Aerodünaamiliste jõudude mõistmine
Definitsioon: Mis on aerodünaamilised jõud?
Aerodünaamilised jõud on jõud, mida õhu või gaasi liikumine avaldab ventilaatorite, puhurite, kompressorite ja turbiinide pöörlevatele ja statsionaarsetele komponentidele. Need jõud tulenevad rõhuerinevustest, voolava gaasi impulsimuutustest ja vedeliku ja struktuuri vastastikmõjust. Aerodünaamiliste jõudude hulka kuuluvad püsijõud (tõukejõud, radiaalkoormused) ja mittestatsionaarsed jõud (pulsatsioonid kiirusel tera läbimissagedus, turbulentsi poolt põhjustatud juhuslikud jõud), mis loovad vibratsioon, laagrite ja konstruktsioonide koormus ning mõnel juhul ka iseenesest ergastuvad ebastabiilsused.
Aerodünaamilised jõud on pumpade hüdrauliliste jõudude gaasifaasi ekvivalent, kuid oluliste erinevustega: kokkusurutavuse mõjud, tiheduse muutused rõhu ja temperatuuri mõjul ning akustiline sidestus, mis võib tekitada resonantse ja ebastabiilsusi, mida kokkusurumatutes vedelsüsteemides ei esine.
Aerodünaamiliste jõudude tüübid
1. Tõukejõud
Tera pindadele mõjuva rõhu aksiaalsed jõud:
- Tsentrifugaalventilaatorid: Rõhuerinevus tekitab sisselaskeava suunas tõukejõu
- Aksiaalventilaatorid: Õhukiirenduse reaktsioonijõud
- Turbiinid: Gaasi paisumine tekitab labadele suure tõukejõu
- Suurusjärk: Proportsionaalne rõhu tõusu ja voolukiirusega
- Mõju: Koormad tõukelaagrid, loob aksiaalne vibratsioon
2. Radiaalsed jõud
Ebaühtlase rõhujaotuse tõttu tekkivad külgmised jõud:
Püsiv radiaaljõud
- Asümmeetriline rõhk korpuses/kanalites
- Varieerub vastavalt tööpunktile (voolukiirus)
- Minimaalne projekteerimispunktis
- Tekitab laagri koormuse ja 1× vibratsiooni
Pöörlev radiaaljõud
- Kui tiiviku/rootori aerodünaamiline koormus on asümmeetriline
- Jõud pöörleb koos rootoriga
- Tekitab 1× vibratsiooni, näiteks tasakaalutus
- Võib ühendada mehaanilise tasakaalustamatusega
3. Tera mööduvad pulsatsioonid
Perioodilised rõhuimpulsid labade läbimiskiirusel:
- Sagedus: Terade arv × p/min / 60
- Põhjus: Iga laba häirib vooluvälja, tekitades rõhuimpulsi
- Koostoime: Pöörlevate labade ja statsionaarsete tugipostide, labade või korpuse vahel
- Amplituud: Sõltub laba ja staatori vahelisest kliirensist ning voolutingimustest
- Mõju: Ventilaatori/kompressori toonilise müra ja vibratsiooni peamine allikas
4. Turbulentsi põhjustatud jõud
- Juhuslikud jõud: Turbulentsete keeriste ja voolu eraldumise tõttu
- Lairiba spekter: Energia jaotub laias sagedusalas
- Vooluhulgast sõltuv: Suureneb koos Reynoldsi arvu ja kavandatud töörežiimiga
- Väsimuse mure: Juhuslik koormus aitab kaasa komponentide väsimusele
5. Ebastabiilsed voolujõud
Pöörlev varikatus
- Lokaliseeritud voolu eraldumine pöörleb ümber rõnga
- Subsünkroonne sagedus (rootori kiirus 0,2–0,8 ×)
- Tekitab tugevaid ebastabiilseid jõude
- Levinud kompressorites madala vooluhulga korral
Tõus
- Süsteemiülene voolu kõikumine (edasi- ja tagasivool)
- Väga madal sagedus (0,5–10 Hz)
- Äärmiselt suured jõu amplituudid
- Võib püsivalt kompressoreid hävitada
Aerodünaamilistest allikatest tulenev vibratsioon
Tera läbimise sagedus (BPF)
- Domineeriv aerodünaamiline vibratsioonikomponent
- Amplituud varieerub olenevalt tööpunktist
- Kõrgem mitteprojekteeritud tingimustes
- Võib ergutada struktuurilisi resonantse
Madala sagedusega pulsatsioonid
- Ringlusse minekust, seisakust või hüppest
- Sageli tugev amplituud (võib ületada 1× vibratsiooni)
- Näitab toimimist projekteerimispunktist kaugel
- Nõuab töötingimuste muutmist
Lairiba vibratsioon
- Turbulentsist ja voolumürast
- Kõrgendatud kiirete piirkondade puhul
- Suureneb koos voolukiiruse ja turbulentsi intensiivsusega
- Vähem murettekitav kui toonilised komponendid, kuid näitab voolavuse kvaliteeti
Mehaaniliste efektidega seos
Aerodünaamiline-mehaaniline interaktsioon
- Aerodünaamilised jõud suunavad rootorit kõrvale
- Läbipaine muudab kliirensit, mõjutades aerodünaamilisi jõude
- Võib tekitada seotud ebastabiilsusi
- Näide: Tihendite aerodünaamilised jõud, mis aitavad kaasa rootori ebastabiilsusele
Aerodünaamiline summutus
- Õhutakistus summutab konstruktsiooni vibratsiooni
- Üldiselt positiivne (stabiliseeriv) efekt
- Kuid teatud voolutingimustes võib see olla negatiivne (destabiliseeriv)
- Oluline rootori dünaamika turbomasinatest
Kujunduskaalutlused
Jõu minimeerimine
- Optimeerige terade nurki ja vahekaugusi
- Pulsatsioonide vähendamiseks kasutage hajuteid või labadeta ruumi
- Laia stabiilse töövahemiku disain
- Akustilise resonantsi vältimiseks arvestage labade arvuga
Konstruktsioonide projekteerimine
- Aerodünaamiliste ja mehaaniliste koormuste jaoks mõõdetud laagrid
- Võlli jäikus, mis on piisav aerodünaamiliste jõudude mõjul läbipaindumiseks
- Tera loomulikud sagedused on ergastusallikatest eraldatud
- Rõhupulsatsioonikoormuste jaoks projekteeritud korpus ja konstruktsioon
Tegevusstrateegiad
Optimaalne tööpunkt
- Minimaalsete aerodünaamiliste jõudude saavutamiseks töötage arvutuspunkti lähedal
- Vältige väga madalat vooluhulka (retsirkulatsioon, seisak)
- Vältige väga suurt vooluhulka (suur kiirus, turbulents)
- Optimaalse punkti säilitamiseks kasutage muutuvat kiirust
Vältige ebastabiilsust
- Kompressorites püsige ülerõhuvoolikust paremal
- Rakendage ülepingekaitset
- Varisemise alguse jälgimine
- Ventilaatorite ja kompressorite minimaalse vooluhulga kaitse
Aerodünaamilised jõud on õhu- ja gaasikäitlusseadmete töö ja töökindluse seisukohalt üliolulised. Nende jõudude varieerumise mõistmine olenevalt töötingimustest, nende vibratsioonitunnuste äratundmine ning seadmete projekteerimine/käitamine nii, et minimeerida ebastabiilseid aerodünaamilisi jõude peaaegu projekteerimispunktile lähenedes, tagab ventilaatorite, puhurite, kompressorite ja turbiinide usaldusväärse ja tõhusa jõudluse tööstuslikus teeninduses.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 