Comprensione delle forze idrauliche nelle pompe
Forze idrauliche sono le forze che un liquido in movimento esercita sui componenti della pompa: carichi indotti dalla pressione sulle pale della girante, spinta assiale derivante dal differenziale di pressione attraverso la girante, forze radiali dovute a una distribuzione asimmetrica della pressione e forze pulsanti generate da turbolenza del flusso e l'interazione tra pale e voluta. Esse sono fondamentalmente diverse dalle forze meccaniche prodotte da sbilanciare o disallineamento, poiché derivano dalla pressione del fluido e dalle variazioni di quantità di moto piuttosto che dalla massa in rotazione — e si manifestano nello spettro come frequenza di passaggio delle palette e le relative armoniche. Comprendere questi fenomeni è fondamentale per garantire l'affidabilità delle pompe: le forze idrauliche generano carichi sui cuscinetti, deflessioni dell'albero e vibrazione che variano a seconda delle condizioni di esercizio — portata, pressione e proprietà del fluido — facendo sì che una pompa si comporti in modo ben diverso dai macchinari le cui forze sono puramente meccaniche.
1. Definizione: cosa sono le forze idrauliche?
In una pompa ideale, il liquido eserciterebbe una pressione uniforme su ogni parte della girante e del corpo pompa, e le uniche forze a cui sarebbe sottoposto l'albero sarebbero di natura meccanica. La realtà è più complessa. La pressione è più alta in mandata che in aspirazione, è distribuita in modo non uniforme lungo la periferia della girante e pulsa ogni volta che una pala passa davanti alla linguetta del corpo pompa. La somma di questi effetti è una serie di carichi costanti, che variano lentamente e pulsano rapidamente, che agiscono sul rotore e sulla struttura. Fondamentalmente, la loro entità dipende da dove la pompa opera sulla propria curva — un fatto che offre all'ingegnere diagnostico un potente strumento, poiché modificando la portata si modificano le forze.
2. Tipi di forze idrauliche
2.1 Spinta assiale (spinta idraulica)
La forza assiale netta derivante dalla differenza di pressione attraverso la girante:
- Meccanismo: La pressione di mandata agisce su un lato della girante, mentre la pressione di aspirazione agisce sull'altro.
- Direzione: di solito verso l'aspirazione (la parte posteriore della girante).
- Magnitudo: può raggiungere migliaia di libbre di forza anche in pompe di dimensioni moderate.
- Effetto: loads the cuscinetto reggispinta and can cause vibrazione assiale.
- Varia con: portata, pressione e configurazione della girante.
Metodi di compensazione della spinta
- Balance holes: fori praticati nella copertura della girante che equilibrano la pressione tra i due lati.
- Back vanes: alette sulla copertura posteriore che pompano il fluido verso l'esterno per ridurre la pressione sul lato posteriore.
- Giranti a doppia aspirazione: un progetto simmetrico in cui le forze esercitate dai due lati si annullano a vicenda.
- Giranti contrapposte: pompe multistadio con giranti orientate in direzioni opposte.
2.2 Forze radiali
Forze laterali generate da una distribuzione asimmetrica della pressione attorno alla girante:
Nel punto di massima efficienza (BEP)
- La distribuzione della pressione è relativamente simmetrica attorno alla girante.
- Le forze radiali sono in equilibrio e si annullano in gran parte.
- La forza radiale netta è minima.
- Questa è la condizione di vibrazione più bassa.
Fuori BEP — portata ridotta
- La distribuzione della pressione nella voluta diventa asimmetrica.
- Si genera una forza radiale netta diretta verso la linguetta della voluta (becco della voluta).
- La sua intensità aumenta al diminuire della portata.
- Alla portata nulla può raggiungere il 20–40% del peso della girante.
- La forza radiale di rotazione si manifesta sotto forma di una vibrazione 1×.
Fuori BEP — flusso elevato
- Si sviluppa un modello di asimmetria diverso.
- È presente una forza radiale, ma in genere è inferiore rispetto a quella che si verifica a bassa portata.
- La turbolenza del flusso aggiunge ulteriori componenti di forza casuali.
2.3 Pulsazioni dovute al passaggio delle pale
Impulsi di pressione periodici generati dal passaggio di ciascuna pala davanti al deflettore:
- Frequenza: numero di pale × giri/min / 60.
- Meccanismo: Ogni paletta che passa davanti alla linguetta genera un impulso di pressione.
- Forze: agiscono sulla girante, sulla voluta e sul corpo.
- Vibrazione: dominante alla frequenza di passaggio della paletta.
- Magnitudo: dipende dal gioco al becco della voluta, dal punto di funzionamento e dal progetto.
2.4 Forze di ricircolo
- Forze instabili a bassa frequenza derivanti da instabilità del flusso
- Si verificano a portate molto basse — e talvolta molto elevate.
- Frequenze tipicamente comprese tra 0,2 e 0,8 volte la velocità di rotazione, nella sub-sincrono band.
- Può generare forti vibrazioni a bassa frequenza.
- Un chiaro segno che l'impianto funziona lontano dal punto di massima efficienza (BEP) — vedi ricircolo.
3. Effetti sulle prestazioni della pompa
Carico sui cuscinetti
- Le forze radiali idrauliche si sommano ai carichi meccanici sui cuscinetti.
- Forze variabili esercitano un carico ciclico.
- Il carico è maggiore in condizioni di portata ridotta.
- Nella scelta dei cuscinetti occorre tenere conto della componente idraulica.
- La durata dei cuscinetti diminuisce drasticamente all'aumentare del carico (la durata è proporzionale a 1/(carico³)), quindi un modesto Calcolo della durata dei cuscinetti L10 può dimostrare quanto una forza radiale a bassa portata riduca la durata.
Deflessione dell'albero
- Le forze radiali provocano una deflessione dell'albero.
- Ciò modifica i giochi delle guarnizioni e l'adattamento degli anelli di usura.
- Può ridurre l'efficienza.
- In casi estremi ciò porta a un strofinare.
Generazione di vibrazioni
- 1× component: dalla forza radiale costante o che varia lentamente.
- Componente VPF: dalle pulsazioni di pressione.
- Low-frequency: dal ricircolo e da altre instabilità.
- Dipendente dal punto di funzionamento: Il quadro generale cambia a seconda della portata.
Sollecitazioni meccaniche
- Le forze cicliche esercitano fatica loading.
- Le pale della girante sono sottoposte a sollecitazioni dovute alle differenze di pressione.
- L'albero è sottoposto a sollecitazioni di fatica dovute ai momenti flettenti.
- Il corpo pompa è sottoposto a sollecitazioni dovute alle pulsazioni di pressione.
4. Riduzione al minimo delle forze idrauliche
Operare in prossimità del punto di massima efficienza
- La strategia più efficace in assoluto per ridurre al minimo le forze idrauliche.
- Cercate, per quanto possibile, di operare entro un intervallo compreso tra l'80% e il 110% della portata al punto di massima efficienza (BEP).
- Le forze radiali raggiungono il loro minimo nel punto di funzionamento ottimale (BEP).
- Le vibrazioni e i carichi sui cuscinetti vengono ridotti al minimo.
Caratteristiche costruttive
- Pompe a diffusore: una distribuzione della pressione più simmetrica rispetto a una singola voluta.
- Doppia voluta: due linguette di taglio distanziate di 180° che bilanciano le forze radiali.
- Maggiore spazio libero: ridurre gli impulsi di pressione al passaggio delle pale (a scapito di una certa efficienza).
- Scelta del numero di pale: scelto per evitare risonanze acustiche.
System design
- Garantire una protezione contro il ricircolo a portata minima per le pompe di carico di base.
- Scegliere una pompa delle dimensioni adeguate al carico effettivo ed evitare di sovradimensionarla.
- Utilizzare un variatore di velocità per mantenere il punto di funzionamento ottimale.
- Progettare l'ingresso in modo da ridurre al minimo il pre-vortice e la turbolenza.
5. Uso diagnostico
Curve di prestazione e forze idrauliche
- Tracciare un grafico delle vibrazioni in funzione della portata.
- Il livello minimo di vibrazioni si registra solitamente al punto di funzionamento ottimale (BEP) o in prossimità di esso.
- Un aumento delle vibrazioni a bassa portata indica la presenza di forze radiali elevate.
- Il grafico aiuta a definire un intervallo di funzionamento ragionevole.
VPF analysis
- L'ampiezza del VPF indica l'entità della pulsazione idraulica.
- Un aumento del VPF indica un deterioramento dei giochi interni o uno spostamento del punto di funzionamento.
- VPF armoniche indicano un flusso turbolento e disturbato.
Distinguere questi segnali idraulici da quelli puramente meccanici è il punto cruciale della diagnosi delle pompe, ed è proprio qui che un analizzatore portatile dimostra tutta la sua utilità sul campo. Il Bilanciamento-1a captures the spettro di vibrazione sugli alloggiamenti dei cuscinetti e rileva le componenti 1×, VPF e a bassa frequenza, consentendo così a un ingegnere di stabilire se un valore elevato richieda bilanciamento in situ (una soluzione meccanica) o una modifica del punto di funzionamento (una soluzione idraulica) — e qualora la diagnosi indichi uno squilibrio, bilanciare il rotore e verificare immediatamente il risultato.
6. Aspetti relativi alla misurazione
Punti di misurazione delle vibrazioni
- Alloggiamenti dei cuscinetti: rilevare le forze meccaniche e idrauliche combinate.
- Pump casing: più sensibile alle pulsazioni idrauliche.
- Tubazioni di aspirazione e mandata: trasportare le pulsazioni di pressione trasmesse.
- Più punti di misura: Il loro confronto aiuta a distinguere le fonti idrauliche da quelle meccaniche.
Misurazione delle pulsazioni di pressione
- Installare i trasduttori di pressione sulle tubazioni di aspirazione e di mandata.
- Questi misurano direttamente le pulsazioni idrauliche.
- Metti in relazione i dati relativi alle pulsazioni con le vibrazioni.
- Utilizza la combinazione per individuare le risonanze acustiche.
Le forze idrauliche sono fondamentali per il funzionamento di una pompa e costituiscono una delle principali fonti di vibrazioni e sollecitazioni. Comprendere come tali forze variano in base alle condizioni operative, riconoscerne le caratteristiche nello spettro delle vibrazioni, nonché progettare e utilizzare le pompe in modo da mantenerne basse le forze — principalmente operando in prossimità del punto di massima efficienza (BEP) — è essenziale per garantire prestazioni affidabili e una lunga durata delle pompe in ambito industriale. Per un approfondimento sui guasti causati da queste forze, consultare difetti delle pompe centrifughe e difetti della girante.
