Strömungsturbulenzen verstehen

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Schwingungssensor

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Definition: Was ist Strömungsturbulenz?

Strömungsturbulenzen Turbulente Strömung ist eine chaotische, unregelmäßige Flüssigkeitsbewegung, die durch zufällige Geschwindigkeitsschwankungen, Wirbel und Wirbel in Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren und Rohrleitungssystemen gekennzeichnet ist. Im Gegensatz zur laminaren Strömung, bei der sich die Flüssigkeitspartikel auf geordneten parallelen Bahnen bewegen, zeigt die turbulente Strömung eine zufällige dreidimensionale Bewegung mit kontinuierlich variierender Geschwindigkeit und variierendem Druck. In rotierenden Maschinen erzeugt Turbulenz instationäre Kräfte auf Laufräder und Schaufeln und führt zu breitbandigen Turbulenzen. Vibration, Lärm, Energieverluste und Beitrag zur Bauteilermüdung.

Während eine gewisse Turbulenz in vielen Anwendungen unvermeidlich und sogar erwünscht ist (turbulente Strömung sorgt für bessere Durchmischung und Wärmeübertragung), führt übermäßige Turbulenz aufgrund schlechter Einlassbedingungen, Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes oder Strömungsablösung zu Vibrationsproblemen, verringert die Effizienz und beschleunigt den mechanischen Verschleiß von Pumpen und Ventilatoren.

Charakteristika turbulenter Strömung

Übergang des Strömungsregimes

Strömungsübergänge von laminar zu turbulent basierend auf der Reynolds-Zahl:

• Reynolds-Zahl (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
• Dabei ist ρ die Dichte, V die Geschwindigkeit, D die charakteristische Abmessung und µ die Viskosität.
• Laminare Strömung: Re < 2300 (glatt, geordnet)
• Übergang: Re 2300-4000
• Turbulente Strömung: Re > 4000 (chaotisch, unregelmäßig)
• Industriemaschinen: Funktioniert fast immer in einem turbulenten Zustand

Turbulenzcharakteristika

• Zufällige Geschwindigkeitsschwankungen: Die Momentangeschwindigkeit variiert chaotisch um den Mittelwert.
• Wirbel und Strudel: Wirbelnde Strukturen verschiedener Größen
• Energiekaskade: Große Wirbel zerfallen in immer kleinere Wirbel.
• Mischen: Schnelle Vermischung von Impuls, Wärme und Masse
• Energieverlust: Turbulente Reibung wandelt kinetische Energie in Wärme um

Ursachen von Turbulenzen in Maschinen

Einlassstörungen

• Mangelhafte Einlassgestaltung: Scharfe Kurven, Hindernisse, unzureichende gerade Länge
• Strudel: Vorrotation der in das Laufrad/den Ventilator eintretenden Flüssigkeit
• Ungleichförmige Geschwindigkeit: Geschwindigkeitsprofil vom Idealwert verzerrt
• Wirkung: Erhöhte Turbulenzintensität, verstärkte Vibrationen, verringerte Leistung

Strömungstrennung

• Ungünstige Druckgradienten: Die Strömung löst sich von den Oberflächen
• Betrieb außerhalb der Auslegungsgrenzen: Falsche Strömungswinkel verursachen Ablösungen an den Schaufeln
• Stall: Ausgedehnte Trennung auf der Saugseite des Schaufelblatts
• Ergebnis: Sehr hohe Turbulenzintensität, chaotische Kräfte

Nachlaufregionen

• Turbulente Strömungen hinter Schaufeln, Streben oder Hindernissen
• Hohe Turbulenzintensität im Nachlauf
• Auf nachgeschaltete Komponenten wirken instabile Kräfte
• Die Wechselwirkung zwischen Schaufelblatt und Nachlaufströmung ist bei mehrstufigen Maschinen wichtig.

Hochgeschwindigkeitsregionen

• Die Turbulenzintensität nimmt im Allgemeinen mit der Geschwindigkeit zu.
• Laufradspitzenbereiche, Austrittsdüsenbereiche mit hoher Turbulenz
• Erzeugt lokal hohe Kräfte und Verschleiß

Auswirkungen auf Maschinen

Schwingungserzeugung

• Breitbandschwingung: Turbulenzen erzeugen zufällige Kräfte über einen weiten Frequenzbereich
• Spektrum: Erhöhter Geräuschpegel statt einzelner Spitzen
• Amplitude: Nimmt mit der Turbulenzintensität zu
• Frequenzbereich: Typischerweise 10-500 Hz für turbulenzinduzierte Schwingungen

Geräuschentwicklung

• Turbulenzen sind die Hauptquelle aerodynamischer Geräusche.
• Breitbandiges “rauschendes” oder “rauschendes” Geräusch
• Geräuschpegel proportional zur Geschwindigkeit^6 (sehr empfindlich gegenüber der Geschwindigkeit)
• Kann die dominierende Geräuschquelle in Hochgeschwindigkeitsventilatoren sein.

Effizienzverluste

• Turbulente Reibung dissipiert Energie
• Reduziert Druckanstieg und Durchflussmenge
• Typische Turbulenzverluste: 2-10% der Eingangsleistung
• Erhöht sich bei Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes

Bauteil Ermüdung

• Zufällig schwankende Kräfte erzeugen zyklische Spannungen
• Hochfrequentes Stresstraining
• Trägt zu Klinge und Struktur bei Ermüdung
• Besonders besorgniserregend bei hohen Geschwindigkeiten

Erosion und Verschleiß

• Turbulenzen verstärken die Erosion in abrasiven Anwendungen
• Durch Turbulenzen aufgewirbelte Partikel treffen auf Oberflächen
• Beschleunigter Verschleiß in Regionen mit hoher Turbulenz

Erkennung und Diagnose

Schwingungsspektrumindikatoren

• Erweitertes Breitband: Hohes Grundrauschen im gesamten Spektrum
• Fehlen diskreter Spitzenwerte: Im Gegensatz zu mechanischen Fehlern mit spezifischen Frequenzen
• Durchflussabhängig: Die Breitbandqualität variiert mit der Durchflussrate.
• Mindestwert bei BEP: Geringste Turbulenz am Auslegungspunkt

Akustische Analyse

• Schalldruckpegelmessungen
• Breitbandrauschen deutet auf Turbulenzen hin
• Akustisches Spektrum ähnlich dem Schwingungsspektrum
• Richtmikrofone können Turbulenzquellen lokalisieren.

Flussvisualisierung

• Numerische Strömungsmechanik (CFD) während der Konstruktion
• Strömungsdiagramme oder Rauchvisualisierung im Test
• Druckmessungen zeigen Schwankungen
• Partikelbild-Velocimetrie (PIV) in der Forschung

Minderungsstrategien

Verbesserungen am Einlassdesign

• Sorgen Sie für ausreichend lange, gerade Rohrleitung stromaufwärts (mindestens 5-10 Durchmesser).
• Scharfe Krümmungen unmittelbar vor dem Einlass vermeiden.
• Verwenden Sie Strömungsgleichrichter oder Umlenkschaufeln.
• Glockenförmige oder stromlinienförmige Einlässe reduzieren die Turbulenzerzeugung

Betriebspunktoptimierung

• Arbeiten Sie nahe am optimalen Wirkungsgradpunkt (BEP).
• Die Strömungswinkel sind auf die Schaufelwinkel abgestimmt, wodurch die Ablösung minimiert wird.
• Minimale Turbulenzerzeugung
• Variable Drehzahlregelung zur Aufrechterhaltung des optimalen Punktes

Designänderungen

• Sanfte Übergänge in Strömungskanälen (keine scharfen Ecken)
• Diffusoren zur allmählichen Verlangsamung des Durchflusses
• Wirbelunterdrücker oder Anti-Wirbel-Vorrichtungen
• Akustische Auskleidung zur Absorption von durch Turbulenzen erzeugtem Lärm

Turbulenzen vs. andere Strömungsphänomene

Turbulenz vs. Kavitation

• Turbulenz: Breitbandig, kontinuierlich, flussabhängig
• Kavitation: Impulsiv, höhere Frequenz, NPSH-abhängig
• Beide: Können koexistieren, beide erzeugen Breitbandschwingungen

Turbulenz vs. Rezirkulation

• Turbulenz: Zufällig, breitbandig, bei allen Flüssen vorhanden
• Umluft: Organisierte Instabilität, niederfrequente Pulsationen, nur bei geringem Durchfluss
• Beziehung: Rezirkulationszonen sind stark turbulent.

Strömungsturbulenzen sind eine inhärente Eigenschaft von Hochgeschwindigkeitsströmungen in rotierenden Maschinen. Obwohl sie unvermeidbar sind, lassen sich ihre Intensität und Auswirkungen durch eine geeignete Einlassgestaltung, Betrieb nahe am Auslegungspunkt und Strömungsoptimierung minimieren. Das Verständnis von Turbulenzen als Ursache breitbandiger Vibrationen und Geräusche ermöglicht die Unterscheidung von mechanischen Fehlern mit diskreten Frequenzen und führt zu geeigneten Korrekturmaßnahmen, die sich auf die Strömungsbedingungen anstatt auf mechanische Reparaturen konzentrieren.

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