Хидродинамични източници на вибрации на помпени агрегати, Образуване на вихъра, Нехомогенност на потока,
Хидродинамични вибрационни източници за помпени агрегати
През последните години относително благоприятната картина по отношение на задоволителното техническо състояние на бустер помпите и тяхното икономично използване се влоши значително. Една от основните причини за негативните промени е работата на тези помпи в непроектни режими, което се дължи на намаляване на нивото на добив на нефт и намаляване на обема на изпомпването му по тръбопроводите.
По време на работа на разглежданите помпени агрегати при ниски потоци в тях възникват вибрации, надхвърлящи в някои случаи допустимите граници с няколко пъти. Откритият тип вибрация не се елиминира по нито един от известните методи.
Хидродинамичните източници са определящи за вибрационните спектри на повечето помпи, но естеството на техния произход не е еднакво за различните типове [8].
В лопатените помпи хидродинамичните източници на вибрации, както е установено по-рано, включват: образуване на вихър в потока на работната среда, нехомогенност на потока, пулсации на турбулентно налягане, кавитация на въздух и пара.
В буталните помпи хидродинамичните източници на вибрации са: пулсация на налягането в работните камери, неравномерности на налягането в смукателните и изпускателните пътища, удари на клапани, хидравлични удари, естествени трептения на колоните с течност в каналите на корпуса на клапана, образуване на вихър, когато течността тече около локалното съпротивление в корпуса на клапана, явления на кавитация.
Нека разгледаме по-подробно физическата природа на всеки от посочените хидродинамични източници на вибрации
вибрационно претоварване сеизмичен нефтопровод и газопровод
Образуване на вихър
Когато вискозен поток тече около тялото, зад него се образуват вихри. Поради енергията на потока те постепенно се увеличават по размер и при достигане на определена (критична) стойност се отделят от тялото. При достатъчно голям брой Re = (102-105), вихрите се отделят последователно от двете страни на тялото и се образува правилна вихрова улица на Карман. Когато вихърът се отчупи върху тялото, възниква импулс на сила, който води до образуване на вибрации и шум [3].
Разглежданата схема за генериране на вибрации и шум предполага съществуването на редовна вихрова улица на Карман. В действителност обаче стойностите на числата Re в лопатените помпи са по-големи от горните и може да няма редовен трак на Karman, освен това характерните скорости и размери варират в зависимост от секция на сечение на лопатката. Следователно, спектърът на вибрациите от образуването на вихър в лопатковия апарат става широколентов.
Нехомогенност на потока
Ако пред работното колело на лопатевата помпа има тяло (направляваща лопатка, носеща рамка и др.), Поради вискозитета на течността зад обтеченото тяло, в потока се образува ръбова следа, локалните скорости в които рязко се различават от средната скорост на потока. Когато острието на колелото удари крайната пътека, входната относителна скорост, равна на векторната сума на абсолютната и периферната скорост, се променя по величина и посока, което води до промяна в ъгъла на атака.
В момента на рязка промяна в ъгъла на атака, вихър избяга от острието. Този вихър предизвиква циркулация около въздушния профил, който, според теоремата на Жуковски, генерира импулс на сила върху него. Последният възбужда вибрации на острието и звуков импулс в работната среда.
По време на въртене лопатката на работното колело редовно попада в нехомогенността на потока, в резултат на което вибрациите и шумът, възбудени едновременно, се появяват на честотата на лопатката.
Вибрация при тази честота възниква и по време на взаимодействието на нехомогенен поток, напускащ работното колело с лопатките зад стоящия направляващ (изправящ) апарат.
Вибрацията и шумът на помпите от нехомогенността на потока се намаляват с увеличаване на разликата между лопатките на работното колело и стационарните (статорни) лопатки, както и чрез избора на рационална комбинация от техния брой.
С еднаква честотна характеристика на корпуса на помпата в целия диапазон на честотите на лопатките, интензивността на вибрациите и шума от нехомогенността на потока се увеличава до 4-та - 6-та мощност на периферната скорост.
Може би основният източник на проблеми с помпите е кавитацията - явлението на образуване на кухини в течност (кавитационни мехурчета или кухини), пълна с газ, пара или тяхна смес. Кавитацията възниква в резултат на локално намаляване на налягането в течността, което може да възникне с увеличаване на нейната скорост (хидродинамична кавитация). Придвижвайки се с потока към зона с по-високо налягане, кавитационният балон се срутва, като същевременно излъчва енергия, която разрушава повърхността на работните колела, охлювите (фиг. 1) и т.н.
Фигура 1 - Кавитация на охлюва след една година работа на помпата
Тази енергия създава ударни вълни, които карат вибрациите да се разпространяват към работното колело, вала. уплътнения, лагери, увеличавайки тяхното износване. Появата на кавитация се дължи на различни причини (Таблица 1). но винаги е свързано с пренебрегване на законите на хидравликата и хидродинамиката в дизайна.
Таблица 1 - Видове и причини за кавитация