: reducere trykstød ved vingepassagen (på bekostning af en vis effektivitet).
- Valg af vingetal: valgt for at undgå akustiske resonanser.
System design
- Sørg for beskyttelse mod recirkulation ved minimalt flow for basislastpumper.
- Vælg en pumpe, der passer til den faktiske opgave, og undgå at vælge en for stor pumpe.
- Brug en frekvensomformer til at holde det optimale driftspunkt.
- Indløbet skal udformes således, at forhvirvling og turbulens minimeres.
5. Diagnostisk anvendelse
Ydelseskurver og hydrauliske kræfter
- Plot vibrationerne mod gennemstrømningshastigheden.
- Vibrationerne er typisk mindst ved eller tæt på det optimale driftspunkt.
- Stigende vibrationer ved lavt gennemstrømningstryk indikerer store radiale kræfter.
- Grafen er med til at fastlægge et fornuftigt driftsområde.
VPF analysis
- VPF-amplituden angiver styrken af den hydrauliske pulsering.
- En stigende VPF-værdi tyder på forringede sikkerhedsmargener eller en ændring i driftspunktet.
- VPF harmoniske tyder på turbulent, urolig strømning.
At skelne disse hydrauliske signaler fra de rent mekaniske er kernen i pumpediagnostik, og det er her, en bærbar analysator viser sit værd i marken. Den Balanset-1A captures the vibrationsspektrum på lejehusene og udskiller 1×-, VPF- og lavfrekvenskomponenterne, så en ingeniør kan vurdere, om en høj måleværdi kræver feltafbalancering (en mekanisk løsning) eller en ændring af driftspunktet (en hydraulisk løsning) — og hvis diagnosen tyder på ubalance, skal rotoren afbalanceres, og resultatet skal kontrolleres på stedet.
6. Overvejelser vedrørende måling
Målepunkter for vibrationer
- Lejehus: registrere de samlede mekaniske og hydrauliske kræfter.
- Pump casing: mere følsom over for hydrauliske svingninger.
- Suge- og udløbsrør: overføre de transmitterede trykpulseringer.
- Flere steder: Ved at sammenligne dem kan man skelne mellem hydrauliske og mekaniske årsager.
Måling af trykpulseringer
- Monter trykfølere i suge- og tryksiden.
- Disse måler de hydrauliske pulseringer direkte.
- Sammenhold pulsationsdataene med vibrationerne.
- Brug kombinationen til at identificere akustiske resonanser.
Hydrauliske kræfter er afgørende for, hvordan en pumpe fungerer, og udgør en væsentlig kilde til dens vibrationer og belastning. Det er afgørende for at opnå en pålidelig pumpeydelse med lang levetid i industriel drift at forstå, hvordan disse kræfter varierer afhængigt af driftsforholdene, at kunne genkende deres karakteristiske mønstre i vibrationsspektret samt at konstruere og drive pumperne således, at kræfterne holdes på et lavt niveau – primært ved at køre tæt på det optimale driftspunkt (BEP). For en mere uddybende gennemgang af de fejl, som disse kræfter forårsager, se fejl ved centrifugalpumper og defekter ved pumpehjulet.
