Forstå hydrauliske krefter i pumper
Hydrauliske krefter er kreftene som en strømmende væske utøver på pumpekomponentene: trykkbelastninger på løpehjulets skovler, aksialt trykk fra trykkforskjellen over løpehjulet, radiale krefter fra en asymmetrisk trykkfordeling, samt pulserende krefter som oppstår på grunn av strømningsturbulens og samspillet mellom vinge og spiralhus. De skiller seg fundamentalt fra de mekaniske kreftene som oppstår ved ubalanse eller feiljustering, fordi de skyldes væsketrykk og endringer i bevegelsesmengde snarere enn roterende masse — og de viser seg i spektrumet som vingepasseringsfrekvens og de tilhørende harmoniske svingningene. Å forstå disse er avgjørende for pumpens pålitelighet: Hydrauliske krefter fører til belastning på lagrene, akselavbøyning og vibrasjon som endrer seg med driftsforholdene – strømningshastighet, trykk og væskens egenskaper – noe som gjør at en pumpe oppfører seg helt annerledes enn maskiner der kreftene er rent mekaniske.
1. Definisjon: Hva er hydrauliske krefter?
I en ideell pumpe ville væsken utøve et jevnt trykk på alle deler av løpehjulet og huset, og de eneste kreftene som virket på akselen ville være mekaniske. Virkeligheten er mer komplisert. Trykket er høyere ved utløpet enn ved innløpet, det fordeles ujevnt rundt løpehjulets periferi, og det pulserer hver gang en vinge passerer forbi husets tunge. Summen av disse effektene er en rekke jevne, langsomt varierende og raskt pulserende belastninger som virker på rotoren og konstruksjonen. Avgjørende er at størrelsen på disse avhenger av der pumpen opererer på sin ytelseskurve — et faktum som gir diagnostikeren et kraftig virkemiddel, fordi endringer i strømningen fører til endringer i kreftene.
2. Typer av hydrauliske krefter
2.1 Aksialt trykk (hydraulisk trykk)
Den netto aksialkraften som oppstår som følge av trykkforskjellen over løpehjulet:
- Mekanisme: Utløpstrykket virker på den ene siden av løpehjulet, mens sugetrykket virker på den andre.
- Retning: vanligvis mot sugesiden (baksiden av løpehjulet).
- Størrelsesorden: kan nå flere tusen pund i kraft selv i pumper av moderat størrelse.
- Effekt: laster inn aksiallager og kan forårsake aksial vibrasjon.
- Varierer med: strømningshastighet, trykk og løpehjulets utforming.
Metoder for kraftutjevning
- Balansehull: hull gjennom løpehjulskappen som utjevner trykket på tvers av den.
- Bakre skovler: vinger på den bakre kappen som pumper væske utover for å redusere trykket på baksiden.
- Dobbeltsugende løpehjul: et symmetrisk design der de to sidene opphever hverandres kraft.
- Motsatt vendte løpehjul: flertrinnspumper med løpehjul som er plassert i motsatt retning.
2.2 Radialkrefter
Sideveis krefter som oppstår på grunn av en asymmetrisk trykkfordeling rundt løpehjulet:
Ved det optimale effektivitetspunktet (BEP)
- Trykkfordelingen er relativt symmetrisk rundt løpehjulet.
- Radialkreftene er i likevekt og opphever i stor grad hverandre.
- Den radiale nettokraften er minimal.
- Dette er tilstanden med lavest vibrasjon.
Utenfor BEP — lavt strømningsnivå
- Trykkfordelingen i spiralhuset blir asymmetrisk.
- Det oppstår en netto radialkraft mot spiralens tunge (skjær).
- Størrelsen øker når strømmen avtar.
- Ved avstengning kan den utgjøre 20–40 % av løpehjulets vekt.
- Den roterende radiale kraften gir seg utslag i en 1×-vibrasjon.
Utenfor BEP — høyt flow
- Det oppstår et annet asymmetrimønster.
- Det foreligger en radial kraft, men den er vanligvis mindre enn ved lavt strømningsnivå.
- Strømningsturbulens tilfører i tillegg tilfeldige kraftkomponenter.
2.3 Pulseringer forårsaket av vingene
Periodiske trykkimpulser som oppstår når hver vinge passerer foran skjærvannet:
- Hyppighet: antall vinger × omdreininger per minutt / 60.
- Mekanisme: Hver vinge som passerer tungen, skaper en trykkpuls.
- Krefter: virker på løpehjulet, spiralhuset og huset.
- Vibrasjon: dominerende ved vingens passasjefrekvens.
- Størrelsesorden: avhenger av frihøyden til baugspissen, driftspunktet og konstruksjonen.
2.4 Resirkulasjonskrefter
- Lavfrekvente ustabile krefter fra strømningsinstabiliteter
- Oppstår ved svært lave – og noen ganger svært høye – strømningshastigheter.
- Frekvensene ligger vanligvis på 0,2–0,8 ganger løpehastigheten, i subsynkron band.
- Kan forårsake kraftige lavfrekvente vibrasjoner.
- Et tydelig tegn på drift langt fra BEP — se resirkulering.
3. Innvirkning på pumpens ytelse
Bærende belastning
- Hydrauliske radiale krefter bidrar til den mekaniske belastningen på lagrene.
- Ulike krefter påfører syklisk belastning.
- Belastningen er størst ved lav vannføring.
- Valg av lager må ta hensyn til den hydrauliske komponenten.
- Levetiden til et lager synker kraftig med belastningen (levetiden er proporsjonal med 1/belastning³), så en moderat Beregning av levetid for L10-lager kan vise i hvilken grad en lav radialkraft forkorter levetiden.
Akselavbøyning
- Radialkrefter forårsaker bøyning av akselen.
- Dette endrer tetningsavstandene og slitasjeringenes passform.
- Det kan redusere effektiviteten.
- I ekstreme tilfeller fører det til en gni.
Vibrasjonsdannelse
- 1× komponent: fra den konstante eller langsomt varierende radiale kraften.
- VPF-komponent: fra trykkpulseringene.
- Lavfrekvent: fra resirkulering og andre ustabiliteter.
- Avhengig av driftspunkt: Hele bildet endrer seg med strømningshastigheten.
Mekanisk belastning
- Sykliske krefter påfører utmattelse lasting.
- Løpehjulets skovler utsettes for belastning på grunn av trykkforskjellene.
- Akselen utsettes for utmattingsbelastning fra bøyemomenter.
- Huset utsettes for belastning fra trykkpulseringene.
4. Minimering av hydrauliske krefter
Drift nær BEP
- Den aller mest effektive strategien for å minimere hydrauliske krefter.
- Forsøk så langt det lar seg gjøre å holde driften innenfor 80–110 % av BEP-strømmen.
- Radialkreftene er på sitt laveste ved BEP.
- Vibrasjon og lagerbelastning reduseres i fellesskap.
Designfunksjoner
- Diffusorpumper: en mer symmetrisk trykkfordeling enn ved bruk av én enkelt spiralhus.
- Dobbel volute: to skjærbrytere som ligger 180° fra hverandre og utligner de radiale kreftene.
- Økte klaringer: redusere trykkpulsene som overføres til vingene (på bekostning av noe av virkningsgraden).
- Valg av vingetall: valgt for å unngå akustiske resonanser.
Systemdesign
- Sørg for beskyttelse mot resirkulering ved minimumsstrømning for grunnlastpumper.
- Velg en pumpe med riktig størrelse for den faktiske brukssituasjonen, og unngå å velge en for stor pumpe.
- Bruk en frekvensomformer for å opprettholde det optimale driftspunktet.
- Utform innløpet slik at forvirvling og turbulens minimeres.
5. Diagnostisk bruk
Ytelseskurver og hydrauliske krefter
- Plott vibrasjon mot strømningshastighet.
- Vibrasjonen er vanligvis på eller nær BEP.
- Økende vibrasjon ved lavt gjennomstrømning tyder på store radiale krefter.
- Grafen bidrar til å fastsette et fornuftig driftsområde.
VPF-analyse
- VPF-amplituden angir hvor sterk den hydrauliske pulseringen er.
- En økende VPF kan tyde på dårligere klaringer eller en endring i driftspunktet.
- VPF harmoniske tyder på turbulent, urolig strømning.
Å skille disse hydrauliske signalene fra de rent mekaniske er kjernen i pumpediagnostikk, og det er her en bærbar analysator viser sin verdi i felten. Den Balanset-1A fanger opp vibrasjonsspektrum på lagerhusene og skiller ut 1×-, VPF- og lavfrekvenskomponentene, slik at en ingeniør kan avgjøre om en høy måleverdi krever feltbalansering (en mekanisk løsning) eller en endring av driftspunktet (en hydraulisk løsning) – og der diagnosen tyder på ubalanse, må rotoren balanseres og resultatet kontrolleres umiddelbart.
6. Hensyn ved måling
Målepunkter for vibrasjon
- Lagerhus: registrere de samlede mekaniske og hydrauliske kreftene.
- Pumpehus: mer følsom for hydrauliske svingninger.
- Sug- og trykkrør: overføre trykkpulseringene.
- Flere steder: Ved å sammenligne dem kan man skille mellom hydrauliske og mekaniske årsaker.
Måling av trykkpulsering
- Monter trykktransdusere i suge- og trykkrøret.
- Disse måler de hydrauliske pulseringene direkte.
- Sammenlign pulsasjonsdataene med vibrasjonen.
- Bruk kombinasjonen til å identifisere akustiske resonanser.
Hydrauliske krefter er avgjørende for hvordan en pumpe fungerer, og utgjør en viktig kilde til vibrasjon og belastning. Å forstå hvordan disse kreftene varierer med driftsforholdene, gjenkjenne deres karakteristiske mønstre i vibrasjonsspekteret, samt å konstruere og drifte pumper slik at kreftene holdes lave – hovedsakelig ved å kjøre nær BEP – er avgjørende for å oppnå pålitelig og langvarig pumpeytelse i industriell drift. For en mer inngående gjennomgang av feilene som disse kreftene forårsaker, se feil på sentrifugalpumper og feil ved løpehjulet.
