Strömungsturbulenzen verstehen
Strömungsturbulenzen ist eine chaotische, unregelmäßige Strömungsbewegung – zufällige Geschwindigkeitsschwankungen, wirbelnde Strömungen und Wirbel – in Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren und Rohrleitungssystemen. Im Gegensatz zur gleichmäßigen laminaren Strömung, bei der sich die Strömungsteilchen auf geordneten, parallelen Bahnen bewegen, ist die turbulente Strömung wirklich dreidimensional und zufällig, wobei sich Geschwindigkeit und Druck von Moment zu Moment kontinuierlich ändern. Bei rotierenden Maschinen spielt diese Unruhe eine Rolle: Turbulenzen üben instabile Kräfte auf Laufräder und Schaufeln aus und erzeugen breitbandige Vibration sowie Rauschen, Energiedissipation und Bauteil Ermüdung. Ein gewisses Maß an Turbulenz ist unvermeidbar und oft sogar wünschenswert – sie fördert die Durchmischung und den Wärmeaustausch –, doch übermäßige Turbulenzen aufgrund schlechter Einlassbedingungen, eines Betriebs außerhalb des Nennbereichs oder von Strömungsablösungen führen zu Schwingungsproblemen, mindern den Wirkungsgrad und beschleunigen den mechanischen Verschleiß.
1. Definition: Was ist Strömungsturbulenz?
Das charakteristische Merkmal von Turbulenzen ist aus diagnostischer Sicht, dass sie Breitband. Ein mechanischer Defekt wie beispielsweise Unwucht konzentriert seine Energie auf eine bestimmte Frequenz; Turbulenzen verteilen ihre Energie über ein breites Frequenzband und heben so das gesamte Grundrauschen des Schwingungsspektrum anstatt eine scharfe Spitze zu erzeugen. Erst wenn man diesen Unterschied erkennt, kann ein Analytiker sagen: „Das ist ein Strömungsproblem, kein mechanisches“ – und die Maßnahmen auf die Betriebsbedingungen und das Kanalnetz ausrichten, statt auf Lager und Ausgleichsgewichte.
2. Merkmale der turbulenten Strömung
Übergang zwischen Strömungsregimen
Die Strömung wechselt je nach Reynolds-Zahl von laminar zu turbulent:
- 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: Unter 2300 (gleichmäßig, geordnet).
- Übergang: Von 2300 bis 4000.
- Turbulente Strömung: Über 4000 (chaotisch, unregelmäßig).
- Industriemaschinen: befindet sich fast immer eindeutig im turbulenten Bereich.
Da das Regime von dieser einzigen dimensionslosen Gruppe abhängt, reicht ein kurzer Berechnung der Reynolds-Zahl zeigt sofort an, ob es sich bei einer bestimmten Strömung für eine ausgewählte Rohrgröße und ein bestimmtes Medium um eine laminare oder eine turbulente Strömung handelt.
Turbulenzeigenschaften
- Zufällige Geschwindigkeitsschwankungen: Die Momentangeschwindigkeit schwankt chaotisch um ihren Mittelwert.
- Wirbel und Vortizes: wirbelnde Strukturen, die eine große Bandbreite an Größen abdecken.
- Energiekaskade: Große Wirbel zerfallen in immer kleinere.
- Mischen: eine rasche Durchmischung von Impuls, Wärme und Masse.
- Energiedissipation: Durch turbulente Reibung wird kinetische Energie in Wärme umgewandelt.
3. Ursachen für Turbulenzen in Maschinen
Störungen am Einlass
- Mangelhafte Auslegung des Einlasses: scharfe Biegungen, Hindernisse oder eine unzureichende Länge des geraden Rohrstücks.
- Strudel: Drall der Flüssigkeit beim Eintritt in das Laufrad oder den Ventilator.
- Ungleichmäßige Geschwindigkeit: ein vom Ideal abweichendes Geschwindigkeitsprofil.
- Wirkung: höhere Turbulenzintensität, verstärkte Vibrationen und verminderte Leistung.
Strömungsablösung
- Ungünstige Druckgradienten: Die Strömung löst sich von den Oberflächen.
- Betrieb außerhalb des Auslegungspunkts: Falsche Strömungswinkel führen zu Ablösung an den Schaufeln.
- Stand: ausgeprägte Strömungsablösung auf der Saugseite der Schaufel.
- Ergebnis: sehr hohe Turbulenzintensität und chaotische Kräfte.
Wake regions
- Hinter Schaufeln, Streben und Hindernissen bilden sich turbulente Nachläufe.
- Die Turbulenzintensität ist im Nachlauf hoch.
- Die nachgeschalteten Komponenten sind den daraus resultierenden instationären Kräften ausgesetzt.
- Die Wechselwirkung zwischen Schaufel und Nachlauf ist besonders bei mehrstufigen Maschinen von Bedeutung.
Hochgeschwindigkeitsbereiche
- Die Turbulenzintensität nimmt im Allgemeinen mit der Geschwindigkeit zu.
- Die Laufradspitzen und Auslassdüsen sind Bereiche mit hoher Turbulenz.
- Dies führt zu lokal konzentrierten hohen Kräften und Verschleiß.
4. Auswirkungen auf Maschinen
Erzeugung von Schwingungen
- Breitbandschwingung: Turbulenzen erzeugen zufällige Kräfte über einen weiten Frequenzbereich hinweg.
- Spektrum: einen erhöhten Grundrauschpegel statt einzelner Spitzen.
- Amplitude: nimmt mit der Turbulenzintensität zu.
- Frequenzbereich: typischerweise 10–500 Hz bei durch Turbulenzen verursachten Schwingungen.
Geräuschentwicklung
- Turbulenzen sind die Hauptursache für aerodynamische Geräusche.
- Es erzeugt ein breitbandiges „Rauschen“ oder „Sausen“.
- Der Geräuschpegel steigt proportional zur sechsten Potenz der Geschwindigkeit – er reagiert also außerordentlich empfindlich auf Geschwindigkeitsänderungen.
- Bei Hochgeschwindigkeitsventilatoren kann dies die Hauptgeräuschquelle sein.
Effizienzverluste
- Durch turbulente Reibung geht nutzbare Energie verloren.
- Dadurch werden sowohl der Druckanstieg als auch die Fördermenge verringert.
- Typische Turbulenzverluste liegen zwischen 2 und 10 % der Eingangsleistung.
- Sie verschlimmern sich bei Betrieb außerhalb des Nennbereichs.
Materialermüdung
- Zufällig schwankende Kräfte führen zu zyklischer Beanspruchung.
- Die Beanspruchungszyklen sind hochfrequent.
- Dies trägt zur Ermüdung der Rotorblätter und der Konstruktion bei, insbesondere wenn dies mit einem Schaufelresonanz.
- Besonders bei hohen Geschwindigkeiten ist dies besorgniserregend.
Erosion und Verschleiß
- Turbulenzen verstärken die Erosion bei abrasiven Betriebsbedingungen.
- Partikel, die durch Turbulenzen in der Schwebe gehalten werden, prallen auf die Oberflächen.
- In Bereichen mit starker Turbulenz wird der Verschleiß beschleunigt.
5. Erkennung und Diagnose
Indikatoren für das Schwingungsspektrum
- Erhöhtes Breitbandrauschen: ein hoher Grundrauschpegel über das gesamte Frequenzspektrum hinweg.
- Fehlen diskreter Spitzen: im Gegensatz zu mechanischen Störungen, die bei bestimmten Frequenzen auftreten.
- Flow-dependent: Der Breitbandpegel ändert sich mit der Durchflussmenge.
- Mindestwert bei BEP: Die Turbulenz ist am Auslegungspunkt am geringsten.
Genau diesen breitbandigen, durchflussabhängigen Charakter soll ein tragbares Analysegerät vor Ort bestätigen. Das Ablesen des Spektrums an den Lagergehäusen mit dem Balanset-1A ermöglicht es einem Ingenieur zu erkennen, ob ein hoher Gesamtpegel auf ein erhöhtes Grundrauschen – was auf Turbulenzen hindeutet – oder auf eine einzelne 1×-Spitze zurückzuführen ist, die auf eine Unwucht hindeutet, die Feldauswuchten. Wenn man beobachtet, wie sich dieser Grundrauschpegel bei unterschiedlichen Durchflussmengen verändert, lässt sich die Diagnose oft stellen, ohne die Maschine öffnen zu müssen.
Akustische Analyse
- Take Schalldruckpegel measurements.
- Ein Anstieg des Breitbandrauschens deutet auf Turbulenzen hin.
- Das akustische Spektrum spiegelt das Schwingungsspektrum wider.
- Richtmikrofone können Turbulenzquellen lokalisieren.
Strömungsvisualisierung
- Computational Fluid Dynamics (CFD) in der Konstruktionsphase.
- Strömungsstreifen oder Rauchvisualisierung während der Prüfung.
- Druckmessungen, die die Schwankungen aufzeigen.
- Particle Image Velocimetry (PIV) in der Forschung.
6. Abhilfestrategien
Verbesserungen am Einlassdesign
- Sorgen Sie für eine ausreichende gerade Rohrleitung im Einlaufbereich – mindestens 5 bis 10 Rohrdurchmesser.
- Vermeiden Sie scharfe Kurven unmittelbar vor dem Einlauf.
- Bringen Sie Strömungsgleichrichter oder Leitschaufeln an.
- Verwenden Sie trichterförmige oder stromlinienförmige Einlässe, um die Entstehung von Turbulenzen zu verringern.
Optimierung des Arbeitspunkts
- Betreiben Sie das System nahe dem Punkt des höchsten Wirkungsgrads (BEP).
- Dort stimmen die Strömungswinkel mit den Schaufelwinkeln überein, wodurch die Ablösung minimiert wird.
- Die Turbulenzbildung ist am geringsten.
- Die Drehzahlregelung hilft dabei, diesen optimalen Punkt beizubehalten.
Konstruktionsänderungen
- Sanfte Übergänge in den Durchflusskanälen, ohne scharfe Kanten.
- Diffusoren zur allmählichen Verlangsamung der Strömung.
- Wirbelunterdrücker oder Anti-Wirbel-Vorrichtungen.
- Akustische Auskleidung zur Absorption von durch Turbulenzen erzeugtem Lärm
7. Turbulenzen im Vergleich zu anderen Strömungsphänomenen
Turbulenzen sind eine von mehreren strömungsbedingten Ursachen für breitbandige Schwingungen, und ihre Unterscheidung von benachbarten Phänomenen schärft die Diagnose.
Turbulenzen vs. Kavitation
- Turbulenz: breitbandig, kontinuierlich und durchflussabhängig.
- Kavitation: impulsiv, mit höherer Frequenz und abhängig vom NPSH.
- Beide: können nebeneinander bestehen und erzeugen beide Breitbandschwingungen.
Turbulenz vs. Rezirkulation
- Turbulenz: zufällig, breitbandig und bei allen Durchflussmengen vorhanden.
- Umluft: eine organisierte Instabilität mit niederfrequenten Schwankungen, die nur bei geringem Durchfluss auftritt.
- Beziehung: Rezirkulationszonen sind selbst sehr turbulent.
Es lohnt sich auch, Strömungsturbulenzen vom allgemeineren Begriff der Turbulenzen, wie sie in einem Schwingungssignal auftretensowie aus den aerodynamischen Lasten, die unter aerodynamische Kräfte — dieselbe Physik, betrachtet aus der Perspektive der Maschinenkonstruktion.
Strömungsturbulenzen sind ein unvermeidbares Merkmal von Hochgeschwindigkeitsströmungen in rotierenden Maschinen. Auch wenn sie unvermeidbar sind, lassen sich ihre Intensität und ihre Auswirkungen durch eine durchdachte Einlasskonstruktion, den Betrieb nahe am Auslegungspunkt und eine sorgfältige Strömungsoptimierung gering halten. Das Verständnis von Turbulenzen als Ursache für breitbandige Schwingungen und Geräusche ermöglicht es einem Analytiker, diese klar von mechanischen Fehlern mit diskreten Frequenzen zu unterscheiden und Korrekturmaßnahmen eher auf die Strömungsbedingungen als auf mechanische Reparaturen auszurichten.
