Pumpade hüdrauliliste jõudude mõistmine
Hüdraulilised jõud on jõud, mida voolav vedelik avaldab pumbakomponentidele: rõhust tingitud koormused tiiviku labadele, aksiaalne tõukejõud, mis tuleneb rõhkude erinevusest tiivikul, radiaalsed jõud, mis tulenevad asümmeetrilisest rõhujaotusest, ja pulseerivad jõud, mis tekivad seoses vooluturbulents ja laba–spiraalkambri vastasmõju. Need erinevad põhimõtteliselt mehaanilistest jõududest, mida tekitavad tasakaalustamatus või joondusviga, sest need tekivad pigem vedeliku rõhu ja impulsi muutustest kui pöörlevast massist - ja need ilmnevad spektris kui labade läbimissagedus ja sellega seotud harmoonilised. Nende mõistmine on oluline pumpade töökindluse seisukohalt: hüdraulilised jõud tekitavad laagrikoormusi, võlli läbipaindeid ja vibratsioon mis muutuvad vastavalt töötingimustele - vooluhulgale, rõhule ja vedeliku omadustele -, mistõttu pump käitub täiesti erinevalt masinatest, mille jõud on puhtmehaanilised.
1. Määratlus: Mis on hüdraulilised jõud?
Ideaalses pumbas suruks vedelik ühtlaselt igale tiiviku ja korpuse osale ning võllile mõjuksid ainult mehaanilised jõud. Tegelikkus on segasem. Rõhk on väljalaskepoolel suurem kui sissevõtul, see on ebaühtlaselt jaotunud ümber tiiviku perifeeria ning pulseerib iga kord, kui laba möödub korpuse keelest. Nende efektide summa on rootorile ja konstruktsioonile mõjuvate püsivate, aeglaselt muutuvate ja kiiresti pulseerivate koormuste kogum. Oluline on, et nende suurus sõltub kus pump töötab oma kõveral - asjaolu, mis annab diagnostikainsenerile võimsa hoova, sest voolu muutmine muudab jõudusid.
2. Hüdrauliliste jõudude tüübid
2.1 Aksiaalne tõukejõud (hüdrauliline tõukejõud)
Tiiviku kohal valitsevast rõhkude erinevusest tulenev netoaksiaaljõud:
- Mehhanism: tühjendusrõhk mõjub tiiviku ühel poolel, imemisrõhk teisel poolel.
- Suund: tavaliselt sissevõtu suunas (tiiviku tagaküljel).
- Suurusjärk: võib saavutada tuhandeid naela jõudu isegi mõõduka suurusega pumpades.
- Mõju: koormab tõukelaager ja võib põhjustada aksiaalne vibratsioon.
- Varieerub koos: vooluhulk, rõhk ja tiiviku konstruktsioon.
Tõukejõu tasakaalustamise meetodid
- Tasakaaluaugud: augud läbi tiivikukilbi, mis tasakaalustavad rõhku kogu tiivikukilbi ulatuses.
- Tagalabad: tagumise katte labidad, mis pumbavad vedelikku väljapoole, et vähendada tagumise külje rõhku.
- Kahepoolse imemisega tiivikud: sümmeetriline konstruktsioon, mille puhul kaks külge tühistavad teineteise tõukejõu.
- Vastupidised tiivikud: mitmeastmelised pumbad, mille tiivikud on paigutatud vastassuunas.
2.2 Radiaaljõud
Külgmised jõud, mis tekivad ebasümmeetrilise rõhujaotuse tõttu tiiviku ümber:
Parima tõhususe punktis (BEP)
- Rõhujaotus on suhteliselt sümmeetriline ümber tiiviku.
- Radiaaljõud on tasakaalustatud ja suures osas tühistuvad.
- Radiaalne netojõud on minimaalne.
- See on madalaima vibratsiooniga seisund.
Väljas BEP - madal vooluhulk
- Rõhu jaotumine spiraalis muutub asümmeetriliseks.
- Tekib netoradiaaljõud spiraalikeele suunas.
- Selle suurus kasvab, kui vooluhulk väheneb.
- Väljalülitamisel võib see jõuda 20-40% tiiviku kaaluni.
- Pöörlev radiaaljõud ilmneb 1× vibratsioonina.
Väljas BEP - suur vooluhulk
- Tekib erinev asümmeetria muster.
- Radiaaljõud on olemas, kuid on tavaliselt väiksem kui väikese vooluhulga korral.
- Voolu turbulentsus lisab sellele juhuslikke jõukomponente.
2.3 Labade möödumispulsatsioonid
Perioodilised rõhuimpulsid, mis tekivad, kui iga laba möödub spiraalikeelest:
- Sagedus: labade arv × pöörete arv / 60.
- Mehhanism: iga laba, mis möödub keelest, tekitab rõhuimpulsi.
- Jõud: mõjuvad tiivikule, spiraalile ja korpusele.
- Vibratsioon: domineerib tiiviku läbisõidu sagedusel.
- Suurusjärk: sõltub lõikevee vahekaugusest, tööpunktist ja konstruktsioonist.
2.4 Ringlusjõud
- Voolu ebastabiilsusest tulenevad madala sagedusega ebastabiilsed jõud
- Esinevad väga väikeste - ja mõnikord ka väga suurte - vooluhulkade korral.
- Sagedused on tavaliselt 0,2–0,8× pöörlemiskiiruse vahemikus, subsünkroonne vahemikus.
- Võib tekitada tugevat madalsageduslikku vibratsiooni.
- Selge märk toimimisest kaugel BEPist - vt. retsirkulatsioon.
3. Mõju pumba jõudlusele
Laagrikoormus
- Hüdraulilised radiaaljõud suurendavad laagrite mehaanilist koormust.
- Muutuvad jõud põhjustavad tsüklilist koormust.
- Kõige suurem koormus on madala vooluhulga tingimustes.
- Laagri valikul tuleb arvesse võtta hüdraulilist komponenti.
- Laagri eluiga langeb järsult koos koormusega (eluiga on proportsionaalne 1/koormusega³), nii et tagasihoidliku L10 laagri eluea arvutamine võib näidata, kui palju lühendab vähese vooluhulgaga radiaaljõud kasutusiga.
Võlli läbipaindumine
- Radiaaljõud painutavad võlli.
- See muudab tihendite vahekaugusi ja kulumisrõngaste sobivust.
- See võib vähendada tõhusust.
- Äärmuslikel juhtudel viib see hõõrdumine.
Vibratsiooni tekitamine
- 1× komponent: püsivast või aeglaselt muutuvast radiaaljõust.
- VPF komponent: rõhu pulseerimisest.
- Madala sagedusega: ringlusest ja muudest ebastabiilsustest.
- Operatsioonipunktist sõltuv: kogu pilt muutub koos voolukiirusega.
Mehaaniline koormus
- Tsüklilised jõud tekitavad väsimus laadimine.
- Tiiviku labad on rõhkude erinevuste tõttu pingestatud.
- Võllile avaldub paindemomendi tõttu väsimus.
- Korpus on rõhuimpulsside tõttu pingestatud.
4. Hüdrauliliste jõudude minimeerimine
Tegutseda BEPi lähedal
- Kõige tõhusam strateegia hüdrauliliste jõudude minimeerimiseks.
- Püüdke võimaluse korral tegutseda BEP voolu piires 80-110%.
- Radiaaljõud on minimaalsed BEPi juures.
- Vibratsioon ja laagrikoormus on koos minimeeritud.
Disaini omadused
- Hajutipumbad: sümmeetrilisem rõhujaotus kui ühe spiraalkambri puhul.
- Kahekordne voluut: kaks üksteisest 180° kaugusel asuvat lõikevett, mis tasakaalustavad radiaalseid jõude.
- Suurenenud vahekaugused: vähendavad labade möödumisel tekkivaid rõhuimpulsse (mõningase tõhususkulu arvelt).
- Labade arvu valik: valitud akustiliste resonantside vältimiseks.
Süsteemi kavandamine
- Tagada baaskoormuspumpade minimaalse vooluhulgaga ringluskaitse.
- Mõõtke pump õigesti vastavalt tegelikule töörežiimile ja vältige ülemõõtmist.
- Kasutage optimaalse tööpunkti hoidmiseks muutuva kiirusega ajamit.
- Kujundage sisselaskeava nii, et vähendada eelpöörlemist ja turbulentsi.
5. Diagnostiline kasutamine
Jõudluskõverad ja hüdraulilised jõud
- Joonistage vibratsioon voolukiiruse suhtes.
- Minimaalne vibratsioon on tavaliselt BEP-i juures või selle lähedal.
- Tõusev vibratsioon madala vooluhulga juures annab märku suurtest radiaaljõududest.
- Joonis aitab määratleda mõistliku tööpiirkonna.
VPF analüüs
- VPF amplituud näitab hüdraulilise pulsatsiooni tugevust.
- Kasvav VPF viitab halvenevatele lõtkudele või tööpunkti nihkele.
- VPF harmoonilised viitavad turbulentsele, häiritud voolule.
Nende hüdrauliliste tunnuste eraldamine puhtmehaanilistest on pumba diagnoosimise põhiküsimus ja just siin tõestab kaasaskantav analüsaator oma väärtust kohapeal. Seade Balanset-1A jäädvustab vibratsioonispekter laagrikorpustel mõõdab vibratsiooni ja eristab 1×-, VPF- ja madalsageduslikke komponente, nii et insener saab otsustada, kas kõrge näit nõuab välitasakaalustamine tasakaalustamist (mehaaniline lahendus) või tööpunkti muutmist (hüdrauliline lahendus) – ja kui diagnoos viitab tasakaalustamatusele, tasakaalustage rootor ja kontrollige tulemust kohapeal.
6. Mõõtmise kaalutlused
Vibratsiooni mõõtmise kohad
- Laagrikorpused: tuvastada kombineeritud mehaanilised ja hüdraulilised jõud.
- Pumba korpus: tundlikumad hüdrauliliste pulsatsioonide suhtes.
- Imemis- ja tühjendustorustik: kannavad edasi rõhupulsatsioone.
- Mitmes kohas: nende võrdlemine aitab eristada hüdraulilisi ja mehaanilisi allikaid.
Rõhupulsatsiooni mõõtmine
- Paigaldage surveandurid imi- ja väljalaskeavasse.
- Need mõõdavad otseselt hüdraulilisi pulsatsioone.
- Korreleerige pulseerimisandmed vibratsiooniga.
- Kasutage kombinatsiooni akustiliste resonantside tuvastamiseks.
Hüdraulilised jõud on pumba töö oluline osa ning selle vibratsiooni ja koormuse peamine allikas. Mõistmine, kuidas need jõud muutuvad vastavalt töötingimustele, nende tunnuste äratundmine vibratsioonispektris ning pumpade projekteerimine ja käitamine nii, et need jõud oleksid väikesed – peamiselt töötades BEP-i lähedal – on oluline, et saavutada usaldusväärne ja pikaajaline pumba töö tööstuslikus kasutuses. Nende jõudude põhjustatavate rikete kohta vt lähemalt tsentrifugaalpumba rikked ja tiiviku defektid.
