Was sind aerodynamische Kräfte? Lüfter- und Turbinenlasten • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Lüftern, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was sind aerodynamische Kräfte? Lüfter- und Turbinenlasten • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Lüftern, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was sind aerodynamische Kräfte? Lüfter- und Turbinenlasten

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Aerodynamische Kräfte verstehen

Definition: Was sind aerodynamische Kräfte?

Aerodynamische Kräfte sind Kräfte, die durch bewegte Luft oder Gase auf rotierende und stationäre Komponenten in Lüftern, Gebläsen, Kompressoren und Turbinen ausgeübt werden. Diese Kräfte entstehen durch Druckunterschiede, Impulsänderungen im strömenden Gas und Fluid-Struktur-Wechselwirkungen. Aerodynamische Kräfte umfassen stationäre Kräfte (Schub, Radiallasten) und instationäre Kräfte (Pulsationen bei Blattdurchgangsfrequenz, Turbulenz-induzierte Zufallskräfte), die Vibration, Belastungen von Lagern und Strukturen und in einigen Fällen selbsterregte Instabilitäten.

Aerodynamische Kräfte sind das Äquivalent der hydraulischen Kräfte in Pumpen in der Gasphase, weisen jedoch wichtige Unterschiede auf: Kompressibilitätseffekte, Dichteschwankungen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur sowie akustische Kopplung, die Resonanzen und Instabilitäten erzeugen kann, die in inkompressiblen Flüssigkeitssystemen nicht vorhanden sind.

Arten aerodynamischer Kräfte

1. Schubkräfte

Axialkräfte durch Druck, die auf die Schaufeloberflächen wirken:

  • Radialventilatoren: Druckdifferenz erzeugt Schub in Richtung Einlass
  • Axiallüfter: Reaktionskraft durch Luftbeschleunigung
  • Turbinen: Die Gasausdehnung erzeugt einen großen Schub auf die Rotorblätter
  • Größe: Proportional zu Druckanstieg und Durchflussrate
  • Wirkung: Lasten Axiallager, erstellt axiale Schwingung

2. Radiale Kräfte

Seitliche Kräfte durch ungleichmäßige Druckverteilung:

Konstante Radialkraft

  • Asymmetrischer Druck im Gehäuse/Kanalsystem
  • Variiert mit dem Betriebspunkt (Durchflussrate)
  • Minimum am Auslegungspunkt
  • Erzeugt Lagerbelastung und 1× Vibration

Rotierende Radialkraft

  • Wenn das Laufrad/der Rotor eine asymmetrische aerodynamische Belastung aufweist
  • Kraft dreht sich mit Rotor
  • Erzeugt 1× Vibration wie Unwucht
  • Kann mit mechanischer Unwucht gekoppelt werden

3. Pulsationen beim Klingendurchgang

Periodische Druckimpulse bei Schaufeldurchgangsgeschwindigkeit:

  • Frequenz: Anzahl der Klingen × U/min / 60
  • Ursache: Jede Schaufel stört das Strömungsfeld und erzeugt einen Druckimpuls
  • Interaktion: Zwischen rotierenden Schaufeln und stationären Streben, Leitschaufeln oder Gehäuse
  • Amplitude: Hängt vom Abstand zwischen Schaufel und Stator und den Strömungsbedingungen ab
  • Wirkung: Primäre Quelle für Lüfter-/Kompressorgeräusche und Vibrationen

4. Turbulenzbedingte Kräfte

  • Zufällige Kräfte: Von turbulenten Wirbeln und Strömungsablösungen
  • Breitbandspektrum: Energie über einen breiten Frequenzbereich verteilt
  • Durchflussabhängig: Steigt mit der Reynoldszahl und Off-Design-Betrieb
  • Müdigkeitsbedenken: Zufällige Belastung trägt zur Bauteilermüdung bei

5. Instabile Strömungskräfte

Drehbarer Stall

  • Lokale Strömungsablösung bei Rotation um den Ringraum
  • Untersynchrone Frequenz (0,2–0,8 × Rotordrehzahl)
  • Erzeugt starke instationäre Kräfte
  • Häufig bei niedrigem Durchfluss in Kompressoren

Anstieg

  • Systemweite Durchflussoszillation (Vorwärts- und Rückwärtsfluss)
  • Sehr niedrige Frequenz (0,5–10 Hz)
  • Extrem hohe Kraftamplituden
  • Kann Kompressoren zerstören, wenn es anhält

Vibrationen aus aerodynamischen Quellen

Blattdurchgangsfrequenz (BPF)

  • Dominante aerodynamische Schwingungskomponente
  • Die Amplitude variiert mit dem Betriebspunkt
  • Höher bei Off-Design-Bedingungen
  • Kann strukturelle Resonanzen anregen

Niederfrequente Pulsationen

  • Durch Rückführung, Strömungsabriss oder Druckanstieg
  • Oftmals starke Amplitude (kann das 1-Fache der Vibration überschreiten)
  • Zeigt einen Betrieb weit vom Auslegungspunkt an
  • Erfordert Änderungen der Betriebsbedingungen

Breitbandvibration

  • Von Turbulenzen und Strömungsgeräuschen
  • Erhöht in Hochgeschwindigkeitsregionen
  • Steigt mit der Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenzintensität
  • Weniger besorgniserregend als tonale Komponenten, zeigt aber die Flussqualität an

Kopplung mit mechanischen Effekten

Aerodynamisch-mechanische Interaktion

  • Aerodynamische Kräfte lenken den Rotor ab
  • Durch die Ablenkung verändern sich die Abstände und beeinflussen die aerodynamischen Kräfte
  • Kann gekoppelte Instabilitäten erzeugen
  • Beispiel: Aerodynamische Kräfte in Dichtungen tragen zur Rotorinstabilität bei

Aerodynamische Dämpfung

  • Der Luftwiderstand dämpft die Strukturschwingungen
  • Generell positive (stabilisierende) Wirkung
  • Kann aber unter bestimmten Strömungsbedingungen negativ (destabilisierend) sein
  • Wichtig in Rotordynamik von Turbomaschinen

Designüberlegungen

Kraftminimierung

  • Optimieren Sie Blattwinkel und -abstand
  • Verwenden Sie Diffusoren oder schaufellose Räume, um Pulsationen zu reduzieren
  • Design für einen breiten, stabilen Betriebsbereich
  • Berücksichtigen Sie die Anzahl der Rotorblätter, um akustische Resonanzen zu vermeiden

Strukturelles Design

  • Lager sind für aerodynamische und mechanische Belastungen ausgelegt
  • Wellensteifigkeit ausreichend für die Durchbiegung unter aerodynamischen Kräften
  • Trennung der Schaufeleigenfrequenzen von den Anregungsquellen
  • Gehäuse und Aufbau für Druckpulsationsbelastungen ausgelegt

Betriebsstrategien

Optimaler Betriebspunkt

  • Betrieb nahe dem Auslegungspunkt für minimale aerodynamische Kräfte
  • Vermeiden Sie sehr geringen Durchfluss (Rezirkulation, Strömungsabriss).
  • Vermeiden Sie sehr hohe Strömungen (hohe Geschwindigkeit, Turbulenzen)
  • Verwenden Sie eine variable Geschwindigkeit, um den optimalen Punkt beizubehalten

Instabilitäten vermeiden

  • Bleiben Sie rechts von der Pumpgrenze in Kompressoren
  • Implementieren Sie eine Anti-Surge-Steuerung
  • Monitor für den Beginn des Strömungsabrisses
  • Mindestdurchflussschutz für Lüfter und Kompressoren

Aerodynamische Kräfte sind für den Betrieb und die Zuverlässigkeit von Luft- und Gasförderanlagen von grundlegender Bedeutung. Das Verständnis der Veränderung dieser Kräfte je nach Betriebsbedingungen, das Erkennen ihrer Schwingungssignaturen und die Konstruktion/Betrieb von Anlagen zur Minimierung instationärer aerodynamischer Kräfte durch Betrieb nahe dem Auslegungspunkt gewährleisten eine zuverlässige und effiziente Leistung von Lüftern, Gebläsen, Kompressoren und Turbinen im Industriebetrieb.

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