مرجع تخصصی پمپ های سانتریفیوژ

1.       مقدمه

تمامی خستگی و سایش رینگ های سایشی در اجزای پمپ ها به طور معمول ناشی از ارتعاشات بیش از اندازه روتور می باشد که در نتیجه بالانس نبودن روتور، وجود یک عدم همراستایی شدید بین روتور و پمپ، نیروی هیدرولیکی بیش از اندازه ناشی از بازچرخش در مکش و یا نوسانات فشاری گذر از پره و یا حرکات تقویت شده در اثر رزنانس فرکانس طبیعی است. بازرسی اجزاء معمولا نشانه هایی از منبع ارتعاش و نیز راه هایی جهت از بین بردن آن ارائه می دهد.

هنگام عملکرد سیستم، نقض محدوده مجاز ارتعاشات، عملی بسیار معمول به شمار می رود. مخصوصا در سیستم های با سرعت متغییر که شانس بیشتری وجود دارد که فرکانس نیروی تحریک با فرکانس طبیعی سیستم برابر شود. این حادثه، رزنانس نامیده می شود. در حل مشکل ارتعاشات، پیشنهاد می شود که ابتدا علت عدم تعادل پیدا شده، سپس عدم همراستایی، پس از آن رزنانس فرکانس طبیعی و در پایان جهت شناخت سیستم، گراف هایی بر اساس ارتعاشات مخصوص بر حسب فرکانس یا ارتعاشات بر اساس زمان نوسانات رسم شود. در شکل زیر پدیده رزنانس نشان داده شده است:

 شکل شماره 1- رزنانس فرکانس طبیعی

فرکانس طبیعی مفهوم بسیار مهمی می باشد. این مفهوم تعداد سیکل هایی در دقیقه می باشد که روتور در آن بدون وجود هیچ تداخل خارجی به ارتعاش در می آید. روتور و محفظه پمپ فرکانس طبیعی های بسیاری دارند که ممکن است تعدادی از آنها به محدوده سرعت عملکردی پمپ نزدیک یا در محدوده سرعت عملکردی باشند که از همین رو سبب ایجاد رزنانس می شوند. الگوی ارتعاشاتی که با یکی شدن فرکانس طبیعی با سرعت رانش یا فرکانس نیروی قوی دیگری ایجاد می شود شکل مود نام دارد. هر فرکانس طبیعی دارای یک شکل مود مخصوص به خود می باشد که جایی که این شکل مودها حرکت می کنند، بدترین نقطه جهت اعمال نیروی محرک و بهترین نقطه جهت نصب بست ها و جرم های اضافی می باشد.

در رزنانس انرژی ارتعاشی از ضربه قبلی نیرو دقیقا یک سیکل کامل را با حادث شدن ضربه دوم طی می کند. ارتعاشات در سیکل بعدی شامل حرکتی بالاتر از نقطه قبلی خواهد بود. حرکات ارتعاشی به همین روش همچنان تقویت می شوند تا یک حرکت بزرگ تمامی انرژی به وجود آمده از این راه را مصرف کند. متاسفانه حرکت در این نقطه معمولا بسیار بزرگ می باشد و معمولا به یاتاقان ها، آب بندها و فواصل حرکتی داخلی آسیب وارد می کند.

بنابراین بسیار مطلوب است که فرکانس طبیعی روتور و محفظه یاتاقان ها، به خوبی از فرکانس هایی که این نیروها را به وجود می آورند، جدا شوند. این نیروها تمایل دارند که 1 برابر سرعت عملکرد(عدم تعادل معمول)، 2 برابر سرعت عملکرد(عدم همراستایی معمول) یا به تعداد پروانه ها ضرب در سرعت عملکرد باشند.

در عمل، تقویت ارتعاشات با توجه به رزنانس معمولا به صورت فاکتوری از 2 تا 25 برابر بالاتر از نیروی محرک اولیه می باشد. میزان Q (ضریب درشت نمایی ارتعاش) به میزان جذب انرژی با نام استهلاک که بین ضربات اتفاق می افتد بستگی دارد. در پمپ ها معمولا این موضوع توسط یاتاقان ها و سیال حبس شده بین روتور و استاتور در آب بندهای حفره ای ایجاد می شود. اگر استهلاک(دمپینگ) در نقطه ای اعمال شود که به سختی به تواند حرکت نوسانی را متوقف کند، این حالت را دمپینگ بحرانی می نامند.

یک راه تحمل رزنانس(البته برای مدت زمان بسیار کوتاه) بالا بردن نسبت دمپینگ به وسیله کاهش فواصل آب بندهای حفره ای یا استفاده از یاتاقانی که به صورت ذاتی دارای خواص جذب انرژی بالاتری باشد، می باشد.

این موضوع می تواند Q را به نقطه ای که سبب خرابی های سایشی یا دیگر ارتعاشات وابسته شود، جابه جا کند. به همین سبب استاندارد API 610 پمپ های سانتریفیوژ، در صورتی که Q 2.5 و یا کمتر از آن باشد، فرکانس طبیعی را یک سرعت بحرانی در نظر نمی گیرد.

مشکل تمامی رهیافت های بر پایه دمپ کردن ارتعاشات آن است که هر مکانیزمی که باعث افزایش دمپینگ می شود، تا انتهای عمر مورد انتظار پمپ، دوام نمی آورد.

یک مفهوم غیر شهودی اما مهم دیگر زاویه اختلاف فاز می باشد که فاصله زمانی بین نیرو و ارتعاشاتی که در پاسخ آن صورت می گیرد می باشد. یک مثال از مفهوم فیزیکی زاویه فاز در شکل های زیر آورده شده است. یک زاویه اختلاف فاز صفر درجه بدان معناست که نیرو و ارتعاشات مربوط به آن در یک جهت، در یک گام با یکدیگر جابه جا می شوند. این اتفاق معمولا در فرکانس های پایین، پایین تر از فرکانس طبیعی رخ می دهد. مثال این موضوع می تواند نیرویی باشد که به آهستگی به یک فنر نرم وارد می شود. متقابلا، یک زاویه اختلاف فاز 180 درجه بدان معناست که نیرو و ارتعاش با توجه به آنکه دقیقا در خلاف جهت یکدیگر عمل می کنند، به طور کامل خارج از گام یکدیگر می باشند. این اتفاق در فرکانس های بسیار بالا، بالاتر از فرکانس طبیعی اتفاق می افتد.

 شکل شماره 2- یک زاویه اختلاف فاز

شکل شماره 3- رابطه زاویه اختلاف فاز به فرکانس

زاویه اختلاف فاز مفهوم بسیار مهمی می باشد. این مفهوم جهت شناخت و حل مشکلات ناپایداری های روتوردینامیکی مورد استفاده قرار می گیرد.

1.       مفاهیم ارتعاشاتی مخصوص روتور

·         بالانس

عدم تعادل، عمده ترین دلیل ارتعاشات بیش از حد پمپ ها می باشد که با عدم همراستایی نیز همراه می باشد. بالانس به طور معمول، به صورت استاتیک( مرکز جرم در یک راستا نمی باشد، یعنی محور اصلی توزیع جرم موازی با خط مرکز چرخش می باشد) و دینامیک( محور اصلی جرم با محور چرخش، زاویه می سازد) می باشد. برای اجزاء کوتاه محوری، می توان از اختلاف بین این دو مورد صرف نظر کرد و تنها از بالانس استاتیکی تک صفحه استفاده نمود. برای اجزایی با طول بیش از 6/1 قطرشان عدم تعادل دینامیکی باید فرض شود و حداقل 2 صفحه بالانس با توجه به ملزومات استاندارد API 610 مورد نیاز می باشد. برای روتورهایی که بالاتر از سرعت بحرانی دومشان کار می کنند( این موضوع برای پمپ ها غیر معمول می باشد)، حتی دو صفحه بالانس نیز ممکن است کافی نباشد.

 شکل شماره 4- دستگاه بالانس

شکل شماره 5- عدم تعادل استاتیکی

شکل شماره 6- عدم تعادل کوپل

وقتی عدم تعادل رخ می دهد، مثل عدم تعادل به وجود آمده از خمش شفت، با فرکانسی در حدود 1 برابر سرعت عملکردی شفت(N) اتفاق می افتد. دلیل 1 برابر سرعت چرخش(n) آن است که قسمت سنگین روتور به طور دقیق در سرعت چرخش روتور می چرخد و به طور دقیق به حرکات ارتعاشی در این فرکانس نیرو وارد می کنند. به طور معمول این موضوع منجر به چرخش دایروی شفت می شود، لازم به ذکر است که در صورت بارگذاری شدید شفت در قسمت یاتاقان گردها به طوری که سبب ایجاد سایش شود، این حرکت به حرکتی تخم مرغی شکل(بیضوی) تبدیل می شود. ایزو 1940 شامل اطلاعاتی است که چگونگی شناسایی عدم تعادل را مشخص کرده و درجات بالانس متفاوتی را مشخص می کند.

به طور معمول، درجات پیشنهاد شده معمولا بین معیار قدیمی نیروی دریایی آمریکا(4W/N) که در حدود ایزو  G1.0است و ایزو  G2.5می باشد.   با توجه به API610 ایزو 1.0 در بسیاری از موارد کاربردی و عملی نمی باشد زیرا در جدا کردن پروانه از میله بالانس، این درجه بالانس را از دست می دهد.

در کنار عدم تعادل، عدم همراستایی یکی از عمده ترین دلایل مشکلات ارتعاشاتی در ماشین های دوار می باشد. عدم همراستایی معمولا به دو شکل تشخیص داده می شود. دو پهن شدگی(افست) و زاویه ای. دو پهن شدگی یا افست فاصله ای است که دو خط مرکز در این حالت از یکدیگر دارند. زاویه ای نیز اختلاف زاویه ای است که دو خط مرکز شفت وقتی به یکدیگر می رسند و از یک سر دیده می شوند، مشاهده می شود.

 شکل شماره 8- نمایش عدم همراستایی افست(موازی) و زاویه ای

ملزومات معمول برای عدم همراستایی زاویه ای و موازی در 3600 دور در دقیقه بین نیم تا 1 میل برای موازی، و بین ¼ تا ½ میل/ اینچ فاصله بین دو سر کوپلینگ برای زاویه ای می باشد. برای سرعت هایی غیر از 3600 دور در دقیقه، سطوح مجاز به صورت معکوس با سرعت در ارتباط می باشند.

از آن جایی که تاثیرات ارتعاشات از عدم تعادل و عدم همراستایی معمولا در 1 برابر و 2 برابر سرعت عملکردی روتور ظاهر می شوند، و همچنین مطالعات انجام شده نشان می دهد که عدم تعادل و عدم همراستایی بیشترین دلیل ارتعاشات پمپ هستند، طبق استاندارد API610 لازم است که ا برابر و 2 برابر سرعت عملکردی شناسایی شده و برای تمامی آنالیزهای روتوردینامیکی مورد محاسبه قرار گیرند. همچنین لازم است که تمامی سرعت های بحرانی نزدیک به این دو سرعت، دمپ شوند. در صورتی که فرکانس طبیعی نزدیک به یکی از سرعت های 1 و 2 برابر سرعت عملکردی باشد، ضریب استهلاک(دمپینگ) در حدود 0.15 مورد نیاز می باشد.

·         پایداری روتوردینامیکی

پایداری روتوردینامیکی به این پدیده باز می گردد که روتور و سیستم نیروهای عکس العمل حمایتی آن توانایی آن را داشته باشند که به طور خود تحریک بوده و با وجود کوچک بودن نیروهای پایدار و فعال محرک، به سطح ارتعاشات بسیار بالایی منجر شود. در صورتی که فرکانس طبیعی روتور پمپ کمتر از سرعت عملکردی آن باشد، در محدوده ای که نیروهای چرخشی سیال( به طور معمول، 2/1 سرعت عملکرد) با چرخش روتور می توانند همزمان شوند، ناپایداری می تواند اتفاق بیافتد. این موضوع معمولا در روتور انعطاف پذیر پمپ های چند طبقه اتفاق می افتد. به علاوه همزمانی فرکانس های طبیعی، دمپینگ موثر وابسته به فرکانس طبیعی باید به زیر صفر افت کند.

1.       مفاهیم ارتعاشاتی روتور مخصوص به پمپ های سانتریفیوژ

همواره توصیه می شود که پمپی انتخاب شود که در نزدیکی نقطه بهترین کارائی خود عمل کند. عملکرد بالاتر یا پایین تر از نقطه بهترین کارائی در هر سرعتی، سبب به هم خوردن زاویه جریان ورودی به پروانه، تیغه های دیفیوزر یا زبانه محفظه در طبقه های مختلف می شود. این افزایش بار بر روی تیغه ها، ممکن است سبب پدیده ای به نام جدایش جریان از روی ایرفویل شود که با تولید گردابه های شدید در ارتباط می باشد که می تواند به طور شدید کل سیستم روتور را به طور همزمان با فرکانس هایی تکان دهد. همچنین می تواند سبب خستگی پوشش پروانه یا دیواره حفره های دیفیوزر شود. در شکل زیر تاثیرات ارتعاشات بر روی روتور در شرایط خارج از نقطه بهترین کارائی را مشاهده می کنید:

 شکل شماره 9- تاثیرات ارتعاشات بر عملکرد خارج از محدوده بهترین نقطه عملکرد

1.       آنالیز ارتعاشات جانبی سیستم روتور پمپ

·         روش های دستی

برای طراحی های ساده و قطعی، مخصوصا پمپ های تک طبقه، آنالیزهای روتور دینامیکی، جهت حفظ دقت مرتبه 1 ساده می شوند. این موضوع به ما اجازه می دهد که از روش های ساده ای چون جرم و فنر و تیرها، استفاده کنیم. به عنوان مثال برای پمپ های تک طبقه دو مکشه، از فرمول های ساده یک تیر گیردار، برای تعیین فرکانس های طبیعی و شکل مودها، می توان استفاده نمود. از مدل های ساده دیگر، یک تیر یک سر گیردار با جرم اضافه شده به انتهای آن است که یک پمپ تک طبقه مکش از انتها را شبیه سازی می کند. همچنین می توان از یک تیر گیردار ساده بر یک فوندانسیون الاستیک، جهت شبیه سازی شفت های انعطاف پذیر پمپ های چند طبقه با ضریب سختی لوماکین در هر رینگ سایشی یا فواصل دیگر استفاده نمود.

به عنوان مثال، جهت استفاده از این فرمول ها در یک پمپ تک طبقه دو مکشه با شرایط زیر خواهیم داشت:

اگر جرم پروانه m، جرم شفت ms، طول شفت L و ممان اینرسی آن  I=πD 4/64باشد. برای یک شفت با قطر D و مدول الاستیسیته E، فرکانس طبیعی برابر است با:

    fn1 = (120 /π)[3EI/{L3(M + 0.49Ms)}]1/2

در صورتی که چرخش مرکز جرم حقیقی پروانه نسبت به خط مرکز چرخش یاتاقان e باشد، نیروی عدم تعادل به صورت زیر خلاصه می شود:

  f ub = Meω2/gc

در سمت دیگر، اگر نیرو مستقل از حرکت پروانه باشد، مقدار جابه جایی ارتعاشات مورد نظر در رینگ های سایشی با توجه به نیروی Fex برابر است با:

  Ϭ = ( Fex * L3 ) / 48EI)

یک روش ساده جهت تبدیل فرمول های ساده استاتیک به فرمول های ارتعاشاتی پایین ترین فرکانس طبیعی وجود دارد. این روش شامل روابطی جهت محاسبه بالاترین میزان انحراف(خمیدگی) شفت برای بارگذاری تحت شرایط و ابعاد مورد نظر است. و نیز تقسیم میزان خمیدگی بر ریشه دوم ثابت جاذبه است. در پایان نیز این عدد در 60/2π ضرب می شود. عدد به دست آمده می تواند تخمین مناسبی برای پایین ترین فرکانس طبیعی روتور باشد.

روش بسیار ساده دیگر، در نظر گرفتن جرم کل سیستم روتور به عنوان یک جرم ساده معلق به وسیله یک فنر ساده می باشد. پایین ترین فرکانس طبیعی را می توان به راحتی از ضرب 60/2π در ضریب استحکام شفت و تقسیم آن بر جرم روتور محاسبه نمود.

در مبحث تاثیرات پوسته و فوندانسیون، ضریب استحکام محفظه یاتاقان به طور تقریبی از رابطه زیر محاسبه می شود:

   stiffness of bearing housing = 3EI/L

که در آن  Lطول پایه خط مرکز یاتاقان از انتهای دیواره پوسته،  Iممان اینرسی سطح برای سطح مقاطع مختلف می باشد. ضریب استحکام محفظه یاتاقان با ضریب استحکام خود یاتاقان ترکیب شده و استحکام کل یاتاقان را ارائه می دهد:

     1/ktotal = 1/khousing + 1/kbearing

2.       آنالیز ارتعاشات پیچشی پمپ و مجموعه درایور روتور

استاندارد API610 همانند استاندارد API684، الزامات و توصیه های لازم جهت آنالیز ارتعاشاتی پیچشی را فراهم می کند. همانطور که پیش تر مورد بحث قرار گرفت، آنالیز جانبی روتوردینامیکی اغلب بدون حضور دیگر اجزای پمپ مثل درایورها انجام می شود. در صورتی که ارتعاشات پیچشی شفت پمپ و در بعضی از موارد ارتعاشات سازه ثابت پمپ که به سیستم وابسته می باشند، به دلیل ارتعاشات ناشی از فرکانس طبیعی و شکل مودها با توجه به وابسته هایی مانند جرم و ضریب استحکام و استهلاک دیگر اجزایی غیر از اجزای داخلی خود پمپ، با حضور این اجزاء انجام می شود. بنابراین استاندارد API610 این الزام را به وجود می آورد که تمامی سلسله قطعات در خلال آنالیز پیچشی به جز آنالیز پیچشی کوپلینگ هیدرولیکی نرم مورد آزمایش قرار گیرند. اگرچه مشکلات ارتعاشاتی پیچشی در پمپ ها معمول نمی باشد اما مجموعه پمپ و درایور، دارای پتانسیل مشکلات ارتعاشاتی می باشند. این موضوع می تواند به وسیله محاسبه اولین سرعت های بحرانی پیچشی و پاسخ ارتعاشات اجباری سیستم با توجه به تحریکات موتور، کنترل شود.

به طور کلی، محاسبه دو مود اولیه پیچشی سیستم پمپ برای پوشش محدوده فرکانس نیروهای مورد پیش بینی، کافی می باشد. برای این منظور لازم است که مجموعه پمپ در غالب سه جرم مونتاژ شده(به صورت انعطاف پذیر) مدل شوند: قسمت اول روتور پمپ، قسمت دوم نافی کوپلینگ و قسمت سوم روتور درایور می باشد.

معمولا جهت محاسبه فرکانس های پیچشی و به طور کلی محاسبات پیچشی، به دلیل پیچیدگی های بسیار این موضوع در محاسبات دستی، از روش هایی مثل آنالیز المان محدود استفاده می کنیم.

 مطالب مرتبط

روش های تحلیلی اندازه گیری صدای پمپ

کاربرد عملی استاندارد ایزو ۱۹۴۰ - بالانس دینامیکی روتور پمپ های سانتریفیوژ

نیروهای شعاعی و محوری در پمپ های سانتریفیوژ

تراست محوری در پمپ های سانتریفیوژ

 

نوشته شده توسط رسول پایدار نوبخت در ساعت 13:30 | لینک  |