Înțelegerea forțelor hidraulice în pompe
Forțe hidraulice sunt forțele pe care un lichid în mișcare le exercită asupra componentelor pompei: sarcini induse de presiune asupra paletelor rotorului, forța de împingere axială generată de diferența de presiune de-a lungul rotorului, forțele radiale rezultate din distribuția asimetrică a presiunii și forțele pulsatorii generate de turbulența fluxului și interacțiunea dintre paletă și voluta. Acestea sunt fundamental diferite de forțele mecanice generate de dezechilibra sau nealiniere, deoarece acestea sunt generate de presiunea fluidului și de variațiile impulsului, mai degrabă decât de masa în rotație — și se manifestă în spectru sub forma frecvența de trecere a paletei și armonicele asociate acestora. Înțelegerea acestora este esențială pentru fiabilitatea pompei: forțele hidraulice generează sarcini asupra rulmenților, deformarea arborelui și vibrații care variază în funcție de condițiile de funcționare — debitul, presiunea și proprietățile fluidului — determinând o pompă să se comporte cu totul altfel decât echipamentele ale căror forțe sunt pur mecanice.
1. Definiție: Ce sunt forțele hidraulice?
Într-o pompă ideală, lichidul ar exercita o presiune uniformă asupra fiecărei părți a rotorului și a carcasei, iar singurele forțe la care ar fi supus arborele ar fi cele mecanice. Realitatea este mai complicată. Presiunea este mai mare la refulare decât la aspirație, este distribuită inegal în jurul periferiei rotorului și pulsează de fiecare dată când o paletă trece pe lângă limba carcasei. Suma acestor efecte este un set de sarcini constante, care variază lent și pulsează rapid, care acționează asupra rotorului și structurii. În mod crucial, mărimea acestora depinde de în cazul în care pompa funcționează pe curba sa — un fapt care îi oferă inginerului de diagnosticare un avantaj considerabil, deoarece modificarea debitului determină modificarea forțelor.
2. Tipuri de forțe hidraulice
2.1 Forța de împingere axială (forța de împingere hidraulică)
Forța axială netă generată de diferența de presiune dintre cele două părți ale rotorului:
- Mecanism: Presiunea de refulare acționează pe o parte a rotorului, iar presiunea de aspirație pe cealaltă.
- Direcţie: de obicei spre partea de aspirație (partea din spate a rotorului).
- Magnitudine: poate atinge o forță de câteva sute de kilograme chiar și la pompele de dimensiuni medii.
- Efect: loads the rulment axial and can cause vibrații axiale.
- Variază în funcție de: debitul, presiunea și configurația rotorului.
Metode de echilibrare a forțelor axiale
- Balance holes: orificii în carcasă, care asigură egalizarea presiunii pe toată suprafața acesteia.
- Back vanes: paletele de pe carenajul din spate care pompează fluidul spre exterior pentru a reduce presiunea din spate.
- Rotoare cu dublă aspirație: un design simetric în care forțele exercitate de cele două părți se anulează reciproc.
- Rotoare opuse: pompe multietajate cu rotoare orientate în direcții opuse.
2.2 Forțele radiale
Forțele laterale generate de o distribuție asimetrică a presiunii în jurul rotorului:
La punctul de eficiență maximă (BEP)
- Distribuția presiunii este relativ simetrică în jurul rotorului.
- Forțele radiale se echilibrează și se anulează în mare parte.
- Forța radială netă este minimă.
- Aceasta este starea cu cea mai scăzută frecvență.
În afara BEP — debit redus
- Distribuția presiunii în volută devine asimetrică.
- Se exercită o forță radială netă în direcția limbii volutei (profilului de intrare).
- Intensitatea sa crește pe măsură ce debitul scade.
- La oprire, aceasta poate ajunge la 20–40 % din greutatea rotorului.
- Forța radială de rotație se manifestă sub forma unei vibrații de 1×.
În afara BEP — debit mare
- Se formează un model de asimetrie diferit.
- Există o forță radială, dar aceasta este, de obicei, mai mică decât în cazul unui debit redus.
- Turbulența fluxului adaugă componente ale forței de natură aleatorie.
2.3 Pulsări generate de trecerea paletelor
Impulsuri periodice de presiune generate pe măsură ce fiecare paletă trece pe lângă gura de admisie:
- Frecvenţă: numărul de pale × turație / 60.
- Mecanism: fiecare paletă care trece pe lângă limba generatoare produce un impuls de presiune.
- Forțe: acționează asupra rotorului, volutei și carcasei.
- Vibrații: dominantă la frecvența de trecere a paletei.
- Magnitudine: depinde de înălțimea liberă a părții frontale, de punctul de funcționare și de proiectare.
2.4 Forțele de recirculare
- Forțe instabile de joasă frecvență provenite din instabilitățile de curgere
- Se produc la debite foarte mici — și, uneori, foarte mari.
- Frecvențele variază de obicei între 0,2 și 0,8 ori viteza de alergare, în subsincron band.
- Poate genera vibrații puternice de joasă frecvență.
- Un semn clar că funcționează departe de punctul de echilibru economic — vezi recirculare.
3. Efectele asupra performanței pompei
Încărcarea lagărelor
- Forțele radiale hidraulice se adaugă la sarcinile mecanice care acționează asupra rulmenților.
- Forțe variabile generează o solicitare ciclică.
- Încărcarea este cea mai mare în condiții de debit redus.
- Alegerea rulmentului trebuie să țină seama de componenta hidraulică.
- Durata de viață a rulmentului scade brusc odată cu creșterea sarcinii (durata de viață este proporțională cu 1/(sarcină³)), așa că o valoare modestă Calculul duratei de viață a rulmentului L10 poate demonstra în ce măsură o forță radială redusă scade durata de viață.
Deformarea arborelui
- Forțele radiale provoacă deformarea arborelui.
- Acest lucru modifică jocurile garniturilor și ajustarea inelelor de uzură.
- Poate reduce eficiența.
- În cazuri extreme, aceasta duce la o rub.
Generarea vibrațiilor
- 1× component: din forța radială constantă sau care variază lent.
- Componenta VPF: din cauza fluctuațiilor de presiune.
- Low-frequency: din cauza recirculării și a altor instabilități.
- Dependent de punctul de funcționare: imaginea de ansamblu se schimbă în funcție de debitul de curgere.
Solicitarea mecanică
- Forțele ciclice impun oboseală loading.
- Paletele rotorului sunt supuse unor solicitări cauzate de diferențele de presiune.
- Arborele este supus la oboseală din cauza momentelor de încovoiere.
- Carcasa este solicitată de pulsațiile de presiune.
4. Reducerea la minimum a forțelor hidraulice
Funcționează în apropierea punctului de echilibru economic
- Cea mai eficientă strategie pentru reducerea la minimum a forțelor hidraulice.
- Încercați să funcționați, pe cât posibil, la un debit cuprins între 80 și 110 % din debitul de echilibru (BEP).
- Forțele radiale ating valoarea minimă la punctul de echilibru (BEP).
- Vibrațiile și sarcinile asupra rulmenților sunt reduse la minimum în mod simultan.
Caracteristici constructive
- Pompe cu difuzor: o distribuție a presiunii mai simetrică decât în cazul unei singure volute.
- Volută dublă: două deflectoare de valuri dispuse la 180° unul față de celălalt, care echilibrează forțele radiale.
- Distanțe de siguranță mai mari: să reducă impulsurile de presiune generate de trecerea palelor (cu prețul unei ușoare scăderi a randamentului).
- Alegerea numărului de palete: alese pentru a evita rezonanțele acustice.
System design
- Asigurați protecția împotriva recirculării cu debit minim pentru pompele de sarcină de bază.
- Alegeți dimensiunea corespunzătoare a pompei în funcție de sarcina reală și evitați alegerea unei pompe prea mari.
- Utilizați un variator de viteză pentru a menține punctul optim de funcționare.
- Proiectați orificiul de admisie astfel încât să reduceți la minimum turbulențele și efectul de pre-vârtej.
5. Utilizarea în scop diagnostic
Curbele de performanță și forțele hidraulice
- Reprezentați grafic vibrațiile în funcție de debitul de lichid.
- Vibrațiile minime se înregistrează de obicei la punctul de eficiență maximă (BEP) sau în apropierea acestuia.
- Creșterea vibrațiilor la debit redus indică prezența unor forțe radiale mari.
- Graficul ajută la stabilirea unui interval de funcționare adecvat.
VPF analysis
- Amplitudinea VPF indică intensitatea pulsației hidraulice.
- O valoare VPF în creștere indică o deteriorare a distanțelor de siguranță sau o modificare a punctului de funcționare.
- VPF armonice indică un flux turbulent, perturbat.
Distingerea acestor semnale hidraulice de cele pur mecanice reprezintă esența diagnosticării pompelor, iar acesta este momentul în care un analizor portabil își dovedește utilitatea pe teren. Balanset-1A captează spectrul de vibrații pe carcasele rulmenților și identifică componentele de ordinul 1, VPF și cele de joasă frecvență, astfel încât un inginer să poată decide dacă o valoare ridicată necesită echilibrarea la fața locului (o soluție mecanică) sau o modificare a punctului de funcționare (o soluție hidraulică) — iar în cazul în care diagnosticul indică un dezechilibru, echilibrați rotorul și verificați rezultatul pe loc.
6. Aspecte legate de măsurare
Punctele de măsurare a vibrațiilor
- Carcase pentru rulmenți: să detecteze forțele mecanice și hidraulice combinate.
- Pump casing: mai sensibil la pulsațiile hidraulice.
- Conducte de aspirație și de refulare: transmit oscilațiile de presiune.
- Mai multe locații: compararea acestora ajută la distingerea surselor hidraulice de cele mecanice.
Măsurarea pulsării presiunii
- Montați traductoare de presiune pe conductele de aspirație și de refulare.
- Acestea măsoară direct pulsațiile hidraulice.
- Corelați datele privind pulsațiile cu vibrațiile.
- Folosiți această combinație pentru a identifica rezonanțele acustice.
Forțele hidraulice sunt esențiale pentru funcționarea unei pompe și reprezintă o sursă majoră de vibrații și solicitări ale acesteia. Înțelegerea modului în care aceste forțe variază în funcție de condițiile de funcționare, recunoașterea semnăturilor lor în spectrul de vibrații, precum și proiectarea și exploatarea pompelor în vederea menținerii acestor forțe la un nivel redus — în principal prin funcționarea în apropierea punctului de eficiență maximă (BEP) — sunt esențiale pentru asigurarea unei performanțe fiabile și de lungă durată a pompelor în aplicații industriale. Pentru o analiză mai aprofundată a defecțiunilor provocate de aceste forțe, consultați defecțiuni ale pompelor centrifuge și defecte ale rotorului.
