Que sont les forces aérodynamiques ? Charges des ventilateurs et des turbines • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors. Que sont les forces aérodynamiques ? Charges des ventilateurs et des turbines • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors.

Que sont les forces aérodynamiques ? Charges des soufflantes et des turbines

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Comprendre les forces aérodynamiques

Définition : Que sont les forces aérodynamiques ?

Forces aérodynamiques Les forces aérodynamiques sont des forces exercées sur les composants rotatifs et fixes des ventilateurs, soufflantes, compresseurs et turbines par le mouvement de l'air ou du gaz. Ces forces résultent des différences de pression, des variations de quantité de mouvement dans le gaz en écoulement et des interactions fluide-structure. Les forces aérodynamiques comprennent les forces stationnaires (poussée, charges radiales) et les forces instationnaires (pulsations à fréquence de passage des lames, forces aléatoires induites par la turbulence) qui créent vibration, des charges sur les roulements et les structures et, dans certains cas, des instabilités auto-excitées.

Les forces aérodynamiques sont l'équivalent en phase gazeuse des forces hydrauliques dans les pompes, mais avec des différences importantes : effets de compressibilité, variations de densité avec la pression et la température, et couplage acoustique qui peut créer des résonances et des instabilités non présentes dans les systèmes liquides incompressibles.

Types de forces aérodynamiques

1. Forces de poussée

Forces axiales dues à la pression agissant sur les surfaces des lames :

  • Ventilateurs centrifuges : La différence de pression crée une poussée vers l'entrée
  • Ventilateurs axiaux : Force de réaction due à l'accélération de l'air
  • Turbines: L'expansion du gaz crée une poussée importante sur les pales
  • Ampleur: Proportionnel à l'augmentation de la pression et au débit
  • Effet: Charges paliers de butée, crée vibrations axiales

2. Forces radiales

Forces latérales dues à une distribution de pression non uniforme :

Force radiale constante

  • Pression asymétrique dans le boîtier/les conduits
  • Varie selon le point de fonctionnement (débit)
  • Minimum au point de conception
  • Crée une charge de roulement et une vibration 1×

Force radiale rotative

  • Si la roue/le rotor présente une charge aérodynamique asymétrique
  • La force tourne avec le rotor
  • Crée une vibration 1× comme déséquilibrer
  • Peut s'accoupler avec un balourd mécanique

3. Pulsations de passage de lame

Impulsions de pression périodiques au taux de passage de la lame :

  • Fréquence: Nombre de lames × RPM / 60
  • Cause: Chaque lame perturbe le champ d'écoulement et crée une impulsion de pression
  • Interaction: Entre les pales rotatives et les entretoises, aubes ou boîtiers fixes
  • Amplitude: Dépend du jeu entre la pale et le stator et des conditions d'écoulement
  • Effet: Source principale de bruit tonal et de vibration du ventilateur/compresseur

4. Forces induites par la turbulence

  • Forces aléatoires : Des tourbillons turbulents et une séparation des flux
  • Spectre à large bande : Énergie distribuée sur une large gamme de fréquences
  • Dépend du débit : Augmente avec le nombre de Reynolds et le fonctionnement hors conception
  • Préoccupation concernant la fatigue : Les charges aléatoires contribuent à la fatigue des composants

5. Forces d'écoulement instables

stalle rotative

  • Séparation localisée du flux tournant autour de l'anneau
  • Fréquence sous-synchrone (0,2-0,8 × vitesse du rotor)
  • Crée de graves forces instables
  • Courant à faible débit dans les compresseurs

Surtension

  • Oscillation du flux à l'échelle du système (flux direct et inverse)
  • Très basse fréquence (0,5-10 Hz)
  • Amplitudes de force extrêmement élevées
  • Peut détruire les compresseurs en cas d'ingestion prolongée

Vibrations provenant de sources aérodynamiques

Fréquence de passage des lames (BPF)

  • Composante dominante des vibrations aérodynamiques
  • L'amplitude varie en fonction du point de fonctionnement
  • Plus élevé dans des conditions hors conception
  • Peut exciter des résonances structurelles

Pulsations à basse fréquence

  • De la recirculation, du décrochage ou de la surtension
  • Amplitude souvent sévère (peut dépasser 1× vibration)
  • Indique un fonctionnement loin du point de conception
  • Nécessite des modifications des conditions de fonctionnement

Vibration à large bande

  • De la turbulence et du bruit d'écoulement
  • Élevé dans les régions à grande vitesse
  • Augmente avec le débit et l'intensité de la turbulence
  • Moins préoccupant que les composants tonaux, mais indique la qualité du flux

Couplage avec effets mécaniques

Interaction aérodynamique-mécanique

  • Les forces aérodynamiques dévient le rotor
  • La déflexion modifie les jeux, affectant les forces aérodynamiques
  • Peut créer des instabilités couplées
  • Exemple : Forces aérodynamiques dans les joints contribuant à l'instabilité du rotor

Amortissement aérodynamique

  • La résistance de l'air amortit les vibrations structurelles
  • Effet généralement positif (stabilisant)
  • Mais peut être négatif (déstabilisant) dans certaines conditions d'écoulement
  • Important dans dynamique du rotor de turbomachines

Considérations de conception

Minimisation des forces

  • Optimiser les angles et l'espacement des lames
  • Utiliser des diffuseurs ou un espace sans ailettes pour réduire les pulsations
  • Conception pour une large plage de fonctionnement stable
  • Tenez compte du nombre de lames pour éviter les résonances acoustiques

Conception structurelle

  • Roulements dimensionnés pour les charges aérodynamiques et mécaniques
  • Rigidité de l'arbre adéquate pour la déflexion sous les forces aérodynamiques
  • Fréquences naturelles des lames séparées des sources d'excitation
  • Boîtier et structure conçus pour les charges de pulsation de pression

Stratégies opérationnelles

Point de fonctionnement optimal

  • Fonctionner à proximité du point de conception pour des forces aérodynamiques minimales
  • Éviter les très faibles débits (recirculation, décrochage)
  • Éviter les débits très élevés (vitesse élevée, turbulences)
  • Utilisez une vitesse variable pour maintenir un point optimal

Éviter les instabilités

  • Restez à droite de la ligne de surtension dans les compresseurs
  • Mettre en œuvre un contrôle anti-surtension
  • Surveiller le début du décrochage
  • Protection de débit minimum pour les ventilateurs et les compresseurs

Les forces aérodynamiques sont fondamentales pour le fonctionnement et la fiabilité des équipements de ventilation et de traitement des gaz. Comprendre comment ces forces varient selon les conditions de fonctionnement, reconnaître leurs signatures vibratoires et concevoir et exploiter les équipements de manière à minimiser les forces aérodynamiques instables grâce à un fonctionnement proche du point de conception garantit des performances fiables et efficaces des ventilateurs, soufflantes, compresseurs et turbines en service industriel.

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