Aerodünaamiliste jõudude mõistmine
Aerodünaamilised jõud on jõud, mida liikuv õhk või gaas avaldab ventilaatorite, puhurite, kompressorite ja turbiinide pöörlevatele ja seisvatele komponentidele. Need tekivad labade pindade rõhkude erinevustest, voolava gaasi impulsi muutustest ning pidevast vastastikmõjust voolava keskkonna ja selle kohal oleva konstruktsiooni vahel. Need jõud hõlmavad nii püsivaid komponente – tõuke- ja radiaalkoormusi – kui ka ebapüsivaid komponente, näiteks pulsatsioone sagedusel tera läbimissagedus ja turbulentsi juhuslik puhang. Koos tekitavad nad vibratsioon, koormavad laagreid ja korpusi ning mõnel juhul põhjustavad iseeneslikku ebastabiilsust, mis võib masinat hävitada.
Aerodünaamilised jõud on gaasifaasi vastandiks hüdraulilised jõud nagu pumbates, kuid kolme olulise erinevusega: gaas on kokkusurutav, selle tihedus muutub tugevalt rõhu ja temperatuuri suhtes ning see haakub akustiliselt masinaga ja selle kanalitega. See akustiline haakumine võib tekitada resonantse ja ebastabiilsusi, mida kokkusurutamatus vedelikusüsteemis lihtsalt ei ole, mistõttu ventilaatori ja kompressori probleemid näevad sageli välja hoopis teistsugused kui pumba probleemid.
1. Aerodünaamiliste jõudude tüübid
1. Tõukejõud
Need on teljejõud, mis tekivad labade pindadele mõjuvast survest:
- Tsentrifugaalventilaatorid: rõhkude erinevus tekitab tõukejõu, mis on suunatud sisselaskeava suunas.
- Aksiaalventilaatorid: reaktsioon õhu kiirendamisele tekitab aksiaalset jõudu.
- Turbiinid: gaasi paisumine üle labida tekitab suure tõukejõu.
- Suurusjärk: ligikaudu proportsionaalne rõhu tõusu ja vooluhulgaga.
- Mõju: see koormab tõukelaager ja tekitab aksiaalne vibratsioon.
2. Radiaaljõud
Need on külgsuunalised jõud, mis tekivad ebaühtlase rõhujaotuse tõttu rootori ümber. Need esinevad kahel erineval kujul.
Stabiilne radiaaljõud:
- Põhjuseks on asümmeetriline rõhk korpuses või kanalisatsioonis.
- Varieerub sõltuvalt tööpunktist, st vooluhulgast.
- Saabub miinimumini projekteerimispunktis.
- Tekitab laagrikoormuse ja 1× vibratsioonikomponendi.
Pöörlev radiaaljõud:
- Tekib, kui tiivik või rootor kannab asümmeetrilist aerodünaamilist koormust.
- Jõud pöörleb koos rootoriga.
- See tekitab 1× vibratsiooni, mis näeb välja nagu tasakaalustamatus.
- See võib vektoriaalselt lisada tõelist mehaanilist tasakaalustamatust, mistõttu võib ventilaator tunduda “tasakaalust väljas” üksnes seetõttu, et selle tööpunkt muutus.
3. Tera läbiv pulseerimine
Need on perioodilised rõhuimpulsid kiirusega, millega labad läbivad fikseeritud punkti:
- Sagedus: labade arv × pöörete arv / 60 - väärtus meie Tera läbimise sageduse kalkulaator arvutab otse.
- Põhjus: iga laba häirib vooluvälja ja tekitab rõhuimpulsi.
- Koostoime: see toimub pöörlevate labade ja statsionaarsete vedrude, tiivikute või korpuse keele vahel.
- Amplituud: sõltub laba ja staatori vahekaugusest ning voolutingimustest.
- Mõju: see on ventilaatorite ja kompressorite toonilise müra ja vibratsiooni peamine allikas.
4. Turbulentsist põhjustatud jõud
- Juhuslikud jõud: tekitavad turbulentsed keerised ja voolu eraldumine.
- Lairiba spektriosa: energia levib laias sagedusvahemikus, mitte ei ole koondunud toonidesse.
- Sõltub voolust: nad kasvavad koos Reynoldsi arv ja projekteerimisvälise tööga.
- Väsimuse probleem: see juhuslik koormus aitab aja jooksul kaasa komponentide väsimisele.
5. Ebastabiilse voolu jõud
Pöörlev seiskumine:
- Lokaalse voolu eraldumise piirkond, mis pöörleb ümber rõnga.
- Ilmub subsünkroonne sagedus, ligikaudu 0,2-0,8× rootori kiirus.
- Tekitab tõsiseid ebastabiilseid jõude.
- Tavaline madala vooluhulga korral kompressorites.
- Kogu süsteemi hõlmav vooluhulkade võnkumine, kus vooluhulk pöördub edasi ja tagasi.
- Väga madal sagedus, umbes 0,5-10 Hz.
- Väga suured jõudude amplituudid.
- See võib hävitada kompressori, kui sellel lastakse püsida.
2. Aerodünaamilistest allikatest tulenev vibratsioon
Labade möödumissagedus (BPF)
- Domineeriv aerodünaamiline vibratsioonikomponent.
- Selle amplituud varieerub vastavalt tööpunktile.
- See on kõrgem projekteerimisvälisel ajal.
- See võib erutada struktuurilist või laba resonants.
Madalsageduslikud pulsatsioonid
- Pärineb retsirkulatsioon, takerdumine või tõus.
- Sageli on nad amplituudilt rasked - nad võivad ületada 1× vibratsiooni.
- Need näitavad, et nad on projekteerimispunktist kaugel.
- Need nõuavad töötingimuste muutmist, mitte mehaanilist remonti.
Lairiba vibratsioon
- Põhjustatud turbulents ja voolumüra.
- Kõrge kiirusega piirkondades kõrgendatud.
- Suureneb koos voolukiiruse ja turbulentsi intensiivsusega.
- Vähem murettekitav kui tonaalsed komponendid, kuid kasulik näitaja voolu kvaliteedi kohta.
3. Mehaaniliste mõjude sidumine
Aerodünaamiline-mehaaniline koostoime
- Aerodünaamilised jõud suunavad rootori kõrvale.
- See läbipaindumine muudab töökliirenseid, mis omakorda muudab aerodünaamilisi jõude.
- See tagasiside võib tekitada ühendatud ebastabiilsust.
- Klassikaline näide on aerodünaamilised jõud tihendites, mis aitavad kaasa rootori ebastabiilsus - tihedalt seotud aurukeeris nähtud turbiinides.
Aerodünaamiline summutamine
- Õhutakistus tagab üldiselt struktuurivibratsiooni summutamise.
- See mõju on tavaliselt positiivne, st stabiliseeriv.
- Kuid teatud voolutingimustes võib see muutuda negatiivseks ja destabiliseerivaks.
- See on oluline kaalutlus rootori dünaamika turbomasinate kohta.
4. Projekteerimise põhimõtted
Jõudude minimeerimine
- Optimeerige labade nurgad ja vahekaugused.
- Pulsatsioonide vähendamiseks kasutage hajuteid või labadeta ruumi
- Konstruktsioon laia, stabiilse tööpiirkonna jaoks.
- Valige terade arv, mis väldib akustilisi resonantse.
Ehitusprojekteerimine
- Mõõtke laagrid lisaks mehaanilistele koormustele ka aerodünaamiliste koormuste jaoks.
- Tehke võll piisavalt jäigaks, et piirata läbipaindumist aerodünaamilise jõu mõjul.
- Eraldage tera omasagedused ergutusallikatest.
- Projekteerige korpus ja konstruktsioon rõhu-pulsatsioonikoormuse jaoks.
5. Tegevusstrateegiad ja välismõõtmine
Optimaalne tööpunkt
- Kasutage madalaimate aerodünaamiliste jõudude saavutamiseks projekteerimispunkti lähedal.
- Vältige väga madalat vooluhulka, mis soodustab ringlusse sattumist ja ummikseisundit.
- Vältige väga suurt vooluhulka, mis suurendab kiirust ja turbulentsi.
- Kasutage muutuvat kiirust, et hoida optimaalset punkti nõudluse muutudes - see on afiinsuse seadused kirjeldavad, kuidas vooluhulk, tõstekõrgus ja võimsus muutuvad koos kiirusega.
Ebastabiilsuse vältimine
- Jääge kompressorite puhul ülepingejoonest paremale.
- Rakendada paisumisvastast kontrolli.
- Jälgige, kas tekib ummikseisund.
- Tagada nii ventilaatorite kui ka kompressorite minimaalse vooluhulga kaitse.
Praktiline väljakutse on eristada aerodünaamilist probleemi mehaanilisest, sest mõlemad võivad tõsta 1× või BPF piike. Kaasaskantav kahe kanaliga analüsaator, nagu näiteks Balanset-1A aitab seda joont tõmmata: jäädvustades spektri ja 1× amplituud ja faas mitmes tööpunktis saab insener näha, kas tipp järgib töökiirust ja jääb koormuse muutudes paigale – mis viitab mehaanilisele tasakaalustamatusele – või paisub ja nihkub voolu muutudes, mis viitab aerodünaamilisele allikale. Kui 1× komponent osutub tõeliseks mehaaniliseks tasakaalustamatuseks, siis sama seade tasakaalustab ventilaatorit või tiivikut, nii et aerodünaamilist panust saab seejärel käsitleda omaette tingimustel.
Aerodünaamilised jõud on lõppkokkuvõttes iga õhku liigutava ja gaasi käitleva masina toimimise ja töökindluse põhialuseks. Nende jõudude muutumise mõistmine vastavalt töötingimustele, nende erinevate vibratsiooni tunnuste äratundmine ning seadmete projekteerimine ja käitamine nii, et ebastabiilsed komponendid oleksid väikesed - peamiselt töötades projekteerimispunkti lähedal - tagavad ventilaatorite, puhurite, kompressorite ja turbiinide usaldusväärse ja tõhusa töö kogu tööstuses. Sellega seonduva äratundmine ventilaatori defektid ja tiiviku defektid et aerodünaamiline koormus võib kiirendada, täiendab diagnostilist pilti.
