Разбиране на аеродинамичните сили
Аеродинамични сили са силите, които движещият се въздух или газ упражнява върху въртящите се и неподвижните елементи на вентилатори, вентилатори с нагнетател, компресори и турбини. Те възникват в резултат на разликите в налягането по повърхностите на лопатките, промените в импулса на протичащия газ и непрекъснатото взаимодействие между флуида и конструкцията, по която той протича. Тези сили обхващат както стационарни компоненти — тягови и радиални натоварвания — така и нестационарни, като например пулсации при честота на преминаване на лопатките и случайните сътресения от турбуленцията. Заедно те предизвикват вибрация, натоварват лагерите и корпусите, а в някои случаи предизвикват самовъзбуждащи се нестабилности, които могат да унищожат машината.
Аеродинамичните сили са газофазният еквивалент на хидравлични сили среща се и при помпите, но с три важни разлики: газът е сгъстим, плътността му варира значително в зависимост от налягането и температурата, и той влиза в акустична връзка с машината и тръбопроводната система. Тази акустична връзка може да предизвика резонанси и нестабилности, които просто не съществуват в система с несгъстима течност, поради което проблемите с вентилаторите и компресорите често се различават значително от проблемите с помпите в този спектър.
1. Видове аеродинамични сили
1. Сили на натиск
Това са аксиални сили, предизвикани от налягането, действащо върху повърхностите на лопатките:
- Центробежни вентилатори: разликата в налягането създава тяга, насочена към входа.
- Аксиални вентилатори: Реакцията при ускоряване на въздуха създава аксиална сила.
- Турбини: разширяването на газа по повърхността на лопатките създава голяма тяга.
- Величина: приблизително пропорционално на повишението на налягането и дебита.
- Ефект: it loads the аксиален лагер and produces аксиални вибрации.
2. Радиални сили
Това са странични сили, създадени от неравномерното разпределение на налягането около ротора. Те се проявяват в две различни форми.
Постоянна радиална сила:
- Причинено от асиметрично налягане в корпуса или тръбопровода.
- Зависи от работната точка, т.е. от дебита.
- Достига минимална стойност в проектната точка.
- Създава натоварване на лагера и вибрационна компонента с честота 1×.
Въртяща се радиална сила:
- Възниква, когато работното колело или роторът понасят асиметрично аеродинамично натоварване.
- Силата се върти заедно с ротора.
- Тя създава вибрация с честота 1×, която изглежда точно като дисбаланс.
- Това може да се сумира векторно с действителния механичен дисбаланс, поради което вентилаторът може да изглежда „разбалансиран“ само защото работната му точка се е променила.
3. Пулсации при преминаването на лопатката
Това са периодични импулси на налягането, чиято честота съответства на честотата, с която лопатките преминават през дадена точка:
- Честота: брой лопатки × обороти в минута / 60 — стойност, която нашата Калкулатор за честота на преминаване на лопатката се връща директно.
- Причина: всяко лопатко нарушава полето на потока и излъчва налягателен импулс.
- Взаимодействие: това се случва между въртящите се лопатки и неподвижните опори, лопатките или изпъкналата част на корпуса.
- Амплитуда: зависи от разстоянието между лопатката и статора и от условията на потока.
- Ефект: това е основният източник на шум и вибрации във вентилаторите и компресорите.
4. Сили, предизвикани от турбулентност
- Random forces: причинени от турбулентни вихри и откъсване на потока.
- Широколентов спектър: енергията се разпространява в широк честотен диапазон, вместо да се концентрира в отделни тонове.
- Зависи от потока: they grow with Число на Рейнолдс и при работа извън проектните параметри.
- Притеснения относно умората: това неравномерно натоварване води до износване на компонентите с течение на времето.
5. Сили, свързани с нестабилно течение
Въртящ се застой:
- Област с локализирано отделяне на потока, която се върти около пръстеновидния канал.
- Appears at a субсинхронен честота, приблизително 0,2–0,8 пъти скоростта на ротора.
- Създава силни нестабилни сили.
- Често срещано при нисък дебит в компресорите.
- Колебание на потока в цялата система, при което потокът се обръща в двете посоки.
- Много ниска честота, приблизително 0,5–10 Hz.
- Изключително високи амплитуди на силата.
- Ако се остави да продължи, това може да повреди компресора.
2. Вибрации от аеродинамични източници
Честота на преминаване на острието (BPF)
- Основният компонент на аеродинамичните вибрации.
- Амплитудата му варира в зависимост от работната точка.
- Тя е по-висока при ненормални условия на работа.
- Това може да предизвика структурна или резонанс на лопатките.
Нискочестотни пулсации
- Произхождащ от рециркулация, да закъснее или да се ускори.
- Често са с голяма амплитуда — могат да надхвърлят 1× вибрацията.
- Те сочат, че работата се извършва далеч от проектната точка.
- Те изискват промяна в условията на експлоатация, а не механичен ремонт.
Широколентови вибрации
- Produced by турбуленция и шум на потока.
- Повишени в зони с висока скорост.
- Увеличава се с дебита и интензивността на турбулентността.
- По-малко тревожен от тоналните компоненти, но полезен показател за качеството на потока.
3. Взаимодействие с механични ефекти
Аеродинамично-механично взаимодействие
- Аеродинамичните сили отклоняват ротора.
- Това отклонение променя работните зазори, което от своя страна променя аеродинамичните сили.
- Тази обратна връзка може да доведе до свързана нестабилност.
- Класически пример за това са аеродинамичните сили, действащи върху уплътненията, които допринасят за нестабилност на ротора — тясно свързано с парен вихър както се наблюдава при турбините.
Аеродинамично затихване
- Съпротивлението на въздуха обикновено осигурява затихване на структурните вибрации.
- Този ефект обикновено е положителен, т.е. стабилизиращ.
- Но при определени условия на потока той може да стане отрицателен и да доведе до дестабилизация.
- Това е важен фактор при динамика на ротора на турбомашините.
4. Съображения при проектирането
Намаляване на силите
- Оптимизирайте ъглите и разстоянията между лопатките.
- Използвайте дифузори или безлопатково пространство, за да намалите пулсациите
- Проектиран за широк и стабилен работен диапазон.
- Изберете брой на лопатките, който предотвратява акустичните резонанси.
Конструктивно проектиране
- Определете размерите на лагерите, като вземете предвид аеродинамичните натоварвания в допълнение към механичните натоварвания.
- Валът трябва да бъде достатъчно твърд, за да се ограничи деформацията под въздействието на аеродинамичните сили.
- Отделете острието собствени честоти от източниците на възбуждане.
- Проектирайте корпуса и конструкцията за натоварвания от пулсации на налягането.
5. Оперативни стратегии и измервания на място
Оптимална работна точка
- Работете в близост до проектната точка, за да се постигнат най-ниски аеродинамични сили.
- Избягвайте много нисък дебит, тъй като това води до рециркулация и загуба на тяга.
- Избягвайте много силен поток, който води до повишаване на скоростта и турбулентността.
- Използвайте променлива скорост, за да поддържате оптималното ниво при промяна на потреблението — закони за сродство опишете как дебитът, напорът и мощността се променят в зависимост от скоростта.
Избягване на нестабилности
- При компресорите се придържайте към дясната страна на линията на налягане.
- Въведете система за предотвратяване на претоварване.
- Следете за признаци на загуба на тяга.
- Осигурете защита срещу минимален дебит както за вентилаторите, така и за компресорите.
На практика трудността се състои в това да се разграничи аеродинамичен проблем от механичен, тъй като и двата могат да предизвикат пикове 1× или BPF. Преносим двуканален анализатор като Балансет-1а помага да се начертае тази граница: чрез заснемане на спектъра и 1× амплитуда и фаза при няколко работни режима инженерът може да установи дали пикът следва работната скорост и остава постоянен при натоварване — което сочи към механичен дисбаланс — или се усилва и измества при промяна на потока, което сочи към аеродинамичен източник. Когато компонентът 1× се окаже истински механичен дисбаланс, същият уред фиксира вентилатора или работното колело на място, така че аеродинамичният принос може да бъде разгледан самостоятелно.
В крайна сметка аеродинамичните сили са от основно значение за работата и надеждността на всяка машина за пренос на въздух и газ. Разбирането на това как тези сили се променят в зависимост от работните условия, разпознаването на характерните им вибрационни характеристики, както и проектирането и експлоатацията на оборудването с цел да се сведе до минимум нестабилността на компонентите — главно чрез работа в близост до проектната точка — е това, което осигурява надеждна и ефективна работа на вентилаторите, нагнетателите, компресорите и турбините в цялата промишленост. Разпознаването на свързаните дефекти на вентилатора и дефекти в работното колело факта, че аеродинамичното натоварване може да ускори процеса, допълва диагностичната картина.
