Cause e prevenzione delle vibrazioni della pompa: il punto di vista di un produttore di getti

Perché la vibrazione della pompa merita più di una soluzione rapida

Una squadra di manutenzione ha sostituito una volta la tenuta meccanica di una pompa centrifuga da 30 kW tre volte in cinque mesi. Il rotore è stato bilanciato, il giunto allineato e la fondazione nuovamente cementata. Le letture delle vibrazioni superavano ancora i limiti della norma ISO 10816-3. La variabile trascurata era la condizione delle parti fuse a monte: il nucleo della girante si era leggermente spostato durante la fusione, lasciando una parete di passaggio più sottile delle altre. Quella piccola deviazione ha creato uno squilibrio idraulico alla frequenza di passaggio della pala, che è esattamente il tipo di problema che sopravvive al bilanciamento di routine.

La vibrazione della pompa non è un guasto isolato. È la conseguenza misurata delle forze meccaniche, idrauliche e strutturali che agiscono sulle parti interne della pompa rotante e stazionaria. La geometria della fusione e la solidità interna fanno parte di questa equazione. Aspettare che la pompa sia sul campo rende il problema costoso; risolverlo in fase di casting lo rende prevenibile.

Le principali cause delle vibrazioni della pompa

L'esperienza sul campo sia con gli OEM di pompe che con gli utenti finali dimostra che la maggior parte dei problemi legati alle vibrazioni rientrano in tre categorie: meccanici, idraulici e legati al sistema. Una singola pompa spesso presenta una combinazione di due o tre, motivo per cui l'approccio componente per componente fallisce.

Fonti meccaniche

Lo squilibrio del rotore è la fonte meccanica più comune. Può derivare da una girante parzialmente bloccata, da erosione o da una distribuzione non uniforme del materiale in una girante fusa in cui lo spostamento del nucleo ha creato sezioni spesse e sottili. Il disallineamento tra gli alberi del motore e della pompa, i cuscinetti usurati e il piede zoppo producono tutti tipici segnali di vibrazione, ma raramente iniziano senza che qualcosa li amplifichi. Se una girante fusa non è integra, anche un allineamento impeccabile non rimuoverà il picco di velocità di funzionamento 1x.

Fonti idrauliche

L'eccitazione idraulica proviene dal campo di pressione all'interno della pompa. La cavitazione, il ricircolo in aspirazione, il ricircolo a carico parziale e l'interazione del passaggio delle palette generano tutti forze fluttuanti. I passaggi del flusso dell'involucro e della girante determinano l'intensità con cui si sviluppano tali forze. Ruvidità di fusione, cambiamenti improvvisi nello spessore della parete o una lingua della voluta non correttamente miscelata possono aumentare i livelli di turbolenza e creare un campo di pressione instabile.

Origini del sistema e dell'installazione

La deformazione del tubo, la rigidità della fondazione e la risonanza amplificano qualunque forza meccanica e idraulica sia già presente. Quando la frequenza naturale del corpo della pompa, della piastra base o del sistema di tubazioni coincide con una frequenza forzante, piccoli difetti producono grandi vibrazioni. La rigidità dell'involucro è controllata dalla struttura della parete e dal modulo del materiale; un getto con pareti non uniformi può avere una rigidezza calcolata che non corrisponde alla realtà.

In che modo la qualità della fusione migliora o peggiora le vibrazioni

Molti guasti sul campo riconducibili alle fusioni hanno origine nel percorso idraulico: la girante, le superfici soggette a usura e la voluta dell'involucro. La fusione di precisione offre due vantaggi: forma quasi netta che riduce al minimo la distorsione del materiale e integrità interna ripetibile durante i cicli di produzione.

Geometria della girante e bilanciamento del rotore

I passaggi del flusso della girante vengono generalmente lasciati come fusi, ad eccezione delle aree del mozzo, del foro e dell'anello di usura. Pertanto, il processo di fusione definisce lo spessore di ciascuna pala e la forma di ciascun canale di flusso. Lo spostamento del nucleo, la porosità da ritiro e i nuclei disallineati causano squilibrio di massa e ammissione irregolare di liquidi. Una qualità elevata fusione della girante a pale con spessore di parete controllato conferisce alle macchine equilibratrici un lavoro molto più leggero e riduce lo squilibrio residuo in servizio.

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Consistenza delle pareti del corpo pompa e frequenza naturale

L'involucro è il componente fuso più grande e il principale vincolo strutturale del rotore. Se le pareti dell'involucro variano a causa del movimento del nucleo o della porosità, la rigidità e lo smorzamento cambiano localmente. Ciò può spostare una frequenza naturale nell'intervallo di velocità operativa. Precisione getti di pompe centrifughe prodotti con sezioni uniformi consentono ai progettisti di fidarsi del proprio modello agli elementi finiti ed evitare sorprese in fase di messa in servizio.

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Finitura superficiale ed eccitazione idraulica

La rugosità superficiale all'interno della pompa accelera la crescita dello strato limite e aumenta le perdite idrauliche. Ancora più importante, le superfici ruvide generano una maggiore turbolenza che raggiunge la linguetta della voluta e le pale della girante, aumentando il rumore e le vibrazioni del passaggio delle pale. La superficie della fusione a cera persa è più liscia rispetto alla tipica fusione in sabbia, quindi la pompa funziona in modo più silenzioso e il livello di eccitazione rimane più basso. Questo non è un problema estetico; è un comportamento meccanico misurabile.

Un modo pratico per diagnosticare le vibrazioni della pompa

Utilizza un percorso strutturato invece di sostituire le parti. Innanzitutto, confrontare le vibrazioni sui cuscinetti della pompa e del motore in direzione orizzontale, verticale e assiale a una velocità di funzionamento 1x e a livelli di banda larga. In secondo luogo, guarda il contenuto della frequenza: 1x di solito indica squilibrio o eccentricità; 2x indica disallineamento; per frequenza di passaggio della pala si intende un'eccitazione idraulica; contenuti casuali ad alta frequenza possono significare cavitazione. Terzo, controllare il punto di lavoro della pompa. Se funziona lontano dalla migliore efficienza, possono verificarsi forze di ricircolo anche con una macchina perfetta. In quarto luogo, verificare NPSHa rispetto a NPSHr.

Solo dopo questi controlli bisogna considerare le parti interne: ispezionare girante e corpo con misurazione dimensionale, ultrasuoni spessore parete e colorante penetrante. Molte delle cosiddette vibrazioni misteriose diventano chiare quando si scopre che una girante presenta una deviazione dello spessore della parete di 3 mm e un ammasso di porosità in un passaggio.

Cosa cercare in un fornitore di getti

Quando un problema di vibrazione della pompa ha un'origine metallurgica o geometrica, il valore di un fornitore di fusioni di precisione diventa visibile. Ciò che conta non è la brochure ma quattro capacità specifiche. Innanzitutto, la ripetibilità del processo: la capacità di riprodurre lo stesso gruppo centrale e lo stesso spessore del guscio su ogni lotto. In secondo luogo, la solidità del materiale: bassa porosità e assenza di scorie intrappolate nelle zone idrauliche. Terzo, controllo dimensionale: conformità alle tolleranze ISO 8062 CT che mantengono lo spessore della parete e l'allineamento delle porte entro una fascia ristretta. In quarto luogo, la qualità della superficie: una finitura uniforme che non richiede una molatura estesa, che può distorcere il percorso del flusso.

Il nostro impianto di fusione di precisione applica questi criteri ad ogni componente della pompa, dalle piccole giranti ai grandi corpi a voluta. Per applicazioni con mezzi abrasivi o fibrosi, ad esempio, fusioni di giranti centrifughe a spirale fornire un'alternativa resistente agli intasamenti e a basse vibrazioni quando la geometria della fusione viene mantenuta con precisione.

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Il momento migliore per discutere delle vibrazioni è prima che il disegno del componente venga congelato. Un fornitore che comprende lo squilibrio indotto dalla fusione, la sensibilità allo spessore delle pareti e i requisiti della superficie idraulica può modificare il progetto per evitare fonti nascoste di eccitazione. Questo è molto più efficace di qualsiasi sistema di monitoraggio delle vibrazioni installato successivamente.

Conclusione

Le vibrazioni delle pompe non hanno mai una sola causa, ma la qualità costruttiva dei componenti fusi è un denominatore comune che spesso viene sottovalutato. Squilibrio, turbolenza nel passaggio delle pale, risonanza e instabilità possono essere tutti ricondotti alla geometria e alla solidità dei materiali della girante e dell'involucro. La scelta di un partner di fusione che controlli lo spessore delle pareti, l'integrità interna e la finitura superficiale riduce la probabilità di un problema di vibrazioni prima della spedizione della pompa. La prossima volta che una pompa vibra oltre il suo limite, guarda il metallo, non solo la macchina.