Hiểu về lực thủy lực trong máy bơm
Lực thủy lực là các lực mà một chất lỏng chảy tác dụng lên các thành phần của bơm: tải cảm ứng áp lực lên các cánh của bánh công tác, lực đẩy dọc trục từ chênh lệch áp suất trên bánh công tác, lực hướng tâm từ phân bố áp suất không đối xứng, và lực xung động sinh ra từ hiện tượng nhiễu loạn dòng chảy và tương tác giữa cánh vật lý—vòng volute. Chúng khác biệt cơ bản so với các lực cơ học được tạo ra bởi mất cân bằng hoặc sự không thẳng hàng, bởi vì chúng phát sinh từ áp suất chất lỏng và sự thay đổi động lượng chứ không phải từ khối lượng quay — và chúng biểu hiện trong phổ dưới dạng tần số cánh quạt và các sóng hài liên quan của nó. Hiểu rõ chúng là điều cần thiết để độ tin cậy của bơm: các lực thủy lực tạo ra tải lên các ổ đỡ, sự chênh lệch trục và rung động thay đổi theo điều kiện hoạt động — lưu lượng, áp suất và tính chất của chất lỏng — làm cho bơm hoạt động khác biệt khá nhiều so với máy móc có lực hoàn toàn cơ học.
1. Định nghĩa: Lực thủy lực là gì?
Trong một bơm lý tưởng, chất lỏng sẽ tác dụng đều lên mọi phần của bánh công tác và vỏ bơm, và các lực duy nhất mà trục cảm nhận sẽ là cơ học. Thực tế phức tạp hơn. Áp suất cao hơn ở lối xả so với lối hút, nó phân bố không đều quanh chu vi bánh công tác, và nó xung động mỗi khi một cánh quét qua lưỡi của vỏ. Tổng hợp các ảnh hưởng này là một tập hợp các tải ổn định, biến đổi chậm và xung động nhanh tác dụng lên rotor và kết cấu. Điều quan trọng là, độ lớn của chúng tùy thuộc vào vị trí bơm hoạt động trên đường cong của nó — một sự kiện mang lại cho kỹ sư chẩn đoán một đòn bẩy mạnh mẽ, bởi vì thay đổi lưu lượng sẽ thay đổi các lực.
2. Các loại lực thủy lực
2.1 Áp lực trục (áp lực thủy lực)
Lực dọc trục ròng phát sinh từ chênh lệch áp suất trên bánh công tác:
- Cơ chế: áp suất xả tác dụng lên một mặt của bánh công tác, áp suất hút tác dụng lên mặt khác.
- Phương hướng: thường hướng về phía hút (phần sau của bánh công tác).
- Kích cỡ: có thể đạt tới hàng nghìn pound lực ngay cả trong các bơm cỡ trung bình.
- Tác dụng: loads the ổ trục đẩy and can cause rung động trục.
- Thay đổi theo: lưu lượng, áp suất và thiết kế cánh tính toán.
Phương pháp cân bằng lực đẩy
- Balance holes: các lỗ qua áo che cánh tính toán để cân bằng áp suất trên toàn bộ.
- Back vanes: cánh trên áo che phía sau để đẩy chất lỏng ra ngoài và giảm áp suất mặt sau.
- Máy bơm lưỡng hút: thiết kế đối xứng trong đó hai mặt triệt tiêu lực đẩy của nhau.
- Máy bơm đối xứng: máy bơm đa tầng được sắp xếp với các cánh tính toán quay ngược chiều nhau.
2.2 Lực hướng tâm
Lực ngang được tạo ra bởi phân bố áp suất không đối xứng quanh cánh tính toán:
Tại điểm hiệu suất tốt nhất (BEP)
- Phân bố áp suất tương đối đối xứng quanh cánh tính toán.
- Lực hướng tâm cân bằng và phần lớn triệt tiêu nhau.
- Lực hướng tâm tổng hợp là tối thiểu.
- Đây là điều kiện rung động thấp nhất.
Ngoài BEP — lưu lượng thấp
- Phân bố áp suất trong tổ ốc trở nên không đối xứng.
- Lực hướng tâm tổng hợp phát triển hướng về lưỡi tổ ốc (miệng cắt).
- Độ lớn của nó tăng khi lưu lượng giảm.
- Nó có thể đạt 20–40% khối lượng cánh tính toán ở trạng thái đóng.
- Lực hướng tâm quay xuất hiện dưới dạng rung động 1×.
Ngoài BEP — lưu lượng cao
- Một mô hình bất đối xứng khác hình thành.
- Lực hướng tâm tồn tại nhưng thường nhỏ hơn ở lưu lượng thấp.
- Sự hỗn loạn dòng chảy thêm các thành phần lực ngẫu nhiên.
2.3 Dao động khi qua lưỡng
Các xung áp suất định kỳ được tạo khi mỗi cánh quét qua lưỡi tổ ốc:
- Tính thường xuyên: số cánh × RPM / 60.
- Cơ chế: mỗi cánh đi qua dương tính tạo ra một xung áp lực.
- Lực lượng: tác dụng lên bộ tạo lực, cuốn xoáy và vỏ bơm.
- Rung động: chiếm ưu thế ở tần số đi qua cánh.
- Kích cỡ: phụ thuộc vào khoảng cách mũi cắt, điểm hoạt động và thiết kế.
2.4 Lực tuần hoàn
- Lực không ổn định tần số thấp từ sự bất ổn của dòng chảy
- Xảy ra ở tốc độ lưu lượng rất thấp — và đôi khi rất cao.
- Tần số thường là 0,2–0,8× tốc độ chạy, trong không đồng bộ band.
- Có thể tạo ra rung động tần số thấp nghiêm trọng.
- Dấu hiệu rõ ràng của hoạt động xa BEP — xem tái tuần hoàn.
3. Ảnh hưởng đến Hiệu suất Bơm
Tải trọng vòng bi
- Lực xuyên tâm thủy lực cộng vào tải cơ học trên các vòng bi.
- Các lực thay đổi gây ra tải trọng tuần hoàn.
- Tải nặng nhất ở điều kiện lưu lượng thấp.
- Lựa chọn vòng bi phải tính đến thành phần thủy lực.
- Tuổi thọ vòng bi giảm mạnh theo tải (tuổi thọ tỷ lệ với 1/tải³), vì vậy một lực xuyên tâm tính toán tuổi thọ vòng bi L10 có thể cho thấy lực xuyên tâm lưu lượng thấp làm giảm tuổi thọ sử dụng bao nhiêu.
Độ trần của trục
- Lực xuyên tâm làm nhoẹn trục.
- Điều này thay đổi khoảng cách con dấu và độ vừa của vòng mài.
- Nó có thể giảm hiệu suất.
- Trong các trường hợp cực kỳ, nó dẫn đến rub.
Sinh ra rung động
- 1× component: từ lực xuyên tâm cố định hoặc thay đổi chậm.
- Thành phần VPF: từ các xung áp lực.
- Low-frequency: từ tuần hoàn và các sự mất ổn định khác.
- Phụ thuộc vào điểm hoạt động: toàn bộ bức tranh thay đổi theo lưu lượng dòng chảy.
Áp lực cơ học
- Các lực tuần hoàn gây áp lực Mệt mỏi loading.
- Các cánh bánh công được tác dụng lực bởi các chênh lệch áp suất.
- Trục chịu sự mỏi từ các mô-men uốn.
- Vỏ bơm chịu tác dụng lực từ các xung áp suất.
4. Giảm thiểu Lực Thủy lực
Hoạt động gần BEP
- Chiến lược hiệu quả nhất để giảm thiểu các lực thủy lực.
- Nhằm hoạt động trong 80–110% lưu lượng BEP khi có thể.
- Các lực bán kính đạt giá trị tối thiểu tại BEP.
- Độ rung động và tải trọng vòng bi được giảm thiểu cùng với nhau.
Các tính năng thiết kế
- Bơm Diffuser: phân bố áp lực đối xứng hơn so với một volute duy nhất.
- Volute kép: hai miệng cắt cách nhau 180° để cân bằng các lực bán kính.
- Khoảng cách tăng lên: giảm các xung áp suất vượt cánh (với chi phí hiệu suất).
- Lựa chọn số cánh: được chọn để tránh những cộng hưởng âm thanh.
System design
- Cung cấp bảo vệ tuần hoàn lưu lượng tối thiểu cho các bơm tải cơ sở.
- Lựa chọn kích thước bơm đúng cho công suất thực tế và tránh kích thước quá lớn.
- Sử dụng ổ đĩa tốc độ thay đổi để duy trì điểm hoạt động tối ưu.
- Thiết kế cửa hút để giảm thiểu xoáy ban đầu và sự rối loạn.
5. Sử dụng Chẩn đoán
Đường cong hiệu suất và lực thủy lực
- Vẽ biểu đồ rung động so với lưu lượng.
- Rung động tối thiểu thường xảy ra ở hoặc gần BEP.
- Rung động tăng ở lưu lượng thấp báo hiệu các lực xuyên tâm cao.
- Biểu đồ giúp xác định phạm vi hoạt động hợp lý.
VPF analysis
- Biên độ VPF cho biết mức độ nghiêm trọng của xung thủy lực.
- Một VPF tăng lên cho thấy sự suy giảm về độ khe hở hoặc sự thay đổi trong điểm hoạt động.
- VPF sóng hài cho thấy dòng chảy hỗn loạn, bị gián đoạn.
Phân biệt các chữ ký thủy lực này với các chữ ký thuần cơ khí là yếu tố then chốt trong chẩn đoán máy bơm, và đó là nơi một bộ phân tích có thể di động chứng tỏ giá trị của nó trong hiện trường. Các Balanset-1A thể hiện phổ rung động trên các vỏ vòng bi và phân giải các thành phần 1×, VPF và tần số thấp, vì vậy một kỹ sư có thể quyết định xem một chỉ số cao có cần cân bằng trường (một biện pháp khắc phục cơ khí) hoặc một sự thay đổi trong điểm hoạt động (một biện pháp khắc phục thủy lực) — và nơi chẩn đoán chỉ ra mất cân bằng, cân bằng roto và xác minh kết quả tại chỗ.
6. Cân nhắc Đo lường
Vị trí đo rung động
- Vỏ ổ trục: phát hiện các lực cơ khí và thủy lực kết hợp.
- Pump casing: nhạy cảm hơn đối với xung thủy lực.
- Ống hút và xả: mang theo các xung áp lực được truyền đi.
- Nhiều vị trí: so sánh chúng giúp phân biệt nguồn thủy lực với nguồn cơ khí.
Đo xung áp lực
- Lắp đặt các cảm biến áp lực trong ống hút và xả.
- Những cảm biến này đo trực tiếp các xung thủy lực.
- Tương quan dữ liệu xung với rung động.
- Sử dụng sự kết hợp này để xác định các cộng hưởng âm thanh.
Lực thủy lực là yếu tố cơ bản về cách hoạt động của máy bơm và là một nguồn chính của rung động và tải trọng của nó. Hiểu cách những lực này thay đổi theo điều kiện hoạt động, nhận biết các chữ ký của chúng trong phổ rung động, và thiết kế cũng như vận hành các máy bơm để giữ cho lực thấp — chủ yếu bằng cách chạy gần BEP — là điều cần thiết để đạt được hiệu suất máy bơm đáng tin cậy, tuổi thọ dài trong dịch vụ công nghiệp. Để tìm hiểu sâu hơn về những hỏng hóc mà những lực này gây ra, hãy xem lỗi bơm ly tâm and lỗi cánh quạt.
