Разбиране на аеродинамичните сили
Определение: Какво представляват аеродинамичните сили?
Аеродинамични сили са сили, упражнявани върху въртящи се и неподвижни компоненти във вентилатори, вентилатори, компресори и турбини от движещ се въздух или газ. Тези сили възникват от диференциали в налягането, промени в импулса в протичащия газ и взаимодействия между флуид и структура. Аеродинамичните сили включват постоянни сили (тяга, радиални натоварвания) и нестационарни сили (пулсации при честота на преминаване на лопатките, предизвикани от турбулентност случайни сили), които създават вибрация, натоварване на лагери и конструкции, а в някои случаи и самовъзбуждащи се нестабилности.
Аеродинамичните сили са газовият еквивалент на хидравличните сили в помпите, но с важни разлики: ефекти на свиваемост, промени в плътността с налягане и температура и акустично свързване, което може да създаде резонанси и нестабилности, които не се срещат в несвиваеми течни системи.
Видове аеродинамични сили
1. Сили на тягата
Аксиални сили от налягането, действащо върху повърхностите на лопатките:
- Центробежни вентилатори: Разликата в налягането създава тяга към входа
- Аксиални вентилатори: Реакционна сила от ускорението на въздуха
- Турбини: Разширяването на газа създава голяма тяга върху лопатките
- Величина: Пропорционално на повишаването на налягането и дебита
- Ефект: Товари аксиални лагери, създава аксиални вибрации
2. Радиални сили
Странични сили от неравномерно разпределение на налягането:
Постоянна радиална сила
- Асиметрично налягане в корпуса/каналите
- Варира в зависимост от работната точка (дебит)
- Минимум в точката на проектиране
- Създава натоварване на лагера и 1× вибрация
Въртяща се радиална сила
- Ако работното колело/роторът има асиметрично аеродинамично натоварване
- Силата се върти заедно с ротора
- Създава 1× вибрация като дисбаланс
- Може да се свърже с механичен дисбаланс
3. Пулсации при преминаване на острието
Периодични импулси на налягане при скорост на преминаване на лопатката:
- Честота: Брой лопатки × Обороти / 60
- Причина: Всяка лопатка нарушава полето на потока, създавайки импулс на налягане
- Взаимодействие: Между въртящи се лопатки и неподвижни подпори, лопатки или корпус
- Амплитуда: Зависи от разстоянието между лопатките и статора и условията на потока
- Ефект: Основен източник на тонален шум и вибрации от вентилатор/компресор
4. Сили, предизвикани от турбулентност
- Случайни сили: От турбулентни вихри и откъсване на потока
- Широколентов спектър: Енергията е разпределена в широк честотен диапазон
- Зависим от потока: Увеличава се с числото на Рейнолдс и работата извън проектните условия
- Притеснение от умора: Случайното натоварване допринася за умората на компонентите
5. Нестабилни сили на потока
Въртяща се кабина
- Локализирано разделяне на потока, въртящо се около пръстена
- Субсинхронна честота (0,2-0,8× скорост на ротора)
- Създава силни нестабилни сили
- Често срещано при нисък дебит в компресорите
Вълна
- Колебание на потока в цялата система (напред и назад)
- Много ниска честота (0,5-10 Hz)
- Изключително високи амплитуди на силата
- Може да унищожи компресорите, ако е продължително
Вибрации от аеродинамични източници
Честота на преминаване на лопатките (BPF)
- Доминиращ аеродинамичен вибрационен компонент
- Амплитудата варира в зависимост от работната точка
- По-висока при непланирани условия
- Може да възбуди структурни резонанси
Нискочестотни пулсации
- От рециркулация, спиране или пренапрежение
- Често силна амплитуда (може да надвишава 1× вибрация)
- Показва работа далеч от проектната точка
- Изисква промени в условията на работа
Вибрации на широколентовия интернет
- От турбулентност и шум от потока
- Повишено във високоскоростни региони
- Увеличава се с дебита и интензитета на турбуленцията
- По-малко обезпокоително от тоналните компоненти, но показва качеството на потока
Свързване с механични ефекти
Аеродинамично-механично взаимодействие
- Аеродинамичните сили отклоняват ротора
- Деформацията променя хлабините, влияейки на аеродинамичните сили
- Може да създаде свързани нестабилности
- Пример: Аеродинамични сили в уплътненията, допринасящи за нестабилност на ротора
Аеродинамично затихване
- Съпротивлението на въздуха осигурява затихване на структурните вибрации
- Като цяло положителен (стабилизиращ) ефект
- Но може да бъде отрицателен (дестабилизиращ) при някои условия на потока
- Важно в динамика на ротора на турбомашини
Съображения за дизайн
Минимизиране на силата
- Оптимизирайте ъглите и разстоянието между лопатките
- Използвайте дифузори или безлопатково пространство, за да намалите пулсациите
- Дизайн за широк стабилен работен диапазон
- Вземете предвид броя на лопатките, за да избегнете акустични резонанси
Структурен дизайн
- Лагери, оразмерени за аеродинамични плюс механични товари
- Твърдост на вала, достатъчна за отклонение под въздействието на аеродинамични сили
- Собствените честоти на лопатките са отделени от източниците на възбуждане
- Корпус и конструкция, проектирани за пулсации на налягането
Оперативни стратегии
Оптимална работна точка
- Работете близо до проектната точка за минимални аеродинамични сили
- Избягвайте много нисък дебит (рециркулация, спиране)
- Избягвайте много висок поток (висока скорост, турбуленция)
- Използвайте променлива скорост, за да поддържате оптимална точка
Избягвайте нестабилности
- Стойте вдясно от линията за пренапрежение в компресорите
- Внедрете контрол против пренапрежение
- Монитор за започване на щанд
- Защита от минимален поток за вентилатори и компресори
Аеродинамичните сили са от основно значение за работата и надеждността на оборудването за движение на въздух и газ. Разбирането на това как тези сили се променят в зависимост от работните условия, разпознаването на техните вибрационни характеристики и проектирането/експлоатацията на оборудване за минимизиране на нестационарните аеродинамични сили чрез работа в близки до проектните граници осигурява надеждна и ефективна работа на вентилатори, вентилатори, компресори и турбини в промишлените условия.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 