Продольный, крутильный и конструктивный анализы насосов

24.02.2023

Для большинства технологических процессов в настоящее время все чаще используется регулирование параметров центробежных насосов частотой вращения. Изменение частоты вращения может увеличить вероятность возникновения резонансных явлений, сопровождаемых высоким уровнем вибрации, что может негативно сказаться как на параметрах, так и надежности насоса. В настоящее время, избежать эти проблемы возможно на этапе проектирования используя методы динамического анализа.

Серийно выпускаемые насосы не требуют дополнительного анализа, поскольку производители проводят соответствующие расчеты на этапе проектирования и разработки. Обычно рекомендуется проводить дополнительный динамический анализ в следующих случаях:

• Оборудование, подвергшееся модификации и/или модернизации
• Оборудование, в котором выявлены проблемы с вибрацией, вызванные резонансом на месте эксплуатации
• В нестандартных условиях, когда динамические характеристики насосного оборудования имеют зависимость от места и способа установки
  

Правильная оценка конструкции насосного оборудования и анализ характеристик места установки оборудования помогут определить, как сильно резонанс повлияет на срок службы и надежность изделия. Условия монтажа от фундамента, типа установки до трубопроводов и системы привода будут влиять на собственные частоты вибрации насосной системы, и после монтажа, без предварительного анализа критической скорости на этапе проектирования технологической установки, крайне трудно и дорого устранять причины и модифицировать компоненты насоса для устранения причин резонанса.

Виды динамического анализа

Для насосов и насосных агрегатов можно проводить три основных типа динамического анализа: продольный, крутильный и конструктивный. Оценивая различные аспекты насосного оборудования, использование этих аналитических инструментов помогает избежать проблем с резонансом и вибрацией — что увеличивает срок службы и надежность насоса. Каждый тип использует свою собственную методологию расчетов и способы корректировки.

Необходимость того или иного вида расчетов и уровня их детализации зависят от типа насоса, области применения, возможных затрат, связанных с проблемами запуска оборудования, и других факторов.

(СТРУКТУРНЫЙ) АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ

Конструктивный анализ насосного оборудования позволяет определить, что собственные колебания не вызовут значительного усиления резонансной частоты. Этот расчет должен выполняться для невращающихся частей насоса и присоединенных к ним компонентам, которые добавляют значительную массу и/или жесткость. Результаты расчета представляется в виде таблицы собственных частот и форм колебаний в диапазоне частот возбуждения.

АНАЛИЗ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Анализ продольных колебаний проводится для роторной части насоса и необходим для оценки максимально возможной вибрации и связанной с ней износом и возможным отказом оборудования после монтажа насоса. Результатом является диаграмма Кэмпбелла, которая графически определяет, какие собственные частоты ближе всего к частотам возбуждения.

АНАЛИЗ КРУТИЛЬНХ КОЛЕБАНИЙ

Чрезмерная вибрация при вращении может привести к повреждению муфты, износу привода, выходу из строя вала и повреждению обмоток двигателя. Анализ крутильных колебаний выполняется для всего насосного агрегата (насос, привод, муфты, и т.д.), имитацией динамической работы насоса, двигателя, муфты итд как единой системы, и определяет собственные частоты крутящего момента (в отличие от собственных частот, вызванных вибрацией в осевом или продольном направлениях).

Данный анализ помогает определить, может ли возникнуть вибрация связанная с  с резонансной частотой и определить места максимальной деформации вала со знакопеременной нагрузкой что может привести к его усталостному разрушению. Результатом является диаграмма Кэмпбелла, аналогичная диаграмме анализа продольных колебаний.

УРОВНИ СЛОЖНОСТИ АНАЛИЗА 

В зависимости от типа оборудования и условий монтажа и эксплуатации могут потребоваться различные уровни динамического анализа.

Анализ первого уровня

Включает простые расчеты с использованием стандартных  аналитических уравнений, которые можно провести с помощью обычного калькулятора. Расчеты перового уровня базируются на ряде допущений и ограничений. Например, расчет структурного (конструктивного) резонанса в вертикальных насосах, где основание и болтовые соединения допускается считать  бесконечно жёсткими. Анализ первого уровня обычно выполняется для небольшого и простого оборудования.

Анализ второго уровня

Промежуточный метод, включающий базовое моделирование конструкции, выполняемое с помощью программных инструментов, основанных на численных методах «конечных элементов» (FEA). Программы FEA, наиболее часто используемые для ротодинамического анализа, предлагают большой выбор элементов, позволяя пользователям выбирать подходящие элементы для исследуемой структуры и ее конкретного применения.

Промежуточный анализ включает больше элементов, чем анализ первого уровня, например:

• Радиальные и осевые силы

• Динамический коэффициент кольцевого уплотнения

• Взаимодействие рабочего колеса с корпусом

• Статические и динамические коэффициенты подшипника скольжения

Промежуточный уровень анализа второго уровня обеспечивает достаточный уровень точности, подходящий для большинства случаев.

Анализ третьего уровня

Реализует передовые методы и более сложные структурные расчеты, используя как программы FEA, так и специализированные программы ротодинамики. Анализ третьего уровня может включать следующие элементы:

• Ротодинамический анализ затухающих продольных колебаний в вертикальных насосах

• Влияние конструкции с учётом комбинированного структурно-роторного анализа или с учетом коэффициентов динамической жесткости подшипниковой опоры, рассчитанных с помощью анализа гармонического отклика конструкции

• Радиальные и осевые гидравлические нагрузки с учётом нагрузок из-за механического/гидравлического дисбаланса

• Наихудшая комбинация этих нагрузок, определенная с помощью исследования чувствительности параметров

• Радиальные и осевые гидравлические нагрузки, динамический коэффициент кольцевого уплотнения, взаимодействие рабочего колеса с корпусом, статические и динамические коэффициенты подшипника скольжения

Анализ третьего уровня обеспечивает повышенный уровень точности, что в свою очередь снижает риски и неопределенности.

Таким образом, цель выполнения динамического анализа состоит в том, чтобы провести проверку и оценку перед изготовлением или монтажем насосного агрегата в предполагаемой технологической линии. Правильный динамический анализ на этапе проектирования помогает избежать проблемы, связанные с чрезмерной вибрацией и приводящие к преждевременному отказу оборудования.