Comprensión de las fuerzas aerodinámicas
Definición: ¿Qué son las fuerzas aerodinámicas?
Fuerzas aerodinámicas Son fuerzas ejercidas sobre componentes rotatorios y estacionarios en ventiladores, sopladores, compresores y turbinas por el aire o el gas en movimiento. Estas fuerzas surgen de diferenciales de presión, cambios de momento en el gas que fluye e interacciones fluido-estructura. Las fuerzas aerodinámicas incluyen fuerzas estacionarias (empuje, cargas radiales) e inestables (pulsaciones en... frecuencia de paso de la cuchilla, fuerzas aleatorias inducidas por turbulencia) que crean vibración, cargas sobre apoyos y estructuras y, en algunos casos, inestabilidades autoexcitadas.
Las fuerzas aerodinámicas son el equivalente en fase gaseosa de las fuerzas hidráulicas en las bombas, pero con diferencias importantes: efectos de compresibilidad, variaciones de densidad con la presión y la temperatura, y acoplamiento acústico que puede crear resonancias e inestabilidades que no están presentes en los sistemas de líquidos incompresibles.
Tipos de fuerzas aerodinámicas
1. Fuerzas de empuje
Fuerzas axiales de presión que actúan sobre las superficies de las palas:
- Ventiladores centrífugos: La diferencia de presión crea empuje hacia la entrada
- Ventiladores axiales: Fuerza de reacción de la aceleración del aire
- Turbinas: La expansión del gas crea un gran empuje en las palas.
- Magnitud: Proporcional al aumento de presión y al caudal
- Efecto: Cargas cojinetes de empuje, crea vibración axial
2. Fuerzas radiales
Fuerzas laterales derivadas de una distribución de presión no uniforme:
Fuerza radial constante
- Presión asimétrica en la vivienda/conductos
- Varía según el punto de operación (caudal)
- Mínimo en el punto de diseño
- Crea carga de apoyo y vibración 1×
Fuerza radial giratoria
- Si el impulsor/rotor tiene una carga aerodinámica asimétrica
- La fuerza gira con el rotor
- Crea una vibración 1× como desequilibrar
- Puede acoplarse con desequilibrio mecánico.
3. Pulsaciones de paso de la cuchilla
Pulsos de presión periódicos a la velocidad de paso de la cuchilla:
- Frecuencia: Número de cuchillas × RPM / 60
- Causa: Cada cuchilla perturba el campo de flujo y crea un pulso de presión.
- Interacción: Entre palas giratorias y puntales estacionarios, paletas o carcasas
- Amplitud: Depende de la distancia entre las palas y el estator y de las condiciones de flujo.
- Efecto: Fuente principal de ruido tonal y vibración del ventilador/compresor
4. Fuerzas inducidas por turbulencia
- Fuerzas aleatorias: De remolinos turbulentos y separación de flujo
- Espectro de banda ancha: Energía distribuida en un amplio rango de frecuencias
- Dependiente del flujo: Aumenta con el número de Reynolds y el funcionamiento fuera de diseño
- Preocupación por la fatiga: La carga aleatoria contribuye a la fatiga de los componentes
5. Fuerzas de flujo inestables
Puesto giratorio
- Separación de flujo localizado que gira alrededor del anillo
- Frecuencia subsincrónica (0,2-0,8 × velocidad del rotor)
- Crea fuerzas inestables severas
- Común en compresores con bajo caudal
Aumento
- Oscilación del flujo en todo el sistema (flujo directo e inverso)
- Frecuencia muy baja (0,5-10 Hz)
- Amplitudes de fuerza extremadamente altas
- Puede destruir los compresores si se mantiene
Vibración de fuentes aerodinámicas
Frecuencia de paso de la cuchilla (BPF)
- Componente de vibración aerodinámica dominante
- La amplitud varía según el punto de operación
- Más alto en condiciones fuera de diseño
- Puede excitar resonancias estructurales
Pulsaciones de baja frecuencia
- Por recirculación, estancamiento o aumento repentino
- Amplitud a menudo severa (puede superar 1× vibración)
- Indica operación lejos del punto de diseño
- Requiere cambios en las condiciones de funcionamiento
Vibración de banda ancha
- De la turbulencia y el ruido del flujo
- Elevado en regiones de alta velocidad
- Aumenta con el caudal y la intensidad de la turbulencia.
- Menos preocupante que los componentes tonales, pero indica la calidad del flujo.
Acoplamiento con efectos mecánicos
Interacción aerodinámica-mecánica
- Las fuerzas aerodinámicas desvían el rotor
- La deflexión cambia las holguras, lo que afecta las fuerzas aerodinámicas.
- Puede crear inestabilidades acopladas
- Ejemplo: Fuerzas aerodinámicas en los sellos que contribuyen a la inestabilidad del rotor
Amortiguación aerodinámica
- La resistencia del aire proporciona amortiguación de la vibración estructural.
- Efecto generalmente positivo (estabilizador)
- Pero puede ser negativo (desestabilizador) en algunas condiciones de flujo.
- Importante en dinámica del rotor de turbomáquinas
Consideraciones de diseño
Minimización de fuerza
- Optimizar los ángulos y el espaciado de las cuchillas
- Utilice difusores o espacios sin paletas para reducir las pulsaciones.
- Diseño para un amplio rango operativo estable
- Considere el número de cuchillas para evitar resonancias acústicas
Diseño estructural
- Rodamientos dimensionados para cargas aerodinámicas más cargas mecánicas
- Rigidez del eje adecuada para la deflexión bajo fuerzas aerodinámicas
- Frecuencias naturales de las cuchillas separadas de las fuentes de excitación
- Carcasa y estructura diseñadas para cargas de pulsación de presión.
Estrategias operativas
Punto de funcionamiento óptimo
- Operar cerca del punto de diseño para lograr fuerzas aerodinámicas mínimas
- Evite un flujo muy bajo (recirculación, estancamiento)
- Evite flujos muy altos (alta velocidad, turbulencia)
- Utilice velocidad variable para mantener el punto óptimo
Evite las inestabilidades
- Manténgase a la derecha de la línea de sobretensión en los compresores
- Implementar control anti-sobretensión
- Monitorizar el inicio de la pérdida
- Protección de flujo mínimo para ventiladores y compresores
Las fuerzas aerodinámicas son fundamentales para el funcionamiento y la fiabilidad de los equipos de movimiento de aire y manejo de gases. Comprender cómo varían estas fuerzas según las condiciones de operación, reconocer sus características de vibración y diseñar/operar equipos para minimizar las fuerzas aerodinámicas inestables mediante una operación cercana al punto de diseño garantiza un rendimiento fiable y eficiente de ventiladores, sopladores, compresores y turbinas en aplicaciones industriales.
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