ทำความเข้าใจแรงไฮดรอลิกในปั๊ม
แรงไฮดรอลิก คือแรงที่ของเหลวที่ไหลออกมากระทำต่อส่วนประกอบของปั๊ม ได้แก่ โหลดเหนี่ยวนำความดันบนใบพัดของใบพัด แรงขับตามแนวแกนจากความแตกต่างของความดันข้ามใบพัด แรงรัศมีจากการกระจายความดันที่ไม่สมมาตร และแรงที่กระตุกเกิดจาก ความปั่นป่วนของการไหล และปฏิสัมพันธ์ระหว่างใบพัดกับวาลิวต์ พวกมันแตกต่างกันโดยพื้นฐานจากแรงทางกลที่เกิดจาก ความไม่สมดุล หรือ การจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องเนื่องจากเกิดจากความดันของไหลและการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัม แทนที่จะเกิดจากการหมุนของมวล — และพวกมันเปิดตัวเองในสเปกตรัมเป็น ความถี่ผ่านของใบพัด และฮาร์มนิกที่เกี่ยวข้อง การทำความเข้าใจพวกมันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความน่าเชื่อถือของปั๊ม แรงไฮดรอลิกสร้างโหลดบนแบริ่ง การเบี่ยงเบนของเพลา และ การสั่นสะเทือน ที่เปลี่ยนแปลงตามเงื่อนไขการทำงาน — อัตราการไหล ความดัน และคุณสมบัติของไหล — ทำให้ปั๊มทำงานแตกต่างจากเครื่องจักรที่มีแรงเป็นกลไกเพียงอย่างเดียว
1. นิยาม: แรงไฮดรอลิกคืออะไร
ในปั๊มในอุดมคติ ของเหลวจะกดทับแต่ละส่วนของใบพัดและเปลือกอย่างสม่ำเสมอ และแรงเพียงอย่างเดียวที่เพลาจะรู้สึกนั้นจะเป็นแรงทางกลเท่านั้น ความเป็นจริงนั้นซับซ้อนกว่า ความดันที่ปล่อยออกมาสูงกว่าความดันที่ดูดเข้า มันกระจายอย่างไม่สม่ำเสมอรอบปริมณฑลของใบพัด และมันกระตุกทุกครั้งที่ใบพัดหลบเลี่ยงลิ้นของเปลือก ผลรวมของผลกระทบเหล่านี้คือชุดของโหลดที่มีเสถียรภาพ เปลี่ยนแปลงช้า ๆ และกระตุกอย่างรวดเร็วที่กระทำต่อโรเตอร์และโครงสร้าง อย่างไรก็ตาม ขนาดของพวกมันขึ้นอยู่กับ ที่ปั๊มทำงานบนเส้นโค้งการทำงาน — ข้อเท็จจริงที่ให้อำนาจกับวิศวกรวินิจฉัยได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพราะการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลจะเปลี่ยนแปลงแรงต่างๆ
2. ประเภทของแรงไฮดรอลิก
2.1 แรงดันแกน (แรงดันไฮดรอลิก)
แรงสุทธิตามแกนที่เกิดจากความแตกต่างของความดันทั่วทั้งใบพัด:
- กลไก: ความดันส่งออกกระทำต่อด้านหนึ่งของใบพัด ความดันดูดเข้าไปยังอีกด้านหนึ่ง
- ทิศทาง: มักจะมีทิศทางไปยังช่องดูดเข้า (ด้านหลังของใบพัด)
- ขนาด: สามารถถึงพันปอนด์ของแรงได้แม้ในปั๊มขนาดกลาง
- ผล: ทำให้เกิดภาระต่อ ตลับลูกปืนกันรุน และอาจทำให้เกิด การสั่นสะเทือนตามแนวแกน.
- แปรผันตาม: อัตราการไหล ความดัน และการออกแบบใบพัด
วิธีการสมดุลแรงดันแกน
- รูปรับสมดุล: รูปิดผ่านหน้าจานด้านข้างของใบพัดเพื่อให้ความดันสมดุลทั่วทั้งหน้าจาน
- ใบพัดหลัง: ใบมีดบนหน้าจานด้านหลังที่สูบของไหลออกด้านนอกเพื่อลดความดันด้านหลัง
- ใบพัดแบบดูดเข้าสองด้าน: การออกแบบแบบสมมาตรซึ่งแรงดันแกนของทั้งสองด้านหักล้างกัน
- ใบพัดที่วางในทิศทางตรงข้าม: ปั๊มหลายขั้นที่มีใบพัดหันหน้าเข้าหากัน
2.2 แรงตามแนวรัศมี
แรงด้านข้างที่เกิดจากการกระจายตัวของความดันที่ไม่สมมาตรรอบใบพัด:
ที่จุดประสิทธิภาพสูงสุด (BEP)
- การกระจายตัวของความดันมีความสมมาตรค่อนข้างมากรอบใบพัด
- แรงดิ่งชนิดรัศมีได้รับการปรับสมดุล และหักล้างกันในส่วนใหญ่
- แรงดิ่งชนิดรัศมีสุทธิมีน้อยที่สุด
- นี่คือสภาวะการสั่นต่ำที่สุด
Off BEP — การไหลต่ำ
- การกระจายตัวของความดันในไก่ (volute) กลายเป็นมีความไม่สมมาตร
- แรงดิ่งชนิดรัศมีสุทธิจะเกิดขึ้นไปทางลิ้นตัดน้ำ (cutwater)
- ขนาดของมันจะเพิ่มขึ้นเมื่อการไหลลดลง
- มันสามารถถึง 20–40% ของน้ำหนักใบพัดที่จุดปิด
- แรงดิ่งชนิดรัศมีที่หมุนปรากฏเป็นการสั่น 1×
Off BEP — การไหลสูง
- รูปแบบความไม่สมมาตรที่แตกต่างกันจะเกิดขึ้น
- แรงดิ่งชนิดรัศมีมีอยู่แต่มักจะมีขนาดเล็กกว่าที่การไหลต่ำ
- ความปั่นป่วนของการไหลเพิ่มส่วนประกอบแรงสุ่มอยู่ด้านบน
2.3 ชีพจรของการผ่านใบพัด
ชีพจรความดันเป็นระยะที่สร้างขึ้นเมื่อแต่ละใบพัดกวาดผ่านลิ้นตัดน้ำ:
- ความถี่: จำนวนใบพัด × RPM / 60
- กลไก: ทุกๆ ครั้งที่ใบพัดผ่านลิ้นทำให้เกิดชีพจรความดัน
- แรง: กระทำบนใบพัด ไก่ และตัวเครื่อง
- การสั่นสะเทือน: เด่นที่ความถี่ของการผ่านใบพัด
- ขนาด: ขึ้นอยู่กับระยะห่างของลิ้นตัดน้ำ จุดการทำงาน และการออกแบบ
2.4 แรงไหลหมุนเวียน
- แรงไม่คงที่ความถี่ต่ำจากความไม่เสถียรของการไหล
- เกิดขึ้นที่อัตราการไหลต่ำมาก และบางครั้งอัตราการไหลสูงมากด้วย
- ความถี่โดยทั่วไป 0.2–0.8 เท่าของความเร็วรอบการทำงาน ใน ซับซิงโครนัส แถบความถี่
- สามารถสร้างการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำที่รุนแรงได้
- สัญญาณชัดเจนของการทำงานที่ห่างจาก BEP มาก — ดู การไหลวนกลับ.
3. ผลกระทบต่อประสิทธิภาพของปั๊ม
การรับน้ำหนักของเบยริ่ง
- แรงไฮดรอลิกเชิงรัศมีเพิ่มเติมต่อน้ำหนักกลไกที่เบยริ่ง
- แรงที่แปรผันสร้างการรับน้ำหนักแบบวัฏจักร
- การรับน้ำหนักมีน้ำหนักสูงสุดที่สภาวะการไหลต่ำ
- การเลือกเบยริ่งต้องพิจารณาส่วนประกอบไฮดรอลิก
- อายุการใช้งานของเบยริ่งลดลงอย่างรวดเร็วตามน้ำหนัก (อายุการใช้งานแปรผันตามสัดส่วน 1/load³) ดังนั้นแรง การคำนวณอายุการใช้งาน L10 ของเบยริ่ง สามารถแสดงให้เห็นว่าแรงเชิงรัศมีที่ระบายออกต่ำจะเพิ่มเติมในการกำหนดระยะเวลาการให้บริการได้นานเท่าใด
การโก่งตัวของเพลา
- แรงเชิงรัศมีทำให้เพลาโก่งตัว
- นี่เปลี่ยนระยะห่างของซีลและการวางตัวของวงแหวนสึกหรอ
- มันสามารถลดประสิทธิภาพได้
- ในกรณีที่รุนแรง มันจะนำไปสู่ การเสียดสี.
การสร้างการสั่นสะเทือน
- องค์ประกอบความถี่ 1×: จากแรงรัศมีที่คงที่หรือแปรผันช้า
- องค์ประกอบ VPF: จากการสั่นสะเทือนของความดัน
- ความถี่ต่ำ: จากการหมุนเวียนกลับและความไม่เสถียรอื่นๆ
- ขึ้นอยู่กับจุดการทำงาน ภาพรวมจะเปลี่ยนไปตามอัตราการไหล
ความเค้นเชิงกล
- แรงแบบวัฏจักรก่อให้เกิด ความเหนื่อยล้า การรับภาระ
- ใบพัดอิมพeller อยู่ภายใต้ความเค้นจากความต่างศักย์ความดัน
- เพลาประสบการโก่งตัวจากโมเมนต์การดัด
- ตัวเรือนถูกกดดันโดยการสั่นสะเทือนของความดัน
4. การลดแรงไฮดรอลิก
ทำงานใกล้ BEP
- กลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดอย่างหนึ่งในการลดแรงไฮดรอลิก
- มีเป้าหมายให้ทำงานภายใน 80–110% ของอัตราการไหล BEP หากเป็นไปได้
- แรงรัศมีอยู่ที่ค่าต่ำสุดที่ BEP
- การสั่นสะเทือนและโหลดของตลับลูกปืนได้รับการลดลงพร้อมกัน
คุณสมบัติการออกแบบ
- ปั๊มแบบดิฟฟิวเซอร์ การกระจายความดันที่สมมาตรมากกว่าโวลิวต์เดี่ยว
- เปลือกปั๊มแบบสองทาง (Double volute): สองหลักเสนาห์ห่างกัน 180° ที่สมดุลแรงรัศมี
- ช่องว่างที่เพิ่มขึ้น ลดแรงดันพัลส์จากการผ่านของใบพัด (โดยแลกกับประสิทธิภาพบางส่วน)
- การเลือกจำนวนใบพัด: เลือกเพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นพ้องทางอะคูสติก
การออกแบบระบบ
- ให้การป้องกันการหมุนเวียนอัตราการไหลต่ำสุดสำหรับปั๊มโหลดฐาน
- ปรับขนาดปั๊มให้สอดคล้องกับงานจริงและหลีกเลี่ยงการขยายขนาดเกิน
- ใช้ตัวขับความเร็วแปรผันเพื่อรักษาจุดการทำงานที่เหมาะสมที่สุด
- ออกแบบช่องเข้าเพื่อลดการหมุนวนเบื้องต้นและความปั่นป่วน
5. การใช้งานทางการวินิจฉัย
เส้นโค้งประสิทธิภาพและแรงไฮดรอลิก
- วาดกราฟการสั่นสะเทือนเทียบกับอัตราการไหล
- การสั่นสะเทือนต่ำสุดมักอยู่ที่หรือใกล้กับจุดประสิทธิภาพที่ดีที่สุด (BEP)
- การสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นที่อัตราการไหลต่ำบ่งชี้ถึงแรงรัศมีสูง
- กราฟนี้ช่วยกำหนดช่วงการทำงานที่สมเหตุสมผล
การวิเคราะห์ VPF
- แอมพลิจูด VPF บ่งชี้ความรุนแรงของการเต้นของไฮดรอลิก
- VPF ที่เพิ่มขึ้นแสดงให้เห็นถึงการเสื่อมสภาพของ间隙หรือการเปลี่ยนแปลงจุดการทำงาน
- VPF ฮาร์โมนิกส์ ชี้ไปที่การไหลที่ปั่นป่วนและหวาดกลัว
การแยกลายเซ็นต์ไฮดรอลิกเหล่านี้ออกจากลายเซ็นต์ที่เป็นเพียงเชิงกลเท่านั้นคือแกนกลางของการวินิจฉัยปั๊ม และเป็นจุดที่เครื่องวิเคราะห์แบบพกพาพิสูจน์ความคุ้มค่าของมันในสนาม The Balanset-1A บันทึกลักษณะของ สเปกตรัมการสั่นสะเทือน บนปลอกตลับลูกปืนและแก้ไขส่วนประกอบ 1×, VPF และความถี่ต่ำ ดังนั้นวิศวกรสามารถตัดสินใจได้ว่าการอ่านค่าสูงเรียกร้อง การถ่วงสมดุลภาคสนาม (การแก้ไขทางกล) หรือการเปลี่ยนแปลงจุดการทำงาน (วิธีไฮดรอลิก) — และเมื่อการวินิจฉัยชี้ไปที่การไม่สมดุล ให้ปรับสมดุลตัวสั่นและตรวจสอบผลลัพธ์บนสถานที่
6. ข้อพิจารณาในการวัด
ตำแหน่งการวัดการสั่นสะเทือน
- ตัวเรือนตลับลูกปืน: ตรวจพบแรงเครื่องกลและไฮดรอลิกรวมกัน
- เปลือกปั๊ม: มีความไว้อาลัยต่อการสั่นพัลส์ไฮดรอลิกมากกว่า
- ท่อส่งอากาศและท่อปล่อย: ส่งการสั่นพัลส์ความดันผ่านไป
- ตำแหน่งหลายแห่ง: การเปรียบเทียบช่วยแยกแหล่งที่มาจากไฮดรอลิกจากแหล่งเครื่องกล
การวัดการสั่นพัลส์ความดัน
- ติดตั้งหัววัดความดันในท่อส่งอากาศและท่อปล่อย
- วัดการสั่นพัลส์ไฮดรอลิกโดยตรง
- เชื่อมโยงข้อมูลการสั่นพัลส์กับการสั่นสะเทือน
- ใช้การรวมกันเพื่อระบุการสั่นพ้องเสียง
แรงไฮดรอลิกเป็นพื้นฐานสำหรับวิธีการทำงานของปั๊มและเป็นแหล่งที่มาหลักของการสั่นสะเทือนและการโหลด ความเข้าใจว่าแรงเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะการทำงาน การรับรู้ลายเซ็นของแรงนั้นในสเปกตรัมการสั่นสะเทือน และการออกแบบและทำงานของปั๊มเพื่อให้แรงต่ำ — โดยหลักแล้วคือการทำงานใกล้กับ BEP — เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการบรรลุประสิทธิภาพปั๊มที่เชื่อถือได้และมีอายุการใช้งานยาวนานในการใช้งานอุตสาหกรรม สำหรับการครอบคลุมที่ลึกยิ่งขึ้นของความล้มเหลวที่แรงเหล่านี้ขับเคลื่อน โปรดดู ข้อบกพร่องของปั๊มเซนตริฟิวจัล และ ข้อบกพร่องของใบพัด.
