A szivattyúkban lévő hidraulikus erők megértése
Hidraulikus erők az áramló folyadék által a szivattyú alkatrészeire kifejtett erők: a járókerék lapátjaira ható nyomás okozta terhelések, a járókeréken keresztüli nyomáskülönbségből eredő axiális tolóerő, az aszimmetrikus nyomáseloszlásból eredő radiális erők, valamint a lüktető erők, amelyek a következőkből erednek áramlási turbulencia és a lapát-voluták kölcsönhatása. Ezek alapvetően különböznek a mechanikai erőhatásoktól, amelyeket a következők váltanak ki kiegyensúlyozatlanság vagy eltérés, mert ezek inkább a folyadéknyomásból és a lendületváltozásból erednek, mint a forgó tömegből - és a spektrumban úgy mutatkoznak meg, hogy lapát áthaladási frekvencia és a hozzá tartozó harmonikusok. Megértésük elengedhetetlen a szivattyú megbízhatóságához: a hidraulikus erők csapágyterhelést, tengelyelhajlást és rezgés amelyek az üzemi körülmények - az áramlási sebesség, a nyomás és a folyadék tulajdonságai - függvényében változnak, így a szivattyú nem úgy viselkedik, mint egy gép, amelynek erői tisztán mechanikusak.
1. Meghatározás: Mi az a hidraulikus erő?
Egy ideális szivattyúban a folyadék egyenletesen nyomná a járókerék és a burkolat minden részét, és a tengelyre csak mechanikai erők hatnának. A valóság ennél zűrzavarosabb. A nyomás nagyobb a kiömlésnél, mint a szívásnál, egyenetlenül oszlik el a járókerék perifériáján, és minden alkalommal pulzál, amikor egy lapát elhalad a burkolat nyelve mellett. E hatások összessége a rotorra és a szerkezetre ható állandó, lassan változó és gyorsan pulzáló terhelések összessége. Ezek nagysága döntően a következőktől függ ahol a szivattyú a görbéjén működik - ez a tény a diagnosztikai mérnöknek egy erőteljes eszközt ad, mivel az áramlás megváltoztatása megváltoztatja az erőket.
2. A hidraulikus erők típusai
2.1 Tengelytolóerő (hidraulikus tolóerő)
A járókeréken keresztüli nyomáskülönbségből eredő nettó axiális erő:
- Mechanizmus: a nyomónyomás a járókerék egyik oldalán, a szívónyomás a másik oldalon hat.
- Irány: általában a szívóoldal (a járókerék hátsó része) felé.
- Nagyságrend: még a közepes méretű szivattyúkban is elérheti a több ezer fontnyi erőt.
- Hatás: betölti a axiális csapágy és okozhat axiális rezgés.
- Változik: áramlási sebesség, nyomás és a járókerék kialakítása.
Tolóerő-kiegyenlítési módszerek
- Egyensúlyi lyukak: lyukak a járókerék burkolatán keresztül, amelyek kiegyenlítik a nyomást rajta.
- Hátsó lapátok: a hátsó burkolaton lévő lapátok, amelyek a folyadékot kifelé pumpálják, hogy csökkentsék a hátsó oldali nyomást.
- Dupla szívó járókerék: szimmetrikus kialakítás, amelyben a két oldal kioltja egymás tolóerejét.
- Ellentétes járókerék: többfokozatú szivattyúk, amelyek járókerekei ellentétes irányba néznek.
2.2 Radiális erők
A járókerék körüli aszimmetrikus nyomáseloszlás által keltett oldalirányú erők:
A legjobb hatásfokponton (BEP)
- A nyomáseloszlás viszonylag szimmetrikus a járókerék körül.
- A radiális erők kiegyenlítődnek és nagyrészt kioltják egymást.
- A nettó sugárirányú erő minimális.
- Ez a legalacsonyabb rezgésszámú állapot.
Ki BEP - alacsony áramlás
- A nyomáseloszlás a spirálban aszimmetrikussá válik.
- A spirálnyelv (vágott víz) felé nettó sugárirányú erő alakul ki.
- Nagysága az áramlás csökkenésével növekszik.
- Elérheti a járókerék súlyának 20-40% értékét leállításkor.
- A forgó radiális erő 1× rezgésként jelenik meg.
Ki BEP - nagy áramlás
- Más aszimmetriamintázat alakul ki.
- A sugárirányú erő jelen van, de jellemzően kisebb, mint alacsony áramlásnál.
- Az áramlási turbulencia véletlenszerű erőösszetevőket ad hozzá.
2.3 A szárnyak áthaladó pulzációi
Az egyes szárnylapátok elhaladásakor a vízvágáskor periodikus nyomásimpulzusok keletkeznek:
- Frekvencia: lapátok száma × fordulatszám / 60.
- Mechanizmus: minden, a nyelven áthaladó lapát nyomásimpulzust generál.
- Erők: a járókerékre, a spirálra és a burkolatra hatnak.
- Rezgés: domináns a lapát áthaladási frekvenciáján.
- Nagyságrend: a vízválasztó távolságtól, az üzemi ponttól és a tervezéstől függ.
2.4 Visszavezető erők
- Alacsony frekvenciájú, ingadozó erők az áramlási instabilitásokból
- Nagyon alacsony - és néha nagyon magas - áramlási sebességnél fordul elő.
- Frekvenciák jellemzően 0,2-0,8× futási sebesség, a szubszinkron zenekar.
- Súlyos, alacsony frekvenciájú rezgést okozhat.
- A BEP-től távol eső működés egyértelmű jele - lásd recirkuláció.
3. A szivattyú teljesítményére gyakorolt hatások
Csapágyazás
- A hidraulikus radiális erők hozzáadódnak a csapágyak mechanikai terheléséhez.
- A változó erők ciklikus terhelést jelentenek.
- A terhelés alacsony áramlási viszonyok mellett a legnagyobb.
- A csapágyak kiválasztásánál figyelembe kell venni a hidraulikus komponenst.
- A csapágy élettartama meredeken csökken a terheléssel (az élettartam arányos 1/terheléssel³), ezért egy szerényebb L10 csapágy élettartam-számítás megmutathatja, hogy az alacsony áramlási sugárerő mennyire rövidíti meg az élettartamot.
A tengely kitérése
- A radiális erők elhajlítják a tengelyt.
- Ez megváltoztatja a tömítés hézagát és a kopógyűrűk illeszkedését.
- Csökkentheti a hatékonyságot.
- Szélsőséges esetekben ez egy dörzsölje.
Rezgéskeltés
- 1× komponens: az állandó vagy lassan változó sugárirányú erőből.
- VPF komponens: a nyomásimpulzusoktól.
- Alacsony frekvencia: a keringés és más instabilitások miatt.
- Operációs pontfüggő: az egész kép változik az áramlási sebességgel.
Mechanikai igénybevétel
- A ciklikus erők fáradtság rakodás.
- A járókerék lapátjait a nyomáskülönbségek terhelik.
- A tengely a hajlítónyomatékok miatt fárad el.
- A burkolatot a nyomásimpulzusok feszítik.
4. A hidraulikai erők minimalizálása
A BEP közelében működjön
- A hidraulikus erők minimalizálásának leghatékonyabb stratégiája.
- Törekedjen arra, hogy lehetőség szerint a BEP áramlás 80-110% értékén belül működjön.
- A radiális erők a BEP-nél a legkisebbek.
- A rezgések és a csapágyterhelések együttesen minimalizálódnak.
Tervezési jellemzők
- Diffúzorszivattyúk: szimmetrikusabb nyomáseloszlás, mint az egyetlen spirálnál.
- Dupla volutás: két, egymástól 180°-kal távolabb lévő vízválasztó, amelyek kiegyenlítik a sugárirányú erőket.
- Megnövelt távolságok: csökkenti a lapátokon áthaladó nyomásimpulzusokat (némi hatékonyság rovására).
- Vane-szám kiválasztása: az akusztikus rezonanciák elkerülése érdekében választották.
Rendszertervezés
- Biztosítson minimális áramlású recirkulációs védelmet az alapterhelésű szivattyúk számára.
- Méretezze a szivattyút a tényleges igénybevételnek megfelelően, és kerülje a túlméretezést.
- Használjon változó fordulatszámú meghajtást az optimális üzemi pont megtartásához.
- Tervezze meg a belépőnyílást úgy, hogy minimálisra csökkentse az előkavarodást és a turbulenciát.
5. Diagnosztikai felhasználás
Teljesítménygörbék és hidraulikus erők
- A rezgés ábrázolása az áramlási sebesség függvényében.
- A minimális rezgés jellemzően a BEP-nél vagy annak közelében van.
- A kis áramlásnál emelkedő rezgés nagy radiális erőket jelez.
- A grafikon segít meghatározni egy ésszerű működési tartományt.
VPF elemzés
- A VPF amplitúdó jelzi a hidraulikus pulzáció súlyosságát.
- Az emelkedő VPF romló hézagokra vagy az üzemi pont eltolódására utal.
- VPF felharmonikusok turbulens, zavart áramlásra utalnak.
Ezeknek a hidraulikus jeleknek a tisztán mechanikus jelektől való elkülönítése a szivattyúdiagnosztika lényege, és ez az a terület, ahol a hordozható analizátor bizonyítja a terepen való helytállását. A Balanset-1A rögzíti a rezgési spektrum a csapágyházakon, és feloldja az 1×, VPF és alacsony frekvenciájú komponenseket, így a mérnök el tudja dönteni, hogy egy magas érték miatt szükség van-e helyszíni kiegyensúlyozás (mechanikus gyógymód) vagy a működési pont megváltoztatása (hidraulikus gyógymód) - és ha a diagnózis kiegyensúlyozatlanságra utal, egyensúlyozza ki a rotorokat, és ellenőrizze az eredményt a helyszínen.
6. Mérési megfontolások
Rezgésmérési helyek
- Csapágyházak: a kombinált mechanikai és hidraulikus erők érzékelése.
- Szivattyúház: érzékenyebb a hidraulikus lüktetésre.
- Szívó- és nyomócsövek: az átvitt nyomásimpulzusokat.
- Több helyszínen: összehasonlításuk segít megkülönböztetni a hidraulikus és a mechanikus forrásokat.
Nyomás-pulzációs mérés
- Szereljen fel nyomásérzékelőket a szívó- és nyomócsőbe.
- Ezek közvetlenül mérik a hidraulikus pulzációkat.
- Hozza összefüggésbe a pulzációs adatokat a rezgéssel.
- Használja a kombinációt az akusztikai rezonanciák azonosítására.
A hidraulikai erők alapvető fontosságúak a szivattyú működésében, és a rezgés és a terhelés egyik fő forrása. Annak megértése, hogy ezek az erők hogyan változnak az üzemi körülmények között, a rezgési spektrumban való megjelenésük felismerése, valamint a szivattyúk olyan tervezése és üzemeltetése, hogy az erőket alacsonyan tartsák - főként a BEP közelében történő üzemeltetéssel - alapvető fontosságú a megbízható, hosszú élettartamú szivattyúteljesítmény eléréséhez az ipari üzemben. Az ezen erők által kiváltott meghibásodásokról részletesebben a következő oldalon olvashat centrifugálszivattyú hibák és járókerék hibák.
