了解泵中的水力
水力 是指流动液体对泵部件施加的力：叶轮叶片上的压力载荷、叶轮两侧压差产生的轴向推力、非对称压力分布产生的径向力，以及由 流动湍流 以及叶片与蜗壳之间的相互作用。它们与由……产生的机械力有着根本性的区别 不平衡 或 错位，因为它们源于流体压力和动量变化，而非旋转质量——且在光谱中表现为 叶片通过频率 及其相关谐波。理解这些内容对泵的可靠性至关重要：液压力会产生轴承载荷、轴挠度以及 振动 这些参数会随运行条件（如流量、压力和流体性质）而变化，使得泵的运行表现与那些作用力纯粹是机械性的机械设备截然不同。
1. 定义：什么是水力？
在理想的泵中，液体会均匀地作用于叶轮和泵壳的每个部位，而轴所承受的力仅为机械力。但实际情况要复杂得多。 出口处的压力高于吸入处，压力在叶轮周边分布不均，且每当叶片扫过泵壳凸缘时，压力都会产生脉动。这些效应的综合结果，就是作用于转子和结构上的一系列稳态、缓慢变化和快速脉动的载荷。关键在于，这些载荷的大小取决于 当水泵在特性曲线上运行时 ——这一事实为诊断工程师提供了有力的手段，因为改变流量就会改变作用力。
2. 流体力的种类
2.1 轴向推力（液压推力）
由叶轮两侧压力差产生的净轴向力：
- 机制： 叶轮的一侧承受排出压力，另一侧承受吸入压力。
- 方向： 通常朝向吸入端（叶轮的背面）。
- 震级： 即使在中等尺寸的泵中，其作用力也可达到数千磅。
- 影响： loads the 推力轴承 and can cause 轴向振动.
- 随以下因素变化： 流量、压力和叶轮设计。
推力平衡方法
- Balance holes: 在叶轮护罩上开有通孔，以平衡其两侧的压力。
- Back vanes: 后导流罩上的叶片将流体向外泵出，以降低背压。
- 双吸叶轮： 一种对称设计，其中两侧的推力相互抵消。
- 对向叶轮： 叶轮朝向相反的多级泵。
2.2 径向力
叶轮周围非对称压力分布产生的侧向力：
在最佳效率点（BEP）
- 压力分布在叶轮周围相对对称。
- 向心力相互平衡，基本相互抵消。
- 净向心力极小。
- 这是振动最小的状态。
BEP 关闭 — 低流量
- 蜗壳内的压力分布变得不对称。
- 会产生一个朝向蜗壳舌部（切水部）的合向径向力。
- 随着流量的减小，其幅度逐渐增大。
- 在关闭状态下，其重量可达叶轮重量的20%至40%。
- 旋转产生的径向力表现为1×振动。
脱离BEP——高流量
- 形成了一种不同的不对称模式。
- 虽然存在向心力，但通常比低流量时要小。
- 流体湍流会在其上叠加随机力分量。
2.3 叶片通过脉动
每片导叶扫过导流板时产生的周期性压力脉冲：
- 频率： 叶片数 × 转速 / 60。
- 机制： 每片叶片经过叶片舌部时都会产生一个压力脉冲。
- 力量： 作用于叶轮、蜗壳和外壳上。
- 振动： 在叶片通过频率下占主导地位。
- 震级： 这取决于艏部吃水、工作点和设计。
2.4 再循环力
- 流动不稳定性产生的低频非定常力
- 发生在非常低的——有时也是非常高的——流速下。
- 频率通常为跑步速度的0.2–0.8倍，在 次同步 band.
- 可能产生强烈的低频振动。
- 这显然表明其运行状态远离最佳经济点（BEP）——参见 循环.
3. 对泵性能的影响
Bearing loading
- 液压径向力会增加轴承所承受的机械载荷。
- 各种力施加了循环载荷。
- 在低流量条件下，负荷最大。
- 选择轴承时必须考虑液压元件。
- 轴承寿命会随载荷的增加而急剧下降（寿命与载荷的立方成反比），因此适度的 L10 轴承寿命计算 可以说明低流量径向力会如何缩短使用寿命。
轴挠度
- 径向力会导致轴发生偏转。
- 这会改变密封件的间隙和磨损环的配合。
- 这可能会降低效率。
- 在极端情况下，这会导致 摩擦.
振动产生
- 1× component: 来自恒定或缓慢变化的径向力。
- VPF 分量： 由压力脉动引起。
- Low-frequency: 避免再循环及其他不稳定性。
- 取决于工作点： 随着流速的变化，整个局面也会随之改变。
机械应力
- 周期性力作用于 疲劳 loading.
- 叶轮叶片受到压差的作用。
- 轴因弯矩而产生疲劳。
- 压力脉动会对套管造成应力。
4. 尽量减小水力作用
在接近BEP的条件下运行
- 这是减少水力作用的最有效策略。
- 尽可能将运行流量控制在BEP流量的80%至110%之间。
- 在最佳效率点（BEP）处，向心力达到最小值。
- 振动和轴承载荷得以同时最小化。
Design features
- Diffuser pumps: 比单个蜗壳具有更对称的压力分布。
- 双蜗壳： 两个相距180°的导流板，用于平衡径向力。
- 增加间隙： 减少叶片通过时的压力脉动（但会牺牲部分效率）。
- 叶片数的选择： 为避免声学共振而选定。
System design
- 为基础负荷泵提供最小流量循环保护。
- 应根据实际工况正确选型，避免选型过大。
- 使用变频驱动器以保持最佳运行点。
- 设计进气口时，应尽量减少预旋流和湍流。
5. 诊断用途
性能曲线与水力作用力
- 将振动与流量绘制成图。
- 振动最小值通常出现在最佳效率点（BEP）或其附近。
- 低流量下振动加剧表明存在较大的径向力。
- 该图有助于确定一个合理的运行范围。
VPF analysis
- VPF 振幅反映了液压脉动的严重程度。
- VPF 值的上升表明间隙变小或工作点发生偏移。
- 虚拟功率因数 谐波 表明存在湍流或紊流。
将这些液压特征与纯机械特征区分开来，是泵诊断的关键所在，这也是便携式分析仪在现场大显身手之处。该 平衡仪-1a 捕捉到 振动频谱 在轴承座上，并解析 1×、VPF 和低频分量，从而使工程师能够判断高读数是否需要 实地平衡 （机械式修复）或改变工作点（液压式修复）——若诊断结果显示存在不平衡，应立即对转子进行平衡校正，并当场验证结果。
6. 测量注意事项
振动测量点
- 轴承座： 检测机械力和液压力共同作用产生的力。
- Pump casing: 对液压脉动更为敏感。
- 吸入和排出管道： 传递压力脉动。
- 多个地点： 通过比较，有助于区分液压源与机械源。
压力脉动测量
- 在吸入和排出端安装压力传感器。
- 这些装置可直接测量液压脉动。
- 将脉动数据与振动数据相关联。
- 使用该组合来识别声学共振。
液压力是泵工作原理的基础，也是其振动和载荷的主要来源。了解这些力如何随运行条件变化，识别其在振动频谱中的特征，以及通过设计和操作泵来降低这些力（主要是在接近最佳效率点（BEP）的条件下运行），对于确保泵在工业应用中实现可靠、长寿命的性能至关重要。关于这些力导致的故障的更深入探讨，请参阅 离心泵的缺陷 和 叶轮缺陷.
