Comprensione delle forze idrauliche nelle pompe
Definizione: Cosa sono le forze idrauliche?
Forze idrauliche sono forze esercitate sui componenti della pompa dal liquido in movimento, inclusi i carichi indotti dalla pressione sulle palette della girante, la spinta assiale dai differenziali di pressione, le forze radiali dalle distribuzioni di pressione asimmetriche e le forze pulsanti dalla turbolenza del flusso e dall'interazione paletta-voluta. Queste forze sono distinte dalle forze meccaniche (da sbilanciare, disallineamento) in quanto derivano da cambiamenti di pressione e quantità di moto del fluido, creando vibrazione componenti a frequenza di passaggio delle palette e armoniche correlate.
La comprensione delle forze idrauliche è essenziale per l'affidabilità della pompa, poiché queste forze creano carichi sui cuscinetti, flessione dell'albero e vibrazioni che variano in base alle condizioni operative (portata, pressione, proprietà del fluido), rendendo il comportamento della pompa diverso da quello di altri macchinari rotanti in cui le forze sono principalmente meccaniche.
Tipi di forze idrauliche
1. Spinta assiale (spinta idraulica)
Forza assiale netta dalla differenza di pressione attraverso la girante:
- Meccanismo: Pressione di mandata su un lato, pressione di aspirazione sull'altro lato della girante
- Direzione: Di solito verso l'aspirazione (parte posteriore della girante)
- Magnitudo: Può arrivare a migliaia di libbre anche con pompe moderate
- Effetto: Carichi reggispinta, possono causare vibrazione assiale
- Varia con: Portata, pressione, progettazione della girante
Metodi di bilanciamento della spinta
- Fori di equilibrio: Fori nella copertura della girante che equalizzano la pressione
- Alette posteriori: Palette sul lato posteriore che pompano il fluido per ridurre la pressione
- Giranti a doppia aspirazione: Design simmetrico che annulla la spinta
- Giranti contrapposte: Pompe multistadio con giranti rivolte in direzioni opposte
2. Forze radiali
Forze laterali derivanti dalla distribuzione asimmetrica della pressione:
Al punto di massima efficienza (BEP)
- Distribuzione della pressione relativamente simmetrica attorno alla girante
- Le forze radiali si bilanciano e si annullano
- Forza radiale netta minima
- Condizione di vibrazione più bassa
Disattivato BEP (Basso flusso)
- Distribuzione asimmetrica della pressione nella voluta
- Forza radiale netta verso la lingua della voluta
- L'entità della forza aumenta con la diminuzione del flusso
- Può essere 20-40% di peso della girante allo spegnimento
- Crea una vibrazione 1× dalla forza radiale rotante
Disattivato BEP (alto flusso)
- Diverso modello di asimmetria
- Forza radiale presente ma in genere inferiore rispetto a quella a basso flusso
- La turbolenza del flusso aggiunge componenti di forza casuali
3. Pulsazioni di passaggio delle palette
Impulsi di pressione periodici quando le pale attraversano il canale di scarico:
- Frequenza: Numero di palette × RPM / 60
- Meccanismo: Ogni passaggio di una paletta crea un impulso di pressione
- Forze: Agire su girante, voluta e involucro
- Vibrazione: Dominante alla frequenza di passaggio delle banderuole
- Magnitudo: Dipende dalla distanza, dal punto di funzionamento, dal design
4. Forze di ricircolo
- Forze instabili a bassa frequenza derivanti da instabilità del flusso
- Si verificano a portate molto basse o molto alte
- Frequenze tipicamente 0,2-0,8× velocità di corsa
- Può creare forti vibrazioni a bassa frequenza
- Indica il funzionamento lontano dal BEP
Effetti sulle prestazioni della pompa
Carico del cuscinetto
- Le forze radiali idrauliche si aggiungono ai carichi meccanici
- Le forze variabili creano carichi ciclici
- Carico massimo in condizioni di basso flusso
- La selezione dei cuscinetti deve tenere conto dei carichi idraulici
- Durata del cuscinetto ridotta dalle forze idrauliche (Durata ∝ 1/Carico³)
Deflessione dell'albero
- Le forze radiali flettono l'albero
- Cambia i giochi delle guarnizioni e gli anelli di usura
- Può influenzare l'efficienza
- I casi estremi portano a sfregamenti
Generazione di vibrazioni
- 1× Componente: Da forza radiale costante o lentamente variabile
- Componente VPF: Dalle pulsazioni di pressione
- Bassa frequenza: Da ricircolo e instabilità
- Dipendente dal punto operativo: La vibrazione varia con la portata
Stress meccanico
- Le forze cicliche creano carichi di fatica
- Pale della girante sollecitate da differenziali di pressione
- Affaticamento dell'albero dovuto a momenti flettenti
- Sollecitazioni dell'involucro dovute alle pulsazioni di pressione
Minimizzazione della forza idraulica
Operare vicino al BEP
- Strategia più efficace per ridurre al minimo le forze idrauliche
- Quando possibile, operare entro 80-110% del flusso BEP
- Forze radiali minime a BEP
- Vibrazioni e carichi sui cuscinetti ridotti al minimo
Caratteristiche del design
- Pompe diffusori: Distribuzione della pressione più simmetrica rispetto alla voluta
- Doppia voluta: Due tagliamare a 180° di distanza bilanciano le forze radiali
- Autorizzazioni aumentate: Ridurre le pulsazioni di pressione di passaggio delle palette (ma ridurre l'efficienza)
- Selezione del numero di palette: Ottimizzare per evitare risonanze acustiche
Progettazione del sistema
- Ricircolo a portata minima per pompe di carico di base
- Pompa di dimensioni adeguate per il servizio effettivo (evitare il sovradimensionamento)
- Azionamento a velocità variabile per mantenere il punto di funzionamento ottimale
- Progettazione dell'ingresso che riduce al minimo il pre-vortice e la turbolenza
Uso diagnostico
Curve di prestazione e forze idrauliche
- Tracciare la vibrazione rispetto alla portata
- Vibrazione minima in genere a o vicino al BEP
- L'aumento delle vibrazioni a basso flusso indica elevate forze radiali
- Guida alla selezione dell'intervallo operativo
Analisi VPF
- L'ampiezza VPF indica la gravità della pulsazione idraulica
- L'aumento del VPF suggerisce un degrado della distanza o uno spostamento del punto operativo
- Le armoniche VPF indicano un flusso turbolento e disturbato
Considerazioni sulla misurazione
Posizioni di misurazione delle vibrazioni
- Alloggiamenti dei cuscinetti: Rilevare le forze meccaniche e idrauliche complessive
- Corpo pompa: Più sensibile alle pulsazioni idrauliche
- Tubazioni di aspirazione e scarico: Trasmissione delle pulsazioni di pressione
- Più sedi: Distinguere le fonti idrauliche da quelle meccaniche
Misurazione della pulsazione della pressione
- Trasduttori di pressione in aspirazione e mandata
- Misurare direttamente le pulsazioni idrauliche
- Correlare con la vibrazione
- Identificare le risonanze acustiche
Le forze idrauliche sono fondamentali per il funzionamento delle pompe e rappresentano una delle principali fonti di vibrazioni e carico. Comprendere come queste forze variano in base alle condizioni operative, riconoscerne le caratteristiche negli spettri di vibrazione e progettare/gestire le pompe in modo da minimizzare le forze idrauliche attraverso un funzionamento quasi BEP sono essenziali per ottenere prestazioni affidabili e durature nelle applicazioni industriali.
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