O que são forças hidráulicas? Fontes de vibração em bombas • Balanceador portátil e analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, roscas transportadoras em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores. O que são forças hidráulicas? Fontes de vibração em bombas • Balanceador portátil e analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, roscas transportadoras em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores.

O que são forças hidráulicas? Fontes de vibração em bombas

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Entendendo as forças hidráulicas em bombas

Definição: O que são forças hidráulicas?

Forças hidráulicas São forças exercidas sobre os componentes da bomba pelo líquido em escoamento, incluindo cargas induzidas pela pressão nas pás do rotor, empuxo axial devido a diferenciais de pressão, forças radiais resultantes de distribuições de pressão assimétricas e forças pulsantes provenientes da turbulência do escoamento e da interação entre as pás e a voluta. Essas forças são distintas das forças mecânicas (de desequilíbrio, desalinhamento) no sentido de que surgem de mudanças na pressão e no momento do fluido, criando vibração componentes em frequência de passagem da pá e seus harmônicos.

Compreender as forças hidráulicas é essencial para a confiabilidade das bombas, pois essas forças criam cargas nos mancais, deflexão do eixo e vibração que variam de acordo com as condições de operação (vazão, pressão, propriedades do fluido), tornando o comportamento da bomba diferente de outras máquinas rotativas onde as forças são principalmente mecânicas.

Tipos de forças hidráulicas

1. Empuxo Axial (Empuxo Hidráulico)

Força axial resultante da diferença de pressão através do impulsor:

  • Mecanismo: Pressão de descarga de um lado, pressão de sucção do outro lado do impulsor.
  • Direção: Geralmente em direção à sucção (parte traseira do impulsor)
  • Magnitude: Pode custar milhares de libras, mesmo em bombas de potência moderada.
  • Efeito: Cargas no rolamento axial podem causar vibração axial
  • Varia conforme: Vazão, pressão, projeto do impulsor

Métodos de balanceamento de empuxo

  • Orifícios de balanceamento: Orifícios na carcaça do impulsor equalizam a pressão.
  • Palhetas traseiras: Palhetas na parte traseira bombeiam fluido para reduzir a pressão.
  • Impulsores de dupla sucção: Design simétrico que anula o impulso
  • Impulsores opostos: Bombas multiestágio com rotores em direções opostas

2. Forças radiais

Forças laterais resultantes da distribuição assimétrica de pressão:

No Ponto de Melhor Eficiência (PME)

  • Distribuição de pressão relativamente simétrica em torno do impulsor
  • As forças radiais se equilibram e se cancelam.
  • Força radial resultante mínima
  • Condição de vibração mínima

Desligado BEP (Fluxo Baixo)

  • Distribuição assimétrica de pressão na voluta
  • Força radial resultante em direção à lingueta da voluta
  • A magnitude da força aumenta à medida que o fluxo diminui.
  • Pode ser de 20-40% de peso do impulsor no desligamento.
  • Cria vibração de 1× a partir da força radial rotativa

Desligado BEP (Fluxo Alto)

  • Padrão de assimetria diferente
  • A força radial está presente, mas normalmente é menor do que em baixas vazões.
  • A turbulência do fluxo adiciona componentes de força aleatórios.

3. Pulsações de passagem da pá

Pulsos de pressão periódicos à medida que as pás passam pelo quebra-mar:

  • Freqüência: Número de palhetas × RPM / 60
  • Mecanismo: Cada passagem da pá cria um pulso de pressão.
  • Forças: Atua sobre o impulsor, a voluta e a carcaça.
  • Vibração: Dominante na frequência de passagem da pá
  • Magnitude: Depende da folga, do ponto de operação e do projeto.

4. Forças de recirculação

  • Forças instáveis de baixa frequência provenientes de instabilidades de fluxo
  • Ocorrem em taxas de fluxo muito baixas ou muito altas.
  • As frequências normalmente variam de 0,2 a 0,8 vezes a velocidade de operação.
  • Pode gerar vibrações severas de baixa frequência.
  • Indica operação longe do ponto de melhor eficiência (BEP).

Efeitos no desempenho da bomba

Carga do rolamento

  • As forças radiais hidráulicas se somam às cargas mecânicas.
  • Forças variáveis criam cargas cíclicas.
  • Carga máxima em condições de baixo fluxo
  • A seleção dos rolamentos deve levar em consideração as cargas hidráulicas.
  • Vida útil do rolamento reduzida por forças hidráulicas (Vida útil ∝ 1/Carga³)

Deflexão do eixo

  • As forças radiais defletem o eixo.
  • Alterações nas folgas das vedações e nos anéis de desgaste.
  • Pode afetar a eficiência.
  • Casos extremos levam a atritos

Geração de vibração

  • 1× Componente: De força radial constante ou de variação lenta
  • Componente VPF: A partir de pulsações de pressão
  • Baixa frequência: A partir da recirculação e instabilidades
  • Dependente do ponto de operação: A vibração varia com a taxa de fluxo.

Estresse mecânico

  • As forças cíclicas criam carga de fadiga
  • Palhetas do impulsor submetidas a tensões diferenciais de pressão
  • Fadiga do eixo devido a momentos de flexão
  • Tensão na carcaça devido a pulsações de pressão

Minimização da força hidráulica

Operar próximo ao ponto de equilíbrio (BEP)

  • Estratégia mais eficaz para minimizar as forças hidráulicas
  • Operar dentro da faixa de 80-110% do fluxo BEP, quando possível.
  • As forças radiais são mínimas no ponto de melhor eficiência (BEP).
  • Vibração e cargas nos rolamentos minimizadas

Características de design

  • Bombas difusoras: Distribuição de pressão mais simétrica do que em uma voluta.
  • Voluntário duplo: Duas quebra-mares a 180° de distância equilibram as forças radiais.
  • Aumento das folgas: Reduzir as pulsações de pressão que passam pelas pás (mas diminuir a eficiência)
  • Seleção do número de palhetas: Otimize para evitar ressonâncias acústicas.

Projeto de Sistema

  • Recirculação de vazão mínima para bombas de carga base
  • Bomba com tamanho adequado para a aplicação real (evite superdimensionamento).
  • Acionamento de velocidade variável para manter o ponto de operação ideal.
  • Projeto de entrada que minimiza a pré-rotação e a turbulência.

Uso diagnóstico

Curvas de desempenho e forças hidráulicas

  • Trace o gráfico da vibração em função da taxa de fluxo.
  • A vibração mínima normalmente ocorre no ponto de melhor eficiência (BEP) ou próximo a ele.
  • O aumento da vibração em baixas vazões indica altas forças radiais.
  • Guias para seleção da faixa de operação

Análise VPF

  • A amplitude do VPF indica a severidade da pulsação hidráulica.
  • O aumento do VPF sugere degradação da folga ou deslocamento do ponto de operação.
  • Os harmônicos VPF indicam fluxo turbulento e perturbado.

Considerações sobre medição

Locais de medição de vibração

  • Caixas de mancais: Detectar forças mecânicas e hidráulicas gerais
  • Carcaça da bomba: Mais sensível a pulsações hidráulicas
  • Tubulação de sucção e descarga: transmissão de pulsação de pressão
  • Vários locais: Diferencie fontes hidráulicas de fontes mecânicas.

Medição de pulsação de pressão

  • Transdutores de pressão em sucção e descarga
  • Medir diretamente as pulsações hidráulicas
  • Correlacionar com vibração
  • Identificar ressonâncias acústicas

As forças hidráulicas são fundamentais para o funcionamento das bombas e uma das principais fontes de vibração e carga nelas. Compreender como essas forças variam com as condições de operação, reconhecer suas características nos espectros de vibração e projetar/operar bombas para minimizar as forças hidráulicas por meio da operação próxima ao ponto de melhor eficiência (BEP) são essenciais para alcançar um desempenho confiável e de longa vida útil em aplicações industriais.

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