Forstå hydrauliske krefter i pumper
Definisjon: Hva er hydrauliske krefter?
Hydrauliske krefter er krefter som utøves på pumpekomponenter av den strømmende væsken, inkludert trykkinduserte belastninger på impellervinger, aksialt trykk fra trykkforskjeller, radielle krefter fra asymmetriske trykkfordelinger og pulserende krefter fra strømningsturbulens og vinge-spiral-interaksjon. Disse kreftene er forskjellige fra mekaniske krefter (fra ubalanse, feiljustering) ved at de oppstår fra endringer i væsketrykk og momentum, og skaper vibrasjon komponenter på vingepasseringsfrekvens og relaterte harmoniske.
Å forstå hydrauliske krefter er viktig for pumpens pålitelighet fordi disse kreftene skaper lagerbelastninger, akselavbøyning og vibrasjoner som varierer med driftsforhold (strømningshastighet, trykk, væskeegenskaper), noe som gjør at pumpen oppfører seg annerledes enn andre roterende maskiner der kreftene primært er mekaniske.
Typer hydrauliske krefter
1. Aksial skyvekraft (hydraulisk skyvekraft)
Netto aksialkraft fra trykkforskjell over løpehjulet:
- Mekanisme: Utløpstrykk på den ene siden, sugetrykk på den andre siden av impelleren
- Retning: Vanligvis mot suging (baksiden av impelleren)
- Størrelsesorden: Kan være tusenvis av kilo selv i moderate pump
- Effekt: Belaster aksiallageret, kan forårsake aksial vibrasjon
- Varierer med: Strømningshastighet, trykk, impellerdesign
Metoder for skyvekraftbalansering
- Balansehull: Hull i impellerdekselet som utjevner trykket
- Bakre vinge: Lameller på baksiden pumper væske for å redusere trykket
- Dobbeltsugende impellere: Symmetrisk design som kansellerer skyvekraft
- Motstående impellere: Flertrinnspumper med løpehjul i motsatt retning
2. Radiale krefter
Sidekrefter fra asymmetrisk trykkfordeling:
Ved beste effektivitetspunkt (BEP)
- Trykkfordeling relativt symmetrisk rundt impelleren
- Radiale krefter balansert og kansellert
- Minimal netto radialkraft
- Laveste vibrasjonstilstand
Av BEP (lav strømning)
- Asymmetrisk trykkfordeling i volute
- Netto radialkraft mot spiraltungen
- Kraftstørrelsen øker når strømmen avtar
- Kan være 20-40% av impellervekten ved avstengning
- Skaper 1× vibrasjon fra roterende radialkraft
Av BEP (høy strømning)
- Ulike asymmetrimønstre
- Radial kraft til stede, men vanligvis mindre enn ved lav strømning
- Strømningsturbulens legger til tilfeldige kraftkomponenter
3. Pulseringer ved passering av vinge
Periodiske trykkpulser når skovlene passerer kuttvann:
- Hyppighet: Antall skovler × o/min / 60
- Mekanisme: Hver passering av vingene skaper en trykkpuls
- Krefter: Virker på impeller, spiral og hus
- Vibrasjon: Dominant ved vingepasseringsfrekvens
- Størrelsesorden: Avhenger av klaring, driftspunkt, design
4. Resirkuleringskrefter
- Lavfrekvente ustabile krefter fra strømningsinstabiliteter
- Oppstår ved svært lave eller svært høye strømningshastigheter
- Frekvenser vanligvis 0,2–0,8× kjørehastighet
- Kan skape kraftige lavfrekvente vibrasjoner
- Indikerer drift langt fra BEP
Effekter på pumpens ytelse
Lagerbelastning
- Hydrauliske radialkrefter øker mekaniske belastninger
- Varierende krefter skaper syklisk belastning
- Maksimal belastning ved lav strømningsforhold
- Lagervalg må ta hensyn til hydrauliske belastninger
- Lagerlevetid redusert av hydrauliske krefter (levetid ∝ 1/last³)
Akselavbøyning
- Radiale krefter avbøyer akselen
- Endrer tetningsklaringer og slitasjeringer
- Kan påvirke effektiviteten
- Ekstreme tilfeller fører til gnagsår
Vibrasjonsgenerering
- 1× Komponent: Fra jevn eller sakte varierende radialkraft
- VPF-komponent: Fra trykkpulseringer
- Lavfrekvens: Fra resirkulering og ustabilitet
- Avhengig av driftspunkt: Vibrasjonen varierer med strømningshastigheten
Mekanisk stress
- Sykliske krefter skaper utmattingsbelastning
- Impellervinger belastet av trykkforskjeller
- Akselutmatting fra bøyemomenter
- Hylsespenning fra trykkpulseringer
Minimering av hydraulisk kraft
Operer i nærheten av BEP
- Den mest effektive strategien for å minimere hydrauliske krefter
- Operer innenfor 80-110% av BEP-flyt når det er mulig
- Minimum radialkrefter ved BEP
- Minimerte vibrasjoner og lagerbelastninger
Designfunksjoner
- Diffusorpumper: Mer symmetrisk trykkfordeling enn spiralformet
- Dobbel volute: To kuttvann 180° fra hverandre balanserer radiale krefter
- Økte klareringer: Reduser trykkpulseringer ved passering av vingene (men lavere effektivitet)
- Valg av vingenummer: Optimaliser for å unngå akustiske resonanser
Systemdesign
- Minimumsstrømresirkulering for grunnlastpumper
- Riktig dimensjonert pumpe for faktisk drift (unngå overdimensjonering)
- Variabel hastighetsdrift for å opprettholde optimalt driftspunkt
- Innløpsdesign som minimerer forvirring og turbulens
Diagnostisk bruk
Ytelseskurver og hydrauliske krefter
- Plott vibrasjon vs. strømningshastighet
- Minimum vibrasjon vanligvis ved eller nær BEP
- Økende vibrasjon ved lav strømning indikerer høye radielle krefter
- Veileder valg av driftsområde
VPF-analyse
- VPF-amplitude indikerer alvorlighetsgraden av hydraulisk pulsering
- Økende VPF tyder på forringelse av klaring eller forskyvning av driftspunkt
- VPF-harmoniske indikerer turbulent, forstyrret strømning
Hensyn ved måling
Steder for vibrasjonsmåling
- Lagerhus: Oppdag generelle mekaniske og hydrauliske krefter
- Pumpehus: Mer følsom for hydrauliske pulseringer
- Suge- og utløpsrør: Trykkpulsasjonsoverføring
- Flere steder: Skille hydrauliske fra mekaniske kilder
Måling av trykkpulsering
- Trykktransdusere i sug og utløp
- Mål hydrauliske pulseringer direkte
- Korreler med vibrasjon
- Identifiser akustiske resonanser
Hydrauliske krefter er grunnleggende for pumpedrift og en viktig kilde til pumpevibrasjon og -belastning. Å forstå hvordan disse kreftene varierer med driftsforhold, gjenkjenne deres signaturer i vibrasjonsspektre og designe/drifte pumper for å minimere hydrauliske krefter gjennom nær BEP-drift er avgjørende for å oppnå pålitelig pumpeytelse med lang levetid i industrielle applikasjoner.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 