Zrozumienie sił hydraulicznych w pompach
Definicja: Czym są siły hydrauliczne?
Siły hydrauliczne Są to siły wywierane na elementy pompy przez przepływającą ciecz, w tym obciążenia łopatek wirnika wywołane ciśnieniem, nacisk osiowy wynikający z różnic ciśnień, siły promieniowe wynikające z asymetrycznych rozkładów ciśnień oraz siły pulsujące wynikające z turbulencji przepływu i interakcji łopatki ze spiralą. Siły te różnią się od sił mechanicznych (od brak równowagi, niewspółosiowość) ponieważ powstają w wyniku zmian ciśnienia i pędu płynu, tworząc wibracja komponenty w częstotliwość przejścia łopatki i powiązanych harmonicznych.
Zrozumienie sił hydraulicznych jest kluczowe dla niezawodności pompy, ponieważ siły te powodują obciążenia łożysk, ugięcie wału i wibracje, które zmieniają się w zależności od warunków pracy (natężenia przepływu, ciśnienia, właściwości cieczy), co sprawia, że zachowanie pompy różni się od zachowania innych maszyn obrotowych, w których działają głównie siły mechaniczne.
Rodzaje sił hydraulicznych
1. Siła osiowa (siła hydrauliczna)
Siła osiowa netto wynikająca z różnicy ciśnień na wirniku:
- Mechanizm: Ciśnienie tłoczenia po jednej stronie, ciśnienie ssania po drugiej stronie wirnika
- Kierunek: Zwykle w kierunku ssania (tył wirnika)
- Ogrom: Może to być tysiące funtów nawet przy umiarkowanych pompkach
- Efekt: Obciąża łożysko oporowe, może powodować drgania osiowe
- Różni się w zależności od: Przepływ, ciśnienie, konstrukcja wirnika
Metody wyważania ciągu
- Otwory wyrównoważające: Otwory w osłonie wirnika wyrównujące ciśnienie
- Tylne łopatki: Łopatki z tyłu pompują płyn w celu zmniejszenia ciśnienia
- Wirniki dwussące: Symetryczna konstrukcja znosząca ciąg
- Wirniki przeciwstawne: Pompy wielostopniowe z wirnikami skierowanymi w przeciwnych kierunkach
2. Siły promieniowe
Siły boczne wynikające z asymetrycznego rozkładu ciśnienia:
W punkcie najlepszej efektywności (BEP)
- Rozkład ciśnienia jest względnie symetryczny wokół wirnika
- Siły promieniowe równoważą się i znoszą
- Minimalna siła promieniowa netto
- Najniższe warunki wibracji
Wyłącz BEP (niski przepływ)
- Asymetryczny rozkład ciśnienia w spirali
- Siła netto promieniowa skierowana w stronę języka spiralnego
- Wielkość siły wzrasta wraz ze spadkiem przepływu
- Może wynosić 20-40% masy wirnika przy wyłączeniu
- Tworzy 1× wibracje z obracającej się siły promieniowej
Wyłącz BEP (wysoki przepływ)
- Różny wzór asymetrii
- Siła promieniowa obecna, ale zwykle mniejsza niż przy niskim przepływie
- Turbulencja przepływu dodaje losowe składowe siły
3. Pulsacje przechodzące przez łopatki
Okresowe pulsacje ciśnienia, gdy łopatki przechodzą przez wodę odśrodkową:
- Częstotliwość: Liczba łopatek × obr./min / 60
- Mechanizm: Każda przechodząca łopatka wytwarza impuls ciśnienia
- Wojska: Działanie na wirniku, spirali i obudowie
- Wibracja: Dominująca przy częstotliwości przejścia łopatki
- Ogrom: Zależy od luzu, punktu pracy i konstrukcji
4. Siły recyrkulacji
- Niestabilne siły o niskiej częstotliwości wynikające z niestabilności przepływu
- Występują przy bardzo niskich lub bardzo wysokich natężeniach przepływu
- Częstotliwości zazwyczaj 0,2-0,8× prędkości biegu
- Może powodować silne wibracje o niskiej częstotliwości
- Oznacza operację wykonywaną z dala od BEP
Wpływ na wydajność pompy
Obciążenie łożyska
- Siły promieniowe hydrauliczne zwiększają obciążenia mechaniczne
- Zmienne siły powodują cykliczne obciążenie
- Maksymalne obciążenie w warunkach niskiego przepływu
- Dobór łożysk musi uwzględniać obciążenia hydrauliczne
- Żywotność łożyska zmniejszona przez siły hydrauliczne (Żywotność ∝ 1/Obciążenie³)
Ugięcie wału
- Siły promieniowe odchylają wał
- Zmienia luzy uszczelnień i pierścienie cierne
- Może wpływać na wydajność
- W skrajnych przypadkach dochodzi do otarć
Generowanie wibracji
- 1× Komponent: Ze stałej lub wolno zmieniającej się siły promieniowej
- Komponent VPF: Z pulsacji ciśnienia
- Niska częstotliwość: Z recyrkulacji i niestabilności
- Zależne od punktu pracy: Wibracje zmieniają się w zależności od natężenia przepływu
Naprężenie mechaniczne
- Siły cykliczne powodują obciążenie zmęczeniowe
- Łopatki wirnika obciążone różnicą ciśnień
- Zmęczenie wału spowodowane momentami zginającymi
- Naprężenie obudowy spowodowane pulsacjami ciśnienia
Minimalizacja siły hydraulicznej
Działaj w pobliżu BEP
- Najbardziej efektywna strategia minimalizacji sił hydraulicznych
- W miarę możliwości należy działać w zakresie 80–110% przepływu BEP
- Siły promieniowe minimalne w punkcie BEP
- Zminimalizowane wibracje i obciążenia łożysk
Cechy konstrukcyjne
- Pompy dyfuzyjne: Bardziej symetryczny rozkład ciśnienia niż w przypadku spirali
- Podwójna spirala: Dwa odgałęzienia oddalone od siebie o 180° równoważą siły promieniowe
- Zwiększone prześwity: Zmniejsza pulsacje ciśnienia przechodzącego przez łopatki (ale obniża wydajność)
- Wybór numeru łopatki: Zoptymalizuj, aby uniknąć rezonansów akustycznych
Projektowanie systemów
- Minimalny przepływ recyrkulacyjny dla pomp obciążenia podstawowego
- Pompa o odpowiednim rozmiarze do rzeczywistego zastosowania (unikaj przewymiarowania)
- Napęd o zmiennej prędkości zapewniający utrzymanie optymalnego punktu pracy
- Konstrukcja wlotu minimalizująca wstępne zawirowanie i turbulencje
Zastosowanie diagnostyczne
Krzywe wydajności i siły hydrauliczne
- Wykres drgań w funkcji natężenia przepływu
- Minimalne drgania występują zazwyczaj w okolicach BEP
- Wzrost wibracji przy niskim przepływie wskazuje na wysokie siły promieniowe
- Przewodniki wyboru zakresu operacyjnego
Analiza VPF
- Amplituda VPF wskazuje na nasilenie pulsacji hydraulicznej
- Zwiększenie VPF sugeruje pogorszenie luzu lub przesunięcie punktu pracy
- Harmoniczne VPF wskazują na przepływ turbulentny, zaburzony
Zagadnienia dotyczące pomiaru
Lokalizacje pomiaru drgań
- Obudowy łożysk: Wykrywanie ogólnych sił mechanicznych i hydraulicznych
- Obudowa pompy: Większa wrażliwość na pulsacje hydrauliczne
- Rurociągi ssące i tłoczne: Transmisja pulsacji ciśnienia
- Wiele lokalizacji: Rozróżnij źródła hydrauliczne od mechanicznych
Pomiar pulsacji ciśnienia
- Przetworniki ciśnienia w ssaniu i tłoczeniu
- Bezpośredni pomiar pulsacji hydraulicznych
- Koreluje z wibracjami
- Identyfikacja rezonansów akustycznych
Siły hydrauliczne są podstawą działania pomp i głównym źródłem drgań i obciążeń pomp. Zrozumienie, jak siły te zmieniają się w zależności od warunków pracy, rozpoznawanie ich charakterystyk w widmach drgań oraz projektowanie/eksploatacja pomp w sposób minimalizujący siły hydrauliczne w warunkach zbliżonych do BEP, są kluczowe dla zapewnienia niezawodnej i długotrwałej pracy pomp w zastosowaniach przemysłowych.
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 