Разбирање на хидрауличните сили кај пумпите
Хидраулични сили се силите што течноста во движење ги врши врз компонентите на пумпата: оптоварувања предизвикани од притисок врз лопатките на работното коло, аксијален потисок од разликата во притисокот низ работното коло, радијални сили од асиметрична распределба на притисокот и пулсирачки сили настанати од турбуленција на протокот и интеракцијата лопатка–волута. Тие се суштински различни од механичките сили создадени од дебаланс или неосовиненост, бидејќи произлегуваат од притисокот на течноста и промените во импулсот, а не од ротирачка маса — и се откриваат во спектарот како фреквенција на поминување на лопатките и неговите поврзани хармоници. Нивното разбирање е од суштинско значење за сигурноста на пумпата: хидрауличните сили создаваат оптоварувања на лежаите, отклонување на вратилото и вибрации што се менуваат со работните услови — проток, притисок и својства на течноста — правејќи пумпата да се однесува сосема различно од машините чии сили се чисто механички.
1. Дефиниција: Што се хидраулични сили?
Кај идеална пумпа течноста би притискала рамномерно на секој дел од работното коло и куќиштето, и единствените сили што вратилото би ги чувствувало би биле механички. Реалноста е посложена. Притисокот е повисок на потисот отколку на всмукувањето, распределен е нерамномерно околу периферијата на работното коло и пулсира секогаш кога лопатката ќе помине покрај јазикот на куќиштето. Збирот на овие ефекти е сет на постојани, бавнопроменливи и брзопулсирачки оптоварувања што дејствуваат врз роторот и структурата. Клучно, нивната големина зависи од каде пумпата работи на својата крива — факт што му дава на инженерот за дијагностика моќна алатка, бидејќи промената на протокот ги менува силите.
2. Видови хидраулични сили
2.1 Аксијален потисок (хидрауличен потисок)
Нето аксијалната сила што произлегува од разликата во притисокот низ работното коло:
- Механизам: притисокот на потисот дејствува на едната страна на работното коло, притисокот на всмукувањето на другата.
- Насока: обично кон всмукувањето (задната страна на работното коло).
- Магнитуда: може да достигне илјадници фунти сила дури и кај пумпи со умерена големина.
- Ефект: го оптоварува аксијален лежај и може да предизвика аксијална вибрација.
- Варира со: проток, притисок и дизајн на работното коло.
Методи за балансирање на потисокот
- Отвори за балансирање: отвори низ обвивката на работното коло што го изедначуваат притисокот низ неа.
- Задни лопатки: лопатки на задната обвивка што ја исфрлаат течноста нанадвор за да го намалат притисокот на задната страна.
- Работни кола со двојно всмукување: симетричен дизајн кај кој двете страни взаемно го поништуваат потисокот една на друга.
- Спротивно поставени работни кола: повеќестепени пумпи распоредени со работни кола свртени во спротивни насоки.
2.2 Радијални сили
Странични сили создадени од асиметрична распределба на притисокот околу работното коло:
Во точката на најдобра ефикасност (BEP)
- Распределбата на притисокот е релативно симетрична околу работното коло.
- Радијалните сили се избалансирани и во голема мера се поништуваат.
- Нето радијалната сила е минимална.
- Ова е состојба со најниски вибрации.
Надвор од BEP — низок проток
- Распределбата на притисокот во волутата станува асиметрична.
- Се развива нето радијална сила кон јазикот на волутата (цепач).
- Нејзината големина расте како што опаѓа протокот.
- Може да достигне 20–40% од тежината на работното коло при затворен проток (shut-off).
- Ротирачката радијална сила се појавува како вибрација на 1×.
Надвор од BEP — висок проток
- Се развива поинаков образец на асиметрија.
- Присутна е радијална сила, но таа е вообичаено помала отколку при низок проток.
- Турбуленцијата на протокот додава дополнителни случајни компоненти на силата.
2.3 Пулсации при поминување на лопатките
Периодични пулсации на притисокот што настануваат секогаш кога некоја лопатка поминува покрај јазичето (cutwater):
- Фреквенција: број на лопатки × вртежи во минута / 60.
- Механизам: секое поминување на лопатка покрај јазичето создава пулсација на притисокот.
- Сили: дејствуваат врз работното коло, волутата и куќиштето.
- Вибрации: доминантни на фреквенцијата на поминување на лопатките.
- Магнитуда: зависи од зазорот кај јазичето, работната точка и конструкцијата.
2.4 Сили од рециркулација
- Нискофреквентни, нестабилни сили од нестабилностите на протокот.
- Се јавуваат при многу низок — а понекогаш и многу висок — проток.
- Фреквенциите се вообичаено 0,2–0,8× од работната брзина, во суб-синхрони опсегот.
- Можат да создадат силни нискофреквентни вибрации.
- Јасен знак за работа далеку од BEP — види рециркулација.
3. Влијанија врз перформансите на пумпата
Оптоварување на лежиштата
- Хидрауличните радијални сили се додаваат на механичките оптоварувања врз лежиштата.
- Променливите сили наметнуваат циклично оптоварување.
- Оптоварувањето е најголемо при услови на низок проток.
- При изборот на лежиштата мора да се земе предвид хидрауличната компонента.
- Векот на траење на лежиштата остро опаѓа со оптоварувањето (векот е пропорционален на 1/оптоварување³), така што и умерена пресметка на векот на траење на лежиштето L10 може да покаже колку една радијална сила при низок проток го скратува работниот век.
Свиткување на вратилото
- Радијалните сили го свиткуваат вратилото.
- Ова ги менува зазорите на заптивките и налегнувањата на истрошните прстени.
- Може да ја намали ефикасноста.
- Во екстремни случаи доведува до допир.
Генерирање вибрации
- 1× компонента: од постојаната или бавнопроменлива радијална сила.
- VPF компонента: од пулсациите на притисокот.
- Нискофреквентна: од рециркулацијата и другите нестабилности.
- Зависна од работната точка: целата слика се менува со протокот.
Механички напон
- Цикличните сили наметнуваат замор оптоварување.
- Лопатките на работното коло се напрегаат од разликите во притисокот.
- Вратилото трпи замор од моментите на свиткување.
- Куќиштето се напрега од пулсациите на притисокот.
4. Минимизирање на хидрауличните сили
Работа во близина на BEP
- Единствената најефикасна стратегија за минимизирање на хидрауличните сили.
- Каде што е можно, целете кон работа во опсег од 80–110% од протокот при BEP.
- Радијалните сили се минимални при BEP.
- Вибрациите и оптоварувањата на лежиштата се минимизираат заедно.
Конструктивни решенија
- Пумпи со дифузор: посиметрична распределба на притисокот отколку кај единечна волута.
- Двојна волута: два јазичка (cutwater) на 180° едни од други што ги балансираат радијалните сили.
- Зголемени зазори: ги намалуваат пулсациите на притисокот при поминување на лопатките (со извесна загуба на ефикасност).
- Избор на бројот на лопатки: избран за да се избегнат акустични резонанции.
Дизајн на системот
- Обезбедете заштита од рециркулација при минимален проток за пумпите со основно оптоварување.
- Правилно димензионирајте ја пумпата за реалната задача и избегнувајте предимензионирање.
- Користете погон со променлива брзина за да ја одржувате оптималната работна точка.
- Проектирајте го влезот така што ќе се минимизираат предвртењето и турбуленцијата.
5. Дијагностичка примена
Работни криви и хидраулични сили
- Нацртајте ја вибрацијата во однос на протокот.
- Минималната вибрација типично е на или близу BEP.
- Порастот на вибрацијата при низок проток укажува на високи радијални сили.
- Графиконот помага да се дефинира разумен работен опсег.
Анализа на VPF
- Амплитудата на VPF ја покажува сериозноста на хидрауличната пулсација.
- Растечкото VPF укажува на влошување на зазорите или на промена на работната точка.
- VPF хармоници укажуваат на турбулентен, нарушен проток.
Раздвојувањето на овие хидраулични потписи од чисто механичките е клучот на дијагностиката на пумпите и токму тука преносливиот анализатор ја докажува својата вредност на терен. Balanset-1A го доловува вибрационен спектар на куќиштата на лежиштата и ги разложува компонентите 1×, VPF и нискофреквентните, така што инженерот може да одлучи дали високото читање бара балансирање на терен (механичко решение) или промена на работната точка (хидраулично решение) — а таму каде што дијагнозата укажува на дебаланс, балансирајте го роторот и потврдете го резултатот на самото место.
6. Аспекти на мерењето
Локации за мерење на вибрациите
- Куќишта на лежаите: ги детектираат комбинираните механички и хидраулични сили.
- Куќиште на пумпата: почувствително на хидраулични пулсации.
- Цевководи за всмукување и потис: ги пренесуваат пренесените пулсации на притисокот.
- Повеќе локации: нивното споредување помага да се разликуваат хидрауличните од механичките извори.
Мерење на пулсациите на притисокот
- Поставете сензори за притисок на всмукувањето и потисот.
- Тие директно ги мерат хидрауличните пулсации.
- Корелирајте ги податоците за пулсациите со вибрацијата.
- Искористете ја комбинацијата за да ги идентификувате акустичните резонанции.
Хидрауличните сили се фундаментални за начинот на кој работи пумпата и се главен извор на нејзините вибрации и оптоварување. Разбирањето како тие сили се менуваат со работните услови, препознавањето на нивните потписи во вибрацискиот спектар и проектирањето и работата на пумпите така што силите остануваат ниски — главно преку работа близу BEP — се од суштинско значење за постигнување сигурни перформанси на пумпата со долг работен век во индустриска примена. За подетален приказ на дефектите што ги предизвикуваат овие сили, видете дефекти на центрифугални пумпи и дефекти на работното коло.
