Inzicht in hydraulische krachten in pompen
Hydraulische krachten zijn de krachten die een stromende vloeistof uitoefent op pomponderdelen: door druk veroorzaakte belastingen op de schoepen van de waaier, axiale stuwkracht als gevolg van het drukverschil over de waaier, radiale krachten door een asymmetrische drukverdeling, en pulserende krachten die voortkomen uit stromingsturbulentie en de interactie tussen schoepen en spiraal. Deze verschillen fundamenteel van de mechanische krachten die worden veroorzaakt door onevenwicht of verkeerde uitlijning, omdat ze voortkomen uit vloeistofdruk en veranderingen in impuls in plaats van uit roterende massa — en ze komen in het spectrum tot uiting als schoeppasseringsfrequentie en de bijbehorende harmonischen. Inzicht hierin is essentieel voor de betrouwbaarheid van de pomp: hydraulische krachten veroorzaken lagerbelastingen, asdoorbuiging en trillingen die variëren naargelang de bedrijfsomstandigheden — debiet, druk en vloeistofeigenschappen — waardoor een pomp zich heel anders gedraagt dan machines waarvan de krachten puur mechanisch zijn.
1. Definitie: Wat zijn hydraulische krachten?
In een ideale pomp zou de vloeistof gelijkmatig op elk deel van de waaier en het pomphuis druk uitoefenen, en zouden de krachten die op de as inwerken uitsluitend mechanisch zijn. De werkelijkheid is echter complexer. De druk is hoger aan de uitlaatzijde dan aan de aanzuigzijde, deze is ongelijkmatig verdeeld over de omtrek van de waaier en er treedt een pulsatie op telkens wanneer een schoep langs de tong van de behuizing beweegt. De som van deze effecten is een reeks constante, langzaam variërende en snel pulserende belastingen die op de rotor en de constructie inwerken. Cruciaal is dat de omvang ervan afhangt van wanneer de pomp binnen zijn werkgebied werkt — een feit dat de diagnostisch ingenieur een krachtig hulpmiddel biedt, omdat een verandering in de stroming ook de krachten beïnvloedt.
2. Soorten hydraulische krachten
2.1 Axiale stuwkracht (hydraulische stuwkracht)
De netto-axiale kracht die voortkomt uit het drukverschil over de waaier:
- Mechanisme: De persdruk werkt op de ene kant van de waaier, de zuigdruk op de andere.
- Richting: meestal in de richting van de aanzuigzijde (de achterkant van de waaier).
- Grootte: kan zelfs bij pompen van gemiddelde grootte een kracht van duizenden pond bereiken.
- Effect: loads the druklager and can cause axiale trilling.
- Varieert met: debiet, druk en het ontwerp van de waaier.
Methoden voor het compenseren van stuwkracht
- Balance holes: openingen in de waaiermantel die de druk aan weerszijden ervan in evenwicht brengen.
- Back vanes: schoepen op de achterste mantel die vloeistof naar buiten pompen om de druk aan de achterzijde te verlagen.
- Waaier met dubbele aanzuiging: een symmetrisch ontwerp waarbij de stuwkracht van beide zijden elkaar opheft.
- Tegenover elkaar geplaatste waaiers: meertrapspompen met in tegengestelde richting draaiende waaiers.
2.2 Radiale krachten
Zijwaartse krachten die worden veroorzaakt door een asymmetrische drukverdeling rond de waaier:
Op het punt van maximale efficiëntie (BEP)
- De drukverdeling is relatief symmetrisch rondom de waaier.
- De radiale krachten zijn in evenwicht en heffen elkaar grotendeels op.
- De netto radiale kracht is minimaal.
- Dit is de toestand met de laagste trillingsfrequentie.
Buiten BEP — laag debiet
- De drukverdeling in de spiraal wordt asymmetrisch.
- Er ontstaat een netto radiale kracht in de richting van de spiraalvormige tong (voorkant).
- De omvang neemt toe naarmate de stroming afneemt.
- Bij het afsluiten kan dit 20–40% van het gewicht van de waaier bedragen.
- De roterende radiale kracht komt tot uiting in een 1×-trilling.
Buiten BEP — hoge doorstroming
- Er ontstaat een ander asymmetrisch patroon.
- Er is sprake van een radiale kracht, maar deze is doorgaans kleiner dan bij een laag debiet.
- Turbulentie in de stroming zorgt bovendien voor willekeurige krachtcomponenten.
2.3 Pulsaties bij het passeren van de schoepen
Periodieke drukpieken die ontstaan wanneer elk schoepblad langs de boegstrip beweegt:
- Frequentie: aantal schoepen × toerental / 60.
- Mechanisme: Elke schoep die langs de tong beweegt, veroorzaakt een drukpuls.
- Krachten: op de waaier, de spiraal en de behuizing.
- Trilling: dominant bij de frequentie waarbij de schoepen elkaar passeren.
- Grootte: hangt af van de ruimte tussen de boeg en het water, het werkpunt en het ontwerp.
2.4 Recirculatiekrachten
- Laagfrequente onstabiele krachten door stromingsinstabiliteiten
- Dit komt voor bij zeer lage — en soms zeer hoge — stroomsnelheden.
- Frequenties liggen doorgaans tussen 0,2 en 0,8 keer de loopsnelheid, in de subsynchroon band.
- Kan ernstige trillingen op lage frequentie veroorzaken.
- Een duidelijk teken dat de werking ver van het BEP afwijkt — zie recirculatie.
3. Gevolgen voor de prestaties van de pomp
Lagerbelasting
- Hydraulische radiale krachten dragen bij aan de mechanische belasting van de lagers.
- Verschillende krachten zorgen voor cyclische belasting.
- De belasting is het grootst bij een laag debiet.
- Bij de keuze van het lager moet rekening worden gehouden met de hydraulische component.
- De levensduur van een lager neemt sterk af naarmate de belasting toeneemt (de levensduur is evenredig met 1/belasting³), dus een bescheiden Berekening van de levensduur van L10-lagers kan aantonen in hoeverre een lage radiale kracht de levensduur verkort.
Asdoorbuiging
- Radiale krachten zorgen ervoor dat de as doorbuigt.
- Hierdoor veranderen de afstandsmaat van de afdichtingen en de pasvorm van de slijtringen.
- Dit kan ten koste gaan van de efficiëntie.
- In extreme gevallen leidt dit tot een rub.
Trillingsontwikkeling
- 1× component: als gevolg van de constante of langzaam variërende radiale kracht.
- VPF-component: door de drukpulsaties.
- Low-frequency: als gevolg van recirculatie en andere instabiliteiten.
- Afhankelijk van het werkpunt: het hele plaatje verandert naargelang het debiet.
Mechanische belasting
- Cyclische krachten oefenen vermoeidheid loading.
- De schoepen van de waaier staan onder spanning door de drukverschillen.
- De as wordt door buigmomenten aan vermoeidheid blootgesteld.
- De behuizing wordt belast door de drukpulsaties.
4. Hydraulische krachten tot een minimum beperken
Draai in de buurt van het BEP
- De meest effectieve strategie om hydraulische krachten tot een minimum te beperken.
- Probeer waar mogelijk binnen 80–110% van het BEP-debiet te werken.
- De radiale krachten zijn het kleinst bij het BEP.
- Trillingen en lagerbelastingen worden samen tot een minimum beperkt.
Ontwerpkenmerken
- Diffuserpompen: een symmetrischer drukverdeling dan bij een enkele spiraal.
- Dubbele spiraal: twee golfbrekers die 180° uit elkaar staan en de radiale krachten in evenwicht houden.
- Grotere vrije ruimtes: de drukpieken bij het passeren van de schoepen verminderen (ten koste van enig rendement).
- Keuze van het schroefbladgetal: gekozen om akoestische resonanties te voorkomen.
System design
- Zorg voor bescherming tegen recirculatie bij minimale doorstroming voor basislastpompen.
- Kies de juiste pompgrootte voor de daadwerkelijke toepassing en vermijd een te grote pomp.
- Gebruik een frequentieregelaar om het optimale werkpunt te handhaven.
- Ontwerp de inlaat zo dat voorwerveling en turbulentie tot een minimum worden beperkt.
5. Diagnostisch gebruik
Prestatiecurves en hydraulische krachten
- Breng de trillingen in kaart tegen het debiet.
- De trillingen zijn doorgaans minimaal op of nabij het BEP.
- Toenemende trillingen bij een laag debiet duiden op hoge radiale krachten.
- De grafiek helpt bij het vaststellen van een redelijk werkingsbereik.
VPF analysis
- De VPF-amplitude geeft de ernst van de hydraulische pulsatie aan.
- Een stijgende VPF duidt op verslechterende speling of een verschuiving van het werkpunt.
- VPF harmonischen wijzen op een turbulente, verstoorde stroming.
Het onderscheiden van deze hydraulische signalen van puur mechanische signalen vormt de kern van de pompdiagnose, en juist daar bewijst een draagbare analysator zijn waarde in de praktijk. De Balans-1a vangt de trillingsspectrum op de lagerhuizen en analyseert de 1×-, VPF- en laagfrequente componenten, zodat een ingenieur kan bepalen of een hoge meetwaarde aanleiding geeft tot veldbalancering (een mechanische oplossing) of een wijziging van het werkpunt (een hydraulische oplossing) — en wanneer uit de diagnose blijkt dat er sprake is van onbalans, breng de rotor dan in balans en controleer het resultaat ter plekke.
6. Overwegingen met betrekking tot metingen
Locaties voor trillingsmetingen
- Lagerhuizen: de gecombineerde mechanische en hydraulische krachten detecteren.
- Pump casing: gevoeliger voor hydraulische pulsaties.
- Aanzuig- en persleidingen: de doorgeleide drukpulsaties overbrengen.
- Verschillende locaties: Door ze te vergelijken, kun je hydraulische van mechanische oorzaken onderscheiden.
Meting van drukpulsaties
- Installeer druktransducers in de zuig- en persleiding.
- Deze meten de hydraulische pulsaties rechtstreeks.
- Breng de pulsatiegegevens in verband met de trillingen.
- Gebruik de combinatie om akoestische resonanties te identificeren.
Hydraulische krachten vormen de basis van de werking van een pomp en zijn een belangrijke oorzaak van trillingen en belasting. Inzicht in hoe deze krachten variëren onder verschillende bedrijfsomstandigheden, het herkennen van hun kenmerken in het trillingsspectrum, en het ontwerpen en exploiteren van pompen om deze krachten laag te houden — voornamelijk door zo dicht mogelijk bij het BEP te werken — zijn essentieel voor betrouwbare en duurzame pompprestaties in industriële toepassingen. Voor een uitgebreidere bespreking van de storingen die door deze krachten worden veroorzaakt, zie defecten aan centrifugaalpompen en defecten aan de waaier.
