Понимание гидравлических сил в насосах
Гидравлические силы это силы, которые текучая жидкость оказывает на детали насоса: нагрузки, вызванные давлением, на лопасти рабочего колеса, осевая тяга, обусловленная перепадом давления по обе стороны от рабочего колеса, радиальные силы, возникающие вследствие асимметричного распределения давления, а также пульсирующие силы, возникающие в результате турбулентность потока и взаимодействие лопастей со спиральной камерой. Они принципиально отличаются от механических сил, создаваемых дисбаланс или Перекос, поскольку они обусловлены давлением жидкости и изменениями импульса, а не вращающейся массой — и проявляются в спектре в виде частота прохождения лопаток и связанные с ними гармоники. Их понимание имеет решающее значение для надежности насоса: гидравлические силы вызывают нагрузки на подшипники, прогиб вала и вибрация которые изменяются в зависимости от условий эксплуатации — расхода, давления и свойств рабочей среды — в результате чего насос ведет себя совершенно иначе, чем механизмы, в которых действуют исключительно механические силы.
1. Определение: что такое гидравлические силы?
В идеальном насосе жидкость равномерно давила бы на каждую часть рабочего колеса и корпуса, и на вал действовали бы исключительно механические силы. В реальности все гораздо сложнее. Давление на нагнетании выше, чем на всасывании, оно распределяется неравномерно по периферии рабочего колеса и пульсирует каждый раз, когда лопасть проходит мимо выступа корпуса. Сумма этих эффектов представляет собой набор постоянных, медленно изменяющихся и быстро пульсирующих нагрузок, действующих на ротор и конструкцию. Важно, что их величина зависит от когда насос работает в пределах своей кривой — этот факт дает инженеру-диагносту мощный рычаг, поскольку изменение расхода приводит к изменению сил.
2. Виды гидравлических сил
2.1 Осевая тяга (гидравлическая тяга)
Чистая осевая сила, возникающая в результате перепада давления по обе стороны рабочего колеса:
- Механизм: Давление нагнетания действует на одну сторону рабочего колеса, а давление всасывания — на другую.
- Направление: обычно в сторону всасывания (к задней части рабочего колеса).
- Величина: может достигать нескольких тысяч фунтов силы даже в насосах средних размеров.
- Эффект: загружает опорный подшипник и может вызвать осевая вибрация.
- Варьируется в зависимости от: расход, давление и конструкция рабочего колеса.
Методы компенсации осевого усилия
- Балансовые отверстия: отверстия в кожухе рабочего колеса, которые выравнивают давление по его обеим сторонам.
- Задние лопатки: лопасти на заднем кожухе, которые выталкивают жидкость наружу, снижая давление с задней стороны.
- Рабочие колеса с двусторонним всасыванием: симметричная конструкция, в которой тяга с обеих сторон взаимно компенсируется.
- Противоположно расположенные рабочие колеса: многоступенчатые насосы с рабочими колесами, вращающимися в противоположных направлениях.
2.2 Радиальные силы
Боковые силы, возникающие в результате несимметричного распределения давления вокруг рабочего колеса:
В точке максимальной эффективности (BEP)
- Распределение давления вокруг рабочего колеса является относительно симметричным.
- Радиальные силы уравновешивают друг друга и в значительной степени компенсируют друг друга.
- Чистая радиальная сила минимальна.
- Это состояние с наименьшей вибрацией.
Выход из режима BEP — низкий расход
- Распределение давления в спиральной камере становится асимметричным.
- Возникает чистая радиальная сила, направленная к язычку спиральной камеры (водоразделителю).
- Его величина увеличивается по мере уменьшения расхода.
- При отключении она может достигать 20–40 % от массы рабочего колеса.
- Вращающая радиальная сила проявляется в виде однократной вибрации.
Выход за пределы BEP — высокий расход
- Формируется иная картина асимметрии.
- Радиальная сила присутствует, но, как правило, она меньше, чем при низком расходе.
- Турбулентность потока добавляет к ним случайные компоненты силы.
2.3 Пульсации, вызванные прохождением лопаток
Периодические импульсы давления, возникающие при прохождении каждой лопасти мимо язычка:
- Частота: количество лопастей × число оборотов / 60.
- Механизм: Каждая лопасть, проходящая мимо язычка, создает импульс давления.
- Силы: воздействуют на рабочее колесо, спиральную камеру и корпус.
- Вибрация: доминирует на частоте прохождения лопастей.
- Величина: зависит от зазора у язычка, рабочей точки и конструкции.
2.4 Силы рециркуляции
- Низкочастотные нестационарные силы, возникающие вследствие неустойчивости потока.
- Возникают при очень низких — а иногда и очень высоких — расходах.
- Частоты, как правило, составляют 0,2–0,8 от частоты вращения, в субсинхронный диапазоне.
- Может вызывать сильную низкочастотную вибрацию.
- Явный признак работы в режиме, значительно отличающемся от точки оптимальной производительности — см. рециркуляция.
3. Влияние на рабочие характеристики насоса
Нагрузка на подшипник
- Гидравлические радиальные силы увеличивают механическую нагрузку на подшипники.
- Переменные силы создают циклическую нагрузку.
- Наибольшая нагрузка возникает при низком расходе.
- При выборе подшипника необходимо учитывать гидравлическую составляющую.
- Срок службы подшипника резко снижается с увеличением нагрузки (срок службы пропорционален 1/(нагрузка)³), поэтому даже небольшое Расчет срока службы подшипника L10 может продемонстрировать, насколько радиальная сила с малым расходом сокращает срок службы.
Прогиб вала
- Радиальные силы вызывают прогиб вала.
- Это приводит к изменению зазоров у уплотнений и посадки изнашиваемых колец.
- Это может снизить эффективность.
- В крайних случаях это приводит к натирание.
Возникновение вибрации
- 1× компонент: от постоянной или медленно изменяющейся радиальной силы.
- Компонент VPF: из-за пульсаций давления.
- Низкочастотные: от рециркуляции и других нестабильностей.
- В зависимости от рабочей точки: Всё меняется в зависимости от расхода.
Механическая нагрузка
- Циклические силы оказывают усталость нагрузку.
- Лопатки рабочего колеса подвергаются нагрузкам, вызванным перепадами давления.
- На вал действуют усталостные нагрузки, вызванные изгибающими моментами.
- Корпус подвергается нагрузкам из-за пульсаций давления.
4. Минимизация гидравлических сил
Работать вблизи точки оптимальной производительности
- Самая эффективная стратегия для минимизации гидравлических сил.
- По возможности старайтесь работать в диапазоне 80–110 % от расхода в точке оптимальной производительности.
- В точке оптимальной производительности радиальные силы достигают минимального значения.
- Вибрация и нагрузки на подшипники сводятся к минимуму одновременно.
Особенности конструкции
- Диффузорные насосы: более симметричное распределение давления, чем в случае одной спиральной камеры.
- Двойная спиральная камера: два отбойника, расположенные под углом 180°, которые уравновешивают радиальные силы.
- Увеличение зазоров: снизить импульсы давления, возникающие при прохождении лопаток (за счет некоторого снижения КПД).
- Выбор числа лопастей: выбранные с целью предотвращения акустических резонансов.
Дизайн системы
- Обеспечить защиту насосов базовой нагрузки от рециркуляции при минимальном расходе.
- Подберите насос с учетом фактической нагрузки и избегайте выбора насоса слишком большого размера.
- Используйте привод с регулируемой скоростью для поддержания оптимальной рабочей точки.
- Спроектируйте впускной канал таким образом, чтобы свести к минимуму предварительное завихрение и турбулентность.
5. Использование в диагностических целях
Характеристики и гидравлические силы
- Постройте график зависимости вибрации от расхода.
- Минимальная вибрация обычно наблюдается в точке оптимальной производительности (BEP) или вблизи нее.
- Усиление вибрации при низком расходе свидетельствует о высоких радиальных силах.
- График помогает определить разумный диапазон рабочих значений.
Анализ VPF
- Амплитуда VPF указывает на интенсивность гидравлических пульсаций.
- Увеличение показателя VPF свидетельствует об ухудшении зазоров или смещении рабочей точки.
- VPF гармоники свидетельствуют о турбулентном, нестабильном течении.
Отделение этих гидравлических признаков от чисто механических является ключевым моментом в диагностике насосов, и именно в этом случае портативный анализатор показывает свою полезность в полевых условиях. Balanset-1A захватывает спектр вибрации на корпусах подшипников и выделяет компоненты 1×, VPF и низкочастотные, благодаря чему инженер может определить, требует ли высокое показание балансировка на месте (механический способ) или изменение рабочей точки (гидравлический способ) — и если диагноз указывает на дисбаланс, отбалансируйте ротор и сразу же проверьте результат.
6. Вопросы, связанные с измерением
Точки измерения вибрации
- Корпуса подшипников: определить совокупное действие механических и гидравлических сил.
- Корпус насоса: более чувствительны к гидравлическим пульсациям.
- Всасывающий и нагнетательный трубопроводы: передавать пульсации давления.
- В нескольких местах: Их сравнение помогает отличить гидравлические источники от механических.
Измерение пульсаций давления
- Установите датчики давления на всасывающей и нагнетательной линиях.
- Они непосредственно измеряют гидравлические пульсации.
- Сопоставьте данные о пульсациях с данными о вибрации.
- Используйте эту комбинацию для определения акустических резонансов.
Гидравлические силы играют ключевую роль в принципе работы насоса и являются основным источником его вибрации и нагрузки. Понимание того, как эти силы изменяются в зависимости от условий эксплуатации, распознавание их признаков в спектре вибрации, а также проектирование и эксплуатация насосов с целью минимизации этих сил — главным образом за счет работы вблизи точки максимальной эффективности (BEP) — имеют решающее значение для обеспечения надежной и долговечной работы насосов в промышленных условиях. Более подробную информацию о поломках, вызванных этими силами, см. неисправности центробежных насосов и дефекты рабочего колеса.
