Zrozumienie sił hydraulicznych w pompach
Siły hydrauliczne to siły, jakie przepływająca ciecz wywiera na elementy pompy: obciążenia wywołane ciśnieniem na łopatki wirnika, osiowy parcie wynikające z różnicy ciśnień po obu stronach wirnika, siły promieniowe spowodowane asymetrycznym rozkładem ciśnienia oraz pulsujące siły będące wynikiem turbulencja przepływu i oddziaływania łopatek z kanałem spiralnym. Zasadniczo różnią się one od sił mechanicznych wytwarzanych przez brak równowagi lub niewspółosiowość, ponieważ powstają w wyniku ciśnienia cieczy i zmian pędu, a nie obrotu mas — i ujawniają się w widmie jako częstotliwość przejścia łopatki i jej harmoniczne. Zrozumienie ich jest niezbędne dla niezawodności pompy: siły hydrauliczne generują obciążenia łożysk, ugięcie wału i wibracja które zmieniają się wraz z warunkami pracy — wydatkiem, ciśnieniem i właściwościami cieczy — sprawiając, że pompa zachowuje się zupełnie inaczej niż maszyny, których siły mają charakter czysto mechaniczny.
1. Definicja: czym są siły hydrauliczne?
W idealnej pompie ciecz wywierałaby równomierny nacisk na każdy element wirnika i obudowy, a jedynymi siłami odczuwanymi przez wał byłyby siły mechaniczne. Rzeczywistość jest jednak bardziej złożona. Ciśnienie jest wyższe po stronie tłocznej niż ssawnej, rozkłada się nierównomiernie na obwodzie wirnika i pulsuje za każdym razem, gdy łopatka przemija język spirali. Suma tych efektów stanowi zestaw stałych, wolnozmiennych i szybkopulsujących obciążeń działających na wirnik i konstrukcję. Co istotne, ich wielkość zależy od miejsca pracy pompy na jej charakterystyce — co daje inżynierowi diagnostyki potężne narzędzie, ponieważ zmiana wydatku zmienia siły.
2. Rodzaje sił hydraulicznych
2.1 Ciąg osiowy (parcie hydrauliczne)
Wypadkowa siła osiowa wynikająca z różnicy ciśnień po obu stronach wirnika:
- Mechanizm: ciśnienie tłoczenia działa na jedną stronę wirnika, ciśnienie ssania na drugą.
- Kierunek: zazwyczaj w kierunku ssania (tylna część wirnika).
- Ogrom: może osiągać tysiące funtów siły nawet w pompach średniej wielkości.
- Efekt: loads the łożysko oporowe and can cause drgania osiowe.
- Zależy od: natężenia przepływu, ciśnienia i konstrukcji wirnika.
Metody równoważenia ciągu osiowego
- Balance holes: otwory w tarczy wirnika wyrównujące ciśnienie po obu jego stronach.
- Back vanes: łopatki na tylnej tarczy pompujące ciecz na zewnątrz w celu obniżenia ciśnienia po stronie tylnej.
- Wirniki dwustrumieniowe: symetryczna konstrukcja, w której siły osiowe obu stron wzajemnie się znoszą.
- Wirniki przeciwbieżne: pompy wielostopniowe z wirnikami zwróconymi w przeciwnych kierunkach.
2.2 Siły promieniowe
Siły boczne wynikające z asymetrycznego rozkładu ciśnienia wokół wirnika:
W punkcie optymalnej sprawności (BEP)
- Rozkład ciśnienia wokół wirnika jest stosunkowo symetryczny.
- Siły promieniowe są zrównoważone i w dużej mierze się znoszą.
- Wypadkowa siła promieniowa jest minimalna.
- Jest to stan najniższych drgań.
Poza BEP — niskie natężenie przepływu
- Rozkład ciśnienia w spirali staje się asymetryczny.
- Pojawia się wypadkowa siła promieniowa skierowana w stronę języka spirali (języka odcinającego).
- Jej wartość rośnie wraz ze spadkiem przepływu.
- Przy odcięciu przepływu może osiągać 20–40% ciężaru wirnika.
- Obrotowa siła promieniowa objawia się jako drgania o częstotliwości 1×.
Poza BEP — duży przepływ
- Tworzy się inny wzorzec asymetrii.
- Występuje siła promieniowa, jednak jest ona zazwyczaj mniejsza niż przy małym przepływie.
- Turbulencje przepływu dodają losowe składowe sił.
2.3 Pulsacje przy przejściu łopatek
Okresowe impulsy ciśnienia powstające przy każdym przejściu łopatki koło odcięcia:
- Częstotliwość: liczba łopatek × RPM / 60.
- Mechanizm: każde przejście łopatki obok języka odcinającego generuje impuls ciśnienia.
- Wojska: działają na wirnik, spiralę i obudowę.
- Wibracja: dominujące przy częstotliwości łopatkowej.
- Ogrom: zależy od luzu przy odcięciu, punktu pracy oraz konstrukcji.
2.4 Siły recyrkulacyjne
- Niestabilne siły o niskiej częstotliwości wynikające z niestabilności przepływu
- Występują przy bardzo małych — a niekiedy bardzo dużych — przepływach.
- Częstotliwości typowo 0,2–0,8× prędkość obrotowa, w podsynchroniczny band.
- Mogą powodować silne drgania o niskiej częstotliwości.
- Wyraźna oznaka pracy daleko od BEP — patrz recyrkulacja.
3. Wpływ na osiągi pompy
Obciążenie łożysk
- Hydrauliczne siły promieniowe sumują się z obciążeniami mechanicznymi łożysk.
- Zmienne siły powodują obciążenia cykliczne.
- Obciążenie jest największe przy warunkach małego przepływu.
- Dobór łożysk musi uwzględniać składową hydrauliczną.
- Trwałość łożysk maleje gwałtownie wraz z obciążeniem (trwałość jest proporcjonalna do 1/obciążenie³), więc nawet umiarkowane obliczenie trwałości łożyska L10 może wykazać, o ile siła promieniowa przy małym przepływie skraca żywotność.
Ugięcie wału
- Siły promieniowe uginają wał.
- Zmienia to luzy uszczelnień i pasowania pierścieni uszczelniających.
- Może ono obniżyć sprawność.
- W skrajnych przypadkach prowadzi to do pocierać.
Wytwarzanie drgań
- 1× component: od stałej lub wolnozmiennej siły promieniowej.
- Składowa VPF: od pulsacji ciśnienia.
- Low-frequency: od recyrkulacji i innych niestabilności.
- Zależna od punktu pracy: cały obraz zmienia się wraz z wydatkiem.
Obciążenia mechaniczne
- Siły cykliczne powodują zmęczenie loading.
- Łopatki wirnika są obciążane przez różnice ciśnień.
- Wał jest narażony na zmęczenie materiału wywołane momentami gnącymi.
- Obudowa jest obciążana przez pulsacje ciśnienia.
4. Minimalizacja sił hydraulicznych
Praca w pobliżu punktu BEP
- Najskuteczniejsza strategia minimalizowania sił hydraulicznych.
- Należy dążyć do pracy w zakresie 80–110% wydatku BEP tam, gdzie to możliwe.
- Siły promieniowe są minimalne w punkcie BEP.
- Drgania i obciążenia łożysk są jednocześnie minimalizowane.
Cechy konstrukcyjne
- Pompy z dyfuzorem: bardziej symetryczny rozkład ciśnienia niż w przypadku pojedynczej spirali.
- Podwójny ślimak: dwa języki spirali rozmieszczone co 180°, równoważące siły promieniowe.
- Zwiększone luzy: redukcja impulsów ciśnienia przy przelocie łopatek (kosztem pewnej sprawności).
- Dobór liczby łopatek: dobrane w celu uniknięcia rezonansów akustycznych.
System design
- Zapewnienie ochrony przed minimalnym przepływem z recyrkulacją dla pomp pracujących jako jednostki podstawowe.
- Dobierać pompę odpowiednio do rzeczywistych warunków pracy i unikać przewymiarowania.
- Stosować napęd o zmiennej prędkości, aby utrzymać optymalny punkt pracy.
- Projektować króciec ssawny tak, aby minimalizować wstępny zakręt i turbulencje.
5. Zastosowanie diagnostyczne
Charakterystyki przepływowe i siły hydrauliczne
- Wykreśl drgania w funkcji wydajności przepływu.
- Minimalne drgania występują zazwyczaj w punkcie BEP lub w jego pobliżu.
- Wzrost drgań przy małym przepływie sygnalizuje wysokie siły promieniowe.
- Wykres pomaga wyznaczyć rozsądny zakres pracy.
VPF analysis
- Amplituda VPF wskazuje nasilenie pulsacji hydraulicznych.
- Rosnąca wartość VPF sugeruje pogorszenie się luzów lub przesunięcie punktu pracy.
- VPF harmonia wskazują na turbulentny, zaburzony przepływ.
Oddzielenie tych hydraulicznych sygnatur od sygnatur czysto mechanicznych stanowi sedno diagnostyki pomp i właśnie tutaj przenośny analizator drgań udowadnia swoją wartość w terenie. The Balans-1a przechwytuje widmo drgań na obudowach łożysk i rozdziela składowe 1×, VPF oraz niskoczęstotliwościowe, dzięki czemu inżynier może ocenić, czy wysoki odczyt wymaga wyważanie w terenie (środka mechanicznego) czy zmiany punktu pracy (środka hydraulicznego) — a tam, gdzie diagnoza wskazuje na niewyważenie, wyważyć wirnik i zweryfikować wynik na miejscu.
6. Zagadnienia pomiarowe
Miejsca pomiaru drgań
- Obudowy łożysk: wykrywać łączone siły mechaniczne i hydrauliczne.
- Pump casing: bardziej wrażliwy na pulsacje hydrauliczne.
- Rurociągi ssawny i tłoczny: przenoszą przekazywane pulsacje ciśnienia.
- Wiele punktów pomiarowych: ich porównanie pomaga odróżnić źródła hydrauliczne od mechanicznych.
Pomiar pulsacji ciśnienia
- Zamontować przetworniki ciśnienia na króćcach ssawnym i tłocznym.
- Mierzą bezpośrednio pulsacje hydrauliczne.
- Skoreluj dane dotyczące pulsacji z wibracjami.
- Użyj kombinacji, aby zidentyfikować rezonanse akustyczne.
Siły hydrauliczne są fundamentem działania pompy i głównym źródłem jej drgań oraz obciążeń. Zrozumienie, jak siły te zmieniają się w zależności od warunków pracy, rozpoznawanie ich sygnatur w widmie drgań oraz projektowanie i eksploatacja pomp w sposób minimalizujący te siły — przede wszystkim przez pracę w pobliżu BEP — są niezbędne do osiągnięcia niezawodnej, długotrwałej pracy pomp w zastosowaniach przemysłowych. Szczegółowe omówienie awarii wywoływanych przez te siły można znaleźć w wady pomp odśrodkowych oraz wady wirnika.
