Pochopenie hydraulických síl v čerpadlách
Definícia: Čo sú to hydraulické sily?
Hydraulické sily sú sily pôsobiace na komponenty čerpadla prúdiacou kvapalinou, vrátane tlakovo indukovaného zaťaženia lopatiek obežného kolesa, axiálneho tlaku z tlakových rozdielov, radiálnych síl z asymetrického rozloženia tlaku a pulzujúcich síl z turbulencie prúdenia a interakcie lopatiek a špirály. Tieto sily sa líšia od mechanických síl (z nevyváženosť, nesprávne zarovnanie) v tom, že vznikajú zo zmien tlaku tekutiny a hybnosti, čím vytvárajú vibrácie komponenty na frekvencia prechodu lopatiek a súvisiace harmonické.
Pochopenie hydraulických síl je nevyhnutné pre spoľahlivosť čerpadla, pretože tieto sily vytvárajú zaťaženie ložísk, priehyb hriadeľa a vibrácie, ktoré sa menia v závislosti od prevádzkových podmienok (prietok, tlak, vlastnosti kvapaliny), čím sa správanie čerpadla líši od iných rotačných strojov, kde sú sily primárne mechanické.
Typy hydraulických síl
1. Axiálny ťah (hydraulický ťah)
Čistá axiálna sila z tlakového rozdielu na obežnom kolese:
- Mechanizmus: Výtlačný tlak na jednej strane, sací tlak na druhej strane obežného kolesa
- Smer: Zvyčajne smerom k saniu (zadná časť obežného kolesa)
- Veľkosť: Môže mať tisíce libier aj v stredne veľkých pumpách.
- Účinok: Zaťaženie axiálneho ložiska môže spôsobiť axiálne vibrácie
- Líši sa podľa: Prietok, tlak, konštrukcia obežného kolesa
Metódy vyvažovania ťahu
- Vyvažovacie otvory: Otvory v kryte obežného kolesa vyrovnávajú tlak
- Zadné lopatky: Lopatky na zadnej strane čerpajú kvapalinu na zníženie tlaku
- Dvojité sacie obežné kolesá: Symetrický dizajn rušiaci ťah
- Protiľahlé obežné kolesá: Viacstupňové čerpadlá s obežnými kolesami otočenými opačnými smermi
2. Radiálne sily
Bočné sily z asymetrického rozloženia tlaku:
V bode najvyššej účinnosti (BEP)
- Rozloženie tlaku je relatívne symetrické okolo obežného kolesa
- Radiálne sily sa vyvažujú a rušia
- Minimálna čistá radiálna sila
- Podmienky najnižších vibrácií
Vypnuté BEP (nízky prietok)
- Asymetrické rozloženie tlaku v špirále
- Čistá radiálna sila smerujúca k špirálovému jazyku
- Veľkosť sily sa zvyšuje so znižujúcim sa prietokom
- Hmotnosť obežného kolesa pri uzatvorení môže byť 20-40%
- Vytvára 1× vibráciu z rotačnej radiálnej sily
Vypnuté BEP (vysoký prietok)
- Rôzny asymetrický vzor
- Radiálna sila je prítomná, ale zvyčajne menšia ako pri nízkom prietoku
- Turbulencia prúdenia pridáva náhodné zložky sily
3. Pulzácie prechádzajúce lopatkami
Periodické tlakové impulzy pri prechode lopatiek cez vodnú hladinu:
- Frekvencia: Počet lopatiek × otáčky / 60
- Mechanizmus: Každý prechod lopatky vytvára tlakový impulz
- Sily: Pôsobí na obežné koleso, špirálu a puzdro
- Vibrácie: Dominantná pri frekvencii prechodu lopatiek
- Veľkosť: Závisí od vôle, pracovného bodu, konštrukcie
4. Recirkulačné sily
- Nízkofrekvenčné nestacionárne sily z nestabilít prúdenia
- Vyskytujú sa pri veľmi nízkych alebo veľmi vysokých prietokoch
- Frekvencie typicky 0,2 – 0,8 × rýchlosť behu
- Môže vytvárať silné nízkofrekvenčné vibrácie
- Označuje prevádzku ďaleko od BEP
Vplyv na výkon čerpadla
Zaťaženie ložiska
- Hydraulické radiálne sily prispievajú k mechanickému zaťaženiu
- Rôzne sily vytvárajú cyklické zaťaženie
- Maximálne zaťaženie pri nízkom prietoku
- Výber ložiska musí zohľadňovať hydraulické zaťaženie
- Životnosť ložiska znížená hydraulickými silami (životnosť ∝ 1/zaťaženie³)
Priehyb hriadeľa
- Radiálne sily vychyľujú hriadeľ
- Mení vôle tesnení a opotrebovacie krúžky
- Môže ovplyvniť účinnosť
- Extrémne prípady vedú k odreninám
Generovanie vibrácií
- 1× Zložka: Z ustálenej alebo pomaly sa meniacej radiálnej sily
- Komponent VPF: Z tlakových pulzácií
- Nízka frekvencia: Z recirkulácie a nestability
- Závislé od prevádzkového bodu: Vibrácie sa menia v závislosti od prietoku
Mechanické namáhanie
- Cyklické sily vytvárajú únavové zaťaženie
- Lopatky obežného kolesa namáhané tlakovými rozdielmi
- Únava hriadeľa z ohybových momentov
- Napätie v plášti spôsobené tlakovými pulzáciami
Minimalizácia hydraulickej sily
Pracujte v blízkosti BEP
- Najúčinnejšia stratégia na minimalizáciu hydraulických síl
- Ak je to možné, pracujte v rozmedzí 80-110% prietoku BEP
- Minimálne radiálne sily v bode BEP
- Minimalizované vibrácie a zaťaženie ložísk
Dizajnové prvky
- Difúzne čerpadlá: Symetrickejšie rozloženie tlaku ako pri špirále
- Dvojitá špirála: Dva výklenky umiestnené o 180° od seba vyvažujú radiálne sily
- Zvýšené svetlé vzdialenosti: Znížte pulzácie tlaku prechádzajúce lopatkami (ale znížte účinnosť)
- Výber čísla lopatiek: Optimalizujte, aby ste sa vyhli akustickým rezonanciám
Návrh systému
- Minimálny prietok recirkulácie pre čerpadlá základného zaťaženia
- Správne dimenzované čerpadlo pre skutočnú prevádzku (vyhnite sa predimenzovaniu)
- Pohon s premenlivou rýchlosťou pre udržanie optimálneho prevádzkového bodu
- Konštrukcia vstupu minimalizujúca predvírenie a turbulencie
Diagnostické použitie
Výkonové krivky a hydraulické sily
- Graf vibrácií v závislosti od prietoku
- Minimálne vibrácie typicky na úrovni BEP alebo blízko nej
- Zvyšujúce sa vibrácie pri nízkom prietoku naznačujú vysoké radiálne sily
- Výber prevádzkového rozsahu sprievodcov
Analýza VPF
- Amplitúda VPF indikuje závažnosť hydraulických pulzácií
- Zvýšenie VPF naznačuje zhoršenie vôle alebo posun prevádzkového bodu
- Harmonické VPF naznačujú turbulentný, narušený tok
Úvahy o meraní
Miesta merania vibrácií
- Ložiskové telesá: Zistiť celkové mechanické a hydraulické sily
- Puzdro čerpadla: Citlivejšie na hydraulické pulzácie
- Sacie a výtlačné potrubie: Prenos tlakových pulzácií
- Viaceré lokality: Rozlišujte hydraulické a mechanické zdroje
Meranie pulzácie tlaku
- Tlakové prevodníky v sacom a výtlačnom potrubí
- Priame meranie hydraulických pulzácií
- Korelácia s vibráciami
- Identifikujte akustické rezonancie
Hydraulické sily sú základom prevádzky čerpadla a hlavným zdrojom vibrácií a zaťaženia čerpadla. Pochopenie toho, ako sa tieto sily menia v závislosti od prevádzkových podmienok, rozpoznávanie ich charakteristík vo vibračných spektrách a navrhovanie/prevádzkovanie čerpadiel s cieľom minimalizovať hydraulické sily prostredníctvom prevádzky blízkej najefektívnejšej prevádzkovej teplote (BEP), je nevyhnutné pre dosiahnutie spoľahlivého a dlhodobého výkonu čerpadla v priemyselných aplikáciách.
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 