Förstå hydrauliska krafter i pumpar
Hydrauliska krafter är de krafter som en strömmande vätska utövar på pumpens komponenter: tryckbelastningar på pumphjulets skovlar, axiell dragkraft till följd av tryckskillnaden över pumphjulet, radiella krafter orsakade av en asymmetrisk tryckfördelning samt pulserande krafter som uppstår till följd av flödesomrörning och samverkan mellan skovlar och spiralhus. De skiljer sig i grunden från de mekaniska krafter som alstras av obalans eller feljustering, eftersom de beror på vätsketryck och rörelsemängdsförändringar snarare än på roterande massa — och de visar sig i spektrumet som skovelpasseringsfrekvens och dess tillhörande övertoner. Att förstå dessa är avgörande för pumpens tillförlitlighet: hydrauliska krafter ger upphov till lagerbelastningar, axelböjning och vibrationer som varierar beroende på driftsförhållandena – flödeshastighet, tryck och vätskans egenskaper – vilket gör att en pump beter sig helt annorlunda än maskiner vars krafter är rent mekaniska.
1. Definition: Vad är hydrauliska krafter?
I en idealisk pump skulle vätskan trycka jämnt mot alla delar av pumphjulet och pumphuset, och de enda krafter som axeln skulle känna av vore mekaniska. Verkligheten är mer komplicerad. Trycket är högre vid utloppet än vid inloppet, det fördelas ojämnt runt pumphjulets periferi och det pulserar varje gång en skovel passerar spiralhusets tunga. Summan av dessa effekter är en uppsättning konstanta, långsamt varierande och snabbt pulserande belastningar som verkar på rotorn och strukturen. Avgörande är att deras storlek beror på var på pumpkurvan pumpen arbetar — ett faktum som ger diagnostikingenjören ett kraftfullt verktyg, eftersom en förändring av flödet medför en förändring av krafterna.
2. Typer av hydrauliska krafter
2.1 Axialkraft (hydraulisk axialkraft)
Den axiella nettokraften som uppstår till följd av tryckskillnaden över löphjulet:
- Mekanism: utloppstrycket verkar på ena sidan av löphjulet, medan sugtrycket verkar på den andra.
- Riktning: vanligtvis mot insugssidan (hjulets baksida).
- Storlek: kan uppgå till flera tusen pund kraft även i pumpar av måttlig storlek.
- Effekt: loads the axiallager and can cause axiell vibration.
- Varierar med: flödeshastighet, tryck och impellerkonstruktion.
Metoder för balansering av axialkraft
- Balance holes: hål genom impellerhöljet som utjämnar trycket över hela ytan.
- Back vanes: vingar på den bakre kåpan som pumpar vätska utåt för att sänka trycket på baksidan.
- Hjul med dubbelsug: en symmetrisk konstruktion där de båda sidorna upphäver varandras axialkraft.
- Motstående löphjul: flerstegspumpar där pumphjulen är arrangerade så att de vetter i motsatta riktningar.
2.2 Radiella krafter
Sidokrafter som uppstår till följd av en asymmetrisk tryckfördelning runt löphjulet:
Vid bästa verkningspunkten (BEP)
- Tryckfördelningen är relativt symmetrisk runt impellern.
- Radialkrafterna balanserar varandra och upphäver i stort sett varandra.
- Den radiella nettokraften är minimal.
- Detta är det tillstånd som kännetecknas av lägst vibrationer.
Utanför BEP – lågt flöde
- Tryckfördelningen i spiralhuset blir asymmetrisk.
- En radiell nettokraft uppstår i riktning mot spiralhusets tunga (cutwater).
- Dess storlek ökar när flödet minskar.
- Vid avstängning kan den uppgå till 20–40 % av löphjulets vikt.
- Den roterande radiella kraften yttrar sig som en 1×-vibration.
Utanför BEP — högt flöde
- Ett annat asymmetrimönster uppstår.
- Det förekommer en radiell kraft, men den är vanligtvis mindre än vid lågt flöde.
- Strömningsturbulensen tillför dessutom slumpmässiga kraftkomponenter.
2.3 Pulsationer vid skovelpassage
Periodiska tryckpulser som uppstår när varje skovel passerar skärvattnet:
- Frekvens: antal skovlar × varvtal / 60.
- Mekanism: Varje skovel som passerar tungan alstrar en tryckpuls.
- Krafter: verkar på impellern, spiralhuset och höljet.
- Vibrationer: dominerande vid skovelpassagefrekvensen.
- Storlek: beror på spalten vid spiralhusets tunga, driftpunkten och konstruktionen.
2.4 Återcirkulationskrafter
- Lågfrekventa instabila krafter från flödesinstabiliteter
- Förekommer vid mycket låga – och ibland mycket höga – flöden.
- Frekvenser typiskt 0.2–0.8× varvtalet, i subsynkron band.
- Kan orsaka kraftiga lågfrekventa vibrationer.
- Ett tydligt tecken på drift långt från BEP — se återcirkulation.
3. Inverkan på pumpens prestanda
Lagringbelastning
- Hydrauliska radiella krafter bidrar till de mekaniska belastningarna på lagren.
- Olika krafter ger upphov till cyklisk belastning.
- Belastningen är som störst vid låga flöden.
- Vid val av lager måste hänsyn tas till den hydrauliska komponenten.
- Lagrets livslängd minskar kraftigt med belastningen (livslängden är proportionell mot 1/load³), så en måttlig Beräkning av L10-lagrets livslängd kan visa hur mycket en låg radialkraft förkortar livslängden.
Axelböjning
- Radialkrafterna orsakar en böjning av axeln.
- Detta påverkar tätningsspelen och passningen för slitringarna.
- Det kan minska effektiviteten.
- I extrema fall leder det till en gnugga.
Vibrationsgenerering
- 1× component: från den konstanta eller långsamt varierande radiella kraften.
- VPF-komponent: på grund av tryckpulseringarna.
- Low-frequency: från återcirkulation och andra instabiliteter.
- Beroende på arbetspunkt: Hela bilden förändras beroende på flödeshastigheten.
Mekanisk belastning
- Cykliska krafter påverkar trötthet loading.
- Impellerbladen utsätts för påfrestningar på grund av tryckskillnaderna.
- Axeln utsätts för utmattning på grund av böjmoment.
- Höljet utsätts för påfrestningar på grund av tryckpulseringarna.
4. Minimering av hydrauliska krafter
Drift nära BEP
- Den absolut mest effektiva strategin för att minimera hydrauliska krafter.
- Sträva efter att, i möjligaste mån, hålla driften inom intervallet 80–110 % av BEP-flödet.
- Radialkrafterna är som minst vid BEP.
- Vibrationer och lagerbelastningar minimeras samtidigt.
Designegenskaper
- Diffusörpumpar: en mer symmetrisk tryckfördelning än ett enkelspiralhus.
- Dubbel volut: två vattenavledare placerade 180° från varandra som balanserar de radiella krafterna.
- Ökade spel: minska tryckpulserna vid skovelpassagefrekvensen (på bekostnad av viss verkningsgrad).
- Val av skoveltal: valda för att undvika akustiska resonanser.
System design
- Säkerställ ett återcirkulationsskydd med minimiflöde för basbelastningspumpar.
- Välj pumpstorlek korrekt för det faktiska driftfallet och undvik överdimensionering.
- Använd en frekvensomriktare för att hålla den optimala driftpunkten.
- Utforma inloppet så att förvirvling och turbulens minimeras.
5. Diagnostisk användning
Prestandakurvor och hydrauliska krafter
- Plotta vibrationen mot flödet.
- Vibrationerna är vanligtvis som lägst vid eller nära BEP.
- Ökade vibrationer vid lågt flöde tyder på stora radiella krafter.
- Diagrammet hjälper till att fastställa ett lämpligt driftsområde.
VPF analysis
- VPF-amplituden anger hur kraftig den hydrauliska pulseringen är.
- Ett stigande VPF-värde tyder på ökande spel eller en förskjutning av driftpunkten.
- VPF övertoner tyder på turbulent, störd strömning.
Att skilja dessa hydrauliska signaler från rent mekaniska är kärnan i pumpdiagnostiken, och det är här en bärbar vibrationsanalysator visar sitt värde ute i fält. Den Balanset-1A fångar upp vibrationsspektrum på lagerhusen och analyserar 1×-, VPF- och lågfrekvenskomponenterna, så att en tekniker kan avgöra om ett högt mätvärde kräver fältbalansering (en mekanisk åtgärd) eller en ändring av driftsläget (en hydraulisk åtgärd) – och om diagnosen pekar på obalans, balansera rotorn och kontrollera resultatet direkt på plats.
6. Överväganden kring mätning
Platser för vibrationsmätning
- Lagerhus: upptäcka de samverkande mekaniska och hydrauliska krafterna.
- Pump casing: mer känslig för hydrauliska pulseringar.
- Sug- och tryckledningar: leder de överförda tryckpulseringarna.
- Flera platser: Genom att jämföra dem kan man skilja mellan hydrauliska och mekaniska orsaker.
Mätning av tryckpulseringar
- Montera tryckgivare på sug- och trycksidan.
- Dessa mäter de hydrauliska pulseringarna direkt.
- Koppla samman pulsationsdata med vibrationerna.
- Använd kombinationen för att identifiera akustiska resonanser.
Hydrauliska krafter är avgörande för hur en pump fungerar och utgör en viktig källa till vibrationer och belastning. Att förstå hur dessa krafter varierar beroende på driftsförhållandena, att kunna identifiera deras mönster i vibrationsspektrumet samt att konstruera och driva pumparna så att krafterna hålls på en låg nivå – främst genom att köra nära BEP – är avgörande för att uppnå en pålitlig och långvarig pumpfunktion i industriell drift. För en mer ingående beskrivning av de fel som dessa krafter orsakar, se fel på centrifugalpumpar och defekter på pumphjulet.
