Hidraulinių jėgų supratimas siurbliuose
Hidraulinės jėgos tai jėgos, kurias tekantis skystis veikia siurblio komponentus: slėgio sukeliamos apkrovos ant rotoriaus mentelių, ašinė trauka, atsirandanti dėl slėgio skirtumo rotoriuje, radialinės jėgos, atsirandančios dėl asimetrinio slėgio pasiskirstymo, ir pulsuojančios jėgos, kylančios iš srauto turbulencija ir mentės bei spiralinės dalies sąveika. Jos iš esmės skiriasi nuo mechaninių jėgų, kurias sukuria disbalansas arba nesuderinimas, nes jos kyla dėl skysčio slėgio ir impulsų pokyčių, o ne dėl besisukančios masės — ir spektre pasireiškia kaip mentės praėjimo dažnis ir su jais susijusius harmoninius svyravimus. Juos suprasti yra būtina siekiant užtikrinti siurblio patikimumą: hidraulinės jėgos sukelia guolių apkrovas, veleno deformaciją ir vibracija kurios kinta priklausomai nuo eksploatavimo sąlygų – srauto greičio, slėgio ir skysčio savybių – todėl siurblys veikia visiškai kitaip nei įrenginiai, kurių jėgos yra grynai mechaninės.
1. Apibrėžimas: Kas yra hidraulinės jėgos?
Idealiame siurblyje skystis vienodai spaudžia kiekvieną rotoriaus ir korpuso dalį, o veleną veiktų tik mechaninės jėgos. Realybė yra sudėtingesnė. Išleidimo vietoje slėgis yra didesnis nei įsiurbimo vietoje, jis pasiskirsto nevienodai aplink rotoriaus periferiją ir pulsuoja kiekvieną kartą, kai mentė praeina pro korpuso iškyšulį. Šių poveikių suma sudaro nuolatinių, lėtai kintančių ir greitai pulsuojančių apkrovų rinkinį, kuris veikia rotorių ir konstrukciją. Svarbiausia, kad jų dydis priklauso nuo kai siurblys veikia pagal savo charakteristiką — tai suteikia diagnostikos inžinieriui galingą svertą, nes pakeitus srautą keičiasi jėgos.
2. Hidraulinių jėgų rūšys
2.1 Ašinė trauka (hidraulinė trauka)
Grynoji ašinė jėga, susidariusi dėl slėgio skirtumo tarp rotoriaus pusių:
- Mechanizmas: Išmetimo slėgis veikia vieną rotoriaus pusę, o siurbimo slėgis – kitą.
- Kryptis: paprastai link siurbimo pusės (sparnuotės galinės dalies).
- Dydis: gali siekti tūkstančius svarų jėgos net ir vidutinio dydžio siurbliuose.
- Poveikis: įkelia atraminis guolis ir gali sukelti ašinė vibracija.
- Keičiasi su: srautas, slėgis ir rotoriaus konstrukcija.
Sukimo momento kompensavimo metodai
- Balanso skylutės: angos rotoriaus gaubte, kurios išlygina slėgį jo abiejose pusėse.
- Galinės mentės: galinio gaubto mentės, kurios išstumia skystį į išorę, kad sumažintų slėgį už gaubto.
- Dvigubo siurbimo rotoriai: simetriška konstrukcija, kurioje abiejų pusių traukos jėgos viena kitą neutralizuoja.
- Priešpriešiniai rotoriai: daugiapakopiai siurbliai, kurių rotoriai sukasi priešingomis kryptimis.
2.2 Radialinės jėgos
Šoninės jėgos, kurias sukelia asimetrinis slėgio pasiskirstymas aplink rotorių:
Didžiausio efektyvumo taške (BEP)
- Slėgio pasiskirstymas aplink rotorių yra palyginti simetriškas.
- Radialinės jėgos yra subalansuotos ir iš esmės viena kitą neutralizuoja.
- Grynoji radialinė jėga yra minimali.
- Tai yra būsena, kurioje vibracija yra mažiausia.
Neveikia pagal BEP — mažas srautas
- Slėgio pasiskirstymas spiralinėje kameroje tampa asimetriškas.
- Susidaro radialinė jėga, veikianti link spiralinės dalies liežuvio (priekio).
- Jo dydis didėja mažėjant srautui.
- Uždarius vožtuvą, jis gali siekti 20–40 % rotoriaus svorio.
- Sukimosi radialinė jėga pasireiškia kaip 1× vibracija.
Neveikia pagal BEP — didelis srautas
- Susidaro kitoks asimetrijos modelis.
- Radialinė jėga veikia, tačiau paprastai ji yra mažesnė nei esant mažam srautui.
- Srauto turbulencija dar prideda atsitiktinių jėgos komponentų.
2.3 Mentės sukeltos pulsacijos
Periodiniai slėgio impulsai, susidarantys, kai kiekvienas mentis praplaukia pro laivapriekį:
- Dažnis: mentelių skaičius × apsisukimų skaičius per minutę / 60.
- Mechanizmas: kiekvienas pro liežuvėlį praeinantis sparnelis sukelia slėgio impulsą.
- Jėgos: veikia rotorių, spiralinę kamerą ir korpusą.
- Vibracija: dominuojantis sparnelio praėjimo dažniu.
- Dydis: priklauso nuo laivapriekio laisvojo aukščio, darbo taško ir konstrukcijos.
2.4 Recirkuliacijos jėgos
- Žemo dažnio nestabilios jėgos dėl srauto nestabilumo
- Tai pasitaiko esant labai mažam – o kartais ir labai dideliam – srautui.
- Dažniausiai 0,2–0,8 karto didesnis už bėgimo greitį, subsinchroninis grupė.
- Gali sukelti stiprius žemo dažnio virpesius.
- Aiškus ženklas, kad veikla vykdoma toli nuo rentabilumo taško — žr. recirkuliacija.
3. Poveikis siurblio veikimui
Guolio apkrova
- Hidraulinės radialinės jėgos padidina mechaninę apkrovą guoliuose.
- Ciklinę apkrovą sukelia kintančios jėgos.
- Didžiausia apkrova tenka esant mažam srautui.
- Renkantis guolį būtina atsižvelgti į hidraulinius komponentus.
- Guolio tarnavimo laikas smarkiai mažėja didėjant apkrovai (tarnavimo laikas yra proporcingas 1/apkrovos³), todėl nedidelis L10 guolio tarnavimo laiko skaičiavimas gali parodyti, kiek mažos srauto radialinės jėgos sutrumpina tarnavimo laiką.
Veleno išlinkis
- Radialinės jėgos iškreipia veleną.
- Dėl to pasikeičia tarpai tarp sandariklių ir sandariklių žiedų prigludimas.
- Tai gali sumažinti efektyvumą.
- Kraštutiniais atvejais tai veda prie trinti.
Vibracijos susidarymas
- 1× komponentas: dėl pastovios arba lėtai kintančios radialinės jėgos.
- VPF komponentas: dėl slėgio svyravimų.
- Žemo dažnio: dėl recirkuliacijos ir kitų nestabilumų.
- Priklauso nuo darbo taško: visas vaizdas pasikeičia priklausomai nuo srauto greičio.
Mechaninis įtempis
- Ciklinės jėgos sukelia nuovargis pakrovimas.
- Sraigtinio rotoriaus mentės patiria apkrovą dėl slėgio skirtumų.
- Velenas patiria nuovargį dėl lenkimo momentų.
- Korpusą veikia slėgio svyravimai.
4. Hidraulinių jėgų mažinimas
Dirbti artimu BEP
- Vienintelė veiksmingiausia strategija hidraulinių jėgų sumažinimui.
- Jei įmanoma, stenkitės dirbti esant 80–110 % BEP srauto.
- Radialinės jėgos yra mažiausios BEP taške.
- Vibracija ir guolių apkrovos yra sumažinamos kartu.
Dizaino ypatybės
- Difuzoriaus siurbliai: simetriškesnis slėgio pasiskirstymas nei naudojant vieną spiralę.
- Dvigubas vožtuvas: du 180° kampu vienas nuo kito išdėstyti bangolaužiai, kurie kompensuoja radialines jėgas.
- Padidinti tarpai: sumažinti slėgio impulsus, kuriuos sukelia mentės (šiek tiek sumažinant našumą).
- Sparnelių skaičiaus parinkimas: pasirinkta siekiant išvengti akustinių rezonansų.
Sistemos projektavimas
- Užtikrinkite bazinės apkrovos siurblių apsaugą nuo cirkuliacijos esant minimaliam srautui.
- Pasirinkite siurblį, kurio galingumas atitiktų faktinį darbo krūvį, ir venkite per didelio galingumo.
- Naudokite kintamo greičio pavarą, kad būtų išlaikytas optimalus darbo režimas.
- Sukurkite įsiurbimo angą taip, kad būtų kuo labiau sumažintas išankstinis sūkuris ir turbulencija.
5. Naudojimas diagnostikos tikslais
Našumo kreivės ir hidraulinės jėgos
- Pavaizduokite vibraciją priklausomai nuo srauto greičio.
- Mažiausias vibracijos lygis paprastai pasiekiamas esant BEP arba netoli jo.
- Didėjantys virpesiai esant mažam srautui rodo dideles radialines jėgas.
- Šis grafikas padeda nustatyti tinkamą veikimo diapazoną.
VPF analizė
- VPF amplitudė rodo hidraulinių pulsacijų stiprumą.
- Didėjantis VPF rodo, kad tarpeliai mažėja arba keičiasi darbo taškas.
- VPF harmonikos rodo, kad srautas yra neramus ir sutrikęs.
Šių hidraulinių požymių atskyrimas nuo grynai mechaninių yra siurblio diagnostikos esmė, ir būtent čia nešiojamas analizatorius parodo savo vertę praktikoje. Balanset-1A fiksuoja vibracijos spektras ant guolių korpuso ir išskiria 1×, VPF bei žemo dažnio komponentus, todėl inžinierius gali nuspręsti, ar aukštas rodmuo reikalauja lauko balansavimas (mechaninis sprendimas) arba darbo režimo pakeitimas (hidraulinis sprendimas) — ir jei diagnozė rodo, kad yra disbalansas, subalansuokite rotorių ir iškart patikrinkite rezultatą.
6. Matavimo aspektai
Vibracijos matavimo vietos
- Guolių korpusai: nustatyti bendrą mechaninių ir hidraulinių jėgų poveikį.
- Siurblio korpusas: jautresnis hidrauliniams svyravimams.
- Siurbimo ir išleidimo vamzdynai: perduoda slėgio svyravimus.
- Įvairios vietos: Jų palyginimas padeda atskirti hidraulinius šaltinius nuo mechaninių.
Slėgio pulsacijų matavimas
- Įrengti slėgio keitiklius įsiurbimo ir išleidimo angose.
- Jie tiesiogiai matuoja hidraulinius svyravimus.
- Susiekite pulsacijos duomenis su vibracija.
- Naudokite šį derinį akustiniams rezonansams nustatyti.
Hidraulinės jėgos yra esminis siurblio veikimo veiksnys ir pagrindinis jo vibracijos bei apkrovos šaltinis. Norint užtikrinti patikimą ir ilgalaikį siurblio veikimą pramoninėse sąlygose, būtina suprasti, kaip šios jėgos kinta priklausomai nuo eksploatavimo sąlygų, atpažinti jų požymius vibracijos spektre, taip pat projektuoti ir eksploatuoti siurblius taip, kad šios jėgos būtų kuo mažesnės – visų pirma dirbant artimiausiai prie optimalaus našumo taško (BEP). Išsamesnė informacija apie gedimus, kuriuos sukelia šios jėgos, pateikiama centrifuginių siurblių gedimai ir rotoriaus defektai.
