Pompe centrifuge (turbopompe)
Pompa centrifugă converteşte energia mecanică în energie hidraulică.
Lichidul intră în fantele rotorului unde este accelerat, imprimându-i-se o mişcare de rotaţie şi una centrifugă. Astfel este împins spre refulare cu viteză maximă.
Fluidul intră în zona de refulare a carcasei, unde secţiunea de curgere se măreşte şi viteza lichidului scade. Aici are loc conversia energiei cinetice în energie potenţială.
Aceasta poate fi descrisă cu una din formele ecuaţiei lui Bernoulli:
p+ρgh+ ρv2/2=ct. sau Es+ Ep+ Ec= ct.
Cel mai des întâlnit neajuns al turbopompelor este cavitaţia.
Cavitaţia este fenomenul de formare a bulelor de vapori în interiorul unui lichid în mişcare. Odată cu creşterea vitezei curentului de lichid, presiunea statică în interiorul tubului de curent se micşorează şi, la un moment dat (când se atinge viteza critică), poate să scadă până aproape de zero, ceea ce provoacă apariţia unor goluri în masa lichidului. Acest lucru e datorat dilatării bulelor de vapori. Fiind antrenate în zonele cu presiune mai mare, bulele se comprimă brusc şi produc şocuri hidraulice, însoţite de un zgomot specific şi de luminescenţă.
Cavitaţia generează în mod normal o energie în bandă largă de înaltă frecvenţă, care se suprapune uneori cu armonicile frecvenţei proprii ale paletelor. În asemenea situaţii, gazele sub presiune se lichefiază. Similar, la aspiraţia unui lichid în pompă, presiunea acestuia scade. În situaţia în care presiunea scade până la presiunea de vaporizare a lichidului (chiar şi la temperaturi joase), lichidul se va vaporiza. Vaporii intră din nou în zona rotorului, unde creşte presiunea, fapt care conduce la implozia vaporilor. Implozia vaporilor are potenţialul de a afecta performanţele pompei şi de a-i deteriora componentele interne. Aceasta este cavitaţia. Fiecare implozie generează un fel de impact, care se se finalizează cu vibraţii aleatoare de înaltă frecvenţă. Pentru determinarea cavitaţiei se fac măsurători de vibraţii pe conducta de aspiraţie sau pe carcasa pompei.
Cavitaţia provoacă erodarea şi uzarea rapidă a paletelor rotorului şi, colectat în orice punct de măsurare, spectrul de vibraţii va arăta ca în figura de mai jos:
În acest spectru se observă prezenţa unui zgomot puternic (şuierat) la frecvenţe înalte în bandă largă, ceea ce indică funcţionarea pompei în regim de cavitaţie, datorită presiunii joase de aspiraţie.
Cavitaţia se observă cel mai bine cu ajutorul unui traductor de presiune şi a unui osciloscop, cu care se verifică unda complexă sau variaţiile de presiune dinamică. Forma de undă nu este sinusoidală, amplitudinea maximă apărând ca şi vârf ascuţit. Între vârfurile ascuţite apar altele de joasă amplitudine rotunjite.
În plus, la pompele centrifuge, mai pot apărea vibraţii şi în alte situaţii, de exemplu dacă rotorul cu palete îşi depăşeşte voluta cu mai mult de 4÷6% din diametrul rotorului, în funcţie de turaţia pompei, atunci se aud zgomote ca şi în cazul cavitaţiei . Oricum, spectrul FFT reliefează imediat frecvenţele proprii ale paletelor. Poate apărea o frecvenţă proprie mare a paletelor BPF şi datorită schimbării bruşte a traseului fluidului vehiculat, a unor zone de obstrucţionare a traseului de fluid sau datorită excentricităţii rotorului pompei sau ventilatorului faţă de carcasă.
Frecvenţele proprii ale paletelor sunt caracteristice pompelor şi ventilatoarelor. De obicei, aceste vibraţii nu sunt distructive, dar pot genera mult zgomot şi vibraţii care până la urmă afectează lagărele şi uzează componentele maşinii.
Frecvenţa proprie a paletelor/ supapelor (BPF) = nr. palete × RPM
Această frecvenţă este generată în special datorită excentricităţii rotor – stator. La o pompă la care distanţa dintre rotor şi stator nu este egală, se creează o vibraţie de mare amplitudine la BPF (şi armonicile sale).
Pompele centrifuge sunt generatoare de frecvenţe discrete subsincrone sau chiar supersincrone (mai mari de 1×RPM). Aceste cazuri sunt mai rare şi apar la pompele multietajate, care au componente intermediare de rigidizare. Creşterea jocurilor între elementele de rigidizare conduce la vibraţii de mare amplitudine.