Hiểu về lực thủy lực trong máy bơm
Định nghĩa: Lực thủy lực là gì?
Lực thủy lực là lực tác động lên các bộ phận của bơm bởi chất lỏng đang chảy, bao gồm tải trọng do áp suất gây ra trên các cánh bơm, lực đẩy dọc trục từ chênh lệch áp suất, lực hướng tâm từ phân bố áp suất không đối xứng và lực dao động từ nhiễu loạn dòng chảy và tương tác cánh bơm-xoắn ốc. Các lực này khác với lực cơ học (từ mất cân bằng, sự không thẳng hàng) trong đó chúng phát sinh từ áp suất chất lỏng và những thay đổi động lượng, tạo ra rung động các thành phần tại tần số cánh quạt và các sóng hài liên quan.
Hiểu được lực thủy lực là điều cần thiết để đảm bảo độ tin cậy của bơm vì các lực này tạo ra tải trọng ổ trục, độ lệch trục và độ rung thay đổi tùy theo điều kiện vận hành (tốc độ dòng chảy, áp suất, tính chất chất lỏng), khiến cho hoạt động của bơm khác với các máy móc quay khác, trong đó lực chủ yếu là cơ học.
Các loại lực thủy lực
1. Lực đẩy trục (Lực đẩy thủy lực)
Lực dọc trục ròng từ chênh lệch áp suất trên cánh quạt:
- Cơ chế: Áp suất xả ở một bên, áp suất hút ở phía bên kia của cánh quạt
- Phương hướng: Thường hướng về phía hút (phía sau cánh quạt)
- Kích cỡ: Có thể lên tới hàng ngàn pound ngay cả khi bơm ở mức vừa phải
- Tác dụng: Tải trọng đẩy ổ trục, có thể gây ra rung động trục
- Thay đổi theo: Lưu lượng, áp suất, thiết kế cánh quạt
Phương pháp cân bằng lực đẩy
- Lỗ cân bằng: Các lỗ trên vỏ cánh quạt cân bằng áp suất
- Cánh quạt sau: Cánh quạt ở mặt sau bơm chất lỏng để giảm áp suất
- Cánh quạt hút kép: Thiết kế đối xứng triệt tiêu lực đẩy
- Cánh quạt đối diện: Máy bơm nhiều tầng có cánh quạt hướng về hai hướng ngược nhau
2. Lực hướng tâm
Lực ngang từ phân bố áp suất không đối xứng:
Tại Điểm Hiệu Quả Tốt Nhất (BEP)
- Phân bố áp suất tương đối đối xứng xung quanh cánh quạt
- Lực hướng tâm cân bằng và triệt tiêu
- Lực hướng tâm ròng tối thiểu
- Điều kiện rung động thấp nhất
Tắt BEP (Lưu lượng thấp)
- Phân bố áp suất không đối xứng trong volute
- Lực hướng tâm ròng hướng về lưỡi xoắn ốc
- Lực tăng khi lưu lượng giảm
- Có thể là 20-40% trọng lượng cánh quạt khi tắt
- Tạo ra độ rung 1× từ lực hướng tâm quay
Tắt BEP (Lưu lượng cao)
- Mẫu bất đối xứng khác nhau
- Lực hướng tâm có mặt nhưng thường nhỏ hơn ở lưu lượng thấp
- Sự nhiễu loạn dòng chảy bổ sung các thành phần lực ngẫu nhiên
3. Xung động đi qua cánh quạt
Áp suất xung định kỳ khi cánh quạt đi qua mặt nước:
- Tính thường xuyên: Số cánh quạt × Vòng/phút / 60
- Cơ chế: Mỗi cánh quạt đi qua tạo ra xung áp suất
- Lực lượng: Tác động lên cánh quạt, ống xoắn và vỏ bọc
- Rung động: Chiếm ưu thế ở tần số cánh quạt
- Kích cỡ: Tùy thuộc vào khoảng cách, điểm vận hành, thiết kế
4. Lực tuần hoàn
- Lực không ổn định tần số thấp từ sự bất ổn của dòng chảy
- Xảy ra ở lưu lượng rất thấp hoặc rất cao
- Tần số thường là 0,2-0,8 lần tốc độ chạy
- Có thể tạo ra rung động tần số thấp nghiêm trọng
- Chỉ ra hoạt động xa BEP
Tác động đến hiệu suất của máy bơm
Tải trọng ổ trục
- Lực hướng tâm thủy lực cộng vào tải trọng cơ học
- Các lực thay đổi tạo ra tải trọng tuần hoàn
- Tải trọng tối đa ở điều kiện lưu lượng thấp
- Lựa chọn ổ trục phải tính đến tải trọng thủy lực
- Tuổi thọ ổ trục giảm do lực thủy lực (Tuổi thọ ∝ 1/Tải trọng³)
Độ lệch trục
- Lực hướng tâm làm lệch trục
- Thay đổi khe hở phớt và vòng đệm
- Có thể ảnh hưởng đến hiệu quả
- Những trường hợp nghiêm trọng dẫn đến cọ xát
Tạo rung động
- Thành phần 1×: Từ lực hướng tâm ổn định hoặc thay đổi chậm
- Thành phần VPF: Từ xung áp suất
- Tần số thấp: Từ sự tuần hoàn và bất ổn
- Điểm hoạt động phụ thuộc: Độ rung thay đổi theo lưu lượng
Ứng suất cơ học
- Lực tuần hoàn tạo ra tải trọng mỏi
- Cánh quạt chịu áp lực do chênh lệch áp suất
- Trục mỏi do mô men uốn
- Ứng suất vỏ từ xung áp suất
Giảm thiểu lực thủy lực
Hoạt động gần BEP
- Chiến lược hiệu quả nhất để giảm thiểu lực thủy lực
- Hoạt động trong phạm vi 80-110% của lưu lượng BEP khi có thể
- Lực hướng tâm tối thiểu tại BEP
- Giảm thiểu rung động và tải trọng ổ trục
Tính năng thiết kế
- Máy bơm khuếch tán: Phân bố áp suất đối xứng hơn dạng xoắn ốc
- Xoắn ốc kép: Hai đường cắt cách nhau 180° cân bằng lực hướng tâm
- Tăng khoảng cách: Giảm xung áp suất đi qua cánh quạt (nhưng hiệu suất thấp hơn)
- Lựa chọn số cánh quạt: Tối ưu hóa để tránh cộng hưởng âm thanh
Thiết kế hệ thống
- Tuần hoàn lưu lượng tối thiểu cho máy bơm tải cơ bản
- Máy bơm có kích thước phù hợp với công suất thực tế (tránh kích thước quá lớn)
- Truyền động tốc độ thay đổi để duy trì điểm vận hành tối ưu
- Thiết kế đầu vào giảm thiểu hiện tượng xoáy trước và nhiễu loạn
Sử dụng chẩn đoán
Đường cong hiệu suất và lực thủy lực
- Biểu đồ rung động so với lưu lượng
- Độ rung tối thiểu thường ở hoặc gần BEP
- Độ rung tăng ở lưu lượng thấp cho thấy lực hướng tâm cao
- Hướng dẫn lựa chọn phạm vi hoạt động
Phân tích VPF
- Biên độ VPF biểu thị mức độ nghiêm trọng của xung thủy lực
- Tăng VPF cho thấy sự suy giảm độ thanh thải hoặc sự dịch chuyển điểm vận hành
- Sóng hài VPF chỉ ra dòng chảy hỗn loạn, nhiễu loạn
Những cân nhắc về đo lường
Vị trí đo độ rung
- Vỏ ổ trục: Phát hiện lực cơ học và thủy lực tổng thể
- Vỏ bơm: Nhạy cảm hơn với xung thủy lực
- Đường ống hút và xả: Truyền xung áp suất
- Nhiều địa điểm: Phân biệt nguồn thủy lực và nguồn cơ học
Đo xung áp suất
- Bộ chuyển đổi áp suất trong quá trình hút và xả
- Đo trực tiếp các xung thủy lực
- Tương quan với độ rung
- Xác định cộng hưởng âm thanh
Lực thủy lực là yếu tố cơ bản trong vận hành bơm và là nguồn chính gây ra rung động và tải trọng cho bơm. Việc hiểu rõ cách các lực này thay đổi theo điều kiện vận hành, nhận biết dấu hiệu của chúng trong phổ rung động, và thiết kế/vận hành bơm để giảm thiểu lực thủy lực thông qua hoạt động gần BEP là điều cần thiết để đạt được hiệu suất bơm đáng tin cậy và tuổi thọ cao trong các ứng dụng công nghiệp.
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 