Was sind hydraulische Kräfte? Pumpenvibrationsquellen • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was sind hydraulische Kräfte? Pumpenvibrationsquellen • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was sind hydraulische Kräfte? Pumpenvibrationsquellen

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Hydraulische Kräfte in Pumpen verstehen

Definition: Was sind hydraulische Kräfte?

Hydraulische Kräfte sind Kräfte, die von der strömenden Flüssigkeit auf Pumpenkomponenten ausgeübt werden. Dazu gehören druckbedingte Belastungen der Laufradschaufeln, Axialschub durch Druckunterschiede, Radialkräfte durch asymmetrische Druckverteilungen und pulsierende Kräfte durch Strömungsturbulenzen und die Wechselwirkung zwischen Schaufel und Spirale. Diese Kräfte unterscheiden sich von mechanischen Kräften (von Unwucht, Fehlausrichtung), da sie durch Flüssigkeitsdruck- und Impulsänderungen entstehen und Vibration Komponenten bei Schaufeldurchgangsfrequenz und verwandte Harmonische.

Das Verständnis hydraulischer Kräfte ist für die Zuverlässigkeit der Pumpe von entscheidender Bedeutung, da diese Kräfte Lagerbelastungen, Wellendurchbiegungen und Vibrationen verursachen, die je nach Betriebsbedingungen (Durchflussrate, Druck, Flüssigkeitseigenschaften) variieren. Dadurch unterscheidet sich das Verhalten der Pumpe von dem anderer rotierender Maschinen, bei denen die Kräfte hauptsächlich mechanischer Natur sind.

Arten hydraulischer Kräfte

1. Axialschub (Hydraulischer Schub)

Netto-Axialkraft aus der Druckdifferenz über dem Laufrad:

  • Mechanismus: Auslassdruck auf der einen Seite, Saugdruck auf der anderen Seite des Laufrads
  • Richtung: Normalerweise in Saugrichtung (Rückseite des Laufrads)
  • Größe: Kann selbst bei moderaten Pumpen Tausende von Pfund wiegen
  • Wirkung: Belastungen des Axiallagers können dazu führen, axiale Schwingung
  • Variiert mit: Fördermenge, Druck, Laufradausführung

Schubausgleichsmethoden

  • Ausgleichslöcher: Löcher in der Laufradabdeckung gleichen den Druck aus
  • Hintere Flügel: Flügel auf der Rückseite pumpen Flüssigkeit, um den Druck zu reduzieren
  • Doppelflutige Laufräder: Symmetrisches Design zur Aufhebung des Schubs
  • Gegenläufige Laufräder: Mehrstufige Pumpen mit gegenläufigen Laufrädern

2. Radiale Kräfte

Seitliche Kräfte durch asymmetrische Druckverteilung:

Am Best Efficiency Point (BEP)

  • Druckverteilung relativ symmetrisch um das Laufrad
  • Radiale Kräfte werden ausgeglichen und aufgehoben
  • Minimale Nettoradialkraft
  • Niedrigste Vibrationsbedingung

Aus BEP (Niedriger Durchfluss)

  • Asymmetrische Druckverteilung in der Spirale
  • Nettoradialkraft in Richtung Spiralzunge
  • Die Kraftgröße nimmt mit abnehmendem Durchfluss zu
  • Kann 20-40% des Laufradgewichts bei Abschaltung betragen
  • Erzeugt 1× Vibration durch rotierende Radialkraft

Aus BEP (Hoher Durchfluss)

  • Unterschiedliches Asymmetriemuster
  • Radialkraft vorhanden, aber typischerweise geringer als bei geringem Durchfluss
  • Strömungsturbulenzen fügen zufällige Kraftkomponenten hinzu

3. Pulsationen beim Durchlaufen der Schaufel

Periodische Druckimpulse, wenn die Schaufeln die Wasserzunge passieren:

  • Frequenz: Anzahl der Flügel × U/min / 60
  • Mechanismus: Jeder Flügeldurchgang erzeugt einen Druckimpuls
  • Kräfte: Wirkt auf Laufrad, Spirale und Gehäuse
  • Vibration: Dominant bei der Flügeldurchgangsfrequenz
  • Größe: Abhängig von Spiel, Betriebspunkt, Bauform

4. Rückführungskräfte

  • Niederfrequente instationäre Kräfte aus Strömungsinstabilitäten
  • Treten bei sehr niedrigen oder sehr hohen Durchflussraten auf
  • Frequenzen typischerweise 0,2–0,8 × Laufgeschwindigkeit
  • Kann starke niederfrequente Vibrationen erzeugen
  • Zeigt den Betrieb weit vom BEP an

Auswirkungen auf die Pumpenleistung

Lagerbelastung

  • Hydraulische Radialkräfte verstärken die mechanischen Belastungen
  • Unterschiedliche Kräfte erzeugen zyklische Belastung
  • Maximale Belastung bei niedrigen Durchflussbedingungen
  • Bei der Lagerauswahl müssen die hydraulischen Belastungen berücksichtigt werden
  • Durch hydraulische Kräfte verringerte Lagerlebensdauer (Lebensdauer ∝ 1/Last³)

Wellendurchbiegung

  • Radiale Kräfte lenken die Welle ab
  • Ändert Dichtungsspalte und Verschleißringe
  • Kann die Effizienz beeinträchtigen
  • Extremfälle führen zu Reibungen

Schwingungserzeugung

  • 1× Komponente: Von konstanter oder langsam variierender Radialkraft
  • VPF-Komponente: Von Druckpulsationen
  • Niederfrequenz: Von Rezirkulation und Instabilitäten
  • Betriebspunktabhängig: Die Vibration variiert mit der Durchflussrate

Mechanische Beanspruchung

  • Zyklische Kräfte erzeugen Ermüdungsbelastung
  • Durch Druckunterschiede beanspruchte Laufradschaufeln
  • Wellenermüdung durch Biegemomente
  • Gehäusespannung durch Druckpulsationen

Minimierung der Hydraulikkraft

Betrieb in der Nähe des BEP

  • Effektivste Strategie zur Minimierung hydraulischer Kräfte
  • Wenn möglich, innerhalb von 80-110% des BEP-Durchflusses arbeiten
  • Radialkräfte im besten Betriebspunkt minimal
  • Minimierung von Vibrationen und Lagerbelastungen

Design-Merkmale

  • Diffusorpumpen: Symmetrischere Druckverteilung als bei einer Spirale
  • Doppelte Spirale: Zwei um 180° versetzte Bugwellen gleichen radiale Kräfte aus
  • Erhöhte Freigaben: Reduzieren Sie Druckpulsationen an den Schaufeln (aber verringern Sie die Effizienz)
  • Auswahl der Schaufelanzahl: Optimieren Sie, um akustische Resonanzen zu vermeiden

Systemdesign

  • Mindestdurchflussrückführung für Grundlastpumpen
  • Pumpe mit der richtigen Größe für den tatsächlichen Einsatz (Überdimensionierung vermeiden)
  • Antrieb mit variabler Drehzahl zur Aufrechterhaltung des optimalen Betriebspunkts
  • Einlassdesign minimiert Vorwirbel und Turbulenzen

Diagnostische Verwendung

Leistungskurven und hydraulische Kräfte

  • Diagramm der Vibration im Vergleich zur Durchflussrate
  • Minimale Vibrationen typischerweise bei oder nahe dem besten Leistungspunkt
  • Zunehmende Vibrationen bei geringem Durchfluss weisen auf hohe Radialkräfte hin
  • Leitet die Auswahl des Betriebsbereichs

VPF-Analyse

  • Die VPF-Amplitude zeigt die Schwere der hydraulischen Pulsation an
  • Ein zunehmender VPF deutet auf eine Verschlechterung des Spielraums oder eine Verschiebung des Betriebspunkts hin
  • VPF-Harmonische zeigen turbulente, gestörte Strömung an

Überlegungen zur Messung

Schwingungsmessstellen

  • Lagergehäuse: Erkennen Sie mechanische und hydraulische Gesamtkräfte
  • Pumpengehäuse: Empfindlicher gegenüber hydraulischen Pulsationen
  • Saug- und Druckleitungen: Druckpulsationsübertragung
  • Mehrere Standorte: Unterscheiden Sie hydraulische von mechanischen Quellen

Druckpulsationsmessung

  • Druckmessumformer in Saug- und Druckstufe
  • Hydraulische Pulsationen direkt messen
  • Mit Vibration korrelieren
  • Identifizieren Sie akustische Resonanzen

Hydraulische Kräfte sind für den Pumpenbetrieb von grundlegender Bedeutung und eine Hauptursache für Pumpenvibrationen und -belastungen. Das Verständnis der Veränderung dieser Kräfte je nach Betriebsbedingungen, das Erkennen ihrer Signaturen in Schwingungsspektren und die Konstruktion/der Betrieb von Pumpen zur Minimierung der hydraulischen Kräfte durch Betrieb nahe dem Bestpunkt (BEP) sind für eine zuverlässige und langlebige Pumpenleistung in industriellen Anwendungen unerlässlich.

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