LOVAS ÁDÁM SZAKDOLGOZAT

Átírás

1 LOVAS ÁDÁM SZAKDOLGOZAT

2 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR HIDRODINAMIKAI RENDSZEREK TANSZÉK SZAKDOLGOZATOK

3 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR HIDRODINAMIKAI RENDSZEREK TANSZÉK LOVAS ÁDÁM SZAKDOLGOZAT Rezgésfelügyelet zárt üzemben működő szivattyú-csővezeték rendszeren Konzulens: Dr. Hegedűs Ferenc beosztása Budapest, 2015

4 Szerzői jog Lovas Ádám, ZÁRADÉK Ez a szakdolgozat/diplomaterv elzártan kezelendő és őrzendő, a hozzáférése a vonatkozó szabályok szerint korlátozott, a dolgozat tartalmát csak az arra feljogosított személyek ismerhetik. A korlátozott hozzáférés időtartamának lejártáig az arra feljogosítottakon kívül csak a korlátozást kérelmező személy vagy gazdálkodó szervezet írásos engedélyéjével rendelkező személy nyerhet betekintést a dolgozat tartalmába. A hozzáférés korlátozása és a zárt kezelés év 12. hónap 11. napján ér véget.

5 Ide kell befűzni az eredeti feladatkiírási lapot!

6

7 NYILATKOZATOK Elfogadási nyilatkozat Ezen szakdolgozat a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kara által a Diplomatervezési és Szakdolgozat feladatokra előírt valamennyi tartalmi és formai követelménynek, továbbá a feladatkiírásban előírtaknak maradéktalanul eleget tesz. E szakdolgozatot a nyilvános bírálatra és nyilvános előadásra alkalmasnak tartom. A beadás időpontja: témavezető Nyilatkozat az önálló munkáról Alulírott, Lovas Ádám (JQICAI), a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és sajátkezű aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és dolgozatomban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a hatályos előírásoknak megfelelően, a forrás megadásával megjelöltem. Budapest, Lovas Ádám vii

8 TARTALOMJEGYZÉK Előszó... x Jelölések jegyzéke... xi 1. Bevezetés Célkitűzések Áttekintés Szakirodalmi áttekintés A centrifugál szivattyú A szivattyúk jelleggörbéi Szivattyúk szerepvállalása A rezgésdiagnosztika Rezgésmérés alapjai mozgásjellemzők vizsgálata A Fourier-sorba fejtés és a Fourier-transzformáció A Rezgés analízis Rezgéstani alapfogalmak A periodikus rezgések A forgógépeket leíró rezgésjellemzők FFT Rezgésforrások Hidraulikus gerjesztések Lapát vagy járókerék áthaladási frekvenciája Turbulenciák Kavitáció Mechanikus gerjesztések Forgórész kiegyensúlyozatlansága Nem megfelelő kenés Illesztési pontatlanságok Csapágy hibák Mérés Leírása Mérőállomás felépítése Mérési módszerek áttekintése A térfogatáram Szállítómagasság Bevezetett teljesítmény viii

9 Hasznos teljesítmény Hatásfok Mérési pontok felvétele Nyomásjelek spektrumainak meghatározása Rezgésmérés a csapágyházon és a szivattyúházon Vizsgálati eredmények Szállítómagasság Hatásfok Spektrumanalízis RPM RPM RPM Összefoglalás/Eredmények értékelése Eredmények Javaslatok/Következtetések/Tanulságok Felhasznált források Summary Mellékletek ix

10 ELŐSZÓ A rezgésdiagnosztika gyakorlati jelentősége vitathatatlan a gépészetben. Ez a fajta vizsgálati módszer rendkívül összetett folyamat, ami többféle mérnöki tudományterület együttes tudását követeli meg. Ez az átfogó képet kívánó mérnöki kihívás miatt választottam ezt a szakdolgozat témát. A szakdolgozat, mind elméleti mind gyakorlati síkon betekintést ad rezgésanalízis felépítésbe. Továbbá részletesen ismerteti a forgógépek, azon belül is az áramlástechnikai gépekhez tartozó centrifugál szivattyút és legfontosabb jellemzőit. A célomnak azt tűztem ki, hogy ezt az összetett folyamatot a lehető leglogikusabban és értelmezhetően tárgyaljam, a szakdolgozati követelményeknek minden szinten megfelelve. * * * Köszönettel tartozok témavezetőmnek Dr. Hegedűs Ferencnek, aki a szakdolgozat készítés közben tanácsaival és a felmerülő kérdések orvoslásával hozzájárult annak elkészítéséhez. Hálával tartozom továbbá Hajgató Gergely tanár úrnak önzetlen segítéségét a rezgésvizsgálat kibővítésében. Budapest, Lovas Ádám x

11 JELÖLÉSEK JEGYZÉKE A táblázatban a többször előforduló jelölések elnevezése, valamint a fizikai mennyiségek esetén annak mértékegysége található. Az egyes mennyiségek jelölése ahol lehetséges megegyezik hazai és a nemzetközi szakirodalomban elfogadott jelölésekkel. A ritkán alkalmazott jelölések magyarázata első előfordulási helyüknél található. Latin betűk Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység c közeg sebessége m/s d átmérő m fa forgási frekvencia 1/s fl lapát áthaladási frekvencia 1/s ft turbulens frekvencia 1/s g gravitációs gyorsulás m/s 2 h manométer kitérése m H szállítómagasság m k mérlegkar hossza m m ellensúly tömege kg m0 üresjárási kiegyensúlyozás tömege kg Mt tengelyteljesítmény N m n fordulatszám 1/s p nyomás bar P teljesítmény W Q térfogatáram m 3 /s Sn Strouhal-szám 1 T periódus idő s zl lapátszám 1 Görög betűk Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység η hatásfok 1 ρ sűrűség kg/m 3 φ fázisszög rad ω szögsebesség 1/s xi

12 Indexek, kitevők Jelölés Megnevezés, értelmezés A bev D h Hg i K opt amplitúdó bevezetett vizsgált térrész kiterjedése hasznos Higany általános futóindex (egész szám) arányossági tényező legkedvezőbb (optimális) érték xii

13 1. BEVEZETÉS 1.1. Célkitűzések Modern világunk fenntarthatóságának alappillérei a forgógépek, a legjelentősebbek között megtalálhatjuk a szivattyúkat. Ezen gépcsoport egyik, hanem a legjelentősebb vizsgálati eljárása a rezgésdiagnosztika. A szakdolgozom egyik célja ezen fundamentális gépek működésének ismertetése kiemelve azok hatalmas szerepvállalását az iparban. Továbbá a rezgés diagnosztika eljárásának bemutatása annak alapvető elemeivel Áttekintés A szakdolgozat két részre bontható. Elsőként tárgyalva lesz, a centrifugál szivattyú felépítése, jellemzői és jelentősége az ipari felhasználásban. Amellett, hogy miért kiemelt fontosságú a rezgésvizsgálat ezeken a berendezéseken. A második részben a tanszék laborjában található szivattyú-nyomóvezeték rendszer mérése és rezgésvizsgálata közben adatok feldolgozása kerül előtérbe. 1

14 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS 2.1. A centrifugál szivattyú A mérés középpontjában helyet foglaló centrifugál szivattyú, a világon a legnépszerűbb szivattyú típus [1]. Annak céljából, hogy átlássuk a kapott mérési eredményeket a diagnosztika során, a szivattyú kialakításának és működésének ismertetése kulcsfontosságú. Ezen áramlástechnikai gép konstrukciója hosszú múlttal rendelkezik. Feltalálása 1689-ra tehető, ami Denis Papin, francia fizikus és matematikus nevéhez fűződik. A működési elve egyszerű alapokon nyugszik. A szállított közeg, ami a gyakorlati életben legtöbbször víz, a szivattyú szívócsonkján lép be a házba, ahol annak fő alkatrésze a járókerék a lapátjai által centrifugális erőt kifejtve gyorsítja fel azt [2]. Ennek hatása növekszik a közeg sebessége és ezzel arányosan a kinetikus energiája. Ez a kinetikus energia alakul át a szivattyúház kialakításának köszönhetően nyomási energiává [3]. A 2.1.-es ábrán látható egy centrifugál szivattyú metszete. Az ábra alapján könnyebben érzékelhető a berendezés felépítése, működése és a gépalkatrészek elhelyezkedése egymáshoz képest. A mérések hasonló kialakítású szivattyún történtek ábra: Centrifugál szivattyú metszete [4] 2

15 A szerkezeti kialakítása az ilyen típusú szivattyúknak relatíve olcsó, erős, megbízható és egyszerű. A centrifugál szivattyúkon belül három különböző kategóriát különböztethetünk meg. Ezek a kategóriák a járókerék kialakításának függvényében vannak elválasztva. Ezen kategóriák név szerint a radiális, félaxiális és axiális átfolyású centrifugál szivattyúk (2.2. ábra). A leggyakrabban a radiális és a félaxiális kialakítást használják a gyakorlatban. A mérés során használt szivattyú az előbbi kategóriába sorolható ábra: A különböző járókerék típusok [5] A SZIVATTYÚK JELLEGGÖRBÉI A szivattyúk tulajdonságait megjelenítő függvények a szivattyú jelleggörbéi. Ezek a görbék kitüntetett szerepet töltenek be. Általuk kapunk képet a szivattyú meghatározó paramétereiről [5]. Ezen jelleggörbék a következők: - A H(Q) görbe a szállítómagasságot adja meg a térfogatáram függvényében. A görbe meredekségét a szivattyú szerkezeti kialakítása határozza meg. A szivattyú képessége, hogy mekkora térfogatáramot tud biztosítani, csak a berendezés szállítómagassága és a csővezeték áramlástani ellenállása határozza meg. A szivattyú kizárólag csak a saját jelleggörbéjén képes üzemelni. - A Pbe(Q) teljesítményfelvételt mutatja meg, azaz, hogy mekkora tengelyteljesítményt kell a tengelyen át közölni a szivattyúval. A hajtómotor meghatározásában van kitüntetett szerepe. - A η(q) a hatásfok változását írja le a térfogatáram függvényében. - NPSH(Q), görbe megmutatja a szivattyú szívó magasságát. Az NPSH egy rövidítés, kifejtve a nettó pozitív szállító magasság ot adja meg. Ez azt az értéket jelöli ahol a szivattyú még kavitáció nélkül üzemel. A független paraméter szintén a térfogatáram. 3

16 2.3. ábra: A centrifugál szivattyú jelleggörbéi [5] A jelleggörbék jellegét egy tipikus centrifugál szivattyú esetében a 2.3. ábra foglalja össze Szivattyúk szerepvállalása A folyadékok szállítása központi jelentőséggel bír nemcsak az iparban, de a háztartásokban egyaránt. Ezen feladatok nélkülözhetetlen kelléke a szivattyú, amit méltán hívhatunk a folyamat szívének. Az Egyesült Államok Energetikai Hivatal által finanszírozott átfogó piackutatás adatai alapján a szivattyúk az ipari energiafogyasztás 25% át teszik ki a villanymotoros hajtású rendszerek között [6]. Egy európai piackutatás szerint, ez a tendencia az európai felhasználásban sem tér el jelentősen, ahol a szivattyúk az energiafogyasztás 22% át képezik az ilyen hajtások között [7]. A ábra szemlélteti az európai piacon kialakult áramlástechnikai jellegű gépegységek energiafogyasztásának eloszlását. 4

17 Egyéb motorok 35% Szivattyúk 22% Ventilátorok 16% Hűtő kompresszorok 7% Szállítóberendezések 2% Légkompresszorok 18% Ábra: Az ipari energiafogyasztás eloszlása Európában a különböző berendezésekre bontva [7] Az Egyesült Államokban végzet tanulmány során még azt is megfigyelhetjük, hogy a motoros hajtások között a szivattyúk jelenléte különböző iparágakban hogyan alakul. Az olajiparban egyeduralkodónak mondható a maga 59 %-ával [6]. A többi meghatározó iparágban való eloszlást a ábra szemlélteti. 70% 60% 59% 50% 40% 30% 26% 31% 20% 16% 19% 10% 9% 0% Vegyipar Papír ipar Fémipar Olajipar Élelmiszeripar Egyéb Ábra: A szivattyúk eloszlása különböző iparágakban a motorikus hajtások energiafelhasználása szerint az Egyesült Államokban. [6] 5

18 2.3. A rezgésdiagnosztika A rezgésdiagnosztika [8] mára a forgógépek meghatározó vizsgálati eszközévé vált. A rezgések vizsgálata jelentős információkkal látják el a mérnököket. Általa megbízhatóbb, nagyobb élettartamú, hatékonyabb gépek jöhetnek létre. Ezen terület elméleti alapjait századokkal ezelőtt ismertek voltak, mégis az iparban való alkalmazásának kezdeti dátumát 1939-as évre teszik, mikor T. C Ruhbone amerikai mérnök publikálta Vibration Tolerance [9], azaz rezgési tolerancia című munkáját. Azóta hatalmas utat tett meg ez a tudományterület mind gyakorlati és elméleti síkon. Az ipart a mára hatalmas számítási kapacitással rendelkező adatgyűjtő és adatfeldolgozó rendszerek olyan eszközzel ruházzák fel, ami a berendezések folyamatos üzeme során fellépő rezgések folyamatos ellenőrzését és mérését teszi lehetővé a gépszerkezet leállítása és szétszerelése nélkül. Ma már az online-monitoring rendszerek valós idejű diagnosztikát tesznek lehetővé, ami a gyártókat létfontosságú adatokkal látják el. A rendszer összetettségét és fejlettségét misem példázza jobban, hogy a ma piacvezető repülőgép ipari cégek valós idejű megfigyelésre képesek hajtóműveiknél azok használata közben, ami emberéleteket óv meg a végzetes meghibásodások felismerésével és még csírájában való elfojtásával Rezgésmérés alapjai A rezgések meghatározásához vizsgált rezgés jellemzőinek definiálásán van a főszerep. Ezen jellemzők: az elmozdulás, a sebesség, a gyorsulás, esetleg az elmozdulás-idő függvény magasabb deriváltja. Ritka esetekben számításba veszik az elmozdulás harmadik deriváltját, ami a gyorsulás változásának intenzitását adja meg. Ennek vizsgálata főként a járműiparban fordul elő. Például, a General Motors mérnökei mikor azt kutatták, hogy miként lehetne meghatározni és rendszerbe foglalni az utasok komfort érzetét egy autóút során. A kutatás konklúziója azt lett, hogy a gyorsulás megváltozása, azaz a hely harmadik deriváltjáé a kulcsszerep. Amit később elneveztek rántás -nak [10]. A rezgésjellemzők vizsgálatát az úgynevezett idő-, és frekvenciatartományban végzik. A két tartomány között a Fourier transzformáció teremt kapcsolatot. Az ábrázolásmód választása a feladat típusa szabja meg MOZGÁSJELLEMZŐK VIZSGÁLATA A műszaki diagnosztikában, sok esetben az idő függvényében lejátszódó folyamatokat vizsgálnak, ezeket az időfüggvények írják le. A vizsgált folyamatok jellemzésére az analóg jellemző használatos, ezek tulajdonossága a folytonosság. Definíció szerint egy folyamat vagy jel akkor analóg, ha azt kizárólag folytonos függvények írják le. Számítógépeink digitális volta miatt ezen analóg folyamatok teljes vizsgálatára nincs 6

19 lehetőség. Az adatgyűjtők diszkrét idejű és értékű pontokat rögzítenek, és ezáltal jellemzik a vizsgált bemeneti jelet A FOURIER-SORBA FEJTÉS ÉS A FOURIER-TRANSZFORMÁCIÓ A vizsgált gépek, berendezések összetett rezgésjeleket produkálnak. Ezen komplex jelek feldolgozásánál a híres francia matematikus és fizikus Jean Baptiste Joseph Fourier által felfedezett eljárás különösképpen előkelőt helyet tölt be. Fourier, már 1822-ben bebizonyította, hogy minden periodikus függvényt egyértelműen felírható szinuszos és koszinuszos függvények összegeként. Ez a Fourier-sorba fejtés. [11] Az elgondolás az volt, hogy egy periodikus jel, ugyanúgy, mint a fehér fény összetevőkre bontható, amely összege visszaadja az eredeti jelet [12]. Mivel a jelek döntő többsége nem periodikus az elméletet később kiterjesztették a nem periodikus folyamatokra és a diszkrét értékű és idejű jelekre is. Ez a kibővített sorba fejtés, ami a kidolgozója nevét viseli a Fourier-transzformáció, ami az időtartományról a frekvenciatartományba való átalakítást teszi lehetővé és viszont, a digitális jelfeldolgozás egyik alappillére. 7

20 3. A REZGÉS ANALÍZIS 3.1. Rezgéstani alapfogalmak Az MSZ ISO szabvány alapján a rezgés Mechanikai rendszer helyzetének, vagy mozgásának leírására alkalmas mennyiség változása az idő függvényében; a változás hol kisebb, hol nagyobb mértékben váltakozik, egy bizonyos átlag-, vagy referenciaértéknél. A mechanikai rezgések felosztását a szabványban tárgyal felosztás alapján figyelhetjük meg Ábra: A rezgések felosztása az MSZ ISO alapján [13] A 3.1. ábra a rezgések felosztását szemlélteti. Látható, hogy a rezgések jellegüket nézve rendkívül sokszínűek lehetnek. A továbbiakban a szakdolgozathoz legszorosabban kapcsolódó, a periodikus rezgések lesznek bemutatva A PERIODIKUS REZGÉSEK A műszaki rezgésdiagnosztikában a determinisztikus és periódusos jeleké a főszerep. Kiemelt jelentőséggel bírnak ezen belül a harmonikus rezgések. Az ebben a csoportban lévő összetett és egyszerű harmonikus jelek közül a gyakorlatban szinte kivétel nélkül az előbbi fordul elő. Harmonikusnak nevezzük azokat a rezgéseket, amelyek rezgésjellemzői az idő függvényében változnak a (3.1. képlet értelmében) y(t) = A sin (ωt + φ), (3.1) ahol A az amplitúdó, ω a körfrekvencia és φ a fázisszöget jelöli. 8

21 A 3.2 ábra alapján y(t) előállítható egy A hosszúságú ω szögsebességgel forgó vektor vetületeként. A 2π középponti szöget a vektor ω szögsebességgel T idő alatt teszi meg. Így megkapjuk a periódusidőt: T = 2π ω. (3.2) Az előbbi egyenlet reciproka adja meg a frekvenciát: f = 1 T. (3.3) Amiből megkapjuk, hogy: ω = 2π f. (3.4) Ezen mennyiségeknek meghatározó szerepe van a rezgések leírásában. Ezek a komplexebb rezgések leírásának építőkövei Ábra: Periodikus, harmonikus rezgés jellemző mennyiségei [14] 3.2. A forgógépeket leíró rezgésjellemzők Általánosan kijelenthető, hogy a műszaki életben lévő gépegységek, azon belül is a hidraulikus berendezések nem merev testek. Sokféle, különböző alkatrészből épülnek fel. Esetünkben az áramlástani jelenségek is kihatással vannak a rezgésképre. 9

22 Mindegyik alkatrész és áramlástani fluktuáció különböző rezgéseket produkál, aminek közvetlen következmény egy összetett rezgésjel Ábra: Periodikus, harmonikus rezgés jellemző mennyiségei [14] Az 3.3 ábrán látható egy összetett rezgésjel. Ez a fajta jel hat darab harmonikus tagból áll. Ezen hat tag látható térben a jellemző értékeikkel feltüntetve. Ezek az értékek a 3.1 egyenlet alapján értelmezhetőek. Ezen magyarázó ábrán az egyszerűség kedvéért a fázis szöget nem változtattam. Az amplitúdók és a frekvenciák között az alábbi összefüggés érvényesült: 6 k=1 sin((2k 1) ωt), 2k 1 (3.5) amely csak páratlan frekvencia értékeket képez. Ennek hatására egy négyszögjelhez hasonló összetett függvényt kapunk. Az időben lejátszódó folyamatok által létrehozott szinuszos rezgéseket Fourier transzformáció révén a frekvencia tartományba vihetőek át. Az így kapott időjelet amplitúdója és frekvenciája fogja jellemezni. A frekvencia tartományba megjelenített jelet a jel spektrumának nevezzük. A Fourier transzformációra azért van szükség, mert a valóságban ritka az a jelenség, hogy csak egyetlen szinuszos tulajdonságú rezgés lép fel a vizsgálat alatt lévő berendezésen. Már két fajta jelnél is érzékelhető az időtartományban való átláthatóság, kezelhetőség problémája. Ezért már a mérést követően Fourier transzformációt 10

23 alkalmaznak az időfüggvényeken, hogy frekvencia térbe transzformálják át őket. A használt formula: y(f) = F{y(t)} = y(t) e j 2 π f t dt, (3.6) ami y(t) időfüggvényből, egy F{y(t)} frekvencia függvényt állít elő. A harmonikus rezgés transzformáltja ennek következményében egy A nagyságú vonal, amely a rezgést jellemző frekvencián áll elő, ezt másképpen harmonikus rezgés összetevőnek hívják. Olyan esetben, amikor a rezgés nem periodikus, a frekvencia tartományban a rezgésösszetevők sorozata jön létre. Mind időjellel mind spektrummal definiálni tudjuk a rezgést. Számos probléma az időjelből is észrevehető, de a gyakorlatban a rezgésdiagnosztika többet használja a frekvencia spektrumot FFT A spektrum kiszámítása a kapott mintákon a DFT-nek (Discrete Fourier Transform) nevezett eljárással történik. A kapott időjeleken a Fourier transzformáció elvégzése alkalmazott formula miatt nagy számítási kapacitást és hosszas számítási időt igényel. A gyakorlatban viszont szükség van a DFT igen gyors meghatározására. Például valós idejű méréseknél az adatok mihamarabbi feldolgozásán van a hangsúly, amik után különböző kiértékelési műveleteket és algoritmusokat már el lehet végezni. Először J.W.Cooley és J.W Tukey mutatták rá 1965-ben [15], hogy a DFT kiszámítása során van lehetőség a számítási műveletek számának lényeges csökkentésére. Az ötlet az volt, hogy a kapott számsort felbontották páros és páratlan komponensekre. Azóta több ilyen módszer is napvilágot látott. Ezeket összefoglalóan gyors Fourier transzformációnak nevezzük, azaz FFT (Fast Fourier Transform). Ennek az eljárásnak létfontosságú szerepe van a rezgésanalízisben. 11

24 4. REZGÉSFORRÁSOK A berendezésben rengeteg rezgésforrás együttesen fejti ki hatását. Ezeket a forrásokat két kategóriába sorolhatjuk: hidraulikus gerjesztések és mechanikai gerjesztések Hidraulikus gerjesztések A centrifugál szivattyúban a rezgések egy jelentős hányada a fellépő hidraulikus erőkből származik. A gerjesztések az áramlástani kölcsönhatások a forgórész és a ház között, turbulenciákból, kavitációból és hidraulikus instabilitásokból származik [16] LAPÁT VAGY JÁRÓKERÉK ÁTHALADÁSI FREKVENCIÁJA Ez a fajta gerjesztés a szivattyúk vizsgálata közben egyik, hanem a legjelentősebb szerepet tölti be. A lapát-áthaladási frekvencia olyan berendezésekre jellemző, amely folyékony vagy gáz halmazállapotú anyagot szállítanak. A lapát elhaladása során, periodikusan változik a szivattyúban uralkodó sebességtér a gyorsulások változása és a leválások miatt Ábra: Szivattyúban kialakult sebesség profilok eloszlása [17] A 4.1 ábrán látható az a jelenség miszerint a lapátozást elhagyó áramlás sebességprofilja összeadódik szomszédos sebességekkel. Ez felelős a nagy nyomáspulzálások, örvények és turbulens áramlások kialakulásához. Ez, ha a sarkantyú közelében jelentkezik, még jobban gerjeszti a rendszert. 12

25 Az áthaladási frekvenciát a következő képen értelmezzük, f L = z L n 60 (4.1) Ahol z L a forgólapátok száma; n a lapátok fordulatszáma min -1 -ben. A Spanyolországi Oviedo Egyetemen készült tanulmány [19] a lapát-áthaladási frekvenciákon vizsgálta a nyomáseloszlást egy centrifugál szivattyúban. Az eredményekből tisztán látszott a meghatározó szerepe a sarkantyú résznek, ami a szivattyúház és a nyomócsonk találkozásánál található (4.2 ábra) Ábra: Centrifugál szivattyú metszeti képe [18] A kísérleti eredmények kiértékelése után azt a következtetést vonták le, hogy a rés csökkentésével a járókerék és a sarkantyú között növekszik a nyomás pulzálás értéke. A King Fahd Egyetem gépészmérnöki karán, Szaud Arábiában elvégzett kutatás során szintén arra az eredményre jutottak, hogy a rés mértékének redukálásával a járókerék és a sarkantyú között növeli a nyomás fluktuációt, ami közvetlenül kihat a berendezés rezgésének viselkedésére [20]. 13

26 TURBULENCIÁK A szivattyúkban létrejövő turbulens jelenségek örvényeket és hullámokat keltenek, amik a szerkezetben szétterjedve rezgés és zajforrásként működnek. Ezek a jelenségek főként a forgórész és a ház közötti szabad térben keletkeznek, de a szívó és a nyomócsonkoknál lévő résekben is előfordulnak (4.3. ábra) Ábra: Centrifugál szivattyú metszeti képe [21] Ezek a dinamikus nyomás fluktuációk illetve pulzálások széles frekvenciasávon mozognak. Az előfordulási frekvenciát meghatározza a közeg sebessége és a szivattyú geometriája. Mivel széles frekvenciatartományon fordulhat elő a turbulencia gerjesztő hatása, ezáltal sokkal nagyobb az esélye, hogy a többi rezgést felerősíti. Ez kihathat a csövekre, lapátozásra, tengelyre és egyéb kimagaslóan fontos alkatrészekre [21]. Az örvények által létrehozott széles tartományú turbulens energia egy frekvencia körül ingadozik, ennek a középpontban lévő frekvencia meghatározására az alábbi formula használatos: f t = S n c D, (2.2) ahol, f t a turbulens frekvenciát jelöli [Hz], S n a Strouhal-számot [-], c a közeg sebességét végül pedig D a vizsgált térrész kiterjedése. 14

27 KAVITÁCIÓ A szivattyúban és annak csővezetékében számos helyen felléphet a kavitációnak nevezett jelenség. Kavitáció során a szállított folyadékban az abszolút nyomás a helyi telített gőznyomás alá csökken, ami leginkább nagy sebességű áramlási zónákban jelentkezik, a folyadék homogenitása megszűnik, és a határoló fal mikro repedéseiben apró gőzbuborékok jelennek meg. A gőzbuborékok, amik hirtelen összeroppannak, ha nagyobb nyomású tartományba érnek kis darabokat szakítanak ki az anyagból. Ez a jelenség több szempontból is igen káros lehet. A jelenség folyamatát és roncsoló hatását a 4.4. ábra mutatja. Látható, ahogy a buborék a nyomás hatására összeömlik és a felületen nagyon kis felületegységre hat jelentős erőhatás Ábra: A kavitációs során képződött gőzbuborék összeesése, látható a folyamatábra utolsó képén a buborék alját elhagyó sugár, ami az anyag eróziójáért felelős [22] Egyrészt, drámaian károsíthatja a járókereket és annak lapátozását (4.5. ábra), aminek kihatása lesz a csapágyazásra és a hatásfokra egyaránt. Továbbá a szivattyúházat és a csővezeték rendszert is károsítja. A rezgések, amiket generál a jelenség, nem csupán a berendezésre károsak, hanem annak környezetére is. Végül a jelenség zajforrásként is működik, ami szintén károsan hathat a környezetre és komfortérzetre egyformán. 15

28 4.5. Ábra: A kavitáció erozív hatása szivattyú járókerekén [23] Annak érdekében, hogy a szivattyúk elkerüljék a kavitáció jelenségét és biztonságosan tudjanak üzemelni, bevezették az NPSH (Nettó Pozitív Szállítómagasság) fogalmát. Ezen mérőszámot két részre lehet bontani, egyik a rendelkezésre álló pozitív nettó pozitív szállítómagasság NPSHa, ami berendezést jellemzi, illetve a szükséges pozitív szállító magasság NPSHr, ami a szállítandó térfogatáramot jellemzi. Akkor beszélhetünk kavitáció mentes üzemről, ha teljesül az alábbi egyenlőtlenség [2]: NPSH r < NPSH a 4.2. Mechanikus gerjesztések FORGÓRÉSZ KIEGYENSÚLYOZATLANSÁGA A kiegyensúlyozatlan forgórész jellemzője, ha annak forgástengelye nem tehetetlenségi főtengely. Általánosan kijelenthető, hogy a valóságos forgórészek tömegeloszlása egyenlőtlen. Ennek okai az anyag homogén szerkezettől való eltérése, a szerkezet kialakítása és annak legyártása közben jelentkező pontatlanságok, gyártási illetve tűréshiba. Ennek közvetlen következménye a kiegyensúlyozatlanság jelenségének fellépése. A forgórész kiegyensúlyozatlanságait két alapesetre lehet bontani. Az egyik a statikus a másik a dinamikus. Előbbi akkor jelentkezik, mikor a forgórész súlypontja nem esik a forgástengelyre. Utóbbi, ha forgástengely nem tehetetlenségi főtengely. Összetett kiegyensúlyozatlanságról beszélünk, ha mind a két eset fennáll. A kiegyensúlyozatlanság mind a forgórészre mind annak csapágyaira kedvezőtlenül 16

29 hat. Jelentős erőhatások léphetnek fel a fordulatszám négyzetével egyenes arányban lévő erők miatt NEM MEGFELELŐ KENÉS A szivattyú forgó gépalkatrészeinek nem elégséges kenése előkelő helyet foglal el a berendezés meghibásodási okainál. A kenés fontossága elengedhetetlen a forgógépek kifogástalan működéséhez. Ha a kenőfilm réteg megszakad az érintkező felületek között, fennáll a periodikus forgás megszakadása, tranziensé válik, és ezáltal rezgések keletkezhetnek. Továbbá az alkatrészek közötti súrlódás kritikus sérüléseket okozhat azok felületén. Az egyik kutató intézet vizsgálata alapján a szivattyúk körében ennek a fajta meghibásodása számottevő 36 % -os előfordulása van [24] ILLESZTÉSI PONTATLANSÁGOK Az illesztések nem megfelelő betartása, továbbá üzem meglazuló kötések a szivattyú üzemét veszélyeztetik. Illesztési pontatlanság lehet a tengely beállítási hibája, szöghiba vagy nem egytengelyűség. Ezen jelenségeknek nagyon gyakori az előfordulása. A túl erősen vagy túl lazán illesztett gépalkatrészek a nem megfelelő kenéshez hasonlóan a forgás periodicitására lehetnek kihatással. Ezáltal rezgések jöhetnek létre, ami ha a többi meghibásodással összetevődik, a berendezés élettartamát csökkenthetik. Egy vegyipari vállalat három éves felmérése alapján ennek a problémának az előfordulása 29 % volt [25] CSAPÁGY HIBÁK A csapágy hibák elsősorban a szennyeződések bekerülése miatt vagy a nem megfelelő kenése miatt jelentkezik. Ezen tényezők hatásaként a csapágy nem tudja megfelelően forgási feladatát ellátni, ami túlterhelődéshez vezet. Amikor a csapágy már hibás, a rezgések spektrumaiból már felismerhető annak milyensége és súlyossága. 17

30 5. MÉRÉS LEÍRÁSA 5.1. Mérőállomás felépítése A berendezés vázlatát a 4.1 ábrán láthatjuk Ábra: A mérőberendezés vázlata Az MM jelű külső gerjesztésű, egyenáramú mérlegmotor meghatja az S jelű egyfokozatú centrifugál szivattyút (4.2. ábra). Amely VT jelű víztartályból szív, majd a függőleges nyomócsőbe szállítja a közeget, amelybe beépítették az MP jelű mérőperemet. Ezt követi egy vízszintes nyomócső szakasz, majd a függőleges leszálló ágon a TZ jelű tolózáron keresztül kerül vissza a VT jelű tartályba. A munkapontot a TZ tolózár fojtásával lehet szabályozni. A nyomástávadó a szivattyúhoz, viszonylag közel helyezkedik el, annak nyomócsonkján. Ez pedig az adatgyűjtő számítógépre csatlakozik. 18

31 4.2. Ábra: A szivattyú és mérlegmotor A fordulatszámot a mérlegmotor végén található kivezetésnél mérjük Jacquet indikátorral (fordulatszámmérő műszer) ábra szemlélteti a fordulatszámmérés helyét és a mérőműszert Ábra: Fordulatszám mérés helye Jacquet indikátorral 19

32 A fordulatszám beállítását potméterrel változtatjuk Ábra: A fordulatszám szabályozó egység, a potméter és a mérés során használatos voltmérő kinagyított képe A szivattyút hajtó motor fordulatszámát egy szabályozóegység potméterével lett beállítva (4.4. ábra). A méréshez használt további részek és azok helyzetét a 4.5. ábra mutatja. 20

33 4.5. Ábra: A tolózár helyzete, adatgyűjtő számítógép és a mérőberendezés során használt manométerek bekötési helyei, a mérőperem felnagyított képével A nyomástávadó a szivattyú nyomócsonkjának környezetében van elhelyezve, ahogy a 4.6. ábra mutatja. 21

34 4.6. Ábra: A nyomástávadó és manométer bekötési pozíciója A mérés során párhuzamosan rezgésvizsgálat is történt a berendezésen. Az egyik ehhez szükséges gyorsulás mérő elhelyezése a szivattyúház belső felületére történt (4.7. ábra). Az elhelyezés lényege, hogy az érzékelő egészen közel került a lapátozáshoz. Az érzékelő az axiális irányú kitéréseket rögzítette. A másikat közvetlenül a csapágyház tetején, radiális irányban. 22

35 4.7. Ábra: A szivattyúházon elhelyezett gyorsulásmérő 5.2. Mérési módszerek áttekintése A es fejezetben tárgyalt szivattyú jelleggörbék meghatározásához a mérőberendezésre felírt egyenletekből jutunk adatokhoz. A meghatározandó jelleggörbék az alábbiak: H = f(q) η = f(q) Szállítómagasság a térfogatáram függvényében A szivattyú hatásfoka a térfogatáram függvényében A jelleggörbék felvételéhez szükséges mennyiségek a következőképpen lettek meghatározva A TÉRFOGATÁRAM A térfogatáram kell mind a három jelleggörbe felvételéhez. A meghatározása sarokmegcsapolású gyűrűkamrás mérőperemmel történik. Ez az eszköz szabványosított az MSZ ISO szabvány tartalmazza a folyadékáram mérés előírásait. A mérőperemen átáramló Q térfogatáram egyenesen aránylik az MP jelű mérőperem két megcsapolása között mérhető p mp nyomáskülönbség gyökével: Q = α d2 π 4 2 p mp = α d2 π ρ víz 4 2g(ρ Hg ρ víz ) h mp, ρ víz (4.1) Ahol d a mérőperem legszűkebb átmérője (4.7. Ábra), α az átfolyási szám és h mp a mérőperem megcsapolásai közé kötött egycsöves (M2, 4.1. ábra) higanyos manométer kitérése. Az α átfolyási szám az MSZ ISO szabványban leírtak szerint 23

36 számítható és mind a mérőperem átmérőviszonyától, mind az áramlási sebességtől függ. A Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék az eredmények gyorsabb meghatározása végett a vizsgált szivattyúra a már meghatározott paramétereket rendelkezésre bocsájtotta [26]. Ezen ismert paraméterek felhasználásával a (4.1) egyenlet az alábbi alakra egyszerűsödik: m3 /s Q [ m3 s ] = 2,2605 x 10 4 [ Hgmm ] h mp[hgmm]. (4.2) 4.7. Ábra: A mérőperem kialakítása [27] SZÁLLÍTÓMAGASSÁG Definíció szerint a szivattyú szállító magassága: H = p II p I ρg + c II 2 2 c I + h 2g II h I, (4.3) ahol az összefüggésben p a nyomás, c a közeg sebessége, h pedig a geodetikus magasságot mutatja. A 4.1. ábra értelmében az I jelű index a szívócsonkot, II jelű alsóindexek a nyomócsonkot jelöli. A p II p I nyomáskülönbség meghatározására az M1-el (4.1. ábra) jelölt egycsöves higanyos manométer szolgál. A VT tartály és a 2-vel jelölt pontba kapcsolódnak annak bekötései. Ha felírjuk a manométer egyensúlyi egyenletét, az alábbi egyenletet kapjuk (peremfeltételként megjegyezhető, hogy az impulzusvezetékben mindenütt víz van): 24

37 p 0 (z 1 + h m z 0 )ρ víz g + h m ρ Hg g = p 2 (z 1 z 2 )ρ víz g. (4.4) Az egyenlet bal oldali részének első tagja p 0 a légköri nyomást jelöli. A z 1 és z 2 a magasságokat (4.1. ábra), h m a manométer kitérését. A 2 és II pontok között a veszteséges Bernoulli egyenletet: p II = p 2 + (z 2 h s )ρ víz g + p 2. (4.5) A h s a 4.5-ös egyenletben a nyomócsonk magasságát jelöli. Az egyenletben szereplő veszteségi tag p 2 elhanyagolhatóan kis értéke miatt nullának vesszük. A VT tartály felszíni pontja és az I pont között szintén felírjuk a Bernoulli egyenletet: p I + ρ víz c I 2 2 = p 0 + z 0 ρ víz g. (4.6) A (4.5) és (4.6) egyenletből p 2 -t és p 0 -t kifejezve és azt visszaírva a (4.4) egyenletbe az alábbi egyenletet kapjuk: p II p I = h m (ρ Hg ρ víz )g h s ρ víz g + ρ víz c I 2 2. (4.7) A kapott (4.7) egyenletet visszaírva a (4.3) Bernoulli egyenletbe a h s tagot elhanyagolva, megkapjuk a számításra alkalmas összefüggést: H = h m(ρ Hg ρ víz ) ρ víz + Q2 ( d2 π 4 ) 2 1 2g. (4.8) Behelyettesítve a numerikus értékeke az alábbi egyenletet kapjuk: H[m] = 0,0126[ ] h m [mm] ,7 [ m m 3 2 m 6 ] (Q [ s ]). s 2 (4.9) A számítás közben felhasznált értékeket a 4.1. táblázat tartalmazza. 25

38 ρ víz ρ Hg d 1000 kg m kg m 3 53 mm g 9.81 m s Táblázat: Számítási konstansok BEVEZETETT TELJESÍTMÉNY A bevezetett teljesítmény az örvényszivattyú tengelyteljesítménye: P be = M t ω, (4.10) ahol M t a szivattyú tengelyének forgatásához szükséges nyomaték, ω pedig a szivattyú tengelyének szögsebessége. A tengelynyomatékot az MM jelű mérlegmotor kiegyensúlyozásával határozzuk meg. A mérlegkar serpenyőjébe helyezett súly hozza egyensúlyba a nyomaték által elforgatott lengő állórészt. A tengelynyomaték meghatározása az alábbi egyenlettel történik: M t = (m m 0 ) g k, (4.11) ahol m a serpenyőbe helyezett ellensúly, k a mérlegmotor kar hossza m 0 a motor üresjárási kiegyensúlyozásához szükséges tömeg, amit az alábbi egyenlettel határozható meg: m 0 [kg] = 0,04 0,03 ( n n 2 ) + 0,04 ( ) (4.12) HASZNOS TELJESÍTMÉNY A hasznos teljesítmény örvényszivattyúra: P h = Q ρ víz g H. (4.13) A hasznos teljesítmény meghatározása közvetlenül meghatározható a térfogatáram és szállítómagasságból meghatározható az adott pontban. 26

39 HATÁSFOK A szivattyú összhatásfoka a szivattyú hasznos és bevezetett teljesítmények hányadosa: η = P h P be (4.14) 5.3. Mérési pontok felvétele 1 A mérés során a fordulatszámot tartományban változtatjuk min min lépésközzel. A fordulatszámot a 4.4 ábrán látható potméterrel állítjuk, a voltmérőt figyelve, mivel körülbelül egy 10 osztás megfelel 100 fordulatszám értékét Jacquet indikátorral mértük. 1 min fordulatszám változással. A Adott, állandó fordulatszámon a TZ-vel (4.1. ábra) jelölt tolózárral változtatjuk a mérőperemen átáramlott térfogatot mint kontroll paraméter. Az egyre növekvő fordulatszámokkal egyre több mérési pontunk lesz, amit egyenközzel szeretnénk felvenni Q szerint a jelleggörbéken. Az egyenköz beállítására a következő összefüggést lett használva: X max = Δh 2max, (4.15) ahol a Δh 2max a mérőperemen mért maximális eltérés, amit teljesen nyitott állapottal lett meghatározva. A gyökös kifejezés az arányt jelzi a térfogatáram és a kitérés között. ΔX = X max m, (4.16) majd ezt az értéket m intervallum számmal elosztva kapjuk a kívánt lépésközt. Ezt az értéket önkényesen választjuk, a lényeg, hogy jól elkülönülő lépéseket kapjunk. X i = ΔX i, (4.17) így a lépésközt az i mérés sorszámával megszorozva megkapjuk a hozzátartozó értéket amennyit beállítva a manométeren Q szerint egyenközű skálát kapunk. Az i változó m darabszámig megy. h 2 2,i = (X i ) 2, (4.18) Összefoglalva a felosztást a 4.18 egyenlet mutatja. 27

40 5.4. Nyomásjelek spektrumainak meghatározása A szivattyú és részegységei rezgései közben létrejövő elmozdulást a nyomásmérők segítségével villamos jellé alakítjuk. Ezt a villamos jelet továbbítjuk az adatgyűjtő és feldolgozó PC-hez. A számítógép található LabVIEW program végzi a kapott minta FFT feldolgozását. Az FFT spektrum számítása során zaj fellépése elkerülhetetlen. Ezért a kapott jelet részekre bontjuk, több FFT-t számolunk ki és ezeket átlagolva kapjuk meg a számításokhoz használt átlagos spektrumot. A gyakorlatban a négy átlagolás a megszokott [22], a mérés során tizenhat darab átlagolás lett beállítva. Az átlagolással az időszakos mérési eredmények összehasonlítása is sokkal egyszerűbbé, könnyebben értelmezhetővé válik. Továbbá a véletlen hibák száma és a zajosság mértéke is csökkenthető. Az rezgésjelek feldolgozását az 5.1. ábra szemlélteti Ábra: A rezgésjelek feldolgozásának blokkdiagramja 28

41 5.5. Rezgésmérés a csapágyházon és a szivattyúházon A csapágyházon elhelyezett rezgésmérő mágneses kapcsolattal rögzítettük, ami annak tehetetlensége miatt nagyobb frekvencia tartományban (10-20 khz) elhangolja a mérést. A szivattyúházon szilikonnal történt a rögzítés, ami már megbízhatóbb spektrumot szolgáltat. A rezgésmérés a vizsgálat második felében volt kivitelezve. Az első mérés során a kiegyensúlyozással párhuzamosan történt a nyomásspektrumok meghatározása. Míg a második mérés során a nyomásspektrumok és a rezgésspektrumok felvétele történt. 29

42 6. VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK A szivattyú vizsgálata során kapott eredményeket három szempont alapján kerül kiértékelésre. Az első ilyen szempont a 2. fejezetben tárgyalt jelleggörbék, amik a szivattyút teljesítményéről ad átfogó képet. A két felvett jelleggörbe a szállítómagasság és a hatásfok. Végül az utolsó kiértékelési pont, amely a berendezés rezgésvizsgálatát öleli fel. A kiértékelés során a MATLAB nevezetű program központi szerepet játszott az adatok feldolgozásánál. A program neve a Matrix Laboratory szavak rövidítéséből áll össze, ami a software mátrix-struktúrában való gondolkodását jellemzi. Ez a fajta algoritmus a nagyméretű adatmennyiségnél és numerikus számításra nagyon jól alkalmazható. Az Excel táblázatkezelő program a mérési adatok összegyűjtésére és helyszíni ellenőrzésére szolgált. Az első mérés összesen 11 darab különböző fordulatszámon történt. A kezdeti érték 480 min 1 volt, a végső pedig 1500 min 1. Így a lépésköz 100 min 1 volt. Ezen mérés során történt a motor kiegyensúlyozása, ezáltal a teljesítmények meghatározása. Az itt mért adatok lesznek felhasználva a jelleggörbék felvételére és kiértékelésére. Mindegyik mérési pontban nyomásspektrum felvétele is megtörtént. A második mérés során, a spektrumanalízisen volt a főszerep. A berendezést felszereltük gyorsulásmérőkkel. Ezen mérés során nyomásspektrumok és rezgésspektrumok felvétele történt egyidejűleg. A kiegyensúlyozást itt elhanyagoltuk. Annak céljából, hogy az első méréssel összeegyeztethető mérési eredményeket kapjunk három olyan fordulatszámot volt beállítva, ami megközelíti annak mérési tartományát. Továbbá az ott meghatározott spektrumok ellenőrzésként szolgáltak. A fordulatszámok sorban: 530 min 1, 1000 min 1 és 1550 min 1. A spektrumok kiértékelésénél a második mérési eredmények lesznek bemutatva, mivel a nyomásjelek és együttesen rögzített mechanikai rezgésspektrumok sokkal átfogóbb képet adnak a berendezésről. A felső indexek elkerülése miatt a továbbiakban a min 1 mértékegységre RPM ként történik a hivatkozás, ami az angol szakirodalomban a fordulat per percet jelöli, azaz Revolutions Per Minute. 30

43 6.1. Szállítómagasság Az első típusú jelleggörbe a szállítómagasságot mutatja a térfogatáram függvényében. 5.1 Ábra: H(Q) jelleggörbe 480 RPM fordulatszámon Az 5.1 ábra a 480 RPM fordulatszámon mért szállítómagasság alakulását mutatja. Ezen fordulatszámon lett felvéve a legkevesebb mérési pont a mérés során használt eszközök mérési határából adódóan. Mivel a manométerrel nem lehet tized mm nagyságrendet beállítani. A maximális kitérés a manométeren 27 Hgmm volt. A jelleggörbe alakja már itt is felismerhető, viszont ahogy nő a fordulatszám azzal arányosan a mérési pontjaink száma is. Ennek oka, hogy a térfogatáram is nő, azzal együtt a mérési tartomány is. 31

44 5.2 Ábra: H(Q) jelleggörbe 900 RPM fordulatszámon Az 5.2 ábra már 900 RPM fordulatszámon történő mérést mutat. A jelleggörbe alakja már sokkal jobban kivehető. Az első fordulatszámnál mért hat darab pont ezen az üzemállapotnál már tízre nőt. 5.3 Ábra: H(Q) jelleggörbe 1500 RPM fordulatszámon Az 5.3 ábrán pedig már a maximális 1500 RPM fordulatszámnál meghatározott jelleggörbe szerepel. Itt lett meghatározva a legtöbb mérési pont is, szám szerint tizenhét darab. Az itt mért maximális manométer kitérés 280 Hgmm volt. 32

45 5.4. Ábra: H(Q) görbesereg Az 5.4 ábrán az összes elvégzett mérési pont látható. Jól látszik az egyenközű skálázás térfogatáram szerint, ami a mérés során használva lett, és ahogy növekszik a fordulatszámmal a jelleggörbe pontossága Hatásfok A hatásfokok ugyan azon a fordulatszámokon lesznek bemutatva, mint a jelleggörbéknél tárgyaltak. Így láthatjuk, hogy a jelleggörbékkel párhuzamosan hogyan alakult a gép hatásfoka. A szivattyúkhoz tartozik egy optimális üzemi pont, ahol a gép a legjobb hatásfokkal üzemel. Az adatokat a gyártó a szivattyú katalógusban rendelkezésre bocsátja. Ezen pontokat affinátis törvény segítségével kiszámolhatóak. Ennek tárgyalása a spektrumanalízisnél lesz jobban tárgyalva. 33

46 17.5 % 5.5 Ábra: η(q) jelleggörbe 480 RPM fordulatszámon Az 5.5 ábránál hasonlóan a jelleggörbéknél, a legkisebb fordulatszámon a mérési pontok kevés száma miatt a pontossága meglehetősen rossz, viszont jellegre már felismerhető a hatásfokgörbe. Ezen a fordulatszámon a legjobb hatásfok a 4. mérési ponthoz tartozó 2.57 m3 s % 5.6 Ábra: η(q) jelleggörbe 900 RPM fordulatszámon Az 5.6 ábrán már 900 RPM-hez tartozó hatásfokgörbe szerepel, ahol látszik, hogy ahogy növeljük a fordulatszámot és az azon belüli térfogatáramot a hatásfok is egyre jobb lesz egy bizonyos szintig. Ahol eléri a maximumot, azt optimális üzemállapotnak 34

47 nevezzük az adott fordulatszámhoz. Ezen a fordulatszámon ez 28.9 % a 4.5 m3 térfogatáram értéknél. s 33.1 % 5.7 Ábra: η(q) jelleggörbe 1500 RPM fordulatszámon Végül pedig a maximális fordulatszámhoz tartozó hatásfokgörbét szemlélteti az 5.7. ábra. Itt a mérési pontok jelentősebb sűrűsége miatt teljesen kivehető a görbe vonala. A maximális fordulatszámhoz tartozó optimális üzemállapot 7.68 térfogatáram értéknél következik be ahol a hatásfok 33.1 %. m 3 s 6.3. Spektrumanalízis A nyomásjelek spektrumai vizsgálata közben az áramlástani jelenségekre lehet jobban következtetni, a gép rezgéstani (laza illesztések, tengelyhiba stb.) tulajdonságainak meghatározására ez a mérési eljárás nem alkalmas. A két mérés során egy a nyomásspektrumok mérése mindig megtörtént. Viszont a második mérés során ezzel párhuzamosan rezgésmérés is történt rezgésgyorsulás érzékelők segítségével. A kiértékelés során a második mérésnél felvett spektrumképek lesznek bemutatva mivel itt a nyomásfluktuációk mellett a mechanikai eredetű rezgésekről is képet kapunk. Az első mérésnél kapott nyomásspektrum sorozat, ami sokkal több pontban lett felvéve, nagyon jó visszacsatolást ad a második mérés helyességéről és a nyomásfluktuációk pontosabb jellegéről. A spektrumok kiértékelésénél azok megjelenítése meghatározó volt. Ide tartozik a logaritmikus skála használata és a három dimenzióban történő kirajzoltatásuk. Utóbbi az áramlástechnikai gépek diagnosztikája során gyakran alkalmazott vízesés diagram. 35

48 RPM Ezen a fordulatszámon a nyomás és rezgés-spektrumok nem mutattak olyan jelentős kitéréseket, amiről közvetlenül hibát lehetne megállapítani. Ezért ezt a mérési tartományt a spektrumanalízis egyik legalapvetőbb vizsgálati lépését fogom bemutatni. Ez a lépés a fordulatszámhoz tartozó gerjesztések meghatározása. A frekvencia analízis kiindulási pontja forgógépek esetében az, hogy a legerősebb rezgés-gerjesztés általában a gép forgási frekvenciáján lép fel. Ezen a frekvencián, vagy egész számú többszörösein a legtöbb mechanikai eredetű hibát fel lehet ismerni [22]. Ezt felhasználva, meghatározhatjuk a rendszerbe bevitt legnagyobb gerjesztés frekvenciáit. Az elterjedt jelölés rendszer, ami a fordulatszám többszöröseinek skálázására szolgál kitüntetett. Mivel megkönnyíti a kapott spektrum elemzését Ábra: A lineáris és logaritmikus skála szemléltetése a spektrumképben 530 RPM fordulaton 0.8 m3 térfogatáramnál s 36

49 Esetünkben a további könnyebb értelmezhetőség és elemzés miatt logaritmikus skálát használunk. Az 5.8 ábra mutatja a jelentőségét ennek az ábrázolásmódnak. Sokkal jobban kivehetőek a kisebb csúcsok is. Az ábrából az is megállapítható, hogy a forgásból adódó frekvenciák ugyan megjelennek, de jelentősen nem különülnek el a többi amplitúdó csúcstól. Ez a spektrum az 530 RPM fordulatszámhoz tartozik, azonos belül az éppen nyitott tolózár állapotához, amikor a térfogatáram 0.8 m3 s. Táblázatba összegyűjtve az első három forgási frekvencia és a lapát áthaladási frekvencia: Frekvencia [Hz] Forgási frekvencia sorszáma 8,8 Hz alapharmonikus 17,6 Hz 1. felharmonikus (2 f a ) 26,5 Hz 2. felharmonikus (3 f a ) 61,7 Hz Lapát áthaladási frekvencia (7 f a ) Ezen frekvenciák meghatározása a következő módon történik. A fordulatszámot mivel percben van, elosztjuk 60-al, f a = n 60 = = 8.8 Hz, (6.3.1) majd ennek az értéknek vesszük az egész számú többszöröseit. Alapharmonikus 2. felharmonikus Lapát áthaladási frekvencia 5.9. Ábra: spektrumkép kinagyított képe az alapharmonikus és a felharmonikusakkal és lap áthaladási frekvenciával 37

50 Az 5.9 ábrán jól látható hogy az alapharmonikus és a második felharmonikus között nem jelentkezik az első felharmonikus. Viszont létrejön egy relatív nagy amplitúdójú csúcs, ami a második felharmonikus nagyságát is eléri. Ez a kitérés nagyon szokatlan, amit számos faktor hozhatott létre. Ez a jelenség csak alacsony fordulatszámokon jelentkezik jelentősen Ábra: 530 RPM fordulatszámoz tartozó rezgésspektrumok a szivattyúházon 0.8 m3 térfogatáramnál s A rezgésmérési eredmények kiértékelése után látszik, hogy a gyorsulásmérő nem rögzített kitérést a 8 Hz és a 25 Hz értékeknél (5.10. ábra). A kitérést tehát áramlástani fluktuáció okozta. A csapágyházon elhelyezett gyorsulásmérő szintén nem rögzített kitérést ebben a frekvencia tartományban Ábra: 530 RPM maximális térfogatáram nyomás-spektruma 38

51 Ha tovább növeljük a térfogatáramot a maximális értékig, akkor az alapharmonikus dominánsa válik a spektrumképben. Ezt a jelenséget mutatja az ábra. Itt is megjelennek az alap és a felharmonikus közötti amplitúdó kitérések továbbá az alapharmonikus alattiak is. Utóbbiakat szubharmonikusoknak, a köztes részeket pedig interharmonikusnak nevezzük. A kitérések okaiként az örvényleválásokra és a turbulenciára való következtetés ebben az esetben is valószínűnek tűnik. Alapharmonikus Ábra: 530 RPM fordulatszámoz tartozó nyomás-spektrumok vízesés diagramban ábrázolva Ha az összes spektrumot ábrázoljuk egy diagramban, akkor az úgy nevezett vízesés diagramhoz jutunk (5.12. ábra). Ez a három dimenziós diagram személetesen mutatja a spektrumok változását, egy fix fordulatszámon, ahogyan a térfogatáram növekszik. Láthatjuk, ahogy a térfogatáram eléri a harmadik mérési pontot, az alapharmonikus átveszi a legnagyobb kitérés szerepét Ábra: 530 RPM fordulatszámoz tartozó spektrumok amplitúdó intenzitásának ábrázolása 39

52 Az ábra az amplitúdó-csúcsok vándorlásának könnyebb nyomon követése miatt készült. Minél nagyobb a csúcs annál jobban a piros szín felé tolódik, a kék pedig az alacsony részeket mutatja. Jól látszik az ábrából, ahogy a harmadik amplitúdó csúcs domináns az első három térfogatáram tartományban. Utána pedig az előbb említett módon az alapharmonikus lesz a legnagyobb. Továbbá az is megállapítható, hogy szubharmonikusok megjelenése nagyobb térfogatáram esetében történik. Ezen vizsgálati pontban a rezgésanalízis alapvető vizsgálati lépésével, a forgási frekvenciák meghatározása mellett lineáris és logaritmikus skálázás fontosságát mutattam be. Az eredmények ábrázolásához használt diagramtípusok is ebben a mérési pontban lettek ismertetve. Ezek alapvetőek a rezgésanalízisben. Az eredményből látszott, hogy kisebb térfogatáramokon az alapharmonikus és annak felharmonikusa közötti amplitúdók jelentősek. Az úgynevezett lapát áthaladási frekvencia értéke is kis térfogatoknál volt viszont jelentős. Ellentétben a forgási frekvencia alatt elhelyezkedő amplitúdók, szubharmonikusok, jelenléte nagy térfogatáramoknál jelentkezett. A forgási frekvencia is nagyobb térfogatáramoknál vált dominánssá RPM Ennél a fordulatszámnál is az alapharmonikus és annak egész számú többszöröseivel és a még éppen nyitott tolózár állapotról a maximális térfogat felé haladva végezzük az analízist. Ehhez a fordulatszámhoz a következő értékek tartoznak: Frekvencia [Hz] Forgási frekvencia sorszáma 16,6 Hz alapharmonikus 33,3 Hz 1. felharmonikus (2 f a ) 50 Hz 2. felharmonikus (3 f a ) 66,6 Hz 3. felharmonikus (4 f a ) 83,33 Hz 4. felharmonikus (5 f a ) 100 Hz 5. felharmonikus (6 f a ) 116,6 Hz lapát áthaladási frekvencia (7 f a ) 40

53 5.14. Ábra: 1000 RPM-hez tartozó spektrumkép az éppen nyitott tolózár esetén, 1.8 m3 térfogatáram értéknél h Az ábráról látszik, hogy a fordulatszámhoz tartozó amplitúdó csúcsok előtt és között, az előző fordulatszámhoz hasonlóan sub és interharmonikusak vannak. Amik amplitúdója jelentős kitérést produkált. Egyik legvalószínűbb ok lehet, hogy a járókerék radiális erő hatására eltolódik a szivattyúházban. A fellépő radiális erő áramlástechnikai forgógépek esetében a térfogatárammal arányosan jelentkezik [27]. Ez a radiális erő a csigaházon belül áramló folyadék nyomáseloszlása okozza. Optimális üzemállapotnál, amit a gyártó megad, a nyomáseloszlás a palást mentén egyenletes, ezáltal jelentős erőhatás nem keletkezik. Viszont ha a terhelés csökken, illetve nő a radiális erő iránya változik. A fellépő erők irányát szemlélteti az ábra Ábra: A radiális erő irányának változása [27] Látható, hogy az optimálisnál kisebb térfogatáram hatására a járókerék a csigaház sarkantyú felöli részéhez közelít, mivel kis térfogatáramoknál a csigaházban lévő tér sokkal nagyobb ezáltal a folyadék lassabb. A Bernoulli egyenlet értelmében így a 41

54 nyomás nő és eltolja a járókereket. Nagyobb térfogatáramoknál fordított a helyzet. A tér kisebb, növekszik a sebesség ezáltal a nyomás csökken [27]. A sarkantyú és a járókerék közötti térrész csökkenése közvetlenül kihat a nyomásfluktuációk intenzitására, ahogy azt a Szaud Arábiai King Fahd egyetem kutatásából kiderült [20]. A fellépő erő nagyságára egy tapasztalati arányossági tényező használatos. Ami közvetlenül függ a térfogatáramoktól: K = 0,36 (1 ( Q 2 ) ), Q opt (5.1) ahol K az arányossági tényező, Q a vizsgált térfogatáram, Q opt pedig az optimális térfogatáram, ami katalógusban meghatározott adat egy adott fordulatszámon Ábra. A K tényező hatása H(Q) jelleggörbén ábrázolva [27] Az ábrán látszik, hogy a K értéke teljesen zárt állapotnál a legnagyobb. Tehát az optimális üzemi pontig a fellépő erő a járókerék és a sarkantyú közti részt folyamatosan szűkíti. Ez a jelenség, ami lapát áthaladási frekvenciánál volt tárgyalva, a nyomásfluktuációk előfordulását növeli. Az optimális térfogatáram meghatározásához szükség van a gyártó által megadott optimális üzemállapot paramétereire, amit 1. sz. melléklet tartalmazza. A vizsgálat során használt szivattyú optimális üzemét jellemző adatok a következők: H opt = 48 m Q opt = 250 liter min = 15 m3 h n opt = 2880 fordulat min 42

55 Az affinitási törvényeket felhasználva meghatározhatjuk a vizsgálati fordulatszámon az optimális térfogatáramot. n 1 = Q 1 (5.2) n 2 Q 2 Az 5.2 egyenlet alapján az optimális térfogatáram 1000 RPM fordulatszámon 5,2 m3 h. Ellenőrzés képen mindegyik mért pontra kiszámítottam az optimális térfogatáramot az első mérés során kapott adatokkal. Mivel ezen mérés során nagyságrenddel több mérési pont lett felvéve nagyon jó viszonyítási alapot szolgálat a második mérés eredmények helyességéhez. Az eredményeket táblázatos formában a 2. sz. melléklet tartalmazza Ábra: 1000 RPM-hez tartozó spektrumkép 5.4 m3 h térfogatáram értéknél A negyedik mérési pontban ahol a térfogatáram megközelíti az optimális térfogatáramot, már szemmel láthatóan csökkenek a nyomáspulzálások (5.17. ábra). Viszont az alap és felharmonikusa körüli amplitúdó csúcsok körül oldalsávok lépnek fel, amik az áramlás megváltozására engednek következtetni. Ezek az előző vizsgálati pont során tárgyalt örvényleválások és turbulens viselkedésnek tudhatóak be. 43

56 5.18. Ábra: 1000 RPM-hez tartozó spektrumkép 9.1 m3 h maximális térfogatáram értéknél A maximális térfogatáramhoz tartozó spektrum (5.18. ábra) ezen a fordulatszámon jól elkülönítve mutatja a forgási frekvenciákat. Viszont jól látszik a nyomás pulzálások újbóli megjelenése azok körül Ábra: 1000 RPM-hez tartozó vízesés diagram A vízesés diagram (5.19. ábra) nagyon jól összefoglalja és szemlélteti az az előbbi diagramokon elemezett csúcsokat. A pontvonal a lapát áthaladási frekvenciacsúcsok változását mutatja, ahogy csökken a kitérésük, ahogy növekszik a térfogatáram. Kisebb térfogatáramoknál megjelennek magasabb frekvenciákon is kitérések viszont ezek megjelenése is csökken, ahogy növekszik a térfogatáram. 44

57 A rezgésvizsgálat során, a csapágyházon és a szivattyúházon elhelyezett gyorsulásmérő érdekes adatsorokat rögzített Ábra: 1000 RPM-hez tartozó rezgésspektrumok, a felső a csapágyházhoz tartozik az alsó a szivattyúházhoz. Az ábrán látszik az 51 Hz értékhez tartozó kitérés, ami mind a két mérési pontnál fellép és az összes mérési pontban mutatkozik, azaz térfogatáram és irány független. Mivel az 51 Hz közel helyezkedik, el a harmadik felharmonikushoz joggal állíthatjuk, hogy a forgáshoz tartozó gerjesztésről van szó. A jelenség két feltételezésre enged következtetni. Az egyik feltételezés, hogy a hajtómotor forgási tulajdonságai ezen a fordulatszámon a megváltoznak. Ez sok tényezőtől idézheti elő. Például kiegyensúlyozatlanság vagy szöghiba. 45

58 A másik feltételezés, hogy az 51 Hz helyen az egyik, rendszert leíró sajátfrekvencia jelenik meg és ezen a frekvencián történő kismértékű, de periodikus gerjesztés hatására nagy amplitúdó csúcs jelenik meg. Végül a hálózati feszültséghez való kapcsolat is felmerült a kiértékelés során, de a szolgáltatók az 50 Hz értéket ± 20 mhz megengedett tartományon belül garantálják. A vizsgálat során a fellépő radiális erőt, amely az optimális üzemállapottól való eltérés függvényében változik. A spektrumokat vizsgálva kijelenthető, hogy az optimális térfogatáramhoz közelében csökkenek a nyomáspulzálások értékei. Az amplitúdó csúcsok vándorlását az ábra mutatja. Megfigyelhető, ahogy az alapharmonikus dominánssá válik, és ahogy növekszik a térfogatáram úgy erősödnek azok felharmonikusai. A lapát áthaladási frekvencia értéke viszont csökken a térfogatáram növekedésével. Alapharmonikus Lapát áthaladási frekvencia Ábra: 1000 RPM-hez tartozó nyomásspektrumok változása A rezgésvizsgálat közben kapott eredmények során kapott kiugró amplitúdó érték egyértelmű meghatározására további vizsgálatok szükségesek RPM A maximális fordulatszámot túllépve a berendezés hangszintje jelentősen felerősödött. Ebben a tartományban több érdekes jelenség figyelhető meg a spektrumképekben. Az analízist ebben az esetben is a forgási frekvencia és annak egész számú többszörösével továbbá a lapát áthaladási frekvenciával kezdem. 46

59 Frekvencia [Hz] Forgási frekvencia sorszáma 25,8 Hz alapharmonikus 51,6 Hz 1. felharmonikus (2 f a ) 77,5 Hz 2. felharmonikus (3 f a ) 103,3 Hz 3. felharmonikus (4 f a ) 129,2 Hz 4. felharmonikus (5 f a ) 155 Hz 5. felharmonikus (6 f a ) 180,8 Hz lapát áthaladási frekvencia (7 f a ) Ábra: 1550 RPM-hez tartozó nyomásspektrum a kis mértékben nyitott tolózár esetén, 2.8 m3 térfogatáramon h Az 5.22 ábráról kis térfogatáramnál is jól látszanak a forgásból adódó harmonikus tagok és a lapát áthaladási frekvencia. Tovább megjelenik a forgási frekvencia utáni tag. 47

60 5.23. Ábra: 1550 RPM-hez tartozó nyomásspektrum 14 m3 h maximális térfogatáramon Ha tovább növeljük a térfogatáramot a maximális térfogatáramig, a nyomásspektrum képénél már jól megfigyelhető a felharmonikusok és a lapát áthaladási frekvencia amplitúdó csúcs közelében elhelyezkedő oldalsávok, az úgynevezett modulációk (5.23. ábra). Ennek oka, hogy ha a lapátozás meghibásodik, akörül a folyadék máshogyan áramlik. Ez a megváltozott áramlástani jelleg okozza az eltérő nyomásimpulzusok megjelenését. A mi esetünkben mivel nem látszott ez a fajta spektrumkép, ez arra enged következtetni, hogy a maximális fordulatszámot már kis mértékben túllépve jelennek meg effajta eltérések a lapátozás körül Ábra: 1550 RPM-hez tartozó nyomásspektrumok vízesés diagramon 48

61 A vízesés diagramban ábrázolva a spektrumokat láthatóak hogy, a három utolsó térfogatáramnál lépnek fel a modulációk (5.24. ábra). Lapát áthaladási frekvencia Alapharmonikus Ábra: 1550 RPM-hez tartozó nyomásspektrumok intenzitásának változása Az ábrán az amplitúdó csúcsok alakulását láthatjuk 1550 RPM en. Az alapharmonikus a teljesen zárt tolózár állapottól eltekintve végig domináns. Viszont a lapát áthaladási frekvencián mért amplitúdó a teljesen nyitott állapotnál csökken. A rezgésmérés kis frekvencián nem mutatott jelentős eltérést a két mérési pontban. A nagyfrekvenciás mérés viszont érdekes jelenséget rögzített Ábra: 1550 RPM-hez tartozó nagyfrekvenciás rezgésjel a szivattyúházon oldalsó nézetben 49

62 Az ábrán látható vízesés diagramból látható, hogy ahogy a térfogatáram értéke növekszik, egyre csökken a rezgések amplitúdója a nagyobb frekvencia tartományokon. Ez a jelenség meglehetősen szokatlan. Azt várnánk, hogy maximális megengedett fordulatszám fölött, ha növeljük, a térfogatáramot a nyomásfluktuációk mellett a fellépő rezgések sokkal jobban gerjesztik a berendezést. A jelenség kiderítésre további gyorsulásmérők felhelyezése szükséges. A kiértékelés során az amplitúdó csúcsok körül kialakult oldalsávok, modulációk megjelenését lehetett megfigyelni. Ezek a megváltozott áramlástani tulajdonságokat jelzik. Ahogy nőt a térfogatáram a modulációk is jelentősebbé váltak. A rezgésvizsgálat során nagyfrekvenciás tartományban látott jelentős amplitúdó csökkenés igen szokatlan, ennek a jelenségnek a miértjére nem lehet egyértelmű választ adni. 50

63 7. ÖSSZEFOGLALÁS/EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE 7.1. Eredmények A dolgozat elkészítése során megismerkedtem a rezgésdiagnosztika alapvető lépéseivel és az ebben a mérésben helyet foglaló centrifugál szivattyúval. A méréstechnikai alapok és a kapott adathalmaz kezelésének elsajátítása kulcsszerepet játszottak a szakdolgozat sikeres elkészítésében. A gyorsulás érzékelők megfelelő irányban történő elhelyezése és rögzítése, mint meghatározó peremfeltétel a rezgésvizsgálatok körében meghatározó volt. Itt ezen érzékelőkkel és megfelelő alkalmazásukkal ismerkedhettem meg jobban. Az egyik legnagyobb kihívást a mért adatok feldolgozása jelentette, ami a MATLAB ismeretét igényelte. Ennek a programnak a szintaktikájába és felépítésébe tekintettem be részletesen. A rezgésvizsgálat mára már átfogó tudásanyagot halmozott fel ipari esettanulmányok és tanulmányok formájában. A különböző géprezgések és a szivattyú jellegéből adódóan áramlástani nyomáslengések spektrumképeivel is megismerkedtem, ami szükséges feltétele volt az általam meghatározott spektrumok értékeléséhez. Ezek, mint ahogy a tudástárból kitűnik sokszor nem egyértelműek és további vizsgálatokat igényelnek a berendezésen. Amikor a nyomásspektrumokat is bevettem a vizsgálatok körébe a helyzet még bonyolultabb lett, mivel az áramlástani jelenségek kaotikusságuk miatt még nehezebben következtethetőek ki. A rendelkezésre álló spektrumokat a legnagyobb körültekintéssel értékeltem ki, párhuzamosan mindig konzultálva témavezetőmmel a feladat komplexitása és sokszor nem egyértelműsége miatt Javaslatok/Következtetések/Tanulságok A feladat elkészítése során azt sokszor azt tapasztaltam, hogy a kapott spektrumokról nem lehet teljes bizonyossággal következtetéseket levonni. Ez egyrészt adódik a nyomás és rezgésjelek összetettségéből és a nem elégséges mérési tartományból. Javaslatom a mérést annyira kibővíteni, hogy a nyomásjeleket rögzítő érzékelő szélesebb frekvenciatartományban tudja a spektrumokat felvenni. Továbbá a rezgés gyorsulásmérőket több ponton mind radiális mind axiális irányban rögzíteni. A rögzítés, ha lehet, ne a felületre történjen, hanem megfúrva a berendezést és a furatban elhelyezve történjen. Ezzel elkerülhetőek például a tehetetlenségi tagok fellépése, továbbá így az érzékelő a szerkezettel együtt tud mozogni, ami megbízhatóbb adatokat biztosít magasabb frekvencia tartományokban is. 51

64 8. FELHASZNÁLT FORRÁSOK [1] Kernan Daniel (2012): Pumps 101: Operation,Maintance, and Monitoring Basics. fouldspumps.com. ITT Corporation [2] Farkas I, Pandula Z.: Szivattyúk kavitációs üzemének rezgésdiagnosztikai vizsgálata. Magyar Épületgépészet, LIV.évfolyam, 2005/5. szám. [3] GRUNDFOS Managemnet A/S (2004): Pump handbook. net.grundfos.com [4] pumpfundamentals.com/images/recessed_impeller2.jpg ( ) [5] GRUNDFOS Managemnet A/S: Research and technology, The Centrifugal Pump. [6] U.S. DEPARTMENT OF ENERY, United States Industrial Motor Systems Market Opportunities Assessment, Washington D.C., USA, 1998 [7] A.T DE ALMEIDA, P. FONSECA, H. FALKNER AND P. BERTOLDI: Market Transformation of Energy-Efficient Technologies in the EU. Energy Policy May [3] [8] Szerk. Dr. Dömötör Ferenc: Rezgésdiagnosztika I. kötet. Dunaújvárosi Főiskola, Főiskolai Kiadó, Dunaújváros [9] vanguardengineering.com ( ) [10] Ron Khol: The third derivate of position is jerk. Machine Design ,machinedesign.com [11] Agilent Technologies Inc: Spectrum Analysis Basics. Application Note 150. USA, [12] nukleariskepalkotas.atomki.hu ( ) [13] MAGYAR SZABVÁNY MSZ ISO [14] Szabó József Zoltán: Rezgésdiagnosztikai vizsgálatok és haditechnikai alkalmazhatóságuk kutatása. Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Bolyai János Katonai Műszaki Kar, Katonai Műszaki Doktori Iskola, Budapest, 2010 [15] Cebe László: Szinusz Könyv. 3. kötet. Szotakre könyvtár [16] Al-Braik, Adbulrahman, Hamomd, Osama, Gu, Fengshou and Ball, Andrew: Diagnosis of Impeller Fauults in a Centrifugal Pump Using Vibration Signals. University of Huddersfield [17] Fred L. Robinett, Johann F. Gülich, Thomas Kaiser: Vane Pass Vibration Source, Assessment and Correction A Practical Guide For Centrifugal Pumps. ( ) [18] ( ) [19] Jorge L. Parrondo-Gayo, José Gonzále-Pérez, Joaquín Fernández-Francos: The Effect of the Operation Point ont he Pressure Fluctuations at the Blade Passage Frequency in the Volute of a Centrifugal Pump. Universidad de Oviedo, Área de Mecánica de Fluidos, Campus de Viesques, 33204, Span

65 [20] A. Al-Qutub, A. Khalifa, Y. Khulief: Experimental Investigation of the Effect of Radial Gap and Impeller Blade Exit on Flow-Induced Vibration at the Blade-Passing Frequency in a Centrifugal Pump. King Fahd University of Petroleum & Minerals, Dhahran 31261, Saudi Arabia. Internation Journal of Rotating Machinery. Article ID [21] Ravindra Birajdar, Rajashri Patil, Kedar Khanzode: Vibration and Noise in Centrifugal Pumps Sources and Diagnosis Methods. Third International Conference on Integrity, Reliability and Failure, Porto/portugal, Ref: S1163_P0437 [22] ( ) [23] jacpump.wordpress.com/2011/04/17/solving-a-cavitation-problem ( ) [24] Wilcoxom Research: Vibration monitoring of pumps [25] Steven J. Hrivnak, P.E.: Centrifugal Pump Vibrations: The Causes. Easman Chemical Company. [26] Dr. Kullmann László, Dr. Hős Csaba, Dr. Váradi Sándor: Feladatgyüjtemény az Áramlástechinakai gépek tárgyhoz. Budapest [27] Kullmann László: Áramlástechinaki gépek előadásjegyzet. Budapest,

66 9. SUMMARY Centrifugal pumps are widely used in many of applications. As these kinds of fluid machines play a key role in a variety of operational processes; their proper maintenance is critical which success is provided by vibration monitoring. The objective of this study is to explain this certain technique along with an investigation on a centrifugal pump. The first half of the thesis describes the theoretical foundations alongside and the significance of centrifugal pumps. Alongside with the definition, basic principles and preferences of these machines are introduced. After this introductory section, the emphasis on the market share of the pump systems within the American and the European market is presented. Lastly, a basic insight about vibration analysis is also given which contains its basic elements: the Fourier transform, the significance of time and frequency domains, FFT (Fast Fourier Transform) and the aim of fault detection. The second half of the thesis contains the details of the investigation and the evaluation of the collected data. The analysis took place at the local laboratory of the Departure of Hydrodynamics where the measurement setup contained an electric motor with its regulation panel, a centrifugal pump and a closed-loop pipeline system with a water tank. During the study, the flow rate and the revolution number were changed. A valve was used in order to regulate the flow rate and the regulation panel of the electric motor for the revolution number. Data were collected to pressure spectre from a sensor close to the pressure side of the pump. Two other sensors were mounted on the bearing housing in radial direction and on the volute casting in axial direction. The collected data were then evaluated in MATLAB which program was used to create the attached illustrations and plots. 54

67 10. MELLÉKLETEK 1. sz. melléklet: A szivattyú katalógus adatai. A mérés során használt szivattyú a 25/48 pontként szerepel. 55