Разбиране на резонанса на острието

Устройства

Преносим балансьор и виброанализатор Balanset-1A

$2,358.31

Части

Сензор за вибрации

$107.47

Части

Оптичен сензор (лазерен тахометър)

$148.07

Устройства

Balanset-4

$8,123.32

Части

Магнитна стойка с размер 60 kgf

$54.93

Части

Рефлективна лента

$11.94

Устройства

Динамичен балансьор "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Определение: Какво е резонанс на острието?

Резонанс на острието е резонанс състояние, при което отделни лопатки или перки във вентилатори, компресори, турбини или помпи вибрират в една от своите положения естествени честоти в отговор на възбуждане от аеродинамични сили, механични вибрации или електромагнитни ефекти. Когато честотата на възбуждане съвпада със собствената честота на лопатката, тя претърпява драстично усилено трептене, създавайки високи променливи напрежения, които могат да доведат до високоциклични умора пукнатини и евентуална повреда на острието.

Резонансът на лопатките е особено опасен, тъй като вибрациите на отделните лопатки може да не бъдат открити чрез стандартни измервания на вибрациите на корпуса на лагерите, но самата лопатка е подложена на разрушителни нива на напрежение. Това е критично съображение при проектирането на турбомашини и може да възникне при промишлени вентилатори, ако условията на работа се променят от проектните.

Естествени честоти на острието

Основни режими

Всяко острие има няколко режима на вибрация:

Първи режим на огъване

• Просто конзолно огъване (изместване на върха на острието)
• Най-ниска естествена честота
• Най-лесно се вълнува
• Типичен диапазон: 100-2000 Hz в зависимост от размера и твърдостта на лопатката

Втори режим на огъване

• S-образно огъване с възлова точка
• По-висока честота (обикновено 3-5× първи режим)
• По-рядко вълнение, но е възможно

Торсионен режим

• Острието се върти около оста си
• Честотата зависи от геометрията на лопатката и монтажа ѝ
• Може да бъде възбуден от нестационарни аеродинамични сили

Фактори, влияещи върху естествената честота на острието

• Дължина на острието: По-дългите лопатки имат по-ниски честоти
• Дебелина: По-дебели остриета, по-твърди, по-високи честоти
• Материал: Твърдостта и плътността влияят на честотата
• Монтаж: Твърдостта на закрепването влияе върху граничните условия
• Центробежно укрепване: При високи скорости центробежните сили увеличават видимата твърдост

Източници на възбуждане

Аеродинамично възбуждане

Смущения нагоре по течението

• Подпорни подпори или направляващи лопатки нагоре по течението, създаващи следа
• Брой смущения × скорост на ротора = честота на възбуждане
• Ако съвпада с честотата на лопатката → резонанс

Турбулентност на потока

• Нестационарен поток, създаващ случайно възбуждане
• Може да възбуди режимите на лопатките, ако енергията е с правилната честота
• Често срещани при експлоатация извън проектните условия

Акустичен резонанс

• Стоящи вълни в каналите
• Акустични пулсации на налягане, възбуждащи лопатките
• Връзка между акустичните и структурните режими

Механично възбуждане

• Ротор дисбаланс създаване на 1× вибрация, предавана на лопатките
• Несъответствие създаване на 2× възбуждане
• Дефекти на лагерите, предаващи високочестотни вибрации
• Вибрация на фундамента или корпуса, свързана с лопатките

Електромагнитно възбуждане (вентилатори с моторно задвижване)

• 2× мрежова честота от двигателя
• Честота на преминаване на полюса
• Ако тези честоти са близо до собствената честота на лопатката → е възможен резонанс

Симптоми и откриване

Вибрационни характеристики

• Високочестотен компонент: При собствена честота на лопатката (често 200-2000 Hz)
• Зависим от скоростта: Появява се само при определени работни скорости
• Може да не е тежко: При измервания на лагери (локализирана вибрация на лопатката)
• Насочване: Може да е по-силен в специфични посоки на измерване

Акустични индикатори

• Високочестотно хленчене или свистене на резонансна честота
• Тонален шум, различен от този при нормална работа
• Налично само при определени скорости или условия на потока
• Силният шум може да бъде сериозен дори при умерена вибрация

Физически доказателства

• Видимо движение на острието: Трептене или вибрация на отделните лопатки
• Пукнатини от умора: Пукнатини в основата на острието или точките на напрежение
• Фретиране: Следи от износване при закрепването на острието, показващи движение
• Счупени остриета: Краен резултат, ако резонансът не бъде коригиран

Предизвикателства при откриването

Защо е трудно да се открие резонансът на острието

• Движението на острието не е здраво свързано с корпуса на лагера
• Стандартните акселерометри на лагерите може да пропускат вибрациите на лопатките
• Локализирано на отделни остриета
• Може да изисква специализирани техники за измерване

Разширени методи за откриване

• Време на завъртане на острието: Безконтактно измерване на всеки проход на лопатката
• Тензодатчици: Монтиран на остриета за измерване на напрежението (изисква телеметрия)
• Лазерна виброметрия: Безконтактно оптично измерване на движението на лопатката
• Акустичен мониторинг: Микрофони или акселерометри на корпуса близо до лопатките

Последици от резонанса на острието

Високоциклична умора

• Променливо напрежение в основата на острието
• Милиони цикли за часове или дни
• Пукнатини от умора възникват и се разпространяват
• Може да доведе до внезапна повреда на острието без предупреждение

Освобождение на острието

• Пълно отделяне на острието от умора на материала
• Тежък дисбаланс от загуба на маса
• Опасност от снаряди (фрагменти от острие)
• Значителни вторични щети на оборудването
• Риск за безопасността на персонала

Превенция и смекчаване

Фаза на проектиране

• Анализ на диаграмата на Кембъл: Предвидете интерференция между честотите на лопатките и възбужданията
• Адекватно разделяне: Уверете се, че собствените честоти на лопатките не съвпадат с източниците на възбуждане
• Настройка на острието: Регулирайте твърдостта на лопатката, за да изместите естествените честоти
• Амортизация: Вградени амортисьорни елементи (фрикционни амортисьори, покрития)

Оперативни решения

• Промяна на скоростта: Работете със скорост, избягвайки резонанс
• Контрол на потока: Регулирайте работната точка, за да намалите възбуждането
• Избягвайте забранените скорости: Установете диапазони на скоростта, които да се избягват, ако се установи резонанс

Решения за модификация

• Укрепване на острието: Добавете материал, ребра или връзки между остриетата
• Промяна на броя на остриетата: Променя както честотата на лопатките, така и модела на възбуждане
• Демпфериращи обработки: Прилагане на ограничено затихване на слоевете към лопатките
• Премахване на източника на възбуждане: Промяна на смущенията на потока нагоре по течението

Примери от индустрията

Вентилатори с индуцирана тяга (електроцентрали)

• Големи вентилатори (с диаметър 3-6 метра) с дълги лопатки
• Собствени честоти на лопатките 50-200 Hz
• Може да съответства на честотите на преминаване на лопатките или електромагнитните честоти на двигателя
• В миналото е причинявал катастрофални повреди на остриетата

Газови турбини

• Високоскоростни компресорни и турбинни лопатки
• Честоти на лопатките 500-5000 Hz
• Необходим е сложен анализ по време на проектирането
• Мониторинг на времето на върха на лопатката в критични приложения

ОВК вентилатори

• Обикновено по-малко критично поради по-ниските скорости и напрежения
• Резонансът може да причини проблеми с шума
• Обикновено се коригира чрез промяна на скоростта или втвърдяване на острието

Резонансът на лопатките представлява специализирано вибрационно явление, изискващо разбиране както на структурната динамика, така и на взаимодействието флуид-структура. Макар и потенциално катастрофален, резонансът на лопатките може да бъде предотвратен чрез правилен конструктивен анализ, избегнат чрез експлоатационни ограничения или смекчен чрез структурни модификации, осигурявайки безопасна и надеждна работа на машините с лопатки.

---

← Обратно към основния индекс